Видове химични реакции в органичната химия - Хипермаркет Знание. Механизми на органичните реакции - заместване, добавяне, елиминиране. Основни видове химични реакции в органичната химия
>> Химия: Видове химични реакции в органичната химия
Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да бъде сведено до рамката на предложената класификация (например реакции на горене). Въпреки това, такава класификация ще помогне да се установят аналогии с класификациите на реакциите, които протичат между неорганични вещества, които вече са ви познати от курса на неорганичната химия.
По правило основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията условно се счита за реагент.
Реакции на заместване
Реакциите, които водят до заместване на един атом или група от атоми в оригиналната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми, се наричат реакции на заместване.
Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения, като например алкани, циклоалкани или арени.
Нека дадем примери за такива реакции.
Има различни класификационни системи за органични реакции, които се основават на различни характеристики. Сред тях са следните класификации:
- На краен резултат от реакцията, тоест промяна в структурата на субстрата;
- На механизъм на реакция, тоест според вида на разкъсването на връзката и вида на реагентите.
Веществата, които взаимодействат в органична реакция, се делят на реагенти субстрат. В този случай се счита, че реагентът атакува субстрата.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
реагент- вещество, което действа върху обект - субстрат - и предизвиква изменение на химичната връзка в него. Реагентите се делят на радикални, електрофилни и нуклеофилни.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Субстратобикновено се счита за молекула, която осигурява въглероден атом за нова връзка.
КЛАСИФИКАЦИЯ НА РЕАКЦИИТЕ СПОРЕД КРАЙНИЯ РЕЗУЛТАТ (ПРОМЕНИ В СТРУКТУРАТА НА СУБСТРАТА)
В органичната химия се разграничават четири вида реакции според крайния резултат и промяната в структурата на субстрата: добавяне, заместване, отделяне,или елиминиране(от английски. да елиминирам- премахване, отцепване), и пренареждания (изомеризации)). Такава класификация е подобна на класификацията на реакциите в неорганичната химия според броя на изходните реагенти и образуваните вещества, със или без промяна в състава. Класификацията според крайния резултат се основава на формални характеристики, тъй като стехиометричното уравнение по правило не отразява механизма на реакцията. Нека сравним видовете реакции в неорганичната и органичната химия.
Тип реакция в неорганичната химия | Пример | Тип реакция в органичната химия | Разнообразие и пример Реакции |
|---|---|---|---|
1. Връзка | ° С л2 + з2 = 2 H C l | Прикрепване чрез множество връзки | хидрогениране |
Хидрохалогениране
|
|||
Халогениране
|
|||
Хидратация
|
|||
2. Разлагане | 2
з2
O = 2 з2
+
О2
| елиминиране | Дехидрогениране
|
Дехидрохалогениране
|
|||
Дехалогениране
|
|||
Дехидратация
|
|||
3. Заместване | Z n + 2 H C l =ZnCl2+H2 | заместване |
|
4. Размяна (специален случай - неутрализация) | з2 С О4 + 2 N a O H\u003d N a 2 S O 4 + 2 H 2 О | частен случай - естерификация |
|
5. Алотропизация | графит ⇔ диамант Пчервен⇔ ПбялоПред⇔P бяло Сромб.⇔ Срезервоар Srhombus⇔Splast. | Изомеризация | Изомеризация алкани
|
н) без да ги заменяте с други.
В зависимост от това кои атоми се отцепват - съседни ° С–° Сили изолиран от два или три или повече въглеродни атома - ° С-С-С- ° С–, –° С-C-C-C- ° С- може да образува съединения с множество облигациии или циклични съединения. Елиминирането на халогеноводороди от алкилхалогениди или вода от алкохоли става съгласно правилото на Зайцев.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Правилото на Зайцев: водородният атом Н се отделя от най-малко хидрогенирания въглероден атом.
Например, отделянето на молекула на бромоводород става от съседни атоми в присъствието на алкали, с образуването на натриев бромид и вода.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
прегрупиране- химическа реакция, в резултат на която се променя взаимното разположение на атомите в молекулата, движението на множество връзки или промяна в тяхната множественост.
Пренареждането може да се извърши със запазване на атомния състав на молекулата (изомеризация) или с неговата промяна.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Изомеризация- специален случай на реакция на пренареждане, водеща до превръщане на химично съединение в изомер чрез структурни промени във въглеродния скелет.
Пренареждането може също да се извърши чрез хомолитичен или хетеролитичен механизъм. Молекулните пренареждания могат да бъдат класифицирани по различни критерии, например по наситеността на системите, по естеството на мигриращата група, по стереоспецифичност и т.н. Много реакции на пренареждане имат специфични имена - пренареждане на Клайзен, пренареждане на Бекман и др.
Реакциите на изомеризация се използват широко в промишлени процеси, като рафиниране на нефт за повишаване на октановото число на бензина. Пример за изомеризация е трансформацията н-октан към изооктан:
КЛАСИФИКАЦИЯ НА ОРГАНИЧНИТЕ РЕАКЦИИ ПО ВИД РЕАКТИВ
ИЗКЛЮЧВАНЕ
Разцепването на връзката в органичните съединения може да бъде хомолитично или хетеролитично. 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Разкъсване на хомолитична връзка- това е такава празнина, в резултат на която всеки атом получава несдвоен електрон и се образуват две частици, които имат подобна електронна структура - свободни радикали.
Хомолитичната празнина е характерна за неполярни или слабо полярнивръзки, например C–C, Cl–Cl, C–H, и изисква голямо количество енергия.
Получените радикали с несдвоен електрон са силно реактивни, така че химичните процеси, протичащи с участието на такива частици, често са от „верижен“ характер, трудно се контролират и в резултат на реакцията се образува набор от продукти на заместване се получава. И така, при хлорирането на метан заместващите продукти са хлорометан ° С з3 C l CH3CI, дихлорометан ° С з2 ° С л2 CH2CI2, хлороформ C H C л3 CHCI3и въглероден тетрахлорид C C л4 CCl4. Реакциите с участието на свободните радикали протичат по обменния механизъм на образуване на химични връзки.
Радикалите, образувани по време на тази връзка, причиняват разкъсване радикален механизъмхода на реакцията. Радикалните реакции обикновено протичат при повишени температури или с радиация (като светлина).
Поради високата си реактивност, свободните радикали могат да имат отрицателен ефект върху човешкото тяло, като разрушават клетъчните мембрани, засягат ДНК и причиняват преждевременно стареене. Тези процеси са свързани предимно с липидната пероксидация, т.е. разрушаването на структурата на полиненаситените киселини, които образуват мазнини вътре в клетъчната мембрана.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Разкъсване на хетеролитична връзка- това е такава празнина, в която електронна двойка остава при по-електроотрицателен атом и се образуват две заредени частици - йони: катион (положителен) и анион (отрицателен).
В химичните реакции тези частици изпълняват функциите на " нуклеофили"(" фил "- от гр. влюбен) и " електрофили”, образувайки химична връзка с реакционния партньор по донорно-акцепторния механизъм. Нуклеофилните частици осигуряват електронна двойка за образуване на нова връзка. С други думи,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Нуклеофил- богат на електрони химичен реагент, способен да взаимодейства със съединения с дефицит на електрони.
Примери за нуклеофили са всякакви аниони ( ° С л− , аз− , Н О− 3 Cl−,I−,NO3−и др.), както и съединения с неподелена електронна двойка ( н з3 , з2 О NH3, H2O).
Така, когато връзката се разкъса, могат да се образуват радикали или нуклеофили и електрофили. Въз основа на това се разграничават три механизма за протичане на органичните реакции.
МЕХАНИЗМИ НА ОРГАНИЧНИТЕ РЕАКЦИИ
Механизъм на свободните радикали: реакцията се инициира от свободните радикали, образувани по време на хомолитична руптуравръзки в една молекула.
Най-типичният вариант е образуването на хлорни или бромни радикали по време на ултравиолетово облъчване.
1. Заместване на свободните радикали
метан бром
Започване на веригата
растеж на веригата
прекъсване на веригата
2. Добавяне на свободни радикали
етилен полиетилен
Електрофилен механизъм: реакцията започва с електрофилни частици, които в резултат получават положителен заряд хетеролитична празнинавръзки. Всички електрофили са киселини на Луис.
Такива частици се образуват активно под въздействието на Люисови киселини, които увеличават положителния заряд на частицата. Най-често използваните A l C л3 , F e C л3 , F e B r3 , Z n C л2 AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2действайки като катализатор.
Мястото на атака на частицата-електрофил са онези части от молекулата, които имат повишена електронна плътност, т.е. кратна връзка и бензенов пръстен.
Общата форма на реакциите на електрофилно заместване може да се изрази с уравнението:
1. Електрофилно заместване
бензен бромобензен
2. електрофилно добавяне
пропен 2-бромопропан
пропин 1,2-дихлоропропен
Прикрепването към асиметрични ненаситени въглеводороди става в съответствие с правилото на Марковников.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Правилото на Марковников:добавянето на молекули на сложни вещества към несиметрични алкени с условната формула HX (където X е халогенен атом или хидроксилна група OH–), водородният атом е прикрепен към най-хидрогенирания (съдържащ най-много водородни атоми) въглероден атом с a двойна връзка и X към най-слабо хидрогенирания.
Например добавянето на хлороводород HCl към молекула пропен ° С з3 – C H = C з2 CH3–CH=CH2.
Реакцията протича по механизма на електрофилно присъединяване. Поради влиянието на донора на електрони ° С з3 CH3-групи, електронната плътност в молекулата на субстрата се измества към централния въглероден атом (индуктивен ефект), а след това, по системата от двойни връзки, към крайния въглероден атом ° С з2 CH2-групи (мезомерен ефект). Така излишният отрицателен заряд се локализира точно върху този атом. Следователно водородният протон започва атаката з+ H+, която е електрофилна частица. Образува се положително зареден карбенов йон [ ° С з3 – C H − C з3 ] + + , към който е прикрепен хлорният анион ° С л− Cl−.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Изключения от правилото на Марковников:реакцията на присъединяване протича срещу правилото на Марковников, ако съединения влизат в реакция, при която въглеродният атом, съседен на въглеродния атом на двойната връзка, частично изтегля електронната плътност, т.е. в присъствието на заместители, които показват значително привличане на електрони ефект (– C C л3 , – C N , – CO O H(–CCl3,–CN,–COOHи т.н.).
Нуклеофилен механизъм: реакцията се стартира от нуклеофилни частици с отрицателен заряд, образувани в резултат на хетеролитична празнинавръзки. Всички нуклеофили са Основаването на Луис.
При нуклеофилни реакции реагентът (нуклеофил) има свободна двойка електрони на един от атомите и е неутрална молекула или анион ( H a л– ,О з– , Р О− , Р С– , R C O О– , Р– , C N – , з2 O, R O H, N з3 , Р Н з2 Hal–,OH–,RO–,RS–,RCOO–,R–,CN–,H2O,ROH,NH3,RNH2и т.н.).
Нуклеофилът атакува атома в субстрата с най-ниска електронна плътност (т.е. с частичен или пълен положителен заряд). Първата стъпка в реакцията на нуклеофилно заместване е йонизацията на субстрата за образуване на карбокатион. В този случай се образува нова връзка поради електронната двойка на нуклеофила, а старата се подлага на хетеролитично разцепване с последващо елиминиране на катиона. Пример за нуклеофилна реакция е нуклеофилно заместване (символ Сн SN) при наситен въглероден атом, например, алкална хидролиза на бромо производни.
1. Нуклеофилно заместване
2. Нуклеофилно добавяне
етанал цианохидрин
източник http://foxford.ru/wiki/himiya
Органичните съединения могат да реагират както помежду си, така и с неорганични вещества - неметали, метали, киселини, основи, соли, вода и др. Следователно техните реакции се оказват много разнообразни както по естеството на реагиращите вещества, така и по тип трансформации, които се извършват. Има много регистриранреакции, наречени на учените, които са ги открили.
Молекулата на органично съединение, участваща в реакция, се нарича субстрат.
Частица от неорганично вещество (молекула, йон) в органична реакция се нарича реагент.
Например:
Химическата трансформация може да обхване цялата молекула на органично съединение. От тези реакции горенето е най-широко известно, което води до превръщането на дадено вещество в смес от оксиди. Те са от голямо значение в енергетиката, както и при унищожаването на отпадъци и токсични вещества. От гледна точка както на химическата наука, така и на практиката, особен интерес представляват реакциите, водещи до превръщането на едни органични вещества в други. Молекулата винаги има едно или повече реактивни места, където се извършва една или друга трансформация.
Атомът или групата от атоми в молекулата, където се извършва химическата трансформация, се нарича реакционен център.
В многоелементните вещества реакционните центрове са функционалните групи и въглеродните атоми, с които те са свързани. В ненаситените въглеводороди реакционният център са въглеродни атоми, свързани с кратна връзка. В наситените въглеводороди реакционният център е предимно от вторични и третични въглеродни атоми.
Молекулите на органичните съединения често съдържат няколко реакционни центъра, проявяващи различни дейности. Следователно, като правило, има няколко паралелни реакции, които дават различни продукти. Най-бързата реакция се нарича основен.Останалите реакции странични ефекти.Получената смес съдържа в най-голямо количество продукта от основната реакция, а продуктите от страничните реакции са примеси. След реакцията почти винаги е необходимо основният продукт да се пречисти от примеси на органични вещества. Имайте предвид, че в неорганичната химия веществата обикновено трябва да бъдат пречистени от примеси на съединения на други химични елементи.
Вече беше отбелязано, че органичните реакции се характеризират с относително ниски скорости. Поради това е необходимо широко използване на различни средства за ускоряване на реакциите - нагряване, облъчване, катализа. Катализаторите са от голямо значение в органичната химия. Тяхната роля не се ограничава до огромни спестявания на време в химичните процеси. Чрез избора на катализатори, които ускоряват определени видове реакции, може целенасочено да се проведе една или друга от паралелните реакции и да се получат желаните продукти. По време на съществуването на индустрията за органични съединения, откриването на нови катализатори коренно промени технологията. Например етанолът дълго време се получаваше само чрез ферментация на нишесте, а след това преминаха към неговото производство.
добавяне на вода към етилен. За целта беше необходимо да се намери добре работещ катализатор.
Реакциите в органичната химия се класифицират според естеството на трансформацията на субстрата:
а) реакции на присъединяване (символ НО)- малка молекула (вода, халоген и др.) е прикрепена към органична молекула;
б) реакции на заместване (символ С) - в една органична молекула един атом (група от атоми) е смесен с друг атом или група от атоми;
в) реакции на разцепване или елиминиране (символ Д)- органична молекула губи някои фрагменти, образувайки, като правило, неорганични вещества;
г) крекинг - разцепване на молекула на две или повече части, също представляващи органични съединения;
д) разлагане - превръщането на органично съединение в прости вещества и неорганични съединения;
е) изомеризация - превръщането на една молекула в друг изомер;
ж) полимеризация - образуването на високомолекулно съединение от едно или повече нискомолекулни съединения;
з) поликондензация - образуването на високомолекулно съединение с едновременно освобождаване на вещество, състоящо се от малки молекули (вода, алкохол).
В процесите на трансформация на органични съединения се разглеждат два вида разкъсване на химичните връзки.
Разкъсване на хомолитична връзка.От електронната двойка на химическа връзка всеки атом има по един останал електрон. Получените частици с несдвоени електрони се наричат свободни радикали.Съставът на такава частица може да бъде молекула или един атом. Реакцията се нарича радикал (символ R):
Хетеролитично разцепване.В този случай един атом запазва електронна двойка и се превръща в основа. Частицата, съдържаща този атом, се нарича нуклеофил.Друг атом, лишен от електронна двойка, има свободна орбитала и се превръща в киселина. Частицата, съдържаща този атом, се нарича електрофил:
Според този тип n-връзката се разрушава особено лесно, докато се поддържа
Например, някаква частица А, привличайки n-електронна двойка, сама образува връзка с въглероден атом:
Това взаимодействие е представено от следната диаграма: 
Ако въглероден атом в молекула на органично съединение приеме електронна двойка, която след това прехвърля към реагент, тогава реакцията се нарича електрофилна, а реагентът се нарича електрофил.
Разновидности на електрофилни реакции - присъединяване А Еи заместване S E .
Следващият етап от реакцията е образуването на връзка между атома С + (има свободна орбитала) и друг атом, който има електронна двойка.
Ако въглероден атом в молекула на органично съединение загуби електронна двойка и след това я приеме от реагент, тогава реакцията се нарича нуклеофилна, а реагентът се нарича нуклеофил.
Разновидности на нуклеофилни реакции - присъединяване Ad и заместване S N .
Хетеролитичното разкъсване и образуването на химични връзки всъщност са един координиран процес: постепенното разкъсване на съществуващата връзка е придружено от образуването на нова връзка. При координиран процес енергията на активиране е по-малка.
ВЪПРОСИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. При изгаряне на 0,105 g органична материя се образуват 0,154 g въглероден диоксид, 0,126 g вода и 43,29 ml азот (21 ° C, 742 mm Hg). Предложете една от възможните структурни формули на веществото.
2. В молекулата C 3 H 7 X общият брой електрони е 60. Определете елемента X и напишете формулите за възможните изомери.
3. За 19,8 g от съединението C 2 H 4 X 2 има 10 mol електрони. Идентифицирайте елемента X и напишете формулите за възможните изомери.
4. Газов обем 20 л при 22" Cи 101,7 kPa съдържа 2,5 10 I атома и има плътност 1,41 g/l. Направете изводи за природата на този газ.
5. Посочете радикала с два изомера: -C 2 H 5 , -C 3 H 7 , -CH 3 .
6. Посочете веществото с най-висока точка на кипене: CH 3 OH, C 3 H 7 OH, C 5 H 11 OH.
7. Напишете структурните формули на C 3 H 4 изомерите.
8. Напишете формулата на 2,3,4-триметит-4-етилхептен. Дайте структурните формули на два изомера на това вещество, съдържащи един и два кватернерни въглеродни атома.
9. Напишете формулата на 3,3-диметилпентан. Дайте формулата на цикличен въглеводород без множествени връзки с еднакъв брой въглеродни атоми. Изомери ли са?
10. Напишете формулата на четириелементно органично съединение със структура C 10, в която атомите на допълнителни елементи са разположени на 2 и 7 въглеродни атоми, а името съдържа корена "хепта".
11. Назовете въглеводород с въглеродна структура
12. Напишете структурната формула на съединението C 2 H X F X Cl X с различни заместители на всеки въглероден атом.
въглеводороди
Въглеводородите са сред най-важните вещества, които определят начина на живот на съвременната цивилизация. Те служат като източник на енергия (енергоносители) за сухопътен, въздушен и воден транспорт, за отопление на жилища. Освен това е суровина за производството на стотици домакински химикали, опаковъчни материали и др. Първоначалният източник на всичко това са нефтът и природният газ. Благосъстоянието на държавите зависи от наличието на техните резерви. Петролът предизвика международни кризи.
Сред най-известните въглеводороди са метанът и пропанът, които се използват в битовите печки. Метанът се транспортира по тръби, а пропанът се транспортира и съхранява в червени бутилки. Друг въглеводород, ило-бутан, който е газообразен при нормални условия, може да се види в течно състояние в прозрачни запалки. Продуктите от рафинирането на нефт - бензин, керосин, дизелово гориво - са смеси от въглеводороди с различен състав. Смеси от по-тежки въглеводороди са полутечен вазелин и твърд парафин. Въглеводородите включват и добре известно вещество, използвано за защита на вълната и козината от молци - нафталин. Основните видове въглеводороди по отношение на състава и структурата на молекулите са наситени въглеводороди - алкани,циклични наситени въглеводороди - циклоалкани,ненаситени въглеводороди, т.е. съдържащи множество връзки - алкении
алкини,цикличен конюгатароматни въглеводороди - арени.Някои хомоложни серии от въглеводороди са характеризирани в табл. 15.1.
Таблица 15.1. Хомоложни серии от въглеводороди
Алкани
Глава 14 вече съдържа данни за структурата, състава, изомерията, наименованията и някои свойства на алканите. Спомнете си, че в молекулите на алкани въглеродните атоми образуват тетраедрално насочени връзки с водородни атоми и съседни въглеродни атоми. В първото съединение от тази серия, метан, въглеродът е свързан само с водород. В молекулите на наситените въглеводороди има непрекъснато вътрешно въртене на крайните групи на CH 3 и отделни участъци от веригата, в резултат на което възникват различни конформации (стр. 429). Алканите се характеризират с изомерия на въглеродния скелет. Съединенията с неразклонени молекули се наричат
нормални, n-алкани и с разклонени - ISOалкани. Данните за имената и някои физични свойства на алканите са дадени в табл. 15.2.
Под формата на отделни вещества, първите четири члена на реда на алканите - метан, етан, пропан и бутан - се използват в големи количества. Други отделни алкани се използват в научните изследвания. Смеси от алкани, обикновено съдържащи въглеводороди и други хомоложни серии, са от голямо практическо значение. Бензинът е една такава смес. Характеризира се точка на кипене 30-205 °С. Други видове въглеводородни горива също се характеризират с интервали на кипене, тъй като тъй като леките въглеводороди се изпаряват от тях, точката на кипене се повишава. Всички алкани са практически неразтворими във вода.
Таблица 15.2. Наименования и точки на кипене и топене на нормалните алкани
задание 15.1. Групирайте алканите според състоянието на агрегиране при 20 ° C и нормално атмосферно налягане (съгласно таблица 15.2).
задание 15.2. Пентанът има три изомера със следните точки на кипене (°C):
Обяснете намаляването на точките на кипене в серията от тези изомери.
Касова бележка.Нефтът е почти неограничен източник на всякакви алкани, но изолирането на отделни вещества от него е доста трудна задача. Обикновените петролни продукти са фракции, получени по време на ректификация (фракционна дестилация) на нефт и състоящи се от голям брой въглеводороди.
Смес от алкани се получава чрез хидрогениране на въглища при температура -450 0 С и налягане 300 атм. Този метод може да произвежда бензин, но все пак е по-скъп от бензина от нефт. Метанът се образува в смес от въглероден оксид (P) и водород върху никелов катализатор:
В една и съща смес върху катализатори, съдържащи кобалт, се получава както смес от въглеводороди, така и отделни въглеводороди. Това могат да бъдат не само алкани, но и циклоалкани.
Има лабораторни методи за получаване на отделни алкани. Карбидите на някои метали по време на хидролиза дават метан:
Халогеналканите реагират с алкален метал, за да образуват въглеводороди с два пъти повече въглеродни атоми. Това е реакцията на Wurtz. Преминава през хемолитично разкъсване на връзката между въглерод и халоген с образуването на свободни радикали:
задача 15.3. Напишете общото уравнение за тази реакция.
пример 15.1. Калият се добавя към смес от 2-бромопропан и 1-бромопропан. Напишете уравненията на възможните реакции.
РЕШЕНИЕ. Радикалите, образувани по време на реакциите на бромоалкани с калий, могат да се комбинират помежду си в различни комбинации, което води до три въглеводорода в сместа. Обобщени уравнения на реакцията:
Натриевите соли на органичните киселини при нагряване с алкали губят карбоксилната група (декарбоксилат) с образуването на алкан:
По време на електролизата на същите соли се получава декарбоксилиране и комбинирането на останалите радикали в една молекула:
Алканите се образуват по време на хидрогениране на ненаситени въглеводороди и редукцията на съединения, съдържащи функционални групи:
Химични свойства.Пределните въглеводороди са най-малко активните органични вещества. Оригиналното им име парафиниотразява слаб афинитет (реактивност) по отношение на други вещества. Те реагират, като правило, не с обикновени молекули, а само със свободни радикали. Следователно реакциите на алканите протичат при условията на образуване на свободни радикали: при висока температура или облъчване. Алканите изгарят при смесване с кислород или въздух и играят важна роля като гориво.
задача 15.4. Топлината на изгаряне на октана се определя с особена точност:
Колко топлина ще се отдели при изгарянето на 1 литър смес, състояща се поравно от n-октан и ил-октан (p = = 0,6972 Алканите реагират с халогени по радикален механизъм (S R).Реакцията започва с разпадането на халогенна молекула на два атома или, както често се казва, на два свободни радикала:
Радикалът отнема водороден атом от алкан, например от метан:
Новият молекулярен радикал метил H 3 C- реагира с хлорна молекула, образувайки заместващ продукт и в същото време нов хлорен радикал:
След това същите етапи на тази верижна реакция се повтарят. Всеки радикал може да породи верига от трансформации от стотици хиляди връзки. Възможни са и сблъсъци между радикали, водещи до прекъсване на веригата: 
Общото уравнение на верижната реакция:
задача 15.5. С намаляване на обема на съда, в който протича верижната реакция, броят на трансформациите на радикал (дължината на веригата) намалява. Дайте обяснение на това.
Реакционният продукт хлорометан принадлежи към класа на халогенираните въглеводороди. В сместа, когато се образува хлорометан, започва реакцията на заместване на втория водороден атом с хлор, след това третия и т. н. На третия етап се получава добре познатото вещество хлороформ CHClg, използвано в медицината за анестезия образувани. Продуктът от пълното заместване на водорода с хлор в метана - въглероден тетрахлорид CC1 4 - се класифицира както като органични, така и като неорганични вещества. Но ако стриктно се придържате към определението, това е неорганично съединение. На практика тетрахлоридът се получава не от метан, а от въглероден дисулфид.
Когато хомолозите на метана се хлорират, вторичните и третичните въглеродни атоми са по-реактивни. От пропан се получава смес от 1-хлоропропан и 2-хлорпропан с по-голямо съотношение на последния. Заместването на втория водороден атом с халоген се извършва предимно при същия въглероден атом:
Алканите реагират при нагряване с разредена азотна киселина и азотен оксид (IV), образувайки нитроалкани. Нитриранесъщо следва радикален механизъм и следователно не изисква концентрирана азотна киселина:
Алканите претърпяват различни трансформации при нагряване в присъствието на специални катализатори. Нормалните алкани се изомеризират до зо-алкани:
Индустриалната изомеризация на алкани за подобряване на качеството на моторното гориво се нарича реформиране.Катализаторът е платинен метал, нанесен върху алуминиев оксид. Крекингът също е важен за рафинирането на нефт, т.е. разделянето на молекулата на алкан на две части - алкан и алкен. Разцепването се извършва предимно в средата на молекулата: 
Крекинг катализаторите са алумосиликати.
Алкани с шест или повече въглеродни атома във веригата циклизирамвърху оксидни катализатори (Cr 2 0 3 / /A1 2 0 3), образувайки циклоалкани с шестчленен пръстен и арени:
Тази реакция се нарича дехидроциклизация.
С нарастващо практическо значение функционализацияалкани, т.е. превръщането им в съединения, съдържащи функционални групи (обикновено кислород). Бутанът се окислява с киселина
лород с участието на специален катализатор, образуващ оцетна киселина:
Циклоалканите C n H 2n с пет или повече въглеродни атома в пръстена са много сходни по химични свойства с нецикличните алкани. Те се характеризират със заместващи реакции СР.Циклопропан C 3 H 6 и циклобутан C 4 H 8 имат по-малко стабилни молекули, тъй като в тях ъглите между C-C-C връзките се различават значително от нормалния тетраедричен ъгъл от 109,5 °, характерен за sp 3 -въглерод. Това води до намаляване на енергията на свързване. Под действието на халогени циклите се разрушават и се закрепват в краищата на веригата:
Когато водородът реагира с циклобутан, се образува нормален бутан:
ЗАДАЧА 15.6. Възможно ли е да се получи циклопентан от 1,5-дибромопентан? Ако смятате, че е възможно, тогава изберете подходящия реактив и напишете уравнението на реакцията.
Алкени
Въглеводородите, съдържащи по-малко водород от алканите, поради наличието на множество връзки в техните молекули, се наричат неограничен,както и ненаситени.Най-простата хомоложна серия от ненаситени въглеводороди е C n H 2n алкени с една двойна връзка:
Другите две валентности на въглеродните атоми се използват за добавяне на водород и наситени въглеводородни радикали.
Първият член на серията алкени е етен (етилен) C 2 H 4 . Следва пропен (пропилен) C 3 H 6, бутен (бутилен) C 4 H 8, пентен C 5 H 10 и др. Някои радикали с двойна връзка имат специални имена: винил CH 2 \u003d CH-, алил CH 2 \u003d CH-CH 2 -.
Въглеродните атоми, свързани с двойна връзка, са в състояние на sp 2 хибридизация. образуват се хибридни орбитали σ връзкамежду тях и нехибридната p-орбитала - π връзка(фиг. 15.1). Общата енергия на двойната връзка е 606 kJ / mol, а a-връзката представлява около 347 kJ / mol, и π връзка- 259 kJ/mol. Повишената сила на двойната връзка се проявява в намаляване на разстоянието между въглеродните атоми до 133 pm в сравнение със 154 pm за единична C-C връзка.
Въпреки формалната сила, именно двойната връзка в алкените се оказва основният реакционен център. Електронна двойка π -връзките образуват доста разпръснат облак, относително отдалечен от атомните ядра, в резултат на което е подвижен и чувствителен към влиянието на други атоми (стр. 442). π -Облакът се измества към един от двата въглеродни атома, което
Ориз. 15.1. Образуване на кратна връзка между въглеродните атоми sp 2
принадлежи, под влиянието на заместители в молекулата на алкена или под действието на атакуваща молекула. Това води до висока реактивност на алкените в сравнение с алканите. Смес от газообразни алкани не реагира с бромна вода, но в присъствието на примес от алкени, тя се обезцветява. Тази проба се използва за откриване на алкени.
Алкените имат допълнителни видове изомерия, които липсват в алканите: изомерия на позицията на двойната връзка и пространствена цис-транс изомерия.Последният тип изомерия се дължи на специална симетрия π -връзки. Предотвратява вътрешното въртене в молекулата и стабилизира разположението на четири заместителя при C=C атомите в една равнина. Ако има две двойки различни заместители, тогава с диагоналното разположение на заместителите на всяка двойка се получава транс изомер, а със съседно разположение - цис изомер. Етенът и пропенът нямат изомери, но бутенът има и двата вида изомери:
задание 15.7. Всички алкени имат еднакъв елементен състав както по маса (85,71% въглерод и 14,29% водород), така и по отношение на броя на атомите n(C):n(H) = 1:2. Може ли всеки алкен да се счита за изомер по отношение на други алкени?
задание 15.8. Възможни ли са пространствени изомери в присъствието на три и четири различни заместителя при sp 2 въглеродни атоми?
задача 15.9. Начертайте структурните формули на пентеновите изомери.
Касова бележка.Вече знаем, че алканите могат да се превръщат в ненаситени съединения. Това е
разходки в резултат на отстраняване на водород (дехидрогениране) и напукване. Дехидрогенирането на бутан дава предимно бутен-2:
задача 15.10. Напишете реакцията на крекинг malk-
Дехидрогенирането и крекингът изискват относително високи температури. При нормални условия или леко нагряване алкените се образуват от халогенни производни. Хлоро- и бромоалканите реагират с алкали в алкохолен разтвор, отделяйки халоген и водород от два съседни въглеродни атома:
Това е реакция на елиминиране (стр. 441). Ако различен брой водородни атоми са прикрепени към два съседни въглеродни атома, тогава елиминирането протича съгласно правилото на Зайцев.
При реакция на елиминиране водородът се отделя предимно от по-малко хидрогениран въглероден атом.
пример 15.2. Напишете реакцията за елиминиране на 2-хлоробутан.
решение. Според правилото на Зайцев водородът се отделя от 3 C атома:
Под действието на цинкови и магнезиеви метали върху дихалоалкани със съседна позиция на халогени се образуват и алкени:
Химични свойства.Алкените могат както да се разлагат при висока температура до прости вещества, така и да полимеризират, превръщайки се във високомолекулни вещества. Етиленът се полимеризира при много високо налягане (-1500 atm) с добавяне на малко количество кислород като инициатор на свободни радикали. От течен етилен при тези условия се получава бяла гъвкава маса, прозрачна в тънък слой, - полиетилен.Това е добре познат материал. Полимерът се състои от много дълги молекули.
Молекулно тегло 20 OOO-40 OOO. По структура това е наситен въглеводород, но кислородните атоми могат да бъдат разположени в краищата на молекулите. При голямо молекулно тегло делът на крайните групи е много малък и е трудно да се установи тяхната природа.
задача 15.11. Колко молекули етилен са включени в една молекула полиетилен с молекулно тегло 28 000?
Полимеризацията на етилена се извършва и при ниско налягане в присъствието на специални катализатори Ziegler-Natta. Това са смеси от TiCl и органоалуминиеви съединения AlR x Cl 3-x, където R е алкил. Полиетиленът, получен чрез каталитична полимеризация, има по-добри механични свойства, но старее по-бързо, т.е. разрушава се от светлина и други фактори. Производството на полиетилен започва около 1955 г. Този материал има значително влияние върху ежедневието, тъй като от него започват да се правят опаковъчни торби. От другите алкенови полимери най-важен е полипропиленът. Той произвежда по-здрав и по-малко прозрачен филм от полиетилена. Полимеризацията на пропилена се извършва с
Тализатор Циглер-Ната. Полученият полимер има правилното изотактиченструктура
Полимеризацията под високо налягане води до Атлантическия океанполипропилен с произволно подреждане на СН3 радикали. Това е вещество с напълно различни свойства: течност с температура на втвърдяване от -35 ° C.
Окислителни реакции.При нормални условия алкените се окисляват при двойната връзка при контакт с разтвори на калиев перманганат и други окислители. В слабо алкална среда, гликоли,т.е. двуатомнаалкохоли:
В кисела среда при нагряване алкените се окисляват с пълно разкъсване на молекулата по двойната връзка:
задача 15.12. Напишете уравнение за тази реакция.
задача 15.13. Напишете уравненията за окисление на бутен-1 и бутен-2 с калиев перманганат в кисела среда.
Етиленът се окислява с кислород на Ag/Al 2 O 3 катализатор, за да се образува циклично кислородсъдържащо вещество, наречено етиленов оксид:
Това е много важен продукт на химическата промишленост, произвеждан годишно в размер на милиони тонове. Използва се за производство на полимери и детергенти.
Реакции на електрофилно присъединяване.Молекулите на халогените, водородните халогениди, водата и много други са прикрепени към алкените при двойната връзка. Нека разгледаме механизма на добавяне, използвайки бром като пример. Когато молекулата Br 2 атакува един от въглеродните атоми на ненаситения център, електронната двойка π -връзката се измества към последния и по-нататък към брома. По този начин бромът действа като електрофилен реагент:
Образува се връзка между брома и въглерода и в същото време връзката между бромните атоми се прекъсва:
Въглеродният атом, който е загубил електронна двойка, има свободна лява орбитала. Бромният йон се добавя към него чрез донорно-акцепторния механизъм:
Добавянето на водородни халиди преминава през етапа на протонна атака върху ненаситения въглерод. Освен това, както при реакцията с бром, се добавя халогенен йон:
В случай на добавяне на вода има малко протони (водата е слаб електролит) и реакцията протича в присъствието на киселина като катализатор. Добавянето към етиленовите хомолози следва правилото на Марковников.
В реакции на електрофилно присъединяване на халогеноводороди и вода към ненаситени въглеводороди, водородът образува предимно връзка с най-хидрогенирания въглероден атом.
пример 15.3.Напишете реакцията на присъединяване на бромоводород към пропен.
Същността на правилото на Марковников е, че въглеводородните радикали са по-малко електроотрицателни (повече електронодарни) заместители от водородния атом. Следователно мобилни π електрониса изместени към sp 2 -въглерод, несвързани с радикал или свързани с по-малък брой радикали:
Естествено, водородът H + атакува въглероден атом с отрицателен заряд. Освен това е по-хидрогениран.
Във функционалните производни на алкените заместването може да противоречи на правилото на Марковников, но когато се разглежда изместването на електронната плътност в специфични молекули, винаги се оказва, че водородът е прикрепен към въглеродния атом, който има повишена електронна плътност. Нека разгледаме разпределението на заряда в 3-флуоропропен-1. Електроотрицателният флуорен атом действа като акцептор на електронна плътност. Във веригата от о-връзки електронните двойки се изместват към флуорния атом и се движат π електрониизместване от най-външния към средния въглероден атом:
В резултат на това добавянето противоречи на правилото на Марковников:
Тук действа един от основните механизми на взаимното влияние на атомите в молекулите - индуктивен ефект:
Индуктивният ефект (±/) е изместването на електронните двойки във веригата от о-връзки под действието на атом (група от атоми) с повишена (-/) или намалена (+/) електроотрицателност спрямо водорода:
Халогенният атом има различен ефект, ако е разположен при въглероден атом sp2.Тук допълнението следва правилото на Марковников. В този случай, мезомеренЕфект. Несподелената електронна двойка на хлорния атом се измества към въглеродния атом, като че ли увеличава множеството на връзката Cl-C.В резултат на това електроните на n-връзката се изместват към следващия въглероден атом, създавайки излишък от електронна плътност върху него. По време на реакцията към него се добавя протон: 
След това, както се вижда от диаграмата, хлорният йон отива към въглеродния атом, с който хлорът вече е бил свързан. Мезомерният ефект възниква само ако несподелената двойка електрони спрегнатис π-връзка, т.е. те са разделени само от една единична връзка. Когато халогенът се отстрани от двойната връзка (както в 3-флуоропропен-1), мезомерният ефект изчезва. Индуктивният ефект е активен при всички халогенни производни, но в случая на 2-хлоропропен мезомерният ефект е по-силен от индуктивния.
Мезомерни (±M) ефектът е изместване аз-електрони във веригата от sp 2 -въглеродни атоми с възможното участие на неподелената електронна двойка на функционалната група.
Мезомерният ефект може да бъде както положителен (+М), така и отрицателен (-М). Халогенните атоми имат положителен мезомерен ефект и в същото време отрицателен индуктивен ефект. Отрицателният мезомерен ефект има функционални групи с двойни връзки при кислородни атоми (виж по-долу).
задача 15.14. Напишете структурната формула на реакционния продукт на присъединяването на хлороводород към 1-хлоробутен-1.
Оксосинтеза.От голямо промишлено значение е реакцията на алкени с въглероден оксид (II) и водород. Извършва се при повишена температура под налягане над 100 atm. Катализаторът е метален кобалт, който образува междинни съединения с CO. Продуктът на реакцията е оксо съединение - алдехид, съдържащ един въглероден атом повече от оригиналния алкен:
Алкадиени
Въглеводородите с две двойни връзки се наричат алкадиени,а също и по-кратък диени.Общата формула на диените C n H 2n-2 Има три основни хомоложни серии диенови въглеводороди:
задача 15.15. Посочете в какви хибридни състояния са въглеродните атоми в дадените по-горе диенови въглеводороди.
Конюгираните диенови въглеводороди са от най-голямо практическо значение, тъй като те служат като суровини за производството на различни видове каучук и каучук. Неконюгираните диени имат обичайните свойства на алкените. Конюгираните диени имат четири последователни sp 2 въглеродни атома. Те са в една равнина и техните нехибридни p-орбитали са ориентирани успоредно (фиг. 15.2). Следователно има припокриване между всички съседни p-орбитали и се образуват π облигациине само между 1 -
2 и 3 -
4, но и между 2-3 въглеродни атома. В същото време електроните трябва да образуват два двуелектронни облака. Има суперпозиция (резонанс) на различни състояния на n-електрони с междинна множественост на връзките между единична и двойна: 
Тези връзки се наричат спрегнати.Връзката между 2-3 въглеродни атома е скъсена в сравнение с обичайната единична връзка, което потвърждава нейната повишена множественост. При ниски температури спрегнатите диени се държат предимно като съединения с две двойни връзки, а при повишени температури като съединения с спрегнати връзки.
Двата най-важни диена - бутадиен-1,3 (дивинил) и 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен) - се получават от бута-
Ориз. 15.2. Припокриващи се р-орбитали в диеновата молекула
нови пентанфракции, които са продукти от преработката на природен газ:
Бутадиенът също се получава по метода на С. В. Лебедев от алкохол:
Реакциите на електрофилно присъединяване в спрегнатите диени протичат по особен начин. Бутадиенът, когато се охлади до -80 ° C, добавя първата бромна молекула към позиция 1,2:
Този продукт се получава с добив 80%. Останалите 20% идват от 1,4-добавения продукт:
Останалата двойна връзка се намира между втория и третия въглероден атом. Първо, бромът се свързва с крайния въглероден атом, образувайки карбонатон (частица с положителен заряд на въглерода):
В процеса на движение n-електроните се оказват в позиция 2, 3, след това в позиция 3, 4. При ниски температури те по-често заемат позиция 3, 4 и следователно 1,2- преобладава добавъчният продукт. Ако бромирането се извършва при температура 40 ° C, тогава 1,4-присъединителният продукт става основен, добивът му нараства до 80%, а останалата част е 1,2-присъединителният продукт.
задача 15.16. Напишете продуктите от последователно добавяне на бром и хлор към изопрен при повишена температура.
Бутадиенът и изопренът лесно полимеризират, за да образуват различни каучуци. Алкални метали, органични съединения на алкални метали, Ziegler-Natta катализатори могат да служат като катализатори на полимеризация. Полимеризацията протича по 1,4-присъединителен тип. Молекулите на каучука по своята структура принадлежат към неконюгирани полиени, т.е. към въглеводороди с голям брой двойни връзки. Това са гъвкави молекули, които могат както да се разтягат, така и да се свиват на топки. На двойни връзки в каучук възниква като цис-,и транс подреждането на водородните атоми и радикали. С най-добри свойства са цис-бутадиеновият и цис-изопреновият (естествен) каучук. Тяхната структура е показана на фиг. 15.3. Транс-полиизопрен (гутаперча) също се среща в природата. На горните формули, kau-
Ориз. 15.3. Молекулна структура на някои каучуци
Запушвания около връзките, показани с пунктирана линия, възможно е вътрешно завъртане. Каучуци, в чиито молекули с двойни връзки има и двете цис-,и конфигурация на гръдния кош се наричат нередовен.По отношение на свойствата те са по-ниски от обикновените гуми.
задача 15.17. начертайте структурата транс полибутадиен.
задача 15.18. Известно е производно на хлоропрен бутадиен хлоропрен (2-хлорбутадиен-1,3), от което се получава хлоропренов каучук. Напишете структурната формула на цис-хлоропреновия каучук.
Каучукът се произвежда от каучук, чието практическо приложение е необичайно широко. Най-голямо количество от него отива за производството на гуми за колела. За да се получи каучук, каучукът се смесва със сяра и се нагрява. Серните атоми са свързани чрез двойни връзки, създавайки много мостове между каучуковите молекули. Образува се пространствена мрежа от връзки, която обединява почти всички налични каучукови молекули в една молекула. Докато каучукът се разтваря във въглеводороди, каучукът може да набъбне само чрез абсорбиране на разтворителя в празните пространства между въглеводородните вериги и серните мостове.
Алкини
Друга хомоложна серия е алкини- въглеводороди с тройна връзка между въглеродни атоми: 
Общата формула за тази серия C n H 2n _ 2 е същата като за хомоложната серия от диени. Първият член на поредицата е C 2 H 2 ацетилен или, според систематичната номенклатура, етин. Следните членове на серията пропин C 3 H 4, бутин C 4 H 6, пентин C 5 H 8 и т.н. Подобно на алкените и диените, те също са ненаситени въглеводороди, но в тази серия въглеродните атоми, свързани с тройната
връзка, са в състояние на sp-хибридизация. Техните хибридни орбитали са насочени в противоположни посоки под ъгъл от 180° и създават линейна група, включваща водородни или въглеродни атоми на радикалите:
задача 15.19. Напишете структурните формули на пропин и бутин. Имат ли изомери?
задача 15.20. Разгледайте схемата на припокриващи се орбитали в молекулата на ацетилена (стр. 188). Какви орбитали образуват n-връзки между въглеродните атоми?
Тройната връзка в алкените се характеризира с енергията E St = 828 kJ/mol. Това е с 222 kJ/mol повече от енергията на двойната връзка в алкените. Разстоянието C=C е намалено до 120 pm. Въпреки наличието на такава силна връзка, ацетиленът е нестабилен и може да се разложи експлозивно на метан и въглища:
Това свойство се обяснява с факта, че в продуктите на разлагане намалява броят на по-малко трайните съединения. π облигации, вместо които се създават σ-връзкив метан и графит. Нестабилността на ацетилена е свързана с голямо освобождаване на енергия по време на изгарянето му. Температурата на пламъка достига 3150 °C. Това е достатъчно за рязане и заваряване на стомана. Ацетиленът се съхранява и транспортира в бели бутилки, в които се намира в ацетонов разтвор при налягане -10 атм.
Алкините проявяват въглероден скелетен изомеризъм и множество позиции на връзката. Пространствени цистраниизомерията отсъства.
задача 15.21. Напишете структурните формули на всички възможни C 5 H 8 изомери с тройна връзка.
Касова бележка.Ацетиленът се образува чрез хидролиза на калциев карбид:
Друг практически важен метод за получаване на ацетилен се основава на бързото нагряване на метана до 1500-1600 °C. В този случай метанът се разлага и в същото време се образува до 15% ацетилен. Сместа от газове се охлажда бързо. Ацетиленът се отделя чрез разтваряне във вода под налягане. Коефициентът на обемна разтворимост на ацетилена е по-голям от този на другите въглеводороди: K V = 1,15 (15 ° C).
Алкините се образуват, когато двойноелиминиране на дихалогенни производни:
пример 15.4. Как да получите бутин-2 от бутен-1 в четири стъпки?
решение. Нека напишем уравненията на реакцията.
Химични свойства.Ацетиленът експлодира при температура от -500 ° C или под налягане над 20 atm, разлагайки се на въглища и водород с примес на метан. Ацетиленовите молекули също могат да се комбинират помежду си. В присъствието на CuCl настъпва димеризация с образуването на винилацетилен:
задача 15.22. Наименувайте винилацетилена според систематичната номенклатура.
Когато се премине върху нагрят въглен, ацетиленът се тримеризира, за да образува бензен:
Калиевият перманганат в слабо алкална среда окислява алкините със запазване σ-връзкимежду въглеродни атоми:
В този пример реакционният продукт е калиев оксалат, сол на оксаловата киселина. Окисляването с калиев перманганат в кисела среда води до пълно разцепване на тройната връзка:
ЗАДАНИЕ 15.23.Напишете уравнение за окисляването на бутин-2 с калиев перманганат в слабо алкална среда.
Въпреки високата ненаситеност на молекулите, реакциите на електрофилно присъединяване в алкините са по-трудни (по-бавни), отколкото в алкените. Алкините добавят две халогенни молекули последователно. Добавянето на водородни халиди и вода следва правилото на Марковников. За добавяне на вода е необходим катализатор - живачен сулфат в кисела среда (реакция на Кучеров):
Хидроксилна група ОН, свързана с sp 2 -ивнепокъща, нестабилна. Електронната двойка се движи от кислорода към най-близкия въглероден атом, а протонът се движи към следващия въглероден атом:
Така крайният продукт от реакцията на пропин с вода е оксо съединението ацетон.
Реакция на заместване на водород.Въглеродът в състояние на sp хибридизация се характеризира с малко по-висока електроотрицателност, отколкото в състоянията sp 2и sp3.Следователно в алкините полярността на С-Н връзката се увеличава и водородът става относително подвижен. Алкините реагират с разтвори на соли на тежки метали, образувайки заместващи продукти. В случай на ацетилен тези продукти се наричат ацетилиди:
Калциевият карбид също принадлежи към ацетиленидите (стр. 364). Трябва да се отбележи, че ацетиленидите на алкалните и алкалоземните метали са напълно хидролизирани. Ацетилидите реагират с халогенни производни на въглеводороди, за да образуват различни ацетиленови хомолози.
В хода на реакцията в молекулите на реагиращите вещества се разкъсват едни химични връзки и се образуват други. Органичните реакции се класифицират според вида на разкъсването на химичните връзки в реагиращите частици. От тях могат да се разграничат две големи групи реакции - радикални и йонни.
Радикалните реакции са процеси, протичащи с хомолитично разкъсване на ковалентна връзка. При хомолитично разкъсване двойка електрони, образуващи връзка, се разделя по такъв начин, че всяка от образуваните частици получава един електрон. В резултат на хомолитична руптура се образуват свободни радикали:
Неутрален атом или частица с несдвоен електрон се нарича свободен радикал.
Йонните реакции са процеси, които протичат с хетеролитично разрушаване на ковалентни връзки, когато и двата електрона на връзката остават с една от предварително свързаните частици:
В резултат на разцепване на хетеролитична връзка се получават заредени частици: нуклеофилни и електрофилни.
Нуклеофилна частица (нуклеофил) е частица, която има двойка електрони във външното електронно ниво. Благодарение на двойката електрони нуклеофилът е в състояние да образува нова ковалентна връзка.
Електрофилна частица (електрофил) е частица, която има незапълнено външно електронно ниво. Електрофилът представлява незапълнени, свободни орбитали за образуване на ковалентна връзка, дължаща се на електроните на частицата, с която взаимодейства.
В органичната химия всички структурни промени се разглеждат спрямо въглеродния атом (или атоми), участващи в реакцията.
В съответствие с горното, хлорирането на метан чрез действието на светлината се класифицира като радикално заместване, добавянето на халогени към алкени като електрофилно добавяне и хидролизата на алкилхалиди като нуклеофилно заместване.
Най-често срещаните са следните видове действия.
Основни видове химични реакции
аз Реакции на заместване(замяна на един или повече водородни атоми с халогенни атоми или специална група) RCH 2 X + Y → RCH 2 Y + X
II. Реакции на присъединяване RCH=CH 2 + XY → RCHX−CH 2 Y
III. Реакции на разцепване (елиминиране). RCHX−CH 2 Y → RCH=CH 2 + XY
IV. Реакции на изомеризация (прегрупиране)
v. Окислителни реакции(взаимодействие с кислород на въздуха или окислител)
В тези типове реакции, изброени по-горе, също има специализирани регистриранреакции.
Специализирани:
1) хидрогениране (взаимодействие с водород)
2) дехидрогениране (отцепване от водородна молекула)
3) халогениране (взаимодействие с халоген: F 2, Cl 2, Br 2, I 2)
4) дехалогениране (отцепване от халогенна молекула)
5) хидрохалогениране (взаимодействие с халогеноводород)
6) дехидрохалогениране (отцепване от молекула на халогеноводород)
7) хидратация (взаимодействие с вода в необратима реакция)
8) дехидратация (отцепване от водна молекула)
9) хидролиза (взаимодействие с вода в обратима реакция)
10) полимеризация (получаване на многократно увеличен въглероден скелет от идентични прости съединения)
11) поликондензация (получаване на многократно увеличен въглероден скелет от две различни съединения)
12) сулфониране (взаимодействие със сярна киселина)
13) нитриране (взаимодействие с азотна киселина)
14) крекинг (намаляване на въглеродния скелет)
15) пиролиза (разграждане на сложни органични вещества в по-прости под въздействието на високи температури)
16) реакция на алкилиране (въвеждане на алкан радикал във формулата)
17) реакция на ацилиране (въвеждане на групата -C (CH 3) O във формулата)
18) реакция на ароматизиране (образуване на въглеводород от серия от арени)
19) реакция на декарбоксилиране (отцепване от молекулата на карбоксилната група -COOH)
20) реакция на естерификация (реакция на алкохол с киселина или получаване на естер от алкохол или карбоксилна киселина)
21) реакцията на "сребърното огледало" (взаимодействие с амонячен разтвор на сребърен оксид (I))
Номинални реакции:
1) Реакция на Wurtz (удължаване на въглеродния скелет по време на взаимодействието на халогениран въглеводород с активен метал)
2) реакция на Кучеров (получаване на алдехид чрез взаимодействие на ацетилен с вода)
3) Реакция на Коновалов (реакция на алкан с разредена азотна киселина)
4) Реакция на Вагнер (окисляване на въглеводороди с двойна връзка с кислород на окислител в слабо алкална или неутрална среда при нормални условия)
5) Реакция на Лебедев (дехидрогениране и дехидратиране на алкохоли при производството на алкадиени)
6) Реакция на Фридел-Крафтс (реакция на алкилиране на арен с хлороалкан за получаване на бензенови хомолози)
7) Реакция на Зелински (получаване на бензен от циклохексан чрез дехидрогениране)
8) Реакция на Кирхоф (превръщане на нишесте в глюкоза под каталитичното действие на сярна киселина)
Тема на урока: Видове химични реакции в органичната химия.
Тип урок: урок за изучаване и първично консолидиране на нов материал.
Цели на урока: създават условия за формиране на знания за характеристиките на протичането на химични реакции с участието на органични вещества, когато се запознават с тяхната класификация, консолидират способността за писане на реакционни уравнения.
Цели на урока:
Преподаване: изучаване на видовете реакции в органичната химия въз основа на знанията на учениците за видовете реакции в неорганичната химия и сравнението им с видовете реакции в органичната химия.
Развитие: насърчаване на развитието на логическо мислене и интелектуални умения (анализ, сравнение, установяване на причинно-следствени връзки).
Образователни: да продължи формирането на култура на умствена работа; комуникационни умения: изслушвайте мненията на другите хора, доказвайте тяхната гледна точка, намирайте компромиси.
Методи на обучение:словесно (разказ, обяснение, формулиране на проблем); нагледно (мултимедийно нагледно помагало); евристични (писмени и устни упражнения, решаване на задачи, тестови задачи).
Средства за обучение:осъществяване на вътрешно- и междупредметни връзки, мултимедийно нагледно средство (презентация), символно-графична таблица.
технология: елементи на педагогиката на сътрудничеството, обучение, ориентирано към ученика (обучение, базирано на компетентности, хуманно-личностна технология, индивидуален и диференциран подход), информационни и комуникационни технологии, здравословни образователни технологии (организационна и педагогическа технология).
Кратко описание на хода на урока.
I. Организационен етап: взаимни поздрави на учителя и учениците; проверка на готовността на учениците за урока; организация на вниманието и настроението за урока.
Проверка на домашните.Въпроси за проверка: 1. Довършете изреченията: а) Изомерите са ... б) Функционалната група е ... 2. Класифицирайте посочените формули на веществата (формулите са предложени на картите) и назовете класовете съединения към на които принадлежат. 3. Направете възможни съкратени структурни формули на изомери, съответстващи на молекулни формули (например: C 6 H 14, C 3 H 6 O)
Докладване на темата и задачите за изучаване на нов материал; показвайки неговото практическо значение.
II. Учене на нов материал:
Актуализация на знанията.(Разказът на учителя се основава на схеми на слайдове, които учениците прехвърлят в тетрадки като справочна бележка)
Химичните реакции са основният обект на науката химия. (Слайд 2)
В процеса на химични реакции едно вещество се превръща в друго.
Реагент 1 + Реагент 2 = Продукти (неорганична химия)
Субстрат + атакуващ реагент = продукти (органична химия)
При много органични реакции не всички молекули претърпяват промяна, а техните реакционни части (функционални групи, техните отделни атоми и т.н.), които се наричат реакционни центрове. Субстратът е веществото, в което старият въглероден атом се разрушава и се образува нова връзка, а съединението, действащо върху него или неговата реактивна частица, се нарича реагент.
Неорганичните реакции се класифицират по няколко критерия: според броя и състава на изходните материали и продукти (съединения, разлагане, заместване, обмен), според топлинния ефект (екзо- и ендотермичен), според промяната в окислението състояние на атомите, според обратимостта на процеса, според фазата (хомо- и хетерогенни), чрез използване на катализатор (каталитични и некаталитични). (Слайдове 3,4)
Резултатът от етапа на урока е изпълнението от учениците на задачата (слайд 5), което ви позволява да проверите уменията си за писане на уравнения на химични реакции, подреждане на стехиометрични коефициенти и класифициране на неорганични реакции. (Предлагат се задачи на различни нива)
(Упражнението "мозъчна" гимнастика за развитие на когнитивните и умствени процеси - "Бухал": подобрява зрителната памет, вниманието и облекчава стреса, който се развива при продължително седене.)Хванете лявото рамо с дясната си ръка и го стиснайте, обърнете се наляво, така че да погледнете назад, дишайте дълбоко и избутайте раменете си назад. Сега погледнете през другото си рамо, спуснете брадичката си на гърдите си и дишайте дълбоко, оставяйки мускулите си да се отпуснат..
Представяне на нов материал.(По време на представянето на материала учениците правят бележки в тетрадки, върху които учителят фокусира вниманието - слайд информация)
Реакциите, включващи органични съединения, се подчиняват на същите закони (закона за запазване на масата и енергията, закона за масовото действие, закона на Хес и др.) и показват същите модели (стехиометрични, енергийни, кинетични) като реакциите на неорганичните вещества. (Слайд 6)
Органичните реакции обикновено се класифицират според механизмите на протичане, посоката и крайните продукти на реакцията. (Слайд 7)
Начинът, по който се разкъсват ковалентните връзки, определя вида на механизма на реакцията. Под реакционния механизъм разбирайте последователността от етапи на реакцията с посочване на междинните частици, образувани на всеки от тези етапи. (Механизмът на реакцията описва нейния път, т.е. последователността от елементарни актове на взаимодействие на реагентите, през които протича.)
В органичната химия се разграничават два основни типа реакционен механизъм: радикален (хомолитичен) и йонен (хетеролитичен). (Слайд 8)
При хомолитично разкъсване двойка електрони, образуващи връзка, се разделя по такъв начин, че всяка от образуваните частици получава един електрон. В резултат на хомолитична руптура се образуват свободни радикали:
X:Y → X . + . Y
Неутрален атом или частица с несдвоен електрон се нарича свободен радикал.
В резултат на разцепване на хетеролитична връзка се получават заредени частици: нуклеофилни и електрофилни.
X:Y → X + + :Y -
Нуклеофилна частица (нуклеофил) е частица, която има двойка електрони във външното електронно ниво. Благодарение на двойката електрони нуклеофилът е в състояние да образува нова ковалентна връзка.
Електрофилна частица (електрофил) е частица, която има свободна орбитала на външно електронно ниво. Електрофилът представлява незапълнени, свободни орбитали за образуване на ковалентна връзка, дължаща се на електроните на частицата, с която той взаимодейства.
Радикалните реакции имат характерен верижен механизъм, който включва три етапа: зараждане (начало), развитие (растеж) и прекъсване на веригата. (Слайд 9)
Йонните реакции протичат без прекъсване на електронните двойки, които образуват химични връзки: и двата електрона отиват на орбитала на един от атомите на реакционния продукт с образуването на анион. (Слайд 10) Хетеролитичното разпадане на ковалентна полярна връзка води до образуването на нуклеофили (аниони) и електрофили (катиони). В зависимост от естеството на атакуващия реагент реакциите могат да бъдат нуклеофилни или електрофилни.
Според посоката и крайния резултат от химичната трансформация органичните реакции се разделят на следните видове: заместване, присъединяване, елиминиране (елиминиране), пренареждане (изомеризация), окисление и редукция. (Слайд 11)
Заместването се разбира като заместване на атом или група от атоми с друг атом или група от атоми. В резултат на реакцията на заместване се образуват два различни продукта.
R-CH 2 X + Y → R-CH 2 Y + X
Реакцията на добавяне се разбира като въвеждане на атом или група от атоми в молекулата на ненаситено съединение, което е придружено от прекъсване на това съединение на π връзки. По време на взаимодействието двойните връзки се превръщат в единични връзки, а тройните връзки се превръщат в двойни или единични връзки.
R-CH=CH 2 + XY → RCHX-CH 2 Y
Проблем: Какъв тип реакция можем да класифицираме като реакция на полимеризация? Докажете, че принадлежи към определен тип реакции и дайте пример.
Реакциите на добавяне също включват реакции на полимеризация (например: получаване на полиетилен от етилен).
n(CH 2 \u003d CH 2) → (-CH 2 -CH 2 -) n
Реакциите на елиминиране или разцепване са реакции, по време на които атомите или техните групи се разцепват от органична молекула, за да образуват множествена връзка.
R-CHX-CH 2 Y → R-CH=CH 2 + XY
Реакции на пренареждане (изомеризация). При този тип реакция се извършва пренареждането на атомите и техните групи в молекулата.
Реакциите на поликондензация са реакции на заместване, но често се обособяват като специален тип органични реакции, които имат специфични особености и голямо практическо значение.
Окислително-редукционните реакции се придружават от промяна в степента на окисление на въглеродния атом в съединенията, където въглеродният атом е реакционният център.
Окисляването е реакция, при която под действието на окислителен реагент веществото се свързва с кислород (или друг електроотрицателен елемент, като халоген) или губи водород (под формата на вода или молекулярен водород). Действието на окислителния реагент (окисление) се обозначава в реакционната схема със символа [O].
[o]
CH 3 CHO → CH 3 COOH
Възстановяването е обратната реакция на окисляването. Под действието на редуциращ реагент съединението приема водородни атоми или губи кислородни атоми: действието на редуциращ реагент (редукция) се обозначава със символа [H].
[H]
CH 3 COCH 3 → CH 3 CH(OH)CH 3
Хидрогенирането е реакция, която е частен случай на редукция. Водородът се добавя към множествена връзка или ароматно ядро в присъствието на катализатор.
За консолидиране на изучения материал учениците изпълняват тестова задача: слайдове 12.13.
III. Домашна работа: § 8 (упражнение 2), 9
IV. Обобщаване
Заключения: (Слайд 14)
Органичните реакции се подчиняват на общи закони (закон за запазване на масата и енергията) и общи закони на протичането им (енергийни, кинетични - разкриващи влиянието на различни фактори върху скоростта на реакцията).
Те имат общи характеристики за всички реакции, но имат и свои характерни черти.
Според механизма на реакцията те се делят на хомолитични (свободнорадикални) и хетеролитични (електрофилно-нуклеофилни).
Според посоката и крайния резултат на химичната трансформация се разграничават реакциите: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране), пренареждане (изомеризация), поликондензация, окисление и редукция.
Използвани книги:UMK: O.S. Габриелян и др.Химия 10 M. Bustard 2013г
Преглед:
За да използвате визуализацията на презентации, създайте акаунт в Google (акаунт) и влезте: https://accounts.google.com
Надписи на слайдове:
Видове химични реакции в органичната химия.
Химическата реакция е превръщането на едно вещество в друго. Получените в резултат на реакцията вещества се различават от изходните вещества по състав, структура и свойства. Реагент 1 + Реагент 2 = Продукти Субстрат + Нападател = Продукти Реагент
Признаци на класификацията на химичните реакции в неорганичната химия според броя и състава на изходните вещества и продукти според термичния ефект според промяната в степента на окисление на атомите според обратимостта на процеса според фазата според до използването на катализатор
Класификация според броя и състава на изходните и получените вещества: Реакции на свързване: A + B = AB Zn + Cl 2 = ZnCl 2 CaO + CO 2 = CaCO 3 Реакции на разлагане: AB = A + B 2H 2 O = 2H 2 + O 2 Cu (OH) 2 \u003d CuO + H 2 O Реакции на заместване: AB + C = A + CB CuSO 4 + Fe \u003d Cu + FeSO 4 Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3 Обменни реакции: AB + CD \u003d AD + CB CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O NaOH + HCl = NaCl + H 2 O
Дадени са реакционни схеми: 1. Меден(II) хидроксид → меден(II) оксид + вода 2. Бариев хлорид + натриев сулфат → ... 3. Солна киселина + цинк → цинков хлорид + водород 4. Фосфорен(V) оксид + вода → ... Ниво I: Посочете видовете реакции, запишете едно от уравненията (по избор). II ниво: Посочете видовете реакции, запишете едно от уравненията, в които не са посочени продуктите (по избор). Ниво III: Посочете видовете реакции и запишете всички уравнения.
Реакциите, включващи органични съединения, се подчиняват на същите закони (закона за запазване на масата и енергията, закона за масовото действие, закона на Хес и др.) и проявяват същите модели (стехиометрични, енергийни, кинематични) като неорганичните реакции.
Органичните реакции обикновено се класифицират според механизмите на протичане.Реакционният механизъм се разбира като последователност от отделни етапи на реакцията, като се посочват междинните частици, образувани на всеки от тези етапи. по направление и крайни продукти на реакцията - добавяне; - отцепване (елиминиране); - замествания; - пренареждане (изомеризация); - окисление; - възстановяване.
Методът на разкъсване на ковалентната връзка определя вида на реакционния механизъм: Радикален (хомолитичен) X:Y → X. + . Y R . (X . , . Y) - радикали (свободни атоми или частици с несдвоени електрони, нестабилни и способни да влизат в химични трансформации) Йонни (хетеролитични) X: Y → X + +: Y - X + - електрофилен реагент (електрофил: любящ електрон) :Y - - нуклеофилен реагент (нуклеофил: обичащ протоните)
Радикалните реакции имат верижен механизъм, включващ етапите: зараждане, развитие и прекъсване на веригата. Зараждане на веригата (иницииране) Cl 2 → Cl. +Cl. Растеж (развитие) на веригата CH 4 + Cl. → CH 3 . + H Cl CH3. + Cl 2 → CH 3 -Cl + Cl. CH 3 прекъсване на веригата. +Cl. → CH 3 ClCH 3 . +CH3. → CH 3 -CH 3 Cl. +Cl. →Cl2
Йонните реакции протичат без прекъсване на електронните двойки, които образуват химични връзки: и двата електрона отиват на орбитала на един от атомите на реакционния продукт с образуването на анион. Хетеролитното разпадане на ковалентна полярна връзка води до образуването на нуклеофили (аниони) и електрофили (катиони). CH 3 -Br + Na + OH - → CH 3 -OH + Na + Br - реакционни продукти на субстратния реагент (нуклеофил) C 6 H 5 -H + HO: NO 2 → C 6 H 5 -NO 2 + H-OH субстрат реактивни реакционни продукти (електрофил)
Класификация по посока и краен резултат Реакции на заместване A-B + C → A-C + B Реакции на добавяне C \u003d C + A-B → A-C-C-B Реакции на елиминиране A-C-C-B → C = C + A-B Реакции на пренареждане (изомеризация) X-A-B → A-B-X Реакциите на окисление и редукция са придружени от промяна в степента на окисление на въглеродния атом в съединения, където въглеродният атом е реакционен център. Проблем: Какъв тип реакции могат да бъдат приписани на реакцията на полимеризация? Докажете, че принадлежи към определен тип реакции и дайте пример.
Тест. 1. Корелирайте: Раздел от химията Тип реакция Неорганична а) заместване б) обмен Органични в) съединения г) разпадане д) елиминиране е) изомеризация ж) добавяне 2. Корелирайте: Реакционна схема Тип реакция AB + C → AB + C a) заместване ABC → AB + C b) добавяне на ABC → DIA c) елиминиране на AB + C → AC + B d) изомеризация
3. Бутанът реагира с вещество, чиято формула е: 1) H 2 O 2) C 3 H 8 3) Cl 2 4) HCl 4. Субстратът в предложените реакционни схеми е веществото CH 3 -COOH (A) + C 2 H 5 -OH (B) → CH 3 COOS 2 H 5 + H 2 O CH 3 -CH 2 -OH (A) + H -Br ( B) → CH 3 -CH 2 -Br + H 2 O CH 3 -CH 2 -Cl (A) + Na-OH (B) → CH 2 \u003d CH 2 + NaCl + H 2 O 5. лявата страна на уравнението C 3 H 4 + 5O 2 → ... съответства на дясната страна: → C 3 H 6 + H 2 O → C 2 H 4 + H 2 O → 3CO 2 + 4H 2 O → 3CO 2 + 2H 2 O 6. Количеството кислород, което ще бъде необходимо за пълното изгаряне на 5 l метан, е равно на 1) 1 l 2) 5 l 3) 10 l 4) 15 l
Изводи Органичните реакции се подчиняват на общите закони и общите закономерности на тяхното протичане. Те имат общи характеристики за всички реакции, но имат и свои характерни черти. Според механизма на реакцията те се делят на свободнорадикални и йонни. Според посоката и крайния резултат на химичната трансформация: заместване, добавяне, окисление и редукция, изомеризация, елиминиране, поликондензация и др.
