Které alkány jsou charakterizovány reakcemi

Každá třída chemických sloučenin je schopna vykazovat vlastnosti díky své elektronické struktuře. Alkany jsou charakterizovány reakcemi substituce, štěpení nebo oxidace molekul. Všechny chemické procesy mají své vlastní perkolační vlastnosti, které budou popsány později.

Co jsou to alkány

Jedná se o nasycené uhlovodíkové sloučeniny, které se nazývají parafiny. Jejich molekuly se skládají pouze z atomů uhlíku a vodíku, mají lineární nebo rozvětvený acyklický řetězec, ve kterém existují pouze jednotlivé sloučeniny. Vzhledem k charakteristikám třídy je možné vypočítat, které reakce jsou charakteristické pro alkány. Sledují vzorec pro celou třídu: H_{2n + 2}C_n.

Chemická struktura

Parafinová molekula zahrnuje atomy uhlíku vykazující sp³-hybridizace. Všechny čtyři valenční orbitály mají stejný tvar, energii a směr ve vesmíru. Úhel mezi úrovněmi energie je 109 ° a 28 °.

Přítomnost jednoduchých vazeb v molekulách určuje, jaké reakce jsou charakteristické pro alkány. Jsou přítomni sigma - připojení. Vazba mezi uhlíky je nepolární a slabě polarizovatelná, je poněkud delší než u Cminus-H. Dále je pozorován posun hustoty elektronů na atom uhlíku, který je nejvíce elektro-negativní. Výsledkem je, že sloučenina Cminus-H je charakterizována nízkou polaritou.

Substituční reakce

Látky třídy parafinů mají slabou chemickou aktivitu. To lze vysvětlit silou vazeb mezi Cminus-C a Cminus-H, které je obtížné přerušit kvůli nepolaritě. Jejich zničení je založeno na homolytickém mechanismu, ve kterém se účastní radikály volného typu. Proto jsou alkany charakterizovány substitučními reakcemi. Takové látky nejsou schopné interagovat s molekulami vody nebo s ionty náboje.

Za náhradu radikálů se považují substituce, ve kterých jsou atomy vodíku nahrazeny halogenovými prvky nebo jinými aktivními skupinami. Takové reakce zahrnují procesy spojené s halogenací, sulfochlorací a nitrací. Jejich výsledkem je výroba alkanových derivátů.Jádrem mechanismu substitučních reakcí v typu volných radikálů jsou hlavní tři stupně:

1. Způsob začíná iniciací nebo nukleací řetězce, v důsledku čehož se tvoří volné radikály. Katalyzátory jsou zdroje ultrafialového světla a topení.
2. Poté se rozvíjí řetězec, ve kterém se provádějí postupná interakce aktivních částic s neúčinnými molekulami. Jejich transformace na molekuly a radikály, resp.
3. Posledním krokem je přerušení řetězce. Rekombinace nebo vymizení aktivních částic je pozorováno. Rozvoj řetězové reakce tedy zaniká.

Proces halogenace

Je založen na mechanismu radikálního typu. Reakce halogenace alkanů se provádí ozařováním ultrafialovým zářením a zahříváním směsi halogenů a uhlovodíků.

Všechny fáze procesu podléhají pravidlu, které Markovnikov vyjádřil. Uvádí, že podléhá nahrazení halogenem, atom vodíku, který patří k samotnému hydrogenovanému uhlíku. Halogenace probíhá v takovém pořadí: od terciárního atomu k primárnímu uhlíku.

Proces je vhodnější pro molekuly alkanů s dlouhým hlavním uhlíkovým řetězcem. To je způsobeno snížením ionizační energie v daném směru, elektron je snadněji oddělen od látky.

Příkladem je chlorace molekuly metanu. Účinek ultrafialového záření vede k rozdělení chlóru na radikálové částice, které provádějí útok na alkan. Existuje oddělení atomového vodíku a tvorba atomu vodíku₃Cmiddot- nebo methylový radikál. Taková částicka napadá molekulární chlor, což vede k destrukci jeho struktury a tvorbě nového chemického činidla.

V každém stupni procesu je nahrazen pouze jeden atom vodíku. Halogenační reakce alkanů vede k postupné tvorbě hlormetanovoy, dichlormethan a trihlormetanovoy tetrahlormetanovoy molekuly.

Schematicky je tento proces následující:

H₄C + Cl: Cl-H₃CCl + HCl,

H₃CCl + Cl: Cl -> H₂CCl₂ + HCl,

H₂CCl₂ + Cl: Cl -> HCl₃ + HCl,

HCCL₃ + Cl: Cl -> CCl₄ + HCl.

Na rozdíl od chlorace molekul metanu nesoucích tento proces s jinými alkany vyznačující získat látky, které mají substituci vodíku není jeden atom uhlíku, a v několika. Jejich kvantitativní vztah souvisí s teplotou. V chladných podmínkách klesá rychlost tvorby derivátů s terciární, sekundární a primární strukturou.

Při zvýšení teplotního indexu se rychlost tvorby takových sloučenin vyrovnává. Halogenační proces je ovlivňován statickým faktorem, který signalizuje odlišnou pravděpodobnost radikálního srážce s atomem uhlíku.

Prohalogenace jódu se za běžných podmínek nevyskytuje. Je třeba vytvořit zvláštní podmínky. Při vystavení metanu tímto halogenem se vyskytuje jodid vodíku. To je ovlivněno jodidem methyl, v důsledku toho se uvolňují původní činidla: metan a jod. Taková reakce je považována za reverzibilní.

Wurzova reakce pro alkány

Je metoda získání nasycených uhlovodíků se symetrickou strukturou. Reaktivními látkami jsou kovový sodík, alkylbromidy nebo alkylchloridy. Při interakci se získá halogenid sodný a zvýšený uhlovodíkový řetězec, což je součet dvou uhlovodíkových radikálů. Schematicky je syntéza je následující: Rminus-Cl + Clminus-R + 2Na → Rminus-R + 2NaCl.

Wurzova reakce pro alkány je možná pouze tehdy, pokud jsou v jejich molekulách halogeny umístěny na primárním atomu uhlíku. Například CH₃minus-CH₂minus-CH₂Br.

Pokud se ve výrobě podílí směs halogenů a uhlovodíků ze dvou sloučenin, vytvoří se tři různé produkty, když jsou jejich řetězce kondenzovány. Příkladem takové alkanové reakce je interakce sodíku s chlormethanem a chlorethanem. Výstupem je směs obsahující butan, propan a ethan.

Kromě sodíku můžete použít i jiné alkalické kovy, které zahrnují lithium nebo draslík.

Proces sulfochlorace

To je také nazýváno Reedovou reakcí. To plyne podle principu nahrazení volných radikálů. Jedná se o typický typ reakce alkanů na působení směsi oxidu siřičitého a molekulárního chloru v přítomnosti ultrafialového záření.

Způsob začíná zahájením řetězového mechanismu, ve kterém jsou získány dva zbytky z chloru. Jeden z nich napadne alkan, což vede k vzhledu molekuly alkylové částice a chlorovodíku. Oxid siřičitý je připojen k uhlovodíkovému radikálu za vzniku komplexní částice. Pro stabilizaci je jeden atom chloru zachycen z jiné molekuly. Konečnou látkou je alkansulfonylchlorid, který se používá při syntéze povrchově aktivních sloučenin.

Schematically, proces vypadá takto:

ClCl →^hv ∙ Cl + ∙ Cl,

HR + · Cl → R · + HCl,

R ∙ + OSO → ∙ RSO₂,

∙ RSO₂ + ClCl → RSO₂Cl + Cl.

Procesy spojené s nitrací

Alkány reagují s kyselinou dusičnou ve formě roztoku o koncentraci 10% a také s dusíkem čtyřmocného oxidu v plynném stavu. Podmínky pro jeho průchod jsou vysoké hodnoty teploty (asi 140 ° C) a hodnoty nízkého tlaku. Na výstupu se vyrábějí nitroalkany.

Tento radikální proces byl pojmenován podle vědce Konovalova, který objevil syntézu nitrací: CH₄ + HNO₃ → CH₃Ne₂ + H₂O.

Mechanismus rozdělení

Pro alkány jsou charakteristické dehydrogenace a krakovací reakce. Molekula metanu prochází úplným tepelným rozkladem.

Hlavním mechanismem výše uvedených reakcí je eliminace atomů z alkanů.

Proces dehydrogenace

Při oddělení atomů vodíku od uhlíkového skeletu parafinů, s výjimkou methanu, se získají nenasycené sloučeniny. Takové chemické reakce alkanů probíhají za podmínek vysoké teploty (od 400 do 600 ° C) a působením urychlovačů ve formě platiny, niklu, oxidy chrómu a hliníku.

Pokud reakce zahrnuje molekuly propanu nebo ethanu, pak jeho produkty budou propen nebo ethen s jednou dvojnou vazbou.

Když se dehydrogenuje čtyřčlenná nebo pětičlenná skelet, získají se dienové sloučeniny. Butan je tvořen z butan-1,3 a butadien-1,2.

Pokud reakce obsahuje látky se 6 nebo více uhlíky, pak se vytvoří benzen. Má aromatické jádro s třemi vazbami dvojitou.

Proces spojený s rozkladem

Při vysokých teplotách mohou reakce alkanů probíhat štěpením uhlíkových vazeb a tvorbou částic aktivního radikálového typu. Takové procesy se nazývají krakování nebo pyrolýza.

Ohřev reaktantů na teploty nad 500 ° C vede k rozkladu jejich molekul, během nichž se tvoří komplexní směsi alkylových radikálů.

Provedení silného ohřevu pyrolýzy alkanů s dlouhými uhlíkovými řetězci je spojeno s získáním omezujících a nenasycených sloučenin. To se nazývá tepelné praskání. Tento proces byl používán až do poloviny 20. století.

Nevýhodou byla výroba uhlovodíků s nízkým oktanovým číslem (ne více než 65), takže byla nahrazena katalytické krakování. Celý proces probíhá při teplotách, které jsou nižší než 440 ° C, a tlaky menší než 15 MPa, v přítomnosti alkanů aluminosilikátových uvolňováním urychlovač s rozvětvenou strukturou. Příkladem je metanová pyrolýza: 2CH₄ →^t°C₂H₂+ 3H₂. Během této reakce se vytváří acetylen a molekulární vodík.

Molekula metanu může projít konverzí. Pro takovou reakci je nutná voda a niklový katalyzátor. Výstup je směs oxidu uhelnatého a vodíku.

Oxidační procesy

Chemické reakce charakteristické pro alkány souvisí s uvolňováním elektronů.

Existuje auto-oxidace parafinů. Zahrnuje mechanismus radikálů oxidace nasycených uhlovodíků z radikálů. Během reakce se získají hydroperoxidy z kapalné fáze alkanů. V počátečním stádiu parafínová molekula interaguje s kyslíkem, což vede k uvolnění aktivních radikálů. Dále s alkylovou částicí, další molekulou O₂, ukázalo se, že ∙ ROO. S radikálem peroxymastné kyseliny se uvede do kontaktu molekula alkanů, po které se uvolní hydroperoxid. Příkladem je auto-oxidace ethanu:

C₂H_6. + O₂ → ∙ C₂H₅ + HOO ∙,

∙ C₂H₅ + O₂ → ∙ OOC₂H₅,

∙ OOC₂H₅ + C₂H_6. → HOOC₂H₅ + ∙ C₂H₅.

Alkány jsou charakterizovány spalovacími reakcemi, které patří k hlavním chemickým vlastnostem, když jsou stanoveny v složení paliva. Mají oxidační charakter s uvolňováním tepla: 2C₂H_6. + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O.

Pokud je v procesu pozorováno malé množství kyslíku, konečným produktem může být uhlíkový nebo uhlíkový dvojmocný oxid, který je určen koncentrací O₂.

Při oxidaci alkanů pod vlivem katalytických látek a zahřívání na teplotu 200 ° C se získají molekuly alkoholu, aldehydu nebo karboxylové kyseliny.

Příklad s ethanem:

C₂H_6. + O₂ → C₂H₅OH (ethanol),

C₂H_6. + O₂ → CH₃CHO + H₂O (ethanol a voda),

2C₂H_6. + 3O₂ → 2CH₃COOH + 2H₂O (ethanolová kyselina a voda).

Alkany mohou být oxidovány působením tříčlenných cyklických peroxidů na ně. Patří sem dimethyldioxiran. Výsledkem oxidace parafinů je molekula alkoholu.

Zástupci parafinů nereagují na KMnO₄ nebo manganistan draselný, stejně jako bromovou vodou.

Isomerizace

U alkanů je typ reakce charakterizován substitucí elektrofilním mechanismem. Jedná se o izomerizaci uhlíkového řetězce. Katalyzuje tento proces chloridu hlinitého, který interaguje s nasyceným parafínem. Příkladem je izomerizace butanové molekuly, která se stává 2-methylpropanem: C₄H₁₀ → C₃H_7.CH₃.

Proces aromatizace

Nasycené látky, ve kterých hlavní řetězec uhlíku obsahuje šest nebo více atomů uhlíku, jsou schopné dehydrocyklizace. U krátkých molekul není tato reakce typická. Výsledkem je vždy šestičlenný cyklus ve formě cyklohexanu a jeho derivátů.

Za přítomnosti urychlovačů reakce probíhá další dehydrogenace a přeměna na stabilnější benzenový kruh. Acyklické uhlovodíky se převádějí na aromatické sloučeniny nebo arény. Příkladem je dehydrocyklizace hexanu:

H₃Cminus-CH₂minus-CH₂minus-CH₂minus-CH₂minus-CH₃ → C_6.H_12. (cyklohexan),

C_6.H_12. → C_6.H_6. + 3H₂ (benzen).