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.

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

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

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.

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.

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

• homolityczne (rodnikowe);

• heterolityczne (jonowe).

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.

Pod wpływem światła wysokoenergetycznego (UV) lub podwyższonej temperatury, następuje zerwanie wiązania kowalencyjnego (rozpad homolityczny) w cząsteczce chloru (${\text{Cl}}_2$) – powstają rodniki chlorkowe.

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).

Na przykład:

Albo:

R13QVO38SgDWg

Ilustracja przedstawiająca schemat heterolizy. Atom węgla podstawiony trzema dowolnymi podstawnikami i związany z atomem Y, co symbolizują dwie kropki, czyli uwspólniona para elektronów. Dwie strzałki w prawo, jedna po skosie do góry, druga po skosie w dół, nad nimi zapis "heteroliza". Za górną strzałką kation, w którym ładunek dodatni zlokalizowany jest na atomie węgla dodać anion, na którym zaznaczono wolną parę elektronową, a zatem ładunek ujemny. To sytuacja, w której Y jest bardziej elektroujemny niż węgiel. Za strzałką w dół anion, w którym ładunek ujemny zlokalizowany jest na atomie węgla, co oznaczono znakiem minus oraz dwiema kropkami, wolną parą elektronową. Dodać kation, w którym ładunek dodatni zlokalizowany jest na atomie Y i symbolizowany przez znak plus. To sytuacja, w której atom węgla jest bardziej elektroujemny niż atom Y.

$A^{+}$ – 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. ${\text{H}}^{+}$, ${\text{Li}}^{+}$, ${\text{Br}}^{+}$, ${\text{H}}^{+}$, ${\text{Mg}}^{2+}$, ${{\text{NO}}_2}^{+}$, ${\text{SO}}_3{\text{H}}^{+}$, $R^{+}$, $R_3{\text{C}}^{+}$, $\text{CO}{R}^{+}$, $R{{\text{N}}_2}^{+}$, ${\text{AlCl}}_3$, ${\text{BF}}_3$, ${\text{TiCl}}_4$, ${\text{FeCl}}_3$, ${\text{ZnCl}}_2$.

$B^{-}$ – 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: ${\text{F}}^{-}$, ${\text{Cl}}^{-}$, ${\text{Br}}^{-}$, ${\text{OH}}^{-}$, ${\text{NH}}_3$, ${\text{H}}_2\text{O}$, aminy pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe: $R{\text{NH}}_2$, $R_2\text{NH}$, $R_3\text{N}$.

Reakcje heterolityczne mogą przebiegać wg mechanizmu elektrofilowego lub mechanizmu nukleofilowego.

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

R1OmXH5EtPC7v

Schemat reakcji addycji bromowodoru do etenu. Cząsteczka etenu o strukturze zbudowanej z dwóch grup ${\text{CH}}_2$ połączonych za pomocą wiązania podwójnego. Od wiązania podwójnego w cząsteczce alkenu poprowadzona jest łukowata strzałka do atomu wodoru w cząsteczce bromowodoru. Od wiązania łączącego atom wodoru z atomem bromu poprowadzona jest łukowata strzałka do atomu bromu. Strzałka w prawo, za strzałką karbokation zbudowany z grupy ${\text{CH}}_2$, w której atom węgla obdarzony jest ładunkiem dodatnim i jest związany z grupą ${\text{CH}}_3$. Poniżej znajduje się utworzony w poprzednim etapie anion bromkowy ${\text{Br}}^{-}$ z zaznaczoną za pomocą dwóch kropek wolną parą elektronową, od której poprowadzona jest łukowata strzałka do centrum karbokationowego, to jest atomu węgla obdarzonego ładunkiem dodatnim. Strzałka w prawo. Za strzałką cząsteczka $1$-bromoetenu.

Słownik

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.