Введение

Химические реакции с участием органических соединений. Органические реакции — это химические реакции, в которых участвуют органические соединения. Основные типы органических реакций включают реакции присоединения, реакции отщепления, реакции замещения, перициклические реакции, реакции перегруппировки, фотохимические реакции и окислительно-восстановительные реакции. В органическом синтезе органические реакции используются для построения новых органических молекул. Производство многих синтетических химических веществ, таких как лекарства, пластмассы, пищевые добавки и ткани, основано на органических реакциях. К самым древним органическим реакциям относятся сжигание органического топлива и омыление жиров для получения мыла. Современная органическая химия начинается с синтеза Вёлера в 1828 году. В истории присуждения Нобелевской премии по химии награды были вручены за открытие конкретных органических реакций, таких как реакция Гриньяра (1912 год), реакция Дильса-Альдера (1950 год), реакция Виттига (1979 год) и метатезис олефинов (2005 год).

Классификации

Органическая химия имеет давнюю традицию называть конкретную реакцию в честь ее изобретателя или изобретателей, и существует обширный список так называемых реакций, названных в честь ученых, который, по консервативным оценкам, насчитывает 1000. Очень старой реакцией, названной в честь ученого, является перегруппировка Клейзена (1912), а недавней – реакция Бингеля (1993). Если название реакции трудно произнести или очень длинное, как, например, в реакции Кори – Хауса – Познера – Уайтсайдса, полезно использовать сокращение, как в случае восстановления CBS. Число реакций, указывающих на фактический протекающий процесс, значительно меньше, например, реакция эна или альдольная реакция. Другой подход к классификации органических реакций основан на типе органического реагента, многие из которых неорганические, необходимого для конкретного превращения. Основные типы включают окислители, такие как тетроксид осмия, восстановители, такие как гидрид лития и алюминия, основания, такие как диизопропиламид лития, и кислоты, такие как серная кислота. Наконец, реакции также классифицируются по механистическому классу. Обычно выделяют (1) полярные, (2) радикальные и (3) перициклические реакции. Полярные реакции характеризуются перемещением электронных пар от четко определенного источника (нуклеофильной связи или неподеленной электронной пары) к четко определенному акцептору (электрофильному центру с низколежащей антисвязывающей орбиталью). Участвующие атомы претерпевают изменения заряда как в формальном смысле, так и с точки зрения фактической электронной плотности. Подавляющее большинство органических реакций относится к этой категории. Радикальные реакции характеризуются частицами с неспаренными электронами (радикалами) и перемещением одиночных электронов. Радикальные реакции далее подразделяются на цепные и нецепные процессы. Наконец, перициклические реакции включают перераспределение химических связей вдоль циклического переходного состояния. Хотя электронные пары формально участвуют в этих реакциях, они перемещаются по циклу без истинного источника или акцептора. Эти реакции требуют непрерывного перекрытия участвующих орбиталей и подчиняются соображениям орбитальной симметрии. Разумеется, некоторые химические процессы могут включать стадии, относящиеся к двум (или даже ко всем трем) из этих категорий, поэтому данная схема классификации не всегда является простой или однозначной. Помимо этих классов, реакции, катализируемые переходными металлами, часто рассматриваются как четвертая категория реакций, хотя эта категория охватывает широкий спектр элементарных органометаллических процессов, многие из которых имеют мало общего и очень специфичны.

Основные

Факторы, управляющие органическими реакциями, по сути, такие же, как и для любой химической реакции. Факторами, специфичными для органических реакций, являются те, которые определяют стабильность реагентов и продуктов, такие как конъюгация, гиперконъюгация и ароматичность, а также наличие и стабильность реакционноспособных интермедиатов, таких как свободные радикалы, карбокатионы и карбанионы. Органическое соединение может состоять из множества изомеров. Поэтому селективность, в отношении региоселективности, диастереоселективности и энантиоселективности, является важным критерием для многих органических реакций. Стереохимия перициклических реакций определяется правилами Вудварда-Хоффмана, а стереохимия многих реакций элиминирования – правилом Зайцева. Органические реакции играют важную роль в производстве фармацевтических препаратов. В обзоре 2006 года было подсчитано, что 20% химических превращений включают алкилирование атомов азота и кислорода, еще 20% – введение и удаление защитных групп, 11% – образование новых углерод-углеродных связей и 10% – превращения функциональных групп.

По механизму

Количество возможных органических реакций и механизмов не ограничено. Однако наблюдаются определенные общие закономерности, которые можно использовать для описания многих распространенных или полезных реакций. Каждая реакция имеет пошаговый механизм, объясняющий, как она протекает, хотя это подробное описание этапов не всегда очевидно из одного лишь списка реагентов. Органические реакции можно классифицировать на несколько основных типов. Некоторые реакции могут относиться к нескольким категориям. Например, некоторые реакции замещения протекают по механизму присоединения-отщепления. Этот обзор не ставит целью охватить все органические реакции, а предназначен для освещения основных из них. Тип реакцииПодтипКомментарийРеакции присоединенияэлектрофильное присоединение, включая такие реакции, как галогенирование, гидрогалогенирование и гидратация. нуклеофильное присоединениерадикальное присоединениеРеакции отщеплениявключают процессы, такие как дегидратация, и протекают по механизмам E1, E2 или E1cB. Реакции замещениянуклеофильное алифатическое замещениес механизмами SN1, SN2 и SNiнуклеофильное ароматическое замещениенуклеофильное ацильное замещениеэлектрофильное замещениеэлектрофильное ароматическое замещениерадикальное замещениеОкислительно-восстановительные реакции в органике – это окислительно-восстановительные реакции, специфичные для органических соединений, и они очень распространены. Реакции перегруппировки1,2-перегруппировкиперициклические реакцииметатезисВ реакциях конденсации небольшая молекула, обычно вода, отщепляется при объединении двух реагентов. Обратная реакция, в которой вода потребляется, называется гидролизом. Многие реакции полимеризации основаны на органических реакциях и делятся на полимеризацию присоединением и ступенчатую полимеризацию. В целом, последовательное протекание реакционных механизмов можно изобразить с помощью метода «переноса стрелок», где изогнутые стрелки используются для отслеживания движения электронов при переходе исходных веществ в промежуточные продукты и конечные продукты.

Другая классификация

В гетероциклической химии органические реакции классифицируются по типу формирующегося гетероцикла, в зависимости от размера кольца и типа гетероатома. Например, можно обратиться к химии индолов. Реакции также классифицируются по изменению углеродного скелета. Примерами служат расширение и сужение кольца, реакции гомологации, реакции полимеризации, реакции внедрения, реакции раскрытия и замыкания кольца. Органические реакции также могут быть классифицированы по типу связи углерода с другим элементом. Больше реакций встречается в химии кремнийорганических, сероорганических, фосфорорганических и фторорганических соединений. С появлением углерод-металлических связей область переходит в область органометаллической химии.