Классификация органических реакций и реагентов. Примеры

 

В процессе химических реакций происходит разрыв одних и образование новых химических связей с перераспределением электронной плотности ато­мов реагирующих веществ. Атом или группу атомов, участвующих в разрыве или образовании связей, называют реакционным центром. Способность соединения вступать в ту или иную химическую реакцию и реагировать с той или иной скоростью служит характеристикой его реакционной способности.

Реакционная способность соединения всегда должна рассматриваться только по отношению к партнеру. Для удобства одно из реагирующих соедине­ний обозначают как субстрат, а действующее на него соединение как атакую­щий реагент. В органической химии субстратом называют то соединение, мо­лекула которого поставляет для образования новой связи атом углерода. Для классификации органических реакций используют следующие при­знаки:

• характер изменения связей в реагирующих веществах;

• направление реакции;

• число молекул, принимающих участие в стадии, определяющей ско­рость реакции.

Характер изменения связей в субстрате и реагенте. По этому признаку реакции подразделяют на радикальные, ионные и со­гласованные.

Радикальные реакции. При гемолитическом разрыве ковалентной связи об­разуются радикальные реагенты, имеющие по одному неспаренному электрону:

Свободный радикал — это атом или группа атомов с неспаренным валент­ным электроном. Примеры радикальных реагентов - атомы галогенов Br•, Cl•, гидроксильные НО•, гидропероксильные НОО•, алкилпероксильные ROO• и алкильные R•. Наличие неспаренного электрона служит причиной низкой стабильности и высокой реакционной способности. Высокая реакционная способность объясня­ется стремлением достроить внешний электронный уровень до устойчивого октета. Однако существуют и относительно стабильные свободные радикалы, у которых имеется возможность делокализации неспаренного электрона по системе сопряженных кратных связей, например, трифенилметильный (С₆Н₅)₃С• бензильный С₆Н₅СН₂• и аллильный СН₂=СН—СН₂•.

Ионные реакции. При гетеролитическом разрыве ковалентной связи пара электронов отходит к одному из партнеров по связи. При этом образуются электрофильные и нуклеофильные частицы:

Электрофильные реагенты — это частицы, образующие новые ковалент­ные связи за счет пары электронов партнера (обозначаются символами Е или Е⁺). Нуклеофильные реагенты — это частицы, образующие новые ковалент­ные связи со своим партнером, предоставляя для этого пару электронов (обозначаются символами Nu или Nu^-).

Электрофильные и нуклеофильные частицы могут участвовать в реакциях и в качестве промежуточных частиц — ионных интермедиатов.

Согласованные (синхронные) реакции. В данных реакциях разрыв ста­рых и образование новых связей происходит одновременно без участия ради­кальных или ионных частиц. Эти реакции протекают через циклическое пере­ходное состояние. Реакции такого типа называют перициклическими.

Направление реакции. По направлению процесса органические реакции делят на несколько ос­новных типов.

Реакции замещения. Их обозначают символом S (от англ. substitution). За­мещение в зависимости от природы атакующего реагента может быть ради­кальное, электрофильное или нуклеофильное:

Замещаемая часть субстрата X называется уходящей группой. Группа, ухо­дящая без пары электронов, называется электрофугом; уходящая с парой электронов — нуклеофугом. При радикальном замещении уходящий свобод­ный радикал тут же вступает в дальнейшую реакцию.

Реакции присоединения. Эти реакции обозначают символом А (от англ. addition). Присоединение к кратным связям может происходить по трем воз­можным механизмам (на примере связи С=С):

Реакции отщепления (элиминирования). Их обозначают символом Е (от англ. elimination). Как правило, эти реакции осуществляются как β-элимини­рование, когда отщепляющиеся группы уходят от соседних атомов углерода. Группы X и Y могут уходить последовательно или одновременно, они мо­гут объединяться либо не объединяться.

Перегруппировки. В процессе перегруппировок происходит переход (миграция) атомов или групп от одного атома к другому. Наиболее распростра­ненный вид перегруппировок — 1,2-перегруппировки (1,2-сдвиги). В этом случае мигрирующая группа переходит к соседнему атому. Мигрирующая группа может переходить с одним или парой электронов:

Перициклические реакции. Образование связей по концам реагирующих молекул происходит согласованно с одновременным перераспределением π-связей внутри циклического переходного состояния. К перициклическим реакциям относятся циклоприсоединение, электро­циклические реакции, сигматропные перегруппировки, реакции переноса групп.

В процессе циклоприсоединения две ненасыщенные молекулы соединяются с образованием циклического аддукта с перераспределением и общим умень­шением кратности связей:

Реакция, обратная циклоприсоединению, называется циклораспадом.

В электроциклических реакциях циклизация включает образование σ-связи между концами сопряженной линейной π-электронной системы:

Сигматропные перегруппировки включают разрыв σ-связи в исходной мо­лекуле и образование новой σ-связи между ранее несвязанными атомами:

В реакциях переноса групп происходит синхронный обмен связей по коль­цу. Уходящие группы образуют новую молекулу с углерод-углеродной связью, а в исходном субстрате происходит повышение кратности связи:

Окислительно-восстановительные реакции. В ходе этих реакций меня­ется степень окисления атома углерода, выступающего в роли реакционного центра. Процесс окисления включает переход электронов от органического субстрата к реагенту-окислителю, а процесс восстановления — передачу электронов реагента органическому субстрату. Окислительно-восстановительный характер органических реакций выяв­ляется не так наглядно, как в неорганических. В некоторых реакциях происходит прямой перенос электронов, тогда как механизм других не вклю­чает стадии непосредственного переноса электронов. В классификации таких реакций учитывается изменение степени окисления атома углерода, являюще­гося реакционным центром.

Окисление органических соединений — это процесс удаления водорода с образованием кратной связи иди новой связи между ¹²C и гетероагомом более электроотрицательным, чем водород. Восстановление — это процесс, обратный окислению. Окислительно-восстановительный ряд показан на примере последова­тельного окисления метана в диоксид углерода:

Механизм конкретной реакции окисления или восстановления может су­щественно изменяться в зависимости от природы окислителя или восстанови­теля. Существуют разные способы передачи электронов от одной молекулы к другой:

• прямой перенос электрона, когда источником электронов служит ме­талл или ион металла (например, Fe²⁺ —» Fe³⁺). К этому способу относится окисление свободных радикалов до положительного иона или восстановление радикалов до отрицательного иона, а также реакции электролитического вос­становления или окисления;

• гидридный перенос, когда передача электронов происходит путем пере­носа гидрид-иона Н^- от субстрата или к нему. Примером такой реакции явля­ется восстановление альдегидов и кетонов с помощью алюмогидрида лития или борогидрида натрия;

• перенос ¹Н, представляющий собой свободнорадикальный разрыв связи R—Н и соответствующий перенос Н•;

• прямое взаимодействие органического субстрата с кислородом, приво­дящее к получению продукта с ковалентно связанным кислородом. Формальным примером может служить алифатическое гидроксилирование:

Кислотно-основные взаимодействия. К ним относятся широко распро­страненные обратимые реакции ионной диссоциации:

Молекулярность реакций. По числу частиц, принимающих участие в скоростьопределяющей стадии реакции, органические реакции подразделяют на диссоциативные (мономолекулярные) и ассоциативные (бимолекулярные, тримолекулярные). Молеку­лярность реакции определяется либо числом частиц, претерпевающих разрыв и образование ковалентных связей, либо числом реагирующих частиц, необ­ходимых для образования переходного состояния реакции.

Мономолекулярными являются процессы распада молекулы на составные части или превра­щения молекулы вещества А в молекулу вещества В. Примером мономолекулярных реакций служат реакции нуклеофильного замещения, осуществляе­мые по механизму S_N1 (см. 13.4.2), и элиминирования по механизму Е1(см. 13.4.3). Бимолекулярными процессами являются реакции нуклеофильно­го замещения, протекающие по механизму S_N2 (см. 13.4.2) и элиминирования по механизму Е2 (см. 13.4.3). Тримолекулярные реакции встречаются редко. Один из примеров таких реакций — гидрогалогенирование (см. 8.4.1).

Под механизмом реакции подразумевают детальное описание процесса, в результате которого исходные вещества превращаются в конечные продукты. При изучении механизма реакций устанавливается, каким образом осу­ществляется каждая из стадий процесса, как происходит разрыв старых и об­разование новых связей, каковы состав и строение промежуточных частиц (интермедиатов), какое влияние оказывает растворитель (среда) на протека­ние реакций. Механизм реакции должен согласовываться с термодинамикой, кинетикой и стереохимией процесса. Его следует рассматривать как более или менее вероятную гипотезу, объясняющую экспериментальные факты. С появ­лением новых данных и сведений о более тонких деталях протекания реакции понимание механизма может претерпевать изменения.