Кои алкани се характеризират с реакции

Всеки клас химични съединения е в състояние да проявява свойства поради тяхната електронна структура. Алканите се характеризират с реакции на заместване, разцепване или окисление на молекули. Всички химически процеси имат свои собствени свойства на просмукване, които ще бъдат разгледани по-късно.

Какви са алканите

Това са наситени въглеводородни съединения, които се наричат ​​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: H_{2n + 2}C_п.

Химична структура

Молекулата на парафина включва въглеродни атоми, показващи sp³-хибридизация. Всички орбитални валентност имат еднаква форма, енергия и посока в пространството. Ъгълът между енергийните нива е 109 ° и 28 `.

Наличието на единични връзки в молекулите определя кои реакции са характерни за алканите. Те са налице сигма - връзки. Връзката между въглеродите е неполярна и слабо поляризираща, малко по-дълга от Cminus-H. Също така се наблюдава изместване на електронната плътност до въглеродния атом като най-електронегативен. В резултат на това съединението Cminus-H се характеризира с ниска полярност.

Реакции на заместване

Веществата от класа парафини имат слаба химическа активност. Това може да се обясни от силата на връзки между Cminus-C и Cminus-H, което е трудно да се прекъсне поради липсата на полярността. Тяхното разрушаване се основава на хомолитичния механизъм, в който участват радикалите от свободен тип. Ето защо алканите се характеризират с реакции на заместване. Такива вещества не са в състояние да взаимодействат с водните молекули или йоните, носещи заряд.

Те се считат за заместени с свободни радикали, при които водородните атоми са заместени с халогенни елементи или други активни групи. Такива реакции включват процеси, свързани с халогениране, сулфохлориниране и нитриране. Техният резултат е производството на алканови производни.В основата на механизма на реакциите на заместване в типа на свободния радикал са основните три етапа:

1. Процесът започва с инициирането или образуването на верига, в резултат на което се образуват свободни радикали. Катализаторите са източници на ултравиолетово осветление и нагряване.
2. След това се развива верига, в която се извършват последователни взаимодействия на активни частици с неактивни молекули. Трансформирането им съответно в молекули и радикали.
3. Последната стъпка е прекъсване на веригата. Рекомбинацията или изчезването на активните частици се наблюдава. Така спира развитието на верижната реакция.

Процес на халогениране

Тя се основава на механизъм от радикален тип. Реакцията на халогениране на алкани се извършва чрез облъчване с ултравиолетови лъчи и загряване на смес от халогени и въглеводороди.

Всички етапи на процеса са предмет на правилото, което Марковиков изрази. Той посочва, че той подлежи на заместване с халоген, на първо място, водороден атом, който принадлежи към самия хидрогениран въглерод. Халогенирането протича в такава последователност: от третичния атом до първичния въглерод.

Процесът е по-добър за молекулите алкани с дълга основна въглеродна верига. Това се дължи на намаляването на йонизиращата енергия в дадена посока, електронът по-лесно се отделя от веществото.

Пример за това е хлорирането на метановата молекула. Действието на ултравиолетовото лъчение води до разделянето на хлора на радикални частици, които извършват атака срещу алкана. Има отделяне на атомния водород и образуването на Н₃Cmiddot- или метилов радикал. Такава частица на свой ред атакува молекулярен хлор, което води до разрушаване на неговата структура и образуване на нов химически реактив.

На всеки етап от процеса се замества само един водороден атом. Реакцията на халогениране на алкани води до постепенно образуване на молекула на хлорметан, дихлорметан, трихлорметан и тетрахлорметан.

Схематично процесът е, както следва:

Н₄С + Cl: С1-Н₃CCl + HCI,

Н₃CCl + Cl: Cl -> H₂ССЦ₂ + HCI,

Н₂ССЦ₂ + Cl: Cl -> HCI₃ + HCI,

HCCl₃ + Cl: Cl -> CCl₄ + HCI.

За разлика от хлорирането на метановата молекула, осъществяването на такъв процес с други алкани се характеризира с получаване на вещества, при които заместването на водород става не на един въглероден атом, а на няколко. Тяхното количествено отношение е свързано с температурата. При студени условия скоростта на образуване на производни с третична, вторична и първична структура намалява.

С увеличаването на температурния индекс скоростта на образуване на такива съединения се изравнява. Процесът на халогениране се влияе от статичния фактор, който показва различна вероятност радикалът да се сблъска с въглероден атом.

Процесът на халогениране с йод не се получава при нормални условия. Необходимо е да се създадат специални условия. Когато се излага на метан с този халоген, се получава водороден йодид. Той се влияе от йодид метил, в резултат на което се освобождават оригиналните реагенти: метан и йод. Такава реакция се счита за обратима.

Wurz реакция за алкани

Е метод за получаване наситени въглеводороди със симетрична структура. Реактивните вещества са натриев метал, алкилбромиди или алкилхлориди. Когато взаимодействат, се получава натриев халид и увеличена въглеводородна верига, която е сумата от два въглеводородни радикала. Схематично, синтезът е както следва: Rminus-Cl + Clminus-R + 2Na → Rminus-R + 2NaCl.

Реакцията на Wurz за алкани е възможна само ако в техните молекули халогените са разположени на първичния въглероден атом. Например, CH₃минус-СН₂минус-СН₂Бр.

Ако в процеса участва една халоген-въглеводородна смес от две съединения, се формират три различни продукта, когато техните вериги се кондензират. Пример за такава алканова реакция е взаимодействието на натрий с хлорметан и хлоретан. Продукцията е смес, съдържаща бутан, пропан и етан.

В допълнение към натрий, можете да използвате други алкални метали, които включват литий или калий.

Процес на сулфохлориране

Нарича се и реакция на Рийд. Той протича в съответствие с принципа на заместване на свободните радикали. Това е типичен тип реакция на алкани към действието на смес от серен диоксид и молекулярен хлор в присъствието на ултравиолетово лъчение.

Процесът започва с инициирането на верижен механизъм, в който се получават два радикала от хлор. Един от тях атакува алкана, което води до появата на молекула на алкилна частица и хлороводород. Серният диоксид се прикрепя към въглеводородния радикал, за да образува сложна частица. За стабилизиране един хлорен атом се улавя от друга молекула. Крайното вещество е алкан сулфонил хлорид, се използва в синтеза на повърхностно активни съединения.

Схематично процесът изглежда така:

ClCl^HV ∙ Cl + ∙ Cl,

HR + • Cl → R + + HCI,

R ∙ + OSO → ∙ RSO₂,

∙ RSO₂ + ClCl → RSO₂Cl + Cl.

Процесите, свързани с нитрирането

Алканите взаимодействат с азотна киселина под формата на разтвор от 10%, а също и с азота на четиривалентен оксид в газообразно състояние. Условията за преминаването му са високи температурни стойности (около 140 ° C) и ниски стойности на налягане. На изхода се произвеждат нитраалкани.

Този процес на свободни радикали е кръстен на учения Ковалов, който откри синтеза на нитрацията: CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + Н₂О.

Механизмът на разделяне

За алканите са характерни реакции на дехидрогениране и крекинг. Молекулата на метана претърпява пълно термично разлагане.

Основният механизъм на горните реакции е елиминирането на атоми от алкани.

Процес на дехидрогениране

Когато се отделят водородни атоми от въглеродния скелет на парафините, с изключение на метана, се получават ненаситени съединения. Такива химични реакции на алкани се осъществяват при условия на висока температура (от 400 до 600 ° С) и под действието на ускорители под формата на платина, никел, хром оксиди и алуминий.

Ако реакцията включва молекулите на пропан или етан, тогава неговите продукти ще бъдат пропени или етен с една двойна връзка.

Когато четири- или пет-въглеродния скелет е дехидриран, се получават диен съединения. Бутанът се получава от бутан-1,3 и бутадиен-1,2.

Ако реакцията съдържа вещества с 6 или повече въглерода, тогава се образува бензен. Има ароматно ядро ​​с три двойни връзки.

Процесът, свързан с разграждането

При високи температурни условия реакциите на алканите могат да продължат с разцепването на въглеродни връзки и образуването на частици от активен радикален тип. Такива процеси се наричат ​​крекинг или пиролиза.

Отопляването на реагентите до температури над 500 ° С води до разлагане на техните молекули, при което се образуват комплексни смеси от алкилови радикали.

Извършването на силно загряване на пиролизата на алкани с дълги въглеродни вериги е свързано с получаването на ограничаващи и ненаситени съединения. Нарича се термичен крекинг. Този процес се използва до средата на 20-ти век.

Недостатъкът е производството на въглеводороди с ниско октаново число (не повече от 65), така че е заменен каталитичен крекинг. Процесът протича при температурни условия, които са под 440 ° С, и налягания по-малки от 15 атмосфери, в присъствието на алуминосиликатен ускорител, с освобождаването на алкани с разклонена структура. Пример за това е метановата пиролиза: 2CH₄ →^т°C₂Н₂+ 3H₂. По време на тази реакция се образува ацетилен и молекулен водород.

Една метанова молекула може да претърпи конверсия. За такава реакция са необходими вода и никелов катализатор. Продукцията е смес от въглероден окис и водород.

Окислителни процеси

Химическите реакции, характерни за алканите, са свързани с отделянето на електрони.

Има авто-оксидация на парафини. Тя включва механизъм на свободен радикал за окисляване на наситени въглеводороди. По време на реакцията, хидропероксидите се получават от течната фаза на алканите. В началния етап парафиновата молекула взаимодейства с кислорода, което води до освобождаване на активните радикали. По-нататък с алкилова частица, друга молекула О₂, Оказва се, че ∙ ROO. С радикала на перокси мастната киселина контактува алкан молекула, след което се освобождава хидропероксид. Пример за това е авто-оксидацията на етан:

C₂Н₆ + О₂ → ∙ C₂Н₅ + HOO ∙,

∙ C₂Н₅ + О₂ → ∙ OOC₂Н₅,

∙ OOC₂Н₅ + C₂Н₆ → HOOC₂Н₅ + ∙ C₂Н₅.

Алканите се характеризират с реакции на изгаряне, които принадлежат към основните химични свойства, когато се определят в състава на горивото. Те имат оксидативен характер с освобождаване на топлина: 2C₂Н₆ + 7o₂ → 4CO₂ + 6Н₂О.

Ако в процеса се наблюдава малко количество кислород, крайният продукт може да бъде въглероден или въглероден двувалентен оксид, който се определя от концентрацията на О₂.

При окисляването на алкани под въздействието на каталитични вещества и нагряване до 200 ° С се получават молекули на алкохол, алдехид или карбоксилна киселина.

Пример с етан:

C₂Н₆ + О₂ → C₂Н₅ОН (етанол),

C₂Н₆ + О₂ → CH₃CHO + H₂О (етанол и вода),

2С₂Н₆ + 3О₂ → 2CH₃COOH + 2Н₂О (етанолова киселина и вода).

Алканите могат да бъдат окислени чрез действието на тричленен цикличен пероксид върху тях. Те включват диметилдиоксиран. Резултатът от окисляването на парафини е алкохолна молекула.

Представители на парафини не реагират на KMnO₄ или калиев перманганат, както и бромна вода.

изомеризация

За алканите типът на реакцията се характеризира със заместване с електрофилен механизъм. Това е изомеризацията на въглеродната верига. Катализира този процес на алуминиев хлорид, който взаимодейства с наситения парафин. Пример за това е изомеризацията на бутанова молекула, която става 2-метилпропан: С₄Н₁₀ → C₃Н₇СН₃.

Процесът на ароматизиране

Наситените вещества, в които основната въглеродна верига съдържа шест или повече въглеродни атома, са способни да дехидроциклизират. За къси молекули тази реакция не е типична. Резултатът е винаги шест-членен цикъл под формата на циклохексан и неговите производни.

В присъствието на ускорители на реакцията се извършва допълнително дехидрогениране и превръщане в по-стабилен бензенов пръстен. Ациклените въглеводороди се превръщат в ароматни съединения или арени. Пример за това е дехидроциклизирането на хексан:

Н₃Cminus-СН₂minus- СН₂minus- СН₂minus- СН₂минус-СН₃ → C₆Н₁₂ (Циклохексан)

C₆Н₁₂ → C₆Н₆ + 3H₂ (Бензол).