Ionenmechanismus der Reaktion. Arten chemischer Reaktionen in der organischen Chemie – Wissens-Hypermarkt

Arten chemischer Reaktionen in der anorganischen und organischen Chemie.

1. Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem aus einem Stoff andere Stoffe entstehen. Je nach Art des Prozesses werden Arten chemischer Reaktionen unterschieden.

1)Nach dem Endergebnis

2) Basierend auf der Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme

3) Basierend auf der Reversibilität der Reaktion

4) Basierend auf Änderungen im Oxidationszustand der Atome, aus denen die reagierenden Substanzen bestehen

Dem Endergebnis zufolge gibt es folgende Reaktionen:

A) Substitution: RH+Cl 2 →RCl+HCl

B) Beitritt: CH 2 =CH 2 +Cl 2 →CH 2 Cl-CH 2 Cl

B) Eliminierung: CH 3 -CH 2 OH → CH 2 =CH 2 +H 2 O

D) Zersetzung: CH 4 →C+2H 2

D) Isomerisierung

E) Austausch

G) Verbindungen

Zersetzungsreaktion ist ein Prozess, bei dem aus einem Stoff zwei oder mehr andere entstehen.

Austauschreaktion ist ein Prozess, bei dem reagierende Stoffe ihre Bestandteile austauschen.

Substitutionsreaktionen treten unter Beteiligung einfacher und komplexer Stoffe auf, wodurch neue einfache und komplexe Stoffe entstehen.

Ergebend zusammengesetzte Reaktionen Aus zwei oder mehreren Stoffen entsteht ein neuer.

Basierend auf der Freisetzung oder Aufnahme von Wärme gibt es folgende Arten von Reaktionen:

A) Exotherm

B) Endotherm

Exotherm – Dabei handelt es sich um Reaktionen, die unter Freisetzung von Wärme ablaufen.

Endothermisch- Hierbei handelt es sich um Reaktionen, die bei der Aufnahme von Wärme aus der Umgebung auftreten.

Basierend auf der Reversibilität gibt es folgende Reaktionstypen:

A) Reversibel

B) Irreversibel

Als Reaktionen werden Reaktionen bezeichnet, die nur in eine Richtung ablaufen und mit der vollständigen Umwandlung der Ausgangsreaktanten in die Endstoffe enden irreversibel.

Reversibel Reaktionen, die gleichzeitig in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen ablaufen, nennt man.

Basierend auf Änderungen im Oxidationszustand der Atome, aus denen die reagierenden Substanzen bestehen, gibt es folgende Arten von Reaktionen:

A) Redox

Als Reaktionen werden Reaktionen bezeichnet, die bei einer Änderung des Oxidationszustands von Atomen auftreten (bei denen Elektronen von einem Atom, Molekül oder Ion auf ein anderes übertragen werden). Redox.

2. Je nach Reaktionsmechanismus werden Reaktionen in ionische und radikalische Reaktionen unterteilt.

Ionische Reaktionen– Wechselwirkung zwischen Ionen als Folge des heterolytischen Aufbrechens einer chemischen Bindung (ein Elektronenpaar geht vollständig zu einem der „Fragmente“).

Es gibt zwei Arten von ionischen Reaktionen (basierend auf der Art des Reagenzes):

A) elektrophil – während einer Reaktion mit einem Elektrophil.

Elektrophil– eine Gruppe, die in einigen Atomen freie Orbitale oder Zentren mit reduzierter Elektronendichte aufweist (zum Beispiel: H +, Cl - oder AlCl 3)

B) Nukleophil – während der Wechselwirkung mit einem Nukleophil

Nukleophil – ein negativ geladenes Ion oder Molekül mit einem freien Elektronenpaar (derzeit nicht an der Bildung einer chemischen Bindung beteiligt).

(Beispiele: F - , Cl - , RO - , I -).

Echte chemische Prozesse lassen sich nur selten durch einfache Mechanismen beschreiben. Eine detaillierte Untersuchung chemischer Prozesse aus molekularkinetischer Sicht zeigt, dass die meisten von ihnen nach einem Radikalkettenmechanismus ablaufen; die Besonderheit von Kettenreaktionen ist die Bildung freier Radikale in Zwischenstadien (instabile Fragmente von Molekülen oder Atomen mit kurzer Lebensdauer). , alle haben kostenlose Kommunikation.

Die Prozesse der Verbrennung, Explosion, Oxidation, photochemischen Reaktionen und biochemischen Reaktionen in lebenden Organismen laufen über einen Kettenmechanismus ab.

Kettensysteme bestehen aus mehreren Stufen:

1) Kettenkeimbildung – das Stadium von Kettenreaktionen, bei dem aus valenzgesättigten Molekülen freie Radikale entstehen.

2) Fortsetzung der Kette – die Stufe der Schaltungskette, wobei die Gesamtzahl der freien Stufen beibehalten wird.

3) Kettenbruch – die elementare Stufe einer Prozesskette, die zum Verschwinden freier Bindungen führt.

Es gibt verzweigte und unverzweigte Kettenreaktionen.

Eines der wichtigsten Konzepte der Kette ist Kettenlänge- die durchschnittliche Anzahl der Elementarstufen der Kettenfortsetzung vom Auftreten eines freien Radikals bis zu seinem Verschwinden.

Beispiel: Chlorwasserstoffsynthese

1) CL 2 absorbiert ein Energiequantum und das Bild von Radikal 2: CL 2 +hv=CL * +CL *

2) Das aktive Teilchen verbindet sich mit dem m-Molekül H 2 zu Chlorwasserstoff und dem aktiven Teilchen H 2: CL 1 + H 2 = HCL + H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * usw.

6)H * +CL * =HCL – offener Stromkreis.

Verzweigter Mechanismus:

F * +H 2 =HF+H * usw.

F * +H 2 =HF+H * usw.

Im Wasser ist es komplizierter – es entstehen OH*-, O*-Radikale und das H*-Radikal.

Reaktionen, die unter dem Einfluss ionisierender Strahlung ablaufen: Röntgenstrahlen, Kathodenstrahlen usw. - werden radiochemisch genannt.

Durch die Wechselwirkung von Molekülen mit Strahlung wird der Zerfall von Molekülen unter Bildung der reaktivsten Partikel beobachtet.

Solche Reaktionen fördern die Rekombination von Partikeln und die Bildung von Substanzen mit unterschiedlichen Kombinationen davon.

Ein Beispiel ist Hydrazin N 2 H 4 – ein Bestandteil von Raketentreibstoff. In jüngster Zeit wurden Versuche unternommen, Hydrazin aus Ammoniak durch Einwirkung von γ-Strahlen zu gewinnen:

NH 3 → NH 2 * + H*

2NH 2 *→ N 2 H 4

Radiochemische Reaktionen, beispielsweise die Radiolyse von Wasser, sind wichtig für das Leben von Organismen.

Literatur:

1. Achmetow, N.S. Allgemeine und anorganische Chemie / N.S. Akhmetov. – 3. Aufl. – M.: Higher School, 2000. – 743 S.

1. Korovin N.V. Allgemeine Chemie / N.V. Korovin. – M.: Higher School, 2006. – 557 S.
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5. Cotton F. Grundlagen der anorganischen Chemie / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
6. Ugay, Ya.A. Allgemeine und anorganische Chemie / Ya.A.Ugai. – M.: Höhere Schule, 1997.

Richtlinien für selbständiges Arbeiten von Erstsemesterstudierenden der biologischen und bioorganischen Chemie

(Modul 1)

Genehmigt

Akademischer Rat der Universität

Charkow KhNMU

Grundlegende Arten und Mechanismen von Reaktionen in der organischen Chemie: Methode. Dekret. für Erstsemesterstudierende / Komp. A.O. Syrovaya, L.G. Shapoval, V.N. Petyunina, E.R. Grabovetskaya, V.A. Makarov, S.V. Andreeva, S.A. Nakonechnaya, L.V. Lukyanova, R.O. Bachinsky, S.N. Kozub, T.S. Tishakova, O.L. Levashova, N.V. Kopoteva, N.N. Chalenko. – Charkow: KhNMU, 2014. – S. 32.

Zusammengestellt von: A.O. Syrovaya, L.G. Shapoval, V.N. Petyunina, E.R. Grabovetskaya, V.A. Makarov, S.V. Andreeva, L.V. Lukyanova, S.A. Nakonechnaya, R.O. Bachinsky, S.N. Kozub, T.S. Tishakova, O.L. Levashova, N.V. Kopoteva, N.N. Chalenko

Thema I: Klassifizierung chemischer Reaktionen.

REAKTIVITÄT VON ALKANEN, ALKENEN, ARENEN, ALKOHOLEN, PHENOLEN, AMINEN, ALDEHYDEN, KETONEN UND CARBONSÄUREN

Motivierende Merkmale des Themas

Das Studium dieses Themas ist die Grundlage für das Verständnis einiger biochemischer Reaktionen, die während des Stoffwechselprozesses im Körper ablaufen (Lipidperoxidation, Bildung von Hydroxysäuren aus ungesättigten im Krebszyklus usw.) sowie für Verständnis des Mechanismus solcher Reaktionen bei der Synthese von Arzneimitteln und Analoga natürlicher Verbindungen.

Lernziel

In der Lage sein, die Fähigkeit der Hauptklassen organischer Verbindungen, homolytische und heterolytische Reaktionen einzugehen, anhand ihrer elektronischen Struktur und der elektronischen Effekte von Substituenten vorherzusagen.

1. FREIE RADIKALE UND ELEKTROPHILE REAKTIONEN (REAKTIVITÄT VON KOHLENWASSERSTOFFEN)

Fragen mit pädagogischem Ziel

1. Sie können die Mechanismen der folgenden Reaktionen beschreiben:

Radikale Substitution - R S

Elektrophile Verbindung - A E

Elektrophile Substitution - S E

2. Den Einfluss von Substituenten auf die Reaktivität bei elektrophilen Wechselwirkungen anhand elektronischer Effekte erklären können.

Grundlinie

1. Struktur des Kohlenstoffatoms. Arten der Hybridisierung seiner elektronischen Orbitale.

2. Struktur, Länge und Energie von - und -Bindungen.

3. Konformationen von Cyclohexan.

4. Paarung. Offene und geschlossene (aromatische) konjugierte Systeme.

5. Elektronische Effekte von Substituenten.

6. Übergangszustand. Elektronische Struktur der Carbokation. Vermittler - und -Komplexe.

Praktische NavigationSki

1. Lernen Sie, die Möglichkeit des Aufbrechens einer kovalenten Bindung sowie die Art und den Mechanismus der Reaktion zu bestimmen.

2. In der Lage sein, Bromierungsreaktionen von Verbindungen mit Doppelbindungen und aromatischen Verbindungen experimentell durchzuführen.

Kontrollfragen

1. Geben Sie den Reaktionsmechanismus der Ethylenhydrierung an.

2. Beschreiben Sie den Mechanismus der Hydratationsreaktion von Propensäure. Erklären Sie die Rolle der Säurekatalyse.

3. Schreiben Sie die Gleichung für die Nitrierungsreaktion von Toluol (Methylbenzol). Durch welchen Mechanismus läuft diese Reaktion ab?

4. Erklären Sie die desaktivierende und orientierende Wirkung der Nitrogruppe im Nitrobenzolmolekül am Beispiel der Bromierungsreaktion.

Bildungsaufgaben und Algorithmen zu ihrer Lösung

Aufgabe Nr. 1. Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus für die Bromierung von Isobutan und Cyclopentan bei Bestrahlung mit Licht.

Lösungsalgorithmus . Isobutan- und Cyclopentanmoleküle bestehen aus sp 3 -hybridisierten Kohlenstoffatomen. Die CC-Bindungen in ihren Molekülen sind unpolar und die CH-Bindungen sind niedrigpolar. Diese Bindungen unterliegen recht leicht einer homolytischen Spaltung unter Bildung freier Radikale – Teilchen mit ungepaarten Elektronen. Daher muss in den Molekülen dieser Stoffe eine radikalische Substitutionsreaktion stattfinden – eine RS-Reaktion oder eine Kettenreaktion.

Die Phasen jeder RS-Reaktion sind: Initiierung, Wachstum und Kettenabbruch.

Initiierung ist der Prozess der Bildung freier Radikale bei hoher Temperatur oder ultravioletter Strahlung:

Das Kettenwachstum erfolgt durch die Wechselwirkung eines hochreaktiven freien Radikals  Br mit einer niedrigpolaren CH-Bindung in einem Cyclopentanmolekül unter Bildung eines neuen Cyclopentylradikals:

Das Cyclopentylradikal interagiert mit einem neuen Brommolekül, wodurch die darin enthaltene Bindung homolytisch gespalten wird und Bromcyclopentan und ein neues Bromradikal entstehen:

Das freie Bromradikal greift das neue Cyclopentanmolekül an. Somit wird die Kettenwachstumsphase viele Male wiederholt, d. h. es kommt zu einer Kettenreaktion. Der Kettenabbruch vervollständigt die Kettenreaktion durch die Kombination verschiedener Radikale:

Da alle Kohlenstoffatome im Cyclopentanmolekül gleich sind, entsteht nur Monocyclobrompentan.

In Isobutan sind die CH-Bindungen nicht äquivalent. Sie unterscheiden sich in der Energie der homolytischen Dissoziation und der Stabilität der gebildeten freien Radikale. Es ist bekannt, dass die Energie der C-H-Bindungsspaltung vom tertiären zum primären Kohlenstoffatom zunimmt. Die Stabilität freier Radikale nimmt in der gleichen Reihenfolge ab. Deshalb verläuft die Bromierungsreaktion im Isobutanmolekül regioselektiv – am tertiären Kohlenstoffatom:

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass für das aktivere Chlorradikal die Regioselektivität nicht vollständig beobachtet wird. Während der Chlorierung können Wasserstoffatome an beliebigen Kohlenstoffatomen substituiert werden, der Gehalt des Substitutionsprodukts am tertiären Kohlenstoff ist jedoch am größten.

Aufgabe Nr. 2. Beschreiben Sie am Beispiel von Ölsäure den Mechanismus der Lipidperoxidationsreaktion, die bei Strahlenkrankheit als Folge einer Schädigung der Zellmembranen auftritt. Welche Stoffe wirken in unserem Körper als Antioxidantien?

Lösungsalgorithmus. Ein Beispiel für eine radikalische Reaktion ist die Lipidperoxidation, bei der ungesättigte Fettsäuren, die Teil der Zellmembranen sind, Radikalen ausgesetzt werden. Bei radioaktiver Bestrahlung können Wassermoleküle in Radikale zerfallen. Hydroxylradikale greifen ein ungesättigtes Säuremolekül an der der Doppelbindung benachbarten Methylengruppe an. In diesem Fall entsteht ein Radikal, das durch die Beteiligung des ungepaarten Elektrons an der Konjugation mit den Elektronen der -Bindungen stabilisiert wird. Als nächstes interagiert das organische Radikal mit einem diradikalen Sauerstoffmolekül und bildet instabile Hydroperoxide, die sich zu Aldehyden zersetzen, die zu Säuren oxidiert werden – den Endprodukten der Reaktion. Die Folge der Peroxidoxidation ist die Zerstörung von Zellmembranen:

Die hemmende Wirkung von Vitamin E (Tocopherol) im Körper beruht auf seiner Fähigkeit, in Zellen gebildete freie Radikale zu binden:

Im gebildeten Phenoxidradikal ist das ungepaarte Elektron mit der -Elektronenwolke des aromatischen Rings konjugiert, was zu seiner relativen Stabilität führt.

Aufgabe Nr. 3. Geben Sie den Mechanismus der Ethylenbromierungsreaktion an.

Lösungsalgorithmus. Für Verbindungen, die aus Kohlenstoffatomen im Zustand der sp 2 - oder sp-Hybridisierung bestehen, sind typische Reaktionen solche, die mit dem Aufbrechen von -Bindungen ablaufen, also Additionsreaktionen. Diese Reaktionen können über einen radikalischen oder ionischen Mechanismus ablaufen, abhängig von der Art des Reagens, der Polarität des Lösungsmittels, der Temperatur usw. Ionische Reaktionen finden unter der Wirkung von elektrophilen Reagenzien, die eine Affinität zu einem Elektron haben, oder nukleophilen Reagenzien statt , die ihre Elektronen abgeben. Elektrophile Reagenzien können Kationen und Verbindungen sein, die Atome mit ungefüllten Elektronenhüllen aufweisen. Das einfachste elektrophile Reagens ist ein Proton. Nukleophile Reagenzien sind Anionen oder Verbindungen mit Atomen, die über ungeteilte Elektronenpaare verfügen.

Für Alkene – Verbindungen, die ein sp 2 - oder sp-hybridisiertes Kohlenstoffatom besitzen – sind elektrophile Additionsreaktionen – AE-Reaktionen – typisch. In polaren Lösungsmitteln verläuft die Halogenierungsreaktion in Abwesenheit von Sonnenlicht nach einem ionischen Mechanismus unter Bildung von Carbokationen:

Unter dem Einfluss der π-Bindung im Ethylen wird das Brommolekül polarisiert und bildet einen instabilen π-Komplex, der sich in ein Carbokation umwandelt. Darin ist Brom über eine π-Bindung an Kohlenstoff gebunden. Der Prozess wird durch die Wechselwirkung des Bromanions mit diesem Carbokation vervollständigt, um das Endprodukt der Reaktion, Dibromethan, zu bilden.

Aufgabe Nr. 4 . Begründen Sie Markownikows Regel am Beispiel der Hydratationsreaktion von Propen.

Lösungsalgorithmus. Da das Wassermolekül ein nukleophiles Reagens ist, ist seine Addition an die Doppelbindung ohne Katalysator unmöglich. Säuren wirken bei solchen Reaktionen als Katalysatoren. Die Bildung von Carbokationen erfolgt durch Zugabe eines Säureprotons, wenn die π-Bindung aufgebrochen wird:

An das Carbokation, das durch die gepaarten Elektronen des Sauerstoffatoms entsteht, wird ein Wassermolekül gebunden. Es entsteht ein stabiles Alkylderivat des Oxoniums, das sich unter Freisetzung eines Protons stabilisiert. Das Reaktionsprodukt ist sec-Propanol (Propan-2-ol).

Bei der Hydratationsreaktion wird nach der Markownikow-Regel ein Proton an ein stärker hydriertes Kohlenstoffatom addiert, da aufgrund der positiv induktiven Wirkung der CH 3 -Gruppe die Elektronendichte zu diesem Atom verschoben wird. Darüber hinaus ist das durch die Zugabe eines Protons gebildete tertiäre Carbokation stabiler als das primäre (Einfluss zweier Alkylgruppen).

Aufgabe Nr. 5. Begründen Sie die Möglichkeit der Bildung von 1,3-Dibrompropan bei der Bromierung von Cyclopropan.

Lösungsalgorithmus. Moleküle, die aus drei oder vier Ringen bestehen (Cyclopropan und Cyclobutan), weisen die Eigenschaften ungesättigter Verbindungen auf, da der elektronische Zustand ihrer „Bananen“-Bindungen einer π-Bindung ähnelt. Daher unterliegen sie wie ungesättigte Verbindungen Additionsreaktionen mit Ringbruch:

Aufgabe Nr. 6. Beschreiben Sie die Reaktion von Bromwasserstoff mit 1,3-Butadien. Was ist das Besondere an dieser Reaktion?

Lösungsalgorithmus. Wenn Bromwasserstoff mit 1,3-Butadien reagiert, entstehen die Produkte 1,2-Addition (1) und 1,4-Addition (2):

Die Bildung von Produkt (2) ist auf das Vorhandensein einer dem gesamten Molekül gemeinsamen π-Elektronenwolke im konjugierten System zurückzuführen, wodurch es eine elektrophile Additionsreaktion (AE-Reaktion) in Form von a eingeht ganzer Block:

Aufgabe Nr. 7. Beschreiben Sie den Mechanismus der Benzol-Bromierungsreaktion.

Lösungsalgorithmus. Für aromatische Verbindungen, die ein geschlossenes konjugiertes elektronisches System enthalten und daher eine erhebliche Stärke aufweisen, sind elektrophile Substitutionsreaktionen charakteristisch. Das Vorhandensein einer erhöhten Elektronendichte auf beiden Seiten des Rings schützt ihn vor Angriffen durch nukleophile Reagenzien und erleichtert umgekehrt die Möglichkeit eines Angriffs durch Kationen und andere elektrophile Reagenzien.

Die Wechselwirkung von Benzol mit Halogenen erfolgt in Gegenwart von Katalysatoren – AlCl 3, FeCl 3 (den sogenannten Lewis-Säuren). Sie bewirken, dass das Halogenmolekül polarisiert und anschließend die π-Elektronen des Benzolrings angreift:

π-Komplex σ-Komplex

Zunächst entsteht ein π-Komplex, der sich langsam in einen σ-Komplex umwandelt, in dem Brom auf Kosten von zwei der sechs Elektronen des aromatischen Rings eine kovalente Bindung mit einem der Kohlenstoffatome eingeht. Die verbleibenden vier π-Elektronen verteilen sich gleichmäßig auf die fünf Atome des Kohlenstoffrings; Der σ-Komplex weist aufgrund des Verlusts der Aromatizität, die durch die Freisetzung eines Protons wiederhergestellt wird, eine ungünstigere Struktur auf.

Zu den elektrophilen Substitutionsreaktionen in aromatischen Verbindungen zählen auch die Sulfonierung und Nitrierung. Die Rolle eines Nitrierungsmittels übernimmt das Nitroylkation - NO 2+, das durch die Wechselwirkung von konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure (Nitriergemisch) entsteht; und die Rolle des Sulfonierungsmittels ist das Kation SO 3 H + oder Schwefeloxid (IV), wenn die Sulfonierung mit Oleum durchgeführt wird.

Lösungsalgorithmus. Die Aktivität von Verbindungen in SE-Reaktionen hängt von der Elektronendichte im aromatischen Kern ab (direkter Zusammenhang). Dabei ist die Reaktivität von Stoffen im Zusammenhang mit den elektronischen Effekten von Substituenten und Heteroatomen zu betrachten.

Die Aminogruppe im Anilin weist einen +M-Effekt auf, wodurch die Elektronendichte im Benzolring zunimmt und ihre höchste Konzentration in ortho- und para-Position beobachtet wird. Die Reaktion verläuft leichter.

Die Nitrogruppe in Nitrobenzol hat -I- und -M-Effekte und deaktiviert daher den Benzolring in der ortho- und para-Position. Da die Wechselwirkung des Elektrophils am Ort der höchsten Elektronendichte stattfindet, entstehen in diesem Fall Meta-Isomere. Somit sind elektronenschiebende Substituenten ortho- und para-Orientierungsmittel (Orientierungsmittel erster Art und Aktivatoren von SE-Reaktionen; elektronenziehende Substituenten sind Metaorientierungsmittel (Orientierungsmittel zweiter Art) Deaktivatoren von SE-Reaktionen).

In fünfgliedrigen Heterocyclen (Pyrrol, Furan, Thiophen), die zu π-Überschusssystemen gehören, laufen SE-Reaktionen leichter ab als in Benzol; in diesem Fall ist die α-Position reaktiver.

Heterocyclische Systeme mit einem Pyridin-Stickstoffatom weisen einen π-Mangel auf und sind daher schwieriger für elektrophile Substitutionsreaktionen geeignet. In diesem Fall nimmt das Elektrophil die β-Position relativ zum Stickstoffatom ein.

CH 3 -CH 3 + Cl 2 – (hv) ---- CH 3 -CH 2 Cl + HCl

C 6 H 5 CH 3 + Cl 2 --- 500 C --- C 6 H 5 CH 2 Cl + HCl

Additionsreaktionen

Solche Reaktionen sind typisch für organische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Doppel- oder Dreifachbindungen). Reaktionen dieser Art umfassen Reaktionen der Addition von Halogenen, Halogenwasserstoffen und Wasser an Alkene und Alkine

CH 3 -CH=CH 2 + HCl ---- CH 3 -CH(Cl)-CH 3

Eliminationsreaktionen

Dabei handelt es sich um Reaktionen, die zur Bildung von Mehrfachbindungen führen. Bei der Abspaltung von Halogenwasserstoffen und Wasser wird eine gewisse Selektivität der Reaktion beobachtet, die durch die Zaitsev-Regel beschrieben wird, nach der ein Wasserstoffatom aus dem Kohlenstoffatom abgespalten wird, an dem sich weniger Wasserstoffatome befinden. Beispielreaktion

CH3-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + KOH →CH 3 -CH=CH-CH 3 + HCl

Polymerisation und Polykondensation

n(CH 2 =CHCl)  (-CH 2 -CHCl)n

Redox

Die intensivste oxidative Reaktion ist die Verbrennung, eine Reaktion, die für alle Klassen organischer Verbindungen charakteristisch ist. Dabei wird Kohlenstoff je nach Verbrennungsbedingungen zu C (Ruß), CO oder CO 2 oxidiert und Wasserstoff in Wasser umgewandelt. Für organische Chemiker sind jedoch Oxidationsreaktionen, die unter viel milderen Bedingungen als die Verbrennung durchgeführt werden, von großem Interesse. Verwendete Oxidationsmittel: Lösungen von Br2 in Wasser oder Cl2 in CCl 4 ; KMnO 4 in Wasser oder verdünnter Säure; Kupferoxid; frisch gefällte Silber(I)- oder Kupfer(II)-Hydroxide.

3C 2 H 2 + 8KMnO 4 +4H 2 O→3HOOC-COOH + 8MnO 2 + 8KOH

Veresterung (und ihre umgekehrte Hydrolysereaktion)

R 1 COOH + HOR 2 H+  R 1 COOR 2 + H 2 O

Cycloaddition

Y R Y-R

‖ + ‖ → ǀ ǀ

R Y R-Y

‖ + →

11. Klassifizierung organischer Reaktionen nach Mechanismus. Beispiele.

Der Reaktionsmechanismus beinhaltet eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Beschreibung chemischer Reaktionen. Gleichzeitig wird festgestellt, welche kovalenten Bindungen in welcher Reihenfolge und auf welche Weise aufgebrochen werden. Auch die Bildung neuer Bindungen während des Reaktionsprozesses wird ausführlich beschrieben. Achten Sie bei der Betrachtung des Reaktionsmechanismus zunächst auf die Methode zum Aufbrechen der kovalenten Bindung im reagierenden Molekül. Es gibt zwei solcher Möglichkeiten - homolytisch und heterolytisch.

Radikale Reaktionen durch homolytische (radikalische) Spaltung einer kovalenten Bindung erfolgen:

Unpolare oder niedrigpolare kovalente Bindungen (C–C, N–N, C–H) werden bei hohen Temperaturen oder unter Lichteinfluss radikalisch gespalten. Der Kohlenstoff im CH 3 -Radikal hat 7 Außenelektronen (anstelle einer stabilen Oktettschale in CH 4). Radikale sind instabil; sie neigen dazu, das fehlende Elektron einzufangen (bis zu einem Paar oder bis zu einem Oktett). Eine Möglichkeit zur Bildung stabiler Produkte ist die Dimerisierung (die Kombination zweier Radikale):

CH 3 + CH 3 CH 3 : CH 3,

N + N N : N.

Radikale Reaktionen - Dies sind beispielsweise Reaktionen der Chlorierung, Bromierung und Nitrierung von Alkanen:

Ionische Reaktionen treten bei heterolytischer Bindungsspaltung auf. Dabei entstehen zwischenzeitlich kurzlebige organische Ionen – Carbokationen und Carbanionen – mit einer Ladung am Kohlenstoffatom. Bei ionischen Reaktionen wird das bindende Elektronenpaar nicht getrennt, sondern geht vollständig auf eines der Atome über und verwandelt es in ein Anion:

Stark polare (H–O, C–O) und leicht polarisierbare (C–Br, C–I) Bindungen neigen zur heterolytischen Spaltung.

Unterscheiden nukleophile Reaktionen (Nukleophil– auf der Suche nach dem Kern, einem Ort mit einem Mangel an Elektronen) und elektrophile Reaktionen (Elektrophil– auf der Suche nach Elektronen). Die Aussage, dass eine bestimmte Reaktion nukleophil oder elektrophil ist, bezieht sich immer auf das Reagens. Reagens– ein an der Reaktion beteiligter Stoff mit einfacherer Struktur. Substrat– eine Ausgangssubstanz mit komplexerer Struktur. Ausgehende Gruppe ist ein austauschbares Ion, das an Kohlenstoff gebunden wurde. Reaktionsprodukt– neue kohlenstoffhaltige Substanz (auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung geschrieben).

ZU nukleophile Reagenzien(Nukleophile) umfassen negativ geladene Ionen, Verbindungen mit einsamen Elektronenpaaren und Verbindungen mit doppelten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. ZU elektrophile Reagenzien(Elektrophile) umfassen positiv geladene Ionen, Verbindungen mit ungefüllten Elektronenhüllen (AlCl 3, BF 3, FeCl 3), Verbindungen mit Carbonylgruppen, Halogene. Elektrophile sind alle Atome, Moleküle oder Ionen, die in der Lage sind, bei der Bildung einer neuen Bindung ein Elektronenpaar hinzuzufügen. Die treibende Kraft ionischer Reaktionen ist die Wechselwirkung entgegengesetzt geladener Ionen oder Fragmente verschiedener Moleküle mit einer Teilladung (+ und –).

Einteilung der Reaktionen nach Anzahl der Ausgangs- und Endstoffe: 1. Addition 2. Eliminierung (Eliminierung) 3. Substitution

Einteilung der Reaktionen nach dem Mechanismus des Bindungsbruchs: 1. Homolytische (Radikal-)Radikale 2. Heterolytische (ionische) Ionen

Reaktionsmechanismus Mechanismus ist eine detaillierte Beschreibung einer chemischen Reaktion in Stufen unter Angabe von Zwischenprodukten und Partikeln. Reaktionsschema: Reaktionsmechanismus:

Klassifizierung der Reaktionen nach Art der Reagenzien 1. Radikal Ein Radikal ist ein chemisch aktives Teilchen mit einem ungepaarten Elektron. 2. Elektrophil Elektrophil ist ein elektronenarmes Teilchen oder Molekül mit einem elektronenarmen Atom. 3. Nukleophil Ein Nukleophil ist ein Anion oder neutrales Molekül mit einem Atom mit einem freien Elektronenpaar.

Arten chemischer Bindungen in organischen Substanzen Die Hauptbindungsart ist kovalent (seltener ionisch). Sigma-Bindung (σ-): Pi-Bindung (-)

ALKANE – aliphatische (fettige) Kohlenwasserstoffe „Alifatos“ – Öl, Fett (Griechisch). Cn. H 2 n+2 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Homologe Reihe: CH 4 - Methan C 2 H 6 - Ethan C 3 H 8 - Propan C 4 H 10 - Butan C 5 H 12 - Pentan usw. C 6 H 14 - Hexan C 7 H 16 - Heptan C 8 H 18 - Oktan C 9 H 20 - Nonan C 10 H 22 - Decan und C 390 H 782 - Nonocontatrictan (1985)

Atomorbitalmodell des Methanmoleküls Im Methanmolekül besitzt das Kohlenstoffatom keine S- und P-Orbitale mehr! Seine 4 hybriden SP 3-Orbitale, die in Energie und Form gleich sind, bilden 4 Bindungen mit den S-Orbitalen des Wasserstoffatoms. H H 4-Bindungen

Nitrierungsreaktion Konovalov Dmitry Petrovich (1856 -1928) 1880. Der erste erfolgreiche Versuch, die „chemischen Toten“, die als Alkane galten, wiederzubeleben. Ich habe die Bedingungen für die Nitrierung von Alkanen gefunden. Reis. Quelle: http://images. Yandex. ru.

Chemische Eigenschaften I. Reaktionen mit Spaltung von C-H-Bindungen (Substitutionsreaktionen): 1. Halogenierung 2. Nitrierung 3. Sulfochlorierung II. Reaktionen mit Aufbrechen von C-C-Bindungen: 1. Verbrennung 2. Cracken 3. Isomerisierung

Wie finde ich einen Apotheker? Wenn Sie einen Apotheker aufsuchen möchten, fragen Sie, was Motte und nichtionisiert sind. Und wenn er anfängt, über Pelztiere und die Arbeitsorganisation zu sprechen, gehen Sie ruhig weg. Science-Fiction-Autor und Popularisierer der Wissenschaft Isaac Asimov (1920–1992) Abb. Quelle: http://images. Yandex. ru.

1. Halogenierungsreaktion Chlorierung: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromierung: RH + Br 2 hv RBr + HBr Zum Beispiel Chlorierung von Methan: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Stufen des Mechanismus der freien Radikale Reaktionsschema: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Reaktionsmechanismus: I. Ketteninitiierung – die Stufe der Erzeugung freier Radikale. Cl Cl 2 Cl-Radikal ist ein aktives Teilchen, der Auslöser einer Reaktion. – – Die Bühne benötigt Energie in Form von Heizung oder Beleuchtung. Nachfolgende Schritte können im Dunkeln ohne Erhitzen erfolgen.

Stadien des Mechanismus freier Radikale II. Das Kettenwachstum ist die Hauptphase. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Die Stufe kann mehrere Unterstufen umfassen, in denen jeweils ein neues Radikal gebildet wird, nicht jedoch H!!! Auf Stufe II, der Hauptstufe, entsteht zwangsläufig das Hauptprodukt!

Stadien des Mechanismus freier Radikale III. Kettenabbruch – Rekombination von Radikalen. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Zwei beliebige Radikale verbinden sich.

Selektivität der Substitution Selektivität – Selektivität. Regioselektivität ist Selektivität in einem bestimmten Bereich von Reaktionen. Beispiel: Halogenierungsselektivität: 45 % 3 % Fazit? 55 % 97 %

Die Selektivität der Halogenierung hängt von folgenden Faktoren ab: Reaktionsbedingungen. Bei niedrigen Temperaturen ist es selektiver. Natur von Halogen. Je aktiver das Halogen ist, desto weniger selektiv ist die Reaktion. F 2 reagiert sehr heftig unter Zerstörung von C-C-Bindungen. I 2 reagiert unter diesen Bedingungen nicht mit Alkanen. Alkanstruktur.

Einfluss der Alkanstruktur auf die Substitutionsselektivität. Wenn die Kohlenstoffatome in einem Alkan ungleich sind, erfolgt die Substitution für jedes von ihnen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Relativ Geschwindigkeit der Substitutionsreaktion Primär. H-Atom Sekundär Atom H Tert. H-Atom Chlorierung 1 3, 9 5, 1 Bromierung 1 82 1600 Fazit?

Die Entfernung eines tertiären Wasserstoffatoms erfordert weniger Energie als die Entfernung eines sekundären und primären! Alkanformel Ergebnis der Homolyse ED, kJ/mol CH 4 CH 3 + H 435 CH 3 - CH 3 C 2 H 5 + H 410 CH 3 CH 2 CH 3 (CH 3)2 CH + H 395 (CH 3)3 CH (CH 3)3 C + H 377

Reaktionsrichtung Jede Reaktion verläuft überwiegend in Richtung der Bildung eines stabileren Zwischenteilchens!

Das Zwischenteilchen bei radikalischen Reaktionen ist ein freies Radikal. Das stabilste Radikal entsteht am einfachsten! Stabilitätsreihe von Radikalen: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Alkylgruppen wirken elektronenschiebend und stabilisieren dadurch das Radikal

Sulfochlorierungsreaktion Reaktionsschema: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Reaktionsmechanismus: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl usw . usw. 3. 2 Cl Cl 2 usw.

Konovalovs Reaktion D.P. Die Nitrierung nach Konovalov erfolgt durch Einwirkung verdünnter Salpetersäure bei einer Temperatur von 140 °C. C. Reaktionsschema: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Konovalov-Reaktionsmechanismus HNO 3 N 2 O 4 1. N 2 O 4 2 NO 2 2. RH + NO 2 R + HNO 2 R + HNO 3 RNO 2 + OH RH + OH R + H 2 O usw. 3 .Offen Schaltkreis.

Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit einer C=C-Bindung, Cn. H 2 n С=С – funktionelle Gruppe von Alkenen

Chemische Eigenschaften von Alkenen Allgemeine Eigenschaften Alkene sind eine reaktive Verbindungsklasse. Sie gehen zahlreiche Reaktionen ein, von denen die meisten durch das Aufbrechen der schwächeren Pi-Bindung erfolgen. E C-C (σ-) ~ 350 KJ/mol E C=C (-) ~ 260 KJ/mol

Charakteristische Reaktionen Die Addition ist der charakteristischste Reaktionstyp. Die Doppelbindung ist ein Elektronendonor und neigt daher dazu, Folgendes hinzuzufügen: E – Elektrophile, Kationen oder Radikale

Beispiele für elektrophile Additionsreaktionen 1. Addition von Halogenen – Nicht alle Halogene addieren, sondern nur Chlor und Brom! – Die Polarisation eines neutralen Halogenmoleküls kann unter Einwirkung eines polaren Lösungsmittels oder unter Einwirkung der Doppelbindung eines Alkens erfolgen. Die rotbraune Bromlösung wird farblos

Elektrophile Additionsreaktionen finden bei Raumtemperatur statt und erfordern keine Beleuchtung. Der Mechanismus ist ionisch. Reaktionsschema: XY = Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Der Sigma-Komplex ist ein Carbokation – ein Teilchen mit einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom. Wenn andere Anionen im Reaktionsmedium vorhanden sind, können diese ebenfalls das Carbokation einbinden.

Zum Beispiel die Zugabe von in Wasser gelöstem Brom. Diese qualitative Reaktion an der C=C-Doppelbindung verläuft unter Verfärbung der Bromlösung und der Bildung zweier Produkte:

Addition an unsymmetrische Alkene Regioselektivität der Addition! Markownikows Regel (1869): Säuren und Wasser addieren sich an unsymmetrische Alkene in der Weise, dass Wasserstoff an das stärker hydrierte Kohlenstoffatom addiert.

Markownikow Wladimir Wassiljewitsch (1837–1904) Absolvent der Kasaner Universität. Seit 1869 - Professor der Fakultät für Chemie. Gründer einer wissenschaftlichen Schule. Reis. Quelle: http://images. Yandex. ru.

Erklärung der Markownikow-Regel Die Reaktion verläuft über die Bildung des stabilsten Zwischenpartikels – eines Carbokations. primär sekundär, stabiler

Stabilitätsreihe von Carbokationen: tertiäres sekundäres primäres Methyl Markownikows Regel in der modernen Formulierung: Die Addition eines Protons an ein Alken erfolgt unter Bildung eines stabileren Carbokations.

Anti-Markownikow-Addition CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formal verstößt die Reaktion gegen die Markownikow-Regel. CF 3 – elektronenziehender Substituent Andere elektronenziehende Mittel: NO 2, SO 3 H, COOH, Halogene usw.

Anti-Markownikow-Addition stabiler, instabiler CF 3 – Elektronenakzeptor, destabilisiert das Carbokation. Die Reaktion verstößt nur formal gegen die Markownikow-Regel. Tatsächlich gehorcht es ihm, da es eine stabilere Carbokation durchläuft.

Wirkung von Kharash-Peroxid X CH 3 -CH=CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br . CH 3 -CH=CH 2 + Br CH 3 -CH -CH 2 Br stabileres Radikal CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br usw. 3. Zwei beliebige Radikale verbinden sich miteinander .

Elektrophile Addition 3. Hydratation – Zugabe von Wasser – Die Reaktion findet in Gegenwart von Säurekatalysatoren statt, am häufigsten Schwefelsäure. – Die Reaktion gehorcht Markownikows Regel. Günstige Möglichkeit, an Alkohol zu kommen

Während der Prüfung bittet der Akademiker Ivan Alekseevich Kablukov den Studenten, zu erzählen, wie Wasserstoff im Labor hergestellt wird. „Aus Quecksilber“, antwortet er. „Wie meinst du „aus Quecksilber“? ! Normalerweise sagt man „aus Zink“, aber aus Quecksilber ist etwas Originelles. Schreiben Sie eine Reaktion. Der Student schreibt: Hg = H + g Und sagt: „Quecksilber wird erhitzt; es zerfällt in H und g. H ist Wasserstoff, es ist leicht und fliegt deshalb weg, aber g ist die Erdbeschleunigung, schwer, bleibt.“ „Für eine solche Antwort sollte man eine Eins geben“, sagt Kablukov. - Holen wir uns ein Rekordbuch. Ich werde auch erst einmal die „Fünf“ aufwärmen. „Drei“ fliegt weg, aber „zwei“ bleibt.“

Zwei Chemiker im Labor: - Vasya, stecke deine Hand in dieses Glas. - Ich habe es fallen gelassen. - Fühlst du etwas? - Nein. - In einem anderen Glas ist also Schwefelsäure.

Aromatische Kohlenwasserstoffe Aromatisch – duftend? ? Aromatische Verbindungen sind Benzol und Stoffe, die ihm im chemischen Verhalten ähneln!

Viele Substitutionsreaktionen eröffnen den Weg zur Herstellung vielfältiger Verbindungen mit wirtschaftlicher Anwendung. Elektrophile und nukleophile Substitution spielen in der chemischen Wissenschaft und Industrie eine große Rolle. In der organischen Synthese weisen diese Prozesse eine Reihe von Merkmalen auf, auf die geachtet werden sollte.

Vielzahl chemischer Phänomene. Substitutionsreaktionen

Chemische Veränderungen, die mit der Umwandlung von Stoffen einhergehen, zeichnen sich durch eine Reihe von Merkmalen aus. Die Endergebnisse und thermischen Effekte können variieren; Manche Prozesse laufen zu Ende, bei anderen kommt es zu einer Stoffveränderung, oft begleitet von einer Zunahme oder Abnahme des Oxidationsgrades. Bei der Klassifizierung chemischer Phänomene nach ihrem Endergebnis wird auf die qualitativen und quantitativen Unterschiede zwischen Reagenzien und Produkten geachtet. Basierend auf diesen Merkmalen können 7 Arten chemischer Umwandlungen unterschieden werden, einschließlich der Substitution, die dem Schema folgt: A-B + C A-C + B. Eine vereinfachte Schreibweise einer ganzen Klasse chemischer Phänomene lässt vermuten, dass es unter den Ausgangsstoffen eine gibt sogenannter „Angriff“ eines Teilchens, das ein Atom, Ion oder eine funktionelle Gruppe in einem Reagenz ersetzt. Die Substitutionsreaktion ist charakteristisch für die Begrenzung und

Substitutionsreaktionen können in Form eines doppelten Austauschs ablaufen: A-B + C-E A-C + B-E. Eine der Unterarten ist beispielsweise die Verdrängung von Kupfer durch Eisen aus einer Kupfersulfatlösung: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Bei dem „angreifenden“ Teilchen kann es sich um Atome, Ionen oder funktionelle Gruppen handeln

Homolytische Substitution (Radikal, SR)

Beim radikalischen Mechanismus des Aufbrechens kovalenter Bindungen wird ein Elektronenpaar, das verschiedenen Elementen gemeinsam ist, proportional auf die „Fragmente“ des Moleküls verteilt. Es entstehen freie Radikale. Dabei handelt es sich um instabile Teilchen, deren Stabilisierung durch nachfolgende Umwandlungen erfolgt. Bei der Herstellung von Ethan aus Methan entstehen beispielsweise freie Radikale, die an der Substitutionsreaktion beteiligt sind: CH 4 CH 3. + .N; CH 3. + .CH 3 → C2H5; N. + .N → N2. Die homolytische Bindungsspaltung gemäß dem oben genannten Substitutionsmechanismus ist kettenförmiger Natur. In Methan können die H-Atome sukzessive durch Chlor ersetzt werden. Die Reaktion mit Brom verläuft ähnlich, aber Jod kann Wasserstoff in Alkanen nicht direkt ersetzen; Fluor reagiert mit ihnen zu heftig.

Methode zum Aufbrechen heterolytischer Bindungen

Beim ionischen Mechanismus von Substitutionsreaktionen werden Elektronen ungleichmäßig zwischen neu gebildeten Partikeln verteilt. Das bindende Elektronenpaar geht vollständig an eines der „Fragmente“, am häufigsten an den Bindungspartner, zu dem die negative Dichte im polaren Molekül verschoben wurde. Zu den Substitutionsreaktionen gehört die Bildung von Methylalkohol CH 3 OH. In Brommethan CH3Br erfolgt die Spaltung des Moleküls heterolytisch und die geladenen Teilchen sind stabil. Methyl erhält eine positive Ladung und Brom eine negative Ladung: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH 3 + + OH - → CH 3 OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Elektrophile und Nukleophile

Teilchen, denen Elektronen fehlen und die sie aufnehmen können, werden „Elektrophile“ genannt. Dazu gehören Kohlenstoffatome, die in Haloalkanen mit Halogenen verbunden sind. Nukleophile haben eine erhöhte Elektronendichte; sie „spenden“ ein Elektronenpaar, wenn sie eine kovalente Bindung bilden. Bei Substitutionsreaktionen werden negativ geladene Nukleophile von elektronenarmen Elektrophilen angegriffen. Dieses Phänomen ist mit der Bewegung eines Atoms oder eines anderen Teilchens – einer Abgangsgruppe – verbunden. Eine andere Art der Substitutionsreaktion ist der Angriff eines Elektrophils durch ein Nukleophil. Manchmal ist es schwierig, zwischen zwei Prozessen zu unterscheiden und die Substitution dem einen oder anderen Typ zuzuordnen, da es schwierig ist, genau anzugeben, welches der Moleküle das Substrat und welches das Reagens ist. Typischerweise werden in solchen Fällen folgende Faktoren berücksichtigt:

• die Art der Abgangsgruppe;
• nukleophile Reaktivität;
• Art des Lösungsmittels;
• Struktur des Alkylteils.

Nukleophile Substitution (SN)

Während des Wechselwirkungsprozesses in einem organischen Molekül wird eine Zunahme der Polarisation beobachtet. In Gleichungen wird eine teilweise positive oder negative Ladung durch einen Buchstaben des griechischen Alphabets angegeben. Die Bindungspolarisierung ermöglicht es, die Art ihres Bruchs und das weitere Verhalten der „Fragmente“ des Moleküls zu beurteilen. Beispielsweise ist das Kohlenstoffatom in Jodmethan teilweise positiv geladen und ein elektrophiles Zentrum. Es zieht den Teil des Wasserdipols an, in dem sich Sauerstoff befindet, der über einen Elektronenüberschuss verfügt. Wenn ein Elektrophil mit einem nukleophilen Reagens interagiert, entsteht Methanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Nukleophile Substitutionsreaktionen finden unter Beteiligung eines negativ geladenen Ions oder Moleküls mit einem freien Elektronenpaar statt, das nicht an der Bildung einer chemischen Bindung beteiligt ist. Die aktive Beteiligung von Jodmethan an SN 2 -Reaktionen wird durch seine Offenheit gegenüber nukleophilen Angriffen und die Mobilität von Jod erklärt.

Elektrophile Substitution (SE)

Ein organisches Molekül kann ein nukleophiles Zentrum enthalten, das durch einen Überschuss an Elektronendichte gekennzeichnet ist. Es reagiert mit einem elektrophilen Reagens ohne negative Ladungen. Zu diesen Teilchen gehören Atome mit freien Orbitalen und Moleküle mit Bereichen geringer Elektronendichte. B-Kohlenstoff, der eine „-“-Ladung hat, interagiert mit dem positiven Teil des Wasserdipols – mit Wasserstoff: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Das Produkt dieser elektrophilen Substitutionsreaktion ist Methan. Bei heterolytischen Reaktionen interagieren entgegengesetzt geladene Zentren organischer Moleküle, wodurch sie den Ionen in der Chemie anorganischer Substanzen ähneln. Es sollte nicht übersehen werden, dass die Umwandlung organischer Verbindungen selten mit der Bildung echter Kationen und Anionen einhergeht.

Monomolekulare und bimolekulare Reaktionen

Die nukleophile Substitution ist monomolekular (SN1). Dieser Mechanismus wird genutzt, um ein wichtiges Produkt der organischen Synthese zu hydrolysieren – tertiäres Butylchlorid. Die erste Stufe ist langsam; sie ist mit einer allmählichen Dissoziation in Carboniumkation und Chloridanion verbunden. Die zweite Stufe verläuft schneller, es kommt zur Reaktion von Carboniumionen mit Wasser. Ersetzen des Halogens im Alkan durch eine Hydroxygruppe und Erhalt eines primären Alkohols: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C-OH + H + . Die einstufige Hydrolyse von primären und sekundären Alkylhalogeniden ist durch die gleichzeitige Zerstörung der Kohlenstoff-Halogen-Bindung und die Bildung eines C-OH-Paares gekennzeichnet. Dabei handelt es sich um einen Mechanismus der nukleophilen bimolekularen Substitution (SN2).

Mechanismus des heterolytischen Ersatzes

Der Substitutionsmechanismus ist mit einem Elektronentransfer und der Bildung von Zwischenkomplexen verbunden. Je schneller die Reaktion abläuft, desto leichter entstehen die charakteristischen Zwischenprodukte. Oft verläuft der Prozess in mehrere Richtungen gleichzeitig. Der Vorteil liegt meist auf dem Weg, der Teilchen nutzt, die zu ihrer Entstehung am wenigsten Energie benötigen. Beispielsweise erhöht das Vorhandensein einer Doppelbindung die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Allylkations CH2=CH-CH 2 + im Vergleich zum CH 3 + -Ion. Der Grund liegt in der Elektronendichte der Mehrfachbindung, die die Delokalisierung der im Molekül verteilten positiven Ladung beeinflusst.

Benzolsubstitutionsreaktionen

Die durch elektrophile Substitution gekennzeichnete Gruppe sind Arene. Der Benzolring ist ein geeignetes Ziel für elektrophile Angriffe. Der Prozess beginnt mit der Bindungspolarisierung im zweiten Reagens, was zur Bildung eines Elektrophils neben der Elektronenwolke des Benzolrings führt. Infolgedessen entsteht ein Übergangskomplex. Es besteht noch keine vollständige Verbindung zwischen dem elektrophilen Teilchen und einem der Kohlenstoffatome; es wird von der gesamten negativen Ladung der „aromatischen sechs“ Elektronen angezogen. In der dritten Stufe des Prozesses werden das Elektrophil und ein Kohlenstoffatom des Rings durch ein gemeinsames Elektronenpaar verbunden (kovalente Bindung). In diesem Fall werden jedoch die „aromatischen Sechs“ zerstört, was im Hinblick auf das Erreichen eines stabilen, stabilen Energiezustands ungünstig ist. Es wird ein Phänomen beobachtet, das als „Protonenausstoß“ bezeichnet werden kann. H+ wird eliminiert und ein für Arene charakteristisches stabiles Kommunikationssystem wird wiederhergestellt. Das Nebenprodukt enthält ein Wasserstoffkation aus dem Benzolring und ein Anion aus dem zweiten Reagens.

Beispiele für Substitutionsreaktionen aus der organischen Chemie

Alkane zeichnen sich insbesondere durch eine Substitutionsreaktion aus. Beispiele für elektrophile und nukleophile Umwandlungen können für Cycloalkane und Arene angegeben werden. Ähnliche Reaktionen in Molekülen organischer Substanzen finden unter normalen Bedingungen statt, häufiger jedoch beim Erhitzen und in Gegenwart von Katalysatoren. Zu den gängigen und gut untersuchten Prozessen gehört die elektrophile Substitution im aromatischen Ring. Die wichtigsten Reaktionen dieser Art:

1. Die Nitrierung von Benzol in Gegenwart von H 2 SO 4 verläuft nach dem Schema: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Katalytische Halogenierung von Benzol, insbesondere Chlorierung, nach der Gleichung: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Der aromatische Prozess läuft unter „rauchender“ Schwefelsäure ab, es entstehen Benzolsulfonsäuren.
4. Unter Alkylierung versteht man den Ersatz eines Wasserstoffatoms aus dem Benzolring durch ein Alkyl.
5. Acylierung – Bildung von Ketonen.
6. Unter Formylierung versteht man den Ersatz von Wasserstoff durch eine CHO-Gruppe und die Bildung von Aldehyden.

Substitutionsreaktionen umfassen Reaktionen in Alkanen und Cycloalkanen, bei denen Halogene eine zugängliche C-H-Bindung angreifen. Die Bildung von Derivaten kann den Austausch eines, zweier oder aller Wasserstoffatome in gesättigten Kohlenwasserstoffen und Cycloparaffinen beinhalten. Viele der Haloalkane mit kleinen Molekulargewichten werden bei der Herstellung komplexerer Substanzen verschiedener Klassen verwendet. Die Fortschritte bei der Untersuchung der Mechanismen von Substitutionsreaktionen haben der Entwicklung von Synthesen auf Basis von Alkanen, Cycloparaffinen, Arenen und Halogenkohlenwasserstoffen einen starken Impuls gegeben.