Типы химических реакций в органической химии план-конспект урока по химии (10 класс) на тему. Классификация реакций в органической химии Хим реакции в органической химии

Занятие 2. Классификация реакций в органической химии. Упражнения на изомерию и гомологи

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

Существуют три основные классификации органических реакций.

1 Классификация по способу разрыва ковалентных связей в молекулах реагирующих веществ.

§ Реакции, протекающие по механизму свободнорадикального (гомолитического) разрыва связей. Такому разрыву подвергаются малополярные ковалентные связи. Образующиеся частицы называются свободными радикалами – хим. частица с неспаренным электроном, обладающая высокой химической активностью. Типичным примером такой реакции является галогенирование алканов, например :

§ Реакции, протекающие по механизму ионного (гетеролитического) разрыва связей. Такому разрыву подвергаются полярные ковалентные связи. В момент реакции образуются органические ионные частицы – карбкатион (ион, содержащий атом углерода с положительным зарядом) и карбанион (ион, содержащий атом углерода с отрицательным зарядом). Примером такой реакции может служить реакция гидрогалогенирования спиртов, например:

2. Классификация по механизму протекания реакции.

§ Реакции присоединения – реакция, в ходе которой из двух реагирующих молекул образуется одна (вступают непредельные или циклические соединения). В качестве примера приведите реакцию присоединения водорода к этилену:

§ Реакции замещения – реакция, в результате которой происходит обмен одного атома или группы атомов на другие группы или атомы. В качестве примера приведите реакцию взаимодействия метана с азотной кислотой:

§ Реакции отщепления (элиминирования) – отделение небольшой молекулы от исходного органического вещества. Выделяют a-элиминирование (отщепление происходит от одного и того же атома углерода, образуются неустойчивые соединения – карбены); b-элиминирование (отщепление происходит от двух соседних атомов углерода, образуются алкены и алкины); g-элиминирование (отщепление происходит от более удаленных атомов углерода, образуются циклоалканы). Приведите примеры вышеперечисленных реакций:

§ Реакции разложения – реакции, в результате которой из одной молекулы орг. соединения образуется несколько более простых. Типичным примером такой реакции служит крекинг бутана:

§ Реакции обмена – реакции, в процессе которых молекулы сложных реагентов обмениваются своими составными частями. В качестве примера приведите реакцию взаимодействия уксусной кислоты и гидроксида натрия:

§ Реакции циклизации – процесс образования циклической молекулы из одной или нескольких ациклических. Напишите реакцию получения циклогексана из гексана:

§ Реакции изомеризации – реакция перехода одного изомера в другой при определенных условиях. Приведите пример изомеризации бутана:

§ Реакции полимеризации – цепной процесс, последовательное соединение низкомолекулярных молекул в более крупные высокомолекулярные путем присоединения мономера к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Полимеризация не сопровождается образованием побочных продуктов. Типичным примером является реакция образования полиэтилена:

§ Реакции поликонденсации – последовательное соединение мономеров в полимер, сопровождающееся образованием низкомолекулярных побочных продуктов (воды, аммиака, галогеноводорода и т.д.). В качестве примера напишите реакцию образования фенолформальдегидной смолы:

§ Реакции окисления

а) полное окисление (горение), например:

б) неполное окисление (возможно окисление кислородом воздуха или сильными окислителями в растворе – KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7). В качестве примера запишите реакции каталитического окисления метана кислородом воздуха и варианты окисления этилена в растворах с разным значением рН:

3. Классификация по химизму реакции.

· Реакция галогенирования – введение в молекулу орг. соединения атома галогена путем замещения или присоединения (заместительное или присоединительное галогенирование). Напишите реакции галогенирования этана и этена:

· Реакция гидрогалогенирования – присоединение галогеноводородов к непредельным соединениям. Реакционная способность возрастает с увеличением молярной массы Hhal. В случае ионного механизма реакции присоединение идет по правилу Марковникова: ион водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Приведите пример реакции взаимодействия пропена и хлороводорода:

· Реакция гидратации – присоединение воды к исходному органическому соединению, подчиняется правилу Марковникова. В качестве примера запишите реакцию гидратации пропена:

· Реакция гидрирования – присоединение водорода к органическому соединению. Обычно проводят в присутствии металлов VIII группы Периодической системы (платина, палладий) в качестве катализаторов. Напишите реакцию гидрирования ацетилена:

· Реакция дегалогенирования – отщепление атома галогена от молекулы орг. соединения. В качестве примера приведите реакцию получения бутена-2 из 2,3-дихлорбутана:

· Реакция дегидрогалогенирования – отщепление молекулы галогеноводорода от органической молекулы с образованием кратной связи или цикла. Обычно подчиняется правилу Зайцева: водород отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода. Запишите реакцию взаимодействия 2-хлорбутана со спиртовым раствором гидроксида калия:

· Реакция дегидратации – отщепление молекулы воды от одной или нескольких молекул орг. вещества (внутримолекулярная и межмолекулярная дегидратация). Осуществляется при высокой температуре или в присутствии водоотнимающих средств (конц. H 2 SO 4 , P 2 O 5). Приведите примеры дегидратации этилового спирта:

· Реакция дегидрирования – отщепление молекулы водорода от орг. соединения. Напишите реакцию дегидрирования этилена:

· Реакция гидролиза – обменная реакция между веществом и водой. Т.к. гидролиз в большинстве случаев обратим, его проводят в присутствии веществ, связывающих продукты реакции, или удаляют продукты из сферы реакции. Гидролиз ускоряется в кислой или щелочной среде. Приведите примеры водного и щелочного (омыление) гидролиза этилового эфира уксусной кислоты:

· Реакция этерификации – образование сложного эфира из органической или неорганической кислородсодержащей кислоты и спирта. В качестве катализатора применяют конц. серную или соляную кислоты. Процесс этерификации обратим, поэтому продукты необходимо удалять из сферы реакции. Запишите реакции этерификации этилового спирта с муравьиной и с азотной кислотами:

· Реакция нитрования – введение группы –NO 2 в молекулы орг. соединений, например реакция нитрования бензола:

· Реакция сульфирования – введение группы –SO 3 Н в молекулы орг. соединений. Запишите реакцию сульфирования метана:

· Реакция алкилирования – введение радикала в молекулы орг. соединений вследствие реакций обмена или присоединения. В качестве примера запишите реакции взаимодействия бензола с хлорэтаном и с этиленом:

Упражнения на изомерию и гомологи

1. Укажите, какие из следующих веществ являются гомологами по отношению друг к другу: С 2 Н 4 , С 4 Н 10 , С 3 Н 6 , С 6 Н 14 , С 6 Н 6 , С 6 Н 12 , С 7 Н 12 , С 5 Н 12 , С 2 Н 2 .

2. Составьте структурные формулы и дайте названия всем изомерам состава С 4 Н 10 О (7 изомеров).

3. Продукты полного сгорания 6,72л смеси этана и его гомолога, имеющего на один атом углерода больше, обработали избытком известковой воды, при этом образовалось 80г осадка. Какого гомолога в исходной смеси было больше? Определите состав исходной смеси газов. (2,24л этана и 4,48л пропана).

4. Составьте структурную формулу алкана с относительной плотностью паров по водороду 50, в молекуле которого имеется по одному третичному и четвертичному атому углерода.

5. Среди предложенных веществ выделите изомеры и составьте их структурные формулы: 2,2,3,3,-тетраметилбутан; н-гептан; 3-этилгексан; 2,2,4-триметилгексан; 3-метил-3-этилпентан.

6. Вычислите плотность паров по воздуху, по водороду и по азоту пятого члена гомологического ряда алкадиенов (2,345; 34; 2,43).

7. Напишите структурные формулы всех алканов, содержащих 82,76% углерода и 17,24% водорода по массе.

8. На полное гидрирование 2,8г этиленового углеводорода израсходовали 0,896л водорода (н.у.). Определите углеводород, если известно, что он имеет неразветвленное строение.

9. При добавлении какого газа к смеси равных объемов пропана и пентана ее относительная плотность по кислороду увеличится; уменьшится?

10. Приведите формулу простого газообразного вещества, имеющего такую же плотность по воздуху, как простейший алкен.

11. Составьте структурные формулы и назовите все углеводороды, содержащие 32е в молекуле 5 изомеров).

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

Реакции присоединеия

Такие реакции характерны для органических соединений, содержащих кратные(двойные или тройные) связи. К реакциям этого типа относятся реакции присоединения галогенов, галогеноводородов и воды к алкенам и алкинам

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

Реакции отщепления (элиминирования)

Это реакции, приводящие к образованию кратных связей. При отщеплении галогеноводородов и воды наблюдается определенная селективность реакции, описываемая правилом Зайцева, согласно которому атом водорода отщепляется от того атома углерода, при котором находится меньше атомов водорода. Пример реакции

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

Полимеризации и поликонденсации

n(CH 2 =CHCl)  (-CH 2 -CHCl)n

Окислительно-восстановительные

Наиболее интенсивная из окислительных реакций – это горение, реакция, характерная для всех классов органических соединений. При этом в зависимости от условий горения углерод окисляется до С (сажа), СО или СО 2 , а водород превращается в воду. Однако для химиков-органиков большой интерес представляют реакции окисления, проводимые в гораздо более мягких условиях, чем горение. Используемые окислители: растворы Br2 в воде или Cl2 в CCl 4 ; KMnO 4 в воде или разбавленной кислоте; оксид меди; свежеосажденные гидроксиды серебра (I) или меди(II).

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

Этерификации (и обратной ей реакции гидролиза)

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

Циклоприсоединение

Y R Y-R

‖ + ‖ → ǀ ǀ

R Y R-Y

‖ + →

11. Классификация органических реакций по механизму. Примеры.

Механизм реакции предполагает детальное постадийное описание химических реакций. При этом устанавливают, какие именно ковалентные связи разрываются, в каком порядке и каким путем. Столь же тщательно описывают образование новых связей в процессе реакции. Рассматривая механизм реакции, прежде всего обращают внимание на способ разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле. Таких способов два – гомолитический и гетеролитический.

Радикальные реакции протекают путем гомолитического (радикального) разрыва ковалентной связи:

Радикальному разрыву подвергаются неполярные или малополярные ковалентные связи (С–С, N–N, С–Н) при высокой температуре или под действием света. Углерод в радикале СН 3 имеет 7 внешних электронов (вместо устойчивой октетной оболочки в СН 4). Радикалы неустойчивы, они стремятся захватить недостающий электрон (до пары или до октета). Один из способов образования устойчивых продуктов – димеризация (соединение двух радикалов):

СН 3 + СН 3 СН 3 : СН 3 ,

Н + Н Н : Н.

Радикальные реакции – это, например, реакции хлорирования, бромирования и нитрования алканов:

Ионные реакции протекают с гетеролитическим разрывом связи. При этом промежуточно образуются короткоживущие органические ионы – карбкатионы и карбанионы – с зарядом на атоме углерода. В ионных реакциях связывающая электронная пара не разъединяется, а целиком переходит к одному из атомов, превращая его в анион:

К гетеролитическому разрыву склонны сильно полярные (Н–O, С–О) и легко поляризуемые (С–Вr, С–I) связи.

Различают нуклеофильные реакции (нуклеофил – ищущий ядро, место с недостатком электронов) и электрофильные реакции (электрофил – ищущий электроны). Утверждение, что та или иная реакция является нуклеофильной или электрофильной, условно всегда относится к реагенту. Реагент – участвующее в реакции вещество с более простой структурой. Субстрат – исходное вещество с более сложной структурой. Уходящая группа – это замещаемый ион, который был связан с углеродом. Продукт реакции – новое углеродсодержащее вещество (записывается в правой части уравнения реакции).

К нуклеофильным реагентам (нуклеофилам) относят отрицательно заряженные ионы, соединения с неподеленными парами электронов, соединения с двойными углерод-углеродными связями. К электрофильным реагентам (электрофилам) относят положительно заряженные ионы, соединения с незаполненными электронными оболочками (АlCl 3 , ВF 3 , FeCl 3), cоединения с карбонильными группами, галогены. Электрофилы – любые атом, молекула или ион, способные присоединить пару электронов в процессе образования новой связи. Движущая сила ионных реакций – взаимодействие противоположно заряженных ионов или фрагментов разных молекул с частичным зарядом (+ и –).

Примеры ионных реакций разных типов.

Нуклеофильное замещение :

Электрофильное замещение :

Нуклеофильное присоединение (сначала присоединяется CN – , потом Н +):

Электрофильное присоединение (сначала присоединяется Н + , потом Х –):

Элиминирование при действии нуклеофилов (оснований) :

Элиминирование при действии электрофилов (кислот) :

Разделение химических реакций на органические и неорганические является довольно условным. К типичным органическим реакциям относят те, в которых участвует хотя бы одно органическое соединение, которое в ходе реакции изменяет свою молекулярную структуру. Поэтому реакции, в которых молекула органического соединения выступает в качестве растворителя или лиганда, к типичным органическим реакциям не относятся.

Органические реакции, так же, как и неорганические, могут быть классифицированы по общим признакам на реакции переноса:

– единичного электрона (окислительно-восстановительные);

– электронных пар (реакции комплексообразования);

– протона (кислотно-основные реакции);

– атомных групп без изменения числа связей (реакции замещения и перегруппировки);

– атомных групп с изменением числа связей (реакции присоединения, элиминирования, разложения).

Вместе с тем, многообразие и своеобразие органических реакций приводит к необходимости их классификации и по другим признакам:

– изменению числа частиц в ходе реакции;

– характеру разрыва связей;

– электронной природе реагентов;

– механизму элементарных стадий;

– типу активирования;

– частным признакам;

– молекулярности реакций.

1) По изменению числа частиц в ходе реакции (или по типу превращения субстрата) различают реакции замещения, присоединения, элиминирования (отщепления), разложения и перегруппировки.

В случае реакций замещения один атом (или группа атомов) в молекуле субстрата замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуется новое соединение:

СН 3 – СН 3 + С1 2  СН 3 – СН 2 С1 + НC1

этан хлор хлорэтан хлороводород

СН 3 – СН 2 С1 + NaOH (водный р-р)  СН 3 – СН 2 ОН + NaC1

хлорэтан гидроксид натрия этанол хлорид натрия

В символе механизма реакции замещения обозначаются латинской буквой S (от англ. «substitution» – замещение).

При протекании реакций присоединения из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество. При этом реагент присоединяется по кратной связи (С= С, С С, С= О, С N) молекулы субстрата:

CH 2 = CH 2 + HBr → CH 2 Br – СH 3

этилен бромоводород бромэтан

С учетом символики механизма процессов реакции присоединения обозначаются буквой A или сочетанием Ad (от англ. «addition» – присоединение).

В результате реакции элиминирования (отщепления) от субстрата отщепляется молекула (или частица) и образуется новое органическое вещество, содержащее кратную связь:

СН 3 – СН 2 ОН СН 2 = СН 2 + Н 2 О

этанол этилен вода

В символе механизма реакции замещения обозначаются буквой E (от англ. «elimination» – элиминирование, отщепление).

Реакции разложения протекают, как правило, с разрывом связей углерод – углерод (С– С) и приводят к образованию из одного органическоговещества двух или более веществ более простого строения:

СН 3 – СН(ОН) – СООН
СН 3 – СНО + HCООН

молочная кислота ацетальдегид муравьиная кислота

Перегруппировка – реакция, в ходе которой структура субстрата меняется с образованием продукта, который является изомерным исходному, то есть без изменения молекулярной формулы. Этот тип превращения обозначают латинской буквой R (от английского «rearrangement» – перегруппировка).

Например, 1-хлорпропан перегруппировывается в изомерное соединение 2-хлорпропан в присутствии хлорида алюминия, выступающего в качестве катализатора.

СН 3 – СН 2 – СН 2 – С1  СН 3 – СНС1 – СН 3

1-хлорпропан 2-хлорпропан

2) По характеру разрыва связей различают гомолитические (радикальные), гетеролитические (ионные) и синхронные реакции.

Ковалентная связь между атомами может быть разорвана таким образом, что электронная пара связи делится между двумя атомами, образующиеся частицы получают по одному электрону и становятся свободными радикалами – говорят, что происходит гомолитическое расщепление. Новая связь при этом образуется за счёт электронов реагента и субстрата.

Радикальные реакции особенно распространены в превращениях алканов (хлорирование, нитрование и др.).

При гетеролитическом способе разрыва связи общая электронная пара передаётся одному из атомов, образовавшиеся частицы становятся ионами, обладают целочисленным электрическим зарядом и подчиняются законам электростатического притяжения и отталкивания.

Гетеролитические реакции по электронной природе реагентов подразделяются на электрофильные (например, присоединение по кратным связям в алкенах или замещение водорода в ароматических соединениях) и нуклеофильные (например, гидролиз галогенпроизводных или взаимодействие спиртов с галогеноводородами).

Каков механизм реакции – радикальный или ионный, можно установить, изучив экспериментальные условия, благоприятствующие течению реакции.

Так, радикальные реакции, сопровождающиеся гомолитическим разрывом связи:

– ускоряются при облучении h, в условиях высоких температур реакции в присутствии веществ, легко разлагающихся с образованием свободных радикалов (например, перекиси);

– замедляются в присутствии веществ, легко реагирующих со свободными радикалами (гидрохинон, дифениламин);

– обычно проходят в неполярных растворителях или газовой фазе;

– часто являются автокаталитическими и характеризуются наличием индукционного периода.

Ионные реакции, сопровождающиеся гетеролитическим разрывом связи:

– ускоряются в присутствии кислот или оснований и не подвержены влиянию света или свободных радикалов;

– не подвержены влиянию акцепторов свободных радикалов;

– на скорость и направление реакции влияет природа растворителя;

– редко идут в газовой фазе.

Синхронные реакции протекают без промежуточного образования ионов и радикалов: разрыв старых и образование новых связей происходят синхронно (одновременно). Примером синхронной реакции является диеновый синтез – реакция Дильса-Альдера.

Обратите внимание, особая стрелка, которую применяют для обозначения гомолитического разрыва ковалентной связи, означает перемещение одного электрона.

3) В зависимости от электронной природы реагентов реакции подразделяют на нуклеофильные, электрофильные и свободнорадикальные.

Свободные радикалы – это электронейтральные частицы, имеющие неспаренные электроны, например: Cl  ,  NO 2 ,
.

В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом R.

Нуклеофильные реагенты – это одно- или многоатомные анионы или электронейтральные молекулы, имеющие центры с повышенным частичным отрицательным зарядом. К ним относятся такие анионы и нейтральные молекулы, как HO – , RO – , Cl – , Br – , RCOO – , CN – , R – , NH 3 , C 2 H 5 OH и т.д.

В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом N.

Электрофильные реагенты – это катионы, простые или сложные молекулы, которые сами по себе или же в присутствии катализатора обладают повышенным сродством к электронной паре или отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся катионы H + , Cl + , + NO 2 , + SO 3 H, R + и молекулы со свободными орбиталями: AlCl 3 , ZnCl 2 и т.п.

В символе механизма электрофильные реакции обозначаются нижним индексом E.

Нуклеофилы представляют собой доноры электронов, а электрофилы – их акцепторы.

Электрофильные и нуклеофильные реакции можно рассматривать как кислотно-основные; в основе такого подхода лежит теория обобщённых кислот и оснований (кислоты Льюиса – это акцептор электронной пары, основание Льюиса – донор электронной пары).

Однако следует различать понятия электрофильности и кислотности, так же как нуклеофильности и основности, ибо они не идентичны. Например, основность отражает сродство к протону, а нуклеофильность оценивается чаще всего как сродство к атому углерода:

ОН – + Н +  Н 2 О гидроксид-ион как основание

ОН – + СН 3 +  СН 3 ОН гидроксид-ион как нуклеофил

4) В зависимости от механизма элементарных стадий реакции органических соединений могут быть самыми различными: нуклеофильное замещение S N , электрофильное замещение S E , свободнорадикальное замещение S R , парное отщепление, или элиминирование Е, нуклеофильное или электрофильное присоединение Ad E и Ad N и т. д.

5) По типу активирования реакции подразделяют на каталитические, некаталитические и фотохимические.

Каталитическими называют реакции, протекание которых требует присутствия катализатора. Если в качестве катализатора выступает кислота, речь идёт о кислотном катализе. К кислотно-катализируемым относят, например, реакции этерификации с образованием сложных эфиров, дегидратации спиртов с образованием непредельных соединений и т.д.

Если катализатором является основание, то говорят об основном катализе (как показано ниже, это характерно для метанолиза триацилглицеринов).

Некаталитическими являются реакции, которые не требуют присутствия катализатора. Они ускоряются только при повышении температуры, поэтому их иногда называют термическими, хотя этот термин не используется широко. Исходными реагентами в этих реакциях служат высокополярные или заряженные частицы. Это могут быть, например, реакции гидролиза, кислотно-основные взаимодействия.

Фотохимические реакции активируются облучением (фотонами, h); эти реакции не протекают в темноте даже при значительном нагревании. Эффективность процесса облучения измеряется квантовым выходом, который определяется как число прореагировавших молекул реагента на один поглощённый квант света. Некоторые реакции характеризуются квантовым выходом меньше единицы, для других, например для цепных реакций галогенирования алканов, этот выход может достигать 10 6 .

6) По частным признакам классификация реакций чрезвычайно разнообразна: гидратация и дегидратация, гидрирование и дегидрирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, карбоксилирование и декарбоксилирование, енолизация, замыкание и размыкание циклов, изомеризация, окислительная деструкция, пиролиз, полимеризация, конденсация и др.

7) Молекулярность органической реакции определяют по числу молекул, в которых происходит реальное изменение ковалентных связей на самой медленной стадии реакции, определяющей её скорость. Различают следующие виды реакций:

– мономолекулярные – в лимитирующей стадии участвует одна молекула;

– бимолекулярные – таких молекул две и т.д.

Молекулярности выше трех, как правило, не бывает. Исключение составляют топохимические (твердофазные) реакции.

Молекулярность отражают в символе механизма реакции, добавляя соответствующую цифру, например: S N 2 – замещение нуклеофильное бимолекулярное, S E 1 – замещение электрофильное мономолекулярное; Е1 – элиминирование мономолекулярное и т.д.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на атомы галогенов:

СН 4 + С1 2  СН 3 С1 + НC1

Реакция идет по цепному радикальному механизму (атакующая частица – радикал хлора C1  ). Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая реакция; тип активирования – фотохимический или термический; по частным признакам – галогенирование; механизм реакции – S R .

Пример 2 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на нитрогруппу. Эта реакция носит название реакции нитрования и идет по схеме:

R– H + HО– NО 2  R– NО 2 + Н 2 О

Реакция нитрования в алканах также идет по цепному радикальному механизму. Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; тип активирования – термический; по частным признакам – нитрование; по механизму – S R .

Пример 3 . Алкены легко присоединяют по двойной связи галогеноводород:

CH 3 – CH = CH 2 + HBr → CH 3 – CHBr – СH 3 .

Реакция может идти по механизму электрофильного присоединения, а значит, по электронной природе реагентов – реакция электрофильная (атакующая частица - Н +); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad E .

Эта же реакция в присутствии перекисей может идти по радикальному механизму, тогда по электронной природе реагентов – реакция будет радикальной (атакующая частица – Br  ); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad R .

Пример 4 . Реакция щелочного гидролиза алкилгалогенидов протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения.

СН 3 СН 2 I + NaОН  СН 3 СН 2 ОН + NaI

Значит, по электронной природе реагентов – реакция нуклеофильная (атакующая частица – ОН –); по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая, по частным признакам – гидролиз; по механизму – S N 2.

Пример 5 . При взаимодействии алкилгалогенидов со спиртовыми растворами щелочей образуются алкены.

СН 3 СН 2 СН 2 Br
[СН 3 СН 2 С + Н 2 ]  СН 3 СН= СН 2 + H +

Это объясняется тем, что образующийся карбкатион стабилизируется не присоединением иона гидроксила, концентрация которого в спирте незначительна, а отщеплением протона от соседнего атома углерода. Реакция по изменению числа частиц – отщепление; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – дегидрогалогенирование; по механизму – элиминирование Е.

Контрольные вопросы

1. Перечислите признаки, по которым классифицируют органические реакции.

2. Как можно классифицировать следующие реакции:

– сульфирование толуола;

– взаимодействие этанола и серной кислоты с образованием этилена;

– бромирование пропена;

– синтез маргарина из растительного масла.

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.

Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии.

Очевидно, что к ним будут относиться почти все реакции разложения,

СН 2 =СН 2 + Н 2 → СН 3 -СН 3

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.

Протекают в данных условиях только в одном направлении.

К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.

5. По агрегатному состоянию

Реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах).

Реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе).

6. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества

Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов. К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, многие реакции разложения, реакции этерификации

Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов. К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество.

НСООН + CH 3 OH → НСООСН3 + H2O

7. По механизму протекания.

Идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.

Как вы уже знаете, при всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетеролитический. Например, для молекул Сl2, СН4 и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.

Идут между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.

Типичные ионные реакции - это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. Ŷ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.

По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.

8. По виду энергии, инициирующей реакцию.

Они инициируются излучениями большой энергии - рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (Ý-лучами, а-частицами - Не2+ и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.

Например, вместо двухстадийного получения фенола из бензола его можно получать взаимодействием бензола с водой под действием радиационных излучений. При этом из молекул воды образуются радикалы [·OН] и [·H·], с которыми и реагирует бензол с образованием фенола:

С6Н6 + 2[ОН] -> С6Н5ОН + Н20

Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной

Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.

Их инициирует световая энергия. Кроме рассмотренных выше фотохимических процессов синтеза НСl или реакции метана с хлором, к ним можно отнести получение озона в тропосфере как вторичного загрязнителя атмосферы. К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, - фотосинтез.

Их инициирует электрический ток. Помимо хорошо известных вам реакций электролиза укажем также реакции электросинтеза, например, реакции промышленного получения неорганических окислителей.

Тестовые задания для 9 класса

Вариант 1.

Часть А

А1. Какие модели соответствуют молекулам алкенов?

а) все, кроме А

б) все, кроме Б

в) все, кроме В

г) все, кроме Г

А2. С каким реагентом могут взаимодействовать алканы:

а) Br 2 (р-р)

б) Cl 2 ,(свет)

в) H 2 SO 4
г) NaOH

А3. В реакции 1,3-бутадиена с HCl не может образоваться

а) 3-хлорбутен-1 в) 1-хлорбутен-2

б) 4-хлорбутен-1 г) 2,3-дихлорбутан

А4. Вещество, с которым муравьиная кислота при соответствующих условиях вступает в окислительно-восстановительную реакцию, - это:

а) медь;

б) гидроксид меди (II);

в) хлорид меди (II);

г) сульфат меди (II).

А5. Взаимодействие сложного эфира с водой можно назвать:

а) гидратацией;

б) дегидратацией;

в) гидролизом;

г) гидрогенизацией.

А6. В цепочке превращений

реакции «а» и «б» - это соответственно:

а) гидратация и окисление;

б) окисление и гидратация;

в) гидратация и гидратация;

г) окисление и окисление.

А7. Реакция, обусловленная наличием в молекулах карбонильных соединений двойной связи, - это реакция:

а) присоединения;

б) разложения;

в) замещения;

г) обмена.

А8. С помощью аммиачного раствора оксида серебра нельзя распознать:

а) этанол и этаналь;

б) пропаналь и пропанон;

в) пропаналь и глицерин;

г) бутаналь и 2-метилпропаналь.

А9. При действии на пропеналь избытка водорода образуетс я:

а) предельный спирт;

б) непредельный спирт;

в) непредельный углеводород;

г) предельный углеводород.

А10. Уксусный альдегид образуется при гидратации:

а) этана;

б) этена;

в) этина;

г) этанола.

Часть В

В1. Установите соответствие между типом реакции и уравнением

ТИП РЕАКЦИИ

В2. Ацетилен массой 10,4 г присоединил хлороводород массой 14,6 г. Формула продукта реакции_____.

В3. Из технического карбида кальция массой 1 кг получен ацетилен объемом 260 л (н.у.). Массовая доля примесей (в %), содержащихся в образце карбида кальция равна_________. (Запишите ответ с точностью до сотых).

Часть С.

C 1. Напишите уравнения реакций с помощью которых можно осуществить следующие

BaCl 2

превращения: С O

Вариант 2.

Часть А К каждому из заданий А1-А10 дано четыре варианта ответа,

только один из которых правильный. Обведите номер ответа.

А1.Реакция характерная для алканов

а)присоединении

б)замещение

в)гидротации

г)обмена

А2. Для каких углеводородов характерна реакция полимеризации.

а) CH 4

б) C 2 H 4

в) C 6 H 6

г) C 2 H 5 ОH

А3. Вещество, с которым метан вступает в реакцию замещения.

а) CL 2 (свет)

б) H 2 О

в) H 2 SO 4

г) NaOH

А4. Какое вещество легко окисляется перманганатом калия.

а) C 2 H 6

б) C 2 H 2

в) C 2 H 5 ОH

г) C 6 H 6

А5. Какое вещество можно подвергать реакции дегидратации.

а) C 2 H 4

б) C 2 H 5 ОH

в) CH 4

г) С H 3 COH

А6. В цепочке превращений C 2 H 6 – ацетилен – этан реакции «а» и «б»- это соответствует

а) гидротация и гидрирование

б) гидротация и окисление

в) дегидрирование и гедрирование

г) окисление и гидротация

А7. Как называется реакция образования сложных эфиров.

а) присоединения

б)замещения

в) этерификации

г) разложения

А8. При взаимодействии этилена с водой образуется.

а) предельный спирт

б) непределдьный спирт

в) предельный углеводород

г) непредельный углеводород

А9. Уксусная кислота образуется из:

а) этана

б) этена

в) этина

г) этанола

А10. Какая реакция характерна для жиров.

а) присоединения

б) окисления

в) гидролиза

г) замещения

Часть В При выполнении заданий В1 установите соответствие. В2 и В3 произведите расчеты и запишите ответ.

В1. Установите соответствие между типом реакции и веществом

Тип реакции

В2. Объем кислорода, необходимый для полного сжигания 50 л. метана (н.у.) равен ___л.

В3. Углеводород содержит 16,28 % водорода. Определите формулу углеводорода, если плотность его паров по водороду равна 43.

Часть С. Для ответов на задание С1 используйте отдельный бланк (лист)

Запишите номер задания и ответ к нему.

С1. Вычислите объем углекислого газа, выделившегося при сгорании 56 л метана в 48 л кислорода

ОТВЕТЫ

Вариант 1

Часть А

Часть В

Часть С

Напишите уравнения реакций с помощью которых можно осуществить следующие BaCl 2

превращения: С O 2 → Na 2 СО 3 → X → СО 2 . Для второго процесса составьте ионное уравнение реакции.

Ответ

Вариант 2

Часть А

А1

Часть В

Часть С

Тестовые задания для 11 класса

Вариант 1.

Часть А К каждому из заданий А1-А10 дано четыре варианта ответа,

только один из которых правильный. Обведите номер ответа.

А1. Реакция Вюрца соответствует описанию:

1. гидратации ацетилена

2. удлинению углеродного скелета

3. восстановлению нитропроизводных металлами в кислой среде

4. одновременной дегидратации и дегидрированию этанола

А2. Глюкозу и сахарозу можно различить с помощью:

1. азотной кислоты

2. аммиачного раствора оксида серебра

3. воды

4. гидроксида натрия.

А3. Этанол можно получить из этилена посредством реакции

1. гидратации

2. гидрирования

3. галогенирования

4. гидрогалогенирования

А4. Реакция с аммиачным раствором оксида серебра характерна для

1. пропанола-1

2. пропаналя

3. пропанола-2

4. диметилового эфира

А5. При щелочном гидролизе этилформиата образуются

1. формальдегид и этанол

2. муравьиная кислота и этанол

3. соль муравьиной кислоты и этанол

4. формальдегид и муравьиная кислота

А6. Отличительным признаком реакции Кучерова является взаимодействие веществ с

1. с водородом

2. с хлором

3. с водой

4. с кислотой

А7. Реакция Зинина, характерная для ароматических углеводородов, имеет другое название

1. хлорирование

2. бромирование

3. нитрование

4. гидрирование

А8. Качественной реакцией на многоатомные спирты является их взаимодействие

1. с оксидом меди (II )

2. с гидроксидом меди (II )

3. с медью

4. с оксидом меди (I )

А9. В ходе реакции этанола с соляной кислотой в присутствии серной кислоты образуется

1. этилен

2. хлорэтан

3. 1,2-дихлорэтан

4. хлорвинил

А10. В отличииот этаналя уксусная кислота взаимодействует с

1. магнием

2. гидроксидом меди (II )

3. кислородом

4. водородом

Часть В

запишите их по возрастанию

В1. Продуктами гидролиза сложных эфиров состава С 5 Н 10 О 2 могут быть

1. пентаналь и метанол

2. пропановая кислота и этанол

3. этанол и бутаналь

4. бутановая кислота и метанол

5. этановая кислота и пропанол

6. формальдегид и пентанол

В2. С муравьиной кислотой взаимодействуют

1. Na 2 CO 3

2. HCl

3. OH

4. H 2 S

5. CuSO 4

6. Cu (OH) 2

В3. Вещества, с которыми способна взаимодействовать α-аминопропановая кислота

1. этан

2. гидроксид калия

3. хлорид калия

4. серная кислота

5. диметиловый эфир

6. хлороводород

Часть С. Для ответов на задание С1 используйте отдельный бланк (лист)

Запишите номер задания и ответ к нему.

С1. В результате каталитического окисления пропана получена пропионовая кислота массой 55,5 г. Массовая доля выхода продукта реакции равна 60%. Рассчитайте объём взятого пропана (н.у.).

Вариант 2

Часть А К каждому из заданий А1-А10 дано четыре варианта ответа,

только один из которых правильный. Обведите номер ответа.

А1. В реакцию с бромной водой при обычных условиях взаимодействует каждое из двух веществ:

1. бензол и толуол

2. циклогексан и пропен

3. этилен и бензол

4. фенол и ацетилен

А2 . Этилен образуется в результате реакции:

1. гидратации ацетилена

2. хлорметана с натрием

3. ацетилена с хлороводородом

4. дегидратации этанола

А3 . Этанол можно получить из этилена в результате реакции

1. гидратации

2. гидрирования

3. галогенирования

4. гидрогалогенирования

А4 . В результате реакции тримеризации ацетилена образуеться:

1. гексан

2. гексен

3. этан

4. бензол

А5. При окислении этилена водным раствором КМ nO 4 образуется:

1. этан

2. этанол

3. глицерин

4. этиленгликоль

А6. При щелочном гидролизе 2-хлорбутана преимущественно образуются:

1. бутанол-2

2. бутанол-1

3. бутаналь

4. бутанон

А7 . В реакцию замещения с хлором вступает:

1. этен 2. этин 3 . бутен-2 4. бутан

А8 . Характерной реакцией для многоатомных спиртов является взаимодействие с:

1. H 2

2. Cu

3. Ag 2 O (NH 3 р-р)

4. Cu (OH) 2

А9. Мономером для получения искусственного каучука по способу Лебедева служит:

1. бутен-2

2. этан

3. этилен

4. бутадиен-1,3

А10. Бутанол-2 и хлорид калия образуются при взаимодействии:

1. 1-хлорбутана и 2-хлорбутана

2. 2-хлорбутана и спиртового раствора КОН

3. 1-хлорбутана и спиртового раствора КОН

4. 2-хлорбутана и водного раствора КОН

Часть В При выполнении заданий В1- В3 выберите три варианта ответов и

запишите их по возрастанию

В1. Продуктами гидролиза сложных эфиров состава С 6 Н 12 О 2 могут быть

1 . этаналь и диметиловый эфир

2 . пропановая кислота и пропанол

3 . метилацетат и бутан

4 . этановая кислота и бутанол

5. пентановая кислота и метанол

6. пропаналь и этандиол

В2. Алкены взаимодействуют с:

1 . [ Ag (NH 3) 2 ]OH

2 . H 2 O

3 . Br 2

4 . KMnO 4 (H +)

5 . Ca(OH) 2

6 . Cu (OH) 2

В3. Метилэтиламин взаимодействует с:

1 . этаном

2 . гидроксидом калия

3. бромоводородной кислотой

4 . кислородом

5 . пропаном

6 . водой

Часть С. Для ответов на задание С1 используйте отдельный бланк (лист)

Запишите номер задания и ответ к нему.

С1. Газообразный аммиак, выделившийся при кипячении 160г 7-% -ного раствора гидроксида калия с 9,0г. Хлорида аммония, растворили в 75г воды. Определите массовую долю аммиака в полученном растворе.

ОТВЕТЫ

Вариант 1

Часть А

А1

Часть В

В1

Часть С

Содержание верного ответа и указания по оцениванию (допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)

Элементы ответа:

1. Составлено уравнение реакции

3С 2 Н 2
С 6 Н 6

2. Определены количества вещества ацетилена и бензола

n (C 2 H 2) = 10,08/22,4 = 0,45 моль

по уравнению реакции n (C 2 H 2) : n(C 6 H 6) =3:1

n (C 6 H 6) = 0,45/3 = 0,15 моль

3. Рассчитана теоретическая масса бензола

m (C 6 H 6) = 0,15 моль * 78 г/моль = 11,7 г

4. Рассчитана практическая масса бензола

m (C 6 H 6) пр = 0,7 * 11,7 = 8,19 г

Вариант 2

Часть А

Часть В

Часть С

С 1 1. Газообразный аммиак, выделившийся при кипячении 160г 7-% -ного раствора гидроксида калия с 9,0г. Хлорида аммония, растворили в 75г воды. Определите массовую долю аммиака в полученном растворе.

Содержание верного ответа и указания по оцениванию Элементы ответа:

Составлено уравнение реакции:

КОН + NH 4 Cl = KCl + NH 3 + H 2 O

Рассчитаны масса и количество вещества щёлочи в растворе, а также количество вещества хлорида аммония:

m (KOH) = 160 . 0,07 = 11,2 г n (KOH) = 11,2 / 56 = 0,2 моль n (NH 4 Cl) = 9/53,5 = 0,168 моль

Указано вещество, которое в растворе находится в избытке:

КОН – гидроксид калия (или вещество, которое реагирует полностью – NH 4 Cl).

Определена масса аммиака и его массовая доля в растворе

n (NH 3) = n (NH 4 Cl) = 0,168 моль m (NH 3) = 0,168 . 17 = 2,86 г w (NH 3) = 2,86/77,86 = 0,0367 или 3,67%

*Примечание. В случае, когда в ответе содержится ошибка в вычислениях в одном из элементов ответа, которая привела к неверному ответу, оценка за выполнение задания снижается только на 1 балл.

Информационные ресурсы.

Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии. – М.: Дрофа, 2004.

Габриелян О.С., Остроумов И.Г. Настольная книга учителя. Химия. 10-й класс. – М.: Дрофа,2004.

Корощенко А.С., Медведев Ю.Н. Химия ГИА типовые тестовые задания – М.: «Экзамен», 2009.

Кузнецова Н.Е., Левкина А.Н, Задачник по химии 9-й класс. – М.: Издательский центр «Вентана – Граф», 2004.

Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия. – 9-й класс. – М.: Издательский центр «Вентана – Граф», 2002.

Потапов В.М. Органическая химия. – М.: Просвещение, 1976.

Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика – Пресс, 1997.

Пичугина Г.В. Химия и повседневная жизнь человека. – М.: Дрофа, 2005.

http://www.fipi.ru/

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:

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

КАТЕГОРИИ