Katrai ķīmisko savienojumu klasei var būt īpašības to elektroniskās struktūras dēļ. Alkānus raksturo molekulu aizstāšanas, eliminācijas vai oksidācijas reakcijas. Visiem ķīmiskajiem procesiem ir savas plūsmas īpašības, kas tiks apspriestas tālāk.
Kas ir alkāni
Tie ir piesātināti ogļūdeņražu savienojumi, ko sauc par parafīniem. To molekulas sastāv tikai no oglekļa un ūdeņraža atomiem, tām ir lineāra vai sazarota acikliska ķēde, kurā ir tikai atsevišķi savienojumi. Ņemot vērā klases īpašības, ir iespējams aprēķināt, kuras reakcijas ir raksturīgas alkāniem. Viņi ievēro visas klases formulu: H2n+2C.
Ķīmiskā struktūra
Parafīna molekulā ir oglekļa atomi, kas uzrāda sp3-hibridizāciju. Viņiem visām četrām valences orbitālēm ir vienāda forma, enerģija un virziens telpā. Leņķa lielums starp enerģijas līmeņiem ir 109° un 28'.
Atsevišķu saišu klātbūtne molekulās nosaka, kuras reakcijasraksturīgs alkāniem. Tie satur σ-savienojumus. Saite starp oglekliem ir nepolāra un vāji polarizējama, un tā ir nedaudz garāka nekā C-H. Notiek arī elektronu blīvuma nobīde uz oglekļa atomu, kas ir viselektronegatīvākais. Tā rezultātā C−H savienojumam ir raksturīga zema polaritāte.
Aizvietošanas reakcijas
Parafīna klases vielām ir vāja ķīmiskā aktivitāte. To var izskaidrot ar saišu stiprumu starp C – C un C – H, kuras ir grūti pārraut nepolaritātes dēļ. To iznīcināšanas pamatā ir homolītisks mehānisms, kurā piedalās brīvā tipa radikāļi. Tāpēc alkāniem raksturīgas aizvietošanas reakcijas. Šādas vielas nespēj mijiedarboties ar ūdens molekulām vai lādiņu nesējiem joniem.
Tie ietver brīvo radikāļu aizstāšanu, kurā ūdeņraža atomi tiek aizstāti ar halogēna elementiem vai citām aktīvām grupām. Šīs reakcijas ietver procesus, kas saistīti ar halogenēšanu, sulfohlorēšanu un nitrēšanu. To rezultāts ir alkānu atvasinājumu sagatavošana.
Brīvo radikāļu aizstāšanas reakciju mehānisms ir balstīts uz galvenajiem trim posmiem:
- Process sākas ar ķēdes uzsākšanu vai kodolu veidošanos, kā rezultātā veidojas brīvie radikāļi. Katalizatori ir ultravioletās gaismas avoti un siltums.
- Tad veidojas ķēde, kurā notiek secīga aktīvo daļiņu mijiedarbība ar neaktīvām molekulām. Tie tiek pārveidoti attiecīgi par molekulām un radikāļiem.
- Pēdējais solis ir pārraut ķēdi. Tiek novērota aktīvo daļiņu rekombinācija vai izzušana. Tas aptur ķēdes reakcijas attīstību.
Halogenizācijas process
Tā pamatā ir radikāla tipa mehānisms. Alkānu halogenēšanas reakcija notiek ar ultravioleto starojumu un halogēnu un ogļūdeņražu maisījumu karsēšanu.
Visi procesa posmi ir pakļauti Markovņikova noteiktajam noteikumam. Tajā teikts, ka, pirmkārt, ūdeņraža atoms, kas pieder pie visvairāk hidrogenētā oglekļa, tiek aizstāts ar halogēnu. Halogenēšana notiek šādā secībā: no terciārā atoma līdz primārajam ogleklim.
Process ir labāks alkāna molekulām ar garu galveno oglekļa ķēdi. Tas ir saistīts ar jonizējošās enerģijas samazināšanos šajā virzienā, un elektrons tiek vieglāk atdalīts no vielas.
Piemērs ir metāna molekulas hlorēšana. Ultravioletā iedarbība noved pie hlora sadalīšanās radikālās daļiņās, kas uzbrūk alkānam. Notiek atomu ūdeņraža atdalīšanās un H3C· vai metilgrupas veidošanās. Šāda daļiņa, savukārt, uzbrūk molekulārajam hloram, izraisot tā struktūras iznīcināšanu un jauna ķīmiskā reaģenta veidošanos.
Katrā procesa posmā tiek aizstāts tikai viens ūdeņraža atoms. Alkānu halogenēšanas reakcija noved pie pakāpeniskas hlormetāna, dihlormetāna, trihlormetāna un oglekļa tetrahlorīda molekulu veidošanās.
Shēmiski process izskatās šādi:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Atšķirībā no metāna molekulas hlorēšanas, šāda procesa veikšana ar citiem alkāniem ir raksturīga ar tādu vielu iegūšanu, kurās ūdeņraža aizstāšana notiek nevis pie viena oglekļa atoma, bet vairākos. To kvantitatīvā attiecība ir saistīta ar temperatūras rādītājiem. Aukstos apstākļos samazinās atvasinājumu veidošanās ātrums ar terciāro, sekundāro un primāro struktūru.
Paaugstinoties temperatūrai, šādu savienojumu veidošanās ātrums izlīdzinās. Halogenēšanas procesu ietekmē statiskais faktors, kas norāda uz atšķirīgu varbūtību radikālam sadurties ar oglekļa atomu.
Halogenēšana ar jodu normālos apstākļos nenotiek. Ir nepieciešams radīt īpašus apstākļus. Kad metāns tiek pakļauts šim halogēnam, veidojas jodūdeņradis. To ietekmē metiljodīds, kā rezultātā izdalās sākotnējie reaģenti: metāns un jods. Šāda reakcija tiek uzskatīta par atgriezenisku.
Wurtz reakcija uz alkāniem
Ir metode piesātinātu ogļūdeņražu iegūšanai ar simetrisku struktūru. Kā reaģentus izmanto nātrija metālu, alkilbromīdus vai alkilhlorīdus. Plkstto mijiedarbība rada nātrija halogenīdu un pagarinātu ogļūdeņraža ķēdi, kas ir divu ogļūdeņražu radikāļu summa. Shematiski sintēze ir šāda: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Vurca reakcija uz alkāniem ir iespējama tikai tad, ja to molekulās esošie halogēni atrodas primārajā oglekļa atomā. Piemēram, CH3−CH2−CH2Br.
Ja procesā tiek iesaistīts divu savienojumu halogēna maisījums, tad to ķēžu kondensācijas laikā veidojas trīs dažādi produkti. Šādas alkānu reakcijas piemērs ir nātrija mijiedarbība ar hlormetānu un hloretānu. Iznākums ir maisījums, kas satur butānu, propānu un etānu.
Papildus nātrijam var izmantot citus sārmu metālus, tostarp litiju vai kāliju.
Sulfohlorēšanas process
To sauc arī par Rīda reakciju. Tas notiek saskaņā ar brīvo radikāļu aizstāšanas principu. Tas ir raksturīgs alkānu reakcijas veids uz sēra dioksīda un molekulārā hlora maisījuma iedarbību ultravioletā starojuma klātbūtnē.
Process sākas ar ķēdes mehānisma iedarbināšanu, kurā no hlora tiek iegūti divi radikāļi. Viens no tiem uzbrūk alkānam, kā rezultātā veidojas alkilgrupa un ūdeņraža hlorīda molekula. Sēra dioksīds tiek pievienots ogļūdeņraža radikālim, veidojot kompleksu daļiņu. Stabilizācijai viens hlora atoms tiek uztverts no citas molekulas. Gala viela ir alkānsulfonilhlorīds, to izmanto virsmaktīvo savienojumu sintēzē.
Shēmiski process izskatās šādi:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Ar nitrēšanu saistīti procesi
Alkāni reaģē ar slāpekļskābi 10% šķīduma veidā, kā arī ar četrvērtīgo slāpekļa oksīdu gāzveida stāvoklī. Tās plūsmas nosacījumi ir augstas temperatūras vērtības (apmēram 140 ° C) un zema spiediena indikatori. Nitroalkāni tiek ražoti izejā.
Šis brīvo radikāļu process tika nosaukts zinātnieka Konovalova vārdā, kurš atklāja nitrēšanas sintēzi: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Šelšanas mehānisms
Alkāniem raksturīgas dehidrogenēšanas un plaisāšanas reakcijas. Metāna molekulā notiek pilnīga termiskā sadalīšanās.
Galvenais iepriekšminēto reakciju mehānisms ir atomu izvadīšana no alkāniem.
Dehidrogenēšanas process
Kad ūdeņraža atomi tiek atdalīti no parafīnu oglekļa karkasa, izņemot metānu, tiek iegūti nepiesātināti savienojumi. Šādas alkānu ķīmiskās reakcijas notiek augstā temperatūrā (no 400 līdz 600 ° C) un paātrinātāju ietekmē platīna, niķeļa, hroma un alumīnija oksīdu veidā.
Ja reakcijā ir iesaistītas propāna vai etāna molekulas, tad tās produkti būs propēns vai etēns ar vienu dubultsaiti.
Dehidrogenējot četru vai piecu oglekļa skeletu, diēnssavienojumiem. Butāns veidojas no butadiēna-1, 3 un butadiēna-1, 2.
Ja reakcijā ir vielas ar 6 vai vairāk oglekļa atomiem, tad veidojas benzols. Tam ir aromātisks kodols ar trim dubultsaitēm.
Sadalīšanās process
Augstas temperatūras apstākļos var notikt alkānu reakcijas ar oglekļa saišu pārraušanu un aktīvām radikālas tipa daļiņām. Šādus procesus sauc par plaisāšanu vai pirolīzi.
Reaģentu karsēšana līdz temperatūrai, kas pārsniedz 500 °C, noved pie to molekulu sadalīšanās, kuras laikā veidojas sarežģīti alkiltipa radikāļu maisījumi.
Alkānu pirolīzes veikšana ar garām oglekļa ķēdēm spēcīgas karsēšanas apstākļos ir saistīta ar piesātinātu un nepiesātinātu savienojumu iegūšanu. To sauc par termisko plaisāšanu. Šis process tika izmantots līdz 20. gadsimta vidum.
Trūkums bija ogļūdeņražu ražošana ar zemu oktānskaitli (ne vairāk kā 65), tāpēc to aizstāja ar katalītisko krekingu. Process notiek temperatūras apstākļos, kas ir zemāki par 440 °C un spiedieniem zem 15 atmosfērām, alumīnija silikāta paātrinātāja klātbūtnē, izdalot alkānus ar sazarotu struktūru. Piemērs ir metāna pirolīze: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Šīs reakcijas laikā veidojas acetilēns un molekulārais ūdeņradis.
Metāna molekula var tikt pārveidota. Šai reakcijai nepieciešams ūdens un niķeļa katalizators. Uzizvade ir oglekļa monoksīda un ūdeņraža maisījums.
Oksidācijas procesi
Alkāniem raksturīgās ķīmiskās reakcijas ir saistītas ar elektronu ziedošanu.
Notiek parafīnu automātiska oksidēšanās. Tas ietver brīvo radikāļu mehānismu piesātināto ogļūdeņražu oksidēšanai. Reakcijas laikā no alkānu šķidrās fāzes iegūst hidroperoksīdus. Sākotnējā stadijā parafīna molekula mijiedarbojas ar skābekli, kā rezultātā tiek atbrīvoti aktīvie radikāļi. Turklāt cita molekula O2 mijiedarbojas ar alkildaļiņu, kā rezultātā rodas ∙ROO. Alkāna molekula saskaras ar taukskābju peroksīda radikāli, pēc tam izdalās hidroperoksīds. Piemērs ir etāna autoksidācija:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkānus raksturo degšanas reakcijas, kas ir vienas no galvenajām ķīmiskajām īpašībām, ja tās tiek noteiktas degvielas sastāvā. Tiem ir oksidatīvs raksturs ar siltuma izdalīšanos: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ja procesā ir neliels skābekļa daudzums, tad galaprodukts var būt ogles vai oglekļa divvērtīgais oksīds, ko nosaka O2.
Kad alkāni tiek oksidēti katalītisko vielu ietekmē un uzkarsēti līdz 200 °C, spirta, aldehīda vaikarbonskābe.
Etāna piemērs:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanols),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanāls un ūdens), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etānskābe un ūdens).
Alkāni var oksidēties, ja tie tiek pakļauti trīslocekļu cikliskajiem peroksīdiem. Tie ietver dimetildioksirānu. Parafīnu oksidēšanās rezultātā veidojas spirta molekula.
Parafīnu pārstāvji nereaģē uz KMnO4 vai kālija permanganātu, kā arī uz broma ūdeni.
Izomerizācija
Alkāniem reakcijas veidu raksturo aizstāšana ar elektrofilu mehānismu. Tas ietver oglekļa ķēdes izomerizāciju. Šo procesu katalizē alumīnija hlorīds, kas mijiedarbojas ar piesātinātu parafīnu. Piemērs ir butāna molekulas izomerizācija, kas kļūst par 2-metilpropānu: C4H10 → C3 H 7CH3.
Smaržas process
Piesātinātie savienojumi ar sešiem vai vairāk oglekļa atomiem galvenajā oglekļa ķēdē spēj dehidrociklizēties. Šāda reakcija nav raksturīga īsām molekulām. Rezultāts vienmēr ir sešu locekļu gredzens cikloheksāna un tā atvasinājumu formā.
Reakcijas paātrinātāju klātbūtnē notiek tālāka dehidrogenēšana unpārveide par stabilāku benzola gredzenu. Acikliskie ogļūdeņraži tiek pārvērsti aromātiskos savienojumos vai arēnās. Piemērs ir heksāna dehidrociklizācija:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cikloheksāns), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzols).
