Именные реакции в органической химии

На этой странице вы узнаете

• Почему у некоторых реакций «двойное имя»?
• Как одно химическое открытие рождает другое?
• Почему некоторые реакции перестают использоваться в промышленности?

Вклад научных деятелей в развитие химии переоценить невозможно, настолько он велик. Некоторые ученые рассматривали теоретические аспекты взаимодействия веществ, некоторые открывали новые реакции. Органическая химия — наука, во многом обязанная великим людям, некоторые из которых вошли в историю и сейчас знакомы нам всем за счет именных реакций. Именно об именных реакциях в органической химии мы сегодня и поговорим. 

Именные реакции в органической химии

Именные реакции затрагивают практически все классы веществ: от алканов до ароматических соединений. Разберем эти реакции подробнее.

1. Реакция Коновалова (нитрование)

С данной реакцией мы встречаемся в теме «Алканы». Представители данного класса реагируют при нагревании до 140^оС с разбавленной азотной кислотой HNO₃. В реакции образуется нитроалкан, при этом нитро-группа присоединяется к атому углерода, имеющему наибольшее количество связей с другими атомами углерода: сначала к четвертичному, если его нет, то к третичному, если и его нет, то ко вторичному, и если есть только первичный, то к нему.

2. Реакция Зинина

Данная реакция является способом получения аминов (подробнее о них в статье «Амины и аминокислоты»). В ходе реакции происходит восстановление водородом нитробензола до анилина.

3. Реакция Вюрца

При взаимодействии галогеналканов с натрием образуется новый алкан с удвоенным количеством атомов углерода в цепи. Реакция Вюрца может проходить и с двумя разными галогенпроизводными, тогда мы получаем алкан с итоговым количеством атомов углерода, равным сумме атомов в двух галогенпроизводных. Также строение итогового алкана зависит и от положения галогена в цепи.

После того, как мы изучили некоторые именные реакции, свойственные алканам, закрепим наши знания на примере задания №16 ЕГЭ.

Задание. Задана следующая схема превращений веществ.

Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y.
1) хлорметан
2) цинк
3) натрий
4) 1-нитробутан
5) 2-нитробутан

Решение. Первая реакция является реакцией Вюрца для одного моногалогенпроизводного, так как происходит удлиненние углеродной цепи в два раза. Для протекания реакции Вюрца нужно добавить металлический натрий.

Нитрование (реакция с азотной кислотой) алканов — это реакция Коновалова, в ходе которой образуются нитроалканы. Нитро-группа замещает водород у вторичного (имеющего связи с двумя соседними углеродами) атома углерода.

Ответ: 35

4. Реакция Вюрца-Фиттига

Данная реакция похожа на реакцию Вюрца, однако в ней принимает участие не только галогеналкан, но и галогенпроизводное бензола. Таким образом получают производные бензола, побочным продуктом реакции является соль натрия.

Почему у некоторых реакций «двойное имя»? Некоторые реакции в органической химии названы в честь сразу двух ученых. Порой это связано с тем, что ученые занимались открытием вместе и вклад каждого оценить невозможно, важна совместная работа. Порой реакции названы в честь двух ученых, так как они являются модификацией ранее открытых. Например, реакция Вюрца-Фиттига является доработанной реакцией Вюрца: Фиттиг распространил открытие своего коллеги на область ароматических соединений.

5. Реакция Вильямсона

При добавлении к моногалогенпроизводному алкоголята (соли спирта) щелочного металла образуется простой эфир.

С галогеналканами, в которых галоген находится у третичного атома углерода, реакция не протекает.

Возможно также протекание реакции с фенолятами, образуется фениловый эфир.

6. Реакция Густавсона

Данная реакция также затрагивает взаимодействие галогенпроизводных с металлами, однако во многом отличается от реакции Вюрца. Реагентами являются не моно-, а дигалогенпроизводные, при этом между атомами галогенов должно быть не менее 3 атомов углерода. Также вместо металлического натрия мы берем цинк или магний. Продуктом взаимодействия является циклическое соединение и неорганическая соль.

Как одно химическое открытие рождает другое? Невозможно представить открытие реакции Густавсона без открытия реакции Вюрца. Если реакция Вюрца описывает межмолекулярное (между разными молекулами) взаимодействие, то реакция Густавсона отражает внутримолекулярное (внутри одной молекулы), поэтому она является важным дополнением к изначальному открытию.

7. Синтез Кольбе-Шмидта

В данной реакции так же, как и в реакции Вюрца, происходит удлинение углеродного радикала в два раза. При электролизе солей карбоновых кислот в водном растворе образуется алкан с удвоенной углеродной цепью, водород, углекислый газ (CO₂) и соответствующая щелочь.

8. Реакция Дюма

Реакция протекает при сплавлении (взаимодействии твердых веществ при высокой температуре) солей карбоновых кислот со щелочами. В результате реакции образуются алканы, содержащие на один атом углерода меньше, чем исходная соль. 

9.  Реакция Фриделя-Крафтса (алкилирование)

Реакция Фриделя-Крафтса — способ алкилирования (присоединения предельных радикалов) и ацилирования (присоединения СООН-радикала) ароматических соединений в присутствии катализаторов, например, AlCl₃, BF₃, ZnCl₂, FeCl₃.

Настало время практики! Закрепим наши знания, а для этого решим нетипичный аналог задания №15 ЕГЭ.

Задание. Установите соответствие между названием реакции и органическим продуктом, который образуется при взаимодействии веществ: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Решение. 
А) В ходе реакции Вюрца происходит удваивание углеродной цепи, из хлорметана образуется этан.

Б) При реакции Коновалова происходит нитрование алкана, нитро-группа присоединяется ко вторичному атому углерода в пропане, образуется 2-нитропропан.

В) При реакции Дюма происходит укорочение углеродной цепи на один атом углерода, образуется этан.

Г) В ходе синтеза Кольбе углеродный радикал удваивается, образуется бутан.

Ответ: 3536

10. Реакция Зелинского (тримеризация ацетилена и гомологов)

При нагревании ацетилена до 400℃ в присутствии активированного угля он превращается в бензол, данная реакция относится к способу получения бензола и его гомологов. А об остальных способах получения ароматических веществ можно прочитать в статье «Арены. Бензол как представитель ароматических углеводородов».

11. Реакция Зелинского-Казанского

Продуктом реакции также является бензол, однако реагентом является циклогексан. Катализаторы — никель, платина или палладий, также для протекания реакции необходимо нагревание.

12. Реакция Кучерова

Реакция протекает в присутствии кислоты и солей Hg²⁺. Водород пойдет к атому углерода, при котором находится наибольшее число атомов водорода — присоединится к своим собратьям согласно правилу Марковникова. Гидроксильная группа пойдет к другому атому углерода, находящемуся при разорвавшейся тройной связи. В результате мы получаем енол — крайне неустойчивое соединение, которое сразу же перестраивается в более устойчивую форму — соответствующее карбонильное соединение. Соединение в квадратных скобках мы в реакции не записываем, так как это промежуточный продукт. 

Важно помнить, что альдегид образуется только при гидратации ацетилена, во всех остальных случаях мы получаем кетоны.

Почему некоторые реакции перестают использоваться в промышленности? Реакция Кучерова играла огромную роль в промышленном способе получения альдегидов или кетонов, однако в нынешнее время она используется все реже. И связан данный факт с токсичностью солей ртути и негативным влиянием их на здоровье человека.

13. Реакция Лебедева

При одновременном дегидрировании (отнятии водорода) и дегидратации (отнятии воды) этилового спирта в присутствии амфотерных оксидов образуется бутадиен-1,3.

14. Реакция Вагнера

Окисление алкенов перманганатом калия в слабощелочной среде приводит к образованию диолов (гликолей).

15. Реакция Сергеева-Удрисома-Кружалова (Кумольный способ)

Получение фенола из бензола через кумол происходит в два этапа. 

1. При взаимодействии бензола с пропеном образуется кумол.
2. Кумол подвергается окислению кислородом в серной кислоте с образованием фенола и ацетона.

Сегодня мы познакомились с важным аспектом органической химии — именными реакциями. В органической химии огромное количество взаимодействий, для лучшего понимания которых рекомендуем прочитать статью «Ионный (правило В.В. Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии».

Термины

Катализаторы — вещества, ускоряющие реакцию, но не участвующие в ней и не влияющие на смещение химического равновесия.

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция (ОВР), протекающая на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. 

Фактчек

• Именные реакции затрагивают практически все классы органических веществ.
• Алканы вступают в реакции Коновалова, Вюрца, Вюрца-Фиттига и Густавсона. Они могут быть получены в ходе реакций Дюма и Кольбе.
• Бензол и его производные вступают в реакции Зинина, Вюрца-Фиттига, Фриделя-Крафтса, а также реакция Сергеева-Удрисома-Кружалова. Бензол может быть получен в ходе реакций Зелинского и Зелинского-Казанского.
• Алкинам характерны реакции Зелинского-Казанского и Кучерова, в то время как алкены вступают в реакцию Вагнера. Алкадиены могут быть получены в ходе реакции Лебедева.

Проверь себя

Задание 1.

В ходе какой реакции не происходит удлинение углеродной цепи ? 

1. Вюрца
2. Густавсона
3. Кольбе
4. Вюрца-Фиттига

Задание 2.

В ходе какой реакции можно получить алкан?

1. Вюрца-Фиттига
2. Кольбе
3. Коновалова
4. Лебедева

Задание 3.

Какой конечный продукт образуется в реакции Кучерова? 

1. Енол
2. Альдегид
3. Кетон
4. Зависит от исходного алкина

Задание 4.

Какой продукт образуется в ходе реакции Вагнера для пропена? 

1. Пропандиол-1,2
2. Пропанол-1
3. Этиленгликоль
4. Пропановая кислота

Ответы: 1. — 2; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 1.