Какими бывают механизмы реакции
Представьте, что радикальные реакции — это как вечеринка, где все веселятся, но иногда что-то может пойти не по плану, и начинается цепная реакция. Ионные реакции, с другой стороны, — это как званый ужин с соблюдением всех правил этикета. Если вы думали, что химия — это скучно, то это совсем не так. И сейчас мы расскажем, как именно молекулы устраивают свои вечеринки и званые ужины.
Для начала введём несколько понятий, которые пригодятся нам по ходу изучения данной темы.
Реагент — вещество, воздействующее на молекулу, и вызывающее изменение химической связи в ней
Субстрат — молекула, предоставляющая атом для образования новой связи.
Ионный механизм реакции
Какие мысли приходят, когда мы видим название этого механизма? Конечно, сразу вспоминаются катионы, анионы и ионная химическая связь. И, действительно, ионный механизм реакции — это процесс, в результате которого образуются ионы. Однако в органических реакциях они носят название карбокатионов и карбанионов.
Карбокатионы заряжены положительно, карбанионы — отрицательно. Образуются они при гетеролитическом разрыве ковалентной связи, когда один из атомов получает общую электронную пару:
Один из образовавшихся ионов — это электрофил, а второй — нуклеофил.
Электрофилы — это частицы, обладающие свободной орбиталью на внешнем энергетическом уровне.
Нуклеофилы — это частица, на внешнем энергетическом уровне которой содержится неподеленная пара электронов.
|
Электрофильные частицы — акцепторы |
Нуклеофильные частицы — доноры |
|---|---|
|
Положительно заряженные ионы: H+, CH3+, CH3CO+ и пр. |
NH3, 一NH2 |
|
H2O, R一OH, R一O一R, RCOO一, OH一 |
|
|
Галогеналканы, альдегиды, кетоны и пр. |
C＝C, C☰C |
|
Анионы: Cl−, NO3− и пр. |
Естественно, данный механизм реакции основан на электроотрицательности, и общая электронная пара всегда будет у той частицы, что обладает большей электроотрицательностью. Кроме того, для реакций, проходящих по этому механизму, необходимо соблюдение определенных условий:
- использование катализатора (кислоты Льюиса);
- небольшая температура;
- наличие полярного растворителя.
Реакции в органической химии, протекающие по ионному механизму, можно четко разделить на две категории: нуклеофильные и электрофильные.
Нуклеофильная реакция
Нуклеофильная реакция — процесс, при котором органическое вещество взаимодействует с нуклеофильной частицей.
Выделяют нуклеофильное присоединение и нуклеофильное замещение. Реакцию начинают нуклеофилы (образованные при гетеролитическом разрыве), атакующие в субстрате положительно- или частично положительно заряженные атомы.
Нуклеофильное присоединение наиболее характерно для альдегидов, кетонов и молекул с кратными связями. Так, реакция Кучерова проходит именно по этому механизму:
Нуклеофильное замещение характерно в основном для алифатических молекул при гидролизе, аминировании и т.д.
Электрофильная реакция
Электрофильная реакция — процесс, при котором органическое вещество взаимодействует с электрофильной частицей.
Различают электрофильное присоединение и электрофильное замещение. Реакция начинается с атаки электрофилов на субстрат.
Электрофильное замещение чаще всего встречается у аренов. Электрофил занимает место «функциональной группы» той молекулы, с которой вступает в реакцию:
В качестве электрофила выступает частица CH3+. Катализатор же позволяет образоваться электрофильной частице:
Таким же образом можно провести и нитрование бензола:
Электрофил — NO2+ образуется за счет действия катализатора:
Электрофильное присоединение характерно для веществ с кратными связями, а в ходе реакции связи разрываются. Протекает такое присоединение в несколько стадий:
Если молекула вещества, вступающего в реакцию, является несимметричной, то принято пользоваться правилом Марковникова.
Правило Марковникова
Атом водорода всегда присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при кратной связи
Однако есть и исключения. Например, если заместитель в молекуле оттягивает электронную плотность на себя или присутствуют свободные радикалы, то присоединение происходит против правила Марковникова. Так, в присутствии пероксида водорода при гидрогалогенировании пропена образуется 1-бромпропан:
Кроме того, принцип этот действует и когда механизм реакции не ионный, а радикальный.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по химии.
-
Выбирай из 550+ репетиторов по химии.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Радикальный механизм реакции
Данный механизм осуществляется, когда происходит гомолитический разрыв ковалентной связи, то есть каждый атом получает по одному электрону из общей электронной пары:
Так образуются свободные радикалы — частицы, содержащие по одному неспаренному электрону. Для таких реакций также необходимы условия:
- свет или ультрафиолетовое излучение;
- повышенная температура.
По своей сути радикальные реакции являются цепными, так как образовавшиеся радикалы — частицы крайне активные и стремятся связаться с другими атомами.
Яркий пример реакции, проходящей по радикальному механизму — галогенирование алканов:
Инициирование цепи. На этом этапе из молекулы галогена под действием света образуются радикалы:
Развитие цепи, когда радикалы начинают воздействовать на молекулу, образуя промежуточные частицы — алкильные радикалы:
Обрыв цепи — образование молекул:
Итак, мы рассмотрели два основных механизма реакции в органике — ионный и радикальный:
- Радикальные реакции характеризуются гомолитическим разрывом связи, проходят с образованием свободных радикалов, что часто приводит к цепным реакциям.
- Ионные реакции охарактеризованы гетеролитическим разрывом химической связи и образованием ионов — карбокатионов и карбанионов. Реакции проходят обязательно в присутствии катализаторов.
- Ионные реакции считаются более контролируемыми и предсказуемыми, нежели реакции радикальные.
Чтобы лучше разобраться в теме перед экзаменом и набить руку на заданиях, присоединяйтесь к курсу подготовки к ЕГЭ по химии. Уже на первом занятии вы сможете найти пробелы в знаниях и понять, как их устранить. Это бесплатно!
