Dzisiaj na tapecie mechanizmy reakcji. Temat ten często pojawia się na egzaminie maturalnym i choć wydaje się skomplikowany, na potrzeby matury można go oswoić. Opanować musisz trzy rodzaje mechanizmów: rodnikowy, elektrofilowy i nukleofilowy. Ich nazwy pochodzą od czynników, które atakują cząsteczkę. Dla wspomnianych mechanizmów będą to odpowiednio: rodnik, elektrofil i nukleofil.
Rodnik – cząsteczka lub atom zawierający niesparowany elektron.
Elektrofil – coś, co “lubi” elektrony, czyli jon dodatni lub kwas Lewisa/Bronsteda. Analogicznie nukleofilem, będzie coś, co ma nadmiar elektronów, czyli zasady Lewisa/Bronsteda lub jony ujemne.
Addycja
1. Mechanizm elektrofilowy
Jeżeli czynnik atakujący szuka elektronów (bo jest to elektrofil), to od razu przychodzi na myśl wiązanie wielokrotne – w końcu nagromadzenie elektronów w jego okolicy jest bardzo duże. W chemii maturalnej reakcja addycji dotyczy w zasadzie wyłącznie alkenów i alkinów. Jak wiadomo reakcji addycji praktycznie nie ulegają węglowodory aromatyczne, więc możemy je na tym etapie wykluczyć.
2. Mechanizm nukleofilowy
Addycji nukleofilowej mogą ulec związki, w których wiązanie podwójne znajduje się np. między węglem, a tlenem (grupa karbonylowa). W tym przypadku nukleofil przyłącza się do atomu węgla w tej grupie, a elektrony z wiązania π “przechodzą” na atom tlenu, tworząc na nim ładunek ujemny. W tym momencie może się w to miejsce przyłączyć elektrofil, chociażby jon H+.
Na poziomie maturalnym można założyć, że każda reakcja addycji, w której nie bierze udział wiązanie węgiel-węgiel zachodzi zgodnie z mechanizmem nukleofilowym.
3. Mechanizm rodnikowy
Jedyną reakcją przebiegającą zgodnie z tym mechanizmem, o którą mogą zapytać na maturze jest addycja fluorowca do benzenu:
Nikt nie będzie jednak od Was wymagał zapisu mechanizmu tej reakcji. Wystarczy pamiętać, że jest to mechanizm rodnikowy z wykorzystaniem światła lub temperatury.
Substytucja
1. Mechanizm elektrofilowy
Tutaj znów przychodzi do głowy wiązanie podwójne. Ponieważ alkeny i alkiny “wykorzystaliśmy” przy addycji, zostają nam w zasadzie tylko związki aromatyczne. O substytucji elektrofilowej mówimy wtedy, kiedy podstawiamy wodór z chwilowym wykorzystaniem wiązania podwójnego. Elektrofil przyłącza się do jednego z węgli, a wodór zostaje odłączony od cząsteczki benzenu. Zastępowanie wodoru jakimkolwiek podstawnikiem wyczerpuje praktycznie wszystkie możliwe przykłady substytucji elektrofilowej na poziomie liceum.
2. Mechanizm nukleofilowy
Jeżeli reakcja związku aromatycznego nie zachodzi w pierścieniu z podstawieniem wodoru, ale zastępujemy obecny już podstawnik innym, mówimy o substytucji nukleofilowej. Mechanizm jest ten sam, kiedy zastępujemy podstawniki w łańcuchu węglowym.
3. Mechanizm rodnikowy
W liceum poznajesz w zasadzie jeden typ reakcji rodnikowej, a mianowicie halogenowanie (bromowanie/chlorowanie) alkanów z użyciem światła. Trzeba pamiętać o dwóch rzeczach – reakcja zachodzi w trzech etapach (inicjacja, propagacja i terminacja), a dodatkowo przebiega łańcuchowo (jedna cząsteczka, która ulega rozpadowi może inicjować kolejne reakcje, aż do wyczerpania wszystkich substratów).
Podsumujmy:
Jeśli chcesz poćwiczyć określanie mechanizmów reakcji możesz skorzystać z tego ćwiczenia: Ćwiczenie – mechanizmy (rozwiązanie na stronie 2).
3 thoughts on “Mechanizmy reakcji”
Po długich rozmowach z chemikami i osobami sprawdzającymi matury addycja fluorowca do benzenu nie jest jedyną rekacją o jaką mogą zapytać na egzaminie, jeśli chodzi o reakcję substytucji rodnikowej. Tym bardziej nie będą pytać o reakcję substytucji do benzenu, gdyż ta reakcja przebiega w bardzo ściśle okreslonych warunkach a nie jedynie pod wpływem światła, więc ten zapis jest co najmniej błędny. Podstawową reakcją, o którą na egzaminie uczeń może być zapytany to reakcja substytucji to toulenu fluorowca pod wpływem światła, gdzie podstawienie nie przebiega na pierścieniu benzenowym, co Pani napisała, a przebiega na grupie alkilowej. Podstawowe zadanie na sprawdzian, powinna Pani wiedzieć. Większość pseudo nauczycieli i korepetytorów korzysta dokładnie z tego samego opracowania korzystając z tej reakcji. Kopiuj i wklej. Powiedziałaby Pani uczniom, że podczas reakcji chlorowania toluenu na świetle podstawia się również pierścień?
Dziękuję za komentarz. Bardzo doceniam kiedy ktoś poświęca swój czas na wyrażenie wątpliwości, szczególnie jeśli uwagi są konstruktywne. Jeśli chodzi o pierwszą, to tutaj chyba pomieszał Pan dwa typy reakcji – substytucji i addycji. W pierwszej części artykułu odnoszę się do reakcji addycji rodnikowej. Pozwoliłam sobie podać akurat ten przykład, ponieważ tylko ten znalazłam w podręcznikach licealnych. Szczerze mówiąc nie znalazłam źródła, które opisywałoby tę reakcję w inny sposób – jeśli dysponuje Pan ogólnodostępnym odnośnikiem to tego tematu proszę o informację, chętnie dodam do artykułu. Tak czy owak, wiele reakcji wymaga spełnienia specjalnych warunków, a mimo to nie zawsze są one zaznaczane przy równaniu reakcji (przykładem może być środowisko zasadowe w reakcji Trommera, które w reakcjach często jest pomijane). Czy należy to uznać za błąd? Z pewnością znajdą się osoby, które stwierdzą, że tak i oczywiście z technicznego punktu widzenia będą miały rację. Ja mimo wszystko nie jestem w tej kwestii nadgorliwa. Jest to temat do dyskusji. Natomiast nigdzie w artykule nie wspomniałam, że w reakcji toluenu z chlorowcem (przy założeniu substytucji rodnikowej) bardziej uprzywilejowany jest pierścień. To są już Pana domysły. Wręcz przeciwnie, druga reakcja w załączonym ćwiczeniu to właśnie bromowanie toluenu i wyraźnie widać, że podstawnik znajduje się przy grupie alkilowej. Czytając artykuł ponownie zauważyłam jednak, że kwestia substytucji rodnikowej została potraktowana dość ogólnikowo (celowo, aby skupić się wyłącznie na schematycznym określeniu mechanizmu, a nie na jego dokładnym przebiegu) i być może należałoby ją trochę rozbudować, aby uniknąć tego typu wątpliwości w przyszłości. Prosiłabym jednak o większą uwagę zanim nazwie Pan kogoś pseudonauczycielem lub pseudokorepetytorem. Jeszcze raz dziękuję za poświęcony czas. Pozdrawiam.
Pingback: Maturalne pewniaki - Powtórka z chemii