Każda klasa związków chemicznych może wykazywać właściwości dzięki swojej strukturze elektronowej. Alkany charakteryzują się reakcjami substytucji, eliminacji lub utleniania cząsteczek. Wszystkie procesy chemiczne mają swoją własną charakterystykę przepływu, która zostanie omówiona dalej.
Co to są alkany
Są to nasycone związki węglowodorowe zwane parafinami. Ich cząsteczki składają się wyłącznie z atomów węgla i wodoru, mają liniowy lub rozgałęziony łańcuch acykliczny, w którym występują tylko pojedyncze związki. Biorąc pod uwagę charakterystykę klasy, można obliczyć, jakie reakcje są charakterystyczne dla alkanów. Przestrzegają ogólnoklasowej formuły: H2n+2C.
Struktura chemiczna
Cząsteczka parafiny zawiera atomy węgla wykazujące sp3-hybrydyzację. Wszystkie cztery orbitale walencyjne mają ten sam kształt, energię i kierunek w przestrzeni. Wielkość kąta między poziomami energii wynosi 109° i 28'.
Obecność pojedynczych wiązań w cząsteczkach określa, które reakcjecharakterystyczne dla alkanów. Zawierają związki σ. Wiązanie między węglami jest niepolarne i słabo polaryzowalne i jest nieco dłuższe niż w C-H. Występuje również przesunięcie gęstości elektronowej na atom węgla, jako najbardziej elektroujemny. W rezultacie związek C−H charakteryzuje się niską polarnością.
Reakcje podstawienia
Substancje z klasy parafin mają słabą aktywność chemiczną. Można to wytłumaczyć siłą wiązań między C–C i C–H, które są trudne do zerwania ze względu na niepolarność. Ich niszczenie opiera się na mechanizmie homolitycznym, w którym uczestniczą wolne rodniki. Dlatego alkany charakteryzują się reakcjami podstawienia. Takie substancje nie są w stanie wchodzić w interakcje z cząsteczkami wody lub jonami przenoszącymi ładunki.
Obejmują podstawienie wolnych rodników, w których atomy wodoru są zastępowane przez pierwiastki halogenowe lub inne grupy aktywne. Reakcje te obejmują procesy związane z halogenowaniem, sulfochlorowaniem i nitrowaniem. Ich wynikiem jest przygotowanie pochodnych alkanów.
Mechanizm reakcji podstawienia wolnych rodników opiera się na trzech głównych etapach:
- Proces rozpoczyna się od zainicjowania lub zarodkowania łańcucha, w wyniku którego powstają wolne rodniki. Katalizatorami są źródła światła ultrafioletowego i ciepła.
- Następnie rozwija się łańcuch, w którym następują kolejne oddziaływania cząstek aktywnych z molekułami nieaktywnymi. Są przekształcane odpowiednio w cząsteczki i rodniki.
- Ostatnim krokiem jest przerwanie łańcucha. Obserwuje się rekombinację lub zanik cząstek aktywnych. To zatrzymuje rozwój reakcji łańcuchowej.
Proces halogenowania
Opiera się na mechanizmie typu radykalnego. Reakcja halogenowania alkanów odbywa się przez napromieniowanie ultrafioletowe i ogrzewanie mieszaniny halogenów i węglowodorów.
Wszystkie etapy procesu podlegają regule określonej przez Markownikowa. Stwierdza, że przede wszystkim atom wodoru, który należy do najbardziej uwodornionego węgla, jest zastępowany przez halogen. Halogenowanie przebiega w następującej kolejności: od trzeciorzędowego atomu do pierwotnego węgla.
Proces ten jest lepszy w przypadku cząsteczek alkanu z długim głównym łańcuchem węglowym. Wynika to ze spadku energii jonizacji w tym kierunku, elektron jest łatwiej odszczepiony od substancji.
Przykładem jest chlorowanie cząsteczki metanu. Działanie ultrafioletu prowadzi do rozszczepienia chloru na cząsteczki rodników, które atakują alkan. Następuje oderwanie atomowego wodoru i powstanie H3C· lub rodnika metylowego. Taka cząsteczka z kolei atakuje cząsteczkowy chlor, prowadząc do zniszczenia jego struktury i powstania nowego odczynnika chemicznego.
Tylko jeden atom wodoru jest zastępowany na każdym etapie procesu. Reakcja halogenowania alkanów prowadzi do stopniowego tworzenia się molekuł chlorometanu, dichlorometanu, trichlorometanu i tetrachlorku węgla.
Schematycznie proces wygląda tak:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
W przeciwieństwie do chlorowania cząsteczki metanu, przeprowadzenie takiego procesu z innymi alkanami charakteryzuje się otrzymaniem substancji, w których zastąpienie wodoru następuje nie na jednym atomie węgla, ale na kilku. Ich stosunek ilościowy jest związany ze wskaźnikami temperatury. W zimnych warunkach następuje spadek szybkości tworzenia pochodnych o strukturze trzeciorzędowej, drugorzędowej i pierwszorzędowej.
Wraz ze wzrostem temperatury tempo tworzenia takich związków zmniejsza się. Na proces halogenowania wpływa czynnik statyczny, który wskazuje na różne prawdopodobieństwo zderzenia rodnika z atomem węgla.
Proces halogenowania jodem nie przebiega w normalnych warunkach. Konieczne jest stworzenie specjalnych warunków. Gdy metan jest wystawiony na działanie tego halogenu, powstaje jodowodór. Jest pod wpływem jodku metylu, w wyniku czego uwalniane są początkowe odczynniki: metan i jod. Taka reakcja jest uważana za odwracalną.
Reakcja Wurtza na alkany
Jest metodą otrzymywania węglowodorów nasyconych o symetrycznej strukturze. Jako reagenty stosuje się metaliczny sód, bromki alkilu lub chlorki alkilu. Na ich wzajemne oddziaływanie wytwarza halogenek sodu i wydłużony łańcuch węglowodorowy, który jest sumą dwóch rodników węglowodorowych. Schematycznie synteza wygląda następująco: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Reakcja Wurtza dla alkanów jest możliwa tylko wtedy, gdy halogeny w ich cząsteczkach znajdują się na pierwotnym atomie węgla. Na przykład, CH3−CH2−CH2Br.
Jeżeli w procesie bierze udział mieszanina dwóch związków chlorowcowęglowych, podczas kondensacji ich łańcuchów powstają trzy różne produkty. Przykładem takiej reakcji alkanów jest oddziaływanie sodu z chlorometanem i chloroetanem. Produktem wyjściowym jest mieszanina zawierająca butan, propan i etan.
Oprócz sodu można stosować inne metale alkaliczne, w tym lit lub potas.
Proces sulfochlorowania
Nazywa się to również reakcją Reeda. Odbywa się zgodnie z zasadą podstawienia wolnorodnikowego. Jest to charakterystyczny typ reakcji alkanów na działanie mieszaniny dwutlenku siarki i chloru cząsteczkowego w obecności promieniowania ultrafioletowego.
Proces rozpoczyna się od uruchomienia mechanizmu łańcuchowego, w którym z chloru uzyskuje się dwa rodniki. Jeden z nich atakuje alkan, w wyniku czego powstaje alkil i cząsteczka chlorowodoru. Dwutlenek siarki jest przyłączony do rodnika węglowodorowego, tworząc złożoną cząsteczkę. W celu stabilizacji jeden atom chloru jest wychwytywany z innej cząsteczki. Substancją finalną jest chlorek alkanosulfonylu, stosowany jest w syntezie związków powierzchniowo czynnych.
Schematycznie proces wygląda tak:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesy związane z nitrowaniem
Alkany reagują z kwasem azotowym w postaci 10% roztworu, a także z czterowartościowym tlenkiem azotu w stanie gazowym. Warunkiem jego przepływu są wysokie wartości temperatury(około 140°C) oraz wskaźniki niskiego ciśnienia. Na wyjściu powstają nitroalkany.
Ten proces wolnorodnikowy został nazwany na cześć naukowca Konowałowa, który odkrył syntezę nitrowania: CH4 + HNO3 → CH 3NIE2 + H2O.
Mechanizm rozszczepiający
Alkany charakteryzują się reakcjami odwodornienia i pękania. Cząsteczka metanu ulega całkowitemu rozkładowi termicznemu.
Głównym mechanizmem powyższych reakcji jest eliminacja atomów z alkanów.
Proces odwodornienia
Gdy atomy wodoru są oddzielane od szkieletu węglowego parafin, z wyjątkiem metanu, powstają związki nienasycone. Takie reakcje chemiczne alkanów zachodzą w wysokich temperaturach (od 400 do 600 °C) i pod wpływem akceleratorów w postaci tlenków platyny, niklu, chromu i glinu.
Jeżeli w reakcji biorą udział cząsteczki propanu lub etanu, jego produktami będzie propen lub eten z jednym podwójnym wiązaniem.
Podczas odwodornienia szkieletu cztero- lub pięciowęglowego, dieneznajomości. Butan powstaje z butadienu-1,3 i butadienu-1,2.
Jeśli w reakcji obecne są substancje zawierające 6 lub więcej atomów węgla, powstaje benzen. Posiada aromatyczny rdzeń z trzema podwójnymi wiązaniami.
Proces dekompozycji
W warunkach wysokiej temperatury mogą zachodzić reakcje alkanów z rozerwaniem wiązań węglowych i powstaniem aktywnych cząstek typu rodnikowego. Takie procesy nazywane są krakingiem lub pirolizą.
Podgrzewanie reagentów do temperatur przekraczających 500 °C prowadzi do rozkładu ich cząsteczek, podczas którego powstają złożone mieszaniny rodników typu alkilowego.
Prowadzenie pirolizy alkanów o długich łańcuchach węglowych w warunkach silnego ogrzewania wiąże się z otrzymaniem związków nasyconych i nienasyconych. Nazywa się to krakingiem termicznym. Proces ten był używany do połowy XX wieku.
Wadą była produkcja węglowodorów o niskiej liczbie oktanowej (nie większej niż 65), więc zastąpiono ją krakingiem katalitycznym. Proces przebiega w warunkach temperaturowych poniżej 440 °C i ciśnieniu poniżej 15 atmosfer, w obecności przyspieszacza glinokrzemianowego z uwalnianiem alkanów o strukturze rozgałęzionej. Przykładem jest piroliza metanu: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Podczas tej reakcji powstaje acetylen i wodór cząsteczkowy.
Cząsteczka metanu może ulec konwersji. Ta reakcja wymaga wody i katalizatora niklowego. Nawyjście jest mieszaniną tlenku węgla i wodoru.
Procesy utleniania
Reakcje chemiczne charakterystyczne dla alkanów obejmują oddawanie elektronów.
Następuje samoutlenienie parafin. Polega na mechanizmie wolnorodnikowym utleniania węglowodorów nasyconych. W trakcie reakcji z fazy ciekłej alkanów otrzymuje się wodoronadtlenki. Na początkowym etapie cząsteczka parafiny oddziałuje z tlenem, w wyniku czego uwalniane są aktywne rodniki. Co więcej, inna cząsteczka O2 oddziałuje z cząstką alkilu, w wyniku czego powstaje ∙ROO. Cząsteczka alkanu kontaktuje się z nadtlenkowym rodnikiem kwasu tłuszczowego, po czym uwalniany jest wodoronadtlenek. Przykładem jest samoutlenianie etanu:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkany charakteryzują się reakcjami spalania, które należą do głównych właściwości chemicznych, gdy są określane w składzie paliwa. Mają charakter utleniający z wydzielaniem ciepła: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Jeśli w procesie występuje niewielka ilość tlenu, produktem końcowym może być węgiel lub dwuwartościowy tlenek węgla, co jest określane przez stężenie O2.
Gdy alkany są utleniane pod wpływem substancji katalitycznych i podgrzewane do 200 ° C, cząsteczki alkoholu, aldehydu lubkwas karboksylowy.
Przykład Etan:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanol i woda), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (kwas etanowy i woda).
Alkany mogą ulec utlenieniu pod wpływem trójczłonowych cyklicznych nadtlenków. Należą do nich dimetylodioksiran. Wynikiem utleniania parafin jest cząsteczka alkoholu.
Przedstawiciele parafin nie reagują na KMnO4 ani nadmanganian potasu, ani na wodę bromową.
Izomeryzacja
W przypadku alkanów typ reakcji charakteryzuje się substytucją za pomocą mechanizmu elektrofilowego. Obejmuje to izomeryzację łańcucha węglowego. Proces ten jest katalizowany przez chlorek glinu, który oddziałuje z nasyconą parafiną. Przykładem jest izomeryzacja cząsteczki butanu, która staje się 2-metylopropanem: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces zapachowy
Nasycone kwasy zawierające co najmniej sześć atomów węgla w głównym łańcuchu węglowym są zdolne do dehydrocyklizacji. Taka reakcja nie jest typowa dla krótkich cząsteczek. Rezultatem jest zawsze sześcioczłonowy pierścień w postaci cykloheksanu i jego pochodnych.
W obecności przyspieszaczy reakcji następuje dalsze odwodornienie iprzekształcenie w bardziej stabilny pierścień benzenowy. Węglowodory acykliczne są przekształcane w związki aromatyczne lub areny. Przykładem jest dehydrocyklizacja heksanu:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cykloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
