Типы химических реакций в органической химии — Гипермаркет знаний. Реакции органических соединений Классификация органических реакций в органической химии

>> Химия: Типы химических реакций в органической химии

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации). Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести в рамки предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам из курса неорганической химии классификациями реакций, протекающих между неорганическими веществами.

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.

Реакции замещения

Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения.

В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие, как, например, алканы, циклоалканы или арены.

Приведем примеры таких реакций.

Многие реакции замещения открывают путь к получению разнообразных соединений, имеющих хозяйственное применение. Огромная роль в химической науке и промышленности отводится электрофильному и нуклеофильному замещению. В органическом синтезе эти процессы имеют ряд особенностей, на которые следует обратить внимание.

Разнообразие химических явлений. Реакции замещения

Химические изменения, связанные с превращениями веществ, отличаются целым рядом особенностей. Разными могут быть конечные результаты, тепловые эффекты; одни процессы идут до конца, в других наступает Изменение веществ часто сопровождается повышением или понижением степени окисления. При классификации химических явлений по их конечному результату обращают внимание на качественные и количественные отличия реагентов от продуктов. По этим признакам можно выделить 7 типов химических превращений, в том числе замещение, идущее по схеме: А—В + С А—С + В. Упрощенная запись целого класса химических явлений дает представление о том, что среди исходных веществ есть так называемая «атакующая» частица, замещающая в реагенте атом, ион, функциональную группу. Реакция замещения характерна для предельных и

Реакции замещения могут происходить в виде двойного обмена: А—В + С—Е А—С + В—Е. Один из подвидов — вытеснение, например, меди железом из раствора медного купороса: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. В качестве «атакующей» частицы могут выступать атомы, ионы или функциональные группы

Замещение гомолитическое (радикальное, SR)

При радикальном механизме разрыва ковалентных связей электронная пара, общая для разных элементов, пропорционально распределяется между «осколками» молекулы. Образуются свободные радикалы. Это неустойчивые частицы, стабилизация которых происходит в результате последующих превращений. Например, при получении этана из метана возникают свободные радикалы, участвующие в реакции замещения: СН 4 СН 3 . + .Н; СН 3 . + .СН 3 → С2Н5; Н. + .Н → Н2. Гомолитический разрыв связи по приведенному механизму замещения носит цепной характер. В метане атомы Н можно последовательно заменять на хлор. Аналогично идет реакция с бромом, но йод неспособен напрямую замещать водород в алканах, фтор слишком энергично с ними реагирует.

Гетеролитический способ разрыва связи

При ионном механизме протекания реакций замещения электроны неравномерно распределяются между вновь возникшими частицами. Связывающая пара электронов отходит полностью к одному из «осколков», чаще всего, к тому партнеру по связи, в сторону которого была смещена отрицательная плотность в полярной молекуле. К реакциям замещения относится реакция образования метилового спирта CH 3 OH. В бромметане CH3Br разрыв молекулы носит гетеролитический характер, заряженные частицы являются стабильными. Метил приобретает положительный заряд, а бром — отрицательный: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH 3 + + OH - → CH 3 OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Электрофилы и нуклеофилы

Частицы, которые испытывают нехватку электронов и могут их принять, получили название «электрофилы». К ним относятся атомы углерода, соединенные с галогенами в галогеналканах. Нуклеофилы обладают повышенной электронной плотностью, они «жертвуют» пару электронов при создании ковалентной связи. В реакциях замещения богатые отрицательными зарядами нуклеофилы подвергаются атаке электрофилов, испытывающих нехватку электронов. Это явление связано с перемещением атома или другой частицы — уходящей группы. Другая разновидность реакций замещения — атака электрофила нуклеофилом. Подчас трудно разграничить два процесса, отнести замещение к тому или другому типу, поскольку сложно точно указать, какая из молекул — субстрат, а какая — реагент. Обычно в таких случаях учитываются следующие факторы:

• природа уходящей группы;
• реакционная способность нуклеофила;
• природа растворителя;
• структура алкильной части.

Замещение нуклеофильное (SN)

В процессе взаимодействия в органической молекуле наблюдается усиление поляризации. В уравнениях частичный положительный или отрицательный заряд отмечают буквой греческого алфавита. Поляризация связи позволяет судить о характере ее разрыва и дальнейшем поведении «осколков» молекулы. Например, атом углерода в йодметане обладает частичным положительным зарядом, является электрофильным центром. Он притягивает ту часть диполя воды, где расположен кислород, обладающий избытком электронов. При взаимодействии электрофила с нуклеофильным реагентом образуется метанол: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Реакции нуклеофильного замещения проходят при участии отрицательно заряженного иона либо молекулы, обладающей свободной электронной парой, не участвующей в создании химической связи. Активное участие йодметана в SN 2 -реакциях объясняется его открытостью для нуклеофильной атаки и подвижностью йода.

Замещение электрофильное (SE)

В органической молекуле может присутствовать нуклеофильный центр, для которого характерен избыток электронной плотности. Он вступает в реакцию с испытывающим недостаток отрицательных зарядов электрофильным реагентом. К таким частицам относятся атомы, имеющие свободные орбитали, молекулы с участками пониженной электронной плотности. В углерод, обладающий зарядом «-», взаимодействует с положительной частью диполя воды — с водородом: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Продукт этой реакции электрофильного замещения — метан. При гетеролитических реакциях взаимодействуют противоположно заряженные центры органических молекул, что придает им сходство с ионами в химии неорганических веществ. Не следует упускать из виду, что превращение органических соединений редко сопровождается образованием настоящих катионов и анионов.

Мономолекулярные и бимолекулярные реакции

Нуклеофильное замещение бывает мономолекулярным (SN1). По такому механизму протекает гидролиз важного продукта органического синтеза — третичного бутилхлорида. Первая стадия проходит медленно, она связана с постепенной диссоциацией на катион карбония и хлорид-анион. Второй этап идет быстрее, протекает реакция иона карбония с водой. замещения галогена в алкане на оксигруппу и получение первичного спирта: (CH 3) 3 C—Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C—OH + H + . Для одностадийного гидролиза первичных и вторичных алкилгалогенидов характерно одновременное разрушение связи углерода с галогеном и образование пары С—ОН. Это механизм нуклеофильного бимолекулярного замещения (SN2).

Механизм гетеролитического замещения

Механизм замещения связан с переносом электрона, созданием промежуточных комплексов. Реакция идет тем быстрее, чем легче возникают характерные для нее промежуточные продукты. Нередко процесс идет одновременно в нескольких направлениях. Преимущество обычно получает тот путь, в котором используются частицы, требующие наименьших энергетических затрат для своего образования. К примеру, наличие двойной связи увеличивает вероятность появления аллильного катиона СН2=СН—СН 2 + , по сравнению с ионом СН 3 + . Причина кроется в электронной плотности кратной связи, которая влияет на делокализацию положительного заряда, рассредоточенного по всей молекуле.

Реакции замещения бензола

Группа для которых характерно электрофильное замещение, — арены. Бензольное кольцо — удобный объект для электрофильной атаки. Процесс начинается с поляризации связи во втором реагенте, в результате чего образуется электрофил, примыкающий к электронному облаку бензольного кольца. В результате появляется переходный комплекс. Полноценной связи электрофильной частицы с одним из атомов углерода пока еще нет, она притягивается ко всему отрицательному заряду «ароматической шестерки» электронов. На третьей стадии процесса электрофил и один углеродный атом кольца связывает общая пара электронов (ковалентная связь). Но в таком случае происходит разрушение «ароматической шестерки», что невыгодно с точки зрения достижения стабильного устойчивого энергетического состояния. Наблюдается явление, которое можно назвать «выбросом протона». Происходит отщепление Н + , восстанавливается устойчивая система связи, характерная для аренов. Побочное вещество содержит катион водорода из бензольного кольца и анион из состава второго реагента.

Примеры реакций замещения из органической химии

Для алканов особенно характерна реакция замещения. Примеры электрофильных и нуклеофильных превращений можно привести для циклоалканов и аренов. Подобные реакции в молекулах органических веществ идут при обычных условиях, но чаще — при нагревании и в присутствии катализаторов. К распространенным и хорошо изученным процессам относится электрофильное замещение в ароматическом ядре. Важнейшие реакции этого типа:

1. Нитрование бензола в присутствии H 2 SO 4 — идет по схеме: C 6 H 6 → C 6 H 5 —NO 2 .
2. Каталитическое галогенирование бензола, в частности хлорирование, по уравнению: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Ароматическое протекает с «дымящей» серной кислотой, образуются бензолсульфокислоты.
4. Алкилирование — замена атома водорода из состава бензольного кольца на алкил.
5. Ацилирование — образование кетонов.
6. Формилирование — замена водорода на группу СНО и образование альдегидов.

К реакциям замещения относится реакция в алканах и циклоалканах, в которой галогены атакуют доступную связь С—Н. Получение производных может быть связано с замещением одного, двух или всех атомов водорода в предельных углеводородах и циклопарафинах. Многие из галогеноалканов с небольшой молекулярной массой находят применение в производстве более сложных веществ, относящихся к разным классам. Успехи, достигнутые в изучении механизмов реакций замещения, дали мощный толчок для развития синтезов на основе алканов, циклопарафинов, аренов и галогенопроизводных углеводородов.

Теория замещения в ароматических соединениях. Реакции электрофильного замещения. Ориентанты 2 рода (мета- ориентанты).

Заместители, обладающие отрицательным индуктивным эффектом или отрицательными как индуктивным, так и мезомерным эффектами, направляют электрофильное замещение в мета-положение бензольного кольца и носят название ориентантов второго рода.

Органические реакции, как и неорганические, подразделяются на 3 основных типа:

1) реакция замещения: СН 4 + CI 2 → СН 3 CI + НCI;

2) реакция отщепления: СН 3 СН 2 Br → СН 2 = СН 2 + НBr;

3) реакция присоединения: СН 2 = СН 2 + НBr → CН 3 СН 2 Br.( реакции полимеризации)

Классифицировать по механизму разрыва ковалентных связей в реагирующих молекулах.

Два способа разрыва ковалентных связей.

1. Если общая электронная пара делится между атомами, образуя радикалы. Радикалы -частицы, имеющие неспаренные электроны. Такой разрыв связи называется радикальным (гомолитическим). Особенность данной связи заключается в том, что радикалы, которые образуются, взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом.

Образующиеся радикалы взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом: CН· 3 + CI 2 → СН 3 CI + CI.

По радикальному механизму протекают реакции, в которых разрыву подвергаются связи малой полярности (С-С, С-Н, N-N) при высокой температуре, под действием света или радиоактивного излучения.

2. Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то образуются ионы – катион и анион. Такой механизм называется ионным или гетеролитическим. Он приводит к образованию органических катионов или анионов: 1) хлористый метил образует метил-катион и хлорид-анион; 2) метил-литий образует литий-катион и метил-анион.

Органические ионы вступают в дальнейшие превращения. При этом катионы взаимодействуют с нуклеофильными («любящими ядра») частицами, а органические анионы – с электрофильными («любящими электроны») частицами (катионы металлов, галогены и др.).

Ионный механизм наблюдается при разрыве полярной ковалентной связи (углерод – галоген, углерод – кислород и др.).

Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – имеют соответствующие заряды. Однако они и резко отличаются: ионы неорганических соединений присутствуют в водных растворах постоянно, а органические ионные частицы возникают только в момент реакции.

Поэтому во многих случаях необходимо говорить не о свободных органических ионах, а о сильно поляризованных молекулах.

Радикальный механизм наблюдается при разрыве неполярной или малополярной ковалентной связи (углерод – углерод, углерод – водород и т. д.).

Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – они имеют соответствующие заряды.

В ходе реакции в молекулах реагирующих веществ разрываются одни химические связи и образуются другие. Органические реакции классифицируются по типу разрыва химических связей в реагирующих частицах. Из их числа можно выделить две большие группы реакций - радикальные и ионные.

Радикальные реакции - это процессы, идущие с гомолитическим разрывом ковалентной связи. При гомолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. В результате гомолитического разрыва образуются свободные радикалы:

Нейтральный атом или частица с неспаренным электроном называется свободным радикалом.

Ионные реакции - это процессы, идущие с гетеролитическим разрывом ковалентных связей, когда оба электрона связи остаются с одной из ранее связанных частиц:

В результате гетеролитического разрыва связи получаются заряженные частицы: нуклеофильная и электрофильная.

Нуклеофильная частица (нуклеофил) - это частица, имеющая пару электронов на внешнем электронном уровне. За счет пары электронов нуклеофил способен образовывать новую ковалентную связь.

Электрофильная частица (электрофил) - это частица, имеющая незаполненный внешний электронный уровень. Электрофил представляет незаполненные, вакантные орбитали для образования ковалентной связи за счет электронов той частицы, с которой он взаимодействует.

В органической химии все структурные изменения рассматриваются относительно атома (или атомов) углерода, участвующего в реакции.

В соответствии с вышеизложенным хлорирование метана под действием света классифицируют как радикальное замещение, присоединение галогенов к алкенам - как электрофильное присоединение, а гидролиз алкилгалогенидов - как нуклеофильное замещение.

Наиболее часто встречаются следующие типы оеакций.

Основные типы химических реакций

I. Реакции замещения (замена одного или нескольких атомов водорода на атомы галогенов или спецгруппу) RCH 2 X + Y → RCH 2 Y + X

II. Реакции присоединения RCH=CH 2 + XY → RCHX−CH 2 Y

III. Реакции отщепления (элиминирования) RCHX−CH 2 Y → RCH=CH 2 + XY

IV. Реакции изомеризации (перегруппировки)

V. Реакции окисления (взаимодействие с кислородом воздуха или окислителя)

В этих вышеперечисленных типах реакции различают ещё и специализированные и именные реакции.

Специализированные:

1) гидрирование (взаимодействие с водородом)

2) дегидрирование (отщепление от молекулы водорода)

3) галогенирование (взаимодействие с галогеном: F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2)

4) дегалогенирование (отщепление от молекулы галогена)

5) гидрогалогенирование (взаимодействие с галогенводородом)

6) дегидрогалогенирование (отщепление от молекулы галогенводорода)

7) гидратация (взаимодействие с водой в необратимой реакции)

8) дегидратация (отщепление от молекулы воды)

9) гидролиз (взаимодействие с водой в обратимой реакции)

10) полимеризация (получение многократного увеличенного углеродного скелета из одинаковых простых соединений)

11) поликонденсация (получение многократного увеличенного углеродного скелета из двух разных соединений)

12) сульфирование (взаимодействие с серной кислотой)

13) нитрование (взаимодействие с азотной кислотой)

14) крекинг (уменьшение углеродного скелета)

15) пиролиз (разложение сложных органических веществ на более простые под действием высоких температур)

16) реакция алкилирования (введение в формулу радикала алкана)

17) реакция ацилирования (введение в формулу группы –C(CH 3)O)

18) реакция ароматизации (образование углеводорода ряда аренов)

19) реакция декарбоксилирования (отщепление от молекулы карбоксильной группы -COOH)

20) реакция этерификации (взаимодействие спирта с кислотой, или получение сложного эфира из спирта или карбоновой кислоты)

21) реакция «серебряного зеркала» (взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра (I))

Именные реакции:

1) реакция Вюрца (удлинение углеродного скелета при взаимодействии галогенпроизводного углеводорода с активным металлом)

2) реакция Кучерова (получение альдегида при взаимодействии ацетилена с водой)

3) реакция Коновалова (взаимодействие алкана с разбавленной азотной кислотой)

4) реакция Вагнера (окисление углеводородов с двойной связью кислородом окислителя в слабощелочной или нейтральной среде при нормальных условиях)

5) реакция Лебедева (дегидрирование и дегидратация спиртов при получении алкадиенов)

6) реакция Фриделя-Крафтса (реакция алкилирования арена хлоралканом при получении гомологов бензола)

7) реакция Зелинского (получение бензола из циклогексана дегидрированием)

8) реакция Кирхгофа (превращение крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты)

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.