Классификация химических реакций

Биологически важные реакции, кислотность и основность органических соединений. Строение и свойства поли- и гетерофункциональных соединений

Кислотность и основность органических соединений.

Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории – теория Бренстеда и теория Льюиса.

По теории Льюиса кислотные и основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать пару электронов с образованием связи.

По теории Бренстеда (протолитической теории) кислотность и основность соединений связывается с переносом протона Н⁺.

Кислоты Бренстеда (протонные кислоты) – нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов).

Основания Бренстеда – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов).

В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают ОН- кислоты (карбоновые кислоты, спирты), SH-кислоты (тиолы), NН-кислоты (амиды, имиды), СН-кислоты (углеводороды, например, алкины с концевой тройной связью). Самыми сильными кислотными свойствами обладают карбоновые кислоты, основными – амины.

Наличие в молекуле электроноакцепторных групп, обладающих отрицательными электронными эффектами (смещающих электронную плотность связи от атома углерода к гетероатому функциональной группы), увеличивает положительный заряд на протоне, что приводит к усилению кислотных свойств. Наличие электронодонорных заместителей (смещающих электронную плотность связи от функциональной группы к атому углерода) увеличивает основность органических соединений.

Так, например, кислотность хлоруксусной кислоты выше по сравнению с уксусной кислотой, а основность диметиламина выше, чем у метиламина.

Классификация химических реакций

1. По изменению числа частиц в ходе реакции выделяют реакции

замещения, присоединения, отщепления, разложения, изомеризации.

Реакции замещения:атом или группа атомов в молекуле органического

соединения замещается на другой атом (или атомную группировку):

АВ + С→ АС + В

Примеры:

C₂H₆ + Cl₂ (на свету)→CH₃CH₂Cl + HCl хлорирование этана

CH₃CH₂Cl + KOH (водн. р-р) → CH₃CH₂OH + KCl щелочной гидролиз хлорэтана

Реакции присоединения:молекула органического соединения и молекула простого или сложного вещества соединяются в новую молекулу, при этом другие продукты реакции не образуются: А + В→С

Примеры:

CH₂=CH-CH₃ + Br₂ →CH₂Br-CHBr-CH₃ бромирование пропена

CH₂=CH₂ + H₂O→CH₃CH₂OH гидратация этилена

К реакциям присоединения относятся также реакции полимеризации: n A → A_n

Например, образование полиэтилена: n CH₂=CH₂→(-CH₂-CH₂-) _n

Реакции отщепления (элиминирования): происходит отрыв атомов или атомных групп от молекулы исходного вещества при сохранении ее углеродного скелета.

А→ В + С

Например:

· отщепление хлороводорода (при действии на хлоралкан спиртовым раствором щёлочи)

CH₃-CH₂Cl →CH₂=CH₂ + HCl

· отщепление воды (при нагревании спирта с серной кислотой)

CH₃-CH₂OH→CH₂=CH₂ + H₂O дегидратация этанола

· отщепление водорода от алкана (в присутствии катализатора)

CH₃-CH₃ →CH₂=CH₂ + H₂ дегидрирование этана

Реакции разложения:из молекулы сложного органического вещества образуется несколько менее сложных или простых веществ: А→ В + С + . . .

К этому типу реакций относится процесс крекинга – расщепление углеродного скелета крупных молекул при нагревании и в присутствии катализаторов: C_nH_2n+2→ C_mH_2m+2 + C_pH_2p

Например

C₁₀H₂₂→ C₅H₁₂ + C₅H₁₀

Реакции разложения при высокой температуре называют пиролизом, например:

СН₄ → C + 2H₂ пиролиз метана (1000 ^oC)

Реакции изомеризации:происходит переход отдельных атомов или групп атомов от одного участка молекулы к другому без изменения ее качественного и количественного состава, т.е. исходное вещество и продукт реакции являются изомерами (структурными или пространственными): А → В

Например, в результате перегруппировки может изменяться углеродный скелет молекулы:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ ® CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃

2. По электронной природе реагентов различают нуклеофильные, электрофильные, свободнорадикальные реакции.

В зависимости от способа разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле органические реакции подразделяются на радикальные и ионные реакции. Ионные реакции в свою очередь делятся по характеру реагента, действующего на молекулу, на электрофильные и нуклеофильные. Разрыв ковалентной связи может происходить двумя способами, обратными механизмам ее образования.

Разрыв связи, при котором каждый атом получает по одному электрону из общей пары, называется гомолитическим:

В результате гомолитического разрыва образуются сходные по электронному строению частицы, каждая из которых имеет неспаренный электрон. Такие частицы называются свободными радикалами.

Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то такой разрыв называется гетеролитическим:

В результате образуются разноименно заряженные ионы – катион и анион.

Электрофильные реакции:молекула органического вещества подвергается действию электрофильного реагента (частицы (катиона или молекулы), имеющей свободную орбиталь на внешнем электронном уровне). Примеры электрофильных частиц: H⁺, CH₃⁺ и другие карбокатионы, NO₂⁺, ZnCl₂, AlCl₃.

Электрофильное присоединение: CH₂=CH₂ + HCl → CH₃CH₂Cl (электрофил – H⁺ )

Электрофильное замещение: C₆H₆ + NO₂⁺→ C₆H₅NO₂ + H⁺ (электрофил - NO₂⁺)

Нуклеофильные реакции:намолекулу органического вещества действует нуклеофильный реагент (частица (анион или молекула), имеющая неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне). Примеры нуклеофильных частиц: OH^-, Cl^-, H₂O.

Нуклеофильное замещение: H₃C^d+– Cl^d– + Na⁺OH^–→ H₃C–OH + Na⁺Cl^– (нуклеофил – OH^–)

Нуклеофильное присоединение: H₂C^d+= О^d– + Н⁺CN^–→ H₂C(CN)–OH (нуклеофил – CN^–)

3. По изменению степени окисления элементов – окислительно-восстановительные.

В органической химии окислительно-восстановительные процессы рассматриваются прежде всего по отношению к органическому веществу и связываются с изменением степени окисления углерода, являющегося реакционным центром молекулы. Эти реакции могут проходить по типу реакций присоединения, отщепления, замещения и т.п.

Часто в органической химии рассматривают реакции окисления и восстановления как реакции, связанные с потерей и приобретением атомов водорода и кислорода. Вещество окисляется, если оно теряет атомы H и (или) приобретает атомы O. Кислородсодержащий окислитель обозначают символом [O]. Например, первичный спирт окисляется сначала до альдегида, а при дальнейшем воздействии окислителя превращается в кислоту.

Вещество восстанавливается, если оно приобретает атомы H и (или) теряет атомы O. Восстановитель обозначают символом [H]. Например, превращение алкенов в алканы, альдегидов в первичные спирты или нитросоединений в амины.

4. По типу активации различают каталитические и некаталитические реакции.