Реакция замещения присоединения. Классификация реакций в органической химии

Разделение химических реакций на органические и неорганические является довольно условным. К типичным органическим реакциям относят те, в которых участвует хотя бы одно органическое соединение, которое в ходе реакции изменяет свою молекулярную структуру. Поэтому реакции, в которых молекула органического соединения выступает в качестве растворителя или лиганда, к типичным органическим реакциям не относятся.

Органические реакции, так же, как и неорганические, могут быть классифицированы по общим признакам на реакции переноса:

– единичного электрона (окислительно-восстановительные);

– электронных пар (реакции комплексообразования);

– протона (кислотно-основные реакции);

– атомных групп без изменения числа связей (реакции замещения и перегруппировки);

– атомных групп с изменением числа связей (реакции присоединения, элиминирования, разложения).

Вместе с тем, многообразие и своеобразие органических реакций приводит к необходимости их классификации и по другим признакам:

– изменению числа частиц в ходе реакции;

– характеру разрыва связей;

– электронной природе реагентов;

– механизму элементарных стадий;

– типу активирования;

– частным признакам;

– молекулярности реакций.

1) По изменению числа частиц в ходе реакции (или по типу превращения субстрата) различают реакции замещения, присоединения, элиминирования (отщепления), разложения и перегруппировки.

В случае реакций замещения один атом (или группа атомов) в молекуле субстрата замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуется новое соединение:

СН 3 – СН 3 + С1 2  СН 3 – СН 2 С1 + НC1

этан хлор хлорэтан хлороводород

СН 3 – СН 2 С1 + NaOH (водный р-р)  СН 3 – СН 2 ОН + NaC1

хлорэтан гидроксид натрия этанол хлорид натрия

В символе механизма реакции замещения обозначаются латинской буквой S (от англ. «substitution» – замещение).

При протекании реакций присоединения из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество. При этом реагент присоединяется по кратной связи (С= С, С С, С= О, С N) молекулы субстрата:

CH 2 = CH 2 + HBr → CH 2 Br – СH 3

этилен бромоводород бромэтан

С учетом символики механизма процессов реакции присоединения обозначаются буквой A или сочетанием Ad (от англ. «addition» – присоединение).

В результате реакции элиминирования (отщепления) от субстрата отщепляется молекула (или частица) и образуется новое органическое вещество, содержащее кратную связь:

СН 3 – СН 2 ОН СН 2 = СН 2 + Н 2 О

этанол этилен вода

В символе механизма реакции замещения обозначаются буквой E (от англ. «elimination» – элиминирование, отщепление).

Реакции разложения протекают, как правило, с разрывом связей углерод – углерод (С– С) и приводят к образованию из одного органическоговещества двух или более веществ более простого строения:

СН 3 – СН(ОН) – СООН
СН 3 – СНО + HCООН

молочная кислота ацетальдегид муравьиная кислота

Перегруппировка – реакция, в ходе которой структура субстрата меняется с образованием продукта, который является изомерным исходному, то есть без изменения молекулярной формулы. Этот тип превращения обозначают латинской буквой R (от английского «rearrangement» – перегруппировка).

Например, 1-хлорпропан перегруппировывается в изомерное соединение 2-хлорпропан в присутствии хлорида алюминия, выступающего в качестве катализатора.

СН 3 – СН 2 – СН 2 – С1  СН 3 – СНС1 – СН 3

1-хлорпропан 2-хлорпропан

2) По характеру разрыва связей различают гомолитические (радикальные), гетеролитические (ионные) и синхронные реакции.

Ковалентная связь между атомами может быть разорвана таким образом, что электронная пара связи делится между двумя атомами, образующиеся частицы получают по одному электрону и становятся свободными радикалами – говорят, что происходит гомолитическое расщепление. Новая связь при этом образуется за счёт электронов реагента и субстрата.

Радикальные реакции особенно распространены в превращениях алканов (хлорирование, нитрование и др.).

При гетеролитическом способе разрыва связи общая электронная пара передаётся одному из атомов, образовавшиеся частицы становятся ионами, обладают целочисленным электрическим зарядом и подчиняются законам электростатического притяжения и отталкивания.

Гетеролитические реакции по электронной природе реагентов подразделяются на электрофильные (например, присоединение по кратным связям в алкенах или замещение водорода в ароматических соединениях) и нуклеофильные (например, гидролиз галогенпроизводных или взаимодействие спиртов с галогеноводородами).

Каков механизм реакции – радикальный или ионный, можно установить, изучив экспериментальные условия, благоприятствующие течению реакции.

Так, радикальные реакции, сопровождающиеся гомолитическим разрывом связи:

– ускоряются при облучении h, в условиях высоких температур реакции в присутствии веществ, легко разлагающихся с образованием свободных радикалов (например, перекиси);

– замедляются в присутствии веществ, легко реагирующих со свободными радикалами (гидрохинон, дифениламин);

– обычно проходят в неполярных растворителях или газовой фазе;

– часто являются автокаталитическими и характеризуются наличием индукционного периода.

Ионные реакции, сопровождающиеся гетеролитическим разрывом связи:

– ускоряются в присутствии кислот или оснований и не подвержены влиянию света или свободных радикалов;

– не подвержены влиянию акцепторов свободных радикалов;

– на скорость и направление реакции влияет природа растворителя;

– редко идут в газовой фазе.

Синхронные реакции протекают без промежуточного образования ионов и радикалов: разрыв старых и образование новых связей происходят синхронно (одновременно). Примером синхронной реакции является диеновый синтез – реакция Дильса-Альдера.

Обратите внимание, особая стрелка, которую применяют для обозначения гомолитического разрыва ковалентной связи, означает перемещение одного электрона.

3) В зависимости от электронной природы реагентов реакции подразделяют на нуклеофильные, электрофильные и свободнорадикальные.

Свободные радикалы – это электронейтральные частицы, имеющие неспаренные электроны, например: Cl  ,  NO 2 ,
.

В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом R.

Нуклеофильные реагенты – это одно- или многоатомные анионы или электронейтральные молекулы, имеющие центры с повышенным частичным отрицательным зарядом. К ним относятся такие анионы и нейтральные молекулы, как HO – , RO – , Cl – , Br – , RCOO – , CN – , R – , NH 3 , C 2 H 5 OH и т.д.

В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом N.

Электрофильные реагенты – это катионы, простые или сложные молекулы, которые сами по себе или же в присутствии катализатора обладают повышенным сродством к электронной паре или отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся катионы H + , Cl + , + NO 2 , + SO 3 H, R + и молекулы со свободными орбиталями: AlCl 3 , ZnCl 2 и т.п.

В символе механизма электрофильные реакции обозначаются нижним индексом E.

Нуклеофилы представляют собой доноры электронов, а электрофилы – их акцепторы.

Электрофильные и нуклеофильные реакции можно рассматривать как кислотно-основные; в основе такого подхода лежит теория обобщённых кислот и оснований (кислоты Льюиса – это акцептор электронной пары, основание Льюиса – донор электронной пары).

Однако следует различать понятия электрофильности и кислотности, так же как нуклеофильности и основности, ибо они не идентичны. Например, основность отражает сродство к протону, а нуклеофильность оценивается чаще всего как сродство к атому углерода:

ОН – + Н +  Н 2 О гидроксид-ион как основание

ОН – + СН 3 +  СН 3 ОН гидроксид-ион как нуклеофил

4) В зависимости от механизма элементарных стадий реакции органических соединений могут быть самыми различными: нуклеофильное замещение S N , электрофильное замещение S E , свободнорадикальное замещение S R , парное отщепление, или элиминирование Е, нуклеофильное или электрофильное присоединение Ad E и Ad N и т. д.

5) По типу активирования реакции подразделяют на каталитические, некаталитические и фотохимические.

Каталитическими называют реакции, протекание которых требует присутствия катализатора. Если в качестве катализатора выступает кислота, речь идёт о кислотном катализе. К кислотно-катализируемым относят, например, реакции этерификации с образованием сложных эфиров, дегидратации спиртов с образованием непредельных соединений и т.д.

Если катализатором является основание, то говорят об основном катализе (как показано ниже, это характерно для метанолиза триацилглицеринов).

Некаталитическими являются реакции, которые не требуют присутствия катализатора. Они ускоряются только при повышении температуры, поэтому их иногда называют термическими, хотя этот термин не используется широко. Исходными реагентами в этих реакциях служат высокополярные или заряженные частицы. Это могут быть, например, реакции гидролиза, кислотно-основные взаимодействия.

Фотохимические реакции активируются облучением (фотонами, h); эти реакции не протекают в темноте даже при значительном нагревании. Эффективность процесса облучения измеряется квантовым выходом, который определяется как число прореагировавших молекул реагента на один поглощённый квант света. Некоторые реакции характеризуются квантовым выходом меньше единицы, для других, например для цепных реакций галогенирования алканов, этот выход может достигать 10 6 .

6) По частным признакам классификация реакций чрезвычайно разнообразна: гидратация и дегидратация, гидрирование и дегидрирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, карбоксилирование и декарбоксилирование, енолизация, замыкание и размыкание циклов, изомеризация, окислительная деструкция, пиролиз, полимеризация, конденсация и др.

7) Молекулярность органической реакции определяют по числу молекул, в которых происходит реальное изменение ковалентных связей на самой медленной стадии реакции, определяющей её скорость. Различают следующие виды реакций:

– мономолекулярные – в лимитирующей стадии участвует одна молекула;

– бимолекулярные – таких молекул две и т.д.

Молекулярности выше трех, как правило, не бывает. Исключение составляют топохимические (твердофазные) реакции.

Молекулярность отражают в символе механизма реакции, добавляя соответствующую цифру, например: S N 2 – замещение нуклеофильное бимолекулярное, S E 1 – замещение электрофильное мономолекулярное; Е1 – элиминирование мономолекулярное и т.д.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на атомы галогенов:

СН 4 + С1 2  СН 3 С1 + НC1

Реакция идет по цепному радикальному механизму (атакующая частица – радикал хлора C1  ). Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая реакция; тип активирования – фотохимический или термический; по частным признакам – галогенирование; механизм реакции – S R .

Пример 2 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на нитрогруппу. Эта реакция носит название реакции нитрования и идет по схеме:

R– H + HО– NО 2  R– NО 2 + Н 2 О

Реакция нитрования в алканах также идет по цепному радикальному механизму. Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; тип активирования – термический; по частным признакам – нитрование; по механизму – S R .

Пример 3 . Алкены легко присоединяют по двойной связи галогеноводород:

CH 3 – CH = CH 2 + HBr → CH 3 – CHBr – СH 3 .

Реакция может идти по механизму электрофильного присоединения, а значит, по электронной природе реагентов – реакция электрофильная (атакующая частица - Н +); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad E .

Эта же реакция в присутствии перекисей может идти по радикальному механизму, тогда по электронной природе реагентов – реакция будет радикальной (атакующая частица – Br  ); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad R .

Пример 4 . Реакция щелочного гидролиза алкилгалогенидов протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения.

СН 3 СН 2 I + NaОН  СН 3 СН 2 ОН + NaI

Значит, по электронной природе реагентов – реакция нуклеофильная (атакующая частица – ОН –); по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая, по частным признакам – гидролиз; по механизму – S N 2.

Пример 5 . При взаимодействии алкилгалогенидов со спиртовыми растворами щелочей образуются алкены.

СН 3 СН 2 СН 2 Br
[СН 3 СН 2 С + Н 2 ]  СН 3 СН= СН 2 + H +

Это объясняется тем, что образующийся карбкатион стабилизируется не присоединением иона гидроксила, концентрация которого в спирте незначительна, а отщеплением протона от соседнего атома углерода. Реакция по изменению числа частиц – отщепление; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – дегидрогалогенирование; по механизму – элиминирование Е.

Контрольные вопросы

1. Перечислите признаки, по которым классифицируют органические реакции.

2. Как можно классифицировать следующие реакции:

– сульфирование толуола;

– взаимодействие этанола и серной кислоты с образованием этилена;

– бромирование пропена;

– синтез маргарина из растительного масла.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №19»

г.Мичуринска Тамбовской области

Типы химических реакций

в органической химии

Головкина Светлана Александровна,

учитель химии МБОУ СОШ №19 г.Мичуринска

Содержание

Аннотация……………………………………………………………………….3

Введение…………………………………………………………………………4

Спецификация тестов…………………………………………………………...5

Тесты 9 класс ………………………………………………………………15

Тесты 11 класс …………………………………………………………………24

Информационные ресурсы……………………………………………………..33

Аннотация.

В данной работе отражен подход авторов к изучению типов химических реакций в органической химии. Предлагаемый материал может быть интересен учителям химии, работающим в основной и полной общеобразовательной школе, так как он дает обобщение основным понятиям типов химических реакций в органической химии, которые позволят осуществить подготовку к ГИА И ЕГЭ и отработать материал по данной теме.

Введение.

Материал органической химии сложен для понимания, особенно в 9 классе, где на его изучение отводится очень мало времени, при большом объеме теоретического материала. Вопросы по органической химии включены в КИМы ГИА и ЕГЭ, при подготовки обучающихся к итоговой аттестации учитель часто сталкивается с непониманием данного материала. Интенсифицировать процесс преподавания и повысить качество усвоения органической химии можно активно, используя при его изучении современные технологии обучения, например, применение ИКТ, технологии тестового контроля. В пособии учителя делятся своим опытом при изучении небольшого, но сложного материала.

Спецификация тестов по подготовке к ГИА и ЕГЭ

Назначение тестов – оценить общеобразовательную подготовку обучающихся по типам химических реакций.

Преемственность содержания материала тестов – показать взаимосвязь базовых понятий неорганической и органической химии.

Характеристика содержания тестов – каждый вариант тестового контроля состоит из трех частей и заданий. Одинаковые по уровню сложности и форме представления задания сгруппированы в определенных частях работы.

Часть А содержит 10 заданий на выбор ответа базового уровня сложности А1, А2 ….А10

Часть В содержит 3 задания на выбор ответа повышенного уровня сложности В1, В2, В3

ЧастьС содержит 1 задание высокого уровня сложности.

Таблица 1 Распределения заданий по частям работы.

Задания с выбором ответа проверяют основную часть изученного материала: язык химической науки, химические связи, знание свойств органических веществ, типы и условия протекания химических реакций.

Задания повышенного уровня сложности проверяют на повышенном уровне знания об окислительно- восстановительных реакциях. В работе предлагаются задания с выбором нескольких ответов.

Выполнение заданий повышенного уровня сложности позволяет осуществлять дифференциацию обучающихся по уровню их подготовки и на этой основе выставлять им более высокие оценки.

Задания с развернутым ответом – наиболее сложные в тесте. Эти задания проверяют усвоение следующих элементов содержания: количество вещества, молярный объем и молярная масса вещества, массовая доля растворенного вещества.

4.Распределение заданий контрольной работы по содержанию, проверяемым умениям и видам деятельности.

При определении содержания проверочных заданий контрольной работы учитывалось, какой объем каждой из содержательных блоков занимает в курсе химии

5.Время выполнения работы

На выполнение контрольной работы отводится 45 минут (1 урок)

Примерное распределение времени, отводимого на выполнение отдельных заданий:

для каждого задания части А до 2 мин.

для каждого задания части В до 5 мин.

для каждого задания части С до 10 мин.

6. Система оценивания отдельных заданий и работы в целом

Верное выполнение каждого задания части А оценивается 1 баллом.

Верное выполнение каждого задания части В оценивается 2 баллами;

допущена ошибка в одном из элементов ответа- 1 балл.

Выполнение заданий части С имеет вариативный характер, правильное и полное выполнение задания С1 - 4 балла,

Полученные обучающимися баллы за выполнение всех заданий суммируются. Оценка выставляется по пятибалльной шкале.

7. Градация оценки:

0 % - 25% - от набранных баллов «1»

26% - 50% - от набранных баллов «2»

51% - 75% - от набранных баллов «3»

76% - 85% - от набранных баллов «4»

86% - 100% - от набранных баллов «5»

Типы химических реакций в органической химии

Химическая реакция - это такое изменение веществ, при котором разрываются старые и образуются новые химические связи между частицами (атомами, ионами), из которых построены вещества.

Химические реакции классифицируются:

1. По числу и составу реагентов и продуктов

К этому типу реакций могут быть отнесены реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ.

Реакции разложения в органической химии, в отличие от реакций разложения в неорганической химии, имеют свою специфику. Их можно рассматривать как процессы, обратные присоединению, поскольку в результате чаще всего образуются кратные связи или циклы.

CH3-CH2-С=-СН СН3-С=-С-СН3

этилацетилен диметнлацетилен

Для того чтобы вступить в реакцию присоединения, органическая молекула должна иметь кратную связь (или цикл), эта молекула будет главной (субстрат). Молекула попроще (часто неорганическое вещество, реагент) присоединяется по месту разрыва кратной связи или раскрытия цикла.

чаще всего образуются кратные связи или циклы.

Их отличительный признак - взаимодействие простого вещества со сложным. Понятие «замещение» в органике шире, чем в неорганической химии. Если в молекуле исходного вещества какой-либо атом или функциональная группа заменяются на другой атом или группу, это тоже реакции замещения.

Реакции обмена - реакции, протекающие между сложными веществами, при которых их составные части обмениваются местами. Обычно эти реакции рассматривают как ионные. Реакции между ионами в растворах электролитов идут практически до конца в сторону образования газов, осадков, слабых электролитов.

2. По тепловому эффекту

Экзотермические реакции протекают с выделением энергии.

К ним относятся почти все реакции соединения.

Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения. Гидрирование этилена - пример экзотермической реакции. Она идет при комнатной температуре.

3. По использованию катализатора

Идут без участия катализатора.

Так как все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы - ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным.

4. По направлению

Протекают одновременно в двух противоположных направлениях.

Таких реакций подавляющее большинство.

В органической химии признак обратимости отражают названия - антонимы процессов:

гидрирование - дегидрирование,

гидратация - дегидратация,

полимеризация - деполимеризация.

Обратимы все реакции этерификации (противоположный процесс, как вы знаете, носит название гидролиза) и гидролиза белков, сложных эфиров, углеводов, полинуклеотидов. Обратимость этих процессов лежит в основе важнейшего свойства живого организма - обмена веществ.