Вопрос 2

Классификация органических соединений и органических реакций (по направлению и характеру реагирующих частиц) Органические соединения Критерием деления соединений на органические и неорганические служит их элементный состав. К органическим соединениям относятся химические вещества, содержащие в своем составе углерод, например: В основу современной классификации орг. соединений положено 2 признака.: 1 Строение углеродного скелета молекулы. 2 наличие в молекуде функциональных групп.

Классификация соединений по строению углеродной цепиВ зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делят на ациклические и циклические. Ациклические соединения - соединения с открытой (незамкнутой) углеродной цепью. Эти соединения называются также алифатическими. Среди ациклических соединений различают предельные (насыщенные), содержащие в скелете только одинарные связи C-C и непредельные (ненасыщенные), включающие кратные связи C=C и CC. Ациклические соединения подразделяют также на соединения с неразветвленной и разветвленной цепью. В этом случае учитывается число связей атома углерода с другими углеродными атомами. Циклические соединения - соединения с замкнутой углеродной цепью. В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения. Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода. Они делятся на две существенно различающихся по химическим свойствам группы: алифатические циклические - сокращенно алициклические - и ароматические соединения. Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме атомов углерода, один или несколько атомов других элементов - гетероатомов (от греч. heteros - другой, иной) - кислород, азот, серу и др. Классификация соединений по функциональным группам Соединения, в состав которых входят только углерод и водород, называются углеводородами. Другие, более многочисленные, органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов, которые образуются при введении в углеводороды функциональных групп, содержащих другие элементы. В зависимости от природы функциональных групп органические соединения делят на классы. Некоторые наиболее характерные функциональные группы и соответствующие им классы соединений приведены в таблице:

углеводороды - R-H; Галогенопроизводные R-Hal; спирты- R-OH; Фенолы- Ar-OH; Простые эфиры R-O-R; Тиолы R-SH; Амины(первичные) R-NH2; Нитросоединения R-NO2; Альдегиды R-CH=O ,Кетоны R-CO-R,Карбоновые кислоты R-COOH , Сульфонновые кислоты R-SO3H. В состав молекул органических соединений могут входить две или более одинаковых или различных функциональных групп. Например: HOCH₂CH₂OH (этиленгликоль); NH₂CH₂COOH (аминокислота глицин).

Все классы органических соединений взаимосвязаны. Переход от одних классов соединений к другим осуществляется в основном за счет превращения функциональных групп без изменения углеродного скелета. Соединения каждого класса составляют гомологичный ряд. Соединения деляться на количество функциональных групп:имеющие 1 ф.группу – монофункциональными если несколько одинаковых функц. групп - полифункциональными-(хлоформ СН3Сl, глицерин) Соединения имеющие различные функциональные группы- гетерофункциональные (молочная кислота, таурин H2N-CH2-CH2-SO3H) Для классификации орг. реакций используют следующие признаки: 1.Характер изменения связей в реагирующих веществах; 2.Направление реакций 3.Число молекул, принимающих участие в стадии, определяющей скорость реакции. По направлению процесса орг. реакции делят на несколько основных типов. 1) Реакция Замещения.(S) Эта реакция может быть : Радикальным, Нуклеофильным, и электрофильным. Атом или атомная группировка в молекуле органического соединения замещается на другой атом (или атомную группировку): АВ + С  АС + В Реакции этого типа можно рассматривать как реакции обмена, но в органической химии предпочтительней термин "замещение", поскольку в обмене участвует (замещается) лишь меньшая часть органической молекулы. Примеры: CH₃CH₂Cl + KOH CH₃CH₂OH + KCl C₅H₁₂ + Br₂ C₅H₁₁Br + HBr Электрофильное замещение: C₆H₆ + NO₂⁺  C₆H₅NO₂ + H⁺        (электрофил - NO₂⁺) Катион NO₂⁺ образуется в смеси конц. кислот HNO₃ и H₂SO₄. Обозначение механизма - S_E (S – substitution [замещение]).Нуклеофильное замещение: Механизм нуклеофильного замещения обозначается символом S_N (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], N – nucleophile [нуклеофил]).реакция радикального замещения при хлорировании метана: Общая схема реакции: CH₄ + Cl₂  CH₃Cl + HCl Стадии процесса: Cl₂  2 Cl (на свету) Cl + H–CH₃  HCl + CH₃ CH₃ + Cl₂  CH₃Cl + Cl и так далее. Механизм радикального замещения обозначается символом S_R (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], R – radical [радикал]). 2) Реакция присоединения(А) проходит по тем же трём механизмам Молекула органического соединения и молекула простого или сложного вещества соединяются в новую молекулу, при этом другие продукты реакции не образуются: А + В  С Такие реакции в органической химии обычно называют реакциями присоединения. Пример: CH₂=CH-CH₃ + Br₂  CH₂Br-CHBr-CH₃ (бромирование пропена) К реакциям присоединения относятся также реакции полимеризации: n A  A_n Например, образование полиэтилена: n CH₂=CH₂  (-CH₂-CH₂-) _n Нуклеофильное присоединение: Обозначение механизма - A_N (A – addition [присоединение]).

Электрофильное присоединение: CH₂=CH₂ + HCl  CH₃CH₂Cl         (электрофил - H⁺ в составе HCl) Стадии: I. CH₂=CH₂ + H^Cl^  CH₃CH₂⁺ + Cl^    (медленная) II. CH₃CH₂⁺ + Cl^ CH₃CH₂Cl                    (быстрая)

Механизм электрофильного присоединения обозначается символом A_E (по первым буквам английских терминов: A – addition [присоединение], E – electrophile [электрофил]). 3) Реакция отщепления(Эмилирования- Е)В результате реакции разложения из молекулы сложного органического вещества образуется несколько менее сложных или простых веществ:

А  В + С + . . . К этому типу реакций относятся: реакции крекинга - расщепление углеродного скелета крупных молекул при нагревании и в присутствии катализаторов (реакции разложения при высокой температуре называют пиролизом); пример:     C₁₀H₂₂  C₅H₁₂ + C₅H₁₀ реакции отщепления (элиминирования) - отрыв от молекулы исходного органического соединения отдельных атомных групп при сохранении ее углеродного скелета. Например:     CH₃-CH₂Cl  CH₂=CH₂ + HCl, дегидрохлорирование хлорэтана 4) Перегруппировки В органическом соединении происходит переход (миграция) отдельных атомов или групп атомов от одного участка молекулы к другому без изменения ее качественного и количественного состава: А  В В этом случае исходное вещество и продукт реакции являются изомерами (структурными или пространственными). Например, в результате перегруппировки может изменяться углеродный скелет молекулы:

В процессе перегрупировок происходит переход атомов от одной группы к другому. Радикальная пергрупировка и нуклеофильная перегрупировка . 5) Перециклические реакции. Образование связей по концам реагирующих молекул согласованно с одновременным перераспределнием пи связей внутри циклического переходного состояния. 6) Окислительно-Востановительные реакции.Окислительно-восстановительные реакции - реакции, в ходе которых меняется степень окисления атомов, входящих в молекулу. Для органических реакций этого типа применимы те же законы, что и для неорганических. Отличием является то, что в органической химии окислительно-восстановительные процессы рассматриваются прежде всего по отношению к органическому веществу и связываются с изменением степени окисления углерода, являющегося реакционным центром молекулы. Эти реакции могут проходить по типу реакций присоединения, отщепления, замещения и т.п. Если атом углерода в органической молекуле окисляется (отдает электроны более электроотрицательному атому), то этот процесс относят к реакциям окисления, т.к. продукт восстановления окислителя (обычно неорганическое вещество) не является конечной целью данной реакции. И наоборот, реакцией восстановления считают процесс восстановления атома углерода в органическом веществе. Часто в органической химии ограничиваются рассмотрением реакций окисления и восстановления как реакций, связанных с потерей и приобретением атомов водорода и кислорода.

Вещество окисляется, если оно теряет атомы H и (или) приобретает атомы O. Кислородсодержащий окислитель обозначают символом [O]:

Вещество восстанавливается, если оно приобретает атомы H и (или) теряет атомы O. Восстановитель обозначают символом [H]:

Степень окисления углерода в его соединениях изменяется в диапазоне от -4 (например, в метане CH₄) до +4 (в CO₂). В органических соединениях атомы углерода в одной и той же молекуле могут иметь разные степени окисления: ^-3CH₃-^-1CH₂-OH В реакции меняется степень окисления атома углерода, выступающего в роли реакционного центра.Сам процесс включает переход электронов от органического субстрата к реагенту-окислителю, а процесс восстановления передачу электронов реагента органическому субстрату. 7) Кислотно-основные взаимоейисвия.. Пример ионной реакции - гидролиз 2-метил-2-хлорпропана (триметилхлорметана, трет-бутилхлорида) Общая схема реакции:

(CH₃)₃CCl + H₂O  (CH₃)₃C-OH + HCl

Стадии процесса:

Органические катионы и анионы - неустойчивые промежуточные частицы. В отличие от неорганических ионов, постоянно присутствующих в водных растворах, они возникают только в момент реакции и сразу же вступают в дальнейшие превращения. Классификация реакций по числу частиц, участвующих в элементарной стадии По этому признаку все реакции можно разделить на диссоциативные (мономолекулярные) и ассоциативные(бимолекулярные, тримолекулярные и т.д.). Мономолекулярные реакции - реакции, в которых участвует только одна молекула (частица):

А  В + . . .

К этому типу относятся реакции распада и изомеризации. Процессы электролитической диссоциации также соответствуют этому типу, например:

Бимолекулярные реакции - реакции типа

А + В  С + . . . ,

в которых происходит столкновение двух молекул (частиц). Это самый распространенный тип элементарных реакций. Тримолекулярные реакции - реакции типа 2А + В  С + . . . , в которых происходит столкновение трех молекул. Тримолекулярные реакции встречаются довольно редко. Одновременное соударение большего числа частиц маловероятно.