Typy reakcji związków chemicznych

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 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:

lub

Dla związków organicznych takie rozparowanie oraz przesuniecie pary elektronowej spowoduje powstanie: karbokationu, karboanionu, rodnika.

Rodniki najczęściej powstają 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: 3^o > 2^o > 1^o > CH₃^*. I odpowiednio, trwałość wolnych rodników jest następująca: 3^o > 2^o > 1^o > 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 jest to 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 czynnikiem 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 się 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.

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: 3^o > 2^o > 1^o > 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 ulegającej 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

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 1,12A^o

• dla hybrydyzacji sp² (alkeny), moment dipolowy dla wiązania C-H ma wartość 0,61D, energia 106 kcal/mol, długość 1,084A^o

• dla hybrydyzacji sp (alkiny), moment dipolowy dla wiązania C-H ma wartość 1,0D, energia 121 kcal/mol, długość 1,06A^o

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.

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 - I_s (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 -I_s lub C Z mamy do czynienia z +I_s.

Wszystkie podstawniki tzn. -X(chlorowce), -OH, -CHO, -COOH, -NH₂, -NO₂, dają ujemny efekt indukcyjny -I_s, natomiast grupy alkilowe R mają dodatni efekt indukcyjny +I_s. 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

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

• S_R - substytucji rodnikowej,

• A_R - addycji rodnikowej,

• E_R - raczej nie ma eliminacji rodnikowej,

względnie jako

• S_J - substytucji jonowej,

• A_J - addycji jonowej,

• E_J - eliminacji jonowej.

Reakcje substytucji

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

Substytucja jonowa, może przebiegać jako reakcja elektrofilowa S_E lub jako reakcja nukleofilowa S_N.
Substytucja elektrofilowa S_E: 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 S_N, 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  (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 S_N1 i odpowiednio dla reakcji drugiego rzędu (szybkość reakcji zależy od stężenia dwóch substratów) mechanizm reakcji określa się symbolem S_N2.

Reakcje addycji

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

Addycja jonowa, podobnie jak substytucja jonowa może przebiegać jako reakcja elektrofilowa A_E lub jako reakcja nukleofilowa A_N.

Addycja elektrofilowa A_E; jest to reakcja przyłączenia, która przebiega w wyniku ataku czynnika elektrofilowego na cząsteczkę nukleofilową.

Addycja nukleofilowa A_N; 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.

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	()C-O-R	Substytucji (z OR); Substytucji (z H)
Aminy	C-NRH	Substytucji (z H); Addycji (na N)
Benzen	C6H6	Substytucja (z H)
Aldehydy		Addycji; Substytucji (z H i H)
Ketony		Addycji; Substytucji (z H)
Kwasy karboksylowe		Substytucji (z H); Substytucji (z OH); Substytucji (z H); Addycji (na C=O)

Oto wybrane przykłady mechanizmów reakcji związków organicznych

Substytucja

Addycja

Eliminacji

Mechanizm rodnikowy

---