Классификация реакций в органической химии: подготовка к ЕГЭ

Тема напрямую проверяется в двух заданиях первой части:

• Задание 12. Проверяет знание химических свойств органических веществ и типов реакций (нужно выбрать вещества, вступающие в определённый тип взаимодействия).
• Задание 17. Посвящено классификации химических реакций в неорганической и в органической химии. В задании требуется установить соответствие между уравнением и типом реакции или выбрать процессы, идущие по радикальному/ионному механизму.

Эти знания — фундамент для решения всей органической цепочки (задание 32) во второй части экзамена.

По тому, как перестраиваются атомы, процессы делят на несколько типов.

Реакции присоединения (А)

В ходе таких процессов две или более молекул соединяются в одну. Это происходит за счёт разрыва кратных связей (двойных или тройных) либо при раскрытии малых циклов. Присоединение характерно для непредельных углеводородов (алкенов, алкинов, алкадиенов) и циклоалканов с малым размером кольца (циклопропан, циклобутан).

Есть четыре типа реакций присоединения.

Гидрирование — присоединение молекулы водорода. Протекает только при нагревании и использовании катализаторов ($Pt$, $Pd$, $Ni$).

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_3$ (этилен $\rightarrow$ этан)

$CH \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Pt, t} CH_3-CH_3$ (ацетилен $\rightarrow$ этан)

$CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ (бутадиен-1,3 $\rightarrow$ бутан)

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Pt, t} C_6H_{12}$ (бензол $\rightarrow$ циклогексан)

$CH_3-CH=O + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_2-OH$ (этаналь $\rightarrow$ этанол)

Галогенирование — присоединение галогенов (хлора, брома). Часто является качественной реакцией (обесцвечивание бромной воды).

$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$ (1,2-дибромэтан)

$CH \equiv CH + 2Cl_2 \rightarrow CHCl_2-CHCl_2$ (1,1,2,2-тетрахлорэтан)

Циклопропан + $Br_2 \rightarrow Br-CH_2-CH_2-CH_2-Br$ (1,3-дибромпропан)

Гидрогалогенирование — присоединение галогеноводородов ($HCl$, $HBr$). Идёт по правилу Марковникова для несимметричных алкенов и алкинов.

$CH_2=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CH_2Cl$ (хлорэтан)

$CH_3-CH=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CHBr-CH_3$ (2-бромпропан)

$CH \equiv C-CH_3 + 2HCl \rightarrow CH_3-CCl_2-CH_3$ (2,2-дихлорпропан)

Гидратация — присоединение воды.

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-OH$ (получение спирта)

$CH \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} CH_3-CH=O$ (реакция Кучерова, получение альдегида)

Реакции замещения (S)

В реакциях замещения атом или группа атомов в исходной молекуле меняется на другую частицу. Этот тип наиболее характерен для насыщенных соединений (алканов) и ароматических углеводородов (аренов).

Галогенирование алканов: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$ (хлорметан)

Дальнейшее галогенирование: $CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Cl_2 + HCl$ (дихлорметан)

Нитрование алканов: $CH_3-CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{t} CH_3-CH_2-NO_2 + H_2O$ (реакция Коновалова)

Галогенирование бензола: $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$ (бромбензол)

Нитрование ароматических углеводородов: $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4(конц)} C_6H_5NO_2 + H_2O$ (нитробензол)

Алкилирование бензола: $C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5-CH_3 + HCl$ (толуол)

Реакция спиртов с галогеноводородами: $CH_3-OH + HCl \rightarrow CH_3Cl + H_2O$

Реакции отщепления или элиминирования (Е)

Это процессы, обратные присоединению. От молекулы отрываются атомы, в результате чего образуются новые кратные связи (двойные или тройные) или замыкаются циклы.

Дегидрирование — отщепление водорода (катализаторы $Ni$, $Pt$, $Pd$, $Cr_{2}O_{3}$).

$CH_3-CH_3 \xrightarrow{Ni, t} CH_2=CH_2 + H_2$

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2$

$C_6H_{11}-CH_3 \xrightarrow{Pt, t} C_6H_5-CH_3 + 3H_2$ (метилциклогексан $\rightarrow$ толуол)

Дегалогенирование — отщепление галогена при действии активных металлов ($Zn$, $Mg$) на дигалогеналканы.

$CH_2Cl-CH_2Cl + Zn \xrightarrow{t} CH_2=CH_2 + ZnCl_2$ (алкен из вицинального дигалогенида)

$Br-CH_2-CH_2-CH_2-Br + Mg \xrightarrow{t}$ циклопропан + $MgBr_2$

Дегидрогалогенирование — отщепление галогеноводорода под действием спиртового раствора щёлочи.

$CH_3-CH_2Cl + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_2=CH_2 + KCl + H_2O$

$CH_3-CHBr-CH_2Br + 2NaOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_3-C \equiv CH + 2NaBr + 2H_2O$

Дегидратация — отщепление молекулы воды от спиртов. Здесь крайне важен температурный режим:

• Внутримолекулярная дегидратация идёт при высокой температуре ($t > 140^\circ C$) с серной кислотой. Образуется алкен. $CH_3-CH_2-OH \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140~^\circ C} CH_2=CH_2 + H_2O$
• Межмолекулярная дегидратация идёт при слабом нагревании ($t < 140~^\circ C$). Две молекулы спирта соединяются, образуя простой эфир. $CH_3-CH_2-OH + HO-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t < 140~^\circ C} CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3 + H_2O$ (диэтиловый эфир)

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это процессы, где меняется степени окисления атомов. В органике понятие ОВР достаточно широкое. Сюда относят:

• Горение (полное окисление).
• Мягкое и жёсткое окисление перманганатом калия ($KMnO_4$) или дихроматом калия ($K_2Cr_2O_7$).
• Окисление спиртов до альдегидов оксидом меди ($CuO$).
• Гидрирование (присоединение водорода понижает степень окисления углерода, то есть углерод восстанавливается).

К не окислительно-восстановительным реакциям относят взаимодействия, где степени окисления атомов остаются неизменными (например, реакции ионного обмена солей карбоновых кислот с сильными неорганическими кислотами).

Часть реакций идёт только с участием ускорителей — катализаторов.

• Каталитические реакции: гидрирование/дегидрирование ($Ni$, $Pt$, $Pd$, $Cr_{2}O_{3}$), гидратация алкенов (кислоты $H^+$, соли $Hg^{2+}$), изомеризация алканов ($AlCl_3$), этерификация ($H_2SO_4$).
• Некаталитические реакции: галогенирование метана (нужен просто квант света, это условие, а не вещество-катализатор), горение, обесцвечивание бромной воды.

В зависимости от способа разрыва связи реакции делят на радикальные и ионные.

1. Радикальные (цепные) реакции идут с гомолитическим разрывом связи (пара электронов делится поровну). Образуются свободные радикалы (частицы с неспаренным электроном). Такие реакции идут в газовой фазе, при нагревании или на свету.
   • Пример: замещение у алканов ($S_R$), хлорирование метана на свету.
2. Ионные реакции идут с гетеролитическим разрывом связи (пара электронов уходит к одному атому, образуя катион и анион). Идут в растворах.
   • Электрофилы («любящие электроны», положительно заряженные $H^+$, $Cl^+$, $NO_2^+$) атакуют избыток электронной плотности, например, бензольное кольцо или двойную связь. Типы: электрофильное замещение ($S_E$ — нитрование бензола) и электрофильное присоединение ($A_E$ — гидратация этилена).
   • Нуклеофилы («любящие ядро», отрицательные ионы $OH^-$, $Cl^-$, или $H_2O$, $NH_3$) атакуют участки с недостатком электронов. Тип: нуклеофильное присоединение ($A_N$ — некоторые реакции альдегидов).

Выделим процессы, которые имеют свои специфические названия.

Реакции горения — полное окисление веществ кислородом с разрушением углеродного скелета. Выделяется $CO_2$ и $H_2O$ (а для азотсодержащих — ещё и $N_2$).

$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t} CO_2 + 2H_2O$

Реакция этерификации — взаимодействие карбоновой кислоты и спирта с образованием сложного эфира и воды. Реакция обратима и требует кислотного катализатора.

$CH_3COOH + CH_3OH \xrightleftharpoons{H_2SO_4(конц), t} CH_3COOCH_3 + H_2O$

Полимеризация — молекулы с небольшой массой (мономеры) сшиваются за счёт раскрытия кратных связей в огромные макромолекулы (полимеры). Это особый случай реакции присоединения.

$n CH_2=CH_2 \xrightarrow{кат., t, P} (-CH_2-CH_2-)_n$ (получение полиэтилена)

Поликонденсация — образование макромолекул, которое сопровождается выделением побочного низкомолекулярного вещества (чаще всего воды). Идёт при наличии двух функциональных групп (например, у аминокислот).

$n NH_2-CH_2-COOH \rightarrow (-NH-CH_2-CO-)_n + n H_2O$

Чтобы не терять баллы, изучи эти экзаменационные ловушки.

Ошибка 1: путать водный и спиртовой раствор щёлочи при взаимодействии с галогеналканами.

Почему так делают: реагент один и тот же ($KOH$ или $NaOH$), но забывают про растворитель.

Как правильно: если раствор водный, идёт замещение (получаем спирт). Если раствор спиртовой, идёт отщепление (элиминирования, получаем алкен).

Пример:

$CH_3-CH_2Cl + KOH_{(водн)} \rightarrow CH_3-CH_2-OH + KCl$

$CH_3-CH_2Cl + KOH_{(спирт)} \rightarrow CH_2=CH_2 + KCl + H_2O$

Ошибка 2: забывать температурный барьер $140~^\circ C$ для спиртов.

Почему так делают: видят серную кислоту над стрелкой и сразу пишут алкен.

Как правильно: проверяем температуру. Меньше 140 градусов — межмолекулярная дегидратация (простой эфир). Больше 140 градусов — внутримолекулярная дегидратация (алкен — реакция отщепления).

Ошибка 3: механизмы реакций толуола (гомологов бензола) с галогенами.

Почему так делают: вызубрили, что галогенирование аренов — это всегда электрофильное замещение.

Как правильно: алгоритм зависит от условий. Если над стрелкой свет ($h\nu$), идёт радикальное замещение в боковую цепь (метильную группу). Если над стрелкой катализатор ($FeCl_3$, $AlBr_3$), идёт электрофильное (ионное) замещение в само бензольное кольцо.

Эта таблица поможет быстро повторить материал перед решением тестов.

Закрепим теорию, решив типовые задания формата ЕГЭ.

Пример 1. Задание 12

Из предложенного перечня выберите все вещества, с которыми пропен вступает в реакцию присоединения.

1. Водород.
2. Кислород.
3. Азот.
4. Перманганат калия (Н⁺).
5. Вода.

Пример 2. Задание 17

Установите соответствие между схемой химической реакции и её типом.

А) пропанол-2 $\xrightarrow{H_2SO_4, t > 140^\circ C}$ пропен

Б) уксусная кислота + этанол $\xrightarrow{H^+}$ этилацетат

В) ацетилен + вода $\xrightarrow{Hg^{2+}}$ этаналь

Варианты типов: 1) этерификация, 2) элиминирование, 3) присоединение, 4) замещение.

Пример 3. Задание 12

Из предложенного перечня выберите все реакции, которые для толуола протекают по радикальному механизму.

1. С хлором на свету.
2. С азотной кислотой в присутствии серной кислоты.
3. С перманганатом калия в растворе серной кислоты.
4. С хлором в присутствии хлорида алюминия.
5. С кислородом при нагревании.

Мы рассмотрели основные типы процессов в органической химии. Теперь ты умеешь:

• определять типы органических реакций;
• предсказывать механизм (радикальный или ионный) в различных процессах;
• решать задания на классификацию реакций из ЕГЭ по химии.

Чтобы закрепить материал, советуем решить 8–10 заданий на пройденную тему из «100балльного банка».