Fiecare clasă de compuși chimici este capabilă să prezinte proprietăți datorită structurii lor electronice. Alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție, eliminare sau oxidare a moleculelor. Toate procesele chimice au propriile lor caracteristici ale fluxului, care vor fi discutate în continuare.
Ce sunt alcanii
Aceștia sunt compuși de hidrocarburi saturate numiți parafine. Moleculele lor constau numai din atomi de carbon și hidrogen, au un lanț aciclic liniar sau ramificat, în care există doar compuși unici. Având în vedere caracteristicile clasei, este posibil să se calculeze ce reacții sunt caracteristice alcanilor. Aceștia respectă formula la nivel de clasă: H2n+2C.
Structură chimică
Molecula de parafină include atomi de carbon care prezintă sp3-hibridare. Toți cei patru orbiti de valență au aceeași formă, energie și direcție în spațiu. Dimensiunea unghiului dintre nivelurile de energie este de 109° și 28'.
Prezența unor legături simple în molecule determină ce reacțiicaracteristic alcanilor. Ele conțin σ-compuși. Legătura dintre atomi de carbon este nepolară și slab polarizabilă și este puțin mai lungă decât în C-H. Există, de asemenea, o schimbare a densității electronilor către atomul de carbon, ca fiind cel mai electronegativ. Ca rezultat, compusul C−H este caracterizat de polaritate scăzută.
Reacții de înlocuire
Substanțele din clasa parafinei au activitate chimică slabă. Acest lucru poate fi explicat prin puterea legăturilor dintre C-C și C-H, care sunt greu de rupere din cauza nepolarității. Distrugerea lor se bazează pe un mecanism omolitic, la care participă radicalii de tip liber. De aceea alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție. Astfel de substanțe nu sunt capabile să interacționeze cu moleculele de apă sau cu ionii purtători de sarcină.
Acestea includ substituția radicalilor liberi, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu elemente de halogen sau alte grupări active. Aceste reacții includ procese asociate cu halogenare, sulfoclorurare și nitrare. Rezultatul lor este prepararea derivaților de alcani.
Mecanismul reacțiilor de substituție a radicalilor liberi se bazează pe principalele trei etape:
- Procesul începe cu inițierea sau nuclearea unui lanț, în urma căruia se formează radicali liberi. Catalizatorii sunt surse de lumină ultravioletă și căldură.
- Apoi se dezvoltă un lanț, în care au loc interacțiuni succesive ale particulelor active cu moleculele inactive. Ele sunt transformate în molecule și, respectiv, radicali.
- Ultimul pas este să rupi lanțul. Se observă recombinarea sau dispariția particulelor active. Acest lucru oprește dezvoltarea unei reacții în lanț.
Proces de halogenare
Se bazează pe un mecanism de tip radical. Reacția de halogenare a alcanilor are loc prin iradierea ultravioletă și încălzirea unui amestec de halogeni și hidrocarburi.
Toate etapele procesului sunt supuse regulii enunțate de Markovnikov. Se precizează că, în primul rând, atomul de hidrogen, care aparține carbonului cel mai hidrogenat, este supus înlocuirii cu un halogen. Halogenarea are loc în următoarea secvență: de la atomul terțiar la carbonul primar.
Procedeul este mai bun pentru moleculele de alcan cu un lanț principal de carbon lung. Acest lucru se datorează unei scăderi a energiei ionizante în această direcție, un electron este mai ușor separat de substanță.
Un exemplu este clorurarea unei molecule de metan. Acțiunea ultravioletelor duce la scindarea clorului în particule radicale care atacă alcanul. Are loc o detașare de hidrogen atomic și formarea H3C· sau a unui radical metil. O astfel de particulă, la rândul său, atacă clorul molecular, ducând la distrugerea structurii acestuia și la formarea unui nou reactiv chimic.
Doar un atom de hidrogen este înlocuit în fiecare etapă a procesului. Reacția de halogenare a alcanilor duce la formarea treptată a moleculelor de clormetan, diclormetan, triclormetan și tetraclorură de carbon.
Schematic, procesul arată astfel:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Spre deosebire de clorurarea unei molecule de metan, efectuarea unui astfel de proces cu alti alcani se caracterizeaza prin obtinerea de substante in care inlocuirea hidrogenului are loc nu la un atom de carbon, ci la mai multi. Raportul lor cantitativ este asociat cu indicatorii de temperatură. În condiții de frig, are loc o scădere a vitezei de formare a derivaților cu structură terțiară, secundară și primară.
Odată cu creșterea temperaturii, rata de formare a unor astfel de compuși scade. Procesul de halogenare este influențat de factorul static, care indică o probabilitate diferită ca un radical să se ciocnească cu un atom de carbon.
Procesul de halogenare cu iod nu se desfășoară în condiții normale. Este necesar să se creeze condiții speciale. Când metanul este expus la acest halogen, se formează iodură de hidrogen. Este afectat de iodură de metil, ca urmare, se eliberează reactivii inițiali: metan și iod. O astfel de reacție este considerată reversibilă.
Reacție Wurtz pentru alcani
Este o metodă de obținere a hidrocarburilor saturate cu structură simetrică. Ca reactanți se folosesc sodiu metal, bromurile de alchil sau clorurile de alchil. Lainteracțiunea lor produce halogenură de sodiu și un lanț de hidrocarburi extins, care este suma a doi radicali de hidrocarburi. Schematic, sinteza este următoarea: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Reacția Wurtz pentru alcani este posibilă numai dacă halogenii din moleculele lor se află la atomul de carbon primar. De exemplu, CH3−CH2−CH2Br.
Dacă în proces este implicat un amestec de halocarburi de doi compuși, atunci se formează trei produse diferite în timpul condensării lanțurilor lor. Un exemplu de astfel de reacție a alcanilor este interacțiunea sodiului cu clormetanul și cloretanul. Rezultatul este un amestec care conține butan, propan și etan.
Pe lângă sodiu, pot fi folosite și alte metale alcaline, care includ litiu sau potasiu.
Proces de sulfoclorurare
Se mai numește și reacția Reed. Se procedează conform principiului substituției radicalilor liberi. Acesta este un tip caracteristic de reacție a alcanilor la acțiunea unui amestec de dioxid de sulf și clor molecular în prezența radiațiilor ultraviolete.
Procesul începe cu inițierea unui mecanism în lanț, în care se obțin doi radicali din clor. Unul dintre ei atacă alcanul, rezultând o specie de alchil și o moleculă de clorură de hidrogen. Dioxidul de sulf este atașat de radicalul de hidrocarbură pentru a forma o particulă complexă. Pentru stabilizare, un atom de clor este captat dintr-o altă moleculă. Substanța finală este clorură de alcan sulfonil, este utilizată în sinteza compușilor tensioactivi.
Schematic, procesul arată astfel:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCI, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procese legate de nitrare
Alcanii reacţionează cu acidul azotic sub formă de soluţie 10%, precum şi cu oxidul de azot tetravalent în stare gazoasă. Condițiile pentru curgerea acestuia sunt valorile de temperatură ridicată (aproximativ 140 ° C) și indicatorii de presiune scăzută. Nitroalcanii sunt produși la ieșire.
Acest proces de radicali liberi a fost numit după omul de știință Konovalov, care a descoperit sinteza nitrației: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Mecanism de scindare
Alcanii sunt caracterizați prin reacții de dehidrogenare și cracare. Molecula de metan suferă o descompunere termică completă.
Mecanismul principal al reacțiilor de mai sus este eliminarea atomilor din alcani.
Proces de dehidrogenare
Când atomii de hidrogen sunt separați din scheletul de carbon al parafinelor, cu excepția metanului, se obțin compuși nesaturați. Astfel de reacții chimice ale alcanilor au loc la temperaturi ridicate (de la 400 la 600 ° C) și sub influența acceleratorilor sub formă de oxizi de platină, nichel, crom și aluminiu.
Dacă în reacție sunt implicate molecule de propan sau etan, atunci produsele sale vor fi propenă sau etenă cu o legătură dublă.
La dehidrogenarea unui schelet cu patru sau cinci atomi de carbon, dienaconexiuni. Butanul se formează din butadienă-1, 3 și butadienă-1, 2.
Dacă în reacție sunt prezente substanțe cu 6 sau mai mulți atomi de carbon, atunci se formează benzen. Are un miez aromat cu trei legături duble.
Proces de descompunere
În condiții de temperatură ridicată, pot avea loc reacții ale alcanilor cu ruperea legăturilor de carbon și formarea de particule active de tip radical. Astfel de procese se numesc cracare sau piroliză.
Încălzirea reactanților la temperaturi care depășesc 500 °C duce la descompunerea moleculelor acestora, în timpul căreia se formează amestecuri complexe de radicali de tip alchil.
Efectuarea pirolizei alcanilor cu catene lungi de carbon sub incalzire puternica este asociata cu obtinerea de compusi saturati si nesaturati. Se numește fisurare termică. Acest proces a fost folosit până la mijlocul secolului al XX-lea.
Dezavantajul a fost producerea de hidrocarburi cu cifră octanică scăzută (nu mai mult de 65), așa că a fost înlocuită cu cracarea catalitică. Procesul are loc în condiții de temperatură care sunt sub 440 °C și presiuni sub 15 atmosfere, în prezența unui accelerator de aluminosilicat cu eliberare de alcani cu structură ramificată. Un exemplu este piroliza metanului: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. În timpul acestei reacții, se formează acetilenă și hidrogen molecular.
Molecula de metan poate suferi conversie. Această reacție necesită apă și un catalizator de nichel. Perezultatul este un amestec de monoxid de carbon și hidrogen.
Procese de oxidare
Reacțiile chimice caracteristice alcanilor implică donarea de electroni.
Există autooxidarea parafinelor. Implica un mecanism de radicali liberi pentru oxidarea hidrocarburilor saturate. În timpul reacției, din faza lichidă a alcanilor se obțin hidroperoxizi. În stadiul inițial, molecula de parafină interacționează cu oxigenul, ca urmare, radicalii activi sunt eliberați. Mai mult, o altă moleculă O2 interacționează cu particula de alchil, rezultând ∙ROO. O moleculă de alcan intră în contact cu radicalul peroxid al acidului gras, după care se eliberează hidroperoxid. Un exemplu este autooxidarea etanului:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alcanii se caracterizează prin reacții de ardere, care se numără printre principalele proprietăți chimice atunci când sunt determinați în compoziția combustibilului. Au un caracter oxidativ cu eliberare de căldură: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Dacă există o cantitate mică de oxigen în proces, atunci produsul final poate fi cărbune sau oxid bivalent de carbon, care este determinat de concentrația de O2.
Când alcanii sunt oxidați sub influența unor substanțe catalitice și încălziți la 200 ° C, molecule de alcool, aldehidă sauacid carboxilic.
Ethane example:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal și apă), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (acid etanoic și apă).
Alcanii pot fi oxidați atunci când sunt expuși la peroxizi ciclici cu trei membri. Acestea includ dimetildioxiranul. Rezultatul oxidării parafinelor este o moleculă de alcool.
Reprezentanții parafinelor nu reacționează la KMnO4 sau permanganatul de potasiu, precum și la apa cu brom.
izomerizare
Pe alcani, tipul de reacție se caracterizează prin substituție cu un mecanism electrofil. Aceasta include izomerizarea lanțului de carbon. Acest proces este catalizat de clorura de aluminiu, care interacționează cu parafina saturată. Un exemplu este izomerizarea unei molecule de butan, care devine 2-metilpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces de parfum
Saturații cu șase sau mai mulți atomi de carbon în lanțul principal de carbon sunt capabili de dehidrociclizare. O astfel de reacție nu este tipică pentru molecule scurte. Rezultatul este întotdeauna un inel cu șase atomi sub formă de ciclohexan și derivații săi.
În prezența acceleratorilor de reacție are loc o dehidrogenare ulterioară șitransformarea într-un inel benzenic mai stabil. Hidrocarburile aciclice sunt transformate în compuși aromatici sau arene. Un exemplu este dehidrociclizarea hexanului:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ciclohexan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
