Органическая химия типы химических реакций. Типы реакций в органической химии

Существуют разные системы классификации органических реакций, которые основаны на различных признаках. Среди них можно выделить классификации:

• по конечному результату реакции , то есть изменению в структуре субстрата;
• по механизму протекания реакции , то есть по типу разрыва связей и типу реагентов.

Взаимодействующие в органической реакции вещества подразделяют на реагент и субстрат . При этом считается, что реагент атакует субстрат.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Реагент - вещество, действующее на объект - субстрат - и вызывающее в нем изменение химической связи. Реагенты делятся на радикальные, электрофильные и нуклеофильные.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Субстратом , как правило, считают молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ ПО КОНЕЧНОМУ РЕЗУЛЬТАТУ (ИЗМЕНЕНИЮ В СТРУКТУРЕ СУБСТРАТА)

В органической химии различают четыре вида реакций по конечному результату и изменению в структуре субстрата: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от англ. to eliminate - удалять, отщеплять), и перегруппировки (изомеризации ). Такая классификация аналогична классификации реакций в неорганической химии по числу исходных реагентов и образующихся веществ, с изменением или без изменения состава. Классификация по конечному результату основана на формальных признаках, так как стехиометрическое уравнение, как правило, не отражает механизм реакции. Сравним типы реакций в неорганической и органической химии.

Тип реакции в неорганической химии	Пример	Тип реакции в органической химии	Разновидность и пример Реакции
1. Соединение	C l 2 + H 2 = 2 H C l	Присоединение по кратным связям	Гидрирование
			Гидрогалогенирование
			Галогенирование
			Гидратация
2. Разложение	2 H 2 O = 2 H 2 + O 2	Элиминирование	Дегидрирование
			Дегидрогалогенирование
			Дегалогенирование
			Дегидратация
3. Замещение	Z n + 2 H C l = ZnCl2+H2	Замещение
4. Обмен (частный случай - нейтрализация)	H 2 S O 4 + 2 N a O H =N a 2 S O 4 + 2 H2 O	частный случай - этерификация
5.Аллотропизация	графит⇔ алмаз P красн. ⇔ P бел. Pкрасн.⇔P бел. S ромб. ⇔ S пласт. Sромб.⇔Sпласт.	Изомеризация	Изомеризация алканов

п) без замены их другими.

В зависимости от того, какие атомы отщепляются - соседние C –C или изолированные двумя-тремя или более атомами углерода –C –C–C–C –, –C –C–C–C–C –, могут образовываться соединения с кратными связям и или циклические соединения . Отщепление галогеноводородов из алкилгалогенидов либо воды из спиртов происходит по правилу Зайцева.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Правило Зайцева : атом водорода Н отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода.

Например, отщепление молекулы бромоводорода происходит от соседних атомов в присутствии щелочи, при этом образуется бромид натрия и вода.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Перегруппировка - химическая реакция, в результате которой происходит изменение взаимного расположения атомов в молекуле, перемещение кратных связей или изменение их кратности.

Перегруппировка может осуществляться с сохранением атомного состава молекулы (изомеризация) или с его изменением.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Изомеризация - частный случай реакции перегруппировки, приводящая к превращению химического соединения в изомер путем структурного изменения углеродного скелета.

Перегруппировка тоже может осуществляться по гомолитическому или гетеролитическому механизму. Молекулярные перегруппировки могут классифицироваться по разным признакам, например по насыщенности систем, по природе мигрирующей группы, по стереоспецифичности и др. Многие реакции перегруппировки имеют специфические названия - перегруппировка Кляйзена, перегруппировка Бекмана и др.

Реакции изомеризации широко используются в промышленных процессах, например при переработке нефти для повышения октанового числа бензина. Примером изомеризации является превращение н -октана в изооктан:

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПО ТИПУ РЕАГЕНТА

РАЗРЫВ СВЯЗИ

Разрыв связи в органических соединениях может гомолитическим и гетеролитическим.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Гомолитический разрыв связи - это такой разрыв, в результате которого каждый атом получает неспаренный электрон и образуются две частицы, имеющие сходное электронное строение - свободные радикалы .

Гомолитический разрыв характерен для неполярных или слабополярных связей, например C–C, Cl–Cl, C–H, и требует большого количества энергии.

Образующиеся радикалы, имеющие неспаренный электрон, обладают высокой реакционной способностью, поэтому химические процессы, протекающие с участием таких частиц, часто носят «цепной» характер, их трудно контролировать, а в результате реакции получается набор продуктов замещения. Так, при хлорировании метана продуктами замещения являются хлорметан C H 3 C l CH3Cl , дихлорметан C H 2 C l 2 CH2Cl2 , хлороформ C H C l 3 CHCl3 и четыреххлористый углерод C C l 4 CCl4 . Реакции с участием свободных радикалов протекают по обменному механизму образования химических связей.

Образующиеся в ходе такого разрыва связи радикалы обуславливают радикальный механизм протекания реакции. Радикальные реакции обычно протекают при повышенных температурах или при излучении (например, свет).

В силу своей высокой реакционной способности свободные радикалы могут оказывать негативное воздействие на организм человека, разрушая клеточные мембраны, воздействуя на ДНК и вызывая преждевременное старение. Эти процессы связаны, в первую очередь, с пероксидным окислением липидов, то есть разрушением структуры полиненасыщенных кислот, образующих жир внутри клеточной мембраны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Гетеролитический разрыв связи - это такой разрыв, при котором электронная пара остается у более электроотрицательного атома и образуются две заряженные частицы - ионы: катион (положительный) и анион (отрицательный).

В химических реакциях эти частицы выполняют функции «нуклеофилов » («фил» - от гр. любить ) и «электрофилов », образуя химическую связь с партнером по реакции по донорно-акцепторному механизму. Частицы-нуклеофилы предоставляют электронную пару для образования новой связи. Другими словами,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Нуклеофил - электроноизбыточный химический реагент, способный взаимодействовать с электронодефицитными соединениями.

Примерами нуклеофилов являются любые анионы (C l − , I − , N O − 3 Cl−,I−,NO3− и др.), а также соединения, имеющие неподеленную электронную пару (N H 3 , H 2 O NH3,H2O ).

Таким образом, при разрыве связи могут образоваться радикалы или нуклеофилы и электрофилы. Исходя из этого выделяют три механизма протекания органических реакций.

МЕХАНИЗМЫ ПРОТЕКАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Свободно-радикальный механизм : реакцию начинают свободные радикалы, образующиеся при гомолитическом разрыве связи в молекуле.

Наиболее типичный вариант - образование радикалов хлора или брома при УФ-облучении.

1. Свободно-радикальное замещение

метан бромметан

Инициирование цепи

Рост цепи

Обрыв цепи

2. Свободно-радикальное присоединение

этен полиэтилен

Электрофильный механизм : реакцию начинают частицы-электрофилы, получающие положительный заряд в результате гетеролитического разрыва связи. Все электрофилы - кислоты Льюиса.

Такие частицы активно образуются под действием кислот Льюиса , которые усиливают положительный заряд частицы. Чаще других используются A l C l 3 , F e C l 3 , F e B r 3 , Z n C l 2 AlCl3,FeCl3,FeBr3,ZnCl2 , выполняющие функции катализатора.

Местом атаки частицы-электрофила являются те участки молекулы, которые имеют повышенную электронную плотность, т. е. кратная связь и бензольное кольцо.

Общий вид реакций электрофильного замещения можно выразить уравнением:

1. Электрофильное замещение

бензол бромбензол

2. Электрофильное присоединение

пропен 2-бромпропан

пропин 1,2-дихлорпропен

Присоединение к несимметричным непредельным углеводородам происходит в соответствии с правилом Марковникова.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Правило Марковникова: присоединение к несимметричным алкенам молекул сложных веществ с условной формулой НХ (где Х - это атом галогена или гидроксильная группа ОН–) атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному (содержащему больше всего атомов водорода) атому углерода при двойной связи, а Х - к наименее гидрогенизированному.

Например, присоединение хлороводорода HCl к молекуле пропена C H 3 – C H = C H 2 CH3–CH=CH2 .

Реакция протекает по механизму электрофильного присоединения. За счет электронодонорного влияния C H 3 CH3 -группы электронная плотность в молекуле субстрата смещена к центральному атому углерода (индуктивный эффект), а затем по системе двойных связей - к концевому атому углерода C H 2 CH2 -группы (мезомерный эффект). Таким образом, избыточный отрицательный заряд локализован именно на этом атоме. Поэтому атаку начинает протон водорода H + H+ , являющийся электрофильной частицей. Образуется положительно заряженный карбеновый ион [ C H 3 – C H − C H 3 ] + + , к которому присоединяется анион хлора C l − Cl− .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Исключения из правила Марковникова: реакция присоединения протекает против правила Марковникова, если в реакцию вступают соединения, у которых атом углерода, соседний с атомом углерода двойной связи, оттягивает на себя частично электронную плотность, то есть при наличии заместителей, проявляющих значительный электроноакцепторный эффект (– C C l 3 , – C N , – C O O H (–CCl3,–CN,–COOH и др.).

Нуклеофильный механизм : реакцию начинают частицы-нуклеофилы, имеющие отрицательный заряд, образовавшиеся в результате гетеролитического разрыва связи. Все нуклеофилы - основания Льюиса .

В нуклеофильных реакциях реагент (нуклеофил) имеет на одном из атомов свободную пару электронов и является нейтральной молекулой или анионом (H a l – , O H – , R O − , R S – , R C O O – , R – , C N – , H 2 O , R O H , N H 3 , R N H 2 Hal–,OH–,RO−,RS–,RCOO–,R–,CN–,H2O,ROH,NH3,RNH2 и др.).

Нуклеофил атакует в субстрате атом с наименьшей электронной плотностью (т. е. с частичным или полным положительным зарядом). Первой стадией реакции нуклеофильного замещения является ионизация субстрата с образованием карбкатиона. При этом новая связь образуется за счет электронной пары нуклеофила, а старая претерпевает гетеролитический разрыв с последующим отщеплением катиона. Примером нуклеофильной реакции может служить нуклеофильное замещение (символ S N SN ) у насыщенного атома углерода, например щелочной гидролиз бромпроизводных.

1. Нуклеофильное замещение

2. Нуклеофильное присоединение

этаналь циангидрин

источник http://foxford.ru/wiki/himiya

Нуклеофильной называется реакция, при которой реа­гент атакует субстрат своим нуклеофилом; она обо­значается индексом N (nucleophlle).

В электрофильных реакциях реагент принято называть электрофилом. В органической химии электрофильность реагента ха­рактеризует его способность взаимодействовать с атомом углерода субстрата, несущим полный или частичный отрицательный заряд.

В действительности механизм и результат любой электрофильно-нуклеофильной реакции определяется не только свойст­вами реагента, но и свойствами субстрата, образующихся про­дуктов реакции, растворителя и условиями ее проведения. По­этому разделение электрофильно-нуклеофильных реакций на нуклеофильные и электрофильные только по свойствам реагента носит условный характер. Кроме того, как видно из приведенных схем, в этих реакциях всегда взаимодействуют между собой элек­трофилы и нуклеофилы, содержащиеся в субстрате и реагенте. Во многих реакциях лишь условно один компонент может счи­таться субстратом, а другой – реагентом.

Свободнорадикальные реакции. Гомолитический распад ха­рактерен для неполярной или малополярной связи. Он сопро­вождается образованием свободных радикалов - частиц с неспаренным электроном.

Гомолиз ковалентной связи можно рассматривать как расще­пление этой связи по обменному механизму. Для осуществления гомолиза связи необходима энергия (теплота, свет), достаточная для того, чтобы разорвать эту связь. Наличие неспаренного элек­трона является причиной малой стабильности свободных радика­лов (время жизни в большинстве случаев составляет доли секун­ды) и высокой реакционной способности в свободнорадикальных реакциях. Присутствие в системе свободного радикала (R۰) мо­жет приводить к образованию новых радикалов вследствие его взаимодействия с имеющимися молекулами: R۰ + А – В → R – A + ۰В

Свободнорадикальные реакции сопровождаются взаи­модействием свободных радикалов с молекулами или между собой с образованием новых свободных радикалов (зарождение или развитие цепи) или только молекул (обрыв цепи).

Для свободнорадикальных реакций характерен цепной ме­ханизм, который включает три стадии: зарождение, развитие и обрыв цепи. Эти реакции прекращаются при исчез­новении в системе свободных радикалов. Свободнорадикальные реакции обозначаются индексом R (radical).

Радикальные частицы в зависимости от их сродства к электрону могут и принимать электроны (т. е. быть окислителями), и отдавать электроны (т. е. быть восстановителями). При этом сродство радикала к электрону определяется не только его свойствами, но и свойствами его партнера по реакции. Особенности процессов свободнорадикального окисления-восстановления, протекающих в организме, рассматриваются отдельно при описании свойств определенных классов органических соединений.

В реакциях комплексообразования радикалами могут быть и комплексообразователь, и лиганды. В случае комплексов с переносом заряда радикалообразование может происходить внутри комплекса за счет внутримолекулярного окисления-восстановления между комплексообразователем и лигандом.

Образование радикалов легче всего происходит при гомолизе неполярных простых связей между атомами одного и того же элемента:

С1 2 → С1۰ + ۰С1 НО-ОН → НО۰ + ۰ОН

R-О-О-R" → RO۰ + ۰OR" R-S-S-R" →RS۰ + ۰SR"

При гомолизе малополярной связи С-Н образуются алкильные радикалы, в которых неспаренный электрон находится у атома углерода. Относительная устойчивость этих радикалов зависит от типа замещения атома углерода, несущего неспарен­ный электрон, и растет в ряду: СН 3 < CH 2 R < CHR 2 < CR 3 . Это объясняется положительным индуктивным эффектом алкильных групп, который, повышая электронную плотность на атоме углерода, способствует стабилизации радикала.

Стабильность свободных радикалов существенно возрастает, когда имеется возможность делокализации неспаренного элек­трона за счет π-электронов соседних кратных связей. Это особен­но наглядно наблюдается в аллильном и бензильном радикалах:

аллильный радикал бензильный радикал

В ходе ознакомления с возможными механизмами реакций в молекулах субстрата и реагента следует различать реакцион­ные центры по их характеру: нуклеофильные, электрофилъные и радикальные.

По конечному результату химического превращения простей­шие органические реакции классифицируются на реакции: замещения, присоединения, элиминирования (отщепления) и пе­регруппировки.

Реакции замещения. Под замещением понимают замену ато­ма или группы на другой атом или группу. В реакции замещения всегда образуются два различных продукта. Этот тип реакций обозначается символом S (substitution).

К реакциям замещения относятся: галогенирование и нит­рование алканов, этерификация и алкилирование карбоновых кислот, а также многочисленные ре­акции взаимодействия простых полярных молекул (Н 2 О, NH 3 , НГал) с эфирами, спиртами и галогенпроизводными.

Реакции присоединения. Под присоединением понимают вве­дение атомов или групп в молекулу непредельного соединения, сопровождаемое разрывом π-связей. При этом двойные связи превращаются в ординарные, а тройные связи - в двойные или ординарные. Этот тип реакций обозначается симво­лом A (addition).

Реакции элиминирования (отщепления). Под элиминиро­ванием понимают отщепление атомов или групп от органиче­ской молекулы с образованием кратной связи. Поэтому реакции элиминирования обратны реакциям присоединения. Этот тип ре­акции обозначается символом Е (elimination).

Каждая из органических реакций замещения (S), присоеди­нения (А) или элиминирования (Е) может быть электрофильной (Е), нуклеофильной (N) или радикальной (R). Таким образом, в органической химии выделяют девять типовых реакций, обо­значаемых символами S, А или Е с индексами R, N или Е:

Приведенные типы органических реакций следует считать модельными, так как они не всегда реализуются в чистом виде. Так, например, замещение и элиминирование могут протекать одновременно:

При дальнейшем знакомстве с конкретными классами орга­нических соединений нами будут рассматриваться следующие их химические свойства: кислотно-основные, комплексообразующие, окислительно-восстановительные, электрофильно-нуклеофильные, а также способность к свободнорадикальному взаимо­действию. Особое внимание будет уделено особенностям проте­кания рассматриваемых реакций в биологических системах.

Типы реакций, характерные для различных классов углеводородов, механизм их протекания и биологическое значение процессов представлены в таблице 10.

Органические соединения могут реагировать как между собой, так и с неорганическими веществами - неметаллами, металлами, кислотами, основаниями, солями, водой и др. Поэтому их реакции оказываются очень разнообразными и по природе реагирующих веществ, и по типу происходящих превращений. Естьмного именных реакций, названных в честь открывших их ученых.

Молекулу органического соединения, участвующую в реакции, называют субстратом.

Частицу неорганического вещества (молекулу, ион) в органической реакции называют реагентом.

Например:

Химическое превращение может охватить всю молекулу органического соединения. Из таких реакций наиболее широко известно горение, приводящее к превращению вещества в смесь оксидов. Они имеют большое значение в энергетике, а также при уничтожении отходов и токсичных веществ. С точки зрения как химической науки, так и практики особенно интересны реакции, ведущие к превращению одних органических веществ в другие. В молекуле всегда имеется один или несколько реакционноспособных участков, где происходит то или иное превращение.

Атом или группа атомов в молекуле, где непосредственно происходит химическое превращение, называется реакционным центром.

В многоэлементных веществах реакционными центрами являются функциональные группы и атомы углерода, с которыми они связаны. В непредельных углеводородах реакционный центр - атомы углерода, связанные кратной связью. В предельных углеводородах реакционным центром служат преимущественно вторичные и третичные атомы углерода.

В молекулах органических соединений часто имеется несколько реакционных центров, проявляющих разную активность. Поэтому, как правило, идет несколько параллельных реакций, дающих разные продукты. Реакция, протекающая с наибольшей скоростью, называется главной. Остальные реакции -побочные. В получаемой смеси в наибольшем количестве содержится продукт главной реакции, а продукты побочных реакций - это примеси. После проведения реакции почти всегда требуется очистка главного продукта от примесей органических веществ. Отметим, что в неорганической химии вещества обычно приходится очищать от примесей соединений других химических элементов.

Уже было отмечено, что органические реакции характеризуются относительно небольшими скоростями. Поэтому приходится широко использовать различные средства ускорения реакций - нагревание, облучение, катализ. Катализаторы имеют в органической химии важнейшее значение. Их роль не ограничивается огромной экономией времени при проведении химических процессов. Выбирая катализаторы, ускоряющие определенные типы реакций, можно целенаправленно осуществлять те или иные из параллельно протекающих реакций и получать заданные продукты. За время существования промышленности органических соединений открытие новых катализаторов коренным образом изменяло технологию. Например, этанол долгое время получали только сбраживанием крахмала, а затем перешли на его производство

присоединением воды к этилену. Для этого потребовалось найти хорошо действующий катализатор.

Реакции в органической химии классифицируют по характеру превращения субстрата:

а) реакции присоединения (символ А) - к органической молекуле присоединяется небольшая молекула (вода, галоген и др.);

б) реакции замещения (символ S) - в органической молекуле замешается атом (группа атомов) на другой атом или группу атомов;

в) реакции отщепления или элиминирования (символ Е) - органическая молекула теряет некоторые фрагменты, образующие, как правило, неорганические вещества;

г) крекинг - расщепление молекулы на две или несколько частей, также представляющие собой органические соединения;

д) разложение - превращение органического соединения в простые вещества и неорганические соединения;

е) изомеризация - превращение молекулы в другой изомер;

ж) полимеризация - образование высокомолекулярного соединения из одного или нескольких низкомолекулярных соединений;

з) поликонденсация - образование высокомолекулярного соединения с одновременным выделением вещества, состоящего из небольших молекул (вода, спирт).

В процессах превращения органических соединений рассматривают два вида разрыва химических связей.

Гомолитический разрыв связи. От электронной пары химической связи у каждого атома остается по одному электрону. Образующиеся частицы, имеющие неспаренные электроны, называются свободными радикалами. По составу такая частица может представлять собой молекулу или отдельный атом. Реакция называется радикальной (символ R):

Гетеролитический разрыв связи. В этом случае один атом сохраняет электронную пару и становится основанием. Частицу, содержащую этот атом, называют нуклеофилом. Другой атом, лишенный электронной пары, имеет свободную орбиталь и становится кислотой. Частицу, содержащую этот атом, называют электрофилом:

По такому типу особенно легко разрывается л-связь при сохранении

Например, некоторая частица А", притягивая л-электронную пару, сама образует связь с атомом углерода:

Это же взаимодействие изображают следующей схемой:

Если атом углерода в молекуле органического соединения принимает электронную пару, которую затем передает реагенту, то реакция называется электрофильной, а реагент - электрофилом.

Разновидности электрофильных реакций - присоединение А Е и замещение S E .

Следующий этап реакции - образование связи атома С + (у него свободная орбиталь) с другим атомом, имеющим электронную пару.

Если атом углерода в молекуле органического соединения теряет электронную пару, а потом принимает ее от реагента, то реакция называется нуклеофильной, а реагент - нуклеофилом.

Разновидности нуклеофильных реакций - присоединение Ад, и замещение S N .

Гетеролитический разрыв и образование химических связей фактически представляют собой единый согласованный процесс: постепенный разрыв имевшейся связи сопровождается образованием новой связи. В согласованном процессе энергия активации оказывается меньше.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. При сжигании 0,105 г органического вещества образовалось 0,154 г углекислого газа, 0,126 г воды и 43,29 мл азота (21 °С, 742 мм рт. ст.). Предложите одну из возможных структурных формул вещества.

2. В молекуле С 3 Н 7 Х общее число электронов составляет 60. Определите элемент X и напишите формулы возможных изомеров.

3. На 19,8 г соединения С 2 Н 4 Х 2 приходится 10 моль электронов. Определите элемент X и напишите формулы возможных изомеров.

4. Газ объемом 20 л при 22 "С и 101,7 кПа содержит 2,5 10 я атомов и имеет плотность 1,41 г/л. Сделайте выводы о природе этого газа.

5. Укажите радикал, имеющий два изомера: -С 2 Н 5 , -С 3 Н 7 , -СН 3 .

6. Укажите вещество, имеющее наиболее высокую температуру кипения: СН 3 ОН, С 3 Н 7 ОН, С 5 Н 11 ОН.

7. Напишите структурные формулы изомеров С 3 Н 4 .

8. Напишите формулу 2,3,4-триметит-4-этилгептена. Приведите структурные формулы двух изомеров этого вещества, содержащих один и два четвертичных атома углерода.

9. Напишите формулу 3,3-диметилпентана. Приведите формулу циклического углеводорода без кратных связей с таким же числом атомов углерода. Являются ли они изомерами?

10. Напишите формулу четырехэлементного органического соединения со структурой С 10 , в котором атомы дополнительных элементов находятся у 2 и 7 атомов углерода, а название содержит корень «гепта».

11. Назовите углеводород, имеющий углеродную структуру

12.Напишите структурную формулу соединения C 2 H X F X Cl X с разными заместителями у каждого из атомов углерода.

Углеводороды

Углеводороды относятся к числу важнейших веществ, определяющих уклад жизни современной цивилизации. Они служат источником энергии (энергоносителями) для наземного, воздушного и водного транспорта, для отопления жилищ. Это также сырье для производства сотен продуктов бытовой химии, упаковочных материалов и т. д. Начальным источником всего перечисленного являются нефть и природный газ. От наличия их запасов зависит благосостояние государств. Из-за нефти возникали международные кризисы.

В числе наиболее известных углеводородов - метан и пропан, использующиеся в бытовых плитах. Метан транспортируют по трубам, а пропан перевозят и хранят в баллонах красного цвета. Еще один углеводород ило-бутан, газообразный при нормальных условиях, можно видеть в жидком состоянии в прозрачных зажигалках. Продукты переработки нефти - бензин, керосин, дизельное топливо - представляют собой смеси углеводородов разного состава. Смесями более тяжелых углеводородов являются полужидкий вазелин и твердый парафин. К углеводородам относится и хорошо известное вещество, применяемое для защиты шерсти и меха от моли - нафталин. Главными разновидностями углеводородов с точки зрения состава и строения молекул являются предельные углеводороды - алканы, циклические предельные углеводороды - циклоалканы, непредельные углеводороды, т. е. содержащие кратные связи -алкены и

алкины, циклические сопряженные ароматические углеводороды - арены. Некоторые гомологические ряды углеводородов охарактеризованы в табл. 15.1.

Таблица 15.1. Гомологические ряды углеводородов

Алканы

В главе 14 уже приведены данные о строении, составе, изомерии, названиях и некоторых свойствах алканов. Напомним, что в молекулах алканов атомы углерода образуют тетраэдрически направленные связи с атомами водорода и соседними атомами углерода. В первом соединении этого ряда метане углерод связан только с водородом. В молекулах предельных углеводородов идет непрерывное внутреннее вращение концевых групп СН 3 и отдельных участков цепи, в результате чего возникают разные конформации (с. 429). Для алканов характерна изомерия углеродного скелета. Соединения с неразветвленными молекулами называют

нормальными, н-алканами, а с разветвленными - изо алканами. Данные о названиях и некоторых физических свойствах алканов приведены в табл. 15.2.

В виде индивидуальных веществ в большом количестве используются первые четыре члена ряда алканов - метан, этан, пропан и бутан. Другие индивидуальные алканы применяют в научных исследованиях. Огромное практическое значение имеют смеси алканов, содержащие обычно углеводороды и других гомологических рядов. К числу таких смесей относится бензин. Он характеризуется температурным интервалом выкипания 30-205 °С. Другие виды углеводородного топлива также характеризуются интервалами выкипания, так как по мере улетучивания из них легких углеводородов температура кипения повышается. Все алканы практически нерастворимы в воде.

Таблица 15.2. Названия и температуры кипения и плавления нормальных алканов

задание 15.1. Сгруппируйте алканы по признаку агрегатного состояния при 20 °С и нормальном атмосферном давлении (по данным табл. 15.2).

задание 15.2. Пентан имеет три изомера со следующими температурами кипения (°С):

Объясните понижение температур кипения в ряду этих изомеров.

Получение. Практически неограниченным источником любых алканов служит нефть, однако выделение из нее индивидуальных веществ представляет довольно сложную задачу. Обычные нефтепродукты представляют собой фракции, полученные при ректификации (дробной перегонке) нефти и состоящие из большого числа углеводородов.

Смесь алканов получается гидрированием угля при температуре -450 0 С и давлении 300 атм. Этим способом можно производить бензин, но он пока оказывается дороже, чем бензин из нефти. Метан образуется в смеси оксида углерода(П) и водорода на никелевом катализаторе:

В такой же смеси на катализаторах, содержащих кобальт, получается как смесь углеводородов, так и отдельные углеводороды. Это могут быть не только алканы, но и циклоалканы.

Есть лабораторные методы получения индивидуальных алканов. Карбиды некоторых металлов при гидролизе дают метан:

Галогеналканы реагируют со щелочным металлом, образуя углеводороды с удвоенным числом атомов углерода. Это реакция Вюрца. Она идет через гемолитический разрыв связи между углеродом и галогеном с образованием свободных радикалов:

задание 15.3. Напишите суммарное уравнение данной реакции.

пример 15.1. В смесь 2-бромопропана и 1-бромопропана внесли калий. Напишите уравнения возможных реакций.

РЕШЕНИЕ. Радикалы, образующиеся при реакциях бромалканов с калием, могут соединяться между собой в разных комбинациях, в результате чего в смеси получаются три углеводорода. Суммарные уравнения реакций:

Натриевые соли органических кислот при нагревании со щелочью теряют карбоксильную группу (декарбоксилируются) с образованием алкана:

При электролизе этих же солей происходит декарбоксилирование и соединение остающихся радикалов в одну молекулу:

Алканы образуются при гидрировании непредельных углеводородов и восстановлении соединений, содержащих функциональные группы:

Химические свойства. Предельные углеводороды представляют собой наименее активные органические вещества. Их первоначальное название парафины отражает слабое сродство (реакционную способность) по отношению к другим веществам. Они реагируют, как правило, не с обычными молекулами, а лишь со свободными радикалами. Поэтому и реакции алканов идут в условиях образования свободных радикалов: при высокой температуре или облучении. Алканы горят при смешении с кислородом или воздухом и играют важнейшую роль в качестве топлива.

задание 15.4. Теплота сгорания октана определена с особой точностью:

Сколько теплоты выделится при сгорании 1л смеси, состоящей поровну из н-октана и ило-октана (р = = 0,6972 Алканы реагируют с галогенами по радикальному механизму (S R). Реакция начинается с распада молекулы галогена на два атома, или, как часто говорят, на два свободных радикала:

Радикал отнимает атом водорода от алкана, например, от метана:

Новый молекулярный радикал метил Н 3 С- реагирует с молекулой хлора, образуя продукт замещения и одновременно новый радикал хлора:

Далее повторяются те же самые стадии этой цепной реакции. Каждый радикал может породить цепь превращений из сотен тысяч звеньев. Возможны и столкновения радикалов между собой, приводящие к обрыву цепей:

Суммарное уравнение цепной реакции:

задание 15.5. При уменьшении объема сосуда, в котором идет цепная реакция, число превращений на один радикал (длина цепей) уменьшается. Дайте этому объяснение.

Продукт реакции хлорометан относится к классу галогензамещенных углеводородов. В смеси по мере образования хлорометана начинается реакция замещения второго атома водорода на хлор, потом третьего и т. д. На третьей стадии образуется хорошо известное вещество хлороформ CHClg, применяемое в медицине для наркоза. Продукт полного замещения водорода на хлор в метане - тетрахлорид углерода СС1 4 - относят и к органическим, и к неорганическим веществам. Но, если строго придерживаться определения, это неорганическое соединение. Практически тетрахлорид углерода получают не из метана, а из сероуглерода.

При хлорировании гомологов метана более реакционноспособными оказываются вторичные и третичные атомы углерода. Из пропана получается смесь 1-хлоропропана и 2-хлоропропана с большей долей последнего. Замещение второго атома водорода на галоген идет преимущественно на том же атоме углерода:

Алканы реагируют при нагревании с разбавленной азотной кислотой и оксидом азота(IV), образуя нитроалканы. Нитрование также идет по радикальному механизму, и поэтому для его проведения не требуется концентрированная азотная кислота:

Алканы подвергаются различным превращениям при нагревании в присутствии специальных катализаторов. Нормальные алканы изомеризуются в цзо-алканы:

Промышленная изомеризация алканов для улучшения качества моторного топлива называется риформинг. Катализатором служит металлическая платина, нанесенная на оксид алюминия. Важное значение для переработки нефти имеет также крекинг, т. е. расщепление молекулы алкана на две части - алкан и алкен. Расщепление идет преимущественно посередине молекулы:

Катализаторами крекинга служат алюмосиликаты.

Алканы с шестью и более атомами углерода в цепи циклизуются на оксидных катализаторах (Сr 2 0 3 / /А1 2 0 3), образуя циклоалканы с шестичленным кольцом и арены:

Эту реакцию называют дегидроциклизацией.

Все большее практическое значение приобретает функционализация алканов, т. е. превращение их в соединения, содержащие функциональные группы (как правило, кислородные). Бутан окисляется кис-

лородом при участии специального катализатора, образуя уксусную кислоту:

Циклоалканы С n Н 2n с пятью и более углеродными атомами в кольце по химическим свойствам очень близки к нециклическим алканам. Для них характерны реакции замещения S R . Циклопропан С 3 Н 6 и циклобутан С 4 Н 8 имеют менее устойчивые молекулы, так как в них углы между связями С-С-С значительно отличаются от нормального тетраэдрического угла 109,5°, характерного для sр 3 -углерода. Это приводит к уменьшению энергии связи. При действии галогенов происходит разрыв циклов и присоединение на концах цепочки:

При действии водорода на циклобутан образуется нормальный бутан:

ЗАДАНИЕ 15.6. Можно ли из 1,5-дибромпентана получить циклопентан? Если вы считаете, что можно, то выберите подходящий реагент и напишите уравнение реакции.

Алкены

Углеводороды, содержащие водорода меньше, чем алканы, вследствие наличия в их молекулах кратных связей называют непредельными, а также ненасыщенными. Простейший гомологический ряд непредельных углеводородов - алкены С n Н 2n , имеющие одну двойную связь:

Две другие валентности атомов углерода используются для присоединения водорода и насыщенных углеводородных радикалов.

Первый член ряда алкенов этен (этилен) С 2 Н 4 . За ним идут пропен (пропилен) С 3 Н 6 , бутен (бутилен) С 4 Н 8 , пентен С 5 Н 10 и т. д. Особые названия имеют некоторые радикалы с двойной связью: винил СН 2 =СН-, аллил СН 2 =СН-СН 2 -.

Атомы углерода, связанные двойной связью, находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Гибридные орбитали образуют σ-связь между ними, а негибридная р-орбиталь - π-связь (рис. 15.1). Общая энергия двойной связи составляет 606 кДж/моль, причем на а-связь приходится около 347 кДж/моль, а на π-связь - 259 кДж/моль. Повышенная прочность двойной связи проявляется в уменьшении расстояния между атомами углерода до 133 пм по сравнению с 154 пм для одинарной связи С-С.

Несмотря на формальную прочность, именно двойная связь в алкенах оказывается главным реакционный центром. Электронная пара π -связи образует достаточно рассеянное облако, относительно удаленное от атомных ядер, вследствие чего оно подвижно и чувствительно к влиянию других атомов (с. 442). π -Облако смещается к одному из двух атомов углерода, которым

Рис. 15.1. Образование кратной связи между атомами углерода sp 2

оно принадлежит, под влиянием заместителей в молекуле алкена или под действием атакующей молекулы. Это приводит к высокой химической активности алкенов по сравнению с алканами. Смесь газообразных алканов не реагирует с бромной водой, но при наличии примеси алкенов происходит ее обесцвечивание. Эта проба используется для обнаружения алкенов.

У алкенов появляются дополнительные виды изомерии, отсутствующие у алканов: изомерия положения двойной связи и пространственная цис-транс-изомерия. Последний вид изомерии обусловлен особой симметрией π -связи. Она препятствует внутреннему вращению в молекуле и стабилизирует расположение четырех заместителей у атомов С=С в одной плоскости. Если имеются две пары разных заместителей, то при диагональном расположении заместителей каждой пары получается транс-изомер, а при смежном расположении - цис-изомер. У этена и пропена изомеров нет, а у бутена имеются оба вида изомеров:

задание 15.7. Все алкены имеют одинаковый элементный состав как по массе (85,71% углерода и 14,29% водорода), так и по отношению числа атомов n(С): n(Н) = = 1:2. Можно ли считать, что каждый алкен является изомером по отношению к другим алкенам?

задание 15.8. Возможны ли пространственные изомеры при наличии трех и четырех разных заместителей у sр 2 -атомов углерода?

задание 15.9. Нарисуйте структурные формулы изомеров пентена.

Получение. Нам уже известно, что алканы могут превращаться в непредельные соединения. Это проис-

ходит в результате отнятия водорода (дегидрирования) и крекинга. Дегидрирование бутана дает преимущественно бутен-2:

задание 15.10. Напишите реакцию крекинга малка-

Для проведения дегидрирования и крекинга требуется довольно высокая температура. При обычных условиях или несильном нагревании алкены образуются из галогенопроизводных. Хлоро- и бромоалканы реагируют со щелочью в спиртовом растворе, отщепляя галоген и водород от двух соседних атомов углерода:

Это реакция элиминирования (с. 441). Если к двум соседним атомам углерода присоединено разное число атомов водорода, то элиминирование идет по правилу Зайцева.

В реакции элиминирования водород преимущественно отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода.

пример 15.2. Напишите реакцию элиминирования 2-хлоробутана.

решение. По правилу Зайцева водород отщепляется от атома 3 С:

При действии металлов цинка и магния на дигалогеналканы с соседним положением галогенов также образуются алкены:

Химические свойства. Алкены могут как разлагаться при высокой температуре до простых веществ, так и полимеризоваться, превращаясь в высокомолекулярные вещества. Этилен полимеризуется при очень высоком давлении (-1500 атм) с добавкой небольшого количества кислорода в качестве инициатора, дающего свободные радикалы. Из жидкого в этих условиях этилена получается белая гибкая масса, прозрачная в тонком слое, - полиэтилен. Это хорошо знакомый всем материал. Полимер состоит из очень длинных молекул

Молекулярная масса 20 ООО-40 ООО. По структуре это предельный углеводород, но на концах молекул могут находиться атомы кислорода. При большой молекулярной массе доля концевых групп очень мала и установить их природу трудно.

задание 15.11. Сколько молекул этилена вошло в состав одной молекулы полиэтилена с молекулярной массой 28000?

Полимеризация этилена происходит также при небольшом давлении в присутствии особых катализаторов Циглера-Натта. Это смеси TiCl, и алюминийорганических соединений AlR x Cl 3-x , где R- алкил. Полиэтилен, получаемый при каталитической полимеризации, лучше по механическим свойствам, но быстрее стареет, т. е. разрушается под действием света и других факторов. Производство полиэтилена началось около 1955 г. Этот материал существенно повлиял на быт, так как из него стали изготавливать упаковочные пакеты. Из других полимеров алкенов наиболее важен полипропилен. Из него получается более жесткая и менее прозрачная пленка, чем из полиэтилена. Полимеризацию пропилена проводят с ка-

тализатором Циглера-Натта. Получаемый полимер имеет правильную изотактическую структуру

При полимеризации под высоким давлением получается атлантический полипропилен со случайным расположением радикалов СН 3 . Это вещество с совершенно другими свойствами: жидкость с температурой затвердевания -35 °С.

Реакции окисления. Алкены в обычных условиях окисляются по двойной связи при контакте с растворами перманганата калия и других окислителей. В слабо щелочной среде образуются гликоли, т. е.двухатомные спирты:

В кислой среде при нагревании алкены окисляются с полным разрывом молекулы по двойной связи:

задание 15.12. Напишите уравнение этой реакции.

задание 15.13. Напишите уравнения реакций окисления бутена-1 и бутена-2 перманганатом калия в кислой среде.

Этилен окисляется кислородом на катализаторе Ag/Al 2 O 3 с образованием циклического кислородсодержащего вещества, называемого окисью этилена:

Это очень важный продукт химической промышленности, получаемый ежегодно в количестве миллионов тонн. Он используется для производства полимеров и моющих средств.

Реакции электрофильного присоединения. К алкенам по двойной связи присоединяются молекулы галогенов, галогеноводородов, воды и многие другие. Рассмотрим механизм присоединения на примере брома. При атаке молекулы Вr 2 на один из атомов углерода ненасыщенного центра электронная пара π -связи смещается к последнему и далее к брому. Таким образом, бром действует как электрофильный реагент:

Образуется связь брома с углеродом, и одновременно рвется связь между атомами брома:

У атома углерода, потерявшего электронную пару, осталась свободная орбиталь. К нему присоединяется ион брома по донорно-акцепторному механизму:

Присоединение галогеноводородов идет через стадию атаки протона на ненасыщенный углерод. Далее, как в реакции с бромом, присоединяется ион галогена:

В случае присоединения воды протонов оказывается мало (вода - слабый электролит), и реакция идет в присутствии кислоты в качестве катализатора. Присоединение к гомологам этилена идет по правилу Марковникова.

В реакциях электрофильного присоединения галогеноводородов и воды к непредельным углеводородам водород преимущественно образует связь с наиболее гидрогенизированным атомом углерода.

пример 15.3. Напишите реакцию присоединения бромоводорода к пропену.

Сущность правила Марковникова заключается в том, что углеводородные радикалы представляют собой менее электроотрицательные (более электронодонорные) заместители, чем атом водорода. Поэтому подвижные π-электроны смещаются к sр 2 -углероду, не связанному с радикалом или связанному с меньшим числом радикалов:

Естественно, что водород Н + атакует атом углерода с отрицательным зарядом. Он и является более гидрогенизированным.

В функциональных производных алкенов замещение может идти против правила Марковникова, однако при рассмотрении смещения электронной плотности в конкретных молекулах всегда оказывается, что водород присоединяется к атому углерода, на котором имеется повышенная электронная плотность. Рассмотрим распределение зарядов в З-фторопропене-1. Электроотрицательный атом фтора действует как акцептор электронной плотности. В цепочке о-связей электронные пары смещаются к атому фтора, а подвижные π-электроны смещаются от крайнего к среднему атому углерода:

В результате этого присоединение идет против правила Марковникова:

Здесь действует один из основных механизмов взаимного влияния атомов в молекулах - индуктивный эффект:

Индуктивный эффект (±/) - это смещение электронных пар в цепочке о-связей под действием атома (группы атомов) с повышенной (-/) или пониженной (+/) электроотрицательностью относительно водорода:

Иное влияние оказывает атом галогена, если он находится у атома углерода sp 2 . Здесь присоединение идет по правилу Марковникова. В этом случае действует мезомерный эффект. Неподеленная электронная пара атома хлора смещается к атому углерода, как бы повышая кратность связи Сl-С.Вследствие этого электроны л-связи смещаются к следующему атому углерода, создавая на нем избыток электронной плотности. В ходе реакции к нему и присоединяется протон:

Затем, как видно из схемы, ион хлора идет к тому атому углерода, с которым уже был связан хлор. Мезомерный эффект возникает только при условии, что неподеленная пара электронов сопряжена с π-связью , т. е. их разделяет только одна одинарная связь. При удалении галогена от двойной связи (как в 3-фторопропене-1) мезомерный эффект исчезает. Индуктивный эффект действует во всех галогенопроизводных, но в случае 2-хлоропропена мезомерный эффект сильнее, чем индуктивный.

Мезомерным (±М) эффектом называется смещение я -электронов в цепочке sp 2 -aтомовуглерода при возможном участии неподеленной электронной пары функциональной группы.

Мезомерный эффект может быть как положительным (+М), так и отрицательным (-М). У атомов галогенов положительный мезомерный эффект и одновременно отрицательный индуктивный эффект. Отрицательный мезомерный эффект имеют функциональные группы с двойными связями у атомов кислорода (см. ниже).

задание 15.14. Напишите структурную формулу продукта реакции присоединения хлороводорода к 1-хлоробутену-1.

Оксосинтез. Важное промышленное значение имеет реакция алкенов с оксидом углерода(II) и водородом. Она проводится при повышенной температуре под давлением более 100 атм. Катализатором служит металлический кобальт, который образует промежуточные соединения с СО. Продуктом реакции является оксосоединение - альдегид, содержащий на один атом углерода больше, чем исходный алкен:

Алкадиены

Углеводороды с двумя двойными связями называют алкадиенами, а также более коротко диенами. Общая формула диенов С n Н 2n-2 Существуют три основных гомологических ряда диеновых углеводородов:

задание 15.15. Укажите, в каких гибридных состояниях находятся атомы углерода в диеновых углеводородах, приведенных выше.

Наибольшее практическое значение имеют сопряженные диеновые углеводороды, так как они служат сырьем для получения различных видов каучука и резины. Несопряженные диены обладают обычными свойствами алкенов. В сопряженных диенах имеются четыре расположенных подряд sр 2 -атома углерода. Они находятся в одной плоскости, а их негибридные р-орбитали ориентированы параллельно (рис. 15.2). Поэтому происходит перекрывание между всеми соседними р-орбиталями, и образуются π-связи не только между 1- 2 и 3- 4, но и между 2-3 атомами углерода. В то же время электроны должны образовать два двухэлектронных облака. Возникает наложение (резонанс) разных состояний л-электронов с промежуточной кратностью связи между одинарной и двойной:

Эти связи называются сопряженными. Связь между 2-3 атомами углерода оказывается укороченной по сравнению с обычной одинарной связью, чем подтверждается ее увеличенная кратность. При низкой температуре сопряженные диены ведут себя преимущественно как соединения с двумя двойными связями, а при повышенной температуре - как соединения с сопряженными связями.

Два важнейших диена - бутадиен-1,3 (дивинил) и 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)- получают из бута-

Рис. 15.2. Перекрывание р-орбиталей в молекуле диена

новой и пентановой фракций, являющихся продуктами переработки природного газа:

Бутадиен получается также по методу С. В. Лебедева из спирта:

Реакции электрофильного присоединения в сопряженных диенах идут своеобразно. Бутадиен при охлаждении до -80 °С присоединяет первую молекулу брома в положение 1,2:

Этот продукт получается с выходом 80%. Остальные 20% приходятся на продукт 1,4-присоединения:

Оставшаяся двойная связь локализуется между вторым и третьим атомами углерода. Сначала бром присоединяется к концевому атому углерода, образуя карбонатнон (частицу с положительным зарядом на углероде):

В процессе движения л-электроны оказываются то в положении 2, 3, то в положении 3, 4. При низкой температуре они чаще занимают положение 3, 4, и поэтому преобладает продукт 1,2-присоединения. Если бромирование проводится при температуре 40 °С, то продукт 1,4-присоединения становится главным, его выход поднимается до 80%, а остальное - продукт 1,2-присоединения.

задание 15.16. Напишите продукты последовательного присоединения брома и хлора к изопрену при повышенной температуре.

Бутадиен и изопрен легко полимеризуются с образованием различных каучуков. Катализаторами полимеризации могут служить щелочные металлы, органические соединения щелочных металлов, катализаторы Циглера-Натта. Полимеризация идет по типу 1,4-присоединения. Молекулы каучуков по своему строению относятся к несопряженным полиенам, т. е. к углеводородам с большим числом двойных связей. Это гибкие молекулы, способные как растягиваться, так и сворачиваться в клубки. На двойных связях в каучуках возникает как цис-, так и транс-расположение атомов водорода и радикалов. Наилучшими свойствами обладают цис-бутадиеновый и цыс-изопреновый (природный) каучуки. Их структура показана на рис. 15.3. В природе встречается также транс-полиизопрен (гуттаперча). На приведенных формулах кау-

Рис. 15.3. Структура молекул некоторых каучуков

чуков вокруг связей, изображенных пунктиром, возможно внутреннее вращение. Каучуки, в молекулах которых при двойных связях имеется как цис-, так и торакс-конфигурация, называются нерегулярными. По свойствам они уступают регулярным каучукам.

задание 15.17. Нарисуйте структуру транс-полибу тадиена.

задание 15.18. Известно хлоропроизводное бутадиена хлоропрен (2-хлоробутадиен-1,3), из которого получают хлоропреновый каучук. Напишите структурную формулу цис-хлоропренового каучука.

Из каучуков производится резина, практическое применение которой необычайно широко. Наибольшее количество ее идет на изготовление колесных покрышек. Для получения резины каучук смешивают с серой и нагревают. Атомы серы присоединяются по двойным связям, создавая между молекулами каучука множество мостиков. Образуется пространственная сетка связей, объединяющая практически в одну молекулу все имеющиеся молекулы каучука. В то время как каучук растворяется в углеводородах, резина способна только набухать, вбирая растворитель в пустые ячейки между участками углеводородных цепей и серными мостиками.

Алкины

Еще один гомологический ряд составляют алкины - углеводороды с тройной связью между атомами углерода:

Общая формула этого ряда C n H 2n _ 2 такая же, как для гомологического ряда диенов. Первым членом ряда является ацетилен С 2 Н 2 , или, по систематической номенклатуре, этин. Следующие члены ряда пропин С 3 Н 4 , бутин С 4 Н 6 , пентин С 5 Н 8 и т. д. Подобно алкенам и диенам, это тоже ненасыщенные углеводороды, но в данном ряду атомы углерода, связанные тройной

связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. Их гибридные орбитали направлены в противоположные стороны под углом 180° и создают линейную группировку, включающую водород или углеродные атомы радикалов:

задание 15.19. Напишите структурные формулы пропина и бутина. Имеют ли они изомеры?

задание 15.20. Рассмотрите схему перекрывания орбиталей в молекуле ацетилена (с. 188). Какими орбиталями образованы л-связи между атомами углерода?

Тройная связь в алкенах характеризуется энергией Е св = 828 кДж/моль. Это на 222 кДж/моль больше, чем энергия двойной связи в алкенах. Расстояние С=С уменьшается до 120 пм. Несмотря на наличие такой прочной связи, ацетилен неустойчив и может разлагаться со взрывом на метан и уголь:

Это свойство объясняется тем, что в продуктах разложения уменьшается число менее прочных π-связей , вместо которых создаются σ-связи в метане и графите. С неустойчивостью ацетилена связано большое выделение энергии при его сгорании. Температура пламени достигает 3150 °С. Это достаточно для резки и сварки стали. Ацетилен хранят и перевозят в баллонах белого цвета, в которых он находится в ацетоновом растворе под давлением -10 атм.

Алкины проявляют изомерию углеродного скелета и положения кратной связи. Пространственнаяцистранс изомерия отсутствует.

задание 15.21. Напишите структурные формулы всех возможных изомеров С 5 Н 8 , имеющих тройную связь.

Получение. Ацетилен образуется при гидролизе карбида кальция:

Другой практически важный способ получения ацетилена основан на быстром нагревании метана до 1500-1600 °С. При этом метан разлагается и одновременно образуется до 15% ацетилена. Смесь газов быстро охлаждают. Ацетилен отделяют растворением в воде под давлением. Объемный коэффициент растворимости ацетилена больше, чем у других углеводородов: K V = 1,15(15 °С).

Алкины образуются при двойном элиминировании дигалогенопроизводных:

пример 15.4. Как получить бутин-2 из бутена-1 в четыре стадии?

решение. Напишем уравнения реакций.

Химические свойства. Ацетилен взрывается при температуре -500 °С или под давлением больше 20 атм, разлагаясь на уголь и водород с примесью метана. Молекулы ацетилена могут также соединяться между собой. В присутствии CuCl происходит димеризация с образованием винилацетилена:

задание 15.22. Назовите винилацетилен по систематической номенклатуре.

При пропускании над нагретым углем ацетилен тримеризуется, образуя бензол:

Перманганат калия в слабо щелочной среде окисляет алкины с сохранением σ-связи между атомами углерода:

В данном примере продуктом реакции является оксалат калия - соль щавелевой кислоты. Окисление перманганатом калия в кислой среде приводит к полному разрыву тройной связи:

ЗАДАНИЕ 15.23. Составьте уравнение реакции окисления бутина-2 перманганатом калия в слабощелочной среде.

Несмотря на большую ненасыщенность молекул, реакции электрофильного присоединения у алкинов идут труднее (медленнее), чем у алкенов. Алкины последовательно присоединяют две молекулы галогена. Присоединение галогеноводородов и воды идет по правилу Марковникова. Для присоединения воды необходим катализатор - сульфат ртути в кислой среде (реакция Кучерова):

Гидроксильная группа ОН, связанная с sp 2 -yvnepo дом, неустойчива. Электронная пара смещается от кислорода к ближайшему атому углерода, а протон переходит к следующему атому углерода:

Таким образом, конечным продуктом реакции пропина с водой оказывается оксосоединение ацетон.

Реакция замещения водорода. Углерод в состоянии sp-гибридизации характеризуется несколько большей электроотрицательностью, чем в состояниях sp 2 и sp 3 . Поэтому в алкинах полярность связи С -Н повышена, и водород становится относительно подвижным. Алкины реагируют с растворами солей тяжелых металлов, образуя продукты замещения. В случае ацетилена эти продукты называютсяацетилениды:

К ацетиленидам относится и карбид кальция (с. 364). Следует отметить, что ацетилениды щелочных и щелочно-земельных металлов полностью гидрол изуются. Ацетилениды реагируют с галогенопроизводными углеводородов с образованием различных гомологов ацетилена.

CH 3 -CH 3 + Cl 2 – (hv) ---- CH 3 -CH 2 Cl + HCl

C 6 H 5 CH 3 + Cl 2 --- 500 C --- C 6 H 5 CH 2 Cl + HCl

Реакции присоединеия

Такие реакции характерны для органических соединений, содержащих кратные(двойные или тройные) связи. К реакциям этого типа относятся реакции присоединения галогенов, галогеноводородов и воды к алкенам и алкинам

CH 3 -CH=CH 2 + HCl ---- CH 3 -CH(Cl)-CH 3

Реакции отщепления (элиминирования)

Это реакции, приводящие к образованию кратных связей. При отщеплении галогеноводородов и воды наблюдается определенная селективность реакции, описываемая правилом Зайцева, согласно которому атом водорода отщепляется от того атома углерода, при котором находится меньше атомов водорода. Пример реакции

CH3-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + KOH →CH 3 -CH=CH-CH 3 + HCl

Полимеризации и поликонденсации

n(CH 2 =CHCl)  (-CH 2 -CHCl)n

Окислительно-восстановительные

Наиболее интенсивная из окислительных реакций – это горение, реакция, характерная для всех классов органических соединений. При этом в зависимости от условий горения углерод окисляется до С (сажа), СО или СО 2 , а водород превращается в воду. Однако для химиков-органиков большой интерес представляют реакции окисления, проводимые в гораздо более мягких условиях, чем горение. Используемые окислители: растворы Br2 в воде или Cl2 в CCl 4 ; KMnO 4 в воде или разбавленной кислоте; оксид меди; свежеосажденные гидроксиды серебра (I) или меди(II).

3C 2 H 2 + 8KMnO 4 +4H 2 O→3HOOC-COOH + 8MnO 2 + 8KOH

Этерификации (и обратной ей реакции гидролиза)

R 1 COOH + HOR 2 H+  R 1 COOR 2 + H 2 O

Циклоприсоединение

Y R Y-R

‖ + ‖ → ǀ ǀ

R Y R-Y

‖ + →

11. Классификация органических реакций по механизму. Примеры.

Механизм реакции предполагает детальное постадийное описание химических реакций. При этом устанавливают, какие именно ковалентные связи разрываются, в каком порядке и каким путем. Столь же тщательно описывают образование новых связей в процессе реакции. Рассматривая механизм реакции, прежде всего обращают внимание на способ разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле. Таких способов два – гомолитический и гетеролитический.

Радикальные реакции протекают путем гомолитического (радикального) разрыва ковалентной связи:

Радикальному разрыву подвергаются неполярные или малополярные ковалентные связи (С–С, N–N, С–Н) при высокой температуре или под действием света. Углерод в радикале СН 3 имеет 7 внешних электронов (вместо устойчивой октетной оболочки в СН 4). Радикалы неустойчивы, они стремятся захватить недостающий электрон (до пары или до октета). Один из способов образования устойчивых продуктов – димеризация (соединение двух радикалов):

СН 3 + СН 3 СН 3 : СН 3 ,

Н + Н Н : Н.

Радикальные реакции – это, например, реакции хлорирования, бромирования и нитрования алканов:

Ионные реакции протекают с гетеролитическим разрывом связи. При этом промежуточно образуются короткоживущие органические ионы – карбкатионы и карбанионы – с зарядом на атоме углерода. В ионных реакциях связывающая электронная пара не разъединяется, а целиком переходит к одному из атомов, превращая его в анион:

К гетеролитическому разрыву склонны сильно полярные (Н–O, С–О) и легко поляризуемые (С–Вr, С–I) связи.

Различают нуклеофильные реакции (нуклеофил – ищущий ядро, место с недостатком электронов) и электрофильные реакции (электрофил – ищущий электроны). Утверждение, что та или иная реакция является нуклеофильной или электрофильной, условно всегда относится к реагенту. Реагент – участвующее в реакции вещество с более простой структурой. Субстрат – исходное вещество с более сложной структурой. Уходящая группа – это замещаемый ион, который был связан с углеродом. Продукт реакции – новое углеродсодержащее вещество (записывается в правой части уравнения реакции).

К нуклеофильным реагентам (нуклеофилам) относят отрицательно заряженные ионы, соединения с неподеленными парами электронов, соединения с двойными углерод-углеродными связями. К электрофильным реагентам (электрофилам) относят положительно заряженные ионы, соединения с незаполненными электронными оболочками (АlCl 3 , ВF 3 , FeCl 3), cоединения с карбонильными группами, галогены. Электрофилы – любые атом, молекула или ион, способные присоединить пару электронов в процессе образования новой связи. Движущая сила ионных реакций – взаимодействие противоположно заряженных ионов или фрагментов разных молекул с частичным зарядом (+ и –).

Примеры ионных реакций разных типов.

Нуклеофильное замещение :

Электрофильное замещение :

Нуклеофильное присоединение (сначала присоединяется CN – , потом Н +):

Электрофильное присоединение (сначала присоединяется Н + , потом Х –):

Элиминирование при действии нуклеофилов (оснований) :

Элиминирование при действии электрофилов (кислот) :

Органические реакции можно подразделить на два общих типа.

Гемолитические реакции. Эти реакции протекают по радикальному механизму. Мы подробнее познакомимся с ними в следующей главе. Кинетика и механизм реакций этого типа обсуждались в гл. 9.

Гетеролитические реакции. Эти реакции в сущности являются ионными реакциями. Их можно в свою очередь подразделить на реакции замещения, присоединения и элиминирования (отщепления).

Реакции замещения

В этих реакциях какой-либо атом или группа атомов замещается другим атомом либо группой. В качестве примера реакций данного типа приведем гидролиз хлорометана с образованием метанола:

Гидроксильный ион представляет собой нуклеофил. Поэтому рассматриваемое замещение называется нуклеофильным замещением. Оно обозначается символом SN. Замещаемая частица (в рассматриваемом случае ион хлора) называется уходящей группой.

Если обозначить нуклеофил символом а уходящую группу-символом , то можно записать обобщенное уравнение реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода в алкильной группе R следующим образом:

Исследование скорости протекания реакций этого типа показывает, что -реакции можно подразделить на

Реакции типа Для некоторых реакций типа SN кинетическое уравнение скорости реакции (см. разд. 9.1) имеет вид

Таким образом, эти реакции имеют первый порядок по субстрату но нулевой порядок по реагенту Кинетика, характерная для реакции первого порядка, является достоверным указанием на то, что лимитирующая стадия реакции представляет собой мономолекулярный процесс. Поэтому реакции подобного типа обозначаются символом .

Реакция имеет нулевой порядок по реагенту поскольку ее скорость не зависит от концентрации реагента Поэтому можно записать:

Поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии реакции, механизм такой реакции должен включать по меньшей мере две стадии. Для подобных реакций предложен следующий механизм:

Первая стадия представляет собой ионизацию с образованием карбкатиона Эта стадия является лимитирующей (медленной).

Примером реакций типа является щелочный гидролиз третичных алкилгало-генидов. Например

В рассматриваемом случае скорость реакции определяется уравнением

Реакции типа Для некоторых реакций нуклеофильного замещения SN уравнение скорости имеет вид

В данном случае реакция имеет первый порядок по нуклеофилу и первый порядок по . В целом она является реакцией второго порядка. Это является достаточным основанием считать, что лимитирующая стадия этой реакции представляет собой бимолекулярный процесс. Поэтому реакция рассматриваемого типа обозначается символом Поскольку в лимитирующей стадии реакции одновременно участвуют и нуклеофил, и субстрат можно думать, что эта реакция протекает в одну стадию через переходное состояние (см. разд. 9.2):

Гидролиз первичных алкилгалогенидов в щелочной среде протекает по механизму

Эта реакция имеет следующее кинетическое уравнение:

До сих пор мы рассматривали нуклеофильное замещение только у насыщенного атома углерода. Нуклеофильное замещение возможно также у ненасыщенного атома углерода:

Реакции такого типа называются нуклеофильным ацильным замещением.

Электрофильное замещение. На бензольных циклах могут протекать также реакции электрофильного замещения. При замещении такого типа бензольное кольцо поставляет электрофилу два из своих делокализованных -электронов. При этом образуется промежуточное соединение - неустойчивый -комплекс из электрофила и уходящей группы. Для схематического изображения таких комплексов используется незамкнутая окружность, указывающая на потерю двух -электронов:

Примером реакций электрофильного замещения может служить нитрование бензола:

Нитрование бензола проводится в установке с обратным холодильником при температуре от 55 до 60 °С с использованием нитрующей смеси. Такая смесь содержит равные количества концентрированных азотной и серной кислот. Реакция между этими кислотами приводит к образованию нитроильного катиона

Реакции присоединения

В реакциях этого типа происходит присоединение электрофила либо нуклеофила к ненасыщенному атому углерода. Мы рассмотрим здесь по одному примеру электрофильного присоединения и нуклеофильного присоединения.

Примером электрофильного присоединения может служить реакция между бромоводородом и каким-либо алкеном. Для получения бромоводорода в лабораторных условиях может использоваться реакция между концентрированной серной кислотой и бромидом натрия (см. разд. 16.2). Молекулы бромоводорода полярны, потому что атом брома оказывает отрицательный индуктивный эффект на водород. Поэтому молекула бромоводорода обладает свойствами сильной кислоты. Согласно современным воззрениям, реакция бромоводорода с алкенами протекает в две стадии. На первой стадии положительно заряженный атом водорода атакует двойную связь, которая выступает в роли источника электронов. В результате образуются активированный комплекс и бромид-ион:

Затем бромид-ион атакует этот комплекс, в результате чего образуется алкилбромид:

В качестве примера нуклеофильного присоединения можно привести присоединение циановодорода к какому-либо альдегиду либо кетону. Сначала альдегид или кетон обрабатывают водным раствором цианида натрия Затем добавляют избыточное количество какой-либо минеральной кислоты, что приводит к образованию циановодорода HCN. Цианидный ион является нуклеофилом. Он атакует положительно заряженный атом углерода на карбонильной группе альдегида или кетона. Положительный заряд и полярность карбонильной группы обусловлены мезомерным эффектом, который был описан выше. Реакцию можно представить следующей схемой:

Реакции элиминирования (отщепления)

Эти реакции являются обратными по отношению к реакциям присоединения. Они приводят к удалению каких-либо атомов или групп атомов от двух углеродных атомов, связанных между собой простой ковалентной связью, в результате чего между ними образуется кратная связь.

Примером подобной реакции является отщепление водорода и галогена от алкилгалогенидов:

Для проведения этой реакции алкилгалогенид обрабатывают гидроксидом калия в спирте при температуре 60 °С.

Следует отметить, что обработка алкилгалогенида гидроксидом приводит также к нуклеофильному замещению (см. выше). В результате одновременно протекают две конкурирующие между собой реакции замещения и отщепления, что приводит к образованию смеси продуктов замещения и отщепления. Какая из этих реакций окажется преобладающей, зависит от целого ряда факторов, в том числе от среды, в которой проводится реакция. Нуклеофильное замещение алкилгалогенидов проводится в присутствии воды. В отличие от этого реакции отщепления проводятся в отсутствие воды и при более высоких температурах.

Итак, повторим еще раз!

1. При гемолитическом расщеплении связи два обобществленных электрона распределяются равномерно между атомами.

2. При гетеролитическом расщеплении связи два обобществленных электрона распределяются неравномерно между атомами.

3. Карбанион это ион, содержащий атом углерода с отрицательным зарядом.

4. Карбкатион - это ион, содержащий атом углерода с положительным зарядом.

5. Эффекты растворителя могут оказывать значительное влияние на химические процессы и их константы равновесия.

6. Влияние химического окружения функциональной группы внутри молекулы на реакционную способность этой функциональной группы называется структурным эффектом.

7. Электронные эффекты и стерические эффекты вместе называются структурными эффектами.

8. Двумя важнейшими электронными эффектами являются индуктивный эффект и мезомерный (резонансный) эффект.

9. Индуктивный эффект заключается в смещении электронной плотности от одного атома к другому, что приводит к поляризации связи между двумя атомами. Этот эффект может быть положительным либо отрицательным.

10. Молекулярные частицы с кратными связями могут существовать в форме резонансных гибридов между двумя или несколькими резонансными структурами.

11. Мезомерный (резонансный) эффект заключается в стабилизации резонансных гибридов вследствие делокализации -электронов.

12. Стерическое препятствие может возникать в тех случаях, когда объемистые группы в какой-либо молекуле механически препятствуют протеканию реакции.

13. Нуклеофил - частица, которая атакует атом углерода, поставляя ему свою электронную пару. Нуклеофил представляет собой основание Льюиса.

14. Электрофил - частица, которая атакует атом углерода, акцептируя его электронную пару. Нуклеофил представляет собой кислоту Льюиса.

15. Гемолитические реакции являются радикальными реакциями.

16. Гетеролитические реакции представляют собой главным образом ионные реакции.

17. Замещение какой-либо группы в молекуле нуклеофильным реагентом называется нуклеофильным замещением. Замещаемая группа в этом случае называется уходящей группой.

18. Электрофилъное замещение на бензольном кольце включает донирование двух делокализованных электронов какому-либо электрофилу.

19. В реакциях электрофильного присоединения происходит присоединение какого-либо электрофила к ненасыщенному атому углерода.

20. Присоединение циановодорода к альдегидам или кетонам является примером нуклеофильного присоединения.

21. В реакциях элиминирования (отщепления) происходит отрыв каких-либо атомов или групп атомов от двух атомов углерода, связанных между собой простой ковалентной связью. В результате образуется кратная связь между этими атомами углерода.