Varje klass av kemiska föreningar kan uppvisa egenskaper på grund av sin elektroniska struktur. Alkaner kännetecknas av substitution, eliminering eller oxidationsreaktioner av molekyler. Alla kemiska processer har sina egna egenskaper hos flödet, som kommer att diskuteras vidare.
Vad är alkaner
Dessa är mättade kolväteföreningar som kallas paraffiner. Deras molekyler består endast av kol- och väteatomer, har en linjär eller grenad acyklisk kedja, i vilken det bara finns enstaka föreningar. Med tanke på klassens egenskaper är det möjligt att beräkna vilka reaktioner som är karakteristiska för alkaner. De följer den klassgemensamma formeln: H2n+2C.
Kemisk struktur
Paraffinmolekylen innehåller kolatomer som visar sp3-hybridisering. De har alla fyra valensorbitaler som har samma form, energi och riktning i rymden. Storleken på vinkeln mellan energinivåerna är 109° och 28'.
Närvaron av enkelbindningar i molekyler avgör vilka reaktionerkarakteristiska för alkaner. De innehåller σ-föreningar. Bindningen mellan kol är opolär och svagt polariserbar och är något längre än i C−H. Det sker också en förskjutning i elektrontätheten till kolatomen, som den mest elektronegativa. Som ett resultat kännetecknas C−H-föreningen av låg polaritet.
bytesreaktioner
Ämnen av paraffinklassen har svag kemisk aktivitet. Detta kan förklaras av styrkan i bindningarna mellan C–C och C–H, som är svåra att bryta på grund av opolaritet. Deras förstörelse är baserad på en homolytisk mekanism, i vilken radikaler av fria typ deltar. Det är därför alkaner kännetecknas av substitutionsreaktioner. Sådana ämnen kan inte interagera med vattenmolekyler eller laddningsbärande joner.
De inkluderar substitution av fria radikaler, där väteatomer ersätts med halogenelement eller andra aktiva grupper. Dessa reaktioner inkluderar processer associerade med halogenering, sulfoklorering och nitrering. Deras resultat är framställning av alkanderivat.
Mekanismen för fria radikalersättningsreaktioner är baserad på de tre huvudsakliga stadierna:
- Processen börjar med initieringen eller kärnbildningen av en kedja, som ett resultat av vilket fria radikaler bildas. Katalysatorerna är ultravioletta ljuskällor och värme.
- Sedan utvecklas en kedja, där successiva interaktioner mellan aktiva partiklar och inaktiva molekyler äger rum. De omvandlas till molekyler respektive radikaler.
- Det sista steget är att bryta kedjan. Rekombination eller försvinnande av aktiva partiklar observeras. Detta stoppar utvecklingen av en kedjereaktion.
Halogeneringsprocess
Den är baserad på en mekanism av radikal typ. Halogeneringsreaktionen av alkaner sker genom ultraviolett bestrålning och upphettning av en blandning av halogener och kolväten.
Alla steg i processen är föremål för regeln som anges av Markovnikov. Det står att först och främst, väteatomen, som tillhör det mest hydrerade kolet, ersätts med en halogen. Halogeneringen fortskrider i följande sekvens: från den tertiära atomen till det primära kolet.
Processen är bättre för alkanmolekyler med en lång huvudkolkedja. Detta beror på en minskning av joniserande energi i denna riktning, en elektron spjälkas lättare av ämnet.
Ett exempel är klorering av en metanmolekyl. Effekten av ultraviolett ljus leder till att klor splittras till radikala partiklar som angriper alkanen. Det sker en lösgöring av atomärt väte och bildandet av H3C· eller en metylradikal. En sådan partikel angriper i sin tur molekylärt klor, vilket leder till att dess struktur förstörs och ett nytt kemiskt reagens bildas.
Bara en väteatom ersätts i varje steg av processen. Halogeneringsreaktionen av alkaner leder till gradvis bildning av klormetan, diklormetan, triklormetan och koltetrakloridmolekyler.
Schematiskt ser processen ut så här:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Till skillnad från kloreringen av en metanmolekyl, kännetecknas att utföra en sådan process med andra alkaner av att man erhåller ämnen där ersättningen av väte inte sker vid en kolatom, utan vid flera. Deras kvantitativa förhållande är förknippat med temperaturindikatorer. Under kalla förhållanden sker en minskning av bildningshastigheten för derivat med en tertiär, sekundär och primär struktur.
Med en ökning av temperaturen planar bildningshastigheten av sådana föreningar ut. Halogeneringsprocessen påverkas av den statiska faktorn, som indikerar en annan sannolikhet för att en radikal kolliderar med en kolatom.
Halogeneringsprocessen med jod fortsätter inte under normala förhållanden. Det är nödvändigt att skapa speciella förutsättningar. När metan utsätts för denna halogen bildas vätejodid. Det påverkas av metyljodid, som ett resultat frigörs de initiala reagensen: metan och jod. En sådan reaktion anses reversibel.
Wurtz-reaktion för alkaner
Är en metod för att erhålla mättade kolväten med en symmetrisk struktur. Natriummetall, alkylbromider eller alkylklorider används som reaktanter. Påderas interaktion producerar natriumhalogenid och en förlängd kolvätekedja, som är summan av två kolväteradikaler. Schematiskt är syntesen som följer: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtz-reaktionen för alkaner är möjlig endast om halogenerna i deras molekyler finns vid den primära kolatomen. Till exempel CH3−CH2−CH2Br.
Om en halogenkolblandning av två föreningar är involverad i processen, bildas tre olika produkter under kondenseringen av deras kedjor. Ett exempel på en sådan reaktion av alkaner är interaktionen av natrium med klormetan och kloretan. Utgången är en blandning som innehåller butan, propan och etan.
Förutom natrium kan andra alkalimetaller användas, som inkluderar litium eller kalium.
Sulfokloreringsprocess
Det kallas också Reed-reaktionen. Det fortsätter enligt principen om substitution av fria radikaler. Detta är en karakteristisk typ av reaktion av alkaner på verkan av en blandning av svaveldioxid och molekylärt klor i närvaro av ultraviolett strålning.
Processen börjar med initieringen av en kedjemekanism, där två radikaler erhålls från klor. En av dem angriper alkanen, vilket resulterar i en alkylart och en vätekloridmolekyl. Svaveldioxid binds till kolväteradikalen för att bilda en komplex partikel. För stabilisering fångas en kloratom från en annan molekyl. Den slutliga substansen är alkansulfonylklorid, den används vid syntes av ytaktiva föreningar.
Schematiskt ser processen ut så här:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processer relaterade till nitrering
Alkaner reagerar med salpetersyra i form av en 10% lösning, samt med fyrvärd kväveoxid i gasform. Villkoren för dess flöde är höga temperaturvärden (cirka 140 ° C) och lågtrycksindikatorer. Nitroalkaner produceras vid utgången.
Denna fria radikala process har fått sitt namn efter vetenskapsmannen Konovalov, som upptäckte syntesen av nitration: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Klyvmekanism
Alkaner kännetecknas av dehydrerings- och sprickningsreaktioner. Metanmolekylen genomgår fullständig termisk nedbrytning.
Huvudmekanismen för ovanstående reaktioner är eliminering av atomer från alkaner.
Dehydreringsprocess
När väteatomer separeras från kolskelettet av paraffiner, med undantag för metan, erhålls omättade föreningar. Sådana kemiska reaktioner av alkaner äger rum vid höga temperaturer (från 400 till 600 °C) och under inverkan av acceleratorer i form av platina-, nickel-, krom- och aluminiumoxider.
Om propan- eller etanmolekyler är involverade i reaktionen kommer dess produkter att vara propen eller eten med en dubbelbindning.
När man dehydrerar ett skelett med fyra eller fem kol, dienanslutningar. Butan bildas av butadien-1, 3 och butadien-1, 2.
Om ämnen med 6 eller fler kolatomer är närvarande i reaktionen, så bildas bensen. Den har en aromatisk kärna med tre dubbelbindningar.
nedbrytningsprocess
Under förhållanden med hög temperatur kan reaktioner av alkaner ske med brytning av kolbindningar och bildning av aktiva partiklar av radik altyp. Sådana processer kallas sprickbildning eller pyrolys.
Uppvärmning av reaktanterna till temperaturer över 500 °C leder till sönderdelning av deras molekyler, under vilket komplexa blandningar av radikaler av alkyltyp bildas.
Att utföra pyrolys av alkaner med långa kolkedjor under stark uppvärmning är förknippat med att erhålla mättade och omättade föreningar. Det kallas termisk sprickbildning. Denna process användes fram till mitten av 1900-talet.
Nackdelen var produktionen av kolväten med ett lågt oktantal (högst 65), så det ersattes av katalytisk krackning. Processen äger rum under temperaturförhållanden som är under 440 °C och tryck under 15 atmosfärer, i närvaro av en aluminosilikataccelerator med frisättning av alkaner med en grenad struktur. Ett exempel är metanpyrolys: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Under denna reaktion bildas acetylen och molekylärt väte.
Metanmolekyl kan genomgå omvandling. Denna reaktion kräver vatten och en nickelkatalysator. Påresultatet är en blandning av kolmonoxid och väte.
Oxidationsprocesser
De kemiska reaktionerna som är karakteristiska för alkaner involverar donation av elektroner.
Det finns autooxidation av paraffiner. Det involverar en friradikalmekanism för oxidation av mättade kolväten. Under reaktionen erhålls hydroperoxider från vätskefasen av alkaner. I det inledande skedet interagerar paraffinmolekylen med syre, som ett resultat frigörs aktiva radikaler. Vidare interagerar en annan molekyl O2 med alkylpartikeln, vilket resulterar i ∙ROO. En alkanmolekyl kommer i kontakt med fettsyraperoxidradikalen, varefter hydroperoxid frigörs. Ett exempel är autooxidation av etan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkaner kännetecknas av förbränningsreaktioner, som är bland de viktigaste kemiska egenskaperna när de bestäms i bränslets sammansättning. De har en oxidativ karaktär med värmeavgivning: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Om det finns en liten mängd syre i processen kan slutprodukten vara kol eller tvåvärd koloxid, vilket bestäms av koncentrationen av O2.
När alkaner oxideras under påverkan av katalytiska ämnen och upphettas till 200 °C, molekyler av alkohol, aldehyd ellerkarboxylsyra.
Etanexempel:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal och vatten), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etansyra och vatten).
Alkaner kan oxideras när de utsätts för treledade cykliska peroxider. Dessa inkluderar dimetyldioxiran. Resultatet av oxidationen av paraffiner är en alkoholmolekyl.
Företrädare för paraffiner reagerar inte på KMnO4 eller kaliumpermanganat, samt på bromvatten.
Isomerization
På alkaner kännetecknas typen av reaktion av substitution med en elektrofil mekanism. Detta inkluderar isomerisering av kolkedjan. Denna process katalyseras av aluminiumklorid, som interagerar med mättad paraffin. Ett exempel är isomerisering av en butanmolekyl, som blir 2-metylpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Doftprocess
Mättade med sex eller fler kolatomer i huvudkolkedjan kan dehydrocykliseras. En sådan reaktion är inte typisk för korta molekyler. Resultatet är alltid en sexledad ring i form av cyklohexan och dess derivat.
I närvaro av reaktionsacceleratorer sker ytterligare dehydrering ochomvandling till en mer stabil bensenring. Acykliska kolväten omvandlas till aromatiska föreningar eller arener. Ett exempel är dehydrocykliseringen av hexan:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyklohexan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (bensen).
