Органические реакции — это химические реакции с участием органических соединений . [1] [2] [3] Основными типами реакций органической химии являются реакции присоединения , реакции элиминирования , реакции замещения , перициклические реакции , реакции перегруппировки , фотохимические реакции и окислительно-восстановительные реакции . В органическом синтезе органические реакции используются для построения новых органических молекул. Производство многих искусственных химикатов, таких как лекарства, пластмассы , пищевые добавки , ткани , зависит от органических реакций.
Древнейшие органические реакции — это сжигание органического топлива и омыление жиров для получения мыла. Современная органическая химия начинается с синтеза Вёлера 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 году и метатезис олефинов в 2005 году.
В органической химии существует сильная традиция называть конкретную реакцию именем ее изобретателя или изобретателей, и существует длинный список так называемых именованных реакций , по консервативным оценкам около 1000. Очень старая именованная реакция — перегруппировка Кляйзена (1912), а недавняя именованная реакция — реакция Бингеля (1993). Когда именованная реакция труднопроизносима или очень длинная, как в реакции Кори–Хауса–Познера–Уайтсайдса, полезно использовать аббревиатуру, как в сокращении CBS . Количество реакций, намекающих на фактически происходящий процесс, намного меньше, например, еновая реакция или альдольная реакция .
Другой подход к органическим реакциям — по типу органического реагента , многие из которых неорганические , необходимые для определенного преобразования. Основными типами являются окислители, такие как тетроксид осмия , восстановители, такие как алюмогидрид лития , 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 перемещением электронных пар от четко определенного источника ( нуклеофильная связь или неподеленная пара) к четко определенному стоку ( электрофильный центр с низколежащей антисвязывающей орбиталью). Участвующие атомы претерпевают изменения заряда, как в формальном смысле, так и с точки зрения фактической электронной плотности. Подавляющее большинство органических реакций попадают в эту категорию. Радикальные реакции характеризуются видами с неспаренными электронами ( радикалами ) и перемещением отдельных электронов. Радикальные реакции далее делятся на цепные и нецепные процессы. Наконец, перициклические реакции включают перераспределение химических связей вдоль циклического переходного состояния . Хотя формально электронные пары участвуют, они перемещаются по циклу без истинного источника или стока. Эти реакции требуют непрерывного перекрытия участвующих орбиталей и регулируются соображениями орбитальной симметрии . Конечно, некоторые химические процессы могут включать шаги из двух (или даже всех трех) этих категорий, поэтому эта схема классификации не обязательно является простой или ясной во всех случаях. Помимо этих классов, реакции, опосредованные переходными металлами, часто рассматриваются как образующие 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 сути те же, что и в любой химической реакции . Факторы, специфичные для органических реакций, — это те, которые определяют стабильность реагентов и продуктов, таких как сопряжение , гиперконъюгация и ароматичность , а также наличие и стабильность реактивных промежуточных продуктов, таких как свободные радикалы , карбокатионы и карбанионы .
Органическое соединение может состоять из многих изомеров . Селективность с точки зрения региоселективности , диастереоселективности и энантиоселективности является, таким образом, важным критерием для многих органических реакций. Стереохимия перициклических реакций регулируется правилами Вудворда-Хоффмана , а стереохимия 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 включали алкилирование атомов азота и кислорода, еще 20% включали размещение и удаление защитных групп , 11% включали образование новой связи углерод-углерод и 10% включали взаимопревращения функциональных групп .
Нет предела числу возможных органических реакций и механизмов. [5] [6] Однако наблюдаются определенные 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 шагов не всегда ясно из списка реагентов. Органические реакции можно организовать в несколько основных типов. Некоторые реакции попадают в более чем одну категорию. Например, некоторые реакции замещения следуют пути присоединения-элиминирования. Этот обзор не предназначен для того, чтобы охватить каждую отдельную органическую реакцию. Скорее, он предназначен для того, чтобы охватить основные реакции.
В реакциях конденсации небольшая молекула, обычно вода, отщепляется, когда два реагента объединяются в химической реакции. Противоположная реакция, когда вода расходуется в реакции, называется гидролизом . Многие реакции полимеризации происходят от органических реакций. Они делятся на полимеризации присоединения и полимеризации ступенчатого роста .
В общем случае пошаговое развитие механизмов реакции можно представить с помощью методов протягивания стрелок , в которых изогнутые стрелки используются для отслеживания движения электронов при переходе исходных материалов в промежуточные соединения и продукты.
Органические реакции можно классифицировать на основе типа функциональной группы , участвующей в реакции в качестве реагента, и функциональной группы, которая образуется 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 гетероцикла, образованного в зависимости от размера кольца и типа гетероатома. См., например, химию индолов . Реакции также классифицируются по изменению углеродного каркаса. Примерами являются расширение кольца и сужение кольца , реакции гомологизации , реакции полимеризации , реакции вставки , реакции раскрытия кольца и реакции замыкания кольца .
Органические реакции также можно классифицировать по типу связи с углеродом относительно вовлеченного элемента. Больше реакций обнаружено в кремнийорганической химии , сероорганической химии , фосфорорганической химии и фторорганической химии . С введением связей углерод-металл область переходит в металлоорганическую химию .