Номер 295, страница 72 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.295. Как меняется электронная структура органической молекулы при введении в молекулу алкана атома галогена? Как при этом меняется реакционная способность?

Как меняется электронная структура органической молекулы при введении в молекулу алкана атома галогена?
В молекулах алканов химические связи C–C и C–H являются ковалентными неполярными или слабополярными, так как электроотрицательности атомов углерода (2,55) и водорода (2,20) близки. Электронная плотность в молекуле алкана распределена практически равномерно.
При введении в молекулу алкана атома галогена (F, Cl, Br, I), один из атомов водорода замещается на атом галогена. Галогены — это значительно более электроотрицательные элементы по сравнению с углеродом (например, у хлора электроотрицательность ~3,16). Из-за большой разницы в электроотрицательностях между атомом углерода и атомом галогена, общая электронная пара связи C–Hal смещается в сторону атома галогена.
В результате этого смещения связь C–Hal становится сильно полярной. На атоме галогена возникает частичный отрицательный заряд ($δ^-$), а на связанном с ним атоме углерода — частичный положительный заряд ($δ^+$): $R-CH_2^{δ+}-Hal^{δ-}$.
Это явление называется отрицательным индуктивным эффектом ($-I$-эффектом) атома галогена. Этот эффект передается по цепи σ-связей на соседние атомы, хотя и быстро затухает с расстоянием. Таким образом, введение атома галогена приводит к поляризации молекулы и появлению в ней электрофильного центра — атома углерода, связанного с галогеном.
Ответ: При введении в молекулу алкана атома галогена неполярная или слабополярная связь C–H заменяется на сильно полярную ковалентную связь C–Hal. Вследствие высокого значения электроотрицательности галогена, электронная плотность смещается к нему, что приводит к появлению на атоме галогена частичного отрицательного заряда ($δ^-$), а на атоме углерода — частичного положительного заряда ($δ^+$). Возникает отрицательный индуктивный эффект, который поляризует всю молекулу.

Как при этом меняется реакционная способность?
Алканы являются малоактивными соединениями. Для них характерны реакции, протекающие по радикальному механизму (например, галогенирование на свету), так как их неполярные связи не подвержены атаке ионных реагентов (нуклеофилов и электрофилов).
Введение атома галогена кардинально меняет реакционную способность. Появление полярной связи C–Hal и электрофильного центра на атоме углерода ($C^{δ+}$) делает галогеналканы способными вступать в реакции ионного типа.
1. Реакции нуклеофильного замещения ($S_N$). Положительно заряженный атом углерода становится мишенью для атаки нуклеофилов — частиц с отрицательным зарядом или неподеленной электронной парой (например, $OH^-$, $CN^-$, $NH_3$, $H_2O$). В ходе реакции нуклеофил замещает атом галогена, который уходит в виде галогенид-иона (хорошая уходящая группа). Пример:
$CH_3-Cl + NaOH_{(водн.)} \rightarrow CH_3-OH + NaCl$
2. Реакции элиминирования (отщепления). Под действием сильных оснований (например, спиртового раствора щелочи) от молекул галогеналканов может отщепляться атом галогена и атом водорода от соседнего атома углерода. В результате образуется двойная связь, т.е. алкен. Пример:
$CH_3-CH_2-Br + KOH_{(спирт.)} \rightarrow CH_2=CH_2 + KBr + H_2O$
Таким образом, реакционная способность органической молекулы значительно возрастает. Вместо инертного алкана мы получаем активный галогеналкан, для которого характерны реакции нуклеофильного замещения и элиминирования.
Ответ: Реакционная способность молекулы резко возрастает. Вместо характерных для алканов реакций радикального замещения галогеналканы вступают в реакции ионного типа: нуклеофильное замещение (атом галогена замещается на нуклеофил) и элиминирование (отщепление галогеноводорода с образованием алкена).