Hver klasse af kemiske forbindelser er i stand til at udvise egenskaber på grund af deres elektroniske struktur. Alkaner er karakteriseret ved substitution, eliminering eller oxidationsreaktioner af molekyler. Alle kemiske processer har deres egne karakteristika for flowet, som vil blive diskuteret yderligere.
Hvad er alkaner
Dette er mættede kulbrinteforbindelser kaldet paraffiner. Deres molekyler består kun af kulstof- og brintatomer, har en lineær eller forgrenet acyklisk kæde, hvori der kun er enkelte forbindelser. På baggrund af klassens karakteristika er det muligt at beregne, hvilke reaktioner der er karakteristiske for alkaner. De adlyder klasseformlen: H2n+2C.
Kemisk struktur
Paraffinmolekylet inkluderer carbonatomer, der viser sp3-hybridisering. De har alle fire valensorbitaler med samme form, energi og retning i rummet. Størrelsen af vinklen mellem energiniveauerne er 109° og 28'.
Tilstedeværelsen af enkeltbindinger i molekyler bestemmer hvilke reaktionerkarakteristisk for alkaner. De indeholder σ-forbindelser. Bindingen mellem carboner er upolær og svagt polariserbar og er lidt længere end i C−H. Der sker også et skift i elektrontætheden til carbonatomet, som det mest elektronegative. Som et resultat er C−H-forbindelsen karakteriseret ved lav polaritet.
Udskiftningsreaktioner
Stoffer af paraffinklassen har svag kemisk aktivitet. Dette kan forklares med styrken af bindingerne mellem C–C og C–H, som er svære at bryde på grund af upolaritet. Deres ødelæggelse er baseret på en homolytisk mekanisme, hvori frie radikaler deltager. Derfor er alkaner karakteriseret ved substitutionsreaktioner. Sådanne stoffer er ikke i stand til at interagere med vandmolekyler eller ladningsbærende ioner.
De omfatter substitution af frie radikaler, hvor hydrogenatomer er erstattet af halogenelementer eller andre aktive grupper. Disse reaktioner omfatter processer forbundet med halogenering, sulfochlorering og nitrering. Deres resultat er fremstilling af alkanderivater.
Mekanismen for substitutionsreaktioner med frie radikaler er baseret på de tre vigtigste stadier:
- Processen begynder med initiering eller kernedannelse af en kæde, som et resultat af hvilken frie radikaler dannes. Katalysatorerne er ultraviolette lyskilder og varme.
- Så udvikles der en kæde, hvor successive vekselvirkninger mellem aktive partikler og inaktive molekyler finder sted. De omdannes til henholdsvis molekyler og radikaler.
- Det sidste trin er at bryde kæden. Rekombination eller forsvinden af aktive partikler observeres. Dette stopper udviklingen af en kædereaktion.
Halogeneringsproces
Den er baseret på en mekanisme af radikal type. Halogeneringsreaktionen af alkaner foregår ved ultraviolet bestråling og opvarmning af en blanding af halogener og kulbrinter.
Alle stadier af processen er underlagt reglen angivet af Markovnikov. Den siger, at brintatomet, som hører til det mest hydrogenerede kulstof, først og fremmest udskiftes med et halogen. Halogenering forløber i følgende rækkefølge: fra det tertiære atom til det primære kulstof.
Processen er bedre for alkanmolekyler med en lang hovedkulstofkæde. Dette skyldes et fald i ioniserende energi i denne retning, en elektron sp altes lettere fra stoffet.
Et eksempel er chlorering af et metanmolekyle. Virkningen af ultraviolet fører til sp altning af klor i radikale partikler, der angriber alkanen. Der sker en løsrivelse af atomart hydrogen og dannelsen af H3C· eller et methylradikal. En sådan partikel angriber til gengæld molekylært klor, hvilket fører til ødelæggelse af dens struktur og dannelse af et nyt kemisk reagens.
Kun ét brintatom udskiftes i hvert trin af processen. Halogeneringsreaktionen af alkaner fører til gradvis dannelse af chlormethan, dichlormethan, trichlormethan og carbontetrachloridmolekyler.
Skematisk ser processen sådan ud:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
I modsætning til chlorering af et metanmolekyle er udførelse af en sådan proces med andre alkaner karakteriseret ved at opnå stoffer, hvori udskiftningen af brint ikke sker ved ét kulstofatom, men ved flere. Deres kvantitative forhold er forbundet med temperaturindikatorer. Under kolde forhold er der et fald i hastigheden af dannelsen af derivater med en tertiær, sekundær og primær struktur.
Med en stigning i temperaturen aftager hastigheden af dannelsen af sådanne forbindelser. Halogeneringsprocessen er påvirket af den statiske faktor, som indikerer en anden sandsynlighed for, at en radikal kolliderer med et carbonatom.
Processen med halogenering med jod forløber ikke under normale forhold. Det er nødvendigt at skabe særlige forhold. Når metan udsættes for dette halogen, dannes der hydrogeniodid. Det er påvirket af methyliodid, som et resultat frigives de indledende reagenser: metan og jod. En sådan reaktion betragtes som reversibel.
Wurtz-reaktion for alkaner
Er en metode til at opnå mættede kulbrinter med en symmetrisk struktur. Natriummetal, alkylbromider eller alkylchlorider anvendes som reaktanter. Påderes interaktion producerer natriumhalogenid og en forlænget kulbrintekæde, som er summen af to kulbrinteradikaler. Skematisk er syntesen som følger: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtz-reaktionen for alkaner er kun mulig, hvis halogenerne i deres molekyler er ved det primære carbonatom. For eksempel CH3−CH2−CH2Br.
Hvis en halogencarbonblanding af to forbindelser er involveret i processen, dannes der tre forskellige produkter under kondenseringen af deres kæder. Et eksempel på en sådan reaktion af alkaner er vekselvirkningen af natrium med chlormethan og chlorethan. Outputtet er en blanding indeholdende butan, propan og ethan.
Ud over natrium kan andre alkalimetaller bruges, som omfatter lithium eller kalium.
Sulfochloreringsproces
Det kaldes også Reed-reaktionen. Det forløber efter princippet om substitution af frie radikaler. Dette er en karakteristisk type reaktion af alkaner på virkningen af en blanding af svovldioxid og molekylært klor i nærværelse af ultraviolet stråling.
Processen begynder med initieringen af en kædemekanisme, hvor to radikaler opnås fra klor. En af dem angriber alkanen, hvilket resulterer i en alkylart og et hydrogenchloridmolekyle. Svovldioxid er bundet til kulbrinteradikalet for at danne en kompleks partikel. Til stabilisering fanges et kloratom fra et andet molekyle. Det endelige stof er alkansulfonylchlorid, det bruges til syntese af overfladeaktive forbindelser.
Skematisk ser processen sådan ud:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processer relateret til nitrering
Alkaner reagerer med salpetersyre i form af en 10% opløsning, samt med tetravalent nitrogenoxid i gasform. Betingelserne for dets flow er høje temperaturværdier(ca. 140 ° C) og lavtryksindikatorer. Nitroalkaner produceres ved udgangen.
Denne frie radikale proces blev opkaldt efter videnskabsmanden Konovalov, som opdagede syntesen af nitration: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Sp altningsmekanisme
Alkaner er karakteriseret ved dehydrogenerings- og krakningsreaktioner. Metanmolekylet gennemgår fuldstændig termisk nedbrydning.
Hovedmekanismen i ovenstående reaktioner er eliminering af atomer fra alkaner.
Dehydrogeneringsproces
Når brintatomer adskilles fra kulstofskelettet af paraffiner, med undtagelse af metan, opnås umættede forbindelser. Sådanne kemiske reaktioner af alkaner finder sted ved høje temperaturer (fra 400 til 600 °C) og under påvirkning af acceleratorer i form af platin-, nikkel-, krom- og aluminiumoxider.
Hvis propan- eller ethanmolekyler er involveret i reaktionen, vil dets produkter være propen eller ethen med én dobbeltbinding.
Når du dehydrogenerer et skelet med fire eller fem kulstof, dienforbindelser. Butan er dannet af butadien-1, 3 og butadien-1, 2.
Hvis stoffer med 6 eller flere carbonatomer er til stede i reaktionen, dannes benzen. Den har en aromatisk kerne med tre dobbeltbindinger.
Dekomponeringsproces
Under forhold med høj temperatur kan reaktioner af alkaner finde sted med brud af kulstofbindinger og dannelse af aktive partikler af radik altypen. Sådanne processer kaldes krakning eller pyrolyse.
Opvarmning af reaktanterne til temperaturer over 500 °C fører til nedbrydning af deres molekyler, hvorunder der dannes komplekse blandinger af alkyl-type radikaler.
Udførelse af pyrolyse af alkaner med lange kulstofkæder under kraftig opvarmning er forbundet med opnåelse af mættede og umættede forbindelser. Det kaldes termisk revnedannelse. Denne proces blev brugt indtil midten af det 20. århundrede.
Ulempen var produktionen af kulbrinter med et lavt oktantal (ikke mere end 65), så det blev erstattet af katalytisk krakning. Processen foregår under temperaturforhold, der er under 440 °C og tryk under 15 atmosfærer, i nærværelse af en aluminosilikataccelerator med frigivelse af alkaner med en forgrenet struktur. Et eksempel er metanpyrolyse: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Under denne reaktion dannes acetylen og molekylært hydrogen.
Methanmolekyle kan gennemgå omdannelse. Denne reaktion kræver vand og en nikkelkatalysator. På denoutputtet er en blanding af kulilte og brint.
Oxidationsprocesser
De kemiske reaktioner, der er karakteristiske for alkaner, involverer donation af elektroner.
Der er autooxidation af paraffiner. Det involverer en fri-radikal-mekanisme til oxidation af mættede kulbrinter. Under reaktionen opnås hydroperoxider fra væskefasen af alkaner. I den indledende fase interagerer paraffinmolekylet med oxygen, som et resultat frigives aktive radikaler. Yderligere interagerer et andet molekyle O2 med alkylpartiklen, hvilket resulterer i ∙ROO. Et alkanmolekyle kommer i kontakt med fedtsyreperoxidradikalet, hvorefter hydroperoxid frigives. Et eksempel er autooxidation af ethan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkaner er karakteriseret ved forbrændingsreaktioner, som er blandt de vigtigste kemiske egenskaber, når de bestemmes i sammensætningen af brændstoffet. De har en oxidativ karakter med varmeafgivelse: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Hvis der er en lille mængde ilt i processen, kan slutproduktet være kul eller divalent carbonoxid, som bestemmes af koncentrationen af O2.
Når alkaner oxideres under påvirkning af katalytiske stoffer og opvarmes til 200 °C, vil molekyler af alkohol, aldehyd ellercarboxylsyre.
Ethane-eksempel:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (ethanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (ethanal og vand), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ethansyre og vand).
Alkaner kan oxideres, når de udsættes for treleddede cykliske peroxider. Disse omfatter dimethyldioxiran. Resultatet af oxidationen af paraffiner er et alkoholmolekyle.
Repræsentanter for paraffiner reagerer ikke på KMnO4 eller kaliumpermanganat, såvel som på bromvand.
Isomerization
På alkaner er reaktionstypen karakteriseret ved substitution med en elektrofil mekanisme. Dette inkluderer isomerisering af kulstofkæden. Denne proces katalyseres af aluminiumchlorid, som interagerer med mættet paraffin. Et eksempel er isomeriseringen af et butanmolekyle, som bliver til 2-methylpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Duftproces
Mættet med seks eller flere kulstofatomer i hovedkulstofkæden er i stand til at dehydrocyklisere. En sådan reaktion er ikke typisk for korte molekyler. Resultatet er altid en seksleddet ring i form af cyclohexan og dets derivater.
I nærvær af reaktionsacceleratorer finder yderligere dehydrogenering sted ogtransformation til en mere stabil benzenring. Acykliske kulbrinter omdannes til aromatiske forbindelser eller arener. Et eksempel er dehydrocyklisering af hexan:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyclohexan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
