Классификация органических реакций

Классификация органических реакций служит систематизации огромного многообразия превращений углеродсодержащих соединений и основана на анализе характера разрыва и образования химических связей, природы реагентов и интермедиатов, механизма процесса и условий его протекания. В органическом синтезе классификация имеет не только описательное, но и прогностическое значение, позволяя выбирать оптимальные пути построения молекул заданной структуры.

Классификация по характеру изменения углеродного скелета

Реакции без изменения углеродного скелета В этих процессах сохраняется число и последовательность атомов углерода:

  • замещения;
  • присоединения;
  • элиминирования;
  • перегруппировки без миграции углеродных атомов за пределы скелета.

Реакции с изменением углеродного скелета Характеризуются образованием или разрывом связей C–C:

  • реакции карбонирования;
  • реакции удлинения цепи (алкилирование, ациллирование);
  • реакции расщепления цепи (окислительное расщепление, ретрореакции);
  • циклизации и раскрытие циклов.

Реакции замещения

В реакциях замещения один атом или функциональная группа в молекуле заменяется другой.

Нуклеофильное замещение (SN) Протекает с участием нуклеофила и электрофильного углеродного центра:

  • SN1 — ионизационный механизм через карбкатион;
  • SN2 — бимолекулярный одностадийный механизм с инверсией конфигурации.

Электрофильное замещение (SE) Типично для ароматических соединений:

  • нитрование;
  • сульфирование;
  • галогенирование;
  • алкилирование и ацилирование по Фриделю–Крафтсу.

Радикальное замещение (SR) Происходит через радикальные интермедиаты, характерно для алканов и алифатических цепей.

Реакции присоединения

Присоединение сопровождается увеличением степени насыщенности молекулы.

Электрофильное присоединение Типично для алкенов и алкинов:

  • гидрогалогенирование;
  • гидратация;
  • галогенирование.

Нуклеофильное присоединение Характерно для кратных связей C=O и C≡N:

  • реакции карбонильных соединений;
  • образование спиртов, аминов, ацеталей.

Радикальное присоединение Имеет цепной механизм и отличается низкой селективностью.

Реакции отщепления (элиминирования)

Элиминирование приводит к образованию кратной связи.

β-Элиминирование Наиболее распространённый тип:

  • E1 — ионизационный механизм;
  • E2 — бимолекулярный согласованный механизм.

Внутримолекулярное элиминирование Сопровождается циклизацией или дегидратацией.

Перегруппировки

Перегруппировки сопровождаются внутримолекулярной миграцией атомов или групп.

Карбкатионные перегруппировки

  • перегруппировка Вагнера–Меервейна;
  • гидридные и алкильные сдвиги.

Анионные перегруппировки

  • перегруппировка Бекмана;
  • перегруппировка Фаворского.

Согласованные перегруппировки

  • перегруппировка Клайзена;
  • перегруппировка Коупа.

Классификация по механизму реакции

Ионные реакции

  • протекают через заряженные интермедиаты;
  • зависят от полярности растворителя и природы заместителей.

Радикальные реакции

  • включают гомолитический разрыв связей;
  • часто инициируются светом или радикалообразующими агентами.

Перициклические реакции

  • протекают без образования ионных или радикальных интермедиатов;
  • включают электроциклические реакции, цикло-присоединения, сигматропные перегруппировки;
  • подчиняются правилам орбитальной симметрии.

Классификация по числу реагирующих частиц

Мономолекулярные реакции Скорость зависит от концентрации одного реагента (SN1, E1).

Бимолекулярные реакции Скорость определяется взаимодействием двух частиц (SN2, E2, реакции присоединения).

Многочастичные реакции Редки, как правило реализуются в виде последовательности элементарных стадий.

Классификация по термодинамическим и кинетическим признакам

Экзотермические реакции Сопровождаются выделением тепла, часто необратимы.

Эндотермические реакции Требуют подвода энергии, часто обратимы.

Кинетически контролируемые реакции Определяются скоростью образования продукта.

Термодинамически контролируемые реакции Определяются стабильностью конечного продукта.

Классификация по стереохимическому результату

Стереоспецифические реакции Конфигурация реагента однозначно определяет конфигурацию продукта.

Стереоселективные реакции Образуется преимущественно один из возможных стереоизомеров.

Асимметрические реакции Приводят к образованию хиральных соединений с неравным выходом энантиомеров.

Классификация по условиям и среде протекания

Каталитические реакции

  • кислотно-основный катализ;
  • металлический катализ;
  • ферментативный катализ.

Фазовые реакции

  • гомогенные;
  • гетерогенные;
  • межфазные (фазотрансферный катализ).

Реакции в специальных средах

  • в сверхкритических флюидах;
  • в ионных жидкостях;
  • в безрастворных условиях.

Синтетическая направленность классификации

В органическом синтезе особое значение имеет деление реакций на:

  • функционализационные — введение или преобразование функциональных групп;
  • каркасостроительные — формирование C–C связей;
  • защитно-деблокирующие — временная модификация реакционной способности;
  • селективные и каскадные реакции — обеспечивающие многостадийные превращения в одном реакционном объёме.

Такая классификация отражает логику построения сложных молекул и лежит в основе стратегического планирования органического синтеза.

Оглавление