Реакционная способность 3.4 · Реакции с образованием электронных пар

Этот раздаточный материал охватывает выбранные темы SL для курса, впервые оцениваемого в 2025; он не является полным syllabus (учебной программой).

Предварительные знания: ковалентная связь и полярность из Структура 2.2, алкены и галогеналканы из Структура 3.2, а также радикальные (обмена электронами) механизмы из Реакционная способность 3.3.

Примеры являются оригинальными и вымышленными: они не представляют собой реальные измерения или реальные студенческие исследования.

Что могло бы объяснить это наблюдение?

• Бромэтан, взбалтываемый с теплым раствором гидроксида натрия, превращается в этанол, тогда как тот же углеродный скелет без связи C–Br не реагирует с гидроксидом-ионом. Что делает возможной связь C–Br?

Постройте модель

• Ковалентная связь может также разрываться путем гетеролитического расщепления: ОБА электрона общей пары переходят к одному атому, образуя ионы. Двухконечная завитая стрелка показывает движение ЭЛЕКТРОННОЙ ПАРЫ.
• Нуклеофил — это донор электронной пары (OH⁻, CN⁻, NH₃), который атакует δ+ атом углерода. Электрофил — это акцептор электронной пары (Br₂, H⁺), который принимает пару от электронно-богатой области, такой как двойная связь C=C. При замещении бромэтана OH⁻ отдает свою пару δ+ атому углерода, а Br⁻ уходит с связывающей парой: CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻.
• Гетеролитическое расщепление: разрыв связи, при котором один атом забирает обе общие электроны; нуклеофил: донор электронной пары, притягиваемый к положительному или δ+ центру; электрофил: акцептор электронной пары, притягиваемый к электронно-богатой области.

Выберите доказательства для проверки гипотезы

• Скорость реакции зависит от концентраций ОБОИХ веществ: бромэтана и гидроксид-иона, что подтверждает механизм, в котором они встречаются на ключевом этапе. Ионы бромида появляются в растворе по мере образования спирта, что соответствует предсказанию о уходящей группе.
• Бромная вода обесцвечивается с алкеном, но не с соответствующим алканом — доказательство того, что именно электронно-богатая связь C=C привлекает электрофил.

Работайте с известными величинами

• Известно: Mr(CH₃CH₂OH) = 46; Mr(CH₃CH₂Br) = 109; Mr(OH⁻) = 17. Атомная экономия показывает, какая часть массы реагентов попадает в целевой продукт: атомная экономия = Mr(целевой продукт) / ΣMr(все реагенты) × 100%. Замещение: 46/(109 + 17) × 100% = 46/126 × 100% = 36.5%. Реакции замещения имеют низкую атомную экономию, так как уходящая группа уносит массу.

Пример:

Хлорэтан имеет Mr = 64.5. Найдите атомную экономию для CH₃CH₂Cl + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Cl⁻, используя ту же последовательность: известные величины → модель → соотношение → подстановка → единица и интерпретация. (Ответ: 46/(64.5 + 17) × 100% = 46/81.5 × 100% = 56.4% — более легкая уходящая группа повышает атомную экономию, хотя она все равно значительно ниже, чем у реакции присоединения 100%).

Проверьте вывод и его границы применимости

• Модель со стрелками показывает поток электронов на ключевом этапе; реальные скорости также зависят от растворителя и температуры, что эта схема не учитывает. Атомная экономия сравнивает маршруты «на бумаге»; полная оценка процесса требует также данных о выходе, энергозатратах и безопасности.

Предупреждение:

Утверждение: «Нуклеофил — это отрицательный ион, поэтому любой отрицательный ион является нуклеофилом, а любой положительный вид — электрофилом». Это утверждение ложно: определение основано на донировании ЭЛЕКТРОННОЙ ПАРЫ — нейтральный NH₃ является нуклеофилом, так как обладает неподеленной парой, а Br⁻ в данном замещении выступает уходящей группой, а не атакующим нуклеофилом.

Ключевые моменты:

Реакции с перекрыванием электронной пары: гетеролитическое расщепление перемещает обе общие электроны к одному атому; двухконечные стрелки отслеживают движение электронных пар. Нуклеофилы отдают пары δ+ центрам, а электрофилы принимают пары от электронно-богатых областей; механизмы замещения и присоединения следуют из этого потока.