Страница 225 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют электрофилами, нуклеофилами?

В органической химии реагенты, участвующие в гетеролитических реакциях (реакциях с разрывом и образованием ковалентных связей, где электронная пара переходит к одному из атомов), классифицируются на электрофилы и нуклеофилы. Эта классификация основана на их способности принимать или отдавать электронную пару при образовании новой химической связи.

Электрофилы

Электрофилы (от греч. "электрон" и "филео" — любить), или электрофильные реагенты, — это частицы (молекулы или ионы), которые в химических реакциях выступают в роли акцептора (приемника) электронной пары. Они являются электрон-дефицитными, то есть испытывают недостаток электронной плотности. Электрофилы атакуют участки молекул с повышенной электронной плотностью (нуклеофильные центры).

Электрофилами могут быть:

1.Положительно заряженные ионы (катионы). Это сильные электрофилы, так как они имеют явный дефицит электронов. Примеры: катион водорода (протон) $H^+$, карбкатионы ($R_3C^+$), катионы галогенов ($Cl^+$, $Br^+$), нитроний-катион $NO_2^+$, ион нитрозония $NO^+$.

2.Нейтральные молекулы с незаполненной электронной оболочкой у центрального атома (кислоты Льюиса). Такие молекулы имеют вакантную орбиталь и могут принять на нее электронную пару для завершения своего электронного октета. Примеры: трифторид бора ($BF_3$), хлорид алюминия ($AlCl_3$), хлорид железа(III) ($FeCl_3$).

3.Нейтральные молекулы с полярной ковалентной связью. В таких молекулах из-за разницы в электроотрицательности атомов на одном из них возникает частичный положительный заряд ($\delta^+$), который и является электрофильным центром. Примеры: галогеналканы ($R-Hal$), карбонильные соединения (альдегиды и кетоны, где атом углерода карбонильной группы несет заряд $\delta^+$), диоксид серы ($SO_2$) и триоксид серы ($SO_3$).

Ответ: Электрофилы — это химические частицы (ионы или молекулы), которые являются акцепторами электронной пары из-за наличия у них положительного заряда, частичного положительного заряда или вакантной атомной орбитали.

Нуклеофилы

Нуклеофилы (от лат. "нуклеус" — ядро и греч. "филео" — любить), или нуклеофильные реагенты, — это частицы (молекулы или ионы), которые в химических реакциях выступают в роли донора (поставщика) электронной пары для образования новой ковалентной связи. Они являются электрон-избыточными, то есть имеют высокую электронную плотность. Нуклеофилы атакуют участки молекул с пониженной электронной плотностью (электрофильные центры).

Нуклеофилами могут быть:

1.Отрицательно заряженные ионы (анионы). Наличие отрицательного заряда делает их сильными нуклеофилами. Примеры: гидроксид-ион ($OH^-$), галогенид-ионы ($F^-$, $Cl^-$, $Br^-$, $I^-$), цианид-ион ($CN^-$), алкоксид-ионы ($RO^-$), гидросульфид-ион ($HS^-$), карбанионы ($R_3C^-$).

2.Нейтральные молекулы, имеющие атом с неподеленной электронной парой. Атом с неподеленной парой (например, кислород, азот, сера) выступает в роли нуклеофильного центра, предоставляя эту пару для образования связи. Примеры: вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$), амины ($RNH_2$, $R_2NH$, $R_3N$), спирты ($ROH$), тиолы ($RSH$), простые эфиры ($R-O-R$).

3.Молекулы, содержащие кратные связи (π-связи). Электроны π-связей являются подвижными и поляризуемыми, поэтому они могут быть предоставлены электрофилу. К таким нуклеофилам относятся алкены, алкины и ароматические соединения (например, бензол и его производные).

Ответ: Нуклеофилы — это химические частицы (ионы или молекулы), которые являются донорами электронной пары благодаря наличию у них отрицательного заряда, неподеленной электронной пары или подвижной π-электронной системы.

2. Приведите примеры реакций нуклеофильного замещения с участием галогенопроизводных углеводородов.

Реакции нуклеофильного замещения (обозначаются как $S_N$) — это тип химических реакций, в которых атакующий реагент (нуклеофил) замещает уходящую группу в молекуле субстрата. В случае галогенопроизводных углеводородов (галогеналканов) субстратом является сама молекула галогеналкана, уходящей группой — атом галогена, а электрофильным центром, который атакует нуклеофил, — атом углерода, связанный с галогеном.

Связь углерод-галоген ($C-Hal$) является полярной, так как галогены более электроотрицательны, чем углерод. Это приводит к возникновению на атоме углерода частичного положительного заряда ($ \delta^+ $), а на атоме галогена — частичного отрицательного заряда ($ \delta^- $). Нуклеофил — это частица (ион или молекула) с неподеленной электронной парой, которая атакует электрофильный атом углерода, вытесняя галогенид-ион.

Общая схема реакции выглядит следующим образом:

$R-X + Nu:^- \rightarrow R-Nu + X:^-$

где $R$ — углеводородный радикал, $X$ — атом галогена, $Nu:^-$ — нуклеофил.

Ниже приведены конкретные примеры таких реакций.

1. Гидролиз (взаимодействие с водным раствором щелочи)

При взаимодействии галогеналканов с водными растворами щелочей ($NaOH$, $KOH$) или просто с водой (в более жестких условиях) атом галогена замещается на гидроксогруппу ($-OH$). Продуктами реакции являются спирты. Нуклеофилом в данном случае выступает гидроксид-ион $OH^-$.

Пример: гидролиз бромэтана водным раствором гидроксида натрия с образованием этанола.

$CH_3CH_2Br + NaOH_{ (водн.) } \xrightarrow{t} CH_3CH_2OH + NaBr$

Ответ: Примером реакции нуклеофильного замещения является гидролиз бромэтана водным раствором щелочи с образованием этанола.

2. Синтез простых эфиров по Вильямсону (взаимодействие с алкоголятами)

Галогеналканы реагируют с алкоголятами металлов ($RONa$, где $R$ — алкильный радикал) с образованием простых эфиров. Нуклеофилом является алкоксид-ион $RO^-$.

Пример: реакция йодметана с этилатом натрия, в результате которой образуется метилэтиловый эфир.

$CH_3I + CH_3CH_2ONa \rightarrow CH_3-O-CH_2CH_3 + NaI$

Ответ: Примером является синтез простых эфиров по реакции Вильямсона, например, получение метилэтилового эфира из йодметана и этилата натрия.

3. Синтез нитрилов (взаимодействие с цианидами)

Реакция галогеналканов с цианидами щелочных металлов ($KCN$, $NaCN$) в спиртовом растворе приводит к замене галогена на цианогруппу ($-CN$). В результате образуются нитрилы. Эта реакция важна, так как позволяет удлинить углеродную цепь на один атом углерода. Нуклеофил — цианид-ион $CN^-$.

Пример: взаимодействие хлорэтана с цианидом калия с образованием пропаннитрила.

$CH_3CH_2Cl + KCN \xrightarrow{C_2H_5OH, t} CH_3CH_2CN + KCl$

Ответ: Примером служит реакция хлорэтана с цианидом калия, в результате которой удлиняется углеродная цепь и образуется пропаннитрил.

4. Синтез аминов (взаимодействие с аммиаком)

При взаимодействии галогеналканов с аммиаком ($NH_3$) атом галогена замещается на аминогруппу ($-NH_2$). Молекула аммиака, имеющая неподеленную электронную пару на атоме азота, выступает в роли нуклеофила. Реакция обычно приводит к смеси продуктов (первичных, вторичных, третичных аминов и четвертичных аммониевых солей), но при использовании избытка аммиака можно преимущественно получить первичный амин.

Пример: реакция бромэтана с избытком аммиака с образованием этиламина.

$CH_3CH_2Br + 2NH_3(изб.) \rightarrow CH_3CH_2NH_2 + NH_4Br$

Ответ: Примером является синтез аминов путем алкилирования аммиака галогеналканами, например, получение этиламина из бромэтана и аммиака.

5. Синтез сложных эфиров (взаимодействие с солями карбоновых кислот)

Галогеналканы реагируют с солями карбоновых кислот (карбоксилатами), образуя сложные эфиры. Нуклеофилом в этой реакции является карбоксилат-анион $R-COO^-$.

Пример: реакция бромэтана с ацетатом натрия с образованием этилацетата (этилового эфира уксусной кислоты).

$CH_3CH_2Br + CH_3COONa \rightarrow CH_3COOCH_2CH_3 + NaBr$

Ответ: Примером служит получение сложного эфира, этилацетата, при взаимодействии бромэтана и ацетата натрия.

3. Напишите уравнения реакций бромэтана с цианидом калия, нитритом серебра, аммиаком, водным и спиртовым растворами гидроксида калия, металлическим натрием, магнием в эфире.

Бромэтан ($CH_3CH_2Br$) — это галогеналкан, для которого характерны реакции нуклеофильного замещения ($S_N$), элиминирования ($E$), а также реакции с металлами. Ниже приведены уравнения реакций бромэтана с указанными реагентами.

с цианидом калия

Взаимодействие бромэтана с цианидом калия ($KCN$) представляет собой реакцию нуклеофильного замещения. Цианид-ион ($CN^−$), являясь сильным нуклеофилом, замещает атом брома. Эта реакция приводит к удлинению углеродной цепи на один атом.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + KCN \rightarrow CH_3CH_2CN + KBr$

Основными продуктами являются пропаннитрил (или этилцианид) и бромид калия.

Ответ: $CH_3CH_2Br + KCN \rightarrow CH_3CH_2CN + KBr$

с нитритом серебра

Реакция с нитритом серебра ($AgNO_2$) также является нуклеофильным замещением. Нитрит-ион ($NO_2^−$) — амбидентный нуклеофил, он может реагировать через атом азота или кислорода. Из-за преимущественно ковалентного характера связи $Ag-O$ в $AgNO_2$ атака происходит неподеленной электронной парой атома азота, что ведёт к образованию нитросоединения (реакция Мейера).

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + AgNO_2 \rightarrow CH_3CH_2NO_2 + AgBr\downarrow$

В результате образуется нитроэтан и выпадает осадок бромида серебра. При использовании нитритов щелочных металлов (например, $KNO_2$) основным продуктом был бы алкилнитрит ($CH_3CH_2ONO$).

Ответ: $CH_3CH_2Br + AgNO_2 \rightarrow CH_3CH_2NO_2 + AgBr$

с аммиаком

Реакция бромэтана с избытком аммиака ($NH_3$) — это реакция алкилирования по Гофману, приводящая к образованию первичного амина. Молекула аммиака выступает в роли нуклеофила. Избыток аммиака необходим для нейтрализации образующегося бромоводорода и предотвращения дальнейшего алкилирования амина.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + 2NH_3 \rightarrow CH_3CH_2NH_2 + NH_4Br$

Продуктами реакции являются этиламин и бромид аммония.

Ответ: $CH_3CH_2Br + 2NH_3 \rightarrow CH_3CH_2NH_2 + NH_4Br$

с водным раствором гидроксида калия

В водном растворе гидроксид калия ($KOH$) диссоциирует с образованием гидратированных гидроксид-ионов ($OH^−$), которые являются сильными нуклеофилами, но слабыми основаниями. Поэтому преимущественно протекает реакция нуклеофильного замещения (щелочной гидролиз) с образованием спирта.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + KOH_{(водн.)} \rightarrow CH_3CH_2OH + KBr$

В результате реакции образуется этанол и бромид калия.

Ответ: $CH_3CH_2Br + KOH_{(водн.)} \rightarrow CH_3CH_2OH + KBr$

со спиртовым раствором гидроксида калия

В спиртовом растворе основность гидроксид-иона (а точнее, образующегося в равновесии алкоксид-иона) значительно выше, чем в водном. Поэтому в этих условиях преобладает реакция отщепления (элиминирования, или дегидрогалогенирования). Отщепляется атом водорода от соседнего (β) атома углерода и атом галогена, что приводит к образованию двойной связи.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH_2=CH_2\uparrow + KBr + H_2O$

Основными продуктами являются этен (газ), бромид калия и вода.

Ответ: $CH_3CH_2Br + KOH_{(спирт.)} \rightarrow CH_2=CH_2 + KBr + H_2O$

с металлическим натрием

Реакция с металлическим натрием ($Na$) — это классический синтез Вюрца. В ходе реакции происходит удвоение углеродного скелета исходного галогеналкана с образованием симметричного алкана.

Уравнение реакции:

$2CH_3CH_2Br + 2Na \rightarrow CH_3CH_2CH_2CH_3 + 2NaBr$

Продукты реакции — н-бутан и бромид натрия.

Ответ: $2CH_3CH_2Br + 2Na \rightarrow CH_3CH_2CH_2CH_3 + 2NaBr$

с магнием в эфире

Взаимодействие с металлическим магнием ($Mg$) в среде безводного (абсолютного) диэтилового эфира приводит к образованию металлоорганического соединения — реактива Гриньяра. Эфир необходим для стабилизации образующегося реактива.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Br + Mg \xrightarrow{эфир} CH_3CH_2MgBr$

Образуется этилмагнийбромид, который является важным реагентом для создания новых углерод-углеродных связей в органическом синтезе.

Ответ: $CH_3CH_2Br + Mg \xrightarrow{эфир} CH_3CH_2MgBr$