Типы реакций органических соединений. Понятие о механизме реакции

Химические реакции представляют собой процессы, сопровождающиеся изменением распределения электронов внешних орбиталей атомов реагирующих веществ. Движущей силой химических реакций является стремление к образованию новых соединений, обладающих меньшей свободной энергией, и, следовательно, более стабильных.

Вещества, вступающие в химическую реакцию, называют исходными веществами (соединениями) или реагентами. Один из реагентов принято называть субстратом. Это, как правило, то вещество, в котором у атома углерода происходит разрыв старой и образование новой связи. Действующее на субстрат соединение называют атакующим реагентом или реакционной частицей.

Например, при хлорировании алканов:

СН₃ – СН₃ + С1₂  СН₃ – СН₂C1 + НС1

этан хлор хлорэтан хлороводород

этан является субстратом, а хлор – реагентом.

В ходе химического превращения обычно изменяется не вся молекула, а только её часть – реакционный центр.

Реакционный центр – это атом или группа атомов, непосредственно участвующие в данной химической реакции.

Так, при взаимодействии органического основания — метиламина с соляной кислотой метиламин является субстратом, соляная кислота — реагентом. Реакционный центр — атом азота аминогруппы. Именно неподелённая электронная пара азота непосредственно подвергается атаке протона и присоединяет его.

СН₃ – NН₂ + H⁺C1^–  СН₃ – NН₃⁺C1^–

метиламин хлороводород хлорид метиламмония

Соединения, образующиеся в ходе химического взаимодействия, называют продуктами реакции.

Большинство органических реакций включает несколько последовательных (элементарных) стадий. Детальное описание совокупности и последовательности протекания этих стадий называется механизмом. Механизм реакции – это часто гипотеза, предлагаемая на данном уровне развития науки для объяснения экспериментальных данных. Он может уточняться и даже меняться с появлением новых экспериментальных фактов и углублением теоретических представлений.

Установление механизма органических реакций – довольно сложная задача. Для ее решения необходимо на современном уровне знаний иметь полное представление о промежуточных стадиях и промежуточных веществах (интермедиатах), природе взаимодействия реагирующих частиц, характере разрыва и образования связей, изменении энергии химической системы на всем пути ее перехода из исходного состояния в конечное. Механизм должен согласовываться (быть адекватным) со стереохимией и кинетикой процесса.

Общая скорость сложной химической реакции определяется (лимитируется) скоростью ее наиболее медленной стадии, а скорость составляющих элементарных реакций – их энергией активации Е_а. Энергия активации – минимальное дополнительное по сравнению со средним количество энергии, необходимое для осуществления эффективного столкновения молекул, приводящего к взаимодействию. Ее можно определить также как энергию, необходимую для достижения системой переходного состояния, иначе называемого активированным комплексом, превращение которого в продукты реакции происходит уже самопроизвольно. Чем меньше величина энергии активации реакции, тем выше ее скорость. (Эта ситуация более подробно была рассмотрена в первой части пособия).

В случае многоступенчатых процессов некоторые стадии включают образование интермедиатов – нестабильных промежуточных частиц. В качестве интермедиатов часто выступают органические ионы или радикалы. Их относительная устойчивость и, следовательно, вероятность образования растут с увеличением возможности распределения (делокализации) заряда или появления у данной частицы неспаренного электрона.

Для снижения величины энергии активации и, соответственно, увеличения скорости химической реакции используют катализаторы. Катализатор – химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав конечных продуктов реакции. Теоретически количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Принцип действия катализатора заключается в уменьшении энергии активации реакции. Катализатор реагирует с исходным веществом с образованием интермедиата, имеющего меньшую энергию активации. Получившееся промежуточное соединение подвергается действию реагента, а затем расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно повторяется. Катализатор не влияет на положение равновесия между исходными и конечными продуктами, но уменьшает время достижения положения равновесия.

Вещества, которые снижают скорость реакции, называют ингибиторами.

Изучение механизмов химических реакций помогает решать следующие задачи:

– систематизировать экспериментальные данные (знание механизма реакции позволяет обнаружить сходство и различия между реакциями);

– оптимизировать условия синтеза (знание механизма реакции позволяет определить лучшие условия для получения требуемого продукта с наилучшим выходом при наименьших затратах);

– прогнозировать реакционную способность (установив механизм реакции для одного из гомологов, можно уверенно предположить направление реакции для других членов гомологического ряда);

– позволяет проводить математическое моделирование процессов;

– доставляет интеллектуальное удовлетворение исследователю.

Контрольные вопросы

1. Объясните разницу между понятиями «субстрат» и «атакующий реагент».

2. Дайте определение энергии активации реакции.

3. Как влияет введение катализатора на энергию активации реакции?

4. В присутствии кислорода скорость хлорирования метана замедляется. Кислород в этом случае можно назвать катализатором или ингибитором реакции?

5. Какие частицы могут выступать в качестве интермедиатов?