Alkanai: halogeninimas. Vieno ar kelių vandenilio atomų pakeitimo halogenu reakcija alkano molekulėje

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 17:51

Nepaisant to, kad alkanai yra neaktyvūs, sąveikaudami su halogenais ar kitais laisvaisiais radikalais jie gali išskirti daug energijos. Alkanai ir reakcijos su jais nuolat naudojami daugelyje pramonės šakų.

Alkanų faktai

Alkanai užima svarbią vietą organinėje chemijoje. Alkanų formulė chemijoje yra C H_{2n+2. Skirtingai nuo aromatinių junginių, turinčių benzeno žiedą, alkanai laikomi alifatiniais (acikliniais).}

Bet kurio alkano molekulėje visi elementai yra sujungti viena jungtimi. Todėl ši medžiagų grupė turi galūnę „-an“. Atitinkamai, alkenai turi vieną dvigubą jungtį, o alkinai – vieną trigubą jungtį. Pavyzdžiui, alkodienai turi dvi dvigubas jungtis.

Alkanai yra sotieji angliavandeniliai. Tai reiškia, kad juose yra didžiausias H (vandenilio) atomų skaičius. Visi alkano anglies atomai yra padėtyje sp³ – hibridizacija. Tai reiškia, kad alkano molekulė yra pastatyta pagal tetraedrinę taisyklę. Metano molekulė (CH_{4) primena tetraedrą,o likę alkanai turi zigzago struktūrą.}

Visi C atomai alkanuose yra sujungti naudojant ơ – ryšius (sigma – ryšius). C–C ryšiai yra nepoliniai, C–H ryšiai yra silpnai poliniai.

Alkanų savybės

Kaip minėta aukščiau, alkanų grupė turi mažai aktyvumo. Ryšiai tarp dviejų C atomų ir tarp C ir H atomų yra stiprūs, todėl juos sunku sunaikinti išorės poveikiu. Visi alkanuose esantys ryšiai yra ơ ryšiai, taigi, jei jie nutrūksta, dažniausiai susidaro radikalai.

Alkanų halogeninimas

Dėl ypatingų atomų ryšių savybių alkanai būdingi pakeitimo ir skilimo reakcijoms. Pakeitimo reakcijose alkanuose vandenilio atomai pakeičia kitus atomus ar molekules. Alkanai gerai reaguoja su halogenais - medžiagomis, kurios yra Mendelejevo periodinės lentelės 17 grupėje. Halogenai yra fluoras (F), bromas (Br), chloras (Cl), jodas (I), astatinas (At) ir tenesinas (Ts). Halogenai yra labai stiprūs oksidatoriai. Jie reaguoja su beveik visomis medžiagomis iš D. I. Mendelejevo lentelės.

Alkanų chlorinimo reakcijos

Praktikoje bromas ir chloras dažniausiai dalyvauja halogeninant alkanus. Fluoras yra pernelyg aktyvus elementas – su juo reakcija bus sprogi. Jodas yra silpnas, todėl pakeitimo reakcija nevyks. O astatinas gamtoje yra labai retas, todėl sunku jo surinkti pakankamai eksperimentams.

Halogeninimo žingsniai

Visi alkanai pereina tris halogeninimo etapus:

1. Grandinės arba iniciacijos kilmė. Esant įtakaisaulės šviesa, šiluma ar ultravioletinė spinduliuotė, chloro molekulė Cl_{2 skyla į du laisvuosius radikalus. Kiekvieno iš jų išoriniame sluoksnyje yra vienas nesuporuotas elektronas.}
2. Grandinės plėtra arba augimas. Radikalai sąveikauja su metano molekulėmis.
3. Grandinės nutraukimas yra paskutinė alkano halogeninimo dalis. Visi radikalai pradeda jungtis vienas su kitu ir galiausiai visiškai išnyksta.

Alkanų brominimas

Halogeninant aukštesniuosius alkanus po etano, sudėtinga susidaro izomerai. Iš vienos medžiagos, veikiant saulės šviesai, gali susidaryti skirtingi izomerai. Tai atsitinka dėl pakeitimo reakcijos. Tai yra įrodymas, kad bet kuris alkano H atomas gali būti pakeistas laisvuoju radikalu halogeninimo metu. Sudėtingas alkanas skyla į dvi medžiagas, kurių procentinė dalis gali labai skirtis priklausomai nuo reakcijos sąlygų.

Propano brominimas (2-brompropanas). Propano halogeninimo su Br2 molekule reakcijos metu, veikiant aukštai temperatūrai ir saulės šviesai, išsiskiria 1-brompropanas - 3% ir 2-brompropanas - 97%.

Butano bromavimas. Kai butanas brominamas šviesoje ir aukštoje temperatūroje, išsiskiria 2 % 1-brombutano ir 98 % 2-bromobutano.

Skirtumas tarp alkanų chlorinimo ir brominimo

Chlorinimas dažniau naudojamas pramonėje. Pavyzdžiui, tirpiklių, turinčių izomerų mišinį, gamybai. Gavus halogenalkanąsunku atskirti vienas nuo kito, bet rinkoje mišinys yra pigesnis nei grynas produktas. Laboratorijose bromavimas yra dažnesnis. Bromas yra silpnesnis už chlorą. Jis turi mažą reaktyvumą, todėl bromo atomai turi didelį selektyvumą. Tai reiškia, kad reakcijos metu atomai „pasirenka“, kurį vandenilio atomą pakeisti.

Chlorinimo reakcijos pobūdis

Chloruojant alkanus, izomerų masės dalis susidaro maždaug vienodais kiekiais. Pavyzdžiui, chlorinant propaną katalizatoriumi, padidinant temperatūrą iki 454 laipsnių, gauname 2-chlorpropaną ir 1-chlorpropaną atitinkamai 25% ir 75%. Jei halogeninimo reakcija vyksta tik ultravioletinių spindulių pagalba, gaunama 43% 1-chlorpropano, o 57% - 2-chlorpropano. Priklausomai nuo reakcijos sąlygų, gautų izomerų santykis gali skirtis.

Brominimo reakcijos pobūdis

Dėl alkanų brominimo reakcijų lengvai išsiskiria beveik gryna medžiaga. Pavyzdžiui, 1-brompropanas – 3%, 2-brompropanas – 97% n-propano molekulės. Todėl bromavimas dažnai naudojamas laboratorijose tam tikrai medžiagai sintetinti.

Alkanų sulfacija

Alkanai taip pat yra sulfonuojami radikalų pakeitimo mechanizmu. Kad reakcija vyktų, deguonis ir sieros oksidas SO_{2 (sieros anhidridas) vienu metu veikia alkaną. Dėl reakcijos alkanas paverčiamas alkilsulfonrūgštimi. Butano sulfoninimo pavyzdys:}

CH₃CH₂CH₂CH_{3+ O}2 _+SO2 _{→ CH}3_CH2_CH2_CH 2_SO2_OH

Bendra alkanų sulfoksidavimo formulė:

R―H + O₂ + SO₂ → R―SO_2OH

Alkanų sulfochlorinimas

Sulfochlorinimo atveju vietoj deguonies kaip oksidatorius naudojamas chloras. Tokiu būdu gaunami alkansulfonchloridai. Sulfochlorinimo reakcija būdinga visiems angliavandeniliams. Tai atsiranda kambario temperatūroje ir saulės šviesoje. Organiniai peroksidai taip pat naudojami kaip katalizatorius. Tokia reakcija paveikia tik antrines ir pirmines jungtis, susijusias su anglies ir vandenilio atomais. Medžiaga nepasiekia tretinių atomų, nes nutrūksta reakcijos grandinė.

Konovalovo reakcija

Nitrinimo reakcija, kaip ir alkanų halogeninimo reakcija, vyksta pagal laisvųjų radikalų mechanizmą. Reakcija vykdoma naudojant labai praskiestą (10 - 20%) azoto rūgštį (HNO3). Reakcijos mechanizmas: reakcijos metu alkanai sudaro junginių mišinį. Reakcijai katalizuoti naudojamas temperatūros padidinimas iki 140 ⁰ ir normalus arba padidintas aplinkos slėgis. Nitrinimo metu sunaikinamos C – C jungtys, o ne tik C – H, priešingai nei ankstesnėse pakeitimo reakcijose. Tai reiškia, kad vyksta įtrūkimai. Tai yra skilimo reakcija.

Oksidacijos ir degimo reakcijos

Alkanai taip pat oksiduojami pagal laisvųjų radikalų tipą. Parafinų apdorojimas naudojant oksidacinę reakciją yra trijų tipų.

1. Dujų fazėje. Taigigauti aldehidų ir žemesniųjų alkoholių.
2. Skystoje fazėje. Naudokite terminę oksidaciją, pridedant boro rūgšties. Taikant šį metodą aukštesni alkoholiai gaunami nuo С₁₀ iki С_20.
3. Skystoje fazėje. Alkanai oksiduojami, kad susintetintų karboksirūgštis.

Oksidacijos procese laisvasis radikalas O_{2 visiškai arba iš dalies pakeičia vandenilio komponentą. Visiška oksidacija yra degimas.}

Gerai degantys alkanai naudojami kaip kuras šiluminėse elektrinėse ir vidaus degimo varikliams. Degdami alkanai gamina daug šilumos energijos. Kompleksiniai alkanai dedami į vidaus degimo variklius. Sąveika su deguonimi paprastuose alkanuose gali sukelti sprogimą. Asf altas, parafinas ir įvairūs pramonei skirti tepalai gaminami iš atliekų, susidarančių reaguojant su alkanais.