Mechanizmy reakcji w chemii organicznej

Chemia organiczna jest pełna różnorodnych reakcji chemicznych. Aby zrozumieć, jak i dlaczego te reakcje zachodzą, chemicy opracowali pojęcie mechanizmów reakcji. Mechanizm według którego zachodzi dana reakcja organiczna określamy na podstawie analizy substratów
i produktów danej reakcji.

Typy reakcji w chemii organicznej

W chemii organicznej wyróżniamy kilka typów reakcji: reakcje substytycji, eliminacji
i addycji.

W reakcjach substytucji fragment danej cząsteczki zastępujemy fragmentem innej cząsteczki;
z dwóch substratów powstają dwa produkty.

W reakcjach eliminacji dochodzi do rozszczepienia substratu na dwa produkty, w konsekwencji dochodzi do zwiększenia się krotności wiązania w jednym z produktów względem substratu.

W reakcjach addycji dochodzi do przyłączenia drobiny do wiązania wielokrotnego, które
w następstwie „pęka”. Powstaje jeden produkt.

Rodzaje mechanizmów reakcji

W chemii organicznej można wyróżnić kilka podstawowych typów mechanizmów reakcji, które pojawiają się w ramach nauki chemii organicznej w liceum:

• reakcje rodnikowe,
• substytucje nukleofilowe,
• substytucje elektrofilowe,
• eliminacje, 
• addycje elektrofilowe,
• addycje nukleofilowe.

Dokładna znajomość mechanizmów tych reakcji nie jest wymagana na egzaminie maturalnym z chemii na poziomie rozszerzonym. W trakcie rozwiązywania zadań, należy wykazać się umiejętnością określenia czy dana reakcja chemiczna ma charakter rodnikowy, nukleofilowy czy też elektrofilowy. 

Dokładny opis wraz z przykładami, oraz zadaniemi maturalnymi znajdziecie w e-booku ,,Mechanizmy w reakcji organicznej” dostępnym pod linkiem poniżej. 

Mechanizm rodnikowy

Aby dana reakcja przebiegała zgodnie z mechanizmem rodnikowym, w jej przebiegu muszą brać udział rodniki. Rodnik to taka drobina, która posiada niesparowany elektron, dzięki czemu wykazuje dużą reaktywność. Rodniki powstają pod wpływem światła (lub bardzo wysokiej temperatury), które jest inicjatorem. Jeżeli nad jakąś strzałką w zapisie równania reakcji chemicznej  zobaczycie napis hv lub światło, to mechanizm takiej reakcji jest rodnikowy.

Przykładem reakcji zachodzącej według mechanizmu rodnikowego jest halogenowanie alkanów:

CH₃-CH₃ + Br₂ 𑁋^światło→ CH₃-CH₂Br + HBr

Mechanizm nukleofilowy vs mechanizm elektrofilowy

Zanim przejdziemy do omawiania tego czy dana reakcja przebiega według mechanizmu elektrofilowego czy nukleofilowego, zastanówmy się nad tym jakie drobiny możemy nazywać nukleofilami a jakie elektrofilami.

Nukleofil (tzn. „lubiący coś dodatniego”) – drobina ta posiada nadmiar elektronów, np. jon ujemny lub cząsteczka, która posiada wolną parę elektronową na atomie centralnym. 

Przykłady: Cl^–, Br^–, CN^–, OH^–, H₂S, H₂O, NH₃

Elektrofil  (tzn. „lubiący coś ujemnego”) -drobina mająca niedomiar elektronów, np jon dodatni lub cząsteczka, która posiada lukę elektronową. 

Przykłady: Cl⁺, Br⁺, H⁺, AlCl₃

Mechanizm nukleofilowy

Jeżeli w reakcji substytucji jeden nukleofil zastąpimy innym nukleofilem, jest to substytucja przebiegająca zgodnie z mechanizmem nukleofilowym (tzw. substytuacja nukleofilowa), np. Cl⁻ zastąpimy OH⁻.

Przykład: CH₃CH₂Cl + KOH_(aq) → CH₃CH₂OH + KCl

Mechanizm elektrofilowy

Jeżeli w reakcji substytucji jeden elektrofil zastąpimy innym elektrofilem, jest to substytucja przebiegająca zgodnie z mechanizmem elektrofilowym (tzw. substytuacja elektrofilowa), jak w przypadku podstawienia H⁺ kationem Br⁺ w pierścieniu aromatycznym. 

Przykład:

Reakcje addycji

Aby określić mechanizm reakcji addycji do wiązania wielokrotnego rozważamy najwolniejszy (limitujący szybkość reakcji), zwykle jest to PIERWSZY etap reakcji. 

Na przykładzie addycji Br₂ do alkenu: 

Cząsteczka Br₂ oddziałuje z wiązaniem podwójnym alkenów bogatym w elektrony. Elektrony
z wiązania wielokrotnego oddziałują na elektrony występujące w wiązaniu Br₂. Ładunki jednoimienne odpychają się wzajemnie, co doprowadza do przesunięcia się gęstości elektronowej w wiązaniu Br−Br w stronę jednego z atomów bromu – dochodzi powstania dipola indukowanego, a w konsekwencji do utworzenia jonów Br⁺ i Br-. 

Wiemy, że Br₂ „rozpadnie się” na Br⁺ (elektrofil) i Br⁻ (nukleofil) i obie te drobiny przyłączają się do wiązania podwójnego. Aby określić mechanizm patrzymy na tę drobinę, która jako PIERWSZA(!) przyłącza się do cząsteczki związku organicznego. Jeśli najpierw do związku organicznego przyłącza się Br⁺ (elektrofil) to jest to mechanizm elektrofilowy. W przypadku addycji Br₂ do wiązania podwójnego, przyłączenie Br⁺, a co za tym idzie powstanie karbokationu, jest etapem najwolniejszym całego procesu i to on limituje szybkość reakcji. 

W przypadku addycji nukleofilowej do wiązania wielokrotnego (np. addycja do grupy karbonylowej), zarówno pierwszym jak i najwolniejszym etapem jest przyłączenie nukleofila.

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Przeprowadzono ciąg przemian opisany poniższym schematem:

Uzupełnij tabelę, określając typ oraz mechanizm przedstawionych reakcji.

Odpowiedź:

Komentarz:

W reakcji 2, gdy mamy środowisko wodne – zachodzi substytucja, gdy środowisko alkoholowe – eliminacja.

Zadanie 2.

Obecność grupy aminowej w cząsteczce aniliny znacznie zwiększa reaktywność pierścienia aromatycznego. Z tego też względu reakcja bromowania aniliny przebiega w stosunku molowym 1:3.

Napisz schemat reakcji bromowania aniliny oraz określ typ i mechanizm tej reakcji.

Schemat reakcji:

Typ:

Mechanizm:

Odpowiedź:

Schemat reakcji:

Typ: substytucja

Mechanizm: elektrofilowy

Zadanie 3.

Reakcja metylobenzenu z bromem, w zależności od waruków, może prowadzić do dwóch różnych produktów:

Podaj nazwy systematyczne produktów A i B oraz określ mechanizm reakcji 1 i 2.

Nazwa produktu A:

Nazwa produktu B:

Mechanizm reakcji 1:

Mechanizm reakcji 2:

Odpowiedź:

Nazwa produktu A: (bromometylo)benzen

Nazwa produktu B: 1-bromo-2-metylobenzen lub 1-bromo-4-metylobenzen

Mechanizm reakcji 1: rodnikowy

Mechanizm reakcji 2: elektrofilowy