Hver klasse av kjemiske forbindelser er i stand til å vise egenskaper på grunn av deres elektroniske struktur. Alkaner er preget av substitusjon, eliminering eller oksidasjonsreaksjoner av molekyler. Alle kjemiske prosesser har sine egne egenskaper ved strømmen, som vil bli diskutert videre.
Hva er alkaner
Dette er mettede hydrokarbonforbindelser som kalles parafiner. Molekylene deres består bare av karbon- og hydrogenatomer, har en lineær eller forgrenet acyklisk kjede, der det bare er enkeltforbindelser. Gitt karakteristikkene til klassen er det mulig å beregne hvilke reaksjoner som er karakteristiske for alkaner. De følger formelen for hele klassen: H2n+2C.
Kjemisk struktur
Paraffinmolekylet inkluderer karbonatomer som viser sp3-hybridisering. De har alle fire valensorbitaler som har samme form, energi og retning i rommet. Størrelsen på vinkelen mellom energinivåene er 109° og 28'.
Tilstedeværelsen av enkeltbindinger i molekyler avgjør hvilke reaksjonerkarakteristisk for alkaner. De inneholder σ-forbindelser. Bindingen mellom karboner er upolar og svakt polariserbar, og er litt lengre enn i C−H. Det er også et skifte i elektrontettheten til karbonatomet, som det mest elektronegative. Som et resultat er C−H-forbindelsen preget av lav polaritet.
erstatningsreaksjoner
Stoffer i parafinklassen har svak kjemisk aktivitet. Dette kan forklares med styrken til bindingene mellom C–C og C–H, som er vanskelige å bryte på grunn av upolaritet. Ødeleggelsen deres er basert på en homolytisk mekanisme, der frie radikaler deltar. Det er derfor alkaner er preget av substitusjonsreaksjoner. Slike stoffer er ikke i stand til å samhandle med vannmolekyler eller ladningsbærende ioner.
De inkluderer substitusjon av frie radikaler, der hydrogenatomer erstattes av halogenelementer eller andre aktive grupper. Disse reaksjonene inkluderer prosesser forbundet med halogenering, sulfoklorering og nitrering. Resultatet deres er fremstilling av alkanderivater.
Mekanismen for substitusjonsreaksjoner med frie radikaler er basert på de tre hovedstadiene:
- Prosessen begynner med initiering eller kjernedannelse av en kjede, som et resultat av at det dannes frie radikaler. Katalysatorene er ultrafiolette lyskilder og varme.
- Deretter utvikles det en kjede, der suksessive interaksjoner mellom aktive partikler og inaktive molekyler finner sted. De omdannes til henholdsvis molekyler og radikaler.
- Det siste trinnet er å bryte kjeden. Rekombinasjon eller forsvinning av aktive partikler observeres. Dette stopper utviklingen av en kjedereaksjon.
Halogeneringsprosess
Den er basert på en mekanisme av radikal type. Halogeneringsreaksjonen av alkaner skjer ved ultrafiolett bestråling og oppvarming av en blanding av halogener og hydrokarboner.
Alle stadier av prosessen er underlagt regelen angitt av Markovnikov. Den sier at for det første blir hydrogenatomet, som tilhører det mest hydrogenerte karbonet, erstattet med et halogen. Halogenering foregår i følgende rekkefølge: fra det tertiære atomet til det primære karbonet.
Prosessen er bedre for alkanmolekyler med lang hovedkarbonkjede. Dette skyldes en reduksjon i ioniserende energi i denne retningen, et elektron sp altes lettere fra stoffet.
Et eksempel er klorering av et metanmolekyl. Virkningen av ultrafiolett fører til sp altning av klor i radikale partikler som angriper alkanen. Det er en løsrivelse av atomært hydrogen og dannelsen av H3C· eller et metylradikal. En slik partikkel angriper i sin tur molekylært klor, noe som fører til ødeleggelse av dens struktur og dannelse av et nytt kjemisk reagens.
Bare ett hydrogenatom erstattes på hvert trinn i prosessen. Halogeneringsreaksjonen til alkaner fører til gradvis dannelse av klormetan, diklormetan, triklormetan og karbontetrakloridmolekyler.
Skjematisk ser prosessen slik ut:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
I motsetning til klorering av et metanmolekyl, kjennetegnes det å utføre en slik prosess med andre alkaner ved å oppnå stoffer der erstatning av hydrogen ikke skjer ved ett karbonatom, men ved flere. Deres kvantitative forhold er assosiert med temperaturindikatorer. Under kalde forhold er det en nedgang i dannelseshastigheten for derivater med tertiær, sekundær og primær struktur.
Med en økning i temperaturen flater dannelseshastigheten av slike forbindelser ut. Halogeneringsprosessen påvirkes av den statiske faktoren, som indikerer en annen sannsynlighet for at en radikal kolliderer med et karbonatom.
Prosessen med halogenering med jod foregår ikke under normale forhold. Det er nødvendig å skape spesielle forhold. Når metan utsettes for dette halogenet, dannes det hydrogenjodid. Det påvirkes av metyljodid, som et resultat frigjøres de første reagensene: metan og jod. En slik reaksjon anses som reversibel.
Wurtz-reaksjon for alkaner
Er en metode for å oppnå mettede hydrokarboner med symmetrisk struktur. Natriummetall, alkylbromider eller alkylklorider brukes som reaktanter. Påderes interaksjon produserer natriumhalogenid og en utvidet hydrokarbonkjede, som er summen av to hydrokarbonradikaler. Skjematisk er syntesen som følger: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtz-reaksjonen for alkaner er bare mulig hvis halogenene i molekylene deres er ved det primære karbonatomet. For eksempel CH3−CH2−CH2Br.
Hvis en halokarbonblanding av to forbindelser er involvert i prosessen, dannes det tre forskjellige produkter under kondenseringen av kjedene deres. Et eksempel på en slik reaksjon av alkaner er interaksjonen av natrium med klormetan og kloretan. Utgangen er en blanding som inneholder butan, propan og etan.
I tillegg til natrium kan andre alkalimetaller brukes, som inkluderer litium eller kalium.
Sulfokloreringsprosess
Det kalles også Reed-reaksjonen. Det fortsetter i henhold til prinsippet om substitusjon av frie radikaler. Dette er en karakteristisk type reaksjon av alkaner på virkningen av en blanding av svoveldioksid og molekylært klor i nærvær av ultrafiolett stråling.
Prosessen starter med initiering av en kjedemekanisme, der to radikaler oppnås fra klor. En av dem angriper alkanen, noe som resulterer i en alkylart og et hydrogenkloridmolekyl. Svoveldioksid er festet til hydrokarbonradikalet for å danne en kompleks partikkel. For stabilisering fanges ett kloratom fra et annet molekyl. Sluttstoffet er alkansulfonylklorid, det brukes i syntesen av overflateaktive forbindelser.
Skjematisk ser prosessen slik ut:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Prosesser relatert til nitrering
Alkaner reagerer med salpetersyre i form av en 10 % løsning, samt med firverdig nitrogenoksid i gassform. Betingelsene for strømningen er høye temperaturverdier (ca. 140 ° C) og lavtrykksindikatorer. Nitroalkaner produseres ved utgangen.
Denne frie radikale prosessen ble oppk alt etter vitenskapsmannen Konovalov, som oppdaget syntesen av nitrering: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Sp altningsmekanisme
Alkaner er preget av dehydrogenering og sprekkdannelser. Metanmolekylet gjennomgår fullstendig termisk dekomponering.
Hovedmekanismen for reaksjonene ovenfor er eliminering av atomer fra alkaner.
Dehydrogeneringsprosess
Når hydrogenatomer skilles fra karbonskjelettet til parafiner, med unntak av metan, oppnås umettede forbindelser. Slike kjemiske reaksjoner av alkaner finner sted ved høye temperaturer (fra 400 til 600 °C) og under påvirkning av akseleratorer i form av platina-, nikkel-, krom- og aluminiumoksider.
Hvis propan- eller etanmolekyler er involvert i reaksjonen, vil produktene være propen eller eten med én dobbeltbinding.
Når du dehydrogenerer et skjelett med fire eller fem karbon, dieneforbindelser. Butan dannes av butadien-1, 3 og butadien-1, 2.
Hvis stoffer med 6 eller flere karbonatomer er tilstede i reaksjonen, dannes benzen. Den har en aromatisk kjerne med tre dobbeltbindinger.
Dekomponeringsprosess
Under forhold med høy temperatur kan reaksjoner av alkaner finne sted med brudd av karbonbindinger og dannelse av aktive partikler av radik altypen. Slike prosesser kalles cracking eller pyrolyse.
Oppvarming av reaktantene til temperaturer over 500 °C fører til sp altning av molekylene deres, hvorved det dannes komplekse blandinger av alkyl-type radikaler.
Å utføre pyrolyse av alkaner med lange karbonkjeder under sterk oppvarming er assosiert med å oppnå mettede og umettede forbindelser. Det kalles termisk sprekkdannelse. Denne prosessen ble brukt til midten av det 20. århundre.
Ulempen var produksjonen av hydrokarboner med lavt oktantall (ikke mer enn 65), så det ble erstattet av katalytisk cracking. Prosessen foregår under temperaturforhold som er under 440 °C og trykk under 15 atmosfærer, i nærvær av en aluminosilikatakselerator med frigjøring av alkaner med en forgrenet struktur. Et eksempel er metanpyrolyse: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Under denne reaksjonen dannes acetylen og molekylært hydrogen.
Metanmolekyl kan gjennomgå konvertering. Denne reaksjonen krever vann og en nikkelkatalysator. Påutgangen er en blanding av karbonmonoksid og hydrogen.
Oksidasjonsprosesser
De kjemiske reaksjonene som er karakteristiske for alkaner involverer donasjon av elektroner.
Det er autooksidasjon av parafiner. Det involverer en friradikalmekanisme for oksidasjon av mettede hydrokarboner. Under reaksjonen oppnås hydroperoksider fra væskefasen til alkaner. I det innledende stadiet interagerer parafinmolekylet med oksygen, som et resultat frigjøres aktive radikaler. Videre interagerer et annet molekyl O2 med alkylpartikkelen, noe som resulterer i ∙ROO. Et alkanmolekyl kommer i kontakt med fettsyreperoksidradikalet, hvoretter hydroperoksid frigjøres. Et eksempel er autooksidasjon av etan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkaner er preget av forbrenningsreaksjoner, som er blant de viktigste kjemiske egenskapene når de bestemmes i sammensetningen av drivstoffet. De har en oksidativ karakter med varmeavgivelse: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Hvis det er en liten mengde oksygen i prosessen, kan sluttproduktet være kull eller toverdig karbonoksid, som bestemmes av konsentrasjonen av O2.
Når alkaner oksideres under påvirkning av katalytiske stoffer og varmes opp til 200 °C, vil molekyler av alkohol, aldehyd ellerkarboksylsyre.
Ethane-eksempel:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal og vann), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etansyre og vann).
Alkaner kan oksideres når de utsettes for treleddede sykliske peroksider. Disse inkluderer dimetyldioksiran. Resultatet av oksidasjonen av parafiner er et alkoholmolekyl.
Representanter for parafiner reagerer ikke på KMnO4 eller kaliumpermanganat, så vel som på bromvann.
Isomerization
På alkaner er reaksjonstypen preget av substitusjon med en elektrofil mekanisme. Dette inkluderer isomerisering av karbonkjeden. Denne prosessen katalyseres av aluminiumklorid, som interagerer med mettet parafin. Et eksempel er isomerisering av et butanmolekyl, som blir 2-metylpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Duftprosess
Mettes med seks eller flere karbonatomer i hovedkarbonkjeden er i stand til dehydrosyklisering. En slik reaksjon er ikke typisk for korte molekyler. Resultatet er alltid en seksleddet ring i form av cykloheksan og dets derivater.
I nærvær av reaksjonsakseleratorer skjer ytterligere dehydrogenering ogtransformasjon til en mer stabil benzenring. Asykliske hydrokarboner omdannes til aromatiske forbindelser eller arener. Et eksempel er dehydrocyklisering av heksan:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cykloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
