Органическая химия Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии Белавин Иван Юрьевич профессор кафедры химии Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, г. Москва 1 Лекция 03 Факторы, определяющие реакционную способность органических соединений. Классификация реакций и реагентов. Исходный уровень к лекции 03 – простейшие реакции органических соединений (школьный курс); – механизм реакции (общая химия, раздел «кинетика») Исходный уровень к лекции 04 – алканы и циклоалканы (школьный курс); – хлорирование углеводородов (школьный курс) 2 Факторы, определяющие реакционную способность органических соединений. Классификация реакций и реагентов ● Основные закономерности протекания органических реакций ● Типы реагентов и характер изменения связей в реакционном центре субстрата ○ Типы реагентов и реакций ● Класссификация реакций органических соединений ● Понятие о механизме реакции ● Факторы, определяющие реакционную способность ○ Статические факторы ○ Динамические факторы ● Приложение: справочный и дополнительный материал 3 Основные закономерности протекания органических реакций Некоторые термины и определения Реакционная способность – — характеристика Реакционный центр – Субстрат – Реагент – Условность понятий реагента и субстрата. 4 Термины и определения на конкретных примерах реагент субстрат О О СН3 С О + Na OH H2O + СН3 С Н О Na продукт реакции реакционный центр реагент субстрат NH2 + H Cl продукт реакции NH3 Cl реакционный центр 5 Типы реагентов и характер изменения связей в реакционном центре субстрата Типы реагентов Кислотные реагенты (кислоты) — СВОЙСТВА: Основные реагенты (основания) — СВОЙСТВА: Символ В– или В. 6 Нуклеофильные реагенты (нуклеофилы) – СВОЙСТВА: —обладают повышенной электронной плотностью, —нуклеофил заряжен Символ Nu– или Nu. Электрофильные реагенты (электрофилы) – СВОЙСТВА — —электрофил заряжен Символ E+ или E. 7 Радикальные реагенты (радикалы) – R• — Cl•, Br•, HOO•, R•, •O—O• (бирадикал) Окислители – [O] (или Ox) — O2, Fe3+, органические окислители Восстановители – [H] (или Red) — H2, Fe2+, H–, органические восстановители 8 Способы разрыва ковалентной связи 1. Гомолитический (свободнорадикальный) X Y X + Y образующиеся промежуточные частицы – 2. Гетеролитический (ионный) E Nu E+ + Nu– образующиеся органические промежуточные частицы – карбокатионы – карбоанионы 9 Классификация реакций органических соединений Типы реакций 1. По характеру изменения связей в субстрате и реагенте (а) Гомолитические реакции H3C H + Cl Cl CH3Cl + HCl (б) Гетеролитические реакции электрофил H NO2 + HO + NO2 HO H нуклеофил CH3 Br + Na+OH– CH3 OH + Na+Br– 10 (в) Согласованные (синхронные) реакции CH2 HC CH2 HC CH2 CH2 Для согласованных реакций 11 2. По типу реагента – радикальные – электрофильные – нуклеофильные – окислительные – восстановительные 3. По направлению (конечному результату) – реакции замещения Cl H + Сl2 + HCl (S) 12 – реакции присоединения CH3 CH3 CH CH2 + HCl Cl CH CH3 (A) – реакции отщепления или элиминирования CH3CH2OH H+ CH2 CH2 + H2O (E) – реакции перегруппировки (изомеризации) CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2OH CH3 AlCl3, 100 °C CH3 CH CH2CH3 H+ CH3 OH CH CH3 13 – перициклические реакции (циклоприсоединение, электроциклические реакции, сигматропные перегруппировки, реакции переноса групп) • Согласованное образование связей с одновременным перераспределением -связей. C C C C – реакции циклизации CH2CH2CH2COOH OH O O + H2O 14 – окислительно-восстановительные реакции –4 –2 [O] CH4 [O] CH3OH [H] 0 O [O] H [H] H C [H] +2 O [O] H C OH [H] +4 CO2 Изменение – кислотно-основные взаимодействия A H + B A + BH+ 15 4. По числу молекул (частиц), участвующих в стадии, определяющей общую скорость реакции – AB A + B D C – A + B A + AB AB BC + C Сочетание классификационых признаков NaOH + CH3I метилиодид – HO + + CH3 I CH3OH + NaI метанол HO .... C ...... I – – CH3OH + I 16 Понятие о механизме реакции Механизм реакции – – детальное описание Включает: (1) (2) Согласуется с: (3) (4) (5) 17 Механизм реакции Исходные Продукты соединения реакции CH2 CH2 CH3CHCH3 CH3CHCH3 CH3CHCH3 X X 18 Факторы, определяющие реакционную способность органического соединения (статические и динамические) Статические факторы электронный пространственный Электронный фактор – Пространственный фактор ─ 19 К явлению мезомерии Мезомерия* (сопряжение) – выравнивание связей и зарядов в реальной молекуле (частице) по сравнению с идеальной, но несуществующей (резонансной) структурой. Мезомерия может приводить к существенному отличию в распределении электронной плотности в реальных структурах по сравнению со структурами, изображаемыми обычными формулами строения. Ацилат-ион R COO O – 1/2 O R C – O R C O – 1/2 O R O – C O R C – O O R C O мезомерный ион * от греч. mesos – средний 20 – Динамические факторы Включают оценку энергии Чем больше возможностей для делокализации (рассредоточения) электронной плотности в промежуточной частице (свободном радикале, катионе, анионе, -комплексе), или в переходном состоянии, тем более они устойчивы (стабильны), тем ниже их энергия и тем легче идет реакция. 21 (в) Согласованные (синхронные) реакции CH2 HC CH2 HC CH2 CH2 бутадиен-1,3 этилен переходное состояние циклогексе н Для согласованных реакций теряют смысл понятия реагента и субстрата. 22 Энергетические диаграммы энергетическая диаграмма одностадийной реакции Энергия переходное состояние 1 Еа энергетическая диаграмма двухстадийной реакции промежуточная частица Энергия исходные вещества 1 2 2 продукты координата реакции координата реакции реакции (2) протекают быстрее и легче, чем реакции (1) 23 Влияние совокупности различных факторов на направление реакции H + H C H H CH2 – Br + CH3 + C CH3 – Br замещение + – Na OH + Na+OH– элиминирование + NaBr CH3OH CH2 C CH3 CH3 24 Реакции радикального замещения ● Основные закономерности протекания органических реакций ● Свободно-радикальные процессы ○ Механизм галогенирования алканов ○ Региоселективность реакций радикального замещения ○ Взаимодействие органических соединений с молекулярным кислородом ● Приложение: справочный и дополнительный материал к лекции 03 25 Свободно-радикальные процессы в углеводородах и их производных C SR H Алканы CH3 Циклоалканы CH3 C H C C C H O C H 26 Пути образования свободных радикалов 1. Фотохимический – Cl2 h 2 Cl Cl2 2. Термический – R O O R' to R–O + R'–O 3. Химический – Н–О– + Fe3+ H–O + Fe2+ 27 Механизм галогенирования алканов + Cl2 CH4 h метан CH3Cl + хлорометан HCl + Стадии процесса 1. Cl h Cl Cl 2 Cl 2. Cl + H CH3 HCl CH3 + Cl Cl CH3Cl + CH3 Cl 28 3. Cl + Cl Cl2; CH3 + CH3 CH3 + Cl CH3CH3; CH3Cl СН3• – H C H H H C H sp2 H Простые алкильные радикалы – Высокая реакционная способность свободных радикалов объясняется 29 Региоселективность реакций радикального замещения Региоселективность – Br2 + CH3 CH2 CH3 h, to –HBr Br CH3 CH CH3 + CH3 CH2 CH2Br 125 oC 97% 3% статистически: 25% 75% Статический фактор: Преимущественное направление радикальной атаки СН3 СН3 СН3СН2 СН Н Н СН3 406 393.5 СН3 С СН3 Н 381 СН2 Н 331 СН2=СН СН2 Н 327 30 Динамический фактор: Н Н Н < С Н С Н СН3 Н метил < С СН3 СН3 первичный < CH2=CH CH2 СН3 < С СН3 вторичный аллил СН2 СН3 третичный < C бензил трифенилметил СН2 СН СН2 СН2 СН СН2 CH2 СН2 СН СН2 СН2 СН СН2 мезомерный радикал* * о явлении мезомерии и сопряжении см. в Приложении 31 Сопряжение в аллильном радикале H H C C H C H H 32 Преимущественное направление радикальной атаки СН2 СН3 + Х СН –HX СН2=СН СН2 СН3 + Х Br2 + CH3 CH2 CH3 –HX h, to –HBr СН2=СН СН СН3 Br CH3 CH CH3 + CH3 CH2 CH2Br 125 oC Cl2 + CH3 CH2 CH3 h, to –HCl СН3 97% 3% Cl CH3 CH CH3 + CH3 CH2 CH2Cl 550 oC 70 oC 42% 60% 58% 40% Более высокая селективность менее активного реагента 33 Взаимодействие органических соединений с молекулярным кислородом R H + O2 O O R O O H гидропероксид Гидропероксиды – Пероксиды – Гидропероксиды R O O H Пероксиды R O O R' Автоокисление – Следствием автоокисления может быть 34 Примеры реакций пероксидного окисления O O2 CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 O CH O H CH3 гидропероксид диэтилового эфира O2 H O O H 3-гидропероксициклогексен CH3 C H CH3 O2 O CH3 C O O H O H + CH3 C CH3 CH3 фенол ацетон 35 Схема механизма образования гидропероксидов • R H + HX X + R • R + RO O + O2 R RO O H RO OH + R • R + RO O RO OR 36 Приложение (справочный и дополнительный материал) К явлению мезомерии Мезомерия* (сопряжение) – выравнивание связей и зарядов в реальной молекуле (частице) по сравнению с идеальной, но несуществующей (резонансной) структурой. Мезомерия может приводить к существенному отличию в распределении электронной плотности в реальных структурах по сравнению со структурами, изображаемыми обычными формулами строения. Ацилат-ион R COO O – 1/2 O R C – O R C O – 1/2 O R O – C O R C – O O R C O мезомерный ион * от греч. mesos – средний 37 – Пероксидное окисление липидов О СН2 О С C17H33 О СН О С C17H35 остаток олеиновой кислоты СН2 О фрагмент липида клеточной мембраны 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2 СН СН СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2С О О Х 11 10 9 СН СН СН 38 11 10 9 СН СН СН 11 10 11 9 СН СН СН 10 9 СН СН СН мезомерный радикал О2 11 10 9 СН СН СН О-О +RH -R 11 10 11 10 9 СН СН СН О-О фрагмент соседней молекулы 11 9 СН СН СН О-ОН +RH -R 10 9 СН СН СН О-ОН продукты распада 39