Zajście reakcji organicznej zwykle jest warunkowane zderzeniem dwóch drobin. Mogą one mieć miejsce pomiędzy:

  • dwoma indywiduami chemicznymi obojętnymi elektrycznie – cząsteczkami;

  • dwoma jonami lub dwoma rodnikami;

  • cząsteczką a jonem lub rodnikiem.

RDoyEE9meeOzB1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Podział reakcjize względu na sposób rozerwania wiązania chemicznego
    • Elementy należące do kategorii Podział reakcjize względu na sposób rozerwania wiązania chemicznego
    • Nazwa kategorii: reakcje rodnikowehomolityczne
    • Nazwa kategorii: reakcje jonoweheterolityczne
      • Elementy należące do kategorii reakcje jonoweheterolityczne
      • Nazwa kategorii: elektrofilowe
      • Nazwa kategorii: nukleofilowe
      • Koniec elementów należących do kategorii reakcje jonowe[br]heterolityczne{value=30}{color=#33CC66}
      Koniec elementów należących do kategorii Podział reakcji[br]ze względu na sposób rozerwania[br] wiązania chemicznego{color=#3399FF}
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑cyan

Typy reakcji chemicznych

Przypomnijmy, z jakimi typami reakcji mamy do czynienia w chemii organicznej.

bg‑gray1

Reakcje substytucji

Reakcje te polegają na podstawieniu (zastąpieniu) atomu lub grupy funkcyjnej w cząsteczce przez atom lub inną grupę funkcyjną.

1
R1KvOnpFDpN731
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: reakcja substytucji
    • Elementy należące do kategorii reakcja substytucji
    • Nazwa kategorii: rodnikowa
      • Elementy należące do kategorii rodnikowa
      • Nazwa kategorii: R· + A-B → A-R + B·
      • Koniec elementów należących do kategorii rodnikowa{value=12}{color=#FF66CC}
    • Nazwa kategorii: elektrofilowa
      • Elementy należące do kategorii elektrofilowa
      • Nazwa kategorii: Z+ + A-B → A-Z + B+
      • Koniec elementów należących do kategorii elektrofilowa{value=12}{color=#CC6699}
    • Nazwa kategorii: nukleofilowa
      • Elementy należące do kategorii nukleofilowa
      • Nazwa kategorii: Y- + A-B → A-Y + B-
      • Koniec elementów należących do kategorii nukleofilowa{value=12}{color=#9989b3}
      Koniec elementów należących do kategorii reakcja substytucji{value=24}{color=#9bc3be}
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Mapa myśli. Lista elementów: Nazwa kategorii reakcja substytucji. Elementy należące do kategorii: reakcja substytucji.

  • Nazwa kategorii: rodnikowa R·+A-BR-A+B·;

  • Nazwa kategorii: elektrofilowa Z++A-BZ-A+B+;

  • Nazwa kategorii: nukleofilowa Z-+A-BZ-A+B-.

bg‑gray1

Reakcje addycji

Reakcje te polegają na przyłączeniu cząsteczek homoatomowych lub heteroatomowych do atomów węgla, połączonych wiązaniami wielokrotnymi, z jednoczesnym zmniejszeniem krotności wiązania w cząsteczce wyjściowego substratu organicznego.

1
R18EcSXtVBSI21
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: reakcje addycji{value=24}{color=#9bc3be}
    • Elementy należące do kategorii reakcje addycji
    • Nazwa kategorii: rodnikowa A[subscript]R[/]{value=12}{color=#FF66CC}
      • Elementy należące do kategorii rodnikowa A[subscript]R[/]
      • Nazwa kategorii: R[bold]·[/]+ A=B → R-A-B[bold]·[/]{value=20}{color=#88c7c1}
      • Koniec elementów należących do kategorii rodnikowa A[subscript]R[/]{value=12}{color=#FF66CC}
    • Nazwa kategorii: elektrofilowa A[subscript]E[/]{value=12}{color=#CC6699}
      • Elementy należące do kategorii elektrofilowa A[subscript]E[/]
      • Nazwa kategorii: Z[superscript]+[/] + A=B → Z-A-B[superscript]+[/]{value=20}{color=#649a99}
      • Koniec elementów należących do kategorii elektrofilowa A[subscript]E[/]{value=12}{color=#CC6699}
    • Nazwa kategorii: nukleofilowa A[subscript]N[/]{value=12}{color=#9989b3}
      • Elementy należące do kategorii nukleofilowa A[subscript]N[/]
      • Nazwa kategorii: Y[superscript]-[/] + A=B → Y-A-B[superscript]-[/]{value=20}{color=#e3a9cb}
      • Koniec elementów należących do kategorii nukleofilowa A[subscript]N[/]{value=12}{color=#9989b3}
      Koniec elementów należących do kategorii reakcje addycji{value=24}{color=#9bc3be}
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Mapa myśli. Lista elementów: Nazwa kategorii: reakcje addycji. Elementy należące do kategorii: reakcje addycji.

  • Nazwa kategorii: rodnikowa AR: R·+A=BR-A-B·;

  • Nazwa kategorii: elektrofilowa AE: Z++A=BZ-A-B+

  • Nazwa kategorii: nukleofilowa AN: Z-+A=BZ-A-B-.

bg‑gray1

Reakcje eliminacji

Reakcje te polegają na oderwaniu od sąsiadujących ze sobą atomów węgla lub grup funkcyjnych bez zastąpienia ich innymi podstawnikami, w wyniku czego wzrasta krotność wiązania w stosunku do wyjściowego substratu organicznego.

1
RftZbsPKaEFCO1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Mapa myśli. Lista elementów: Nazwa kategorii: reakcje eliminacji. Elementy należące do kategorii reakcje eliminacji.

  • Nazwa kategorii: alfa‑eliminacja: Z-A-YA+Z-Y;

  • Nazwa kategorii: beta‑eliminacja: Z-A-B-YA=B+Z-Y;

  • Nazwa kategorii: gamma‑eliminacja: Z-A-B-Y cząsteczka, którą stanowi trójczłonowy pierścień, w którym to atomy A B C połączone są ze sobą wiązaniami pojedynczymi, dodać Z-Y.

bg‑cyan

Rozrywanie wiązań w cząsteczkach organicznych

Ze względu na sposób rozrywania wiązań w cząsteczkach, reakcje dzielimy na:

  • homolityczne (rodnikowe);

  • heterolityczne (jonowe).

Ważne!

Cechą różniącą reakcje heterolityczne od homolitycznych jest także charakter  nowo utworzonych wiązań.

bg‑gray1

Reakcje homolityczne

Jeśli wspólna para elektronowa, która tworzy wiązanie kowalencyjne, ulega rozerwaniu w taki sposób, że przy każdym z fragmentów pozostaje jeden elektron niesparowany, wtedy ów rozpad nazywamy rozpadem homolitycznym. W wyniku homolitycznego rozpadu powstają rodniki – reaktywne indywidua chemiczne, mogące pełnić rolę tzw. czynników atakujących (inicjujących) w dalszych etapach przemiany chemicznej.

Cl2Cl·+Cl·
R1WxOnYRz3cg01
Rozpad homolityczny w cząsteczce chloru
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pod wpływem światła wysokoenergetycznego (UV) lub podwyższonej temperatury, następuje zerwanie wiązania kowalencyjnego (rozpad homolityczny) w cząsteczce chloru (Cl2) – powstają rodniki chlorkowe.

bg‑gray2

Mechanizm substytucji rodnikowej

1
Etap 1. Inicjacja (zapoczątkowanie łańcucha)

Jak już wspomniano, na skutek ogrzewania lub działania promieni UV, cząsteczka halogenu rozpada się, wiązanie ClCl pęka i powstają rodnikirodnikrodniki Cl·.

Cl2Cl·+ Cl·
Etap 2. Propagacja (rozwijanie łańcucha)

Rodnik Cl· eliminuje atom wodoru z cząsteczki alkanu, np. metanu. Powstaje produkt uboczny – HCl. Jednocześnie powstaje karborodnikkarborodnikkarborodnik CH3·, który wywołuje rozpad homolityczny następnej cząsteczki Cl2, co z kolei pozwala na utworzenie głównego produktu reakcji (CH3Cl) i odtworzenie rodnika Cl·. Zaprezentowane poniżej procesy powtarzają się cyklicznie, dając tym samym produkt reakcji i odtwarzając rodnik Cl·.

Cl·+CH4HCl+CH3·
CH3·+Cl2CH3Cl+Cl·
Etap 3. Terminacja (zakończenie)

Reakcja zostaje zakończona przez wyczerpanie substratów, zderzenie rodników lub utraty ich energii – na skutek zderzenia ze ścianką naczynia.

Cl·+ Cl·Cl2
CH3·+CH3·C2H6
CH3·+ Cl·CH3Cl
bg‑gray1

Reakcje heterolityczne

W przemianach jonowych, w trakcie rozerwania wiązania kowalencyjnego, para elektronowa zostaje przy jednym z powstających fragmentów, który staje się anionem, drugi zaś kationem – wówczas mówimy o rozpadzie heterolitycznym. Powstający anion może pełnić w dalszych etapach reakcji rolę czynnika atakującego (inicjującego).

A··BA++B-

Na przykład:

H··BrH++Br-

Albo:

R13QVO38SgDWg
Schematyczne przedstawienie reakcji heterolizy
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

A+czynnik elektrofilowyczynniki elektrofiloweczynnik elektrofilowy (układy zawierające luki elektronowe – kwasy Lewisa – w elektronowej teorii kwasów i zasad). Czynnikami elektrofilowymi (kwasami Lewisa) mogą być kationy, ale również cząsteczki posiadające lukę elektronową (niedobór elektronów) w całej strukturze lub w jej określonej części (np. w cząsteczkach polarnych w miejscach, gdzie występuje tzw. dodatni biegun cząsteczki), np. H+Li+, Br+, H+, Mg2+, NO2+, SO3H+, R+, R3C+, COR+, RN2+, AlCl3, BF3, TiCl4, FeCl3, ZnCl2.

1
RY4I9AYjM8pvT1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: kwasy Lewisa
    • Elementy należące do kategorii kwasy Lewisa
    • Nazwa kategorii: H+
    • Nazwa kategorii: Cl+
    • Nazwa kategorii: Br+
    • Nazwa kategorii: Li+
    • Nazwa kategorii: Mg2+
    • Nazwa kategorii: NO2+
    • Nazwa kategorii: SO3H+
    • Nazwa kategorii: R+
    • Nazwa kategorii: R3C+
    • Nazwa kategorii: COR+
    • Nazwa kategorii: RN2+
    • Nazwa kategorii: AlCl3
    • Nazwa kategorii: BF3
    • Nazwa kategorii: TiCl3
    • Nazwa kategorii: FeCl3
    • Nazwa kategorii: ZnCl2
    • Koniec elementów należących do kategorii kwasy Lewisa{value=40}{color=#ff0000}
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Do kwasów Lewisa należą: H+, Cl+, Br+, Li+Mg2+, NO2+, SO3H+, R+, R3C+, COR+, RN2+, AlCl3, BF3, TiCl4, FeCl3, ZnCl2.

B-czynnik nukleofilowyczynniki nukleofiloweczynnik nukleofilowy (układ posiadający wolne pary elektronowe; zasady Lewisa w elektronowej teorii kwasów i zasad). Czynnikami nukleofilowymi (zasadami Lewisa) mogą być aniony, ale również cząsteczki zawierające wolne (niewiążące) pary elektronowe: F-, Cl-, Br-, OH-, NH3, H2O, aminy pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe: RNH2, R2NH, R3N.

1
R8jfinDW7MNfR1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: zasady Lewisa
    • Elementy należące do kategorii zasady Lewisa
    • Nazwa kategorii: F-
    • Nazwa kategorii: Cl-
    • Nazwa kategorii: Br-
    • Nazwa kategorii: OH-
    • Nazwa kategorii: NH3
    • Nazwa kategorii: H2O
    • Nazwa kategorii: aminy 1°, 2°, 3°
      • Elementy należące do kategorii aminy 1°, 2°, 3°
      • Nazwa kategorii: RNH2
      • Nazwa kategorii: R2NH
      • Nazwa kategorii: R3N
      • Koniec elementów należących do kategorii aminy 1°, 2°, 3°{value=20}{color=#048D5C}
      Koniec elementów należących do kategorii zasady Lewisa{color=#0000FF}
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Do zasad Lewisa należą:  F-, Cl-, Br-, OH-, NH3, H2O, a także aminy pierwszo- drugo- i trzeciorzędowe o następujących wzorach ogólnych:  RNH2, R2NH, R3N.

Reakcje heterolityczne mogą przebiegać wg mechanizmu elektrofilowego lub mechanizmu nukleofilowego.

Wspomniany wyżej rozpad HBr może zachodzić w czasie reakcji addycji do etenu. Cząsteczka etenu atakuje HBr, który rozpada się heterolitycznie z jednoczesnym przyłączeniem jonu wodoru do wiązania podwójnego. Dzięki temu powstaje karbokation, który jest atakowany przez anion Br-. Cząsteczka etenu pełni rolę czynnika nukleofilowego w pierwszym etapie reakcji, natomiast w drugim tę rolę pełni już anion bromkowy.

R1OmXH5EtPC7v
Reakcja addycji bromowodoru do etenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

rodnik
rodnik

atom (grupa atomów) zawierający niesparowany elektron; rodniki (szczególnie organiczne) są najczęściej nietrwałe i aktywne chemicznie, ponieważ niesparowany elektron jest bardzo aktywny

czynniki nukleofilowe
czynniki nukleofilowe

drobiny wykazujące powinowactwo do jąder atomowych lub dodatnich biegunów spolaryzowanych cząsteczek

czynniki elektrofilowe
czynniki elektrofilowe

drobiny wykazujące powinowactwo do elektronów lub ujemnych biegunów spolaryzowanych cząsteczek

karborodnik
karborodnik

(łac. carbo „węgiel”) rodnik, w którym niesparowany elektron jest zlokalizowany na atomie węgla

Bibliografia

Klimaszewska M, Chemia od A do Z, Warszawa 2017.

Korzeń S., Korzeń A., Krupowicz J., Malicki J., Chemia organiczna, Lublin 1995

Król I., Mazur P., Repetytorium maturzysty, Kraków 2019.

Kaczyński J., Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.

Bogdańska Zarembina A., Matusewicz E. I., Matusewicz J., Chemia dla szkół średnich, Warszawa 1995.

Pazdro K. M., Chemia podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach, Warszawa 2009.