Назва роботи: ХІМІЧНА РЕАКЦІЯ
Предметна область: Хімія та фармакологія
Опис: Здатність речовини вступати в ту чи іншу хімічну реакцію і реагувати з більшою або меншою швидкістю характеризує його реакційну здатність яка завжди розглядається по відношенню до конкретного партнера реакції. Реагенти які віддають електронну пару називають нуклеофилами а їх реакції нуклеофільними.
Розмір файлу: 610.5 KB
Роботу скачали: 1 чол.
- Основні поняття, класифікація реагентів.
- Типи органічних е ських реакцій і їх механізми.
- Кислоти і підстави. Загальні положення Протолітична теорії кислот і основ Бренстеда-Лоурі і теорії Льюїса.
- Основні поняття, класифікація реагентів
Хімічна реакція # 150; взаємодія молекул, при якому в даній системі відбувається перерозподіл атомів і атомних груп між молекулами, т. е. p азрив старих і утворення н про вих зв'язків.
Реакційним центром називають атом або групу атомів, учас т чих в розриві або утворенні зв'язків. Здатність речовини вступати в ту чи іншу хімічну реакцію і реагувати з бол ь ший або меншою швидкістю характеризує його реакційну спосо б ність. яка завжди розглядається по відношенню до конкретного партнера реакції.
Вихідні сполуки в органічних реакціях називають реаг н тами, а утворюються речовини # 150; продуктами. Для зручності прийнято одне з реагуючих речовин називати атакуючим реагентом, а ін у гое # 150; субстратом.
субстрат # 150; одне з реагуючих речовин, що має, як правило, переслідують і ло, більш складну будову, яке розглядається в якості об ь єкта перетворення і містить реакційний центр, найчастіше атом углер о так. Як правило, субстратом позначають ту молекулу, яка поста в ляє атом вуглецю для нової зв'язку.
Радикали R ∙ # 150;
частинки зі свобо д ними електрон а ми:
3. Донори -електронів:
реагент # 150; частка (радикал, іон, молекула), атакуюча реакц і ційний центр субстрату. Поняття «субстрат» і «реагент» умовні і в багатьох випадках їх можна поміняти місцями.
Класифікація реагентів представлена в табл. 9.
В реакціях, що супроводжуються гетеролітичні розривом св я зи, реагент зазвичай або віддає електронну пару субстрату, або ін і нимает її. Реагенти, які віддають електронну пару називають нуклеофилами. а їх реакції # 150; нуклеофільними. Електрофільні ре а Гент (електрофіли) # 150; реагенти, які приймають електронну пару для утворення зв'язку з субстратом. Їх реакції називають еле до трофея ь ними.
При розщепленні молекули субстрату частина її, що не містить атома вуглецю, називають групою, що йде. Що йде з електро н ної парою групу називають нуклеофугом, а групу, що йде без електронної пари, # 150; електрофугом.
При гомолитически розриві зв'язку реагент надає су б страту неспарених електронів для утворення зв'язку, т. Е. Є р а Дікалу або атомом.
- Типи органічних е ських реакцій і їх механізми
2.1. Класифікація органічних реакцій. П проводиться за різними ознаками: за характером розриву зв'язків; за типом превр а щення субстрату; за типом активування; по числу частинок, прин і мающих участь в стадії, визначаються ної швидкість.
2.1.1. За характером розриву зв'язків реакції підрозділяють на р а дікальние, іонні і узгоджені.
Гомолитически (радикальна) реакція # 150; реакція, протека ю щая за участю радикалів, які утворюються при гомолитически разр и ве зв'язків. Вільний радикал (радикал) # 150; частка, що має несп а ренний валентний електрон.
Гомолитически реакції характерні для неполярних реагентів, їх протіканню сприяє висока температура, УФ опромінення, присутність перекисних сполук як ініціаторів радикальних ін про процесів.
Іонні реакції протікають при гетеролітичному розриві св я зей. При цьому утворюються електрофільні і нуклеофільниє част і ци:
Іонний реакції характерні для полярних сполук, їх пр про протікання сприяють полярні апротонних і протонні розчин і ки і каталізатори, в якості яких найчастіше виступають кисл про ти чи підстави.
Узгоджені (синхронні) реакції # 150; реакції, в яких ра з рив старих і утворення нових зв'язків відбувається одночасно без уч а сті радикальних або іонних частинок. Такі реакції протікають через циклічне перехідний стан.
Ці реакції називають періцікліческімі.
Залежно від будови реагентів, що беруть участь в створенні циклічного перехідного стану, протіканню цих реакцій сп про собствуют або нагрівання, або УФ опромінення.
2.1.2. За типом перетворення субстрату реакції ділять на сліду ють типи: реакції заміщення (символ S від англ. Substitution) # 150; реа до ції, в яких атом або група атомів в субстраті заміщається на інший атом або групу атомів. Заміщення в залежності від ат а кує реагенту може бути радикальне, електрофільне або ну до леофільное і позначається, з про відповідально, символами S R. S E і S N.
Реакції приєднання (символ A від англ. Addition) # 150; реакції, в яких реагент приєднується за місцем розриву кратного зв'язку су б страта. Ці реакції також можуть відбуватися по радикальному або іонного механізмів і позначаються як A R. A E або A N.
Реакції відщеплення або елімінування (символ Е від англ. El i mination) # 150; реакції, в яких від субстрату відщеплюєтьсямолекула або частка. У напрямку протилежні реакцій приєднання:
Ці реакції можуть відбуватися або за гетеролітичні, або за узгодженим механізму, а ось свободнорадикальное елімін і вання спостерігається вкрай рідко. При гетеролітичному отщепляя е ванні групи Х і Y можуть йти як послідовно, так і одновр е ме н але, при цьому можливе їх об'єднання.
Періцікліческіе реакції # 150; реакції, в яких освіта н про вих зв'язків відбувається узгоджено з перераспред е ленням π -зв'язків всередині циклічного перехідного стану:
Окислювально-відновні реакції # 150; це реакції, в ході яких змінюється ступінь окислення у реакційного центру. Оксиди е ня органічної сполуки супроводжується переходом електронів від нього до реагенту, а відновлення, навпаки, перех про будинок електронів до органічного субстрату.
Окислення органічних сполук # 150; це процес видалення в про огрядний з утворенням кратному зв'язку або зв'язку з більш електроотр і цательного атомом. При відновленні протікають зворотні проце з си. Окислювально-відновний перехід від метану до діоксиду вугле е роду відображає послідовність окислення атома вуглецю в орган і чеських з'єднаннях:
2.1.3. За типом активування реакції поділяють на каталитич е ські і некаталітичні.
Некаталітичні реакції протікають без каталізатора. Ці р е акції прискорюються при нагріванні і їх називають термічними.
Каталітичні реакції вимагають присутності каталізатора. Каталозі # 150; явище, яке у тому, що присутність в системі як про го-небудь речовини (каталізатора) викликає або прискорює перебіг хімічних і чеський реакції. каталізатор # 150; речовина, яка бере участь в хімічній реакції і збільшує її швидкість, але при цьому загальна кількість цієї речовини не змінюється, т. е. каталізатор залишається в незмінному вигляді і кількості. гетерогенний каталіз # 150; процес, в якому реакція протікає на поверхні розділу фаз, утвореної до а талізатором і реагентом. гомогенний каталіз # 150; процес, в якому каталізатор знаходиться в молекулярно-дисперсному стані і ра в номерно розподіл е льон у всьому обсязі рідкої або газової фази. Якщо в якості каталізатора виступає кислота, говорять про кислотному до а Таліза. а якщо підстава # 150; про основний каталіз.
фотохімічні реакції # 150; реакції, що ініціюються опроміненням світлом. Для позначення фотохімічної активації реакції прим е ють позначення hv.
2.1.4. За кількістю частинок, які беруть участь в стадії, визна е ляющие швидкість, органічні реакції підрозділяють на мономол е кулярние, бімолекулярні і тримолекулярного. Молекулярність р е акції характеризує число частинок, що беруть участь в елементарному а до ті чи необхідних для утворення перехідного стану.
3. Кислоти і підстави. Загальні положення протолітіч е ської теорії кислот і основ Бренстеда-Лоурі і теорії Льюїса
У органічної хімії існує кілька концепцій кислот і підстав. Загальноприйнятими є Протолітична теорія Бре н Стед-Лоурі (1923) і електронна теорія Льюїса.
3.1. Протолітична теорія Бренстеда-Лоурі. У ній кисло т ність і основність пов'язують з перенесенням протона Н +. Кислота Бренстеда (протонна кислота) # 150; іон або нейтральна молекула, здатна віддавати протон (донор протона) в хімічній реакції. підстава Бренстеда # 150; іон або нейтральна молекула, здатна приєднувати протон (а до цептор протона).
Кислотно-основна взаємодія полягає в перенесенні протона від кислоти до основи. Коли кислота віддає протон, що залишилася част і ца зберігає електронну пару і може знову захопити протон, тому вона є підставою. Його називають зв'язаним осн про ванием кислоти. Всім кислотам відповідають пов'язані основ а ня, а підстав # 150; пов'язані кислоти.
У загальному вигляді кислотно-основна взаємодія описується рівнянням:
Кислота і підстава утворюють сполучену кислотно-основну пару. Кислотні властивості проявляються в присутності основи, про з новні # 150; в присутності кислоти. Кислота завжди має заряд, прев и вирішального заряд сполученого підстави на +1.
З'єднання, одночасно мають властивості і основ а ня, і кислоти, називаються амфотерними.
По суті, більшість органічних сполук можна ра з розглядати як потенційні кислоти, тому що в них містяться атоми водню, пов'язані з іншими більш електронегативними атомами - O. S. N. C. Ці атоми, пов'язані з атомом водню, зв и вают кислотним центром. Органічні кислоти класифікують по кислотному центру як OH -, SH -, NH - і СН-кислоти. Кислотами можуть бути не тільки нейтральні молекули, але і позитивно з а виряджені іони.
Органічні підстави як акцептори протона повинні мати неподеленную електронну пару на гетероатома або бути аніонами. Підстави, які мають неподеленную пару електронів на гетероатома, н а викликають n -підстави. Підстави, у яких акцептором протона є π-електронів локалізованої або делокалізованной зв'язку, н а опиняються π -підстави.
Кислотність і основність речовин по Бренстеда-Лоурі характ е ризуется кількісно. Кислотні властивості кислоти А-Н можна вир а возити через константу рівноваги К р:
Константа рівноваги K р іонізації кислоти має постійне значення тільки для конкретної системи і тому по відношенню до певного основи існує своя шкала. Найбільш важливою є іонізація кислот у водних розчинах, де в якості осн про вання виступає вода.
Так як вода присутня у великому надлишку, то її концентр ація залишається майже незмінною (55,5 моль / л). Це значення включають в константу рівноваги і отримують характеристику, зв и ваемого константою кислотності K а.
Чим більше значення K а. тим сильніше кислота.
Значно зручніше користуватися значеннями р K а = - lg K а. при цьому чим менше значення р K а. тим сильніше кислота.
Дані по кислотності деяких представників різних класів представлені в табл. 10. Кислоти з р K а> 7 не вим е ють колір нейтральної індикаторного паперу, а з р K а> 10 не мають кислого смаку.
Значення р K а деяких кислот Бренстеда по відношенню до в про де
Сила кислоти залежить від стабільності сполученого підстави (аніона), що утворюється з цієї кислоти. Чим стабільніша аніон, тим сильніше кислота. Кислотність залежить від декількох факторів, сп про влас стабілізації аниона:
- електронегативності і поляризуемости атома, пов'язаного з протоном: СН-кислота
- ступеня делокалізації (# 150;) - заряду в аніоні;
- здатності аніону до сольватації (взаємодії з розчин про телеглядачам). Чим менше розмір іона і чим більше локалізована в ньому з а ряд, тим краще він сольватованих.
Електроноакцепторні заступники сприяють делокализации негативного заряду, стабілізують аніон і тим самим зр і вают кислотність. Електронодонорні заступники, навпаки, пон і жают її.
Основность з'єднань у водному розчині характеризують до н Стант р K b. яка пов'язана з р K а через іонний добуток води:
р K b = 14 - р K а.
р K b = 14 - 4,75 = 9,25.
Однак для характеристики основності частіше використовують велич і ну р K а сполученої основи (: В) кислоти ВН +. позначається р K ВН +. Це дозволяє застосовувати одну й ту ж шкалу для характер і стіки іонізації як кислот, так і основ. Чим більше в е личина р K ВН +. тим сильніше підставу (табл. 11).
Значення р K ВН
+ деяких підстав різних класів
Серед основ Бренстеда аніони в порівнянні з нейтральним и ми молекулами зазвичай мають більш вираженими основними властивостями: NH 2 ¯> NH 3; HO ¯> H 2 O; RO ¯> ROH. Всі ці аніони я в ляють дуже сильними підставами. Основность убуває в р я ду:
аніони> n -підстави> π-підстави.
При приєднанні протона до нейтрального основи образ у ються солеобразние Онієву з'єднання (амонієві, оксоніевие, сул ь фоніевие):
Сила підстави визначається доступністю електронів гетеро а тому і стабільністю утворюється катіона. Чим стабільніша кат і він, тим сильніше підставу.
Сила n -підстави з однаковими заступниками при гетероатома зменшується в порядку:
Електронодонорні заступники в радикала (R) підвищують про з новность, а електроноакцепторні # 150; навпаки.
3.2. Електронна теорія Льюїса. Майже одночасно з Брен д Стед Г. Льюїс запропонував більш широку теорію кислот і основ а ний, згідно з якою кислотно-основні властивості сполук опр е справ я ються їх здатністю приймати або віддавати пару електронів з утворенням нової св я зи.
кислоти Льюїса # 150; акцептори електронної пари, підстави Льюїса # 150; донори електронної пари.
В обох цих теоріях поняття підстави як донора електронної пари тотожні. Поняття ж кислоти в теорії Льюїса має б про леї широкий сенс. Кислотою вважається будь-яка частка з вакантною орб і талью, здатна доповнити свою оболонку парою електронів. Кислотами в теорії Льюїса є протон Н +. галогеніди еле н тов другої і третьої груп періодичної системи, що мають в а кантний орбиталь на зовнішній оболонці (BF 3. AlCl 3. FeCl 3. FeBr 3. ZnCl 2), з'єднання олова і сірки (SnCl 4. SO 3), спосо б ні приймати електронну пару.
До кислот Льюїса відносяться також катіони, наприклад, Ag +. З u +. Hg 2+. карбокатіони R 3 C +. катіони NO 2 +. Br + і ін. В гетероцікліч е ських реакціях кислоти Льюїса виступають в якості електрофіл ь них ре а Гент.
Для кислот Льюїса зроблено менше кількісних вимірювань відносної сили кислот і відсутні загальні таблиці в отл і чие кислот Бренстеда. Запропоновано якісна оцінка прибл і зітельно кислотності кислот Льюїса типу МХ n (X - галоген):
BX 3> AlX 3> FeX 3> GaX 3> SbX 5> SnX 4