АЛКАНЫ. Строение алканов

Tипы органических реакций

Лекция 3.

ТЕМА II. ТИПЫ органических реакций. АЛКАНЫ.

Многообразие органических реакций сводится к пяти типам: замещения, присоединения, отщепления, перегруппировки и окислительно-восстановительные.

В реакциях замещения водород или функциональная группа замещается на неводородный атом или другую функциональную группу:

хлорметан

этанол

Реакции присоединения сопровождаются разрывом кратных связей:

Реакции отщепления (элиминирования) приводят к образованию непредельных углеводородов:

Реакции перегруппировки (изомеризации) приводят к образованию изомеров:

Реакции окисления и восстановления протекают с изменением степени окисления углеродного атома:

1. Полное окисление (сгорание)

2. Частичное окисление

Все эти реакции протекают по двум механизмам, различающимся способом разрывания связей.

При свободнорадикальном механизме под действием излучения или температуры происходит гомологический разрыв связей (преимущественно малополярных) с образованием частиц, содержащих неспаренные электроны. Эти частицы – свободные радикалы – чрезвычайно реакционноспособны.

При ионном механизме происходит гетеролитический разрыв связей с образованием карбкатионов и карбанионов. Атакующий реагент, взаимодействующий с субстратом, может быть двух видов: нуклеофильным и электрофильным.

Нуклеофильные реагенты отдают электронную пару субстрату; электрофильные реагенты принимают электронную пару от субстрата. Карбкатионы обладают электрофильными свойствами, карбанионы – нуклеофильными.

Типичные нуклеофильные реагенты:

:NH3,: NH2-R,: NH2,: NR2, H2o, R-OH, R-O-R, OH-, CN-, RO-, NH, RCOO-, RS-,Hal-, HSO, CNS-, CNO-,, -C C-, Ph.

Типичные электрофильные реагенты:

,,,,, R–Hal, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, их галогенангидриды и сложные эфиры.

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:

С–С и С–Н.

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp³-гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp³-гибридных АО углерода участвует в осевом (s-) перекрывании с s-АО водорода или с sp³-АО другого атома углерода, образуя s-связи С-Н или С-С.

Четыре s-связи углерода направлены в пространстве под углом 109^о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН₄ – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109^о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С₂Н₆ – два тетраэдрических sp ³-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н -бутана или н -пентана:

Дата добавления: 2014-01-07