POWRÓT

SEMESTR II

ELEMENTY CHEMII ORGANICZNEJ


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Ogólna charakterystyka związków organicznych
Szereg homologiczny
Nazewnictwo rozgałęzionych węglowodorów łańcuchowych
Węglowodory alifatyczne
Węglowodory aromatyczne
Pochodne węglowodorów
Typy reakcji związków organicznych.

 

Ogólna charakterystyka związków organicznych

   


Pierwszą definicję Chemii organicznej podali Gmelin 1848, Kekule 1851 twierdząc że, "Chemia organiczna jest chemią związków węgla" ale definicję Chemii organicznej słuszną do dziś podał Schurlenmer w 1889 r: - "Chemia organiczna jest chemią węglowodorów i ich pochodnych"
Podstawowym pierwiastkiem w połączeniach organicznych jest węgiel. Atomy węgla posiadają zdolność łączenia się pomiędzy sobą w nawet bardzo długie łańcuchy. Te z kolei mogą być proste lub rozgałęzione, a poza tym łańcuch może ulec zamknięciu tworząc pierścień. Oto przykłady.

Ze zdolnością łączenia się atomów węgla pomiędzy sobą wiąże się zagadnienie rzędowości atomu węgla.

  • atom węgla połączony tylko z jednym atomem węgla określa się jako węgiel pierwszorzędowy
  • połączony z dwoma atomami węgla - drugorzędowy
  • połączony z trzema atomami węgla jako trzeciorzędowy
  • atom węgla połączony z czterema atomami węgla nosi nazwę czwartorzędowego lub węgla "neo"

Podstawową grupą połączeń organicznych są związki zbudowane z atomów węgla i wodoru, nazywane węglowodorami..
Węglowodory ze względu na budowę szkieletu węglowego dzielimy na dwie główne klasy: węglowodory alifatyczne i weglowodory aromatyczne. Węglowodory alifatyczne z kolei dzielą się na alkany, alkeny, alkiny oraz ich analogi pierścieniowe (cykloalkany itd.)

Same węglowodory są substancjami macierzystymi wszystkich związków organicznych, które nazywane są pochodnymi węglowodorów.

Pochodne są to związki, powstałe wskutek podstawienia pojedyńczych atomów wodoru przez inne atomy lub grupy atomów, które noszą nazwę podstawników.Przykład - CH3COOH jest pochodną CH4 (metan). Jeden atom wodoru w CH4 został podstawiony grupą atomów (-COOH).

Inne przykłady: C2H5Cl, C3H7OH, C4H9NO2, C2H5CHO, itd.

Do góry


 

Szereg homologiczny

   


Najprostszym węglowodorem jest metan o wzorze CH4 i tetraedrycznej strukturze cząsteczki. Taka struktura jest wynikiem hybrydyzacji sp3 w atomie węgla a powstałe orbitale wiążące sp3, skierowane są ku wierzchołkom czworościanu. Takie właśnie rozmieszczenie orbitali umożliwia maksymalne ich oddalenie (rys. 14.1) i przyjęcie struktury tetraedrycznej.

Rys. Cząsteczka metanu

Aby każdy z orbitali sp3 utworzył najmocniejsze wiązanie ze sferycznym orbitalem s atomu wodoru, każdy atom wodoru musi znalezć się dokładnie w wierzchołku czworościanu.
Ponieważ atomy węgla i atomy wodoru mają prawie taką samą elektroujemność, dlatego opócz wiązania węgiel - wodór mogą być utworzone wiązania węgiel - węgiel. I dlatego liczba węglowodorów nie ogranicza się tylko do najprostszego węglowodoru CH4, lecz jest możliwy szereg związków, jak np. C2H6 (etan), C3H8 (propan). Szereg nie zatrzymuje sie na propanie, lecz biegnie dalej w sposób nie kończący, przy czym każdy człon ma wzór ogólny CnH2n+2. Mówimy wtedy, że węglowodory tworzą szereg homologiczny. W szeregu homologicznym węglowodory jak ich pochodne, różnią się o stałą różnicę, zwaną różnicą homologiczną, którą jest grupa metylenowa -CH2-.
Przykładem jest szereg homologiczny alkanów, alkenów i alkinów (tablica 12.1)

Tablica 12.1

Szeregi homologiczne węglowodorów (różnica homologiczna - grupa metylowa)

Wzór

Nazwa

Wzór

Nazwa

Wzór

Nazwa

Wzór

Nazwa

Alkany
CnH2n+2

 

Alkile
CnH2n+1

 

Alkeny
CnH2n

 

Alkiny
CnH2n-2

 

CH4

Metan

CH3

Metyl

 
 
 
 

C2H6

Etan

C2H5

Etyl

C2H4

Eten, etylen

C2H2

Etyn, acetylen

C3H8

Propan

C3H7

Propyl

C3H6

Propen, propylen

C3H4

Propyn

C4H10

Butan

C4H9

Butyl

C4H8

Buten

C4H6

Butyn

C5H12

Pentan

C5H11

Amyl, Pentyl

C5H10

Penten

C3H4

Pentyn

C6H14

Heksan

C6H13

Heksyl

C6H12

Heksen

C6H10

Heksyn

C7H16

Heptan

C7H15

Heptyn

C7H14

Hepten

C7H12

Heptyn

C8H18

Oktan

C8H17

Oktyl

C8H16

Okten

C8H14

Oktyn

C9H20

Nonan

C9H19

Nonyl

C9H18

Nonen

C9H16

Nonyn

C10H22

Dekan

C10H21

Dekyl

C10H20

Deken

C10H18

Dekyn

C11H24

Undekan

        

C12H26

Dodekan

        

Czytelnik powinien bezwarunkowo zapamiętać nazwy przynajmniej pierwszych dziesięciu alkanów. Jeżeli to uczynił, to w zasadzie nauczył się również nazw pierwszych dziesięciu alkenów, alkinów, alkoholi, itd., ponieważ nazwy wielu klas związków są ściśle z sobą związane.

Ponadto daje się zauważyć, że wraz ze wzrostem ilości atomów węgla w cząsteczce, wzrasta ilość możliwych przestrzennych rozmieszczeń atomów. Takie związki różniące się przestrzennym rozmieszczeniem atomów nazywa się izomerami. Więcej o izomerii związków organicznych w kolejnym rozdziale.

Do góry


 

Nazewnictwo rozgałęzionych węglowodorów łańcuchowych

   


Nazewnictwo alkanów

Nazwy pierwszych czterech węglowodorów są tradycyjne:

CH4 - metan
C2H6 (CH3-CH3) - etan
C3H8 (CH3-CH2-CH3) - propan
C4H10 (CH2-CH2-CH2-CH3)- butan

Pozostałe nazwy tworza się od liczebników greckich (wyjatek: nonan i indekan - utworzone od liczebników łacińskich), dodając końcówkę - an
W przypadku węglowodorów o budowie rozgałęzionej przyjmuje się następujące reguły nazewnictwa systematycznego:

  • jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy łańcuch
  • atomy węgla w łąńcuchu podstawowym numeruje się tak, aby atom węgla, przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwie najmniejszą liczbą. jeżeli kilka łańcuchów ma jednakową długość, to za podstawę przyjmuje się łańcuch o największej liczbie podstawników
  • jeżeli takie same grupy alkilowe występują w cząsteczce kilka razy jako łańcuchy boczne, to liczbę tych grup określa się przedrostkiem di-, tri-, tetra-,
  • pozycje każdego podstawnika wskazuje się za pomocą odpowiednich liczb
  • jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka różnych grup alkilowych to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym
  • nazwy podstawników (rodniki jednowartościowe powstałe w wyniku odszczepienia jednego atomu wodoru z cząsteczki węglowodoru) tworzy się z nazwy węglowodoru przez zamianę końcóki -an na -yl - patrz tablica 12.1. Po spółgłoskach g, k, l piszemy -il). Podstawniki oznacza się dużą literą R i noszą ogólną nazwę alkilów. Wzór ogólny -CnH2n+1.. Wyjątkiem jest nazwa alkilu pochodnego od pentanu - C5H11. Nazwa tego alkila to - amyl.

O ile mamy związek

To najdłuższy jest łańcuch siedmiowęglowy, który numerujemy jak we wzorze.
Nazwa węglowodoru dla prezentowanego przykładu jest następująca 3,5 dietylo- 2,3,6 trimetyloheptan
W niektórych przypadkach dopuszczalne jest stosowanie nazw z przedrostkiem izo dla podkreślenia budowy rozgałęzionej, na przykład:
2-metylopropan , izobutan

W przypadku butanu istnieją cztery odmiany izomeryczne - dwie pochodzące od n-butanu i dwie wywodzące się z izobutanu o rozgałęzionym łańcuchu. Jak pokazano niżej, są one oznaczone przedrostkami; n -(normalny), sec (drugorzędowy), izo- i tert- (trzeciorzędowy).

2-metylobutan, izopentan

Ogólnie można przytąć, że nazwy z przedrostkiem izo, są jedynie dopuszczalne, gdy rozgałęzienie w postaci grupy metylowej występuje przy drugim atomie węgla w łańcuchu, na przykład
2-metylobutan lub izopentan

ale dla

mamy tylko 3-metylopentan


Nazewnictwo cykloalkanów

Węglowodory cykliczne - nazwy tworzy się przez dodanie przedrostka cyklo- do nazwy odpowiedniego węglowodoru łańcuchowego o tej samej liczbie atomów węgla.


Nazewnictwo węglowodorów nienasyconych

Ogólną nazwę dla węglowodorów nienasyconych tworzy się przez zmianę końcówki;

  • -an na końcówkę -en dla węglowodorów o wiązaniu podwójnym (alkeny, weglowodory nienasycone, olefiny)
  • -an na końcówkę -in (yn) dla węglowodorów o wiązaniu potrójnym (alkiny, węglowodory nienasycone, acetyleny).

Tworzenie nazw węglowodorów jest następujące:

  • jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy ciągły łańcuch, który zawiera wiązanie nienasycone
  • położenie wiazania nienasyconego w podstawowym łańcuchu oznacza się odpowiednią cyfrą umieszczoną na początku nazwy wyjściowej struktury. Numerację łańcucha rozpoczyna się od tego końca, bliżej którego znajduje się wiązanie nienasycone.
  • położenie grup alkilowych przyłączonych do łańcucha podstawowego oznacza się odpowiednimi cyframi

Przykłady

pent-2-en

3,4-dimetylopent-2-en

Obok nazw systematycznych spotyka się nazwy zwyczajowe z końcówką -ylen

H2C=CH2 eten, etylen
H2C=CH-CH2-CH3 but-1-en, butylen

Nazwy rodników pochodnych alkenów tworzy się przez dodanie końcówki -yl do nazwy weglowodoru ALKENYL.

H2C=CH- etenyl (zwyczajowo winyl)
H2C=CH-CH2- prop-2-yl, allil

Przykłady dla węglowodorów z wiązaniem potrójnym

etyn, acetylen

propyn, metyloacetylen

Jeżeli w cząsteczce występuje większa liczba wiązań nienasyconych, wtedy liczbę wiązań wielokrotnych określa się liczebnikiem greckim umieszczonym przed końcówką oznaczającą rodzaj wiązania:
alkadien, alkatrien..., alkopolien
alkadiin, alkatriin..., alkapoliin

Przykład: CH2=CH-CH=CH2 buta-1,3-dien (dwuwinyl)

W obecności wiązań podwójnych i potrójnych w nazwie dajemy pierwszeństwo wiązaniu podwójnemu; heksadien-1,5-in-3

Do góry


 

Węglowodory alifatyczne

   


Węglowodory alifatyczne, mogą łączyć sie ze sobą tworząc;

  • struktury łańcuchowe
  • struktury cykliczne

Węglowodory posiadające struktury łańcuchowe mogą mieć łańcuchy proste lub rozgałęzione a te z kolei mogą być:

  • nasycone tzn. atomy węgla połączone są tylko za pomocą wiązań pojedyńczych (-C-C-).

  • nienasycone tzn. atomy węgla połączone są za pomocą wiązań podwójnych (-C=C-) lub potrójnych. Wiązania wielokrotne (podwójne i potrójne) moga występować w różnych ilościach.

Przy dwóch wiązaniach podwójnych wyróżnia się układy:

  • układ skumulowany C=C=C
  • układ sprzężony C=C-C=C
  • układ izolowany C=C-C-C-C=C

Połączenia cykliczne mogą być trój-, cztero-, pięcio-, sześcio-, .... wieloczłonowe, na przykład:

Do góry


 

Węglowodory aromatyczne

   


Wsród połączeń cyklicznych wyróżnia się połączenia aromatyczne o specyficznym układzie wiązań podwójnych, sprzężonych. Są to połączenia o budowie płaskiej, zawierające elektrony (p), których ilość obliczamy zgodnie z regułą Huckla

Reguła Huckla

Układ aromatyczny ma 4n + 2 elektronów (p), gdzie n - ilość pierścieni

Przykładem jest węglowodór o nazwie benzen, który posiada 6 elektronów p

W takim układzie elektrony mogą przesuwać się wzdłuż łańcucha co prowadzi do wyrównania gęstości elektronowej w całym pierścieniu. Mamy tutaj przypadek delokalizacji elektronów, który przedstawiany jest za pomocą specjalnego symbolu wiązania (kółko). To przesuwanie się elektronów wzdłuż pierścienia, zawdzięczamy obecności wiązania p.

Wiązanie podwójne składa się z wiązania s i p. Wiązanie p jest to wiązanie chemiczne utworzone w wyniku bocznego nakładania się orbitali atomowych. Wiązanie (p) charakteryzuje się występowaniem maksymalnego zagęszczenia uwspólnionych par elektronów ponad linią łączącą jądra na płaszczyznie przechodzącej przez linię łączącą oba jądra. Wiązanie s powstaje w wyniku osiowego nakładania się orbitali. Na rysunku linia zielona łącząca atomy A i B.

Przykład - benzen

Do góry


 

Pochodne węglowodorów

   


W poprzednich rozdziałach dowiedzieliśmy się, że węglowodory należą do podstawowych związków organicznych, że występują powszechnie i podlegają reakcjom chemicznym a czasie reakcji chemicznych powstają nowe związki organiczne. Ilość tych nowych związków organicznych jest bardzo duża a zawdzięczamy to zjawisku izomerii oraz zdolności do tworzenia różnorodnych łańcuchów przez atomy węgla. Obecnie zajmiemy się tą grupą związków organicznych w których atomy wodoru w cząsteczkach węglowodorów zastąpione są atomami lub grupami atomów innych pierwiastków. Otrzymana grupa związków organicznych nosi nazwę pochodnych węglowodorów.
Cząsteczki tych połączeń zbudowane są z grupy węglowodorowej (alkilowej lub arylowej) oraz podstawnika, zwanego grupą funkcyjną.

Grupa funkcyjna - jest to atom lub grupa atomów, które w połączeniu z grupą węglowodorową tworzą cząsteczkę pochodnej węglowodorowej i nadają danej grupie połączeń charakterystyczne właściwości. Obecność jednej grupy funkcyjnej zalicza dany związek do jednofunkcyjnych pochodnych węglowodorów.

Najważniejsze grupy funkcyjne zestawiono w poniższej tabeli.

Grupa funkcyjna

Nazwa grupy funkcyjnej (Z)

Nazwa pochodnych

-F, -Cl, -Br, -I

Fluorowce (halogenki)

Fluorowcopochodne węglowodorów

-OH

Hydroksylowa

Jeżeli jest połączona z grupą alkilową - alkohole
Jeżeli jest połączona z grupą arylową - fenole

Aldehydowa

Aldehydy

Ketonowa

Ketony

Karboksylowa

Kwasy karboksylowe

-NH2

Aminowa

Aminy

-NO2

Nitrowa

Związki nitrowe

Z połączenia grupy funkcyjnej (Z) z grupą alkilową lub arylową otrzymujemy jednofunkcyjne pochodne, które przedstawiono w powyższej tabeli. Są to najważniejsze jednofunkcyjne pochodne, które mają praktyczne zastosowanie i z którymi wielokrotnie spotykamy się w codziennej działalności. Przykładem jest ocet który jest kwasem karboksylowym, alkohol, zmywacz do paznokci który jest ketonem o nazwie aceton, itp.

Do góry


 

Typy reakcji związków organicznych

   


W chemii związków organicznych wyróżnia się trzy zasadnicze typy reakcji chemicznych

  • reakcje podstawienia, substytucji - oznaczone symbolem S

    R-X + Y ---> R-Y + X

  • reakcje przyłączenia, addycji - oznaczone symbolem A

    A + B ---> C

  • reakcje eliminacji - oznaczone symbolem E.

    A ---> B + C

  • reakcje przegrupowania

    A ---> B


Mechanizmy reakcji związków organicznych

Każdy z wymienionych wyżej typów reakcji, może zajść według;

  • mechanizmu jonowego
  • mechanizmu wolnorodnikowego.

To według jakiego mechanizmu będzie przebiegała reakcja chemiczna, będzie to zależało od środowiska w jakim przebiega reakcja chemiczna.
Jeżeli wyobrazimy sobie cząsteczkę o ogólnym wzorze A:B, gdzie (:) - przedstawia parę elektronową wiążącą składniki A i B.
to właśnie ta para elektronowa może ulec:

  • rozparowaniu, wówczas każdy ze składników zatrzyma jeden niesparowany elektron, czyli utworzy wolny rodnik

  • przesunięciu do jednego ze składników ( do składnika bardziej elektroujemnego, a tym samym posiadającego większe powinowactwo do elektronów

W przypadku, gdy A jest bardziej elektroujemny to A staje się jonem ujemnym

a jeżeli B jest bardziej elektroujemny to A staje się jonem dodatnim

Dla związków organicznych takie rozparowanie oraz przesuniecie pary elektronowej spowoduje powstanie

  • karbokationu
  • karboanionu
  • rodnika

Rodniki Najczęściej rodniki powstawją w wyniku reakcji oderwania atomu wodoru od cząsteczki związku organicznego. Jeżeli następuje oderwanie pierwszorzędowego atomu wodoru, to spowoduje powstanie pierwszorzędowego rodnika, oderwanie drugorzędowego atomu wodoru powoduje utworzenie rodnika drugorzędowego itd. Otóż zauważono, że względna łatwość odrywania się atomu wodoru, przedstawia się następująco.

3o > 2o > 1o > CH3*

I odpowiednio, trwałość wolnych rodników jest następująca

3o > 2o > 1o > CH3*

Z tego wynika, że im trwalszy jest wolny rodnik, tym łatwiej się tworzy. Takie uogólnienie jest szczególnie użyteczne, ponieważ trwałość rodników decyduje o orientacji i reaktywności podczas wielu reakcji, w których powstają wolne rodniki.

Karbokationy Karbokationem jest grupa atomów zawierających atom węgla jedynie z sześcioma elektronami. Podobnie jak w wolnych rodnikach, rozróżnia się karbokationy;

  • pierwszorzędowe
  • drugorzędowe
  • trzeciorzędowe

Karbokation, podobnie jak wolny rodnik, jest nadzwyczaj reaktywną cząsteczką. Jest to wynikiem deficytu elektronów i tendencją atomu węgla do uzupełnienia oktetu elektronów.
O trwałości karbokationów decydują czynniki sprzyjające rozproszeniu dodatniego ładunku na atomie węgla na którym występuje deficyt elektronów. Tym czynnnikiem jest rodzaj podstawnika (Z) przyłączony do tego atomu węgla, który może oddawać lub przyciągać elektrony.

Z---->C+ - Z oddaje elektrony (obserwujemy stabilizację kationu)
Z<----C+ - Z przyjmuje elektrony (obserwujemy destabilizację kationu)

Podstawnik oddający elektrony przyczynia się do zmniejszenia dodatniego ładunku węgla z deficytem elektronów, przez co sam staje sie w pewnym stopniu dodatni. To rozproszenie ładunku stabilizuje karbokation.

Podstawnik przyciągający elektrony przyczynia się do zwiększenia dodatniego ładunku atomu węgla z niedoborem elektronów i w ten sposób powoduje zmniejszenie trwałości karbokationu.

W przypadku oddziaływania podstawnik - węgiel z deficytem elektronów, mamy do czynienia z tzw. efektem indukcyjnym o którym więcej w dalszej części rozdziału.

Podobnie jak i w przypadku rodników , również i w przypadku karbokationów wielkością dla nich charakterystyczną jest ich trwałość. I tak dla karbokationów alkilowych, szereg trwałości karbokationów jest następujący.

3o > 2o > 1o > CH3+

Zmiany trwałości karbokationów są spowodowane zmianą liczby grup alkilowych połączonych z atomem węgla, na którym występuje niedobór elektronów.
Im większa liczba grup alkilowych, tym trwalszy karbokation; oddawanie elektronów przez te grupy powoduje rozproszenie ładunku i stabilizację jonu


Wpływ budowy cząsteczki związku organicznego na mechanizm reakcji związku organicznego

W reakcjach związków organicznych, pomijając warunki podane wyżej, ważną rolę odgrywa budowa cząsteczki związku organicznego ulegająca reakcji, tj.

  • obecność wiązania nasyconego
  • wiązania wielokrotnego
  • obecność podstawników i ich charakter
  • układ cząsteczki (symetryczna, niesymetryczna).

Ponadto dużą rolę odgrywa obecność wiązań atomowych spolaryzowanych. Stopień spolaryzowania zależy od tego, pomiędzy jakimi atomami występuje wiązanie.
Najczęściej w związkach organicznych mamy do czynienia z wiązaniami:

  • węgiel - węgiel
  • węgiel - wodór
  • węgiel - centralny atom podstawnika

Wiązania węgiel - węgiel, są wiązaniami o charakterze atomowym. W wyniku obecności różnych podstawników w cząsteczce wiązanie to może ulec polaryzacji.

Przykłady

Z wiązaniem czysto atomowym mamy do czynienia w cząsteczce etanu

CH3-CH3

Jeżeli wystąpią różnice podstawienia przy każdym atomie węgla, to otrzymamy wiązania atomowe o małym stopniu spolaryzowania

Przykład

Wiązania pomiędzy atomem węgla i atomem wodoru: C-H, są minimalnie spolaryzowane w kierunku do atomu wodoru.
Decydujący wpływ na wielkość momentu dipolowego w wiązaniu C-H, odgrywa hybrydyzacja atomu węgla. I tak;

  • dla hybrydyzacji sp3 (alkany), moment dipolowy dla wiązania C-H ma wartość 0,30D, energia 103 kcal/mol, długość wiązania 1,12Ao
  • dla hybrydyzacji sp2 (alkeny), moment dipolowy dla wiązania C-H ma wartość 0,61D, energia 106 kcal/mol, długość 1,084Ao
  • dla hybrydyzacji sp (alkiny), moment dipolowy dla wiązania C-H ma wartość 1,0D, energia 121 kcal/mol, długość 1,06Ao

Dlatego alkany w których występują tylko wiązania C-C i C-H, łatwo ulegają rozpadowi wolnorodnikowemu. Szczególnie dotyczy to wiązania C-H.

CH4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl

Alkeny i alkiny ze względu na obecność wiązań wielokrotnych dają przede wszystkim reakcje przyłączenia i to zarówno według mechanizmu jonowego, jak i wolnorodnikowego o czym decydują warunki reakcji.

H2C=CH2 + HCl --> H3-CH2-Cl chlorek etylu

Wiązania pomiędzy atomem węgla i atomem centralnym podstawnika (grupy funkcyjne), np. C-OH, C-Cl, C-NO2 itd.
Są to wiązania atomowe spolaryzowane w kierunku centralnego atomu podstawnika. Wiązania te przede wszystkim ulegają rozpadowi jonowemu i tym samym łatwo dają reakcje podstawienia szczególnie w szeregu alkanów, np;

H3C-Cl + H-OH --> H3C-OH + HCl

Sam fakt spolaryzowania wiązania określa się pojęciem efektu indukcyjnego oznaczanego - Is (statyczny) Zależnie od tego czy wiązanie atom węgla - podstawnik (Z) spolaryzowane jest w kierunku do atomu węgla czy do podstawnika, otrzymujemy efekt indukcyjny dodatni lub ujemny

C --> Z mamy do czynienia z -Is
C <-- Z mamy do czynienia z +Is

Wszystkie podstawniki tzn. -X (chlorowce), -OH, -CHO, -COOH, -NH2, -NO2, dają ujemny efekt indukcyjny -Is, natomiast grupy alkilowe R mają dodatni efekt indukcyjny +Is. jest to spowodowane polaryzacją wiązania C --> R.
W przypadku gdy podstawnik związany jest z atomem węgla, który połączony jest wiązaniem podwójnym z drugim atomem węgla, np. H2C=CHCl, wówczas występuje oddziaływanie: podstawnik - układ węglowy.
Oddziaływanie to określa się pojęciem efektu mezomerycznego, inaczej efektu sprzężenia i oznacza się +/-M.. Ze względu na powyższe oddziaływania podstawniki dzielimy na:

  • mezomeryczne dodatnie +M i należą tutaj -R, -OH, -NH2, -X.
    Wszystkie podstawniki tej grupy charakteryzują się obecnością wolnych par elektronowych na centralnym atomie węgla podstawnika. Na przykład tlen w podstawniku -OH ma dwie wolne pary elektronowe.
  • podstawniki drugiego rodzaju wykazujące efekt mezomeryczny ujemny -M i należą tutaj -NO2, -SO3H, COOH.
    Wszystkie te podstawniki charakteryzują się obecnością wiązań wielokrotnych pomiędzy centralnym atomem podstawnika a pozostałymi atomami. Uwzględniając efekty I i M podstawników należy stwierdzić, że odgrywają one znaczną rolę w przebiegu reakcji jonowych.

Reakcje substytucji, addycji i eliminacji

Majac na uwadze rodzaj i sposób zachodzenia zmian w budowie cząsteczek substratów, reakcje związków organicznych można sklasyfikować jako reakcję:

  • SR - substytucji rodnikowej
  • AR - addycji rodnikowej
  • ER - raczej nie ma eliminacji rodnikowej

względnie jako

  • SJ - substytucji jonowej
  • AJ - addycji jonowej
  • EJ - eliminacji jonowej

Reakcje substytucji

Substytucja rodnikowa (SR), to reakcja przebiegająca z udziałem wolnych rodników, które powstają stale w wyniku reakcji łańcuchowej.

Substytucja jonowa, może przebiegać jako reakcja elektrofilowa SE lub jako reakcja nukleofilowa SN.
Substytucja elektrofilowa SE: jest to substytucja, w której cząsteczka elektrofilowa atakuje związek nukleofilowy. Takimi substancjami elektrofilowymi są cząsteczki albo jony odznaczające się niedoborem elektronów (H+, AlCl3, biegun dodatni wiązań atomowych spolaryzowanych).
Substytucja nukleofilowa SN, jest to reakcja substytucji, która zachodzi w wyniku ataku czynnika nukleofilowego na elektronowe centrum związku chemicznego. Czynnikami nukleofilowymi są cząsteczki lub jony odznaczjące się nadmiarem elektronów (OH-, Cl-, cząsteczki z wolnymi parami elektronów (NH3), cząsteczki z niepolarnym wiązaniem p (eten, benzen)). Sama reakcja może przebiegać według kinetyki pierwszego lub drugiego rzędu. Odpowiednio wtedy dla reakcji pierwszego rzędu (szybkość reakcji zależy tylko od stężenia jednego substratu), mechanizm reakcji określa się symbolem SN1 i odpowiednio dla reakcji drugiego rzędu (szybkość reakcji zależy od stężenia dwóch substratów) mechanizm reakcji określa się symbolem SN2.

Reakcje addycji

Addycja rodnikowa AR; jest to reakcja przyłączenia przebiegająca w postaci łańcuchowej z udziałem wolnych rodników.

Addycja jonowa, podobnie jak substytucja jonowa może przebiegać jako reakcja elektrofilowa AE lub jako reakcja nukleofilowa AN
Addycja elektrofilowa AE; jest to reakcja przyłączenia, która przebiega w wyniku ataku czynnika elektrofilowego na cząsteczkę nukleofilową.
Addycja nukleofilowa AN; jest to reakcja przyłączania, która przebiega w wyniku ataku czynnika nuklefilowego na elektronowe centrum związku chemicznego.

Reakcja eliminacji

Jest to reakcja chemiczna, w której od jednej cząsteczki substratu oddzielają się dwa atomy albo grupy atomów i nie są zastępowane innymi. Otrzymane produkty zwierają wiązania wielokrotne. Przykładami reakcji eliminacji są reakcje odwodornienia i odwodnienia.
Reakcje eliminacji mogą przebiegać zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu E1 lub z kinetyką drugiego rzędu E2

Reakcjom wolnorodnikowym sprzyjają następujące warunki:

  • środowisko niepolarne
  • wysoka temperatura
  • obecność substancji łatwo ulegajacych rozpadowi na wolne rodniki,
    np. nadtlenki R-O-OR-, 2R-O.
  • światło

Natomiast reakcje jonowe mają przede wszystkim miejsce w następujących warunkach:

  • środowisko polarne
  • niska temperatura
  • obecność substancji (katalizatorów) ułatwiających rozpad jonowy, powiększających polarność środowiska. najczęściej stosuje się kwasy Lewisa, np. AlCl3, BF3, FeCl3

Poniżej w tabeli zestawiono charakterystyczne reakcje dla węglowodorów i niektórych pochodnych.

Charakterystyczne reakcje dla węglowodorów i niektórych pochodnych

Grupa funkcyjna

Wzór

Charakterystyczne reakcje

Alkany

C-C, C-H

Substytucji (z H, zwykle z Cl i Br)

Alkeny

C=C-C-H

Addycji
Substytucji (z H)

Alkiny

C@C-H

Addycji
Substytucji (z H)

Chlorki alkilowe

H-C-C-X

Substytucji (z X)
Eliminacji (z HX)

Alkohole

H-C-C-O-H

Substytucji (z H); Substytucji (z OH)
Eliminacji (z HOH)

Etery

(a)C-O-R

Substytucji (z OR); Substytucji (z aH)

Aminy

C-NRH

Substytucji (z H);
Addycji (na N)

Benzen

C6H6

Substytucja (z H)

Aldehydy

Addycji
Substytucji (z H i aH)

Ketony

Addycji
Substytucji (z aH)

Kwasy karboksylowe

Substytucji (z H); Substytucji (z OH)
Substytucji (z aH); Addycji (na C=O)

Oto wybrane przykłady mechanizmów reakcji związków organicznych

Mechanizm rodnikowy

Substytucja

Addycja

Eliminacji

Do góry


   

 

 (C) 2010 - 2013 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved