Основные типы органических реакций

 

В органической химии электрофильно-нуклеофильные реак­ции принято называть по характеру частицы, которой реагент атакует субстрат. Этот выбор можно объяснить тем, что реагент обычно является более простой молекулой, в которой проще оп­ределить состав электрофильного и нуклеофильного фрагмента и их активность, а следовательно, и характер атакующей частицы.

Нуклеофильной называется реакция, при которой реа­гент атакует субстрат своим нуклеофилом; она обо­значается индексом N (nucleophlle).

 

 

В нуклеофильных реакциях реагент принято называть нуклеофилом.

В органической химии нуклеофильность реагента характери­зует его способность взаимодействовать с атомом углерода суб­страта, несущим полный или частичный положительный заряд.

Электрофильной называется реакция, при которой реа­гент атакует субстрат своим электрофилом; она обо­значается индексом Е (electrophile).

 

 

 

В электрофильных реакциях реагент принято называть электрофилом. В органической химии электрофильность реагента ха­рактеризует его способность взаимодействовать с атомом углерода субстрата, несущим полный или частичный отрицательный заряд.

В действительности механизм и результат любой электрофильно-нуклеофильной реакции определяется не только свойст­вами реагента, но и свойствами субстрата, образующихся про­дуктов реакции, растворителя и условиями ее проведения. По­этому разделение электрофильно-нуклеофильных реакций на нуклеофильные и электрофильные только по свойствам реагента носит условный характер. Кроме того, как видно из приведенных схем, в этих реакциях всегда взаимодействуют между собой элек­трофилы и нуклеофилы, содержащиеся в субстрате и реагенте. Во многих реакциях лишь условно один компонент может счи­таться субстратом, а другой – реагентом.

Свободнорадикальные реакции. Гомолитический распад ха­рактерен для неполярной или малополярной связи. Он сопро­вождается образованием свободных радикалов — частиц с неспаренным электроном.

Гомолиз ковалентной связи можно рассматривать как расще­пление этой связи по обменному механизму. Для осуществления гомолиза связи необходима энергия (теплота, свет), достаточная для того, чтобы разорвать эту связь. Наличие неспаренного элек­трона является причиной малой стабильности свободных радика­лов (время жизни в большинстве случаев составляет доли секун­ды) и высокой реакционной способности в свободнорадикальных реакциях. Присутствие в системе свободного радикала (R۰) мо­жет приводить к образованию новых радикалов вследствие его взаимодействия с имеющимися молекулами: R۰ + А – В → R – A + ۰В

Свободнорадикальные реакции сопровождаются взаи­модействием свободных радикалов с молекулами или между собой с образованием новых свободных радикалов (зарождение или развитие цепи) или только молекул (обрыв цепи).

Для свободнорадикальных реакций характерен цепной ме­ханизм, который включает три стадии: зарождение, развитие и обрыв цепи. Эти реакции прекращаются при исчез­новении в системе свободных радикалов. Свободнорадикальные реакции обозначаются индексом R (radical).

Радикальные частицы в зависимости от их сродства к электрону могут и принимать электроны (т. е. быть окислителями), и отдавать электроны (т. е. быть восстановителями). При этом сродство радикала к электрону определяется не только его свойствами, но и свойствами его партнера по реакции. Особенности процессов свободнорадикального окисления-восстановления, протекающих в организме, рассматриваются отдельно при описании свойств определенных классов органических соединений.

В реакциях комплексообразования радикалами могут быть и комплексообразователь, и лиганды. В случае комплексов с переносом заряда радикалообразование может происходить внутри комплекса за счет внутримолекулярного окисления-восстановления между комплексообразователем и лигандом.

Образование радикалов легче всего происходит при гомолизе неполярных простых связей между атомами одного и того же элемента:

С1₂ → С1۰ + ۰С1 НО—ОН → НО۰ + ۰ОН

R—О—О—R' → RO۰ + ۰OR' R—S—S—R' →RS۰ + ۰SR'

При гомолизе малополярной связи С—Н образуются алкильные радикалы, в которых неспаренный электрон находится у атома углерода. Относительная устойчивость этих радикалов зависит от типа замещения атома углерода, несущего неспарен­ный электрон, и растет в ряду: •СН₃ < •CH₂R < •CHR₂ < •CR₃. Это объясняется положительным индуктивным эффектом алкильных групп, который, повышая электронную плотность на атоме углерода, способствует стабилизации радикала.

Стабильность свободных радикалов существенно возрастает, когда имеется возможность делокализации неспаренного элек­трона за счет π-электронов соседних кратных связей. Это особен­но наглядно наблюдается в аллильном и бензильном радикалах:

аллильный радикал бензильный радикал

 

В ходе ознакомления с возможными механизмами реакций в молекулах субстрата и реагента следует различать реакцион­ные центры по их характеру: нуклеофильные, электрофилъные и радикальные.

По конечному результату химического превращения простей­шие органические реакции классифицируются на реакции: замещения, присоединения, элиминирования (отщепления) и пе­регруппировки.

Реакции замещения. Под замещением понимают замену ато­ма или группы на другой атом или группу. В реакции замещения всегда образуются два различных продукта. Этот тип реакций обозначается символом S (substitution).

К реакциям замещения относятся: галогенирование и нит­рование алканов, этерификация и алкилирование карбоновых кислот, а также многочисленные ре­акции взаимодействия простых полярных молекул (Н₂О, NH₃, НГал) с эфирами, спиртами и галогенпроизводными.

Реакции присоединения. Под присоединением понимают вве­дение атомов или групп в молекулу непредельного соединения, сопровождаемое разрывом π-связей. При этом двойные связи превращаются в ординарные, а тройные связи - в двойные или ординарные. Этот тип реакций обозначается симво­лом A (addition).

Реакции элиминирования (отщепления). Под элиминиро­ванием понимают отщепление атомов или групп от органиче­ской молекулы с образованием кратной связи. Поэтому реакции элиминирования обратны реакциям присоединения. Этот тип ре­акции обозначается символом Е (elimination).

Каждая из органических реакций замещения (S), присоеди­нения (А) или элиминирования (Е) может быть электрофильной (Е), нуклеофильной (N) или радикальной (R). Таким образом, в органической химии выделяют девять типовых реакций, обо­значаемых символами S, А или Е с индексами R, N или Е:

 

Реакция	Электрофильная – нуклеофильная (гетеролитическая)	Свободнорадикальная (гомолитическая)
электрофильная	нуклеофильная
Замещения	SE	SN	SR
Присоединения	AE	AN	AR
Элиминирования	EE	EN	ER

 

Приведенные типы органических реакций следует считать модельными, так как они не всегда реализуются в чистом виде. Так, например, замещение и элиминирование могут протекать одновременно:

 

Реакции перегруппировки. В процессе перегруппировки происходит перемещение (миграция) одних атомов или групп ют одного фраг­мента молекулы к другому без изменения ее брутто-формулы. Перегруппировки органических соединений происходят обычно в присутствии катализатора и сопровождаются окислительно-вос­становительной дисмутацией атомов углерода:

При дальнейшем знакомстве с конкретными классами орга­нических соединений нами будут рассматриваться следующие их химические свойства: кислотно-основные, комплексообразующие, окислительно-восстановительные, электрофильно-нуклеофильные, а также способность к свободнорадикальному взаимо­действию. Особое внимание будет уделено особенностям проте­кания рассматриваемых реакций в биологических системах.

Типы реакций, характерные для различных классов углеводородов, механизм их протекания и биологическое значение процессов представлены в таблице 10.