Reactiile Compusilor Organici I

REACTIILE COMPUSILOR ORGANICI

DEFINITIE, CLASIFICARI, MECANISME

REACŢIILE COMPUŞILOR ORGANICI

• O reacţie a compuşilor organici poate fi reprezentată schematic astfel:

- Dintre reactanţi unul este considerat substratul şi celălalt (sau ceilalţi) este considerat agentul de reacţie sau reactantul.

- Dintre produşi unul este considerat produsul principal (de exemplu compusul care se doreşte să fie obţinut din reacţie) şi celălat (sau ceilalţi) este considerat produs secundar.

- Din punct de vedere cinetic şi termodinamic variaţia energiei potenţiale a unui sistem de atomi sau molecule care reacţionează poate fi reprezentată astfel:

De exemplu: pentru un atom (sau moleculă) A care reacţionează cu o moleculă B – C :

- variaţia energiei potenţiale a sistemului (Ep) în funcţie de distanţa interatomică B – C

(coordonata de reacţie) arată astfel:

A + B C + D

reactanti produsi

A + A B CB C A B + C

S.I. (starea initiala) S.T. (starea de tranzitie) S.F. (starea finala)

S.T.

S.I.

S.F.

E

coordonata de reactie

H

EA

S.I. - starea initiala (reactantii); S.F. - starea finala (produsii); S.T. - starea de tranzitie; H - entalpia de reactie; EA - energia de activare

REACŢIILE COMPUŞILOR ORGANICICLASIFICARE

• I. După natura transformărilor care au loc în cursul unei reacţii:

• 1. Reacţii de substutuţie:

• Reacţii în care un atom sau o grupă de atomi din substrat sunt înlocuite cu un atom sau grupă de atomi din reactant:

• 2. Reacţii de adiţie:

• Reacţii în care la un substrat cu legături duble, triple sau cicluri (cu grad de nesaturare ≥ 1) se leagă atomii sau grupele din reactant; în cursul reacţiei de adiţie gradul de nesaturare scade.

H3C H + Cl Cl H3C Cl + H Cl

H2C CH2

+Cl Cl

H2C CH2

Cl Cl

+ Br Br H2CH2C

Br

CH2

Br


• 3. Reacţii de eliminare:

• Reacţii în care dintr-un substrat se elimină o moleculă simplă cu formarea unei legături duble sau a unui ciclu; în cursul reacţiei gradul de nesaturare creşte. Reacţiile de eliminare sunt inverse celor de adiţie.

• 4. Reacţii de transpoziţie:

• Reacţii în care un substrat suferă o serie de transformări sub influenţa condiţiilor de reacţie prin care se transformă într-un izomer al său; în cursul reacţiilor de transpoziţie are loc o modificare a catenei substratului

H2C CH2

OHH

H2SO4H2C CH2 + H2O

CH2

H2C

CH2

Br

Br

+ 2Na

H2C

H2C

CH2 + 2NaBr

H3C CH2 CH2 CH3

AlCl3 . H2OH3C CH

CH3

CH3

n - butan;catena liniara izobutan;

catena ramif icata


• II. După natura reactanţilor:

• Este o clasificare a reacţiilor în care criteriul este tipul reactantului care reacţionează cu subtratul. Printre diverse reacţii de acest fel pot fi amintite

• 1. Reacţia de halogenare, este o reacţie a unui substrat cu o moleculă de halogen (X2) sau

cu un hidracid (HX). În funcţie de natura substratului şi a reactantului reacţiile de halogenare pot să fie de substituţie sau de adiţie:

H3C H + Cl Cl H3C Cl + H Cl

H3C C

CH3

CH3

OH + H Cl H3C C

CH3

CH3

Cl + H OH

H2C CH2

+Cl Cl

H2C CH2

Cl Cl


• 2. Reacţia de hidroliză sau hidratare, este reacţia unui substrat cu apa.. În funcţie de substrat reacţia poate să fie de substituţie (hidroliză) sau de adiţie (hidratare).

• 3. Reacţiile de nitrare, sulfonare, alchilare: sunt reacţii de substituţie a unui atom de hidrogen dintr-o hidrocarbură cu grupe: nitro (-NO2), sulfonice (-SO3H) sau alchil (-CH3, -

CH2CH3, etc).

H3C CH

CH3

Cl + H OH H3C CH

CH3

OH + H Cl

H3C CH CH2

+HO H

H2SO4H3C CH

OH

CH3

H

+

HO NO2

H2SO4

NO2

+ H OH

H

+

HO SO3H SO3H

+ H OH

H

+

Cl CH2CH3 CH2CH3

+ H ClAlCl3


• 4. Reacţii de oxidare şi reducere.

• În reacţiile orgnice se consireră că:

• o reacţie de oxidare duce la formarea unei noi legături C – O,

• o reactie de reducere înseamnă formarea unei noi legături C – H.

• Reactanţii în reacţia de oxidare sunt molecule sau atomi de oxigen sau diverşi agenţi oxidanţi în timp ce în reacţiile de reducere reactanţii sunt hidrogen molecular, donori de electroni şi de protoni, agenţi reducători ca hidrurile metalice.

• Schematic un reactant care produce o oxidare se notează cu simbolul: [O] iar cel care produce o reducere cu simbolul: [H].

• Pentru a defini stare de oxidare a unui atom de carbon dintr-o moleculă organică se foloseşte numărul de oxidare.

• Numărul de oxidare al unui atom reprezintă apartanenţa formală la acel atom de carbon, a electronilor din legăturile sale chimice în funcţie de polaritatea legăturilor

• Pentru legăturile cu atomul de carbon sau hidrogen atomul de oxigen are numărul de oxidare -2, atomii de halogen -1, atomul de azot -3. Atomul de hidrogen în legătura cu atomul de carbon sau oxigen are numărul de oxidare +1.

• Suma algebrică a numerelor de oxidare ale tuturor atomilor legaţi de un atom de carbon dă numărul sau de oxidare cu semn schimbat.

H C

H

H

H

N.O.( pentru 4H)= 4x(+1)= +4N.O. (pentru C) = -4

H C

H

H

O H

+1

+1

+1

+1

+1

+1

+1 +1-2

N.O.( pentru 3H +OH)= 3x(+1) - 1= +2N.O. (pentru C) = -2

C C

H

H

H

H

H

H

+1+1

+1

+1+1

+1

N.O.( pentru 3H)= 3x(+1)= +3N.O. (pentru cei doi C) = -3


• Reacţii de oxidare şi reducere.

• Pentru atomii de carbon din diverşi compuşi organici numărul de oxidare poate avea orice valoare cuprinsă între -4 (în metan) şi +4 (în dioxid de carbon). În compuşi cu mai mulţi atomi de carbon în moleculă numărul de oxidare poate să fie diferit pentru fiecare atom în parte.

• De exemplu pentru o tetroză fiecare atom de carbon are un alt număr de oxidare:

• O reacţie de oxidare la un compus organic este o reacţie în care numărul de oxidare creşt şi o reacţie de reducere cea în care numărul de oxidare scade.

• În funcţie de natura atomilor de carbon din catenele compuşilor organici (de ordin zero, primari, secundari, terţiari) pot fi alcătuite serii de oxidare (şi invers de reducere) ale atomilor de carbon;

• Pentru reacţiile succesive de oxidare şi de reducere ale unui atom de carbon de ordin zero sunt următoarele trepte:

O CH CH

OH

CH

OH

CH2 -OH-2 +1

-1

+1 +1

-1

+2 -1

+1 0 0 -1

CH4

TREPTE DE OXIDARE PENTRU METAN (C de ordin zero)

[O]H3C OH

[O]H2C O

[O]H COOH

[O]O C O

-4 -2 0 +2 +4

TREPTE DE REDUCERE PENTRU CO2 (C de ordin zero)

O C O+4

[H]H COOH

+2

[H]H2C O

0

[H]H3C OH

-2

[H]CH4

-4



• Pentru un atom de carbon primar treptele de oxidare (cele de reducere sunt inverse):

• Pentru un atom de carbon secundar treptele de oxidare sunt:

• Pentru un atom de carbon terţiar treptele de oxidare sunt:

• Toate reacţiile din schemele de mai sus au loc şi practic, fie în sinteze de laborator fie în reacţii biochimice (de exemplu reducerea dioxidului de carbon la compuşi polihidroxi-carbonilici are loc în procesul de fotosinteză al hidraţilor de carbon.

R CH3[O]

R CH2 OH[O]

R CH O[O]

R COOH-3 -1 +1 +3

TREPTE DE OXIDARE PENTRU UN ATOM DE CARBON PRIMAR

TREPTE DE OXIDARE PENTRU UN ATOM DE CARBON SECUNDAR

[O]R

CH2

R

R

CH

R

R

C

R

OH O[O]

-2 0 +2

R

CHR

R

R

CR

R

OH[O]

TREPTE DE OXIDARE PENTRU UN ATOM DE CARBON TERTIAR

-1 +1



• Din punctul de vedere al definiţiei reacţiilor de oxidare, ca reacţii în care creşte numărul de oxidare al atomilor de carbon din substrat, pot fi considerate reacţii de oxidare şi cele în care se formează legături C – halogen, C – N, C – S , sau altele

• Cu toate acestea aceste reacţii sunt considerate de obicei ca reacţii de halogenare, nitrare, sulfonare, etc, şi nu ca reacţii de oxidare; în acest sens trebuie înţeleasă definiţia de mai sus: reacţiile de oxidare la compuşi organici sunt cele în care se formează noi legături C – O şi reacţiile de reducere sunt cele în care se formează noi legături C – H.

H3C H + Cl Clh

H3C Cl + H Cl-4 -3

CLORURAREA METANULUI

0 0 -1 -1+1+1

H + HO NO2 NO2 + H OH-1 0

NITRAREA BENZENULUI

+5 +4+1 +1 -1-1


• III. După natura produşilor (sau a legăturilor) care se formează:

• Este o clasificare în care se consideră fie formarea unui tip de produs sau a unei anumite legături prin reacţia dintre substrat şi reactanţi.

• 1. Reacţii de condensare sunt definite ca reacţii în care se formează noi legături carbon-carbon (simple sau duble). Aceste reacţii sunt fie de adiţie sau de substituţie.

• - adiţia acidului cianhidric la compuşi carbonilici cu formarea cianhidrinelor (adiţie):

- condensarea aldolică şi crotonică (reacţie de adiţie şi eliminare):

- sinteza alcanilor din derivaţi halogenaţi şi Na metalic (reacţie de substituţie):

R

C

H

O + H CN

R

C

H

OH

CNaldehida acid cianhidric cianhidrina

H3C CH O H2C CH

H

O+H+/OH-

H3C CH

OH

CH2 CH O

H3C CH

OH

CH2 CH O

H+/OH-H3C C

HCH CH O + H2O

acetaldehida acetaldehida aldol

aldol crotonaldehida

+R CH2 Cl RCH2Cl2Na + R CH2 CH2 R + 2NaCl


• Reacţii de condensare

• În sens mai larg sunt considerate reacţii de condensare şi reacţii în care se formează legături carbon –azot (simple sau duble) sau legături carbon-oxigen, prin reacţii de adiţie şi eliminare sau de substituţie.

• 2. Reacţii de condensare ale compuşilor carbonilici cu compuşi cu azot:

• Sunt reacţii de adiţie urmate de eliminare în care se formează, în locul legăturilor carbon-oxigen, legături carbon-azot simple şi apoi duble

- condensarea compuşilor carbonilici cu amine, hidroxilamina, hidrazine:

R CH O H2N+ R CH

OH

NH R CH

N-H2O

alchiliden-imine"baze Schiff"

aldehida anilina

R

C

R

O H2N - OH+ R C

OH

R

NH - OH-H2O

R

C

R

N OH

cetona hidroxilamina (ceton)oxima


• 3. Reacţii de esterificare, amidare:

• Sunt reacţii de substituţie ale acizilor carboxilici cu compuşi hidroxilici sau cu amine, în care se formează noi legături carbon-oxigen sau carbon-azot cu formare de esteri sau amide.

- reacţia de esterificare directă dintre un acid carboxilic şi un alcool:

- reacţia de amidare (obţinerea unei amide) prin reacţia dintre un acid carboxilic cu amoniac sau o amină:

R C

O

OH HO R'+H+

R C

O

O R' + H2O

acid carboxilic alcool ester

R C

O

OH H2N R'+H+

R C

O

HN R' + H2O

acid carboxilic amina amida


• 4. Reacţii de polimerizare şi policondensare:

• Sunt reacţii în care în urma unor adiţii repetate (poliadiţii) sau a unor condensări repetate (policondensare) se obţin compuşi macromoleculari (polimeri).

• Într-o reacţie de polimerizare dintr-un compus nesaturat cu legături duble sau cicluri numit monomer (A), se obţine prin reacţii repetate de adiţie un compus macromolecular, polimer, (An); unde: n este numit gradul de polimerizare

- Polimerizarea clorurii de vinil la policlorură de vinil (PVC)

- Formula generală a polimerului

n A An

monomer polimern - gradul de polimerizare

H2C CH

Cl

H2C CH

Cl

H2C CH

Cl

+ + + H2C CH

Cl

CH2 CH

Cl

CH2 CH

Clclorura de vinil poli - (clorura de vinil);PVC

Formula generala(PVC): CH2 CH

Cl

n


• Reacţiile de policondensare sunt reacţii repetate de substituţie între un substrat bifuncţional (cu două grupe identice sau diferite) şi un reactant bifuncţional corespunzător; în aceste reacţii se elimină de obicei o moleculă simplă (apă, acid clorhidric, amoniac, etc).

- obţinerea poli-(etilen)tereftalatului (PET) prin reacţia de poliesterificare a acidului tereftalic cu etilenglicolul:

- obţinerea poliamidelor (proteinelor) prin reacţia de policondensare dintre amino-acizi

HOOC COOH HO CH2 CH2 OHn n+-(n-1)H2O

OC CO O CH2 CH2O n

acid tereftalic acid tereftalic poli - (etilen)-terftalat

H2N CH

R

COOH H2N CH

R

COOH H3N CH

R

COOH+ + +-(n-1)H2O

NH CH

R

CO NH CH

R

CO NH CH

R

CO

-amino-acid

polipeptida


• IV. Reacţii cu nume;

• Multe reacţii organice sunt denumite folosind numele autorilor care le-au descoperit sau studiat. De multe ori, această clasificare empirică este folosită în literatura de chimie organică pentru a denumi şi descrie anumite reacţii. Câteva dintre cele mai cunoscute şi folosite reacţii de acest fel sunt prezentate în continuare:

• - reacţia Friedel-Crafts de alchilare sau acilare a hidrocarburilor aromatice; este o reacţie de substituţie la hidrocarburi aromatice:

• - reacţia Diels-Alder (sinteza dien) este o reacţie de cicloadiţie între o dienă conjugată şi o alchenă cu formarea unui derivat de ciclohexenă:

• - reacţia Nenitzescu, o reacţie complexă de sinteză a unor compuşi heterociclici (derivaţi substituiţi ai indolului) pornind de la p-benzochinonă şi derivaţi ai acidului crotonic.

H

+

Cl CH2CH3 CH2CH3

+ H ClAlCl3

CH2HC

HCCH2

CH2

HCCl

+

Cl1,3-butadiena clorura de vinil 4-clorociclohehena

Reactiile Compusilor Organici I

Documents

Transcript of Reactiile Compusilor Organici I