Kiekviena cheminių junginių klasė dėl savo elektroninės struktūros gali turėti savybių. Alkanams būdingos molekulių pakeitimo, pašalinimo arba oksidacijos reakcijos. Visi cheminiai procesai turi savo srauto ypatybes, kurios bus aptartos toliau.
Kas yra alkanai
Tai sotieji angliavandenilių junginiai, vadinami parafinais. Jų molekulės susideda tik iš anglies ir vandenilio atomų, turi linijinę arba šakotą aciklinę grandinę, kurioje yra tik pavieniai junginiai. Atsižvelgiant į klasės charakteristikas, galima apskaičiuoti, kurios reakcijos būdingos alkanams. Jie paklūsta visos klasės formulei: H2n+2C.
Cheminė struktūra
Parafino molekulėje yra anglies atomų, rodančių sp3-hibridizaciją. Jų visos keturios valentinės orbitalės yra vienodos formos, energijos ir krypties erdvėje. Kampo tarp energijos lygių dydis yra 109° ir 28'.
Pavienių jungčių buvimas molekulėse lemia, kurios reakcijos vykstabūdingas alkanams. Juose yra σ junginių. Ryšys tarp anglies yra nepolinis ir silpnai poliarizuojamas ir yra šiek tiek ilgesnis nei C-H. Taip pat yra elektronų tankio poslinkis į anglies atomą, kuris yra labiausiai elektronegatyvus. Dėl to C−H junginys pasižymi mažu poliškumu.
Pakeitimo reakcijos
Parafino klasės medžiagos pasižymi silpnu cheminiu aktyvumu. Tai galima paaiškinti ryšiu tarp C – C ir C – H, kuriuos sunku nutraukti dėl nepoliškumo. Jų naikinimas pagrįstas homolitiniu mechanizmu, kuriame dalyvauja laisvieji radikalai. Štai kodėl alkanams būdingos pakeitimo reakcijos. Tokios medžiagos negali sąveikauti su vandens molekulėmis arba krūvį nešančiais jonais.
Jie apima laisvųjų radikalų pakeitimą, kai vandenilio atomai pakeičiami halogeno elementais arba kitomis aktyviomis grupėmis. Šios reakcijos apima procesus, susijusius su halogeninimu, sulfochlorinimu ir nitrinimu. Jų rezultatas – alkano darinių paruošimas.
Laisvųjų radikalų pakeitimo reakcijų mechanizmas pagrįstas trimis pagrindiniais etapais:
- Procesas prasideda nuo grandinės inicijavimo arba branduolio susidarymo, dėl kurio susidaro laisvieji radikalai. Katalizatoriai yra ultravioletinės šviesos ir šilumos š altiniai.
- Tada išsivysto grandinė, kurioje vyksta nuoseklios aktyvių dalelių sąveikos su neaktyviomis molekulėmis. Jie atitinkamai paverčiami molekulėmis ir radikalais.
- Paskutinis žingsnis – nutraukti grandinę. Pastebima aktyvių dalelių rekombinacija arba išnykimas. Tai sustabdo grandininės reakcijos vystymąsi.
Halogeninimo procesas
Jis pagrįstas radikalaus tipo mechanizmu. Alkanų halogeninimo reakcija vyksta ultravioletiniu spinduliu ir kaitinant halogenų ir angliavandenilių mišinį.
Visiems proceso etapams galioja Markovnikovo nurodyta taisyklė. Jame teigiama, kad pirmiausia vandenilio atomas, priklausantis labiausiai hidrintai anglimi, pakeičiamas halogenu. Halogeninimas vyksta tokia seka: nuo tretinio atomo iki pirminės anglies.
Šis procesas geresnis alkano molekulėms, turinčioms ilgą pagrindinę anglies grandinę. Taip yra dėl jonizuojančiosios energijos sumažėjimo šia kryptimi, todėl elektronas lengviau atsiskiria nuo medžiagos.
Pavyzdys yra metano molekulės chlorinimas. Veikiant ultravioletiniams spinduliams, chloras suskaidomas į radikalų daleles, kurios atakuoja alkaną. Atsiskiria atominis vandenilis ir susidaro H3C· arba metilo radikalas. Tokia dalelė, savo ruožtu, atakuoja molekulinį chlorą, todėl sunaikinama jo struktūra ir susidaro naujas cheminis reagentas.
Kiekviename proceso etape pakeičiamas tik vienas vandenilio atomas. Dėl alkanų halogeninimo reakcijos palaipsniui susidaro chlormetano, dichlormetano, trichlormetano ir anglies tetrachlorido molekulės.
Schemiškai procesas atrodo taip:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Skirtingai nei chloruojant metano molekulę, atliekant tokį procesą su kitais alkanais, gaunamos medžiagos, kuriose vandenilis pakeičiamas ne viename anglies atome, o keliuose. Jų kiekybinis santykis siejamas su temperatūros rodikliais. Š altomis sąlygomis sumažėja tretinės, antrinės ir pirminės struktūros darinių susidarymo greitis.
Kylant temperatūrai, tokių junginių susidarymo greitis išsilygina. Halogeninimo procesą įtakoja statinis faktorius, kuris rodo skirtingą radikalo susidūrimo su anglies atomu tikimybę.
Halogeninimo jodu procesas normaliomis sąlygomis nevyksta. Būtina sukurti specialias sąlygas. Metaną veikiant šiam halogenui, susidaro vandenilio jodidas. Jį veikia metilo jodidas, todėl išsiskiria pirminiai reagentai: metanas ir jodas. Tokia reakcija laikoma grįžtama.
Wurtz reakcija į alkanus
Tai simetriškos struktūros sočiųjų angliavandenilių gavimo metodas. Kaip reagentai naudojami natrio metalas, alkilbromidai arba alkilchloridai. AtJų sąveika sukuria natrio halogenidą ir išplėstą angliavandenilio grandinę, kuri yra dviejų angliavandenilių radikalų suma. Schematiškai sintezė yra tokia: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtz reakcija į alkanus įmanoma tik tuo atveju, jei halogenai jų molekulėse yra prie pirminio anglies atomo. Pavyzdžiui, CH3−CH2−CH2Br.
Jei procese dalyvauja dviejų junginių halogeninių angliavandenių mišinys, jų grandinių kondensacijos metu susidaro trys skirtingi produktai. Tokios alkanų reakcijos pavyzdys yra natrio sąveika su chlormetanu ir chloretanu. Išeiga yra mišinys, kuriame yra butano, propano ir etano.
Be natrio, gali būti naudojami ir kiti šarminiai metalai, įskaitant litį arba kalį.
Sulfochlorinimo procesas
Tai dar vadinama Reed reakcija. Jis vyksta pagal laisvųjų radikalų pakeitimo principą. Tai būdinga alkanų reakcija į sieros dioksido ir molekulinio chloro mišinį, esant ultravioletinei spinduliuotei.
Procesas prasideda nuo grandinės mechanizmo, kurio metu iš chloro gaunami du radikalai, inicijavimu. Vienas iš jų atakuoja alkaną, todėl susidaro alkilo rūšis ir vandenilio chlorido molekulė. Sieros dioksidas yra prijungtas prie angliavandenilio radikalo ir sudaro sudėtingą dalelę. Stabilizavimui vienas chloro atomas paimamas iš kitos molekulės. Galutinė medžiaga yra alkano sulfonilchloridas, jis naudojamas paviršinio aktyvumo junginių sintezei.
Schemiškai procesas atrodo taip:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesai, susiję su nitravimu
Alkanai reaguoja su azoto rūgštimi 10 % tirpalo pavidalu, taip pat su keturiavalenčiu azoto oksidu dujinėje būsenoje. Jo tekėjimo sąlygos yra aukštos temperatūros vertės (apie 140 ° C) ir žemo slėgio indikatoriai. Nitroalkanai gaminami išėjimo metu.
Šis laisvųjų radikalų procesas buvo pavadintas mokslininko Konovalovo, atradusio nitrinimo sintezę, vardu: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Skilimo mechanizmas
Alkanams būdingos dehidrinimo ir krekingo reakcijos. Metano molekulėje vyksta visiškas terminis skilimas.
Pagrindinis minėtų reakcijų mechanizmas yra atomų pašalinimas iš alkanų.
Dehidrinimo procesas
Kai vandenilio atomai atskiriami nuo parafinų anglies skeleto, išskyrus metaną, gaunami nesotieji junginiai. Tokios cheminės alkanų reakcijos vyksta aukštoje temperatūroje (nuo 400 iki 600 °C) ir veikiant greitintuvams platinos, nikelio, chromo ir aliuminio oksidų pavidalu.
Jei reakcijoje dalyvauja propano arba etano molekulės, jos produktai bus propenas arba etenas su viena dviguba jungtimi.
Dehidrogenuojant keturių ar penkių anglies skeletą, dienąjungtys. Butanas susidaro iš butadieno-1, 3 ir butadieno-1, 2.
Jei reakcijoje yra medžiagų, turinčių 6 ar daugiau anglies atomų, susidaro benzenas. Jame yra aromatinė šerdis su trimis dvigubomis jungtimis.
Skaidymo procesas
Aukštos temperatūros sąlygomis alkanų reakcijos gali vykti nutrūkus anglies jungtims ir susidaryti aktyvioms radikalinio tipo dalelėms. Tokie procesai vadinami krekingu arba pirolize.
Reagentų kaitinimas iki aukštesnės nei 500 °C temperatūros sukelia jų molekulių skilimą, kurio metu susidaro sudėtingi alkilo tipo radikalų mišiniai.
Alkanų su ilgomis anglies grandinėmis pirolizės atlikimas stipriai kaitinant yra susijęs su sočiųjų ir nesočiųjų junginių gavimu. Jis vadinamas terminiu krekingu. Šis procesas buvo naudojamas iki XX amžiaus vidurio.
Trūkumas buvo mažo oktaninio skaičiaus (ne daugiau kaip 65) angliavandenilių gamyba, todėl ji buvo pakeista kataliziniu krekingu. Procesas vyksta esant žemesnei nei 440 °C temperatūrai ir žemesniam nei 15 atmosferų slėgiui, esant aliumosilikato greitintuvui, išskiriant šakotos struktūros alkanus. Pavyzdys yra metano pirolizė: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Šios reakcijos metu susidaro acetilenas ir molekulinis vandenilis.
Metano molekulė gali virsti. Šiai reakcijai reikia vandens ir nikelio katalizatoriaus. Antgaunamas anglies monoksido ir vandenilio mišinys.
Oksidacijos procesai
Alkanams būdingos cheminės reakcijos apima elektronų donorystę.
Vyksta savaiminė parafinų oksidacija. Tai apima laisvųjų radikalų mechanizmą, skirtą sočiųjų angliavandenilių oksidacijai. Reakcijos metu hidroperoksidai gaunami iš alkanų skystosios fazės. Pradiniame etape parafino molekulė sąveikauja su deguonimi, todėl išsiskiria aktyvūs radikalai. Be to, kita molekulė O2 sąveikauja su alkilo dalele, todėl susidaro ∙ROO. Alkano molekulė kontaktuoja su riebalų rūgščių peroksido radikalu, po kurio išsiskiria hidroperoksidas. Pavyzdys yra etano autoksidacija:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkanams būdingos degimo reakcijos, kurios yra vienos iš pagrindinių cheminių savybių, kai jos nustatomos pagal kuro sudėtį. Jie turi oksidacinį pobūdį ir šilumos išsiskyrimą: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Jei procese yra nedidelis deguonies kiekis, galutinis produktas gali būti anglis arba dvivalentis anglies oksidas, kuris nustatomas pagal O2 koncentraciją.
Kai alkanai oksiduojami veikiant katalizinėms medžiagoms ir kaitinami iki 200 °C, alkoholio, aldehido arkarboksirūgštis.
Etano pavyzdys:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanolis),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanolis ir vanduo), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etano rūgštis ir vanduo).
Alkanai gali oksiduotis veikiami trijų narių ciklinių peroksidų. Tai apima dimetildioksraną. Parafinų oksidacijos rezultatas yra alkoholio molekulė.
Parafinų atstovai nereaguoja į KMnO4 ar kalio permanganatą, taip pat į bromo vandenį.
Izomerizacija
Alkanuose reakcijai būdingas pakeitimas elektrofiliniu mechanizmu. Tai apima anglies grandinės izomerizaciją. Šį procesą katalizuoja aliuminio chloridas, kuris sąveikauja su prisotintu parafinu. Pavyzdys yra butano molekulės, kuri tampa 2-metilpropanu, izomerizacija: C4H10 → C3 H 7CH3.
Kvapų apdorojimas
Sotieji, kurių pagrindinėje anglies grandinėje yra šeši ar daugiau anglies atomų, gali dehidrociklizuotis. Tokia reakcija nėra būdinga trumpoms molekulėms. Rezultatas visada yra šešių narių žiedas cikloheksano ir jo darinių pavidalu.
Esant reakcijos greitintuvams, vyksta tolesnis dehidrinimas irtransformacija į stabilesnį benzeno žiedą. Acikliniai angliavandeniliai paverčiami aromatiniais junginiais arba arenais. Pavyzdys yra heksano dehidrociklizavimas:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cikloheksanas), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzenas).
