Arten chemischer Reaktionen in der organischen Chemie - Wissens-Hypermarkt. Mechanismen organischer Reaktionen - Substitution, Addition, Eliminierung Haupttypen chemischer Reaktionen in der organischen Chemie
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Die Reaktionen organischer Substanzen lassen sich formal in vier Haupttypen einteilen: Substitution, Addition, Eliminierung (Eliminierung) und Umlagerung (Isomerisierung). Es liegt auf der Hand, dass die ganze Vielfalt der Reaktionen organischer Verbindungen nicht auf den Rahmen der vorgeschlagenen Einteilung reduziert werden kann (zB Verbrennungsreaktionen). Eine solche Klassifikation hilft jedoch, Analogien zu den Klassifikationen von Reaktionen herzustellen, die zwischen anorganischen Stoffen ablaufen, die Ihnen bereits aus dem Verlauf der anorganischen Chemie bekannt sind.
In der Regel wird die an der Reaktion beteiligte organische Hauptverbindung als Substrat bezeichnet, und die andere Komponente der Reaktion wird bedingt als Reagenz betrachtet.
Substitutionsreaktionen
Reaktionen, die zum Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe im ursprünglichen Molekül (Substrat) durch andere Atome oder Atomgruppen führen, werden als Substitutionsreaktionen bezeichnet.
An Substitutionsreaktionen sind gesättigte und aromatische Verbindungen beteiligt, wie beispielsweise Alkane, Cycloalkane oder Arene.
Lassen Sie uns Beispiele für solche Reaktionen geben.
Es gibt verschiedene Klassifikationssysteme für organische Reaktionen, die auf unterschiedlichen Merkmalen beruhen. Darunter sind folgende Klassifikationen:
- an Endergebnis der Reaktion, das heißt, eine Änderung in der Struktur des Substrats;
- an Reaktionsmechanismus, das heißt je nach Art des Bindungsbruchs und der Art der Reagenzien.
Substanzen, die in einer organischen Reaktion interagieren, werden unterteilt in Reagens und Substrat. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass das Reagens das Substrat angreift.
DEFINITION
Reagens- eine Substanz, die auf ein Objekt - ein Substrat - einwirkt und eine Änderung der chemischen Bindung darin bewirkt. Reagenzien werden in radikalische, elektrophile und nukleophile unterteilt.
DEFINITION
Substrat wird im Allgemeinen als ein Molekül angesehen, das ein Kohlenstoffatom für eine neue Bindung bereitstellt.
KLASSIFIZIERUNG DER REAKTIONEN NACH DEM ENDERGEBNIS (VERÄNDERUNGEN IN DER STRUKTUR DES SUBSTRATS)
In der organischen Chemie werden nach dem Endergebnis und der Änderung der Struktur des Substrats vier Arten von Reaktionen unterschieden: Addition, Substitution, Abspaltung, oder Beseitigung(aus dem Englischen. Eliminieren- entfernen, abspalten) und Umlagerungen (Isomerisierungen)). Eine solche Klassifizierung ähnelt der Klassifizierung von Reaktionen in der anorganischen Chemie nach der Anzahl der Ausgangsreagenzien und gebildeten Substanzen mit oder ohne Änderung der Zusammensetzung. Die Klassifizierung nach dem Endergebnis basiert auf formalen Merkmalen, da die stöchiometrische Gleichung in der Regel nicht den Reaktionsmechanismus widerspiegelt. Vergleichen wir die Reaktionstypen in der anorganischen und organischen Chemie.
Art der Reaktion in der anorganischen Chemie | Beispiel | Art der Reaktion in der organischen Chemie | Vielfalt und Beispiel Reaktionen |
|---|---|---|---|
1. Verbindung | C l2 + H2 = 2 HC l | Befestigung durch mehrere Bindungen | Hydrierung |
Hydrohalogenierung
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Halogenierung
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Flüssigkeitszufuhr
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2. Zersetzung | 2
H2
O = 2 H2
+
Ö2
| Beseitigung | Dehydrierung
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Dehydrohalogenierung
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Dehalogenierung
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Austrocknung
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3. Ersatz | Z n + 2 HC l =ZnCl2+H2 | Auswechslung |
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4. Austausch (Sonderfall - Neutralisation) | H2 S Ö4 + 2 N a O H\u003d N ein 2 SO 4 + 2 H 2 Ö | Sonderfall - Veresterung |
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5. Allotropisierung | Graphit ⇔ Diamant Prot⇔ PWeiß Pred⇔P weiß SRhombus.⇔ SReservoir Rhombus⇔Splast. | Isomerisierung | Isomerisierung Alkane
|
n) ohne sie durch andere zu ersetzen.
Je nachdem, welche Atome abgespalten werden - benachbart C–C oder isoliert durch zwei oder drei oder mehr Kohlenstoffatome - C-C-C- C–, –C-C-C-C- C- kann Verbindungen bilden mit mehrere Bindungen und oder zyklische Verbindungen. Die Eliminierung von Halogenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden oder Wasser aus Alkoholen erfolgt nach der Zaitsev-Regel.
DEFINITION
Zaitsevs Regel: Das Wasserstoffatom H wird vom am wenigsten hydrierten Kohlenstoffatom abgespalten.
Beispielsweise erfolgt die Abspaltung eines Bromwasserstoffmoleküls von benachbarten Atomen in Gegenwart von Alkali unter Bildung von Natriumbromid und Wasser.
DEFINITION
Umgruppierung- eine chemische Reaktion, bei der sich die gegenseitige Anordnung von Atomen in einem Molekül, die Bewegung von Mehrfachbindungen oder eine Änderung ihrer Vielfachheit ändert.
Die Umlagerung kann unter Beibehaltung der atomaren Zusammensetzung des Moleküls (Isomerisierung) oder unter deren Veränderung erfolgen.
DEFINITION
Isomerisierung- ein Sonderfall einer Umlagerungsreaktion, die durch strukturelle Veränderungen im Kohlenstoffgerüst zur Umwandlung einer chemischen Verbindung in ein Isomer führt.
Die Umlagerung kann auch nach einem homolytischen oder heterolytischen Mechanismus erfolgen. Molekulare Umlagerungen können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden, zum Beispiel nach der Sättigung der Systeme, nach der Art der wandernden Gruppe, nach Stereospezifität usw. Viele Umlagerungsreaktionen haben spezifische Namen – Claisen-Umlagerung, Beckman-Umlagerung usw.
Isomerisierungsreaktionen werden häufig in industriellen Prozessen verwendet, wie z. B. bei der Ölraffination, um die Oktanzahl von Benzin zu erhöhen. Ein Beispiel für Isomerisierung ist die Umwandlung n-Oktan zu Isooktan:
KLASSIFIZIERUNG ORGANISCHER REAKTIONEN NACH REAGENZART
TRENNEN
Die Bindungsspaltung in organischen Verbindungen kann homolytisch oder heterolytisch sein. 
DEFINITION
Homolytischer Bindungsbruch- das ist eine solche Lücke, wodurch jedes Atom ein ungepaartes Elektron erhält und zwei Teilchen mit ähnlicher elektronischer Struktur entstehen - frei Radikale.
Homolytische Lücke ist charakteristisch für unpolar oder schwach polar Bindungen, z. B. C–C, Cl–Cl, C–H, und benötigt viel Energie.
Die resultierenden Radikale mit einem ungepaarten Elektron sind hochreaktiv, so dass die chemischen Prozesse, die unter Beteiligung solcher Teilchen ablaufen, oft „kettenförmig“ sind, schwer zu kontrollieren sind und als Ergebnis der Reaktion eine Reihe von Substitutionsprodukten entstehen erhalten wird. Bei der Chlorierung von Methan sind die Substitutionsprodukte also Chlormethan C H3 C l CH3Cl, Dichlormethan C H2 C l2 CH2Cl2, Chloroform C H C l3 CHCl3 und Tetrachlorkohlenstoff C C l4 CCl4. Reaktionen mit freien Radikalen verlaufen nach dem Austauschmechanismus der Bildung chemischer Bindungen.
Die dabei entstehenden Radikale verursachen einen Bindungsbruch Radikaler Mechanismus den Verlauf der Reaktion. Radikalreaktionen finden normalerweise bei erhöhten Temperaturen oder mit Strahlung (z. B. Licht) statt.
Aufgrund ihrer hohen Reaktivität können freie Radikale negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben, indem sie Zellmembranen zerstören, die DNA angreifen und vorzeitige Alterung verursachen. Diese Prozesse sind hauptsächlich mit der Lipidperoxidation verbunden, dh der Zerstörung der Struktur mehrfach ungesättigter Säuren, die innerhalb der Zellmembran Fett bilden.
DEFINITION
Heterolytischer Bindungsbruch- das ist eine solche Lücke, in der ein Elektronenpaar an einem elektronegativeren Atom verbleibt und zwei geladene Teilchen entstehen - Ionen: ein Kation (positiv) und ein Anion (negativ).
Bei chemischen Reaktionen übernehmen diese Partikel die Funktionen von " Nukleophile"("phil"- von gr. verliebt sein) und " Elektrophile“, das über den Donor-Akzeptor-Mechanismus eine chemische Bindung mit dem Reaktionspartner eingeht. Nucleophile Partikel stellen ein Elektronenpaar für die Bildung einer neuen Bindung bereit. Mit anderen Worten,
DEFINITION
Nukleophil- ein elektronenreiches chemisches Reagenz, das mit elektronenarmen Verbindungen wechselwirken kann.
Beispiele für Nucleophile sind beliebige Anionen ( C l− , ich− , N Ö− 3 Cl−,I−,NO3− etc.), sowie Verbindungen mit einem freien Elektronenpaar ( N H3 , H2 Ö NH3,H2O).
Wenn also eine Bindung gebrochen wird, können Radikale oder Nucleophile und Elektrophile gebildet werden. Darauf aufbauend werden drei Mechanismen für das Auftreten organischer Reaktionen unterschieden.
MECHANISMEN DER ORGANISCHEN REAKTIONEN
Mechanismus der freien Radikale: Die Reaktion wird durch während der Reaktion gebildete freie Radikale initiiert Homolytischer Bruch Bindungen in einem Molekül.
Die typischste Variante ist die Bildung von Chlor- oder Bromradikalen bei UV-Bestrahlung.
1. Substitution durch freie Radikale
Methan Brom
Ketteninitiierung
Kettenwachstum
Kettenbruch
2. Zusatz von freien Radikalen
Ethen Polyethylen
Elektrophiler Mechanismus: Die Reaktion beginnt mit elektrophilen Teilchen, die dadurch eine positive Ladung erhalten heterolytische Lücke Verbindungen. Alle Elektrophile sind Lewis-Säuren.
Solche Partikel werden aktiv unter dem Einfluss von gebildet Lewis-Säuren, die die positive Ladung des Teilchens erhöhen. Die am häufigsten verwendete Al C l3 , F und C l3 , F und B r3 , Z n C l2 AlCl3,FeCl3,FeBr3,ZnCl2 wirkt als Katalysator.
Angriffsort des Teilchen-Elektrophils sind diejenigen Molekülteile, die eine erhöhte Elektronendichte aufweisen, also eine Mehrfachbindung und ein Benzolring.
Die allgemeine Form elektrophiler Substitutionsreaktionen kann durch die Gleichung ausgedrückt werden:
1. Elektrophile Substitution
Benzol Brombenzol
2. elektrophile Addition
Propen 2-Brompropan
Propin 1,2-Dichlorpropen
Die Bindung an asymmetrisch ungesättigte Kohlenwasserstoffe erfolgt gemäß der Markovnikov-Regel.
DEFINITION
Markownikowsche Regel: die Addition von Molekülen komplexer Substanzen an unsymmetrische Alkene mit der Bedingungsformel HX (wobei X ein Halogenatom oder eine Hydroxylgruppe OH– ist), wobei ein Wasserstoffatom an das am stärksten hydrierte (mit den meisten Wasserstoffatomen) Kohlenstoffatom mit a gebunden ist Doppelbindung und X am wenigsten hydriert.
Beispielsweise die Addition von Chlorwasserstoff HCl an ein Propenmolekül C H3 – CH = C H2 CH3-CH=CH2.
Die Reaktion verläuft nach dem Mechanismus der elektrophilen Addition. Aufgrund des Elektronendonatoreinflusses C H3 CH3-Gruppen verschiebt sich die Elektronendichte im Substratmolekül zum zentralen Kohlenstoffatom (induktiver Effekt) und dann entlang des Doppelbindungssystems zum endständigen Kohlenstoffatom C H2 CH2-Gruppen (mesomerer Effekt). Somit ist die überschüssige negative Ladung genau auf diesem Atom lokalisiert. Daher startet das Wasserstoffproton den Angriff H+ H+, das ein elektrophiles Teilchen ist. Es entsteht ein positiv geladenes Carbenion [ C H3 – CH – C H3 ] + + , an die das Chloranion gebunden ist C l− Cl-.
DEFINITION
Ausnahmen von der Markovnikov-Regel: die Additionsreaktion läuft gegen die Markownikow-Regel ab, wenn Verbindungen in die Reaktion eingehen, bei denen das dem Kohlenstoffatom der Doppelbindung benachbarte Kohlenstoffatom teilweise die Elektronendichte entzieht, also in Gegenwart von Substituenten, die einen signifikanten Elektronenentzug zeigen Wirkung (–C C l3 , – C N , – C O O H(–CCl3,–CN,–COOH usw.).
Nucleophiler Mechanismus: Die Reaktion wird durch nukleophile Teilchen mit negativer Ladung gestartet, die als Folge davon gebildet werden heterolytische Lücke Verbindungen. Alle Nucleophile sind Lewis-Gründung.
Bei nukleophilen Reaktionen hat das Reagens (Nukleophil) ein freies Elektronenpaar an einem der Atome und ist ein neutrales Molekül oder Anion ( H ein l– ,Ö H– , R Ö− , R S– , R C O Ö– , R– , C N – , H2 O, ROH, N H3 , RN H2 Hal–,OH–,RO–,RS–,RCOO–,R–,CN–,H2O,ROH,NH3,RNH2 usw.).
Das Nucleophil greift das Atom im Substrat mit der niedrigsten Elektronendichte (d. h. mit einer teilweisen oder vollständigen positiven Ladung) an. Der erste Schritt in der nukleophilen Substitutionsreaktion ist die Ionisierung des Substrats unter Bildung eines Carbokations. Dabei wird durch das Elektronenpaar des Nucleophils eine neue Bindung gebildet und die alte heterolytisch gespalten mit anschließender Abspaltung des Kations. Ein Beispiel für eine nukleophile Reaktion ist eine nukleophile Substitution (Symbol SN SN) an einem gesättigten Kohlenstoffatom, beispielsweise alkalische Hydrolyse von Bromderivaten.
1. Nucleophile Substitution
2. Nucleophile Addition
ethanal Cyanhydrin
Quelle http://foxford.ru/wiki/himiya
Organische Verbindungen können sowohl miteinander als auch mit anorganischen Stoffen - Nichtmetallen, Metallen, Säuren, Basen, Salzen, Wasser usw. - reagieren. Daher fallen ihre Reaktionen sowohl in der Art der reagierenden Stoffe als auch in der Natur sehr unterschiedlich aus Art der stattfindenden Transformationen. Es gibt viele Eingetragen Reaktionen, benannt nach den Wissenschaftlern, die sie entdeckt haben.
Das an einer Reaktion beteiligte Molekül einer organischen Verbindung wird als Substrat bezeichnet.
Ein Teilchen einer anorganischen Substanz (Molekül, Ion) in einer organischen Reaktion wird als Reagenz bezeichnet.
Zum Beispiel:
Eine chemische Umwandlung kann das gesamte Molekül einer organischen Verbindung umfassen. Von diesen Reaktionen ist die Verbrennung am bekanntesten, die zur Umwandlung einer Substanz in ein Gemisch von Oxiden führt. Sie sind im Energiesektor sowie bei der Vernichtung von Abfällen und Giftstoffen von großer Bedeutung. Aus Sicht der chemischen Wissenschaft und Praxis sind Reaktionen, die zur Umwandlung einiger organischer Substanzen in andere führen, von besonderem Interesse. Ein Molekül hat immer eine oder mehrere reaktive Stellen, an denen die eine oder andere Umwandlung stattfindet.
Das Atom oder die Gruppe von Atomen in einem Molekül, in dem die chemische Umwandlung stattfindet, wird als Reaktionszentrum bezeichnet.
Bei Mehrelementstoffen sind die Reaktionszentren die funktionellen Gruppen und die ihnen zugeordneten Kohlenstoffatome. Bei ungesättigten Kohlenwasserstoffen sind das Reaktionszentrum Kohlenstoffatome, die durch eine Mehrfachbindung verbunden sind. In gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht das Reaktionszentrum überwiegend aus sekundären und tertiären Kohlenstoffatomen.
Moleküle organischer Verbindungen enthalten oft mehrere Reaktionszentren mit unterschiedlichen Aktivitäten. Daher gibt es in der Regel mehrere Parallelreaktionen, die unterschiedliche Produkte liefern. Die schnellste Reaktion wird aufgerufen hauptsächlich. Die restlichen Reaktionen Nebenwirkungen. Das resultierende Gemisch enthält das Produkt der Hauptreaktion in der größten Menge, und die Produkte von Nebenreaktionen sind Verunreinigungen. Nach der Reaktion ist es fast immer erforderlich, das Hauptprodukt von Verunreinigungen organischer Substanzen zu reinigen. Beachten Sie, dass in der anorganischen Chemie Substanzen normalerweise von Verunreinigungen aus Verbindungen anderer chemischer Elemente gereinigt werden müssen.
Es wurde bereits angemerkt, dass organische Reaktionen durch relativ niedrige Geschwindigkeiten gekennzeichnet sind. Daher ist es notwendig, verschiedene Mittel zur Beschleunigung von Reaktionen in großem Umfang einzusetzen - Erhitzen, Bestrahlung, Katalyse. Katalysatoren sind in der organischen Chemie von großer Bedeutung. Ihre Rolle beschränkt sich nicht nur auf enorme Zeiteinsparungen in chemischen Prozessen. Durch die Wahl von Katalysatoren, die bestimmte Reaktionstypen beschleunigen, kann die eine oder andere der Parallelreaktionen gezielt durchgeführt und die gewünschten Produkte erhalten werden. Während der Existenz der Industrie für organische Verbindungen hat die Entdeckung neuer Katalysatoren die Technologie grundlegend verändert. So wurde beispielsweise Ethanol lange Zeit nur durch Stärkefermentation gewonnen und dann auf dessen Produktion umgestellt.
Addition von Wasser an Ethylen. Dazu musste ein gut funktionierender Katalysator gefunden werden.
Reaktionen in der organischen Chemie werden nach der Art der Umwandlung des Substrats eingeteilt:
a) Additionsreaktionen (Symbol ABER)- ein kleines Molekül (Wasser, Halogen usw.) wird an ein organisches Molekül gebunden;
b) Substitutionsreaktionen (Symbol S) - in einem organischen Molekül ist ein Atom (eine Atomgruppe) mit einem anderen Atom oder einer anderen Atomgruppe gemischt;
c) Spaltungs- oder Eliminierungsreaktionen (Symbol E)- ein organisches Molekül verliert einige Fragmente und bildet in der Regel anorganische Substanzen;
d) Cracken – das Aufspalten eines Moleküls in zwei oder mehr Teile, die auch organische Verbindungen darstellen;
e) Zersetzung - die Umwandlung einer organischen Verbindung in einfache Substanzen und anorganische Verbindungen;
f) Isomerisierung – die Umwandlung eines Moleküls in ein anderes Isomer;
g) Polymerisation – die Bildung einer Verbindung mit hohem Molekulargewicht aus einer oder mehreren Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht;
h) Polykondensation - die Bildung einer hochmolekularen Verbindung bei gleichzeitiger Freisetzung einer Substanz, die aus kleinen Molekülen (Wasser, Alkohol) besteht.
Bei den Umwandlungsprozessen organischer Verbindungen werden zwei Arten des Aufbrechens chemischer Bindungen betrachtet.
Homolytischer Bindungsbruch. Vom Elektronenpaar einer chemischen Bindung hat jedes Atom noch ein Elektron übrig. Die resultierenden Teilchen mit ungepaarten Elektronen werden als bezeichnet freie Radikale. Die Zusammensetzung eines solchen Teilchens kann ein Molekül oder ein einzelnes Atom sein. Die Reaktion wird Radikal genannt (Symbol R):
Heterolytische Spaltung. In diesem Fall behält ein Atom ein Elektronenpaar und wird zu einer Base. Das Teilchen, das dieses Atom enthält, heißt Nukleophil. Ein anderes Atom, dem ein Elektronenpaar fehlt, hat ein freies Orbital und wird zu einer Säure. Das Teilchen, das dieses Atom enthält, heißt Elektrophil:
Gemäß diesem Typ wird die n-Bindung besonders leicht aufgebrochen, während sie beibehalten wird
Zum Beispiel bildet ein Teilchen A, das ein n-Elektronenpaar anzieht, selbst eine Bindung mit einem Kohlenstoffatom:
Diese Interaktion wird durch das folgende Diagramm dargestellt: 
Wenn ein Kohlenstoffatom in einem Molekül einer organischen Verbindung ein Elektronenpaar aufnimmt, das es dann auf einen Reaktanten überträgt, dann nennt man die Reaktion elektrophil und den Reaktanten Elektrophil.
Sorten elektrophiler Reaktionen - Addition A E und Ersatz S E .
Die nächste Stufe der Reaktion ist die Bildung einer Bindung zwischen dem C + -Atom (es hat ein freies Orbital) und einem anderen Atom, das ein Elektronenpaar hat.
Wenn ein Kohlenstoffatom in einem Molekül einer organischen Verbindung ein Elektronenpaar verliert und es dann von einem Reaktanten akzeptiert, wird die Reaktion als nukleophil bezeichnet und der Reaktant wird als Nukleophil bezeichnet.
Varianten nukleophiler Reaktionen - Addition Ad und Substitution S N .
Der heterolytische Bruch und die Bildung chemischer Bindungen sind eigentlich ein einziger koordinierter Prozess: Der allmähliche Bruch der bestehenden Bindung wird von der Bildung einer neuen Bindung begleitet. Bei einem koordinierten Prozess ist die Aktivierungsenergie geringer.
FRAGEN UND ÜBUNGEN
1. Beim Verbrennen von 0,105 g organischem Material wurden 0,154 g Kohlendioxid, 0,126 g Wasser und 43,29 ml Stickstoff (21 °C, 742 mm Hg) gebildet. Schlagen Sie eine der möglichen Strukturformeln des Stoffes vor.
2. Im Molekül C 3 H 7 X beträgt die Gesamtzahl der Elektronen 60. Bestimmen Sie das Element X und schreiben Sie die Formeln für mögliche Isomere auf.
3. Für 19,8 g der Verbindung C 2 H 4 X 2 gibt es 10 Mol Elektronen. Identifizieren Sie das Element X und schreiben Sie die Formeln für die möglichen Isomere auf.
4. Gasvolumen 20 l at 22 "C und 101,7 kPa enthält 2,5 10 I Atome und hat eine Dichte von 1,41 g/l. Ziehen Sie Rückschlüsse auf die Natur dieses Gases.
5. Geben Sie den Rest mit zwei Isomeren an: -C 2 H 5 , -C 3 H 7 , -CH 3 .
6. Geben Sie die Substanz mit dem höchsten Siedepunkt an: CH 3 OH, C 3 H 7 OH, C 5 H 11 OH.
7. Schreiben Sie die Strukturformeln der C 3 H 4 -Isomere auf.
8. Schreiben Sie die Formel von 2,3,4-Trimethit-4-ethylhepten. Geben Sie die Strukturformeln von zwei Isomeren dieser Substanz an, die ein und zwei quartäre Kohlenstoffatome enthalten.
9. Schreiben Sie die Formel von 3,3-Dimethylpentan. Geben Sie die Formel eines zyklischen Kohlenwasserstoffs ohne Mehrfachbindungen mit gleicher Anzahl an Kohlenstoffatomen an. Sind es Isomere?
10. Schreiben Sie die Formel einer organischen Verbindung mit vier Elementen mit der C 10 -Struktur, in der sich die Atome zusätzlicher Elemente an 2 und 7 Kohlenstoffatomen befinden und der Name die Wurzel "Hepta" enthält.
11. Nennen Sie einen Kohlenwasserstoff mit Kohlenstoffstruktur
12. Schreiben Sie die Strukturformel der Verbindung auf C 2 H X F X Cl X mit unterschiedlichen Substituenten an jedem Kohlenstoffatom.
Kohlenwasserstoffe
Kohlenwasserstoffe gehören zu den wichtigsten Stoffen, die die Lebensweise der modernen Zivilisation bestimmen. Sie dienen als Energiequelle (Energieträger) für Land-, Luft- und Wassertransport, zum Heizen von Häusern. Es ist auch der Rohstoff für die Herstellung von Hunderten von Haushaltschemikalien, Verpackungsmaterialien usw. Die ursprüngliche Quelle für all dies sind Öl und Erdgas. Das Wohlergehen der Staaten hängt von der Verfügbarkeit ihrer Reserven ab. Öl hat internationale Krisen verursacht.
Zu den bekanntesten Kohlenwasserstoffen gehören Methan und Propan, die in Haushaltsherden verwendet werden. Methan wird durch Rohre transportiert, während Propan in roten Zylindern transportiert und gelagert wird. Ein anderer Kohlenwasserstoff, Ilo-Butan, der unter normalen Bedingungen gasförmig ist, kann in transparentem Feuerzeug in flüssigem Zustand gesehen werden. Ölraffinerieprodukte - Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff - sind Mischungen von Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung. Mischungen aus schwereren Kohlenwasserstoffen sind halbflüssige Vaseline und festes Paraffin. Zu den Kohlenwasserstoffen gehört auch eine bekannte Substanz, die zum Schutz von Wolle und Pelzen vor Motten verwendet wird - Naphthalin. Die Hauptarten von Kohlenwasserstoffen in Bezug auf die Zusammensetzung und Struktur der Moleküle sind gesättigte Kohlenwasserstoffe - Alkane, cyclische gesättigte Kohlenwasserstoffe - Cycloalkane, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, d. h. mit Mehrfachbindungen - Alkene und
Alkine, zyklisch konjugieren aromatische Kohlenwasserstoffe - Arenen. Einige homologe Reihen von Kohlenwasserstoffen sind in der Tabelle gekennzeichnet. 15.1.
Tisch 15.1. Homologe Reihe von Kohlenwasserstoffen
Alkane
Kapitel 14 enthält bereits Angaben zu Struktur, Zusammensetzung, Isomerie, Namen und einigen Eigenschaften von Alkanen. Denken Sie daran, dass in Alkanmolekülen Kohlenstoffatome tetraedrisch gerichtete Bindungen mit Wasserstoffatomen und benachbarten Kohlenstoffatomen eingehen. In der ersten Verbindung dieser Reihe, Methan, ist Kohlenstoff nur an Wasserstoff gebunden. In den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe findet eine ständige Innenrotation der Endgruppen von CH 3 und einzelner Kettenabschnitte statt, wodurch unterschiedliche Konformationen entstehen (S. 429). Alkane sind durch Isomerie des Kohlenstoffgerüsts gekennzeichnet. Verbindungen mit unverzweigten Molekülen werden genannt
normal, n-Alkane und mit verzweigten - iso Alkane. Daten zu den Namen und einigen physikalischen Eigenschaften von Alkanen sind in der Tabelle angegeben. 15.2.
In Form von Einzelstoffen werden die ersten vier Mitglieder der Alkanreihe – Methan, Ethan, Propan und Butan – in großen Mengen eingesetzt. Andere einzelne Alkane werden in der wissenschaftlichen Forschung verwendet. Mischungen von Alkanen, die gewöhnlich Kohlenwasserstoffe und andere homologe Reihen enthalten, sind von großer praktischer Bedeutung. Benzin ist eine solche Mischung. Es ist gekennzeichnet Siedepunkt 30-205 °С. Andere Arten von Kohlenwasserstoffkraftstoffen sind ebenfalls durch Siedeintervalle gekennzeichnet, da der Siedepunkt ansteigt, wenn leichte Kohlenwasserstoffe aus ihnen verdampfen. Alle Alkane sind in Wasser praktisch unlöslich.
Tisch 15.2. Namen und Siede- und Schmelzpunkte normaler Alkane
Auftrag 15.1. Gruppieren Sie die Alkane nach dem Aggregatzustand bei 20 °C und normalem Atmosphärendruck (gemäß Tab. 15.2).
Auftrag 15.2. Pentan hat drei Isomere mit den folgenden Siedepunkten (°C):
Erklären Sie die Abnahme der Siedepunkte in der Reihe dieser Isomeren.
Kassenbon.Öl ist eine fast unbegrenzte Quelle für Alkane, aber die Isolierung einzelner Substanzen daraus ist eine ziemlich schwierige Aufgabe. Gewöhnliche Erdölprodukte sind Fraktionen, die bei der Rektifikation (fraktionierte Destillation) von Öl gewonnen werden und aus einer großen Anzahl von Kohlenwasserstoffen bestehen.
Durch Hydrierung von Kohle bei einer Temperatur von –450°C und einem Druck von 300 atm wird ein Gemisch von Alkanen erhalten. Mit dieser Methode kann Benzin hergestellt werden, aber es ist immer noch teurer als Benzin aus Öl. Methan entsteht in einem Gemisch aus Kohlenmonoxid (P) und Wasserstoff an einem Nickelkatalysator:
In der gleichen Mischung auf kobalthaltigen Katalysatoren wird sowohl eine Kohlenwasserstoffmischung als auch einzelne Kohlenwasserstoffe erhalten. Es können nicht nur Alkane, sondern auch Cycloalkane sein.
Es gibt Labormethoden zur Gewinnung einzelner Alkane. Carbide einiger Metalle ergeben während der Hydrolyse Methan:
Halogenalkane reagieren mit einem Alkalimetall zu Kohlenwasserstoffen mit der doppelten Anzahl an Kohlenstoffatomen. Das ist die Wurtz-Reaktion. Dabei kommt es zu einem hämolytischen Bruch der Bindung zwischen Kohlenstoff und Halogen unter Bildung freier Radikale:
Auftrag 15.3. Schreiben Sie die Gesamtgleichung für diese Reaktion auf.
Beispiel 15.1. Kalium wurde zu einer Mischung aus 2-Brompropan und 1-Brompropan gegeben. Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen auf.
LÖSUNG. Die bei den Reaktionen von Bromalkanen mit Kalium gebildeten Radikale können sich in verschiedenen Kombinationen miteinander verbinden, was zu drei Kohlenwasserstoffen in der Mischung führt. Zusammenfassende Reaktionsgleichungen:
Natriumsalze organischer Säuren verlieren beim Erhitzen mit Alkali die Carboxylgruppe (Decarboxylat) unter Bildung eines Alkans:
Bei der Elektrolyse derselben Salze kommt es zur Decarboxylierung und zur Vereinigung der verbleibenden Radikale zu einem Molekül:
Alkane entstehen bei der Hydrierung ungesättigter Kohlenwasserstoffe und der Reduktion von Verbindungen mit funktionellen Gruppen:
Chemische Eigenschaften. Grenzkohlenwasserstoffe sind die am wenigsten aktiven organischen Substanzen. Ihr ursprünglicher Name Paraffine spiegelt eine schwache Affinität (Reaktivität) gegenüber anderen Substanzen wider. Sie reagieren in der Regel nicht mit gewöhnlichen Molekülen, sondern nur mit freien Radikalen. Daher laufen die Reaktionen von Alkanen unter den Bedingungen der Bildung freier Radikale ab: bei hoher Temperatur oder Bestrahlung. Alkane verbrennen im Gemisch mit Sauerstoff oder Luft und spielen als Brennstoff eine wichtige Rolle.
Aufgabe 15.4. Die Verbrennungswärme von Oktan wird besonders genau bestimmt:
Wie viel Wärme wird bei der Verbrennung von 1 Liter eines Gemisches freigesetzt, das zu gleichen Teilen aus n-Octan und yl-Octan besteht (p = = 0,6972 Alkane reagieren radikalisch mit Halogenen (SR). Die Reaktion beginnt mit dem Zerfall eines Halogenmoleküls in zwei Atome oder, wie oft gesagt wird, in zwei freie Radikale:
Das Radikal entzieht einem Alkan ein Wasserstoffatom, beispielsweise Methan:
Das neue Molekülradikal Methyl H 3 C- reagiert mit einem Chlormolekül unter Bildung eines Substitutionsprodukts und gleichzeitig eines neuen Chlorradikals:
Dann werden die gleichen Stufen dieser Kettenreaktion wiederholt. Jedes Radikal kann zu einer Kette von Transformationen aus Hunderttausenden von Gliedern führen. Kollisionen zwischen Radikalen sind ebenfalls möglich, was zu einem Kettenabbruch führt: 
Die allgemeine Kettenreaktionsgleichung:
Aufgabe 15.5. Mit abnehmendem Volumen des Gefäßes, in dem die Kettenreaktion abläuft, nimmt die Zahl der Umwandlungen pro Radikal (Kettenlänge) ab. Geben Sie dazu eine Erklärung.
Das Reaktionsprodukt Chlormethan gehört zur Klasse der Halogenkohlenwasserstoffe. In der Mischung, wenn Chlormethan gebildet wird, beginnt die Reaktion der Substitution des zweiten Wasserstoffatoms durch Chlor, dann des dritten usw. In der dritten Stufe befindet sich die bekannte Substanz Chloroform CHClg, die in der Medizin zur Anästhesie verwendet wird gebildet. Das Produkt des vollständigen Ersatzes von Wasserstoff durch Chlor in Methan - Tetrachlorkohlenstoff CC1 4 - wird sowohl in organische als auch in anorganische Stoffe eingeteilt. Aber wenn man sich strikt an die Definition hält, handelt es sich um eine anorganische Verbindung. In der Praxis wird Tetrachlorkohlenstoff nicht aus Methan, sondern aus Schwefelkohlenstoff gewonnen.
Wenn Methanhomologe chloriert werden, sind sekundäre und tertiäre Kohlenstoffatome reaktiver. Aus Propan wird ein Gemisch aus 1-Chlorpropan und 2-Chlorpropan mit einem größeren Anteil an letzterem erhalten. Der Ersatz des zweiten Wasserstoffatoms durch ein Halogen erfolgt überwiegend am gleichen Kohlenstoffatom:
Alkane reagieren beim Erhitzen mit verdünnter Salpetersäure und Stickoxid (IV) zu Nitroalkanen. Nitrierung folgt ebenfalls einem radikalischen Mechanismus und benötigt daher keine konzentrierte Salpetersäure:
Alkane durchlaufen beim Erhitzen in Gegenwart spezieller Katalysatoren verschiedene Umwandlungen. Normale Alkane isomerisieren zu Zo-Alkanen:
Die industrielle Isomerisierung von Alkanen wird zur Verbesserung der Kraftstoffqualität bezeichnet reformieren. Der Katalysator ist auf Aluminiumoxid abgeschiedenes Platinmetall. Cracken ist auch wichtig für die Ölraffination, d. h. die Aufspaltung eines Alkanmoleküls in zwei Teile – Alkan und Alken. Die Spaltung erfolgt überwiegend in der Mitte des Moleküls: 
Crackkatalysatoren sind Alumosilikate.
Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette radeln an oxidischen Katalysatoren (Cr 2 0 3 / /A1 2 0 3) zu Cycloalkanen mit Sechsring und Arenen:
Diese Reaktion heißt Dehydrocyclisierung.
Von zunehmender praktischer Bedeutung Funktionalisierung Alkane, d. h. ihre Umwandlung in Verbindungen mit funktionellen Gruppen (meist Sauerstoff). Butan wird mit Säure oxidiert
lorode unter Beteiligung eines speziellen Katalysators, der Essigsäure bildet:
Cycloalkane C n H 2n mit fünf oder mehr Kohlenstoffatomen im Ring sind in ihren chemischen Eigenschaften nichtcyclischen Alkanen sehr ähnlich. Sie sind durch Substitutionsreaktionen gekennzeichnet SR . Cyclopropan C 3 H 6 und Cyclobutan C 4 H 8 haben weniger stabile Moleküle, da in ihnen die Winkel zwischen C-C-C-Bindungen signifikant von dem normalen Tetraederwinkel von 109,5 ° abweichen, der für sp 3 -Kohlenstoff charakteristisch ist. Dies führt zu einer Abnahme der Bindungsenergie. Unter Einwirkung von Halogenen werden die Kreisläufe aufgebrochen und an den Enden der Kette angehängt:
Wenn Wasserstoff mit Cyclobutan reagiert, entsteht normales Butan:
AUFGABE 15.6. Kann man aus 1,5-Dibrompentan Cyclopentan gewinnen? Wenn Sie es für möglich halten, wählen Sie das entsprechende Reagenz und schreiben Sie die Reaktionsgleichung auf.
Alkene
Kohlenwasserstoffe, die aufgrund des Vorhandenseins von Mehrfachbindungen in ihren Molekülen weniger Wasserstoff als Alkane enthalten, werden genannt unbegrenzt, und auch ungesättigt. Die einfachste homologe Reihe ungesättigter Kohlenwasserstoffe sind C n H 2n -Alkene mit einer Doppelbindung:
Die anderen beiden Valenzen von Kohlenstoffatomen werden verwendet, um Wasserstoff und gesättigte Kohlenwasserstoffreste hinzuzufügen.
Das erste Mitglied der Alkenreihe ist Ethen (Ethylen) C 2 H 4 . Es folgen Propen (Propylen) C 3 H 6, Buten (Butylen) C 4 H 8, Penten C 5 H 10 usw. Einige Reste mit einer Doppelbindung haben besondere Namen: Vinyl CH 2 \u003d CH-, Allyl CH 2 \u003d CH-CH 2 -.
Durch eine Doppelbindung verbundene Kohlenstoffatome befinden sich in einem Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Hybridorbitale bilden sich σ-Bindung zwischen ihnen und dem nicht-hybriden p-Orbital - π-Bindung(Abb. 15.1). Die Gesamtenergie der Doppelbindung beträgt 606 kJ/mol, und die a-Bindung macht etwa 347 kJ/mol aus, und π-Bindung- 259 kJ/mol. Die erhöhte Stärke der Doppelbindung zeigt sich in einer Verringerung des Abstands zwischen den Kohlenstoffatomen auf 133 pm im Vergleich zu 154 pm für eine C-C-Einfachbindung.
Trotz der formalen Stärke erweist sich in Alkenen die Doppelbindung als Hauptreaktionszentrum. Elektronisches Paar π -Bindungen bilden eine ziemlich zerstreute Wolke, die relativ weit von Atomkernen entfernt ist, wodurch sie beweglich und empfindlich gegenüber dem Einfluss anderer Atome ist (S. 442). π -Die Wolke wird zu einem der beiden Kohlenstoffatome verschoben, was
Reis. 15.1. Bildung einer Mehrfachbindung zwischen Kohlenstoffatomen sp2
es gehört, unter dem Einfluss von Substituenten im Alkenmolekül oder unter der Wirkung eines angreifenden Moleküls. Dies führt zu der hohen Reaktivität von Alkenen im Vergleich zu Alkanen. Eine Mischung aus gasförmigen Alkanen reagiert nicht mit Bromwasser, aber in Gegenwart einer Beimischung von Alkenen verfärbt es sich. Diese Probe wird zum Nachweis von Alkenen verwendet.
Alkene haben zusätzliche Arten von Isomerie, die in Alkanen fehlen: Doppelbindungspositionsisomerie und räumliche Isomerie cis-trans-Isomerie. Die letzte Art von Isomerie ist auf eine besondere Symmetrie zurückzuführen π -Verbindungen. Es verhindert die Innenrotation im Molekül und stabilisiert die Anordnung von vier Substituenten an den C=C-Atomen in einer Ebene. Liegen zwei Paare unterschiedlicher Substituenten vor, so erhält man bei diagonaler Anordnung der Substituenten jedes Paares ein trans-Isomer und bei benachbarter Anordnung ein cis-Isomer. Ethen und Propen haben keine Isomere, aber Buten hat beide Arten von Isomeren:
Aufgabe 15.7. Alle Alkene haben die gleiche elementare Zusammensetzung sowohl nach Masse (85,71 % Kohlenstoff und 14,29 % Wasserstoff) als auch nach dem Verhältnis der Atomzahl n(C): n(H) = 1:2. Kann jedes Alken in Bezug auf andere Alkene als Isomer betrachtet werden?
Aufgabe 15.8. Sind räumliche Isomere in Gegenwart von drei und vier verschiedenen Substituenten an sp 2 -Kohlenstoffatomen möglich?
Aufgabe 15.9. Zeichnen Sie die Strukturformeln der Pentenisomere.
Kassenbon. Wir wissen bereits, dass Alkane in ungesättigte Verbindungen umgewandelt werden können. Das ist
geht als Folge der Entfernung von Wasserstoff (Dehydrierung) und Cracken. Die Dehydrierung von Butan ergibt überwiegend Buten-2:
Aufgabe 15.10. Schreiben Sie die Reaktion auf das Knacken von Malk-
Dehydrierung und Cracken erfordern relativ hohe Temperaturen. Unter normalen Bedingungen oder leichtem Erhitzen werden Alkene aus Halogenderivaten gebildet. Chlor- und Bromalkane reagieren mit Alkali in einer Alkohollösung, wobei ein Halogen und Wasserstoff von zwei benachbarten Kohlenstoffatomen abgespalten werden:
Dies ist eine Eliminierungsreaktion (S. 441). Wenn an zwei benachbarte Kohlenstoffatome eine unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffatomen gebunden ist, läuft die Eliminierung gemäß der Zaitsev-Regel ab.
Bei einer Eliminierungsreaktion wird Wasserstoff überwiegend von einem weniger hydrierten Kohlenstoffatom abgespalten.
Beispiel 15.2. Schreiben Sie die Reaktion für die Eliminierung von 2-Chlorbutan auf.
Lösung. Nach der Zaitsev-Regel wird Wasserstoff vom 3 C-Atom abgespalten:
Unter Einwirkung von Zink- und Magnesiummetallen auf Dihalogenalkane mit einer Nachbarposition von Halogenen werden auch Alkene gebildet:
Chemische Eigenschaften. Alkene können sowohl bei hoher Temperatur in einfache Substanzen zerfallen als auch polymerisieren und sich in hochmolekulare Substanzen verwandeln. Ethylen wird bei sehr hohem Druck (-1500 atm) unter Zugabe einer kleinen Menge Sauerstoff als Radikalstarter polymerisiert. Aus flüssigem Ethylen wird unter diesen Bedingungen eine weiße flexible Masse erhalten, die in einer dünnen Schicht transparent ist, - Polyethylen. Dies ist ein bekanntes Material. Das Polymer besteht aus sehr langen Molekülen.
Molekulargewicht 20 OOO–40 OOO. In der Struktur ist dies ein gesättigter Kohlenwasserstoff, aber Sauerstoffatome können sich an den Enden der Moleküle befinden. Bei großem Molekulargewicht ist der Anteil an Endgruppen sehr gering und es ist schwierig, deren Natur festzustellen.
Aufgabe 15.11. Wie viele Ethylenmoleküle sind in einem Molekül Polyethylen mit einem Molekulargewicht von 28.000 enthalten?
Die Ethylenpolymerisation findet auch bei niedrigem Druck in Gegenwart spezieller Ziegler-Natta-Katalysatoren statt. Dies sind Mischungen aus TiCl und Organoaluminiumverbindungen AlR x Cl 3-x , wobei R Alkyl ist. Durch katalytische Polymerisation erhaltenes Polyethylen hat bessere mechanische Eigenschaften, altert jedoch schneller, d. h. wird durch Licht und andere Faktoren zerstört. Die Produktion von Polyethylen begann um 1955. Dieses Material prägte maßgeblich den Alltag, als man damit begann, Verpackungstüten daraus herzustellen. Von den anderen Alkenpolymeren ist Polypropylen das wichtigste. Es erzeugt einen zäheren und weniger transparenten Film als Polyethylen. Die Polymerisation von Propylen wird mit durchgeführt
Ziegler-Natta-Talisator. Das resultierende Polymer hat die richtige isotaktisch Struktur
Hochdruckpolymerisation führt zu atlantisch Polypropylen mit zufälliger Anordnung von CH 3 -Resten. Das ist ein Stoff mit ganz anderen Eigenschaften: eine Flüssigkeit mit einer Erstarrungstemperatur von -35 °C.
Oxidationsreaktionen. Unter normalen Bedingungen werden Alkene bei Kontakt mit Lösungen von Kaliumpermanganat und anderen Oxidationsmitteln an der Doppelbindung oxidiert. In schwach alkalischem Milieu Glykole, d.h. zweiatomig Alkohole:
In saurer Umgebung werden Alkene beim Erhitzen unter vollständigem Bruch des Moleküls entlang der Doppelbindung oxidiert:
Aufgabe 15.12. Schreiben Sie eine Reaktionsgleichung für diese Reaktion auf.
Aufgabe 15.13. Schreiben Sie die Gleichungen für die Oxidation von Buten-1 und Buten-2 mit Kaliumpermanganat in einem sauren Medium auf.
Ethylen wird mit Sauerstoff auf einem Ag/Al 2 O 3 -Katalysator oxidiert, um eine zyklische sauerstoffhaltige Substanz namens Ethylenoxid zu bilden:
Dies ist ein sehr wichtiges Produkt der chemischen Industrie, das jährlich in Millionen Tonnen produziert wird. Es wird zur Herstellung von Polymeren und Waschmitteln verwendet.
Reaktionen der elektrophilen Addition. Moleküle von Halogenen, Halogenwasserstoffen, Wasser und vielen anderen sind an der Doppelbindung an Alkene gebunden. Betrachten wir den Additionsmechanismus am Beispiel von Brom. Wenn das Br 2 -Molekül eines der Kohlenstoffatome des ungesättigten Zentrums angreift, entsteht das Elektronenpaar π -Bindung zu letzterem und weiter zu Brom verschoben. Brom wirkt also als elektrophiles Reagenz:
Es wird eine Bindung zwischen Brom und Kohlenstoff gebildet, und gleichzeitig wird die Bindung zwischen Bromatomen gebrochen:
Das Kohlenstoffatom, das ein Elektronenpaar verloren hat, hat ein freies Orbital übrig. Das Bromion wird ihm durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus hinzugefügt:
Die Zugabe von Halogenwasserstoffen durchläuft die Stufe des Protonenangriffs auf ungesättigten Kohlenstoff. Außerdem wird wie bei der Reaktion mit Brom ein Halogenion hinzugefügt:
Bei Zugabe von Wasser gibt es wenige Protonen (Wasser ist ein schwacher Elektrolyt) und die Reaktion läuft in Gegenwart einer Säure als Katalysator ab. Die Addition an Ethylenhomologe folgt der Markovnikov-Regel.
Bei Reaktionen der elektrophilen Addition von Halogenwasserstoffen und Wasser an ungesättigte Kohlenwasserstoffe bildet Wasserstoff überwiegend eine Bindung mit dem am stärksten hydrierten Kohlenstoffatom.
Beispiel 15.3. Schreiben Sie die Additionsreaktion von Bromwasserstoff an Propen auf.
Die Essenz der Markovnikov-Regel besteht darin, dass Kohlenwasserstoffradikale weniger elektronegative (stärker elektronenspendende) Substituenten sind als ein Wasserstoffatom. Daher mobil π-Elektronen sind zu sp 2 -Kohlenstoff verschoben, nicht mit einem Radikal assoziiert oder mit einer geringeren Anzahl von Radikalen assoziiert:
Natürlich greift Wasserstoff H + ein Kohlenstoffatom mit negativer Ladung an. Es ist auch stärker hydriert.
Bei funktionellen Derivaten von Alkenen kann die Substitution gegen die Markovnikov-Regel verstoßen, aber wenn man die Verschiebung der Elektronendichte in bestimmten Molekülen betrachtet, stellt sich immer heraus, dass Wasserstoff an das Kohlenstoffatom gebunden ist, das eine erhöhte Elektronendichte hat. Betrachten wir die Ladungsverteilung in 3-Fluorpropen-1. Das elektronegative Fluoratom wirkt als Elektronendichteakzeptor. In der Kette der o-Bindungen sind Elektronenpaare zum Fluoratom verschoben und beweglich π-Elektronen Verschiebung vom äußersten zum mittleren Kohlenstoffatom:
Infolgedessen verstößt die Addition gegen die Markovnikov-Regel:
Hier wirkt einer der Hauptmechanismen der gegenseitigen Beeinflussung von Atomen in Molekülen - induktive Wirkung:
Der induktive Effekt (±/) ist die Verschiebung von Elektronenpaaren in der Kette von o-Bindungen unter Einwirkung eines Atoms (einer Gruppe von Atomen) mit erhöhter (-/) oder verringerter (+/) Elektronegativität gegenüber Wasserstoff:
Ein Halogenatom hat eine andere Wirkung, wenn es sich an einem Kohlenstoffatom befindet sp2. Hier folgt die Adjunktion der Markovnikov-Regel. In diesem Fall ist die mesomerisch Wirkung. Das freie Elektronenpaar des Chloratoms wird zum Kohlenstoffatom verschoben, als würde die Multiplizität der Cl-C-Bindung erhöht, wodurch die Elektronen der n-Bindung zum nächsten Kohlenstoffatom verschoben werden, wodurch ein Überschuss an entsteht Elektronendichte darauf. Während der Reaktion wird ein Proton hinzugefügt: 
Dann geht das Chlorion, wie aus dem Diagramm ersichtlich, an das Kohlenstoffatom, an das bereits Chlor gebunden wurde. Der mesomere Effekt tritt nur auf, wenn das einsame Elektronenpaar konjugiert Mit π-Bindung, d.h. sie sind nur durch eine Einfachbindung getrennt. Wenn das Halogen von der Doppelbindung entfernt wird (wie in 3-Fluorpropen-1), verschwindet der mesomere Effekt. Der induktive Effekt ist bei allen Halogenderivaten aktiv, aber im Fall von 2-Chlorpropen ist der mesomere Effekt stärker als der induktive.
Mesomerisch (±M) Wirkung ist Verdrängung ich-Elektronen in der Kette von sp 2 -Kohlenstoffatomen unter möglicher Beteiligung des freien Elektronenpaars der funktionellen Gruppe.
Der mesomere Effekt kann sowohl positiv (+M) als auch negativ (-M) sein. Halogenatome haben einen positiven mesomeren Effekt und gleichzeitig einen negativen induktiven Effekt. Der negative mesomere Effekt hat funktionelle Gruppen mit Doppelbindungen an Sauerstoffatomen (siehe unten).
Aufgabe 15.14. Schreiben Sie die Strukturformel des Reaktionsprodukts der Addition von Chlorwasserstoff an 1-Chlorbuten-1.
Oxosynthese. Von großer technischer Bedeutung ist die Umsetzung von Alkenen mit Kohlenmonoxid (II) und Wasserstoff. Sie wird bei erhöhter Temperatur unter einem Druck von mehr als 100 atm durchgeführt. Der Katalysator ist metallisches Kobalt, das mit CO intermediäre Verbindungen bildet. Das Reaktionsprodukt ist eine Oxoverbindung - ein Aldehyd, das ein Kohlenstoffatom mehr enthält als das ursprüngliche Alken:
Alkadiene
Kohlenwasserstoffe mit zwei Doppelbindungen genannt werden Alkadiene, und auch kürzer Diene. Die allgemeine Formel der Diene C n H 2n-2 Es gibt drei homologe Hauptreihen von Dien-Kohlenwasserstoffen:
Aufgabe 15.15. Geben Sie an, in welchen Hybridzuständen sich die Kohlenstoffatome in den oben angegebenen Dien-Kohlenwasserstoffen befinden.
Konjugierte Dienkohlenwasserstoffe sind von größter praktischer Bedeutung, da sie als Rohstoffe für die Herstellung verschiedener Kautschukarten und Kautschuk dienen. Nicht konjugierte Diene haben die üblichen Eigenschaften von Alkenen. Konjugierte Diene haben vier aufeinanderfolgende sp 2 -Kohlenstoffatome. Sie liegen in derselben Ebene, und ihre nicht-hybriden p-Orbitale sind parallel orientiert (Abb. 15.2). Daher gibt es eine Überlappung zwischen allen benachbarten p-Orbitalen und werden gebildet π-Bindungen nicht nur zwischen 1 -
2 und 3 -
4, aber auch zwischen 2-3 Kohlenstoffatomen. Gleichzeitig müssen die Elektronen zwei Zwei-Elektronen-Wolken bilden. Es gibt eine Überlagerung (Resonanz) verschiedener Zustände von n-Elektronen mit einer mittleren Bindungsmultiplizität zwischen einfach und doppelt: 
Diese Verbindungen werden aufgerufen konjugiert. Die Bindung zwischen 2-3 Kohlenstoffatomen ist im Vergleich zur üblichen Einfachbindung verkürzt, was ihre erhöhte Multiplizität bestätigt. Konjugierte Diene verhalten sich bei niedrigen Temperaturen überwiegend als Verbindungen mit zwei Doppelbindungen und bei erhöhten Temperaturen als Verbindungen mit konjugierten Bindungen.
Die beiden wichtigsten Diene - Butadien-1,3 (Divinyl) und 2-Methylbutadien-1,3 (Isopren) - werden aus gewonnen aber-
Reis. 15.2. Überlappende p-Orbitale in einem Dienmolekül
Neu und Pentan Fraktionen, die Produkte der Erdgasverarbeitung sind:
Butadien wird auch nach der Methode von S. V. Lebedev aus Alkohol gewonnen:
Elektrophile Additionsreaktionen an konjugierten Dienen verlaufen auf besondere Weise. Butadien fügt beim Abkühlen auf -80 ° C das erste Brommolekül an Position 1,2 hinzu:
Dieses Produkt wird mit einer Ausbeute von 80 % erhalten. Die restlichen 20 % stammen aus dem 1,4-Additionsprodukt:
Die verbleibende Doppelbindung befindet sich zwischen dem zweiten und dritten Kohlenstoffatom. Zuerst lagert sich Brom an das endständige Kohlenstoffatom und bildet ein Carbonaton (ein Teilchen mit einer positiven Ladung auf Kohlenstoff):
Bei der Bewegung befinden sich die n-Elektronen in der Position 2, 3, dann in der Position 3, 4. Bei niedrigen Temperaturen besetzen sie häufiger die Position 3, 4 und damit die Position 1,2- Additionsprodukt überwiegt. Wenn die Bromierung bei einer Temperatur von 40 °C durchgeführt wird, wird das 1,4-Additionsprodukt zum Hauptprodukt, seine Ausbeute steigt auf 80 %, und der Rest ist das 1,2-Additionsprodukt.
Aufgabe 15.16. Schreiben Sie die Produkte der sequentiellen Addition von Brom und Chlor an Isopren bei erhöhter Temperatur.
Butadien und Isopren polymerisieren leicht, um verschiedene Kautschuke zu bilden. Als Polymerisationskatalysatoren können Alkalimetalle, organische Verbindungen von Alkalimetallen, Ziegler-Natta-Katalysatoren dienen. Die Polymerisation verläuft nach dem 1,4-Additionstyp. Kautschukmoleküle gehören in ihrer Struktur zu nicht-konjugierten Polyenen, also zu Kohlenwasserstoffen mit vielen Doppelbindungen. Dies sind flexible Moleküle, die sich sowohl dehnen als auch zu Kugeln kräuseln können. An Doppelbindungen in Kautschuken entsteht z cis-, und die trans-Anordnung von Wasserstoffatomen und -radikalen. Die besten Eigenschaften haben cis-Butadien- und cis-Isopren-(Natur-)Kautschuke. Ihre Struktur ist in Abb. 15.3. Trans-Polyisopren (Guttapercha) kommt auch in der Natur vor. Auf den obigen Formeln, kau-
Reis. 15.3. Molekülstruktur einiger Kautschuke
Wenn Sie die gepunktet dargestellten Links umfahren, ist eine interne Rotation möglich. Kautschuke, in deren Molekülen mit Doppelbindungen beides vorhanden ist cis-, und Thoraxkonfiguration genannt werden irregulär. In Bezug auf die Eigenschaften sind sie normalen Kautschuken unterlegen.
Aufgabe 15.17. zeichne die Struktur trans polybu Tadien.
Aufgabe 15.18. Ein Chloropren-Butadien-Derivat Chloropren (2-Chlorbutadien-1,3) ist bekannt, aus dem Chloroprenkautschuk erhalten wird. Schreiben Sie die Strukturformel von cis-Chloroprenkautschuk.
Gummi wird aus Gummi hergestellt, dessen praktische Anwendung ungewöhnlich breit ist. Der größte Teil davon fließt in die Herstellung von Radreifen. Um Kautschuk herzustellen, wird Kautschuk mit Schwefel vermischt und erhitzt. Schwefelatome sind über Doppelbindungen gebunden, wodurch viele Brücken zwischen Gummimolekülen entstehen. Es entsteht ein räumliches Bindungsnetzwerk, das nahezu alle verfügbaren Gummimoleküle zu einem Molekül vereint. Während sich Kautschuk in Kohlenwasserstoffen auflöst, kann Kautschuk nur durch Aufnahme des Lösungsmittels in die Leerräume zwischen den Kohlenwasserstoffketten und den Schwefelbrücken quellen.
Alkine
Eine weitere homologe Reihe ist Alkine- Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung zwischen Kohlenstoffatomen: 
Die allgemeine Formel für diese Reihe C n H 2n _ 2 ist dieselbe wie für die homologe Reihe von Dienen. Das erste Mitglied der Reihe ist C 2 H 2 -Acetylen oder nach der systematischen Nomenklatur Ethin. Die folgenden Mitglieder der Reihe Propin C 3 H 4, Butin C 4 H 6, Pentin C 5 H 8 usw. Diese sind wie Alkene und Diene ebenfalls ungesättigte Kohlenwasserstoffe, aber in dieser Reihe sind die Kohlenstoffatome durch das Tripel gebunden
Bindung, befinden sich in einem Zustand der sp-Hybridisierung. Ihre Hybridorbitale sind in einem Winkel von 180° gegenläufig gerichtet und bilden eine lineare Gruppierung, einschließlich Wasserstoff- oder Kohlenstoffatomen der Radikale:
Aufgabe 15.19. Schreiben Sie die Strukturformeln von Propin und Butin. Haben sie Isomere?
Aufgabe 15.20. Betrachten Sie das Schema überlappender Orbitale im Acetylenmolekül (S. 188). Welche Orbitale bilden n-Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen?
Die Dreifachbindung in Alkenen wird durch die Energie charakterisiert ESt = 828 kJ/mol. Das sind 222 kJ/mol mehr als die Energie der Doppelbindung in Alkenen. Der C=C-Abstand wird auf 120 pm reduziert. Trotz einer so starken Bindung ist Acetylen instabil und kann explosionsartig in Methan und Kohle zerfallen:
Diese Eigenschaft erklärt sich dadurch, dass die Anzahl weniger haltbarer Verbindungen in den Zersetzungsprodukten abnimmt. π-Bindungen, statt dessen erstellt werden σ-Bindungen in Methan und Graphit. Die Instabilität von Acetylen ist mit einer großen Energiefreisetzung während seiner Verbrennung verbunden. Die Flammentemperatur erreicht 3150 °C. Es reicht zum Schneiden und Schweißen von Stahl. Acetylen wird in weißen Zylindern gelagert und transportiert, in denen es sich in Acetonlösung bei einem Druck von -10 atm befindet.
Alkine weisen Kohlenstoffgerüstisomerie und Mehrfachbindungspositionen auf. Räumlich cistrans Isomerie fehlt.
Aufgabe 15.21. Schreiben Sie die Strukturformeln aller möglichen C 5 H 8 -Isomere mit einer Dreifachbindung.
Kassenbon. Acetylen entsteht durch Hydrolyse von Calciumcarbid:
Ein weiteres praktisch wichtiges Verfahren zur Herstellung von Acetylen basiert auf der schnellen Erhitzung von Methan auf 1500–1600 °C. Dabei wird Methan zersetzt und gleichzeitig bis zu 15 % Acetylen gebildet. Das Gasgemisch wird schnell abgekühlt. Acetylen wird durch Auflösen in Druckwasser abgetrennt. Der volumetrische Löslichkeitskoeffizient von Acetylen ist größer als der anderer Kohlenwasserstoffe: K V = 1,15 (15 ° C).
Alkine werden gebildet, wenn doppelt Eliminierung von Dihalogenderivaten:
Beispiel 15.4. Wie bekommt man in vier Schritten Butin-2 aus Buten-1?
Lösung. Lassen Sie uns die Reaktionsgleichungen schreiben.
Chemische Eigenschaften. Acetylen explodiert bei einer Temperatur von -500 ° C oder unter einem Druck von mehr als 20 atm und zerfällt unter Beimischung von Methan zu Kohle und Wasserstoff. Acetylenmoleküle können sich auch miteinander verbinden. In Gegenwart von CuCl erfolgt die Dimerisierung unter Bildung von Vinylacetylen:
Aufgabe 15.22. Benennen Sie Vinylacetylen nach der systematischen Nomenklatur.
Wenn es über erhitzte Holzkohle geleitet wird, trimerisiert Acetylen zu Benzol:
Kaliumpermanganat in schwach alkalischem Medium oxidiert Alkine unter Konservierung σ-Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen:
In diesem Beispiel ist das Reaktionsprodukt Kaliumoxalat, ein Salz der Oxalsäure. Die Oxidation mit Kaliumpermanganat im sauren Milieu führt zur vollständigen Spaltung der Dreifachbindung:
AUFGABE 15.23. Schreiben Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Butin-2 mit Kaliumpermanganat in leicht alkalischem Medium.
Trotz der hohen Ungesättigtheit der Moleküle sind elektrophile Additionsreaktionen bei Alkinen schwieriger (langsamer) als bei Alkenen. Alkine addieren zwei Halogenmoleküle in Reihe. Die Zugabe von Halogenwasserstoffen und Wasser folgt der Markovnikov-Regel. Um Wasser hinzuzufügen, wird ein Katalysator benötigt - Quecksilbersulfat in einer sauren Umgebung (Kucherov-Reaktion):
Hydroxylgruppe OH zugeordnet sp 2 -yvnepo Haus, instabil. Das Elektronenpaar bewegt sich vom Sauerstoff zum nächsten Kohlenstoffatom und das Proton zum nächsten Kohlenstoffatom:
Somit ist das Endprodukt der Reaktion von Propin mit Wasser die Oxoverbindung Aceton.
Wasserstoffsubstitutionsreaktion. Kohlenstoff im sp-Hybridisierungszustand zeichnet sich durch eine etwas höhere Elektronegativität aus als in den Zuständen sp2 und sp3. Daher wird in Alkinen die Polarität der C-H-Bindung erhöht und Wasserstoff wird relativ mobil. Alkine reagieren mit Lösungen von Schwermetallsalzen unter Bildung von Substitutionsprodukten. Im Falle von Acetylen werden diese Produkte genannt Acetylide:
Auch Calciumcarbid gehört zu den Acetyleniden (S. 364). Es ist zu beachten, dass Acetylenide von Alkali- und Erdalkalimetallen vollständig hydrolysiert werden. Acetylide reagieren mit Halogenderivaten von Kohlenwasserstoffen unter Bildung verschiedener Acetylen-Homologe.
Im Verlauf einer Reaktion werden einige chemische Bindungen in den Molekülen der reagierenden Substanzen aufgebrochen und andere gebildet. Organische Reaktionen werden nach der Art des Aufbrechens chemischer Bindungen in reagierenden Teilchen eingeteilt. Von diesen können zwei große Gruppen von Reaktionen unterschieden werden - radikalische und ionische.
Radikalreaktionen sind Prozesse, die mit einem homolytischen Bruch einer kovalenten Bindung einhergehen. Bei einem homolytischen Bruch wird ein eine Bindung bildendes Elektronenpaar so geteilt, dass jedes der gebildeten Teilchen ein Elektron erhält. Als Ergebnis des homolytischen Bruchs werden freie Radikale gebildet:
Ein neutrales Atom oder Teilchen mit einem ungepaarten Elektron wird als freies Radikal bezeichnet.
Ionenreaktionen sind Prozesse, die beim heterolytischen Aufbrechen kovalenter Bindungen auftreten, wenn beide Bindungselektronen bei einem der zuvor gebundenen Teilchen verbleiben:
Als Ergebnis der heterolytischen Bindungsspaltung werden geladene Teilchen erhalten: nukleophil und elektrophil.
Ein nukleophiles Teilchen (Nukleophil) ist ein Teilchen, das ein Elektronenpaar auf der äußeren elektronischen Ebene hat. Durch das Elektronenpaar ist das Nucleophil in der Lage, eine neue kovalente Bindung einzugehen.
Ein elektrophiles Teilchen (Elektrophil) ist ein Teilchen, das eine ungefüllte äußere elektronische Ebene hat. Das Elektrophil repräsentiert unbesetzte, unbesetzte Orbitale für die Bildung einer kovalenten Bindung aufgrund der Elektronen des Teilchens, mit dem es wechselwirkt.
In der organischen Chemie werden alle Strukturänderungen relativ zu dem (oder den) an der Reaktion beteiligten Kohlenstoffatom(en) betrachtet.
Entsprechend wird die Chlorierung von Methan durch Lichteinwirkung als radikalische Substitution, die Addition von Halogenen an Alkene als elektrophile Addition und die Hydrolyse von Alkylhalogeniden als nucleophile Substitution klassifiziert.
Die folgenden Arten von Aktionen sind am häufigsten.
Haupttypen chemischer Reaktionen
ICH. Substitutionsreaktionen(Ersatz eines oder mehrerer Wasserstoffatome durch Halogenatome oder eine spezielle Gruppe) RCH 2 X + Y → RCH 2 Y + X
II. Additionsreaktionen RCH=CH 2 + XY → RCHX−CH 2 Y
III. Spaltungs- (Eliminierungs-) Reaktionen RCHX−CH 2 Y → RCH=CH 2 + XY
IV. Isomerisierungsreaktionen (Umlagerungen)
v. Oxidationsreaktionen(Wechselwirkung mit Luftsauerstoff oder einem Oxidationsmittel)
Bei diesen oben aufgeführten Reaktionstypen gibt es auch spezialisiert und Eingetragen Reaktionen.
Spezialisiert:
1) Hydrierung (Wechselwirkung mit Wasserstoff)
2) Dehydrierung (Abspaltung von einem Wasserstoffmolekül)
3) Halogenierung (Wechselwirkung mit Halogen: F 2, Cl 2, Br 2, I 2)
4) Dehalogenierung (Abspaltung von einem Halogenmolekül)
5) Hydrohalogenierung (Wechselwirkung mit Halogenwasserstoff)
6) Dehydrohalogenierung (Abspaltung von einem Halogenwasserstoffmolekül)
7) Hydratation (Wechselwirkung mit Wasser in einer irreversiblen Reaktion)
8) Dehydratisierung (Abspaltung von einem Wassermolekül)
9) Hydrolyse (Wechselwirkung mit Wasser in einer reversiblen Reaktion)
10) Polymerisation (Erhalten eines mehrfach vergrößerten Kohlenstoffgerüsts aus identischen einfachen Verbindungen)
11) Polykondensation (Erhalten eines mehrfach vergrößerten Kohlenstoffgerüsts aus zwei verschiedenen Verbindungen)
12) Sulfonierung (Wechselwirkung mit Schwefelsäure)
13) Nitrierung (Wechselwirkung mit Salpetersäure)
14) Cracken (Reduktion des Kohlenstoffskeletts)
15) Pyrolyse (Zersetzung komplexer organischer Substanzen in einfachere unter dem Einfluss hoher Temperaturen)
16) Alkylierungsreaktion (Einführung eines Alkanrestes in die Formel)
17) Acylierungsreaktion (Einführung der -C(CH 3 )O-Gruppe in die Formel)
18) Aromatisierungsreaktion (Bildung eines Kohlenwasserstoffs aus einer Reihe von Arenen)
19) Decarboxylierungsreaktion (Abspaltung der Carboxylgruppe -COOH vom Molekül)
20) Veresterungsreaktion (Reaktion eines Alkohols mit einer Säure oder Erhalt eines Esters aus einem Alkohol oder einer Carbonsäure)
21) die Reaktion des "Silberspiegels" (Wechselwirkung mit einer Ammoniaklösung von Silberoxid (I))
Nennreaktionen:
1) Wurtz-Reaktion (Verlängerung des Kohlenstoffgerüsts bei der Wechselwirkung eines Halogenkohlenwasserstoffs mit einem Aktivmetall)
2) Kucherov-Reaktion (Gewinnung von Aldehyd durch Reaktion von Acetylen mit Wasser)
3) Konovalov-Reaktion (Reaktion eines Alkans mit verdünnter Salpetersäure)
4) Wagner-Reaktion (Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit Doppelbindung durch den Sauerstoff eines Oxidationsmittels in schwach alkalischem oder neutralem Medium unter Normalbedingungen)
5) Lebedev-Reaktion (Dehydrierung und Dehydratisierung von Alkoholen bei der Herstellung von Alkadienen)
6) Friedel-Crafts-Reaktion (Alkylierungsreaktion von Aren mit Chloralkan, um Benzol-Homologe zu erhalten)
7) Zelinsky-Reaktion (Gewinnung von Benzol aus Cyclohexan durch Dehydrierung)
8) Kirchhoff-Reaktion (Umwandlung von Stärke in Glucose unter der katalytischen Wirkung von Schwefelsäure)
Unterrichtsthema: Arten chemischer Reaktionen in der organischen Chemie.
Unterrichtsart: Lektion des Lernens und primäre Festigung des neuen Materials.
Unterrichtsziele: schaffen Bedingungen für die Bildung von Kenntnissen über die Merkmale des Ablaufs chemischer Reaktionen mit organischen Substanzen, wenn sie sich mit ihrer Klassifizierung vertraut machen, festigen die Fähigkeit, Reaktionsgleichungen zu schreiben.
Unterrichtsziele:
Lehre: Untersuchung der Reaktionstypen der organischen Chemie, aufbauend auf den Kenntnissen der Studierenden über die Reaktionstypen der anorganischen Chemie und deren Vergleich mit den Reaktionstypen der organischen Chemie.
Entwickeln: Förderung der Entwicklung von logischem Denken und intellektuellen Fähigkeiten (analysieren, vergleichen, Ursache-Wirkungs-Beziehungen herstellen).
Pädagogisch: um die Bildung einer Kultur der geistigen Arbeit fortzusetzen; Kommunikationsfähigkeiten: Hören Sie sich die Meinungen anderer an, beweisen Sie ihren Standpunkt, finden Sie Kompromisse.
Lehrmethoden:verbal (Geschichte, Erklärung, Problemstellung); visuell (Multimedia-Sichthilfe); Heuristik (schriftliche und mündliche Übungen, Problemlösung, Testaufgaben).
Erziehungsmittel:Umsetzung intra- und interdisziplinärer Zusammenhänge, multimediale Anschauungshilfe (Präsentation), symbolisch-grafische Tafel.
Technologie: Elemente der Kooperationspädagogik, schülerzentriertes Lernen (kompetenzbasiertes Lernen, human-personale Technik, individueller und differenzierter Ansatz), Informations- und Kommunikationstechnik, gesundheitsschonende Bildungstechniken (Organisations- und pädagogische Technik).
Kurze Beschreibung des Unterrichtsablaufs.
I. Organisatorische Phase: gegenseitige Begrüßung von Lehrer und Schüler; Überprüfung der Vorbereitung der Schüler auf den Unterricht; Organisation von Aufmerksamkeit und Stimmung für den Unterricht.
Überprüfung der Hausaufgaben.Kontrollfragen: 1. Vervollständigen Sie die Sätze: a) Isomere sind ... b) Die funktionelle Gruppe ist ... 2. Ordnen Sie die angegebenen Stoffformeln zu (die Formeln werden auf den Karten angeboten) und benennen Sie die Verbindungsklassen zu denen sie gehören. 3. Ermöglichen Sie abgekürzte Strukturformeln von Isomeren, die Summenformeln entsprechen (zum Beispiel: C 6 H 14, C 3 H 6 O)
Berichterstattung über das Thema und die Aufgaben beim Studium neuen Materials; zeigt seine praktische Bedeutung.
II. Neues lernen:
Wissensaktualisierung.(Die Geschichte des Lehrers basiert auf Folienschemata, die die Schüler als Referenznotiz auf Notizbücher übertragen.)
Chemische Reaktionen sind der Hauptgegenstand der Wissenschaft der Chemie. (Folie 2)
Bei chemischen Reaktionen wird ein Stoff in einen anderen umgewandelt.
Reagenz 1 + Reagenz 2 = Produkte (anorganische Chemie)
Substrat + Angriffsreagenz = Produkte (Organische Chemie)
Bei vielen organischen Reaktionen verändern sich nicht alle Moleküle, sondern ihre Reaktionsteile (funktionelle Gruppen, ihre einzelnen Atome etc.), die Reaktionszentren genannt werden. Das Substrat ist die Substanz, in der das alte Kohlenstoffatom aufgebrochen und eine neue Bindung gebildet wird, und die darauf einwirkende Verbindung oder ihr reaktives Teilchen wird als Reagenz bezeichnet.
Anorganische Reaktionen werden nach mehreren Kriterien eingeteilt: nach Anzahl und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Produkte (Verbindungen, Zersetzung, Substitution, Austausch), nach thermischer Wirkung (exo- und endotherm), nach Veränderung der Oxidation Zustand der Atome, nach der Reversibilität des Prozesses, nach der Phase (homo- und heterogen), durch die Verwendung eines Katalysators (katalytisch und nicht-katalytisch). (Folien 3,4)
Das Ergebnis der Unterrichtsphase ist die Erfüllung der Aufgabe durch die Schüler (Folie 5), mit der Sie Ihre Fähigkeiten beim Schreiben von Gleichungen chemischer Reaktionen, beim Anordnen stöchiometrischer Koeffizienten und beim Klassifizieren anorganischer Reaktionen testen können. (Aufgaben werden auf verschiedenen Niveaus angeboten)
(Die Übung der "Gehirn" -Gymnastik zur Entwicklung kognitiver und mentaler Prozesse - "Eule": verbessert das visuelle Gedächtnis, die Aufmerksamkeit und lindert Stress, der sich bei längerem Sitzen entwickelt.)Greife mit der rechten Hand deine linke Schulter und drücke sie, drehe dich nach links, sodass du zurückblickst, atme tief ein und drücke deine Schultern nach hinten. Schauen Sie jetzt über Ihre andere Schulter, lassen Sie Ihr Kinn auf Ihre Brust fallen und atmen Sie tief ein und lassen Sie Ihre Muskeln entspannen..
Präsentation von neuem Material.(Während der Präsentation des Materials machen die Schüler Notizen in Heften, auf die der Lehrer die Aufmerksamkeit richtet - Folieninformationen)
Reaktionen mit organischen Verbindungen gehorchen denselben Gesetzen (Massen- und Energieerhaltungssatz, Massenwirkungsgesetz, Hesssches Gesetz etc.) und zeigen dieselben Muster (stöchiometrisch, energetisch, kinetisch) wie die Reaktionen anorganischer Stoffe. (Folie 6)
Organische Reaktionen werden normalerweise nach den Mechanismen des Auftretens, der Richtung und den Endprodukten der Reaktion klassifiziert. (Folie 7)
Die Art und Weise, wie kovalente Bindungen aufgebrochen werden, bestimmt die Art des Reaktionsmechanismus. Unter dem Reaktionsmechanismus ist die Abfolge der Reaktionsstufen mit Angabe der in jeder dieser Stufen gebildeten Zwischenteilchen zu verstehen. (Der Reaktionsmechanismus beschreibt seinen Weg, also die Abfolge elementarer Wechselwirkungen der von ihm durchströmten Reagenzien.)
In der organischen Chemie werden zwei Haupttypen von Reaktionsmechanismen unterschieden: radikalisch (homolytisch) und ionisch (heterolytisch). (Folie 8)
Bei einem homolytischen Bruch wird ein eine Bindung bildendes Elektronenpaar so geteilt, dass jedes der gebildeten Teilchen ein Elektron erhält. Als Ergebnis des homolytischen Bruchs werden freie Radikale gebildet:
X:Y → X . + . Y
Ein neutrales Atom oder Teilchen mit einem ungepaarten Elektron wird als freies Radikal bezeichnet.
Als Ergebnis der heterolytischen Bindungsspaltung werden geladene Teilchen erhalten: nukleophil und elektrophil.
X:Y → X + + :Y -
Ein nukleophiles Teilchen (Nukleophil) ist ein Teilchen, das ein Elektronenpaar auf der äußeren elektronischen Ebene hat. Durch das Elektronenpaar ist das Nucleophil in der Lage, eine neue kovalente Bindung einzugehen.
Ein elektrophiles Teilchen (Elektrophil) ist ein Teilchen, das auf der äußeren elektronischen Ebene ein freies Orbital hat. Das Elektrophil repräsentiert unbesetzte, unbesetzte Orbitale für die Bildung einer kovalenten Bindung aufgrund der Elektronen des Teilchens, mit dem es wechselwirkt.
Radikalreaktionen haben einen charakteristischen Kettenmechanismus, der drei Stufen umfasst: Keimbildung (Initiation), Entwicklung (Wachstum) und Kettenabbruch. (Folie 9)
Ionenreaktionen treten auf, ohne die Elektronenpaare zu brechen, die chemische Bindungen bilden: Beide Elektronen gehen unter Bildung eines Anions in das Orbital eines der Atome des Reaktionsprodukts. (Folie 10) Der heterolytische Zerfall einer kovalenten polaren Bindung führt zur Bildung von Nucleophilen (Anionen) und Elektrophilen (Kationen). Abhängig von der Art des angreifenden Reagenz können Reaktionen nukleophil oder elektrophil sein.
Entsprechend der Richtung und dem Endergebnis der chemischen Umwandlung werden organische Reaktionen in folgende Typen eingeteilt: Substitution, Addition, Eliminierung (Eliminierung), Umlagerung (Isomerisierung), Oxidation und Reduktion. (Folie 11)
Unter Substitution versteht man den Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe durch ein anderes Atom oder eine Atomgruppe. Als Ergebnis der Substitutionsreaktion werden zwei unterschiedliche Produkte gebildet.
R-CH 2 X + Y → R-CH 2 Y + X
Unter der Additionsreaktion versteht man die Einführung eines Atoms oder einer Gruppe von Atomen in das Molekül einer ungesättigten Verbindung, die mit einem Bruch dieser Verbindung von π-Bindungen einhergeht. Bei der Wechselwirkung werden Doppelbindungen in Einfachbindungen und Dreifachbindungen in Doppel- oder Einfachbindungen umgewandelt.
R-CH=CH 2 + XY → RCHX-CH 2 Y
Problem: Welche Art von Reaktion können wir als Polymerisationsreaktion klassifizieren? Beweisen Sie, dass es zu einer bestimmten Art von Reaktionen gehört, und geben Sie ein Beispiel an.
Zu den Additionsreaktionen zählen auch Polymerisationsreaktionen (zB: Gewinnung von Polyethylen aus Ethylen).
n(CH 2 \u003d CH 2) → (-CH 2 -CH 2 -) n
Eliminierungsreaktionen oder Spaltungen sind Reaktionen, bei denen Atome oder deren Gruppen von einem organischen Molekül abgespalten werden, um eine Mehrfachbindung zu bilden.
R-CHX-CH 2 Y → R-CH=CH 2 + XY
Umlagerungsreaktionen (Isomerisierung). Bei dieser Art von Reaktion findet die Umordnung von Atomen und ihren Gruppen im Molekül statt.
Polykondensationsreaktionen sind Substitutionsreaktionen, werden jedoch häufig als Sonderform organischer Reaktionen mit spezifischen Merkmalen und großer praktischer Bedeutung ausgezeichnet.
Oxidations-Reduktions-Reaktionen gehen mit einer Änderung des Oxidationsgrades des Kohlenstoffatoms in Verbindungen einher, bei denen das Kohlenstoffatom das Reaktionszentrum ist.
Oxidation ist eine Reaktion, bei der sich ein Stoff unter Einwirkung eines Oxidationsmittels mit Sauerstoff (oder einem anderen elektronegativen Element wie Halogen) verbindet oder Wasserstoff (in Form von Wasser oder molekularem Wasserstoff) abgibt. Die Wirkung eines Oxidationsmittels (Oxidation) ist im Reaktionsschema durch das Symbol [O] gekennzeichnet.
[Ö]
CH 3 CHO → CH 3 COOH
Die Rückgewinnung ist die Umkehrreaktion der Oxidation. Unter der Wirkung eines Reduktionsmittels nimmt die Verbindung Wasserstoffatome auf oder gibt Sauerstoffatome ab: Die Wirkung eines Reduktionsmittels (Reduktion) wird durch das Symbol [H] angezeigt.
[H]
CH3COCH3 → CH3CH(OH)CH3
Die Hydrierung ist eine Reaktion, die ein Sonderfall der Reduktion ist. Wasserstoff wird in Gegenwart eines Katalysators an eine Mehrfachbindung oder einen aromatischen Kern addiert.
Um das gelernte Material zu festigen, bearbeiten die Schüler eine Testaufgabe: Folien 12.13.
III. Hausaufgaben: § 8 (Übung 2), 9
IV. Zusammenfassend
Schlussfolgerungen: (Folie 14)
Organische Reaktionen gehorchen allgemeinen Gesetzen (Massen- und Energieerhaltungssatz) und allgemeinen Gesetzen ihres Verlaufs (Energie, Kinetik - was den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit aufzeigt).
Sie haben gemeinsame Eigenschaften für alle Reaktionen, aber sie haben auch ihre eigenen charakteristischen Merkmale.
Je nach Reaktionsmechanismus werden sie in homolytisch (radikalisch) und heterolytisch (elektrophil-nucleophil) eingeteilt.
Je nach Richtung und Endergebnis einer chemischen Umwandlung werden Reaktionen unterschieden: Substitution, Addition, Eliminierung (Eliminierung), Umlagerung (Isomerisierung), Polykondensation, Oxidation und Reduktion.
Gebrauchte Bücher:UMK: OS Gabrielyan et al., Chemie 10 M. Bustard 2013
Vorschau:
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Beschriftungen der Folien:
Arten chemischer Reaktionen in der organischen Chemie.
Eine chemische Reaktion ist die Umwandlung eines Stoffes in einen anderen. Die durch die Reaktion erhaltenen Stoffe unterscheiden sich von den Ausgangsstoffen in Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften. Reagenz 1 + Reagenz 2 = Produkte Substrat + Angreifer = Produkte Reagenz
Kennzeichen der Einteilung chemischer Reaktionen in der anorganischen Chemie nach Anzahl und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Produkte nach der thermischen Wirkung nach der Veränderung des Oxidationsgrades der Atome nach der Reversibilität des Prozesses nach der Phase entsprechend zum Einsatz eines Katalysators
Einteilung nach Anzahl und Zusammensetzung der Ausgangs- und Folgestoffe: Verbindungsreaktionen: A + B = AB Zn + Cl 2 = ZnCl 2 CaO + CO 2 = CaCO 3 Zersetzungsreaktionen: AB = A + B 2H 2 O = 2H 2 + O 2 Cu (OH) 2 \u003d CuO + H 2 O Substitutionsreaktionen: AB + C \u003d A + CB CuSO 4 + Fe \u003d Cu + FeSO 4 Cr 2 O 3 + 2Al \u003d 2Cr + Al 2 O 3 Austauschreaktionen: AB + CD \u003d AD + CB CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O NaOH + HCl = NaCl + H 2 O
Reaktionsschemata sind angegeben: 1. Kupfer(II)-hydroxid → Kupfer(II)-oxid + Wasser 2. Bariumchlorid + Natriumsulfat → ... 3. Salzsäure + Zink → Zinkchlorid + Wasserstoff 4. Phosphor(V)-oxid + Wasser → ... Ebene I: Geben Sie die Reaktionsarten an, schreiben Sie eine der Gleichungen auf (optional). Stufe II: Geben Sie die Reaktionstypen an, schreiben Sie eine der Gleichungen auf, in denen die Produkte nicht angegeben sind (optional). Stufe III: Geben Sie die Reaktionsarten an und schreiben Sie alle Gleichungen auf.
Reaktionen mit organischen Verbindungen gehorchen denselben Gesetzen (Massen- und Energieerhaltungssatz, Massenwirkungsgesetz, Hesssches Gesetz etc.) und zeigen dieselben Muster (stöchiometrisch, energetisch, kinematisch) wie anorganische Reaktionen.
Organische Reaktionen werden üblicherweise nach den Mechanismen ihres Ablaufs eingeteilt, wobei unter dem Reaktionsmechanismus die Abfolge der einzelnen Reaktionsstufen verstanden wird, wobei die bei jeder dieser Stufen gebildeten Zwischenteilchen angegeben werden. in Richtung und Endprodukte der Reaktion - Zugabe; - Abspaltung (Beseitigung); - Auswechslungen; - Umlagerung (Isomerisierung); - Oxidation; - Wiederherstellung.
Die Methode des Aufbrechens der kovalenten Bindung bestimmt die Art des Reaktionsmechanismus: Radikalisch (homolytisch) X:Y → X. + . YR. (X . , . Y) - Radikale (freie Atome oder Teilchen mit ungepaarten Elektronen, instabil und in der Lage, chemische Umwandlungen einzugehen) Ionisch (heterolytisch) X: Y → X + +: Y - X + - elektrophiles Reagenz (Elektrophil: liebevoll Elektron ) :Y - - nukleophiles Reagenz (Nukleophil: protonenliebend)
Radikalreaktionen haben einen Kettenmechanismus, einschließlich der Stufen: Keimbildung, Entwicklung und Kettenabbruch. Kettenkeimbildung (Initiierung) Cl 2 → Cl. +Kl. Wachstum (Entwicklung) der CH 4 + Cl-Kette. → CH3. + HCl CH 3 . + Cl 2 → CH 3 -Cl + Cl. CH 3 Kettenbruch. +Kl. → CH 3 ClCH 3 . +CH3. → CH 3 -CH 3 Cl. +Kl. →Cl2
Ionenreaktionen treten auf, ohne die Elektronenpaare zu brechen, die chemische Bindungen bilden: Beide Elektronen gehen unter Bildung eines Anions in das Orbital eines der Atome des Reaktionsprodukts. Der heterolytische Zerfall einer kovalenten polaren Bindung führt zur Bildung von Nucleophilen (Anionen) und Elektrophilen (Kationen). CH 3 -Br + Na + OH – → CH 3 -OH + Na + Br – Substrat Reagenz Reaktionsprodukte (Nukleophil) C 6 H 5 -H + HO: NO 2 → C 6 H 5 -NO 2 + H-OH Substrat Reagenz Reaktionsprodukte (Elektrophile)
Klassifizierung nach Richtung und Endergebnis Substitutionsreaktionen A-B + C → A-C + B Additionsreaktionen C \u003d C + A-B → A-C-C-B Eliminierungsreaktionen A-C-C-B → C \u003d C + A-B Umlagerungsreaktionen (Isomerisierungsreaktionen) X-A-B → A-B-X Oxidations- und Reduktionsreaktionen werden begleitet eine Änderung der Oxidationsstufe des Kohlenstoffatoms in Verbindungen, bei denen das Kohlenstoffatom das Reaktionszentrum ist. Problem: Welche Reaktionen lassen sich der Polymerisationsreaktion zuordnen? Beweisen Sie, dass es zu einer bestimmten Art von Reaktionen gehört, und geben Sie ein Beispiel an.
Prüfen. 1. Zugehörigkeit: Bereich Chemie Reaktionstyp Anorganisch a) Substitution b) Austausch Organische c) Verbindungen d) Zersetzung e) Eliminierung f) Isomerisierung g) Addition 2. Zugehörigkeit: Reaktionsschema Reaktionstyp AB + C → AB + C a) Substitution ABC → AB + C b) Addition von ABC → DIA c) Eliminierung von AB + C → AC + C d) Isomerisierung
3. Butan reagiert mit einer Substanz, deren Formel lautet: 1) H 2 O 2) C 3 H 8 3) Cl 2 4) HCl 4. Das Substrat in den vorgeschlagenen Reaktionsschemata ist die Substanz 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. Die linke Seite der Gleichung C 3 H 4 + 5O 2 → ... entspricht der rechten Seite: → C 3 H 6 + H 2 O → C 2 H 4 + H 2 O → 3CO 2 + 4H 2 O → 3CO 2 + 2 H 2 O 6. Die Sauerstoffmenge, die für die vollständige Verbrennung von 5 l Methan benötigt wird, ist gleich 1) 1 l 2) 5 l 3) 10 l 4) 15 l
Schlussfolgerungen Organische Reaktionen gehorchen den allgemeinen Gesetzen und allgemeinen Gesetzmäßigkeiten ihres Ablaufs. Sie haben gemeinsame Eigenschaften für alle Reaktionen, aber sie haben auch ihre eigenen charakteristischen Merkmale. Entsprechend dem Reaktionsmechanismus werden sie in freie Radikale und ionische unterteilt. Je nach Richtung und Endergebnis einer chemischen Umwandlung: Substitution, Addition, Oxidation und Reduktion, Isomerisierung, Eliminierung, Polykondensation usw.
