Реакционная способность углеводородов. Классификация органических реакций. Реакции электрофильного присоединения. Реакции электрофильного замещения.

 

 

План занятия

1. Устный опрос и коррекция знаний студентов

2. Тестовый контроль

3. Лабораторная работа № 1

4. Подведение итогов занятия

 

Учебные элементы темы

 

Способность вещества вступать в химическую реакцию и реагировать с определенной скоростью называется реакционной способностью. Вещество, которое подвергается воздействию и в котором у атома углерода происходит разрыв старой и образование новой связи, является субстратом. Воздействующее соединение – реагентом. Различают:

1. радикальные реагенты (радикалы) – это электронейтральные частицы (атомы или группы атомов) с не спаренным электроном.

2. электрофильные реагенты – это частицы с не полностью заполненным валентным электронным уровнем.

3. нуклеофильные реагенты – это частицы, имеющие электронную пару на внешнем электронном уровне.

I. В соответствии с природой реагента и характером разрыва связи в субстрате различают:

а) радикальные, гомолитические реакции, в которых действуют радикальные реагенты и происходит гомолитический разрыв связи в субстрате:

                            c убстрат реагент    

б) ионные, гетеролитические реакции, в которых действуют ионные реагенты (нуклеофильные или электрофильные) и происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате:

электрофил

а) электрофильные (Е):

                        субстрат реагент

нуклеофил

б) нуклеофильные (N):

                       субстрат реагент

В таких реакциях промежуточными частицами являются карбокатионы и карбанионы. При этом, если электронная пара переходит к атому углерода, то образуется карбанион – отрицательно заряженная частица с избытком электронов. Если же электронная пара переходит к атому Х (функциональная группа), то образуется карбокатион – положительно заряженная частица с недостатком электронов:

                                   субстрат          карбанион

                                  субстрат        карбокатион

в) синхронные или согласованные реакции, в которых разрыв старых связей и образование новых происходит одновременно и без участия радикальных или ионных (заряженных) частиц.

 

Такие реакции протекают при облучении или нагревании; для них теряют смысл понятия «субстрат» и «реагент»:

 

                        бутадиен-1,3 этилен   циклогексен

II. По направлению с учетом конечного результата органические реакции делятся на:

а) реакции замещения (S): 1. радикального      S_R

                                          2. ионного:

                                                   а) электрофильного S_E

                                          б) нуклеофильного S_N

 

 

б) реакции присоединения (А): 1. радикального      A_R

                                                   2. ионного:

                                                   а) электрофильного A_E

                                                   б) нуклеофильного A_N

c) реакции отщепления или элиминирования (Е)

д) реакции перегруппировки, при которых происходит переход (миграция) отдельных атомов или групп атомов от одного участка молекулы к другому. Например, в результате перегруппировки изменяется углеродный скелет молекулы, и пентан превращается в изопентан.

е) реакции окисления и восстановления, при которых меняется степень окисления атома углерода, являющегося реакционным центром.

III. По числу молекул, участвующих в лимитирующей стадии, т.е. стадии, определяющей скорость всего суммарного процесса, различают: мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Последние встречаются крайне редко.

Для веществ этого класса характерны реакции идущие по следующему механизму:

 

1. Реакции радикального замещения у насыщенного атома углерода (S_R).

В насыщенных углеводородах (алканах и циклоалканах) имеются только SP³-гибридизованные атомы углерода. Для них характерны прочные неполярные С−С и почти неполярные С−Н δ-связи. Эти связи не склонны к гетеролитическому разрыву под действием электрофильных или нуклеофильных реагентов. Поэтому для насыщенных углеводородов характерны реакции радикального замещения (S_R). Они протекают по свободно-радикальному механизму при участии высокоэнергетических радикалных частиц. Так идет галогенирование насыщенных углеводородов при облучении. Рассмотрим реакцию монохлорирования метана, которая идет по механизму радикального замещения (S_R):

CH₄ + Cl₂    CH₃Cl + HCl

Приведенное уравнение отражает суммарный процесс, который включает несколько стадий:

1. Инициирование – гомолитический разрыв связи в реагенте под действием облучения, образование радикалов:

Cl  Cl → Cl• + Cl•

2. Рост цепи – атака радикалом молекулы субстрата; гомолитический разрыв связи С−Н в субстрате; образование новой молекулы и нового радикала:

CH₃  H + •Cl à CH₃• + HCl

CH₃• + Cl  Cl à CH₃Cl + Cl• и т.д.

На каждой стадии роста цепи образуется продукт реакции и свободный радикал, который атакует новые молекулы, т.е. происходит цепная реакция.

3. Обрыв цепи возможен при взаимодействии двух любых радикалов:

Cl• + Cl• = Cl₂;  CH₃• + Cl• = CH₃Cl;  CH₃• + CH₃• = C₂H₆

Галогенирование алканов, содержащих неэквивалентные количества атомов Н, происходит в соответствии с правилом региоселективности: