Поняття про атакуючі реагенти в хімічних реакціях

Майже в кожній хімічній реакції можна виділити реагуючу молекулу (субстрат) і атакуючий реагент (реагент), який реагує з субстратом. Наприклад, реакцію хлорування метану молекула метану слід розглядати, як реакцію заміщення водню в молекулі метану на атом хлору. Тому метан виступає в ролі субстрата, а хлор — в ролі атакуючого реагента.

Слід зауважити, що спосіб розщеплення хімічних зв’язків під час реакції в значній степені залежить від природи атакуючого реагента.

Реагенти в органічних реакціях діляться, головним чином, на електрофіли, нуклеофіли та радикали.

Електрофільні реагенти (Е) — це частинки з електроноакцепторними властивостями, які утворюють ковалентний зв'язок із субстратом за рахунок своєї вільної орбіталі, або за рахунок високої спорідненості до електрона. До них відносяться катіони Н⁺, НаI⁺, СН₃⁺, NО⁺, NО₂⁺, SO₃H⁺, Lі⁺, Na⁺, К⁺ тощо. До електрофілів також відносяться сполуки з сильнополярними ковалентними зв'язками (R₃C→X, BF₃, ALCL₃, SnCL₄, SO₃). Перераховані реагенти відносять до кислот Льюїса.

Нуклеофільні реагенти (Nu) — частинки з електронодонорними властивостями, які утворюють ковалентний зв'язок за рахунок своєї неподіленої пари електронів. До них належать аніони (ОН^—, NH₂^— CN^—, R-CОО^—, Hal^—, RO^—, NO₂^—); сполуки з неподіленою парою електронів (Н₂О, ROH, NH₃, CH₂^:, NH₂OH,) і ненасичені сполуки, які мають надлишок електронної густини на кратному зв'язку. Всі вони відносяться до основ Льюїса.

Вільнорадикальні реагенти (R^•) - це вільні радикали, що характеризуються низькою стабільністю, а значить достатньо високою активністю.

Крім цього, електрофіли і нуклеофіли класифікують за природою елемента, який відповідає за електронодонорні або електроноакцепторні властивості.

Електрофіли при цьому поділяються на:

Н-електрофіли — сильні кислоти;

В-електрофіли — BF₃, BCl₃, BR₃;

C-електрофіли — карбокатіони (R₃C⁺), сполуки з сильнополярними зв`язками C→X, , хінони;

N-електрофіли — NO→X (солі нітрозонію), NO₂→X (солі нітронію), [R—N≡N]⁺X^— (солі діазонію).

О-електрофіли — R—O→X, R—O—O—R (пероксиди).

S-електрофіли — R—S→X, SO₃H⁺, SO₃.

Галоген-електрофіли — F⁺, CL⁺, Br⁺, I⁺.

Нуклеофіли в свою чергу бувають:

Н-нуклеофіли — Н^— (гідрид іон), ВН₄^—К⁺, АІН₄^—Lі⁺.

С-нуклеофіли — карбаніони, металоорганічні сполуки (R←M), алкени, алкадієни, ароматичні вуглеводні.

N-нуклеофіли — аміди металів та їх похідні (R₂N^—M⁺ ), аміак та його похідні (NH₂OH, NH₂—NH₂, RNH₂)_;

O-нуклеофіли — HO^—, R-O^—, H₂O, R—OH, R—O—R

S-нуклеофіли — SH^—, RS^—, H₂S, R—S—R;

P-нуклеофіли — R₃P;

Галоген-нуклеофіли — галогеніданіони (F^—, Cl^—, Br^—, I^—).

В залежності від природи атакуючого реагента, з яким реагує субстрат, вирізняють типи механізмів реакції. Так реакція заміщення (S) може протікати за електрофільним, нуклеофільним або радикальним механізмом.

1. Електрофільне заміщення:

С: Х + У⁺  С—У + Х⁺ (S_E)

електрофіл

S_Е - означає: реакція електрофільного заміщення.

2. Нуклеофільне заміщення

C :Х + У^—  С—У + Х^— (S_N)

нуклеофіл

S_N - означає: реакція нуклеофільного заміщення.

3. Радикальне заміщення

C : Х + R^  С—R + Х^ (S_R)

вільний радикал

S_R - означає: реакція радикального заміщення.

Механізми S_E та S_N відносяться до йонних, оскільки в ході цих реакцій відбувається гетеролітичний розрив зв’язку С—Х, а реакція S_R протікає за вільнорадикальним гомолітичним механізмом.

Методи дослідження механізмів реакцій

Щоб зробити висновок про механізм реакції необхідно:

• З'ясувати сукупність стадій, через які протікає реакція, встановити їх послідовність та відносну швидкість.

• Охарактеризувати реагенти, які беруть участь у реакції та спосіб їх дії.

• З'ясувати хімічну будову інтермедіатів або перехідних станів.

• Визначити просторову будову реагуючих речовин та продуктів реакції.

До сучасних методів виявлення механізмів реакцій відносять: кінетичні, стереохімічні, ізотопні.

Кінетичний метод базується на визначенні швидкості, порядку, молекулярності, стійкості перехідного стану, енергії активації реакції, яка вивчається.

Стереохімічний метод заснований на визначенні просторової будови продуктів реакції при відомій будові вихідних сполук.

Ізотопний метод полягає у введенні у вихідну молекулу радіоактивних ізотопів (¹³C, ¹⁸О тощо) та пошук їх далі в тому чи іншому продукті реакції, що дозволяє прослідкувати головний "маршрут" реакції.

Сьогодні багато інформації про будову органічних речовин можна одержати за допомогою таких методів, як рентгеноструктурний аналіз, ЕПР (електронний парамагнітний резонанс), коливна (ІЧ- та КР) або Раман-спектроскопія, електронна (УФ- та оптична) спектроскопія, ЯМР (ядерний магнітний резонанс), ПМР (протонний магнітний резонанс), фотоелектронна спектроскопія, мас-спектрометрія.

26