Всеки клас химични съединения е способен да проявява свойства поради тяхната електронна структура. Алканите се характеризират с реакции на заместване, елиминиране или окисление на молекули. Всички химични процеси имат свои собствени характеристики на потока, които ще бъдат обсъдени по-нататък.
Какво са алканите
Това са наситени въглеводородни съединения, наречени парафини. Техните молекули се състоят само от въглеродни и водородни атоми, имат линейна или разклонена ациклична верига, в която има само единични съединения. Като се имат предвид характеристиките на класа, е възможно да се изчисли кои реакции са характерни за алканите. Те се подчиняват на формулата за целия клас: H2n+2C.
Химична структура
Молекулата на парафина включва въглеродни атоми, показващи sp3-хибридизация. Те имат и четирите валентни орбитали с еднаква форма, енергия и посока в пространството. Размерът на ъгъла между енергийните нива е 109° и 28'.
Наличието на единични връзки в молекулите определя кои реакциихарактерни за алканите. Те съдържат σ-съединения. Връзката между въглеродите е неполярна и слабо поляризируема и е малко по-дълга, отколкото в C-H. Има и изместване на електронната плътност към въглеродния атом, като най-електроотрицателен. В резултат на това съединението C-H се характеризира с ниска полярност.
Реакции на заместване
Веществата от парафиновия клас имат слаба химическа активност. Това може да се обясни със силата на връзките между C–C и C–H, които трудно се разрушават поради неполярност. Тяхното разрушаване се основава на хомолитичен механизъм, в който участват свободни радикали. Ето защо алканите се характеризират с реакции на заместване. Такива вещества не могат да взаимодействат с водни молекули или йони, носещи заряд.
Те включват заместване със свободни радикали, при което водородните атоми се заменят с халогенни елементи или други активни групи. Тези реакции включват процеси, свързани с халогениране, сулфохлориране и нитриране. Техният резултат е получаването на алканови производни.
Механизмът на реакциите на заместване на свободните радикали се основава на основните три етапа:
- Процесът започва с иницииране или нуклеация на верига, в резултат на което се образуват свободни радикали. Катализаторите са ултравиолетови източници на светлина и топлина.
- След това се развива верига, в която се осъществяват последователни взаимодействия на активни частици с неактивни молекули. Те се превръщат съответно в молекули и радикали.
- Последната стъпка е да скъсате веригата. Наблюдава се рекомбинация или изчезване на активни частици. Това спира развитието на верижна реакция.
Процес на халогениране
Той се основава на механизъм от радикален тип. Реакцията на халогениране на алканите се осъществява чрез ултравиолетово облъчване и нагряване на смес от халогени и въглеводороди.
Всички етапи на процеса се подчиняват на правилото, посочено от Марковников. В него се посочва, че на първо място водородният атом, който принадлежи към най-хидрогенирания въглерод, е подложен на заместване с халоген. Халогенирането протича в следната последователност: от третичния атом към първичния въглерод.
Процесът е по-добър за алканови молекули с дълга основна въглеродна верига. Това се дължи на намаляване на йонизиращата енергия в тази посока, един електрон се отделя по-лесно от веществото.
Пример е хлорирането на метанова молекула. Действието на ултравиолетовите лъчи води до разделяне на хлора на радикални частици, които атакуват алкана. Има отделяне на атомен водород и образуване на H3C· или метилов радикал. Такава частица от своя страна атакува молекулния хлор, което води до разрушаване на структурата му и образуването на нов химичен реагент.
На всеки етап от процеса се заменя само един водороден атом. Реакцията на халогениране на алканите води до постепенно образуване на молекули хлорометан, дихлорометан, трихлорометан и въглероден тетрахлорид.
Схематично процесът изглежда така:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
За разлика от хлорирането на молекула на метан, провеждането на такъв процес с други алкани се характеризира с получаване на вещества, в които заместването на водорода става не при един въглероден атом, а при няколко. Количественото им съотношение е свързано с температурни показатели. При студени условия се наблюдава намаляване на скоростта на образуване на деривати с третична, вторична и първична структура.
С повишаване на температурата скоростта на образуване на такива съединения се изравнява. Процесът на халогениране се влияе от статичния фактор, който показва различна вероятност за сблъсък на радикал с въглероден атом.
Процесът на халогениране с йод не протича при нормални условия. Необходимо е да се създадат специални условия. Когато метанът е изложен на този халоген, се образува йодид водород. Той се влияе от метилйодид, в резултат на което се освобождават първоначалните реагенти: метан и йод. Такава реакция се счита за обратима.
Wurtz реакция за алкани
е метод за получаване на наситени въглеводороди със симетрична структура. Като реагенти се използват метален натрий, алкилбромиди или алкилхлориди. Втяхното взаимодействие произвежда натриев халид и удължена въглеводородна верига, която е сбор от два въглеводородни радикала. Схематично синтезът е както следва: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl.
Реакцията на Wurtz за алканите е възможна само ако халогените в техните молекули са при първичния въглероден атом. Например CH3−CH2−CH2Br.
Ако халогеновъглеродна смес от две съединения участва в процеса, тогава по време на кондензацията на техните вериги се образуват три различни продукта. Пример за такава реакция на алканите е взаимодействието на натрия с хлорометан и хлороетан. Резултатът е смес, съдържаща бутан, пропан и етан.
В допълнение към натрия могат да се използват и други алкални метали, които включват литий или калий.
Процес на сулфохлориране
Нарича се още реакция на Рийд. Процедира по принципа на заместването на свободните радикали. Това е характерен тип реакция на алканите към действието на смес от серен диоксид и молекулен хлор в присъствието на ултравиолетово лъчение.
Процесът започва с инициирането на верижен механизъм, при който два радикала се получават от хлора. Един от тях атакува алкана, което води до алкилов вид и молекула на хлороводород. Серният диоксид е прикрепен към въглеводородния радикал, за да образува сложна частица. За стабилизиране един хлорен атом се улавя от друга молекула. Крайното вещество е алкан сулфонил хлорид, използва се при синтеза на повърхностно активни съединения.
Схематично процесът изглежда така:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Процеси, свързани с нитриране
Алканите реагират с азотна киселина под формата на 10% разтвор, както и с четиривалентен азотен оксид в газообразно състояние. Условията за неговото протичане са високи температурни стойности(около 140°C) и индикатори за ниско налягане. На изхода се произвеждат нитроалкани.
Този свободен радикален процес е кръстен на учения Коновалов, който открива синтеза на нитриране: CH4 + HNO3 → CH 3НЕ2 + H2O.
Механизъм на разцепване
Алканите се характеризират с реакции на дехидрогениране и крекинг. Молекулата на метана претърпява пълно термично разлагане.
Основният механизъм на горните реакции е елиминирането на атомите от алканите.
Процес на дехидрогениране
Когато водородните атоми се отделят от въглеродния скелет на парафините, с изключение на метана, се получават ненаситени съединения. Такива химични реакции на алканите протичат при високи температури (от 400 до 600 °C) и под въздействието на ускорители под формата на платина, никел, хром и алуминиеви оксиди.
Ако в реакцията участват молекули пропан или етан, тогава нейните продукти ще бъдат пропен или етен с една двойна връзка.
При дехидрогениране на четири или пет въглеродния скелет, диенвръзки. Бутанът се образува от бутадиен-1, 3 и бутадиен-1, 2.
Ако вещества с 6 или повече въглеродни атома присъстват в реакцията, тогава се образува бензен. Има ароматна сърцевина с три двойни връзки.
Процес на разлагане
При условия на висока температура могат да протекат реакции на алканите с разкъсване на въглеродните връзки и образуване на активни частици от радикален тип. Такива процеси се наричат крекинг или пиролиза.
Нагряването на реагентите до температури над 500 °C води до разлагане на техните молекули, по време на което се образуват сложни смеси от радикали от алкилов тип.
Извършването на пиролиза на алкани с дълги въглеродни вериги при силно нагряване е свързано с получаване на наситени и ненаситени съединения. Нарича се термично крекинг. Този процес е използван до средата на 20-ти век.
Недостатъкът беше производството на въглеводороди с ниско октаново число (не повече от 65), така че то беше заменено с каталитичен крекинг. Процесът протича при температурни условия под 440 °C и налягания под 15 атмосфери, в присъствието на алумосиликатен ускорител с освобождаване на алкани с разклонена структура. Пример е пиролиза на метан: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. По време на тази реакция се образуват ацетилен и молекулен водород.
Молекулата на метана може да претърпи преобразуване. Тази реакция изисква вода и никелов катализатор. Наизходът е смес от въглероден оксид и водород.
Окислителни процеси
Химичните реакции, характерни за алканите, включват даряване на електрони.
Има автоматично окисление на парафините. Той включва свободен радикален механизъм за окисляване на наситени въглеводороди. По време на реакцията се получават хидропероксиди от течната фаза на алканите. В началния етап парафиновата молекула взаимодейства с кислорода, в резултат на което се отделят активни радикали. Освен това, друга молекула O2 взаимодейства с алкиловата частица, което води до ∙ROO. Алкановата молекула контактува с радикала на пероксида на мастната киселина, след което се освобождава хидропероксид. Пример е автоокислението на етан:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Алканите се характеризират с реакции на горене, които са сред основните химични свойства, когато се определят в състава на горивото. Те имат окислителен характер с отделяне на топлина: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ако има малко количество кислород в процеса, тогава крайният продукт може да бъде въглища или двувалентен въглероден оксид, който се определя от концентрацията на O2.
Когато алканите се окисляват под въздействието на каталитични вещества и се нагряват до 200°C, молекулите на алкохол, алдехид иликарбоксилна киселина.
Етан пример:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (етанол),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (етанал и вода), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (етанова киселина и вода).
Алканите могат да се окислят, когато са изложени на тричленни циклични пероксиди. Те включват диметилдиоксиран. Резултатът от окисляването на парафините е алкохолна молекула.
Представителите на парафините не реагират на KMnO4 или калиев перманганат, както и на бромна вода.
Изомеризация
При алканите типът на реакцията се характеризира със заместване с електрофилен механизъм. Това включва изомеризацията на въглеродната верига. Този процес се катализира от алуминиев хлорид, който взаимодейства с наситен парафин. Пример е изомеризацията на бутанова молекула, която се превръща в 2-метилпропан: C4H10 → C3 H 7CH3.
Процес за ароматизиране
Наситените вещества с шест или повече въглеродни атома в основната въглеродна верига са способни на дехидроциклизация. Такава реакция не е типична за къси молекули. Резултатът винаги е шестчленен пръстен под формата на циклохексан и неговите производни.
В присъствието на ускорители на реакцията се извършва по-нататъшно дехидрогениране итрансформация в по-стабилен бензенов пръстен. Ацикличните въглеводороди се превръщат в ароматни съединения или арени. Пример е дехидроциклизацията на хексан:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (циклохексан), C6H12 → C6H6+ 3H2 (бензен).
