Orgaanisen kemian reaktioiden ominaisuudet. Orgaanisen kemian kemiallisten reaktioiden tyypit - Knowledge hypermarket. Kemiallisten reaktioiden luokittelu mekanismien mukaan
Kemiallisten reaktioiden jako orgaanisiin ja epäorgaanisiin on melko ehdollista. Tyypillisiä orgaanisia reaktioita ovat ne, joissa on mukana vähintään yksi orgaaninen yhdiste, joka muuttaa molekyylirakennettaan reaktion aikana. Siksi reaktiot, joissa orgaaninen yhdistemolekyyli toimii liuottimena tai ligandina, eivät kuulu tyypillisiin orgaanisiin reaktioihin.
Orgaaniset ja epäorgaaniset reaktiot voidaan luokitella yhteisten piirteiden mukaan siirtoreaktioihin:
– yksi elektroni (redox);
– elektroniparit (kompleksaatioreaktiot);
– protoni (happo-emäsreaktiot);
– atomiryhmät muuttamatta sidosten määrää (substituutio- ja uudelleenjärjestelyreaktiot);
- atomiryhmät, joissa on muutos sidosten lukumäärässä (lisäys-, eliminaatio-, hajoamisreaktiot).
Samaan aikaan orgaanisten reaktioiden monimuotoisuus ja omaperäisyys johtaa tarpeeseen luokitella ne muiden kriteerien mukaan:
– hiukkasten lukumäärän muutos reaktion aikana;
- siteiden katkeamisen luonne;
– reagenssien elektroninen luonne;
– perusvaiheiden mekanismi;
– aktivointityyppi;
- yksityiset kyltit;
– reaktioiden molekulaarisuus.
1) Reaktion aikana tapahtuvan hiukkasten lukumäärän muutoksen mukaan (tai substraatin muunnostyypin mukaan) erotetaan substituutio-, lisäys-, eliminaatio- (katkaisu), hajoamis- ja uudelleenjärjestelyreaktiot.
Substituutioreaktioiden tapauksessa yksi atomi (tai atomiryhmä) substraattimolekyylissä korvataan toisella atomilla (tai atomiryhmällä), jolloin muodostuu uusi yhdiste:
CH 3 – CH 3 + C1 2 CH 3 – CH2C1 + HC1
etaani kloori kloorietaani vetykloridi
CH 3 – CH 2 C1 + NaOH (vesiliuos) CH 3 – CH20H + NaC1
kloorietaani natriumhydroksidi etanoli natriumkloridi
Korvausreaktiomekanismin symbolissa ne on merkitty latinalaisella kirjaimella S (englanninkielisestä "substituutiosta" - substituutio).
Additioreaktioiden aikana kahdesta (tai useammasta) molekyylistä muodostuu yksi uusi aine. Tässä tapauksessa reagenssi lisätään moninkertaisen sidoksen kautta (C = C, C C, C = Voi S N) substraattimolekyylit:
CH 2 = CH2 + HBr → CH2Br – CH 3
etyleenivetybromidi bromietaani
Kun otetaan huomioon additioreaktioiden prosessien mekanismin symboliikka, ne on merkitty kirjaimella A tai yhdistelmällä Ad (englanninkielisestä "lisäyksestä" - lisäys).
Eliminaatio- (pilkkomis-)reaktion seurauksena substraatista lohkeaa molekyyli (tai partikkeli) ja muodostuu uusi orgaaninen aine, joka sisältää moninkertaisen sidoksen:
CH 3 – CH2OH CH2 = CH2 + H20
etanoli eteeni vesi
Korvausreaktioiden mekanismin symbolissa ne on merkitty kirjaimella E (englanninkielisestä "elimination" - eliminaatio, jakaminen).
Hajoamisreaktiot etenevät pääsääntöisesti hiili-hiili-sidosten katkeamisen myötä (C – C) ja johtavat kahden tai useamman rakenteeltaan yksinkertaisemman aineen muodostumiseen yhdestä orgaanisesta aineesta:
CH 3 –
CH(OH) –
UNSD 
CH 3 –
CHO + HCOOH
maitohappo asetaldehydi muurahaishappo
Uudelleenjärjestely on reaktio, jonka aikana substraatin rakenne muuttuu, kun muodostuu tuote, joka on isomeerinen alkuperäiseen nähden, eli molekyylikaavaa muuttamatta. Tämän tyyppinen muunnos on merkitty latinalaisella kirjaimella R (englanninkielisestä "rearrangement" - uudelleenjärjestely).
Esimerkiksi 1-klooripropaani järjestyy uudelleen isomeeriseksi yhdisteeksi 2-klooripropaani alumiinikloridin läsnä ollessa katalyyttinä.
CH 3 – CH 2 – CH 2 – C1 CH 3 – SNS1 – CH 3
1-klooripropaani 2-klooripropaani
2) Sidosten katkeamisen luonteen mukaan erotetaan homolyyttiset (radikaali), heterolyyttiset (ioniset) ja synkroniset reaktiot.
Kovalenttinen sidos atomien välillä voidaan katkaista siten, että sidoksen elektronipari jaetaan kahden atomin kesken, tuloksena olevat hiukkaset saavat kukin yhden elektronin ja niistä tulee vapaita radikaaleja - sanotaan, että tapahtuu homolyyttistä halkeamista. Tässä tapauksessa uusi sidos muodostuu reagenssin ja substraatin elektronien ansiosta.
Radikaalireaktiot ovat erityisen yleisiä alkaanien muunnoksissa (klooraus, nitraus jne.).
Heterolyyttisellä sidoksen katkaisumenetelmällä yhteinen elektronipari siirtyy yhteen atomeista, tuloksena olevat hiukkaset muuttuvat ioneiksi, niillä on kokonaisluku sähkövaraus ja ne noudattavat sähköstaattisen vetovoiman ja hylkimisen lakeja.
Reagenssien elektronisen luonteen mukaan heterolyyttiset reaktiot jaetaan elektrofiilisiin (esimerkiksi additio useiden sidosten kautta alkeeneissa tai vetysubstituutio aromaattisissa yhdisteissä) ja nukleofiilisiin (esimerkiksi halogeenijohdannaisten hydrolyysi tai alkoholien vuorovaikutus vetyhalogenidien kanssa) .
Se, onko reaktiomekanismi radikaali vai ioninen, voidaan selvittää tutkimalla reaktiota suosivia koeolosuhteita.
Joten radikaalit reaktiot, joihin liittyy homolyyttisen sidoksen katkeaminen:
- kiihtyy säteilytyksellä h korkeissa reaktiolämpötiloissa aineiden läsnä ollessa, jotka hajoavat helposti muodostaen vapaita radikaaleja (esimerkiksi peroksidit);
- hidastaa aineiden läsnä ollessa, jotka reagoivat helposti vapaiden radikaalien kanssa (hydrokinoni, difenyyliamiini);
– tapahtuvat yleensä poolittomissa liuottimissa tai kaasufaasissa;
– ovat usein autokatalyyttisiä ja niille on ominaista induktiojakso.
Ionireaktiot, joihin liittyy heterolyyttisen sidoksen katkeaminen:
– kiihtyvät happojen tai emästen läsnä ollessa, eivätkä valot tai vapaat radikaalit vaikuta niihin;
– vapaat radikaalit eivät vaikuta niihin;
– liuottimen luonne vaikuttaa reaktion nopeuteen ja suuntaan;
- menee harvoin kaasufaasiin.
Synkroniset reaktiot etenevät ilman välivaiheen ionien ja radikaalien muodostumista: vanhan katkeaminen ja uusien sidosten muodostuminen tapahtuvat synkronisesti (samanaikaisesti). Esimerkki synkronisesta vasteesta on d 
yeenisynteesi - Diels-Alder-reaktio.
Huomaa, että erityinen nuoli, jota käytetään osoittamaan kovalenttisen sidoksen homolyyttistä katkeamista, tarkoittaa yhden elektronin liikettä.
3) Reaktiot jaetaan nukleofiilisiin, elektrofiilisiin ja vapaisiin radikaaleihin riippuen reagenssien elektronisesta luonteesta.
Vapaat radikaalit ovat sähköisesti neutraaleja hiukkasia, joissa on parittomia elektroneja, esimerkiksi: Cl , NO 2, 
.
Reaktiomekanismisymbolissa radikaalireaktiot on merkitty alaindeksillä R.
Nukleofiiliset reagenssit ovat yksi- tai moniatomisia anioneja tai sähköisesti neutraaleja molekyylejä, joiden keskuksissa on lisääntynyt osittainen negatiivinen varaus. Näitä ovat sellaiset anionit ja neutraalit molekyylit kuten HO-, RO-, Cl-, Br-, RCOO-, CN-, R-, NH3, C2H5OH jne.
Reaktiomekanismisymbolissa radikaalireaktiot on merkitty alaindeksillä N.
Elektrofiiliset reagenssit ovat kationeja, yksinkertaisia tai monimutkaisia molekyylejä, joilla on itsessään tai katalyytin läsnä ollessa lisääntynyt affiniteetti elektronipariin tai negatiivisesti varautuneisiin molekyylikeskuksiin. Näitä ovat kationit H +, Cl +, + NO 2, + SO 3 H, R + ja molekyylit, joilla on vapaat orbitaalit: AlCl 3, ZnCl 2 jne.
Mekanismisymbolissa elektrofiiliset reaktiot on merkitty alaindeksillä E.
Nukleofiilit ovat elektronien luovuttajia ja elektrofiilit niiden vastaanottajia.
Elektrofiilisiä ja nukleofiilisiä reaktioita voidaan pitää happo-emäsnä; Tämä lähestymistapa perustuu yleistettyjen happojen ja emästen teoriaan (Lewis-hapot ovat elektroniparin vastaanottajia, Lewisin emäkset ovat elektroniparin luovuttajia).
On kuitenkin syytä erottaa käsitteet elektrofiilisyys ja happamuus sekä nukleofiilisyys ja emäksisyys, koska ne eivät ole identtisiä. Esimerkiksi emäksisyys heijastaa affiniteettia protonille, ja nukleofiilisyys arvioidaan useimmiten affiniteetiksi hiiliatomiin:
OH - + H + H 2 O -hydroksidi-ioni emäksenä
OH - + CH 3 + CH 3 OH -hydroksidi-ioni nukleofiilina
4) Alkuvaiheiden mekanismista riippuen orgaanisten yhdisteiden reaktiot voivat olla hyvin erilaisia: nukleofiilinen substituutio S N, elektrofiilinen substituutio S E, vapaaradikaalisubstituutio S R, parillinen eliminaatio tai E:n eliminaatio, Ad E:n nukleofiilinen tai elektrofiilinen lisäys ja Mainos N jne.
5) Aktivoinnin tyypin mukaan reaktiot jaetaan katalyyttisiin, ei-katalyyttisiin ja fotokemiallisiin.
Katalyyttiset reaktiot ovat niitä reaktioita, jotka edellyttävät katalyytin läsnäoloa. Jos happo toimii katalyyttinä, puhumme happokatalyysistä. Happokatalysoituja reaktioita ovat esimerkiksi esteröintireaktiot, joissa muodostuu estereitä, alkoholien dehydraatio, jossa muodostuu tyydyttymättömiä yhdisteitä jne.
Jos katalyytti on emäs, puhumme emäksisesta katalyysistä (kuten alla esitetään, tämä on tyypillistä triasyyliglyserolien metanolyysille).
Ei-katalyyttiset ovat reaktioita, jotka eivät vaadi katalyytin läsnäoloa. Ne kiihtyvät vain lämpötilan noustessa, minkä vuoksi niitä kutsutaan joskus termiksi, vaikka termiä ei käytetä laajasti. Lähtöreagenssit näissä reaktioissa ovat erittäin polaarisia tai varautuneita hiukkasia. Näitä voivat olla esimerkiksi hydrolyysireaktiot, happo-emäsvuorovaikutukset.
Valokemialliset reaktiot aktivoituvat säteilytyksellä (fotonit, h); nämä reaktiot eivät etene pimeässä edes merkittävällä kuumennuksella. Säteilytysprosessin tehokkuutta mitataan kvanttisaatolla, joka määritellään reagoineiden reagenssimolekyylien lukumääränä yhtä absorboitunutta valon kvanttia kohden. Joillekin reaktioille on ominaista yksikköä pienempi kvanttisaanto, toisille, esimerkiksi alkaanihalogenoinnin ketjureaktioille, tämä saanto voi olla 10 6 .
6) Reaktioiden luokitus on erityispiirteiden mukaan erittäin monipuolinen: hydrataatio ja dehydraatio, hydraus ja dehydraus, nitraus, sulfonointi, halogenointi, asylointi, alkylointi, karboksylaatio ja dekarboksylaatio, enolisaatio, syklien sulkeminen ja avaaminen, isomerointi, oksidatiivinen hajoaminen, pyrolyysi, polymerointi, kondensaatio ja muut
7) Orgaanisen reaktion molekylaarisuus määräytyy niiden molekyylien lukumäärän mukaan, joissa kovalenttisissa sidoksissa tapahtuu todellinen muutos reaktion hitain vaiheessa, mikä määrää sen nopeuden. On olemassa seuraavan tyyppisiä reaktioita:
- yksimolekyylinen - yksi molekyyli osallistuu rajoittavaan vaiheeseen;
- bimolekulaarinen - tällaisia molekyylejä on kaksi jne.
Yli kolmen molekylaarisuutta ei yleensä ole olemassa. Poikkeuksena ovat topokemialliset (kiinteän faasin) reaktiot.
Molekyylisyys näkyy reaktiomekanismin symbolissa lisäämällä sopiva luku, esimerkiksi: S N2 - nukleofiilinen bimolekulaarinen substituutio, S E 1 - elektrofiilinen monomolekulaarinen substituutio; E1 - monomolekyylinen eliminaatio jne.
Katsotaanpa muutama esimerkki.
Esimerkki 1. Alkaanien vetyatomit voidaan korvata halogeeniatomeilla:
CH 4 + C1 2 CH 3 C1 + HC1
Reaktio etenee ketjuradikaalimekanismilla (hyökkäävä hiukkanen on klooriradikaali C1 ). Siten reagenssien elektronisen luonteen vuoksi tämä on vapaaradikaalireaktio; partikkelien lukumäärän muutoksen mukaan - substituutioreaktio; sidoksen repeämisen luonteen mukaan - homolyyttinen reaktio; aktivointityyppi - valokemiallinen tai lämpö; erityisistä syistä - halogenointi; reaktiomekanismi - SR .
Esimerkki 2. Alkaanien vetyatomit voidaan korvata nitroryhmällä. Tätä reaktiota kutsutaan nitrausreaktioksi ja se noudattaa kaaviota:
R – H + HO – NO 2 R – NO 2 + H 2 O
Alkaanien nitrausreaktio seuraa myös ketjuradikaalimekanismia. Siten reagenssien elektronisen luonteen vuoksi tämä on vapaaradikaalireaktio; partikkelien lukumäärän muutoksen mukaan - substituutioreaktio; sidoksen katkeamisen luonteen mukaan - homolyyttinen; aktivointityyppi - lämpö; erityisistä syistä - nitraus; mekanismin mukaan - SR .
Esimerkki 3. Alkeenit kiinnittävät helposti halogenidin kaksoissidokseen:
CH 3 – CH = CH2 + HBr → CH3 – CHBr – CH3.
Reaktio voi edetä elektrofiilisen lisäyksen mekanismin mukaisesti, mikä tarkoittaa, että reagenssien elektronisen luonteen mukaan reaktio on elektrofiilinen (hyökkäävä hiukkanen on H +); hiukkasten lukumäärän muutoksen mukaan - additioreaktio; sidoksen repeämisen luonteen mukaan - heterolyyttinen; erityisistä syistä - hydrohalogenointi; mekanismin mukaan - Ad E .
Sama reaktio peroksidien läsnä ollessa voi edetä radikaalimekanismilla, jolloin reagenssien elektronisen luonteen vuoksi reaktio on radikaali (hyökkäävä hiukkanen - Br ); hiukkasten lukumäärän muutoksen mukaan - additioreaktio; sidoksen katkeamisen luonteen mukaan - homolyyttinen; erityisistä syistä - hydrohalogenointi; mekanismin mukaan - Ad R .
Esimerkki 4. Alkyylihalogenidien alkalisen hydrolyysin reaktio etenee bimolekulaarisen nukleofiilisen substituution mekanismin mukaisesti.
CH 3 CH 2 I + NaOH CH 3 CH 2 OH + NaI
Siten reagenssien elektronisen luonteen vuoksi reaktio on nukleofiilinen (hyökkäävä partikkeli - OH -); partikkelien lukumäärän muutoksen mukaan - substituutioreaktio; sidoksen katkeamisen luonteen mukaan - heterolyyttinen, erityispiirteiden mukaan - hydrolyysi; mekanismin mukaan - S N 2.
Esimerkki 5. Kun alkyylihalogenidit ovat vuorovaikutuksessa alkalien alkoholiliuosten kanssa, muodostuu alkeeneja.
CH3CH2CH2Br 
[CH 3 CH 2 C + H 2] CH 3 CH =
CH2 + H+
Tämä johtuu siitä, että syntynyt karbokationi ei stabiloitu lisäämällä hydroksyyli-ionia, jonka pitoisuus alkoholissa on mitätön, vaan poistamalla protoni viereisestä hiiliatomista. Reaktio muuttamalla hiukkasten määrää - halkeaminen; sidoksen repeämisen luonteen mukaan - heterolyyttinen; erityisistä syistä - dehydrohalogenointi; mekanismin mukaan - E:n eliminointi.
testikysymykset
1. Luettele merkit, joilla orgaaniset reaktiot luokitellaan.
2. Miten seuraavat reaktiot voidaan luokitella:
– tolueenin sulfonointi;
– etanolin ja rikkihapon vuorovaikutus eteenin muodostumisen kanssa;
– propeenin bromaus;
– margariinin synteesi kasviöljystä.
Useimmiten orgaaniset reaktiot luokitellaan reagoivien hiukkasten kemiallisten sidosten katkeamisen tyypin mukaan. Näistä voidaan erottaa kaksi suurta reaktioryhmää - radikaali ja ioni.
Radikaalit reaktiot- Nämä ovat prosesseja, jotka liittyvät kovalenttisen sidoksen hemolyyttiseen repeämiseen. Hemolyyttisen repeämisen aikana sidoksen muodostava elektronipari jaetaan siten, että jokainen muodostunut hiukkanen vastaanottaa yhden elektronin. Hemolyyttisen repeämän seurauksena muodostuu vapaita radikaaleja: />
X :Y→X. +.Y
Neutraalia atomia tai hiukkasta, jossa on pariton elektroni, kutsutaan vapaa radikaali.
Ionireaktiot ovat prosesseja, jotka tapahtuvat heterolyyttinen kovalenttisten sidosten katkeaminen, kun molemmat sidoselektronit jäävät yhteen aiemmin sitoutuneista hiukkasista.
X:Y → X + + :Y —
Tuloksena heterolyyttinen kun sidos katkeaa, saadaan varautuneita hiukkasia: nukleofiilisiä ja elektrofiilisiä.
Nukleofiilinen hiukkanen (nukleofiili) on hiukkanen, jolla on elektroniparit ulkoisella elektronitasolla. Elektroniparin ansiosta nukleofiili pystyy muodostamaan uuden kovalenttisen sidoksen.
Elektrofiilinen hiukkanen (elektrofiili) on hiukkanen, jolla on vapaa orbitaali ulkoisella elektronitasolla. Elektrofiili edustaa täyttämättömiä, tyhjiä orbitaaleja kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi sen hiukkasen elektronien vuoksi, joiden kanssa se on vuorovaikutuksessa.
Hiukkasta, jolla on positiivinen varaus hiiliatomissa, kutsutaan karbokationiksi.
Toisen luokituksen mukaan orgaaniset reaktiot jaetaan termisiin, jotka ovat seurausta molekyylien törmäyksistä niiden lämpöliikkeen aikana, ja fotokemiallisiin, joissa molekyylit absorboimalla valon kvantti Av siirtyvät korkeampiin energiatiloihin ja läpikäyvät sitten kemiallisia muutoksia. Samoilla lähtöaineilla termiset ja fotokemialliset reaktiot johtavat yleensä erilaisiin tuotteisiin. Klassinen esimerkki tässä on bentseenin lämpö- ja fotokemiallinen klooraus - ensimmäisessä tapauksessa muodostuu klooribentseeniä, toisessa tapauksessa heksakloorisykloheksaania.
Lisäksi orgaanisessa kemiassa reaktiot luokitellaan usein samalla tavalla kuin epäorgaanisessa kemiassa - mm. rakenteellinen ominaisuus. Orgaanisessa kemiassa kaikkia rakenteellisia muutoksia tarkastellaan suhteessa reaktioon osallistuvaan hiiliatomiin (tai atomeihin). Yleisimmät muunnostyypit ovat:
1) R-CH=CH2 + XY/>→ RCHX-CH2Y:n lisääminen;
2) substituutio R-CH2X + Y/>→ R-CH2Y + X;
3) R-CHX-CH2Y/>→R-CH=CH2 + XY:n pilkkominen;
(eliminointi)
4) polymerointi n (CH2 \u003d CH2) /> → (-CH2-CH2-) n
Useimmissa tapauksissa eliminoitava molekyyli muodostuu kahden viereisistä hiiliatomeista irronneen hiukkasen yhdistelmästä. Tällaista prosessia kutsutaan 1,2-eliminaatio.
Edellä mainittujen neljän yksinkertaisen mekanismin, reaktion tyypin lisäksi, käytännössä käytetään seuraavia nimityksiä joillekin reaktioluokille, jotka on annettu alla.
Hapetus on reaktio, jossa hapettavan reagenssin vaikutuksesta aine yhdistyy hapen (tai muun elektronegatiivisen alkuaineen, kuten halogeenin) kanssa tai menettää vetyä (veden tai molekyylivedyn muodossa).
Hapettavan reagenssin vaikutus (hapetus) on osoitettu reaktiokaaviossa symbolilla [O] ja pelkistävän reagenssin vaikutus (pelkistys) symbolilla [H].
Hydraus on reaktio, joka on pelkistyksen erikoistapaus. Vetyä lisätään moninkertaiseen sidokseen tai aromaattiseen ytimeen katalyytin läsnä ollessa. />
Kondensoituminen on reaktio, jossa tapahtuu ketjun kasvua. Kiinnitys tapahtuu ensin, yleensä sen jälkeen eliminaatio.
Pyrolyysi on reaktio, jossa yhdiste läpikäy termisen hajoamisen ilman poissa ollessa (ja yleensä alennetussa paineessa), jolloin muodostuu yksi tai useampia tuotteita. Esimerkki pyrolyysistä on hiilen lämpöhajoaminen. Joskus pyrolyysin sijasta käytetään termiä "kuivatislaus" (kivihiilen hajoamisen tapauksessa käytetään myös termiä "karbonointi").
Jotkut reaktiot saavat nimensä tuotteista, joihin ne johtavat. Joten jos metyyliryhmä viedään molekyyliin, he puhuvat metylaatiosta, jos asetyyli - sitten asetylaatiosta, jos kloori - niin noin klooraus jne.
>> Kemia: Orgaanisen kemian kemiallisten reaktioiden tyypit
Orgaanisten aineiden reaktiot voidaan muodollisesti jakaa neljään päätyyppiin: substituutio, lisäys, eliminaatio (eliminaatio) ja uudelleenjärjestely (isomerointi). On selvää, että kaikkia orgaanisten yhdisteiden reaktioita ei voida pelkistää ehdotetun luokituksen puitteissa (esimerkiksi palamisreaktiot). Tällainen luokittelu auttaa kuitenkin luomaan analogioita epäorgaanisten aineiden välillä tapahtuvien reaktioiden luokittelujen kanssa, jotka ovat sinulle jo tuttuja epäorgaanisen kemian kurssista.
Pääsääntöisesti reaktioon osallistuvaa pääasiallista orgaanista yhdistettä kutsutaan substraatiksi, ja toista reaktion komponenttia pidetään ehdollisesti reagenssina.
Korvausreaktiot
Reaktioita, joissa yksi atomi tai atomiryhmä korvataan alkuperäisessä molekyylissä (substraatissa) muilla atomeilla tai atomiryhmillä, kutsutaan substituutioreaktioksi.
Substituutioreaktioihin kuuluvat tyydyttyneet ja aromaattiset yhdisteet, kuten esimerkiksi alkaanit, sykloalkaanit tai areenit.
Otetaan esimerkkejä tällaisista reaktioista.
Orgaaninen kemia syntyi tutkittaessa niitä aineita, jotka uutettiin kasvi- ja eläinorganismeista, jotka koostuivat enimmäkseen orgaanisista yhdisteistä. Tämä määritti tällaisten yhdisteiden puhtaasti historiallisen nimen (organismi - orgaaninen). Jotkut orgaanisen kemian tekniikat syntyivät muinaisina aikoina, esimerkiksi alkoholi- ja etikkakäyminen, orgaanisten indigo- ja alizariinivärien käyttö, nahan parkitusprosessit jne. Kemistit pystyivät pitkään vain eristämään ja analysoimaan orgaanisia yhdisteitä, mutta eivät pystyneet. saada ne keinotekoisesti, minkä seurauksena syntyi usko, että orgaanisia yhdisteitä voidaan saada vain elävien organismien avulla.
Alkaen 1800-luvun toisesta puoliskosta. orgaanisen synteesin menetelmät alkoivat kehittyä intensiivisesti, mikä mahdollisti vähitellen voittamaan vakiintuneen harhan. Ensimmäistä kertaa orgaanisten yhdisteiden synteesiä laboratoriossa suoritti Friedrich Wehler (kaudella 1824–1828), jolloin hän sai syaania hydrolysoimalla kasveista aiemmin eristettyä oksaalihappoa ja ammoniumsyanaattia kuumentamalla. , johtuen molekyylin uudelleenjärjestelystä ( cm. ISOMERIA) sai ureaa, elävien organismien jätetuotetta (Kuva 1. Ensimmäinen orgaanisten yhdisteiden synteesi).
Nyt monet elävissä organismeissa olevista yhdisteistä voidaan saada laboratoriossa, lisäksi kemistit hankkivat jatkuvasti orgaanisia yhdisteitä, joita ei löydy elävästä luonnosta.
Orgaanisen kemian muodostuminen itsenäiseksi tieteenä tapahtui 1800-luvun puolivälissä, jolloin kemian tutkijoiden ponnistelujen ansiosta alkoi muodostua käsityksiä orgaanisten yhdisteiden rakenteesta. Merkittävin rooli oli E. Franklandin (hän määritteli valenssin käsitteen), F. Kekulen (määritti hiilen neliarvoisuuden ja bentseenin rakenteen), A. Cooperin (tarjottiin valenssiviivan symboliksi, käytetään edelleenkin yhdistäen atomeja rakennekaavoja kuvattaessa ) , A.M. Butlerov (loi kemiallisen rakenteen teorian, joka perustuu asemaan, jonka mukaan yhdisteen ominaisuudet määräytyvät paitsi sen koostumuksen, myös atomien yhdistämisjärjestyksen mukaan).
Seuraava tärkeä vaihe orgaanisen kemian kehityksessä liittyy J. Van't Hoffin työhön, joka muutti kemistien ajattelutapaa ehdottaen siirtymistä tasaisesta rakennekaavojen kuvasta atomien tilajärjestelyyn. molekyyli, minkä seurauksena kemistit alkoivat pitää molekyylejä tilavuuskappaleina.
Ajatukset orgaanisten yhdisteiden kemiallisten sidosten luonteesta muotoili ensimmäisenä G. Lewis, joka ehdotti, että molekyylin atomit yhdistetään elektronien avulla: yleistettyjen elektronien pari muodostaa yksinkertaisen sidoksen ja kaksi tai kolme paria muodostuu. , vastaavasti kaksois- ja kolmoissidos. Kun otetaan huomioon elektronitiheyden jakautuminen molekyyleissä (esimerkiksi sen siirtyminen elektronegatiivisten atomien O, Cl jne. vaikutuksesta), kemistit pystyivät selittämään monien yhdisteiden reaktiivisuuden, ts. mahdollisuus osallistua tiettyihin reaktioihin.
Kvanttimekaniikan määrittämien elektronin ominaisuuksien huomioon ottaminen johti kvanttikemian kehittämiseen, jossa käytettiin molekyyliratojen käsitettä. Nyt kvanttikemia, joka on osoittanut ennustevoimansa monissa esimerkeissä, tekee menestyksekkäästi yhteistyötä kokeellisen orgaanisen kemian kanssa.
Pientä ryhmää hiiliyhdisteitä ei luokitella orgaanisiksi: hiilihappo ja sen suolat (karbonaatit), syaanivetyhappo HCN ja sen suolat (syanidit), metallikarbidit ja eräät muut epäorgaanisen kemian tutkittavat hiiliyhdisteet.
Orgaanisen kemian pääpiirre on poikkeuksellinen yhdisteiden valikoima, joka syntyi hiiliatomien kyvystä yhdistyä toistensa kanssa lähes rajoittamaton määrä muodostaen molekyylejä ketjujen ja syklien muodossa. Vielä suurempi monimuotoisuus saavutetaan sisällyttämällä hiiliatomien väliin happi-, typpiatomeja jne. Isomerismiilmiö, jonka vuoksi saman koostumuksen omaavilla molekyyleillä voi olla erilainen rakenne, lisää orgaanisten yhdisteiden monimuotoisuutta entisestään. Orgaanisia yhdisteitä tunnetaan nykyään yli 10 miljoonaa, ja niiden määrä kasvaa 200-300 tuhannella vuosittain.
Orgaanisten yhdisteiden luokitus.
Luokituksen perustana ovat hiilivedyt, niitä pidetään orgaanisen kemian perusyhdisteinä. Kaikki muut orgaaniset yhdisteet katsotaan niiden johdannaisiksi.
Hiilivetyjä systematisoitaessa otetaan huomioon hiilirungon rakenne ja hiiliatomeja yhdistävien sidosten tyyppi.
I. ALIFAATTINEN (aliphatos. kreikkalainenöljy) hiilivedyt ovat lineaarisia tai haarautuneita ketjuja eivätkä sisällä syklisiä fragmentteja, ne muodostavat kaksi suurta ryhmää.
1. Tyydyttyneet tai tyydyttyneet hiilivedyt (niin kutsutaan, koska ne eivät pysty kiinnittämään mitään) ovat hiiliatomien ketjuja, jotka on yhdistetty yksinkertaisilla sidoksilla ja joita ympäröivät vetyatomit (kuva 1). Jos ketjussa on oksia, nimeen lisätään etuliite iso. Yksinkertaisin tyydyttynyt hiilivety on metaani, ja monet näistä yhdisteistä alkavat siitä.
Riisi. 2. TYYTYTYNEET HIIVIVEDYT
Tyydyttyneiden hiilivetyjen tärkeimmät lähteet ovat öljy ja maakaasu. Tyydyttyneiden hiilivetyjen reaktiivisuus on erittäin alhainen, ne voivat reagoida vain kaikkein aggressiivisimpien aineiden, kuten halogeenien tai typpihapon kanssa. Kun tyydyttyneitä hiilivetyjä kuumennetaan yli 450 °C ilman pääsyä ilmaan, C-C-sidokset katkeavat ja muodostuu yhdisteitä, joilla on lyhennetty hiiliketju. Korkean lämpötilan altistuminen hapen läsnäollessa johtaa niiden täydelliseen palamiseen CO 2:ksi ja vedeksi, mikä mahdollistaa niiden tehokkaan käytön kaasumaisena (metaani - propaani) tai nestemäisenä moottoripolttoaineena (oktaani).
Kun yksi tai useampi vetyatomi korvataan jollakin funktionaalisella (ts. myöhempään muunnoksiin kykenevällä) ryhmällä, muodostuu vastaavia hiilivetyjohdannaisia. C-OH-ryhmän sisältäviä yhdisteitä kutsutaan alkoholeiksi, HC=O - aldehydeiksi, COOH - karboksyylihapoiksi (sana "karboksyyli" on lisätty erottamaan ne tavallisista mineraalihapoista, esimerkiksi kloorivety- tai rikkihapoista). Yhdiste voi sisältää samanaikaisesti erilaisia funktionaalisia ryhmiä, esimerkiksi COOH:ta ja NH2:ta, tällaisia yhdisteitä kutsutaan aminohapoiksi. Halogeenien tai nitroryhmien lisääminen hiilivetykoostumukseen johtaa vastaavasti halogeeni- tai nitrojohdannaisiin (kuvio 3).
Riisi. 4. ESIMERKKEJÄ TYYTYNEISTÄ HIILIVEDISTÄ funktionaalisten ryhmien kanssa
Kaikki esitetyt hiilivetyjohdannaiset muodostavat suuria orgaanisten yhdisteiden ryhmiä: alkoholit, aldehydit, hapot, halogeenijohdannaiset jne. Koska molekyylin hiilivetyosalla on erittäin alhainen reaktiivisuus, tällaisten yhdisteiden kemiallinen käyttäytyminen määräytyy funktionaalisten ryhmien -OH, -COOH, -Cl, -NO 2 jne. kemiallisten ominaisuuksien perusteella.
2. Tyydyttymättömillä hiilivedyillä on samat muunnelmat pääketjun rakenteesta kuin tyydyttyneillä hiilivedyillä, mutta ne sisältävät kaksois- tai kolmoissidoksia hiiliatomien välillä (kuva 6). Yksinkertaisin tyydyttymätön hiilivety on eteeni.
Riisi. 6. TYYDYTTYMÄTTÖMÄT HIILIVEDYT
Tyydyttymättömille hiilivedyille tyypillisin on lisäys moninkertaisella sidoksella (kuva 8), joka mahdollistaa erilaisten orgaanisten yhdisteiden syntetisoinnin niiden pohjalta.
Riisi. kahdeksan. REAGENSSIEN LISÄÄMINEN tyydyttymättömiin yhdisteisiin moninkertaisella sidoksella
Toinen kaksoissidoksia sisältävien yhdisteiden tärkeä ominaisuus on niiden polymeroitumiskyky (Kuva 9.), Tällöin kaksoissidokset avautuvat, jolloin muodostuu pitkiä hiilivetyketjuja.
Riisi. yhdeksän. ETYLEININ POLYMEROINTI
Aiemmin mainittujen funktionaalisten ryhmien lisääminen tyydyttymättömien hiilivetyjen koostumukseen, aivan kuten tyydyttyneiden hiilivetyjen tapauksessa, johtaa vastaaviin johdannaisiin, jotka muodostavat myös suuria ryhmiä vastaavista orgaanisista yhdisteistä - tyydyttymättömistä alkoholeista, aldehydeistä jne. (Kuva 10).
Riisi. kymmenen. TYYDYTTYMÄTTÖMÄT HIILIVEDYT funktionaalisten ryhmien kanssa
Esitetyille yhdisteille on annettu yksinkertaistetut nimet, monisidosten ja funktionaalisten ryhmien tarkka sijainti molekyylissä on ilmoitettu yhdisteen nimessä, joka on koottu erityisesti kehitettyjen sääntöjen mukaan.
Tällaisten yhdisteiden kemiallinen käyttäytyminen määräytyy sekä monisidosten ominaisuuksien että funktionaalisten ryhmien ominaisuuksien perusteella.
II. HIILESYKLISET HIILIVEDIT sisältävät syklisiä fragmentteja, jotka muodostuvat vain hiiliatomeista. Ne muodostavat kaksi suurta ryhmää.
1. Alisykliset (eli sekä alifaattiset että sykliset samaan aikaan) hiilivedyt. Näissä yhdisteissä sykliset fragmentit voivat sisältää sekä yksi- että monisidoksia, lisäksi yhdisteet voivat sisältää useita syklisiä fragmentteja, näiden yhdisteiden nimeen lisätään etuliite "syklo", yksinkertaisin alisyklinen yhdiste on syklopropaani (kuva 12).
Riisi. 12. ALISYKLISET HIILIVEDYT
Yllä esitettyjen lisäksi syklisten fragmenttien yhdistämiseen on muitakin vaihtoehtoja, esimerkiksi niillä voi olla yksi yhteinen atomi (ns. spirosykliset yhdisteet) tai ne voidaan yhdistää siten, että kaksi tai useampi atomi on yhteinen molempiin sykleihin (bisykliset yhdisteet), yhdistämällä kolme tai useampia sykliä on mahdollista myös hiilivetyrunkojen muodostuminen (kuva 14).
Riisi. neljätoista. VAIHTOEHDOT PYÖRÄJEN KYTKENTÄLLE alisyklisissä yhdisteissä: spiropyörät, polkupyörät ja rungot. Spiro- ja bisyklisten yhdisteiden nimet viittaavat siihen, että alifaattinen hiilivety, joka sisältää saman kokonaismäärän hiiliatomeja, esimerkiksi kuvassa näkyvä spirosykli sisältää kahdeksan hiiliatomia, joten sen nimi on rakennettu sanan "oktaani" perusteella. . Adamantaanissa atomit on järjestetty samalla tavalla kuin timantin kidehilassa, joka määritti sen nimen ( kreikkalainen adamantos - timantti)
Monet mono- ja bisykliset alisykliset hiilivedyt sekä adamantaanijohdannaiset ovat osa öljyä, niiden yleisnimi on nafteenit.
Kemiallisilta ominaisuuksiltaan alisykliset hiilivedyt ovat lähellä vastaavia alifaattisia yhdisteitä, mutta niillä on sykliseen rakenteeseen liittyvä lisäominaisuus: pienet renkaat (3-6-jäseniset) voivat avautua lisäämällä joitain reagensseja (kuva 15). ).
Riisi. viisitoista. ALISYKLISTEN HIILIVYÖN REAKTIOT, jatkaen syklin avaamista
Erilaisten funktionaalisten ryhmien lisääminen alisyklisten hiilivetyjen koostumukseen johtaa vastaaviin johdannaisiin - alkoholeihin, ketoneihin jne. (Kuva 16).
Riisi. kuusitoista. ALISYKLISET HIILIVEDYT funktionaalisten ryhmien kanssa
2. Toisen suuren karbosyklisten yhdisteiden ryhmän muodostavat bentseenityyppiset aromaattiset hiilivedyt, ts. jotka sisältävät koostumuksessaan yhden tai useamman bentseenirenkaan (on myös ei-bentseenityyppisiä aromaattisia yhdisteitä () cm. AROMAATTISUUS). Ne voivat kuitenkin sisältää myös tyydyttyneiden tai tyydyttymättömien hiilivetyketjujen fragmentteja (kuvio 18).
Riisi. kahdeksantoista. AROMAATTISET HIILIVEDYT.
On olemassa joukko yhdisteitä, joissa bentseenirenkaat näyttävät juotetuilta yhteen, nämä ovat ns. kondensoituneita aromaattisia yhdisteitä (kuva 20).
Riisi. 20. KONDENSOIDUT AROMAATTISET YHDISTEET
Monet aromaattiset yhdisteet, mukaan lukien kondensoidut (naftaleeni ja sen johdannaiset), ovat osa öljyä, toinen näiden yhdisteiden lähde on kivihiiliterva.
Bentseenirenkaille eivät ole ominaista vaikeasti ja ankarissa olosuhteissa tapahtuvat additioreaktiot, tyypillisimpiä niille ovat vetyatomien substituutioreaktiot (kuva 21).
Riisi. 21. KORVAUSREAKTIOT vetyatomit aromaattisessa ytimessä.
Bentseeniytimeen (kuva 21) kiinnittyneiden funktionaalisten ryhmien (halogeeni-, nitro- ja asetyyliryhmät) lisäksi voidaan lisätä myös muita ryhmiä, jolloin syntyy vastaavia aromaattisten yhdisteiden johdannaisia (kuva 22), jotka muodostavat suuria luokkia orgaaniset yhdisteet - fenolit, aromaattiset amiinit jne.
Riisi. 22. AROMAATTISET YHDISTEET funktionaalisten ryhmien kanssa. Yhdisteitä, joissa ne-OH-ryhmä on kiinnittynyt hiiliatomiin aromaattisessa ytimessä, kutsutaan fenoleiksi, toisin kuin alifaattisiksi yhdisteiksi, joissa tällaisia yhdisteitä kutsutaan alkoholeiksi.
III. HETEROSYKLISET HIILIVEDIT sisältävät renkaassa (hiiliatomien lisäksi) erilaisia heteroatomeja: O, N, S. Renkaat voivat olla erikokoisia, sisältävät sekä yksittäisiä että moninkertaisia sidoksia sekä heterosykliin kiinnittyneitä hiilivetysubstituentteja. On olemassa vaihtoehtoja, kun heterosykli "juotetaan" bentseenirenkaaseen (kuva 24).
Riisi. 24. HETEROSYKLISET YHDISTEET. Niiden nimet ovat kehittyneet historiallisesti, esimerkiksi furaani sai nimensä furaanialdehydistä - furfuraalista, joka on saatu lesestä ( lat. furfur - leseet). Kaikkien esitettyjen yhdisteiden lisäysreaktiot ovat vaikeita ja substituutioreaktiot melko helppoja. Nämä ovat siis ei-bentseenityyppisiä aromaattisia yhdisteitä.
Tämän luokan yhdisteiden monimuotoisuus kasvaa entisestään johtuen siitä, että heterosykli voi sisältää kaksi tai useampia heteroatomeja syklissä (kuvio 26).
Riisi. 26. HETEROSYKLIT kahdella tai useammalla heteroatomilla.
Kuten aiemmin pidetyt alifaattiset, alisykliset ja aromaattiset hiilivedyt, heterosyklit voivat sisältää erilaisia funktionaalisia ryhmiä (-OH, -COOH, -NH 2 jne.), ja joissain tapauksissa syklin heteroatomia voidaan pitää myös funktionaalisena ryhmänä, koska se pystyy osallistumaan vastaaviin muunnoksiin (kuva 27).
Riisi. 27. HETEROATOM N toiminnallisena ryhmänä. Viimeisen yhdisteen nimessä kirjain "N" osoittaa, mihin atomiin metyyliryhmä on kiinnittynyt.
Orgaanisen kemian reaktiot.
Toisin kuin epäorgaanisen kemian reaktioissa, joissa ionit vuorovaikuttavat suurella nopeudella (joskus välittömästi), kovalenttisia sidoksia sisältävät molekyylit osallistuvat yleensä orgaanisten yhdisteiden reaktioihin. Tämän seurauksena kaikki vuorovaikutukset etenevät paljon hitaammin kuin ionisten yhdisteiden tapauksessa (joskus kymmeniä tunteja), usein korkeissa lämpötiloissa ja prosessia kiihdyttävien aineiden - katalyyttien - läsnä ollessa. Monet reaktiot etenevät välivaiheiden kautta tai useisiin rinnakkaisiin suuntiin, mikä johtaa halutun yhdisteen saannon huomattavaan laskuun. Siksi reaktioita kuvattaessa käytetään numeeristen kertoimien yhtälöiden sijasta (mikä on perinteisesti epäorgaanisessa kemiassa hyväksytty) reaktiokaavioita määrittelemättä stoikiometrisiä suhteita.
Orgaanisten reaktioiden suurten luokkien nimi liittyy usein aktiivisen reagenssin kemialliseen luonteeseen tai yhdisteeseen lisätyn orgaanisen ryhmän tyyppiin:
a) halogenointi - halogeeniatomin lisääminen (kuva 8, ensimmäinen reaktiokaavio),
b) hydroklooraus, so. altistuminen HCl:lle (kuvio 8, toinen reaktiokaavio)
c) nitraus - nitroryhmän NO 2 lisääminen (kuva 21, reaktion toinen suunta)
d) metallointi - metalliatomin tuominen (kuva 27, ensimmäinen vaihe)
a) alkylointi - alkyyliryhmän lisääminen (kuva 27, toinen vaihe)
b) asylointi - asyyliryhmän RC(O)- lisääminen (kuva 27, toinen vaihe)
Joskus reaktion nimi osoittaa molekyylin uudelleenjärjestelyn piirteitä, esimerkiksi syklisaatiota - syklin muodostumista, desyklisoitumista - syklin avautumista (kuva 15).
Kondensaatioreaktiot muodostavat suuren luokan ( lat. condensatio - tiivistys, paksuuntuminen), jossa muodostuu uusia C-C-sidoksia, jolloin muodostuu samanaikaisesti helposti poistuvia epäorgaanisia tai orgaanisia yhdisteitä. Kondensoitumista, johon liittyy veden vapautumista, kutsutaan dehydraatioksi. Kondensaatioprosessit voivat tapahtua myös molekyylin sisällä eli yhden molekyylin sisällä (kuvio 28).
Riisi. 29. Eliminaatioreaktiot
Vaihtoehdot ovat mahdollisia, kun usean tyyppisiä muunnoksia toteutetaan yhdessä, mikä näkyy alla esimerkillä yhdisteestä, jossa kuumennettaessa tapahtuu erityyppisiä prosesseja. Limahapon terminen kondensaation aikana (kuva 30) tapahtuu molekyylinsisäistä dehydraatiota ja sitä seuraavaa C02:n eliminaatiota.
Riisi. kolmekymmentä. MUIKAHAPON MUUTOS(saatu tammenterhosiirupista) pyromucous-hapoksi, joka on nimetty, koska sitä saadaan kuumentamalla limaa. Pyrosmucus-happo on heterosyklinen yhdiste - furaani, johon on kiinnitetty funktionaalinen (karboksyyli)ryhmä. Reaktion aikana C-O-, CH-sidokset katkeavat ja uusia C-H- ja C-C-sidoksia muodostuu.
On reaktioita, joissa molekyylin uudelleenjärjestely tapahtuu ilman, että koostumus muuttuu ( cm. ISOMERISAATIO).
Orgaanisen kemian tutkimusmenetelmät.
Nykyaikainen orgaaninen kemia käyttää alkuaineanalyysin lisäksi monia fysikaalisia tutkimusmenetelmiä. Monimutkaisimmat aineseokset erotetaan aineosiksi kromatografialla, joka perustuu aineliuosten tai -höyryjen liikkumiseen sorbenttikerroksen läpi. Infrapunaspektroskopia - infrapunasäteiden (lämpösäteiden) siirto liuoksen tai ohuen ainekerroksen läpi - mahdollistaa tiettyjen molekyylin fragmenttien, esimerkiksi ryhmien C 6 H 5, C \, esiintymisen. u003d O, NH 2 jne.
Ultraviolettispektroskopia, jota kutsutaan myös elektroniseksi, kuljettaa tietoa molekyylin elektronisesta tilasta; se on herkkä monien sidosten ja aromaattisten fragmenttien läsnäololle aineessa. Kiteisten aineiden analyysi röntgensäteillä (röntgendiffraktioanalyysi) antaa kolmiulotteisen kuvan atomien järjestelystä molekyylissä, joka on samanlainen kuin yllä olevissa animoiduissa kuvissa, toisin sanoen sen avulla voit nähdä molekyylin rakennetta omin silmin.
Spektrimenetelmä - ydinmagneettinen resonanssi, joka perustuu ytimien magneettisten momenttien resonanssivuorovaikutukseen ulkoisen magneettikentän kanssa, mahdollistaa yhden alkuaineen, esimerkiksi vedyn, atomien erottamisen, jotka sijaitsevat molekyylin eri fragmenteissa (in hiilivetyrunko, hydroksyyli-, karboksyyli- tai aminoryhmässä), sekä määrittää niiden osuus. Samanlainen analyysi on mahdollista myös ytimille C, N, F jne. Kaikki nämä nykyaikaiset fysikaaliset menetelmät ovat johtaneet intensiiviseen orgaanisen kemian tutkimukseen - on tullut mahdolliseksi ratkaista nopeasti ne ongelmat, jotka aiemmin kestivät useita vuosia.
Jotkut orgaanisen kemian osa-alueet ovat nousseet suuriksi itsenäisiksi alueiksi, esimerkiksi luonnonaineiden, lääkkeiden, väriaineiden ja polymeerien kemia. 1900-luvun puolivälissä organoelementtiyhdisteiden kemia alkoi kehittyä itsenäiseksi tieteenalaksi, joka tutkii C-E-sidoksen sisältäviä aineita, joissa symboli E tarkoittaa mitä tahansa alkuainetta (paitsi hiiltä, vetyä, happea, typpeä ja halogeeneja). Elävissä organismeissa esiintyvien orgaanisten aineiden synteesiä ja transformaatioita tutkiva biokemia on edistynyt suuresti. Kaikkien näiden alueiden kehitys perustuu orgaanisen kemian yleisiin lakeihin.
Nykyaikainen teollinen orgaaninen synteesi sisältää laajan valikoiman erilaisia prosesseja - näitä ovat ennen kaikkea suurtuotanto - öljyn ja kaasun käsittely sekä moottoripolttoaineiden, liuottimien, jäähdytysnesteiden, voiteluöljyjen valmistus, lisäksi polymeerien synteesi, synteettiset kuidut, erilaiset hartsit pinnoitteisiin, liimat ja emalit. Pienikokoisia toimialoja ovat lääkkeiden, vitamiinien, väriaineiden, elintarvikelisäaineiden ja hajusteiden valmistus.
Mihail Levitsky
Orgaanisille reaktioille on olemassa erilaisia luokittelujärjestelmiä, jotka perustuvat erilaisiin ominaisuuksiin. Niiden joukossa ovat seuraavat luokitukset:
- päällä reaktion lopputulosts. muutos substraatin rakenteessa;
- päällä reaktiomekanismi, eli sidoksen katkaisun tyypin ja reagenssien tyypin mukaan.
Orgaanisessa reaktiossa vuorovaikutuksessa olevat aineet jaetaan reagenssi ja substraatti. Tässä tapauksessa katsotaan, että reagenssi hyökkää substraattia vastaan.
MÄÄRITELMÄ
Reagenssi- aine, joka vaikuttaa esineeseen - alustaan - ja aiheuttaa muutoksen sen kemiallisessa sidoksessa. Reagenssit jaetaan radikaaleihin, elektrofiilisiin ja nukleofiilisiin.
MÄÄRITELMÄ
Substraatti Sitä pidetään yleensä molekyylinä, joka tarjoaa hiiliatomin uudelle sidokselle.
RAKTIOIDEN LUOKITUS LOPPULOKSEN MUKAISESTI (MUUTOKSET ALUSTAN RAKENTEEN)
Orgaanisessa kemiassa erotetaan neljä reaktiota lopputuloksen ja substraatin rakenteen muutoksen mukaan: lisäys, korvaaminen, irrottaminen, tai poistaminen(englannista. eliminoida- poista, halkaise) ja uudelleenjärjestelyt (isomerisaatiot)). Tällainen luokitus on samanlainen kuin epäorgaanisen kemian reaktioiden luokittelu alkuperäisten reagenssien ja muodostuneiden aineiden lukumäärän mukaan, koostumuksen muutoksen kanssa tai ilman. Luokittelu lopputuloksen mukaan perustuu muodollisiin piirteisiin, koska stoikiometrinen yhtälö ei pääsääntöisesti heijasta reaktiomekanismia. Verrataanpa epäorgaanisen ja orgaanisen kemian reaktiotyyppejä.
Reaktion tyyppi epäorgaanisessa kemiassa | Esimerkki | Reaktion tyyppi orgaanisessa kemiassa | Lajike ja esimerkki Reaktiot |
|---|---|---|---|
1. Yhteys | C l2 + H2 = 2 H Cl | Kiinnitys useilla sidoksilla | hydraus |
Hydrohalogenointi
|
|||
Halogenointi
|
|||
Nesteytys
|
|||
2. Hajoaminen | 2
H2
O = 2 H2
+
O2
| poistaminen | Dehydraus
|
Dehydrohalogenointi
|
|||
Dehalogenointi
|
|||
Kuivuminen
|
|||
3. Korvaaminen | Zn + 2 H Cl =ZnCl2+H2 | korvaaminen |
|
4. Vaihto (erikoistapaus - neutralointi) | H2 S O4 + 2 N a O H\u003d N a 2 S O 4 + 2 H 2 O | erikoistapaus - esteröinti |
|
5. Allotropisaatio | grafiitti ⇔ timantti- Ppunainen⇔ Pvalkoinen Pred⇔P valkoinen Srombi.⇔ Ssäiliö Srhombus⇔Splast. | Isomerointi | Isomerointi alkaanit
|
n) korvaamatta niitä muilla.
Riippuen siitä, mitkä atomit ovat jakautuneet - naapurimaiden C–C tai eristetty kahdella tai kolmella tai useammalla hiiliatomilla - C-C-C- C–, –C-C-C-C- C- voi muodostaa yhdisteitä kanssa useita joukkovelkakirjoja ja tai sykliset yhdisteet. Vetyhalogenidien eliminointi alkyylihalogenideista tai vedestä alkoholeista tapahtuu Zaitsevin säännön mukaisesti.
MÄÄRITELMÄ
Zaitsevin sääntö: vetyatomi H on irronnut vähiten hydratusta hiiliatomista.
Esimerkiksi vetybromidimolekyylin halkeaminen tapahtuu viereisistä atomeista alkalin läsnä ollessa, jolloin muodostuu natriumbromidia ja vettä.
MÄÄRITELMÄ
uudelleen ryhmittelyä- kemiallinen reaktio, jonka seurauksena tapahtuu muutos atomien keskinäisessä järjestelyssä molekyylissä, useiden sidosten liikkuminen tai muutos niiden moninkertaisuudessa.
Uudelleenjärjestely voidaan suorittaa säilyttämällä molekyylin atomikoostumus (isomerointi) tai muuttamalla sitä.
MÄÄRITELMÄ
Isomerointi- erityistapaus uudelleenjärjestelyreaktiosta, joka johtaa kemiallisen yhdisteen muuttumiseen isomeeriksi hiilirungon rakenteellisten muutosten seurauksena.
Uudelleenjärjestely voidaan suorittaa myös homolyyttisellä tai heterolyyttisellä mekanismilla. Molekyylien uudelleenjärjestelyt voidaan luokitella eri kriteerien mukaan, esimerkiksi järjestelmien kyllästymisen, vaeltavan ryhmän luonteen, stereospesifisyyden jne. mukaan. Monilla uudelleenjärjestelyreaktioilla on omat nimensä - Claisenin uudelleenjärjestely, Beckmannin uudelleenjärjestely jne.
Isomerointireaktioita käytetään laajalti teollisissa prosesseissa, kuten öljynjalostuksessa bensiinin oktaaniluvun lisäämiseksi. Esimerkki isomeroitumisesta on muunnos n-oktaanista isooktaaniin:
ORGAANISTEN REAKTIOIDEN LUOKITUS REAGENSSIN TYYPIN MUKAAN
IRTI
Sidosten katkeaminen orgaanisissa yhdisteissä voi olla homolyyttistä tai heterolyyttistä.
MÄÄRITELMÄ
Homolyyttisen siteen katkeaminen- tämä on sellainen aukko, jonka seurauksena jokainen atomi vastaanottaa parittoman elektronin ja muodostuu kaksi hiukkasta, joilla on samanlainen elektronirakenne - vapaa radikaaleja.
Homolyyttinen aukko on ominaista ei-polaariselle tai heikosti polaariselle sidoksia, esimerkiksi C–C, Cl–Cl, C–H, ja vaatii paljon energiaa.
Syntyvät radikaalit, joissa on pariton elektroni, ovat erittäin reaktiivisia, joten kemialliset prosessit, jotka tapahtuvat tällaisten hiukkasten mukana, ovat usein luonteeltaan "ketjullisia", niitä on vaikea hallita ja reaktion seurauksena joukko substituutiotuotteita. saadaan. Joten metaanin kloorauksessa korvaustuotteet ovat kloorimetaani C H3 C l CH3Cl, dikloorimetaani C H2 C l2 CH2Cl2, kloroformi C H C l3 CHCl3 ja hiilitetrakloridi C C l4 CCl4. Vapaita radikaaleja sisältävät reaktiot etenevät kemiallisten sidosten muodostumisen vaihtomekanismin mukaisesti.
Tämän sidoksen repeämisen aikana muodostuneet radikaalit aiheuttavat radikaali mekanismi reaktion kulku. Radikaalireaktiot tapahtuvat yleensä korotetuissa lämpötiloissa tai säteilyllä (kuten valolla).
Korkean reaktiivisuuden vuoksi vapaat radikaalit voivat vaikuttaa negatiivisesti ihmiskehoon tuhoten solukalvoja, vaikuttaa DNA:han ja aiheuttaa ennenaikaista ikääntymistä. Nämä prosessit liittyvät ensisijaisesti lipidien peroksidaatioon, toisin sanoen solukalvon sisällä rasvaa muodostavien monityydyttymättömien happojen rakenteen tuhoutumiseen.
MÄÄRITELMÄ
Heterolyyttisen sidoksen katkaisu- tämä on sellainen aukko, jossa elektronipari pysyy elektronegatiivisemmassa atomissa ja muodostuu kaksi varattua hiukkasta - ionit: kationi (positiivinen) ja anioni (negatiivinen).
Kemiallisissa reaktioissa nämä hiukkaset suorittavat " nukleofiilit"(" phil "- gr. olla rakastunut) ja " elektrofiilit”, muodostaen kemiallisen sidoksen reaktiokumppanin kanssa luovuttaja-akseptorimekanismin avulla. Nukleofiiliset hiukkaset muodostavat elektroniparin uuden sidoksen muodostamiseksi. Toisin sanoen,
MÄÄRITELMÄ
Nukleofiili- runsaasti elektroneja sisältävä kemiallinen reagenssi, joka pystyy olemaan vuorovaikutuksessa elektronivajaisten yhdisteiden kanssa.
Esimerkkejä nukleofiileista ovat mitkä tahansa anionit ( C l− , minä− , N O− 3 Cl−,I−,NO3− jne.), sekä yhdisteet, joissa on jakamaton elektronipari ( N H3 , H2 O NH3, H2O).
Siten, kun sidos katkeaa, voi muodostua radikaaleja tai nukleofiilejä ja elektrofiilejä. Tämän perusteella erotetaan kolme mekanismia orgaanisten reaktioiden esiintymiselle.
ORGAANISTEN REAKTIOIDEN MEKANISMIT
Vapaa radikaali mekanismi: reaktion käynnistävät aikana muodostuneet vapaat radikaalit homolyyttinen repeämä sidoksia molekyylissä.
Tyypillisin muunnelma on kloori- tai bromiradikaalien muodostuminen UV-säteilyn aikana.
1. Vapaiden radikaalien korvaaminen
metaanibromi
Ketjun aloitus
ketjun kasvu
ketjun katkeaminen
2. Vapaa radikaali lisäys
eteeni polyeteeni
Elektrofiilinen mekanismi: reaktio alkaa elektrofiilisillä hiukkasilla, jotka saavat seurauksena positiivisen varauksen heterolyyttinen aukko liitännät. Kaikki elektrofiilit ovat Lewisin happoja.
Tällaisia hiukkasia muodostuu aktiivisesti vaikutuksen alaisena Lewisin hapot, jotka lisäävät hiukkasen positiivista varausta. Yleisimmin käytetty A l C l3 , F e C l3 , F e B r3 , Z n C l2 AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2 toimii katalysaattorina.
Hiukkaselektrofiilin hyökkäyspaikat ovat ne molekyylin osat, joilla on lisääntynyt elektronitiheys, eli moninkertainen sidos ja bentseenirengas.
Elektrofiilisten substituutioreaktioiden yleinen muoto voidaan ilmaista yhtälöllä:
1. Elektrofiilinen substituutio
bentseeni bromibentseeni
2. elektrofiilinen lisäys
propeeni 2-bromipropaani
propeeni-1,2-diklooripropeeni
Kiinnittyminen epäsymmetrisiin tyydyttymättömiin hiilivetyihin tapahtuu Markovnikovin säännön mukaisesti.
MÄÄRITELMÄ
Markovnikovin sääntö: Ehdollisen kaavan HX monimutkaisten aineiden molekyylien lisäys epäsymmetrisiin alkeeneihin (jossa X on halogeeniatomi tai hydroksyyliryhmä OH–), vetyatomi on kiinnittynyt eniten hydratuimpaan (sisältää eniten vetyatomeja) hiiliatomiin kaksoisatomilla. sidos ja X vähiten hydrattu.
Esimerkiksi kloorivedyn HCl:n lisääminen propeenimolekyyliin C H3 – CH = C H2 CH3-CH=CH2.
Reaktio etenee elektrofiilisen additiomekanismin avulla. Elektronin luovuttajan vaikutuksesta C H3 CH3-ryhmissä, elektronitiheys substraattimolekyylissä siirtyy keskeiseen hiiliatomiin (induktiivinen vaikutus) ja sitten kaksoissidosjärjestelmää pitkin terminaaliseen hiiliatomiin C H2 CH2-ryhmät (mesomeerinen vaikutus). Siten ylimääräinen negatiivinen varaus sijoittuu juuri tälle atomille. Siksi vetyprotoni aloittaa hyökkäyksen H+ H+, joka on elektrofiilinen hiukkanen. Positiivisesti varautunut karbeeni-ioni muodostuu [C H3 – CH – C H3 ] + + , johon kloorianioni on kiinnittynyt C l− Cl−.
MÄÄRITELMÄ
Poikkeuksia Markovnikovin sääntöön: additioreaktio etenee Markovnikov-säännön vastaisesti, jos yhdisteet tulevat reaktioon, jossa kaksoissidoksen hiiliatomin vieressä oleva hiiliatomi vetää osittain elektronitiheyttä, eli substituenttien läsnä ollessa, joilla on merkittävä elektroneja vetävä vaikutus. (– C C l3 , – C N , – C O O H(–CCl3,–CN,–COOH jne.).
Nukleofiilinen mekanismi: reaktion käynnistävät negatiivisen varauksen omaavat nukleofiiliset hiukkaset, jotka muodostuvat seurauksena heterolyyttinen aukko liitännät. Kaikki nukleofiilit ovat Lewisin perustaja.
Nukleofiilisissä reaktioissa reagenssilla (nukleofiilillä) on vapaa elektronipari toisessa atomissa ja se on neutraali molekyyli tai anioni ( H a l– , O H– , R O− , R S– , R C O O– , R– , C N – , H2 O, R O H, N H3 , R N H2 Hal–,OH–,RO–,RS–,RCOO–,R–,CN–,H2O,ROH,NH3,RNH2 jne.).
Nukleofiili hyökkää substraatissa olevaan atomiin pienimmällä elektronitiheydellä (eli osittaisella tai täydellä positiivisella varauksella). Ensimmäinen vaihe nukleofiilisessä substituutioreaktiossa on substraatin ionisaatio karbokationin muodostamiseksi. Tässä tapauksessa uusi sidos muodostuu nukleofiilin elektroniparin takia, ja vanhalle tapahtuu heterolyyttinen pilkkominen, jonka jälkeen kationi eliminoituu. Esimerkki nukleofiilisestä reaktiosta on nukleofiilinen substituutio (symboli SN SN) tyydyttyneessä hiiliatomissa, esimerkiksi bromijohdannaisten alkalinen hydrolyysi.
1. Nukleofiilinen substituutio
2. Nukleofiilinen lisäys
etanoli syanohydriini
lähde http://foxford.ru/wiki/himiya