Органические реакции – это химические реакции с участием органических соединений . [1] [2] [3] Основными типами реакций органической химии являются реакции присоединения , реакции отщепления , реакции замещения , перициклические реакции , реакции перегруппировки , фотохимические реакции и окислительно-восстановительные реакции . В органическом синтезе органические реакции используются для создания новых органических молекул. Производство многих искусственных химикатов, таких как лекарства, пластмассы , пищевые добавки , ткани, зависит от органических реакций.
Древнейшими органическими реакциями являются сжигание органического топлива и омыление жиров с получением мыла. Современная органическая химия начинается с синтеза Велера в 1828 году. В истории Нобелевской премии по химии награды присуждались за изобретение конкретных органических реакций, таких как реакция Гриньяра в 1912 году, реакция Дильса-Альдера в 1950 году, реакция Виттига. в 1979 г. и метатезис олефинов в 2005 г.
В органической химии существует сильная традиция называть конкретную реакцию в честь ее изобретателя или изобретателей, и существует длинный список так называемых названных реакций , по консервативным оценкам, насчитывающий 1000. Очень старая именованная реакция - это перегруппировка Клайзена (1912 г.) и недавняя именованная реакция. — реакция Бингеля (1993). Когда названную реакцию трудно произнести или она очень длинная, как в реакции Кори-Хауса-Познера-Уайтсайдса, полезно использовать аббревиатуру, как при восстановлении CBS . Число реакций, указывающих на происходящий в действительности процесс, гораздо меньше, например еновая реакция или альдольная реакция .
Другой подход к органическим реакциям основан на типе органических реагентов , многие из которых неорганические , необходимых для конкретного преобразования. Основными типами являются окислители , такие как четырехокись осмия , восстановители, такие как литий-алюминийгидрид , основания, такие как диизопропиламид лития , и кислоты, такие как серная кислота .
Наконец, реакции также классифицируются по механистическому классу. Обычно эти классы являются (1) полярными, (2) радикальными и (3) перициклическими. Полярные реакции характеризуются движением электронных пар от четко определенного источника ( нуклеофильной связи или неподеленной пары) к четко определенному стоку ( электрофильный центр с низколежащей разрыхляющей орбиталью). Участвующие атомы претерпевают изменения заряда как в формальном смысле, так и с точки зрения фактической электронной плотности. Подавляющее большинство органических реакций подпадает под эту категорию. Радикальные реакции характеризуются видами с неспаренными электронами ( радикалами ) и движением одиночных электронов. Радикальные реакции подразделяются на цепные и нецепные процессы. Наконец, перициклические реакции связаны с перераспределением химических связей по циклическому переходному состоянию. Хотя формально в этом участвуют электронные пары, они движутся в цикле без истинного источника или стока. Эти реакции требуют непрерывного перекрытия участвующих орбиталей и регулируются соображениями орбитальной симметрии . Конечно, некоторые химические процессы могут включать этапы двух (или даже всех трех) из этих категорий, поэтому эта схема классификации не всегда является простой и ясной. Помимо этих классов, реакции, опосредованные переходными металлами, часто считаются образующими четвертую категорию реакций, хотя эта категория охватывает широкий спектр элементарных металлоорганических процессов, многие из которых имеют мало общего и очень специфичны.
Факторы, управляющие органическими реакциями, по существу такие же, как и в любой химической реакции . Факторами, специфичными для органических реакций, являются те, которые определяют стабильность реагентов и продуктов, таких как конъюгация , гиперконъюгация и ароматичность , а также наличие и стабильность реакционноспособных промежуточных продуктов , таких как свободные радикалы , карбокатионы и карбанионы .
Органическое соединение может состоять из многих изомеров . Поэтому селективность с точки зрения региоселективности , диастереоселективности и энантиоселективности является важным критерием для многих органических реакций. Стереохимия перициклических реакций регулируется правилами Вудворда-Гоффмана , а многих реакций элиминирования - правилом Зайцева .
Органические реакции играют важную роль в производстве фармацевтических препаратов . В обзоре 2006 года [4] было подсчитано, что 20% химических превращений связаны с алкилированием атомов азота и кислорода, еще 20% связаны с размещением и удалением защитных групп , 11% связаны с образованием новой связи углерод-углерод и 10% связаны с образованием новых связей углерод-углерод. Взаимопревращения функциональных групп .
Нет предела числу возможных органических реакций и механизмов. [5] [6] Однако наблюдаются некоторые общие закономерности, которые можно использовать для описания многих распространенных или полезных реакций. Каждая реакция имеет пошаговый механизм реакции , который объясняет, как она происходит, хотя это подробное описание стадий не всегда ясно из одного только списка реагентов. Органические реакции можно разделить на несколько основных типов. Некоторые реакции подходят более чем к одной категории. Например, некоторые реакции замещения идут по пути присоединения-отщепления. Этот обзор не предназначен для описания каждой органической реакции. Скорее, оно предназначено для освещения основных реакций.
В реакциях конденсации небольшая молекула, обычно вода, отделяется, когда два реагента соединяются в химической реакции. Обратная реакция, когда в реакции расходуется вода, называется гидролизом . Многие реакции полимеризации происходят из органических реакций. Их разделяют на аддитивную полимеризацию и ступенчатую полимеризацию .
В целом поэтапное развитие механизмов реакции можно представить с помощью методов перемещения стрелок , в которых изогнутые стрелки используются для отслеживания движения электронов при переходе исходных материалов к промежуточным продуктам и продуктам.
Органические реакции можно разделить на категории в зависимости от типа функциональной группы , участвующей в реакции в качестве реагента, и функциональной группы, образующейся в результате этой реакции. Например, в перегруппировке Фриса реагентом является сложный эфир , а продуктом реакции — спирт .
Обзор функциональных групп с их получением и реакционной способностью представлен ниже:
В гетероциклической химии органические реакции классифицируются по типу образующегося гетероцикла с учетом размера кольца и типа гетероатома. См., например, химию индолов . Реакции также классифицируются по изменению углеродного каркаса. Примерами являются расширение и сжатие кольца , реакции гомологации , реакции полимеризации , реакции внедрения , реакции раскрытия кольца и реакции замыкания кольца .
Органические реакции также можно классифицировать по типу связи с углеродом в зависимости от участвующего элемента. Другие реакции встречаются в кремнийорганической химии , сероорганической химии , фосфорорганической химии и химии фторорганических соединений . С появлением связей углерод-металл эта область переходит в металлоорганическую химию .