АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ИХ КОМПОНЕНТОВ

Любая химическая реакция включает разрыв (расщепление) связей между атомами и образование новых связей. В органиче­ской химии принято выделять два типа реагирующих частиц: суб­страт — вещество, в котором происходит разрыв старых и обра­зование новых связей с участием атома углерода, и реагент — ве­щество, под действием которого происходят изменения в субстрате. (Принято говорить об атакующем воздействии реагента на суб­страт.) Например, в реакции рас­щепляется связь С—Вr и образуется связь С—О; в качестве суб­страта выступает , в качестве реагента - .

Реакции с участием органических соединений подчиняются тем же законам, что и реакции в неорганической химии, хотя и имеют некоторые специфические особенности. Во-первых, разрыв связей может происходить по-разному с образованием различных промежуточных соедине­ний. Во-вторых, изменению в ходе реакции подвергается, как правило, не вся молекула субстрата, а ее небольшая часть, вклю­чающая функциональную группу, кратную связь и т.п., называ­емая реакционным центром молекулы. Появление реакционных центров обусловлено неравномерным распределением электрон­ной плотности в молекуле.

В неорганиче­ской химии в реакциях обычно участвуют ионы, поэтому они протекают очень быстро, а иногда — мгновенно. В реакциях ор­ганической химии обычно участвуют молекулы, при этом раз­рываются одни ковалентные связи и образуются новые. Эти ре­акции протекают значительно медленнее, чем ионные, и для их успешного осуществления часто необходимы жесткие условия: повышенная температура, повышенное давление и катализаторы. В отличие от неорганических, органические реакции редко при­водят к высокому выходу продукта (более 80 %), так как обычно протекает не одна, а несколько реакций. Поэтому в органической химии используются не химические уравнения, а схемы реакций, в которых обычно не приводятся стехиометрические соотношения между участниками, но указываются условия проведения реак­ции. Например, реакция этилена с водой, протекающая при по­вышенной температуре, повышенном давлении и в присутствии кислотного катализатора, записывается так:

В ходе большинства биохимических реакций изменению подвергается не вся молекула органического соединения, как это обычно бывает с неорганическими веществами, а только ее часть, которая называется реакционным центром. Реакционные центры в зависимости от природы и структуры имеют разную степень сродства к атакующим частицам, и их можно подразде­лять в зависимости от типа органической реакции.

Реакции в органической химии принято классифицировать по механизму их протекания и по конечному результату химиче­ского превращения.

По механизму протекания реакции делятся на гетеролитические (электпрофилъно-нуклеофилъные) и гомо­литические (свободнорадикальные). Поскольку названия «электрофильно-нуклеофильные» или «свободнорадикальные» указыва­ют на характер реагирующих частиц, то они используются в учеб­нике для харатеристики механизма реакции.

Электрофильно-нуклеофильные реакции сопровождаются гетеролизом полярной ковалентной связи между фрагментами (А^δ+ — В^δ–), причем так, что ее общая электронная пара сильно смещается к одному фрагменту молекулы В^δ–, превращая его в нуклеофил, а у другого фрагмента возникает дефицит электро­нов (А^δ+ ), превращая его в электрофил:

где А и В обозначают атомы или группы атомов, связанные по­лярной ковалентной связью. При полном гетеролизе связь раз­рывается с образованием катиона А⁺ - сильного электрофила — и аниона В^– - сильного нуклеофила. Процесс гетеролиза кова­лентной связи можно рассматривать как расщепление этой связи по донорно-акцепторному механизму.

Гетеролиз ковалентной связи происходит и в молекуле суб­страта, и в молекуле реагента. Результатом электрофильно-нуклеофильной реакции является взаимодействие между фрагмен­тами реагента и субстрата, проявляющими противоположные свойства.

Электрофилами называются частицы или фрагменты молекул, содержащие свободную, доступную орбиталь и имеющие недостаток электронной плотности, которые в результате реакции образуют связь с новым нуклеофилом, акцептируя у него оба электрона на свою ва­кантную орбиталь.

Электрофилами являются положительно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электрон­ной паре нуклеофила:

Н-электрофил: протон (Н⁺);

С-электрофилы: карбкатионы (R₃С ) или соединения с сильнополярной связью , ,

О-электрофилы: ;

S-электрофилы: ;

N-электрофилы: , ;

Галогены, атомы которых несут частичный положительный заряд: Гал^δ+—Гал^δ-.

В электрофильно-нуклеофильных реакциях электрофил вы­ступает акцептором электронной пары нуклеофила. К электро­филам также относятся все кислоты (доноры протона) при ки­слотно-основном взаимодействии, все окислители (акцепторы электронов) при окислительно-восстановительном взаимодейст­вии и все комплексоообразователи (акцепторы электронов) в реакциях комплексообразования.

Нуклеофилами называются частицы или фрагменты молекул, содержащие подвижную электронную пару, ко­торые в результате реакции образуют связь с новым электрофилом, отдавая ему эту электронную пару.

Нуклеофилами являются отрицательно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электро­филу:

С-нуклеофилы: карбанионы (R₃С^ө), металлоорганические со­единения (R₃C ^δ-—М ^δ+), ненасыщенные соединения (R₂C=CR₂, RC=CR);

N-нуклеофилы: H₃, R H₂, R₂ H, R₃ ;

О-нуклеофилы: H₂Ö, R— Ö—R', HÖ^-, RÖ ^δ- —M ^δ+;

S-нуклеофилы: H₂ , R— —R', H ^-, R ^δ- —M ^δ+;

Галогенид-анионы: F^-, Cl^-, Br^-, I^-.

В электрофильно-нуклеофильных реакциях нуклеофил вы­ступает донором электронной пары. К нуклеофилам также от­носятся все основания при кислотно-основном взаимодейст­вии, все восстановители при окислительно-восстановительном взаимодействии и все лиганды в реакциях комплексообразования.

Таким образом, используемые в органической химии поня­тия электрофил и нуклеофил имеют более широкий смысл, чем понятия кислота и основание, окислитель и восстановитель, комплексообразователь и лиганд, используемые в неорганической хи­мии. Однако суть электрофильно-нуклеофильных реакций, подоб­но кислотно-основным, окислительно-восстановительным и реак­циям комплексообразования, также заключается в донорно-ак-цепторном взаимодействии компонентов с противоположными свойствами.

Электрофильно-нуклеофильные свойства органических соеди­нений проявляются прежде всего в их способности вступать в ре­акции: кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Органические соединения вступают также и в другие электрофильно-нуклеофильные реакции, которые нель­зя отнести к вышеуказанным. В основном именно для этих реак­ций в данном учебнике будет использоваться термин «электрофильно-нуклеофильная реакция».

Электрофилы и нуклеофилы характеризуются различной поляризуемостью и качественно подразделяются на жесткие (низкая поляризуемость) и мягкие (высокая поляри­зуемость).

Жесткие электрофилы имеют сравнительно большой положительный заряд, а их свободная орбиталь, на которую перейдет электронная пара нуклеофила, имеет низкий уровень энергии. Жесткими электрофилами являются:

Н⁺, Na⁺, К⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Al³⁺, A1C1₃, BF₃, R =O

Жесткие нуклеофилы хорошо удерживают свою элек­тронную пару, поскольку ее орбиталь расположена близко к яд­рам атомов и имеет низкий уровень энергии. Донорными атома­ми в жестких нуклеофилах могут быть кислород, азот, хлор, фтор. Жесткими нуклеофилами являются:

Н₂О, ОН^-, ROH, RO^-, ROR, RCOO^-, NH₃, RNH₂, RNH^-, Cl^-, F^-.

Жесткие нуклеофилы трудно окисляются.

Мягкие электрофилы содержат акцепторные атомы большого размера с невысокой электроотрицательностью и с ма­лым положительным зарядом. Их свободная орбиталь, принимающая электронную пару нуклеофила, имеет высокий уровень энергии. Мягкими электрофилами являются: Hg²⁺, Cu⁺, Ag⁺, —I ^δ+, -Br ^δ+

Мягкие нуклеофилы плохо удерживают свою элек­тронную пару, поскольку ее орбиталь удалена от ядер атомов и имеет высокий уровень энергии. Донорными атомами в мягких нуклеофилах выступают атомы серы, иода и углерода.

Мягкими нуклеофилами являются:

RS^-, RSR, RSH, I^-, RC=CR, R₂C=CR₂

Мягкие нуклеофилы довольно легко окисляются. Существуют электрофилы и нуклеофилы, которые занимают промежуточное положение.

Электрофилы: Cu²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, R₃C+, C₆H

Нуклеофилы: Br~, C₆H₅ H₂.

В соответствии с принципом Пирсона более стабильная связь образуется при взаимодействии жесткого электрофила с жест­ким нуклеофилом или мягкого электрофила с мягким нуклеофилом. На основе этого принципа можно качественно оценить реакционную способность при взаимодействии нуклеофилов и электрофилов различного типа.

Основные типы органических реакций

В органической химии электрофильно-нуклеофильные реак­ции принято называть по характеру частицы, которой реагент атакует субстрат. Этот выбор можно объяснить тем, что реагент обычно является более простой молекулой, в которой проще оп­ределить состав электрофильного и нуклеофильного фрагмента и их активность, а следовательно, и характер атакующей частицы.

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

В нуклеофильных реакциях реагент принято называть нуклеофилом.

В органической химии нуклеофильность реагента характери­зует его способность взаимодействовать с атомом углерода суб­страта, несущим полный или частичный положительный заряд.

Электрофильной называется реакция, при которой реа­гент атакует субстрат своим электрофилом; она обо­значается индексом Е (electrophile).

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:

С1₂ → 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: •СН₃ < •CH₂R < •CHR₂ < •CR₃. 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 (разд. 16.1), этерификация и алкилирование карбоновых кислот (разд. 19.2.3), а также многочисленные ре­акции взаимодействия простых полярных молекул (Н₂О, NH₃, 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:

 

Реакция	Электрофильная – нуклеофильная (гетеролитическая)	Свободнорадикальная (гомолитическая)
электрофильная	нуклеофильная
Замещения	SE	SN	SR
Присоединения	AE	AN	AR
Элиминирования	EE	EN	ER

 

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

 

Реакции перегруппировки. В процессе перегруппировки происходит перемещение (миграция) одних атомов или групп ют одного фраг­мента молекулы к другому без изменения ее брутто-формулы. Перегруппировки органических соединений происходят обычно в присутствии катализатора и сопровождаются окислительно-вос­становительной дисмутацией атомов углерода:

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 7.

 

 

Механизмы реакций в органической химии

 

Реакции радикального замещения - S_R

 

1. S_R -гомолитическое взаимодействие с участием неполярных связей тетрагонального углеродного атома (реакции свободно-радикального замещения).

Субстраты: алканы, циклоалканы (С₅-С₆). По этому механизму протекают реакции галогенирования.

Этапы: 1. Инициирование цепи:

2. Развитие цепи:

В результате последовательных реакций в цепи могут образовываться:

СН₃Cl – хлористый метил

CH₂Cl₂ – хлористый метилен

CHCl₃ – хлороформ

а) б) в)

CCl₄ – четыреххлористый углерод

3. Обрыв цепи:

Реакция региоселективна.

Скорость S_R: Третичные УВ > Вторичные УВ > Первичные УВ

Данная зависимость связана со стабильностью образующихся радикалов и подвижностью атомов водорода под влиянием +I – эффекта.

 

 

Реакции нуклеофилъного замещения у тетрагонального атома углерода (S_N)

Субстраты: спирты и галогенопроизводные Условия: водные растворы

I. Механизм S_N1 — замещение нуклеофильное, моно­молекулярное I порядка.

Субстраты: третичные галогенопроизводные, у кото­рых прямая атака нуклеофильными реагентами затруд­нена из-за наличия стерического эффекта заместителей.— пространственные затруднения.

1-я стадия - образование карбокатиона в результате медленной диссоциации суб страта:

2-я стадия: атака нуклеофильной частицей (НОН) про­текает мгновенно:

карбокатион третичный спирт

, поэтому реакция I порядка

Скорость реакции:

II. Механизм S_N2 - бимолекулярное нуклеофильное замещение II порядка.

Субстраты: первичные галогенопроизводные и пер­вичные спирты, атака нуклеофильными реагентами суб­страта не затруднена.

1-я стадия — нуклеофильный реагент атакует поло­жительную часть молекулы с тыла (т. е. со стороны, про­тивоположной галогену) с образованием промежуточно­го, переходного комплекса, в котором старые связи еще полностью не разорвались, а новые еще полностью не об­разовались:

2-я стадия: согласованно протекает разрыв старых (ковалентных) связей и образованиеновых:

Скорость в S_N2 определяется по формуле: V=K-[CH₃Br]·[NaOH], поэтому это реакция II порядка. Если изменить условия протекания этих реакций: вме­сто водных растворов взять безводные спиртовые раство­ры сильных щелочей, то с этими же субстратами пойдут конкурирующие реакции — реакции отщепления (эли­минирования ) —Е₁ и Е₂.

Реакции нуклеофильного замещения происходят только в том случае, если уходящая группа стабильнее вступающей.

Хорошоуходящие группы — это такие группы, протонированные формы которых соответствуют сильным кислотам, например: (протонированные формы: галогеноводородные кислоты HHal, ионы: гидроксония , алкилоксония , аммония — сильные кислоты).

Плохоуходящие группы — это такие группы, протонированные формы которых соответствуют слабым кислотам, например:

и др. В этом случае для протекания реакции необходимо протонирование, т.е. кислотный катализ, что позво­лит перевести плохоуходящую группу в хорошоуходящую:

На последней (быстрой) стадии реакции происходит конку­ренция за карбкатион между двумя частицами: галогенид-ионом (если в качестве кислоты использовали галогеноводородную кис­лоту) и молекулой воды, выступающей в роли акцептора протона. В первом случае происходит нуклеофильное замещение () гидроксила на галоген, а во втором — элиминирование (Е) — от­щепление протона.

Реакции элиминирования (Е₁ и Е₂).

Механизм E₁ ( отщепление молекулярное, I по­рядка).

Субстраты: третичные спирты, третичные галогенопроизводные.

Условия:

Катализатор - конц. H₂SO₄

1-я стадия — протонирование субстрата, преследует 2 цели:

(1) образование карбокатиона и (2) образование хоро­шей уходящей группы (НОН >ОН):

третичный спирт карбокатион

2-я стадия — образовавшийся карбокатион не стаби­лен, поэтому стабилизация его происходит за счет выбро­са протона (H⁺):

В результате реакции третичные спирты, отщепляя воду [Е], превращаются в непредельные углеводороды — алкены.

Скорость реакции:

поэтому это отщепление I порядка (Е₁) (реакции I порядка)

Б) Механизм Е₂ ( отщепление бимолекулярное, вто­рого порядка)

Субстраты: первичные спирты, галогенопроизводные Условия — безводные, спиртовые растворы сильной щелочи.

1-я стадия — атака ОН-группой водорода, стоящего в β-положении с образованием переходного комплекса:

2-я стадия — далее реакция смещается в сторону об­разования молекулы Н₂О, так как в окружающей среде нет Н₂О (безводные, спиртовые растворы NaOH) (это ки­нетический контроль реакции), а с другой стороны идет образование Н₂О как более термодинамически устойчи­вой частицы (термодинамический контроль реакции):

а)

б) Na⁺ + Br^- → Na Br

Атаку ОН^– группой водорода в β-положении (β-элиминирование) легко объяснить смещением реакции в сторо­ну образования более термодинамически устойчивого кар-бокатиона, чем это имело бы место при α-элиминировании.

Дата добавления: 2015-02-06 | Просмотры: 2104 | Нарушение авторских прав