Przegląd reakcji organicznych

Chemia organicza jest logiczną dziedzina wiedzy, a nie jedynie zbiorem faktów i zdarzeń. Jest ona uporządkowaną i ujednoliconą nauka dzięki kilku podstawowym i bardzo ogólnym zasadom. Poznanie tych zasad znacznie ułatwia przyswajanie i zrozumienie chemii organicznej.

Każdą reakcję chemiczną możemy zaklasyfikować do różnych grup stosując różne kryteria. Najczęściej stosowane kryteria podziału reakcji chemicznych to ogólny sposób otrzymania produktów (synteza, analiza, wymiana...), mechanizm reakcji (substytucja, addycja ...), ogólny mechanizm procesu (łańcuchowa, równoległe, następcze), zmiany energetyczne (endo- i egzoenergetyczne, nieodwracalne i odwracalne, samorzutne...) itp.

Organiczne reakcje chemiczne można rozpatrywać z dwóch punktów widzenia: jakiego rodzaju jest zachodząca reakcja i w jaki sposób ona zachodzi. Zacznijmy przegląd od rodzajów zachodzących reakcji. Istnieją cztery typy reakcji organicznych: addycja, substytucja, eliminacja i przegrupowanie.

• Reakcje addycji (przyłączania) zachodzą wówczas, gdy dwa substraty reakcji łączą się ze sobą, tworząc jeden nowy produkt. Proces ten można przedstawić w postaci ogólnej jako:

A + B ® C

Przykładem reakcji addycji jest reakcja alkenu, takiego jak etylen, z HBr, która powoduje powstanie bromku alkilu. W reakcji tej nie powstają żadne produkty uboczne. W chemii organicznej reakcja addycji może zachodzić zgodnie (częściej) lub niezgodnie (rzadziej) z regułą Markownikowa. Zdolność do addycji wykazują głównie związki organiczne, które posiadają wiązania wielokrotne.

• Reakcje substytucji (podstawienia) zachodzą, gdy dwa substraty wymieniają się fragmentami swoich cząsteczek, dając dwa nowe produkty:

A-B + C-D ® A-C + B-D

Przykładem reakcji substytucji jest reakcja alkanu z chlorem, w obecności światła UV, dająca w efekcie chlorek alkilu. Podstawnik, jakim jest -Cl z cząsteczki chloru, zastępuje -H w cząsteczce alkanu, i w wyniku tego procesu powstają dwa nowe produkty.

Jeśli proces odłączania elementu od cząsteczki A jest powolny w stosunku do szybkości późniejszego przyłączenia grupy B, mówimy o substytucji jednocząsteczkowej (szybkość całego procesu wyznacza przemiana jednej cząsteczki). Gdy szybkości obu procesów - odłączania elementu od cząsteczki A i przyłączanie elementu B, mają szybkości porównywalne, mówimy o substytucji dwucząsteczkowej. "Zastąpiliśmy" tu pojęcie rzędowości reakcji pojęciem cząsteczkowości. Nie jest to jedyna niekonsekwencja w nomenklaturze stosowanej w chemii, ale pamiętajmy, że nauka ta rozwijała się przez wieki, że poglądy na różne zjawiska chemiczne ewoluowały, czego spuścizną jest między innymi ta czasem niekonsekwentna nomenklatura. Istnieje międzynarodowa organizacja uczonych (IUPAC), która od lat pracuje nad ujednoliceniem nomenklatury chemicznej (i nie tylko nomenklatury), lecz nie jest w stanie wprowadzić wszystkich zmian od razu, a też i nie wszystko warto zmieniać.

S_N1 - substytucja nukleofilowa jednocząsteczkowa - Substytucja nukleofilowa typu S_N1 przebiega w dwóch etapach. Pierwszym etapem jest wytworzenie karbokationu, który w drugim etapie jest atakowany przez nukleofil. Karbokationem jest grupa atomów zawierających atom węgla jedynie z sześcioma elektronami. Podobnie jak w wolnych rodnikach, rozróżnia się karbokationy;

• pierwszorzędowe
• drugorzędowe
• trzeciorzędowe

Karbokation, podobnie jak wolny rodnik, jest nadzwyczaj reaktywną cząsteczką. Jest to wynikiem deficytu elektronów i tendencją atomu węgla do uzupełnienia oktetu elektronów.

O trwałości karbokationów decydują czynniki sprzyjające rozproszeniu dodatniego ładunku na atomie węgla na którym występuje deficyt elektronów. Tym czynnnikiem jest rodzaj podstawnika (Z) przyłączony do tego atomu węgla, który może oddawać lub przyciągać elektrony.

W pierwszym etapie substytucji nukleofilowej jednocząsteczkowej następuje odejście nukleofila z wytworzeniem karbokationu. Warunkiem odejścia nukleofila opuszczającego jest to, by został on oderwany od cząsteczki przez jakiś atom (grupę atomów). Karbokation ma budowę płaską, trygonalną, dzięki czemu nukleofil atakujący może przyłączyć się do atomu z dowolnej strony. Taki przebieg reakcji warunkuje to, że gdy atom przy którym następuje podstawienie, jest atomem chiralnym to w produkcie znajdziemy mieszaninę izomerów w ilości 50:50 czyli tzw. racemat.

S_N2 - substytucja nukleofilowa dwucząsteczkowa - Substytucja nukleofilowa typu S_N2 przebiega w jednym etapie z udziałem dwóch cząsteczek. W jednym etapie do cząsteczki następuje zbliżenie się nukleofila, który się podstawia i odejście nukleofila odchodzącego.

W reakcji tej tworzy się pośredni etap, w którym to powstaje częściowe wiązanie z nukleofilem atakującym a wiązanie z nukleofilem odchodzącym zanika.

Nukleofil atakujący zawsze atakuje ze strony przeciwnej do nukleofila odchodzącego. Warunkuje to najczęściej zmianę konfiguracji formalnej atomu, przy którym następuje podstawienie (substytucja).

S_E - substytucja elektrofilowa to reakcja chemiczna, w której następuje podstawienie grupy odchodzącej przez atakujący elektrofil. Reakcja substytucji elektrofilowej według teorii elektronowej zachodzi w ten sposób, że w pierwszym etapie reakcji tworzy się przejściowy związek, powstający przez przyłączenie atakującego reagenta kationoidowego do cząsteczki benzenu, kosztem jednej z par elektronowych układu aromatycznego. Taki przejściowy związek zwany jest kompleksem σ (sigma) i ma charakter kationu. Kation taki może być stabilizowany przez rezonans, ponieważ możemy napisać dla niego różne struktury kanoniczne odpowiadające różnym rozmieszczeniom ładunku dodatniego w pierścieniu. Kompleks σ wykazuje dążność do odtworzenia układu aromatycznego w pierścieniu, co połączone będzie z utratą energii, związaną z dużą rezonansową stabilizacją układu aromatycznego. Ta tendencja jest siłą napędową drugiego etapu reakcji, w którym następuje odszczepienie atomu wodoru i ponowne utworzenie sekstetu elektronowego w pierścieniu odpowiedniej pochodnej. Etap ten jest na ogół szybszy od tworzenia kompleksu.

W zależności od rodzaju związku wyróżniamy: substytucję elektrofilową aromatyczną lub alifatyczną.

Przykładami dla reakcji aromatycznej substytucji elektrofilowej może być halogenowanie, nitrowanie, sulfonowanie, bądź alkilowanie benzenu. Po wprowadzeniu jednego podstawnika utworzona monopochodna benzenu może ulegać dalszej substytucji i w wyniku reakcji może powstać skomplikowana mieszanina produktów. Dlatego ważne jest dokładne przestrzeganie odpowiednich warunków reakcji, które zazwyczaj faworyzują tworzenie się głównego produktu reakcji w znacznej przewadze. Inne areny reagują podobnie do benzenu, ale przy nierównocennych atomach węgla w pierścieniach lub jeżeli z pierścieniem związany jest już jakiś podstawnik, należy w analizie mechanizmów takich reakcji uwzględniać możliwość zróżnicowanego rozmieszczenia gęstości elektronowej w cząsteczce substratu. Podstawniki połączone z pierścieniem aromatycznym mogą aktywująco lub dezaktywująco wpływać na reaktywność danego związku w reakcjach substytucji elektrofilowej. Oznacza to, że odpowiednie pochodne benzenu, np. toluen zawierający podstawnik metylowy lub nitrobenzen z podstawnikiem -NO₂ itp., mogą reagować szybciej (wpływ aktywujący podstawnika) lub wolniej (wpływ dezaktywujący) niż związek macierzysty, czyli benzen.

• Reakcje eliminacji są, w pewnym sensie odwróceniem reakcji addycji. Reakcje te zachodzą, gdy pojedynczy substrat rozszczepia się na dwa produkty:

A ® B + C

Przykładem reakcji eliminacji jest reakcja z zasadą halogenku alkilu, w której powstaje kwas i alken.

E2- eliminacja dwucząsteczkowa - Reakcja eliminacji E2 przebiega dość podobnie do reakcji substytucji S_N2. W jednym etapie następuje odejście dwóch atomów.

E1 - eliminacja jednocząsteczkowa - Reakcja eliminacji E1 przebiega podobnie jak reakcja substytucji S_N1. Reakcja eliminacji E1 jest reakcją dwuetapową i normalnie zachodzi bez obecności zasady. W pierwszym etapie powstaje karbokation. Etap ten zachodzi powoli a więc decyduje on o szybkości reakcji. W etapie drugim rozpuszczalnik odrywa proton od węgla β karbokationu, następuje przejście pary elektronowej i utworzenie podwójnego wiązania. Odłączenie wodoru jest etapem szybkim a więc nie wpływa na szybkość reakcji. Na szybkość reakcji ma wpływ również budowa łańcucha węglowego. Mianowicie wraz ze wzrostem rozgałęzienia łańcucha reaktywność rośnie, jest to spowodowane tworzeniem się możliwie najtrwalszego karbokationu. Pierwszy etap jest analogiczny do mechanizmu S_N1. Skłonność do eliminacji E1 wykazują głównie trzeciorzędowe halogenopochodne i to wtedy gdy w mieszaninie reakcyjnej nie znajdują się silne zasady.

• Reakcje przegrupowania zachodzą wówczas, gdy pojedynczy substrat ulega reorganizacji wiązań i atomów, dając produkt izomeryczny:

A® B

Przykładem reakcji przegrupowania jest przemiana 1-butenu w jego izomer 2-buten, co zachodzi pod wpływem katalizatora kwasowego.

• Mechanizmy reakcji:

Całkowity opis przebiegu reakcji nosi nazwę mechanizmu reakcji. Mechanizm reakcji dokładnie opisuje szczegóły przebiegu reakcji w każdym etapie przekształcenia chemicznego. Pokazuje on, które wiązania ulegają rozerwaniu i w jakiej kolejności, które wiązania powstają i w jakiej kolejności, a także jaka jest względna szybkość każdego etapu. Pełny mechanizm musi również uwzględniać wszystkie substraty, wszystkie utworzone produkty oraz odpowiednie ilości każdego z nich.

Mechanizmy pozwalają nam nie tylko dojść do pewnych przypuszczeń, jaki będzie produkt przejściowy, jaka jest droga reakcji i jaki będzie produkt tejże reakcji, ale pozwalają na całkowite zaplanowanie syntezy.

Gdyby nie znane mechanizmy, nie moglibyśmy powiedzieć, że jak dodamy A do B to nam wyjdzie C z pewnym prawdopodobieństwem. Dzięki mechanizmom, planujemy czasem wieloetapowe syntezy, bez ponoszenia kosztów z jakimi wiązało by się sprawdzanie każdej z nich, pod kątem tego, czy wyjdzie i co wyjdzie.

W czasach średniowiecznych "alchemicy" mieszali jedno z drugim mając nadzieję, że powstanie to co chcą, niestety nie zawsze im się to udawało. Teraz, dzięki znajomości mechanizmów rządzących reakcjami nie mamy już takich problemów.

Ogólnie, we wszystkich reakcjach chemicznych następuje rozrywanie jednych wiązań i tworzenie innych. Gdy dwa substraty spotykają się - reagują i tworzą produkt; w ten sposób powstają określone wiązania w produktach. Obserwuje się dwa podstawowe sposoby rozrywania dwuelektronowych wiązań atomowych: wiązanie może ulec rozerwaniu w sposób symetryczny, to znaczy taki, gdzie jeden elektron pozostaje w każdej części produktu, albo też wiązanie może ulec rozerwaniu w sposób niesymetryczny, czyli taki, gdzie elektrony wiążące pozostają z jedną częścią produktu, pozostawiając drugą część z orbitalem niezapełnionym. Rozpad symetryczny nazywa się rozpadem homolitycznym, natomiast rozpad niesymetryczny określa się jako heterolitycznym.

Analogicznie, istnieją dwa sposoby powstawania wiązania atomowego dwuelektronowego; wiązanie może tworzyć się w sposób symetryczny (homogeniczny), gdy każdy substrat wnosi do nowego wiązania po jednym elektronie, lub w sposób niesymetryczny (heterogeniczny), gdy do nowego wiązania elektrony wiążące wnosi tylko jeden z substratów.

Proces, w którym zachodzi symetryczne rozrywanie wiązań albo tworzenie wiązania nosi nazwę reakcji rodnikowej. Rodnik (czasami nazywany wolnym rodnikiem) jest indywiduum molekularnym, które zawiera nieparzysta liczbę elektronów walencyjnych, w ten sposób ma pojedynczy, niesparowany elektron na jednym ze swoich orbitali. Proces, w którym następuje niesymetryczne rozrywanie lub tworzenie wiązani, nosi nazwę reakcji polarnej. W wyniku takiej reakcji powstaje indywiduum molekularne, które ma parzysta liczb e elektronów walencyjnych i w ten sposób na swoich orbitalach ma jedynie pary elektronowe. Reakcje polarne są najbardziej popularnym typem reakcji w chemii organicznej.

Oprócz reakcji polarnych i rodnikowych istnieje trzeci rodzaj reakcji, tzw. reakcje pericykliczne.

Reakcjom rodnikowym sprzyja wysoka temperatura, zachodzą one łatwo w fazie gazowej oraz w rozpuszczalnikach niepolarnych. Nie są wrażliwe na katalityczny wpływ kwasów lub zasad, ulegają natomiast zahamowaniu pod wpływem inhibitorów reagujących z wolnymi rodnikami.

Reakcjom jonowym sprzyjają rozpuszczalniki polarne, zachodzą zwykle w fazie ciekłej, lub na powierzchni ciał stałych, czyli polarnych katalizatorów. Reakcje jonowe są wrażliwe na katalityczny wpływ kwasów i zasad, natomiast niewrażliwe na działanie inhibitorów reagującymi z wolnymi rodnikami. Należy jednak zaznaczyć, że nie istnieją reakcje pośrednie pomiędzy reakcjami rodnikowymi a jonowymi. W zależności od sposobu rozerwania wiązań uzyskujemy cząsteczki o charakterze rodnika lub elektrofila i nukleofila.

• Reakcje rodnikowe i ich przebieg:

Reakcje rodnikowe nie są tak powszechne jak reakcje polarne, są jednak bardzo ważne w chemii organicznej, szczególnie w przypadku pewnych procesów przemysłowych. Z procesami z udziałem rodników spotykamy się praktycznie na każdym kroku. Procesy spalania oraz procesy zachodzące w atmosferze oraz środowisku naturalnym i prowadzące do ich zanieczyszczenia, procesy zachodzące w układach biologicznych towarzyszące stanom chorobowym oraz procesom starzenia się organizmów, to tylko niektóre z przykładów, których jesteśmy świadkami lub doświadczamy ich osobiście.

Historycznie, pierwszy rodnik został zidentyfikowany przez Gomberga w roku 1900 w formie trójwartościowego związku, trifenylometylu Ph₃C. Trzeba było jednak czekać prawie 40 lat, aby reakcje rodnikowe były po raz pierwszy wykorzystane przez chemików w syntezie chemicznej. W kolejnych dekadach XX wieku udowodniono istotny udział reakcji rodnikowych w układach biologicznych ora ich znaczenie w medycynie.

Chociaż większość rodników jest elektrycznie obojętna, są one bardzo reaktywne, ponieważ zawierają atom z nieparzysta liczba elektronów na jego powłoce walencyjnej zamiast trwałego oktetu gazu szlachetnego. Oktet elektronowy na powłoce walencyjnej może powstać na wiele sposobów. Na przykład: rodnik może oderwać atom (albo grupę atomów) z innej cząsteczki, tworząc w konsekwencji obojętna cząsteczkę i nowy rodnik. Sumaryczny wynik jest reakcją substytucji rodnikowej.

Reakcje substytucji rodnikowej przebiegają zwykle w trzech etapach: inicjacji (zapoczątkowania), propagacji (kontynuowania) oraz terminacji (zakończenia).

Inicjacja - Etap ten rozpoczyna reakcję tworzenia reaktywnych rodników. Rozważmy przypadek reakcji rodnikowej - chlorowanie metanu. Stosunkowo słabe wiązanie Cl-Cl ulega homolitycznemu rozerwaniu pod wpływem naświetlania światłem UV. Tworzą się dwa reaktywne rodniki chlorowe i następuje kolejny etap.

Cl−Cl ^hν→ 2 Cl^•

Propagacja - Gdy w środowisku reakcji pojawi się niewielka liczba rodników chlorowych, zachodzi etap propagacji (wydłużenia łańcucha). Gdy rodnik chlorowy reaguje z cząsteczką metanu, odrywa od niego atom wodoru i tworzy cząsteczkę HCl oraz rodnik metylowy. Rodnik metylowy reaguje następnie w drugim etapie propagacji z cząsteczką Cl₂, tworząc trwały produkt - chlorometan, i nowy rodnik chlorowy, który ponownie uczestniczy w pierwszym etapie propagacji.

CH₄ + Cl^•→ CH₃^• + HCl

CH₃^• + Cl₂→ CH₃Cl + Cl^•

Gdy sekwencja reakcji zostanie zapoczątkowana, reakcja przebiega przez powtarzające się etapy, co stanowi o charakterze tej reakcji - jest to reakcja łańcuchowa.

Terminacja (zakończenie reakcji) - Niekiedy dwa rodniki mogą połączyć się ze sobą i utworzyć trwały produkt. Gdy do tego dojdzie cykl reakcyjny zostaje zerwany i łańcuch reakcyjny się kończy. Taka terminacja zachodzi jednak rzadko, ponieważ stężenie rodników w dowolnym momencie reakcji jest bardzo małe i prawdopodobieństwo, że dwa rodniki zderzą się ze sobą jest również niewielkie.

Cl^• + Cl^•→ Cl₂

CH₃^• + Cl^•→ CH₃Cl

CH₃^• + CH₃^•→ C₂H₆

Przedstawiona reakcja jest reakcją rodnikową, ponieważ zachodzi według mechanizmu wolnorodnikowego. Jest reakcją fotochemiczną, ponieważ w fazie inicjacji wymagany jest dostęp światła. Jest też reakcją łańcuchową, ponieważ procesy propagacji napędzają się wzajemnie powtarzając się cyklicznie. I w końcu jest to reakcja substytucji, czyli podstawienia, bo jeden atom jest wymieniany na inny.

To jednak nie koniec. Kto zabroni rodnikowi chlorowy może podstawić także chlorometan. Mogą więc zachodzić dalsze podstawienia.

CH₃Cl + Cl^•→ CH₂Cl^• + HCl

CH₂Cl^• + Cl₂→ CH₂Cl₂ + Cl^•

CH₂Cl₂ + Cl^•→ CHCl₂^• + HCl

CHCl₂^• + Cl₂→ CHCl₃ + Cl^•

CHCl₃ + Cl^•→ CCl₃^• + HCl

CCl₃^• + Cl₂→ CCl₄ + Cl^•

Z chloru i metanu powstają: CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄, a także produkty uboczne HCl w tym wyższe węglowodory jak C₂H₅ oraz ich chloropochodne, oczywiście w śladowych ilościach.

Opisana reakcja substytucji rodnikowej stanowi jedynie jeden z wielu różnych procesów, w których mogą uczestniczyć rodniki. Jednak podstawa, na której opierają się wszystkie reakcje rodnikowe jest taka sama. Wiązania ulegają rozerwaniu lub powstają przy udziale rodników o nieparzystej liczbie elektronów.

Alternatywnie, rodnik może przyłączać się do alkenu, wykorzystując jeden elektron wiązania podwójnego alkenu, co prowadzi do powstania nowego rodnika. Sumaryczny wynik jest reakcją addycji rodnikowej.

Najczęściej rodniki powstają w wyniku reakcji oderwania atomu wodoru od cząsteczki związku organicznego. Jeżeli następuje oderwanie pierwszorzędowego atomu wodoru, to spowoduje powstanie pierwszorzędowego rodnika, oderwanie drugorzędowego atomu wodoru powoduje utworzenie rodnika drugorzędowego itd. Otóż zauważono, że względna łatwość odrywania się atomu wodoru, przedstawia się następująco.

3^o > 2^o > 1^o > CH₃

I odpowiednio, trwałość wolnych rodników jest następująca

3^o > 2^o > 1^o > CH₃

Z tego wynika, że im trwalszy jest wolny rodnik, tym łatwiej się tworzy. Takie uogólnienie jest szczególnie użyteczne, ponieważ trwałość rodników decyduje o orientacji i reaktywności podczas wielu reakcji, w których powstają wolne rodniki.

• Reakcje polarne i ich przebieg:

Przyczyna zachodzenia reakcji polarnej jest przyciąganie pomiędzy ładunkiem dodatnim i ujemnym w cząsteczkach. Większość cząsteczek organicznych jest elektrycznie obojętna; nie mają żadnego ładunku, ani dodatniego, ani ujemnego. Jednak niektóre wiązania w cząsteczce, a szczególnie wiązania w niektórych grupach funkcyjnych są polarne. Polarność wiązania wynika z niesymetrycznego rozkładu elektronów w wiązaniu i jest związana z różnicą elektroujemności powiązanych ze sobą atomów.

Pierwiastki, takie jak tlen, fluor, azot, brom, chlor, są bardzie elektroujemne niż węgiel. W ten sposób atom węgla przyłączony do jednego z tych elektroujemnych pierwiastków jest obarczony cząstkowym ładunkiem dodatnim, a atom elektroujemny w konsekwencji ma nieznaczny cząstkowy ładunek ujemny. Dla odmiany, metale są mniej elektroujemne niż węgiel. atom węgla przyłączony do metalu ma cząstkowy ładunek ujemny, a atom metalu ma cząstkowy ładunek dodatni.

Wiązania polarne mogą być również skutkiem oddziaływania grup funkcyjnych z rozpuszczalnikami oraz z zasadami i kwasami Lewisa. Na przykład polaryzacja wiązania węgiel-tlen w metanolu zdecydowanie zwiększa się w wyniku protonowania atomu tlenu. W obojętnym metanolu atom węgla jest nieco uboższy w elektrony, ponieważ elektroujemny atom tlenu przyciąga elektrony w wiązaniu węgiel-tlen. Jednakże w kationie protonowanego metanolu całkowity ładunek dodatni atomu tlenu silnie przyciąga elektrony w wiązaniu węgiel-tlen, z czego wynika, ze atom węgla jest jeszcze bardziej ubogi w elektrony.

Kolejnym pojęciem, różnym od polarności, jest polaryzowalność (zdolność do polaryzacji) atomu. Gdy pole elektryczne wokół danego atomu zmienia się wskutek oddziaływania z rozpuszczalnikami lub z innymi reagentami polarnymi, rozkład chmury elektronowej wokół tego atomu również ulega zmianie. Zjawisko to, czyli zaburzenia chmury elektronowej atomu, pod wpływem czynników zewnętrznych, nosi nazwę polaryzowalności atomu. Większe atomy, z elektronami luźniej upakowanymi, są bardziej polaryzowalne niż mniejsze atomy z elektronami ciaśniej upakowanymi. Z tego powodu jod jest bardziej polaryzowalny niż fluor. Wynikiem tak dużej polaryzowalności jodu jest to, że wiązanie węgiel-jod, chociaż elektronowo symetryczne, może zachowywać się tak jakby było polarne.

Ponieważ ładunki przeciwnie naładowane przyciągają się wzajemnie, podstawową cechą charakterystyczną wszystkich polarnych reakcji organicznych jest to, że miejsca bogate w elektrony w jednej cząsteczce reagują z miejscami ubogimi w elektrony w drugiej cząsteczce. Wiązania chemiczne powstają, gdy reagent bogaty w elektrony dostarcza pary elektronowej reagentowi ubogiemu w elektrony, a wiązania ulegają rozerwaniu, gdy jeden z dwóch fragmentów cząsteczki odchodzi z parą elektronów.

W odniesieniu do obiektów biorących udział w reakcji polarnej chemicy wprowadzili pojęcia elektrofil i nukleofil.

• Elektrofil - cząsteczka lubiąca centra bogate w elektrony (lubi elektrony). Centra elektrofilowe charakteryzują się obniżoną gęstością elektronową (na przykład poprzez efekt indukcyjny innych atomów), lub posiadają sekstet elektronów zamiast oktetu. W przypadku, gdy centrum elektrofilowe powstało w wyniku obniżenia gęstości elektronowej, atom będący centrum elektrofilowym musi być połączony z atomem lub grupą łatwo odchodzącą (trwałą termodynamicznie, grupy trwałe termodynamicznie najprościej rzecz ujmując to takie, które istnieją w przyrodzie. OH-, H-, NH₂- i ich pochodne nie są trwałe termodynamicznie, nie istnieją w przyrodzie, a zatem nie są grupami odchodzącymi). Elektrofil jest kwasem Lewisa. Elektrofile często posiadają ładunek dodatni.
• Nukleofil - cząsteczka lubiąca jądra atomowe (ładunek dodatni), czyli sama musi posiadać elektrony, za pomocą których może utworzyć wiązanie chemiczne. Centrami nukleofilowymi są atomy, które posiadają pary elektronowe i mogące te pary uwspólnić z elektrofilem. Nukleofil jest zasadą Lewisa. Nukleofile są często, chociaż nie zawsze naładowane ujemnie.

Elektrofil zawsze reaguje z nukleofilem, a dokładnie centrum elektrofilowe z centrum nukleofilowym. Z wolnej pary elektronowej, która znajduje się na centrum nukleofilowym powstaje wiązanie chemiczne. Bez względu jak bardzo złożone są te reagenty, nowe wiązanie powstaje zawsze pomiędzy elektrofilem i nukleofilem. Dlatego centra elektrofilowe i nukleofilowe nazywamy centrami reakcyjnymi.

Typową reakcją polarną jest addycja HBr do etylenu. Gdy etylen poddamy w temperaturze pokojowej reakcji z bromowodorem, wówczas powstanie bromoetan. Jest to reakcja addycji elektrofilowej. Alkany, takie jak etan, są stosunkowo niereaktywne, ponieważ wszystkie elektrony walencyjne są ze sobą związane silnymi wiązaniami niepolarnymi. Co więcej elektrony wiążące w alkanach są stosunkowo niedostępne dla zbliżających się reagentów. Jednakże struktura elektronowa w alkenach jest całkowicie odmienna. Po pierwsze, wiązanie podwójne wykazuje większą gęstość elektronową niż wiązanie pojedyncze - cztery elektrony w wiązaniu podwójnym wobec tylko dwóch elektronów w wiązaniu pojedynczym. Równie ważne jest to, że elektrony w wiązaniu π są łatwo dostępne dla zbliżających się reagentów, ponieważ znajdują się powyżej i poniżej płaszczyzny wiązania podwójnego, a nie są uwięzione między jądrami.

Zarówno duża gęstość elektronów, jak i ich dostępność prowadzą do wniosku, że wiązania podwójne węgiel-węgiel będą zachowywały się jak nukleofile. Oznacza to, że chemia alkenów będzie zdominowana przez reakcję bogatego w elektrony walencyjne wiązania podwójnego z reagentami ubogimi w elektrony. Oznacza to, że jedna z najważniejszych reakcji alkenów jest reakcja z elektrofilami. Natomiast kwas bromowodorowy jest mocnym kwasem nieorganicznym i donorem protonu. Ponieważ proton posiada ładunek dodatni, a więc jest ubogi w elektrony, oznacza to, ze jest on dobrym elektrofilem. W ten sposób reakcja pomiędzy protonem a alkenem jest typową kombinacją elektrofilowo-nukleofilową, charakterystyczna dla wszystkich reakcji polarnych.