"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
В органической химии реакции различают по тому, как меняются состав и строение молекул. При замещении атомы заменяются, при присоединении частицы входят в молекулу по кратной связи, при отщеплении некоторые атомы или группы удаляются, а при изомеризации меняется строение без изменения молекулярной формулы. Эти типы помогают объяснять свойства органических веществ и предсказывать продукты превращений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реакция замещения — превращение, при котором атом или группа атомов в органической молекуле заменяется другими атомами или группами. Например, в CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl один атом водорода в метане заменён хлором. Это понятие помогает заметить, что основа молекулы может сохраниться, хотя её состав изменился.
Реакция присоединения — превращение, при котором атомы или группы атомов присоединяются к молекуле по кратной связи, уменьшая её кратность. Так, двойная связь может стать одинарной. Этот термин нужен, чтобы распознавать характерные реакции алкенов и других веществ с кратными связями.
Реакция отщепления — превращение, при котором от молекулы удаляются атомы или группы атомов, часто с образованием кратной связи. Например, из молекулы спирта могут удалиться водород и гидроксильная группа в составе воды. Понятие позволяет связать потерю частиц с изменением связей в оставшейся молекуле.
Реакция изомеризации — превращение, при котором строение молекулы меняется, но её молекулярная формула остаётся прежней. Атомы не исчезают и не добавляются, а иначе соединяются или располагаются. Это определение помогает отличить изомерию от реакций, меняющих состав вещества.
Тип реакции определяют по изменениям состава и строения органических молекул, потому что одинаковое число исходных веществ и продуктов может соответствовать разным превращениям. Например, один реагент может распадаться на два продукта при отщеплении, но число веществ само по себе не показывает, какие связи изменились. Сравнение структурных формул раскрывает, что именно произошло с атомами и связями. Поэтому сначала прослеживают судьбу органической молекулы, а уже затем называют тип реакции.
Кратные связи углеводородов создают условия для присоединения: в них есть дополнительная связь между атомами углерода, которая может превратиться в связь меньшей кратности. Освободившиеся возможности связывания позволяют атомам реагента присоединиться к атомам углерода по разные стороны прежней кратной связи. У алканов только одинарные связи, поэтому типичное превращение для них — замещение одного атома, например водорода, другим. Так различие в строении веществ объясняет различие их характерных реакций.
При отщеплении удаление атомов или групп от соседних атомов углерода меняет распределение связей между ними. Чтобы компенсировать освободившиеся связи, между атомами углерода образуется дополнительная связь: одинарная становится двойной. Поэтому продукт отщепления нередко оказывается непредельным углеводородом. Удаляемые части молекулы могут соединиться друг с другом и уйти в виде небольшой молекулы, например воды.
Изомеризация меняет строение вещества, но сохраняет его молекулярную формулу, потому что атомы не добавляются и не удаляются. Меняется их взаимное соединение: например, может перестроиться углеродная цепь. В результате получаются изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и нередко разными свойствами. Значит, для распознавания изомеризации нужно проверять не только число атомов, но и порядок их соединения.
Структурные формулы показывают, какие именно связи разрываются и образуются, а не только общий состав вещества. Сопоставьте формулы реагента и органического продукта: найдите исчезнувшие и появившиеся атомы, затем проследите изменения между атомами углерода. Если кратная связь стала одинарной и к её атомам присоединились частицы, это присоединение; если частицу заменили другой — замещение. Такой способ помогает не спутать тип реакции даже при сложной записи уравнения.
| Тип реакции | Что меняется в молекуле | Характерное исходное вещество | Общая схема | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Замещение | Атом или группа заменяется другой | Алкан | R–H + X₂ → R–X + HX | CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl |
| Присоединение | Кратная связь становится менее кратной, добавляются атомы или группы | Алкен | R–CH=CH–R + X₂ → R–CHX–CHX–R | CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br |
| Отщепление | Удаляются атомы или группы, может образоваться кратная связь | Спирт или галогеналкан | Молекула → вещество с кратной связью + малая молекула | C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O |
| Изомеризация | Меняется строение при прежней молекулярной формуле | Вещество, способное перестраиваться | Молекула одного строения → изомер | CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₃–CH(CH₃)–CH₃ |
Пользуйтесь таблицей как подсказкой, а не как заменой анализа формул: характерное исходное вещество указывает на возможный тип, но решающим остаётся изменение молекулы. Сначала сравните строение органических веществ слева и справа, затем проверьте, подходит ли превращение под общую схему. Уравнения в примерах показывают типичные случаи, а не все возможные реакции каждого класса веществ.
Задача 1. Определите тип реакции: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (на свету). Нужно установить, что произошло с органической молекулой метана. Сравним её формулу с формулой органического продукта CH₃Cl. Условия «на свету» характерны для хлорирования метана, но ответ найдём и по изменению состава.
Ответ: реакция замещения.
Задача 2. Укажите тип реакции и составьте уравнение присоединения брома к этену. В молекуле этена CH₂=CH₂ есть двойная связь, поэтому проверим, может ли она стать одинарной при присоединении атомов реагента. В молекуле Br₂ находятся два атома брома, и каждый должен связаться с одним из атомов углерода. При этом уравнение должно сохранять число атомов каждого элемента.
Ответ: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; это реакция присоединения.
Задача 3. Для превращений C₂H₅OH → C₂H₄ и C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ определите тип каждой реакции и объясните изменения связей. В первом случае из спирта образуется этен, поэтому нужно найти удаляемую часть молекулы. Во втором случае исходный этен содержит двойную связь, а в продукте этане она отсутствует. Сравнение показывает противоположные изменения: одна связь возникает при потере частиц, другая исчезает при присоединении водорода.
Ответ: первое превращение — отщепление, второе — присоединение.
Присоединение называют замещением. Ошибка возникает, когда ученик замечает появление новых атомов, но не проверяет, что стало с кратной связью. При присоединении новые частицы входят в молекулу по кратной связи, а не заменяют атомы. Проверьте, стала ли кратная связь менее кратной и сохранились ли исходные атомы в органическом веществе.
Считают, что при отщеплении обязательно образуются несколько органических продуктов. Так думают, если ориентируются только на частицы, которые покидают молекулу. Часто один органический продукт сопровождается водой или другой небольшой молекулой, как при превращении спирта в алкен. Для проверки посчитайте атомы в исходном веществе и во всех продуктах, включая неорганические.
Путают изомеризацию с изменением молекулярной формулы. Это происходит, если замечают новую структуру и принимают её за новый состав. При изомеризации число атомов каждого элемента остаётся тем же, меняется только строение. Сверьте формулы до и после реакции: если они различаются по составу, это не изомеризация.
Определяют тип только по числу реагентов и продуктов. Такое правило кажется удобным, но одинаковое число веществ встречается у разных типов реакций. Поэтому по одним коэффициентам или количеству формул нельзя понять, заменились ли атомы или изменилась кратность связи. Сравните структурные формулы органических веществ и проследите, какие связи разорвались и образовались.
Чтобы определять тип реакции, нужно уметь читать структурные формулы, различать одинарные и кратные связи и составлять формулы углеводородов. Эти знания показывают, какие изменения возможны в молекулах и где следует искать признак реакции. Далее классификация поможет разбирать химические свойства алканов, алкенов, спиртов и галогеналканов. Она также пригодится при составлении цепочек превращений, где продукт одной реакции становится исходным веществом для следующей.
Как быстро определить тип органической реакции по уравнению?
Сравните формулы органического вещества до и после реакции: проследите, какие атомы и группы появились или исчезли и какие связи изменились. Замена атома указывает на замещение, уменьшение кратности связи — на присоединение, удаление частиц с образованием кратной связи — на отщепление. Если формула не изменилась, но строение стало другим, это изомеризация.
Чем реакция присоединения отличается от реакции замещения?
При присоединении атомы или группы добавляются к молекуле, обычно по кратной связи, которая становится менее кратной. При замещении один атом или группа в молекуле заменяется другими, а углеродный скелет часто сохраняется.
Почему при отщеплении часто появляется двойная связь?
При удалении атомов или групп от соседних атомов углерода их связи могут образовать дополнительную общую электронную пару. Поэтому одинарная связь между этими атомами превращается в двойную.
Меняется ли молекулярная формула при изомеризации?
Нет, число и виды атомов остаются прежними, поэтому молекулярная формула сохраняется. Меняется их порядок соединения или расположение в пространстве.
Может ли в одной реакции участвовать несколько органических веществ?
Да, число исходных веществ не определяет тип реакции. Например, при присоединении к алкену реагируют органическое вещество и водород или галоген, но тип устанавливают по изменению связей и состава молекул.
§ 10. Типы реакций в органической химии
