Лекция 3 - РНИМУ им. Н.И.Пирогова

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