Alkany: halogenowanie. Reakcja podstawienia jednego lub więcej atomów wodoru w cząsteczce alkanu przez halogen

Chociaż alkany są mało reaktywne, mogą uwolnić dużą ilość energii po interakcji z halogenami lub innymi wolnymi rodnikami. Alkany i ich reakcje są rutynowo stosowane w wielu gałęziach przemysłu.

Fakty o alkanach

W chemii organicznej alkany są ważne. Wzór alkanów w chemii to C_nH_2n+2. W przeciwieństwie do aromatów, które mają pierścień benzenowy, alkany są uważane za alifatyczne.

W każdej cząsteczce alkanu wszystkie elementy są połączone pojedynczym wiązaniem. Dlatego w tej grupie związków końcówka "-an" jest najczęściej spotykanym typem atomu wodoru. Odpowiednio alkeny mają jedno wiązanie podwójne, a alkeny jedno wiązanie potrójne. Alkadien ma np. dwa wiązania podwójne.

Alkany - węglowodory nasycone. To znaczy, że zawierają maksymalną liczbę atomów H (wodoru). Wszystkie atomy węgla w alkanie znajdują się w pozycji sp³ - hybrydyzacja. Oznacza to, że cząsteczka alkanu jest zbudowana zgodnie z zasadą czworościanu. Cząsteczka metanu (CH₄) przypomina czworościan, pozostałe alkany mają strukturę zygzakowatą.

Wszystkie atomy C w alkanach są połączone wiązaniem ơ - (sigma - wiązanie). Wiązania C-C są niepolarne, wiązania C-H są słabo polarne.

właściwości alkanów

Jak wspomniano powyżej, grupa alkanowa ma niewielką aktywność. Wiązania między dwoma atomami C oraz między atomami C i H są silne, więc trudno je zniszczyć działaniem zewnętrznym. Wszystkie wiązania w alkanach są wiązaniami ơ, więc ich zerwanie prowadzi zwykle do powstania rodników.

Halogenowanie alkanów

reakcje substytucji i rozkładu są nieodłącznym elementem alkanów ze względu na szczególne właściwości wiązania ich atomów. W reakcjach substytucji atomy wodoru zastępują inne atomy lub cząsteczki w alkanach. Alkany dobrze reagują z halogenami, substancjami z grupy 17 układu okresowego. Fluor (F), brom (Br), chlor (Cl), jod (I), astat (At) i tennin (Ts) są halogenami. Halogeny są bardzo silnymi utleniaczami. Reagują one z prawie wszystkimi substancjami z tabeli D. И. struktura Mendelejewa.

Reakcje chlorowania alkanów

W praktyce brom i chlor biorą zwykle udział w halogenowaniu alkanów. Fluor jest zbyt aktywny - reaguje wybuchowo. Jod jest słaby, więc nie zachodzi z nim reakcja substytucji. Astat jest bardzo rzadki w przyrodzie, dlatego trudno jest zebrać jego wystarczającą ilość do eksperymentów.

Etapy halogenowania

Wszystkie alkany przechodzą trzy etapy halogenowania:

1. Inicjacja lub inicjacja łańcucha. Pod wpływem światła słonecznego, ciepła lub promieniowania UV, cząsteczka chloru Cl₂ rozpada się na dwa wolne rodniki. Każdy z nich ma jeden niesparowany elektron na zewnętrznej warstwie.
2. Rozwój lub wzrost łańcucha. Rodniki reagują z cząsteczkami metanu.
3. Rozerwanie łańcucha jest ostatnim etapem halogenowania alkanów. wszystkie rodniki zaczynają łączyć się ze sobą i w końcu całkowicie znikają.

Bromowanie alkanów

Podczas halogenowania wyższych alkanów pochodzących po etanie tworzenie izomerów jest skomplikowane. Z tego samego materiału pod wpływem działania światła słonecznego mogą powstawać różne izomery. Dzieje się tak za sprawą reakcji podstawienia. Jest to dowód na to, że każdy atom H w alkanie może być podstawiony przez wolny rodnik podczas halogenowania. Złożony alkan rozkłada się na dwie substancje, których udział procentowy może być bardzo różny w zależności od warunków reakcji.

Bromowanie propanu (2-bromopropan). W wyniku reakcji chlorowcowanego propanu z cząsteczką Br2 w wysokiej temperaturze i przy świetle słonecznym otrzymuje się 1-bromopropan, 3 %, i 2-bromopropan, 97 %.

Bromowanie butanu. Podczas bromowania butanu, pod wpływem wysokiej temperatury i światła powstaje 2% 1-bromobutanu i 98% 2-bromobutanu.

Różnica między chlorowaniem i bromowaniem alkanów

Chlorowanie jest częściej stosowane w przemyśle. Na przykład do produkcji rozpuszczalników zawierających mieszaninę izomerów. Halogenalkany są trudne do rozdzielenia, ale mieszanina jest tańsza na rynku niż czysty produkt. W laboratoriach częściej stosuje się bromowanie. Brom jest słabszy od chloru. Ma niską reaktywność, dlatego atomy bromu mają wysoką selektywność. Oznacza to, że podczas reakcji atomy "wybierają", który atom wodoru zastąpić.

Charakter reakcji chlorowania

Podczas chlorowania alkanów izomery powstają w przybliżeniu w równych ilościach w ich ułamku masowym. Na przykład, chlorowanie propanu pod katalizatorem poprzez zwiększenie temperatury do 454°C daje nam 2-chloropropan i 1-chloropropan w proporcjach odpowiednio 25% i 75%. Jeżeli reakcję halogenowania przeprowadza się tylko przy użyciu światła UV, to 1-chloropropan daje 43%, a 2-chloropropan - 57%. W zależności od warunków reakcji stosunek powstałych izomerów może ulec zmianie.

Charakter reakcji bromowania

W reakcjach bromowania alkanów łatwo powstaje prawie czysta substancja. Na przykład 1-bromopropan stanowi 3%, a 2-bromopropan 97% cząsteczki n-propanu. Dlatego też bromowanie jest często stosowane w laboratoriach do syntezy.

Siarkowanie alkanów

Alkany są również sulfonowane w mechanizmie substytucji rodnikowej. W celu przeprowadzenia reakcji alkan jest jednocześnie atakowany przez tlen i tlenek siarki SO₂ (bezwodnik siarkowy). W wyniku reakcji alkan przekształca się w kwas alkilosulfonowy. Przykład na zasiarczenie butanu:

CH₃CH₂CH₂CH₃ + О₂ + SO₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂SO₂OH

Wzór ogólny na sulfoksydację alkanów:

R-H + O₂ + SO₂ → R-SO₂OH

Sulfochlorowanie alkanów

W przypadku sulfochlorowania, zamiast tlenu jako utleniacza używany jest chlor. Chlorki alkansulfochlorków przygotowuje się w następujący sposób. Reakcja sulfochlorowania jest wspólna dla wszystkich węglowodorów. Odbywa się w temperaturze pokojowej i w świetle słonecznym. Nadtlenki organiczne są również stosowane jako katalizator. Reakcja ta dotyczy tylko wiązań wtórnych i pierwotnych związanych z atomami węgla i wodoru. Nie dociera do atomów trzeciorzędowych, więc jak to działa poprzez przerwanie łańcucha reakcji.

Reakcja Konovalova

Podobnie jak reakcja halogenowania alkanów, reakcja nitrowania przebiega według mechanizmu wolnorodnikowego. Reakcję przeprowadza się przy użyciu silnie rozcieńczonego (10 do 20%) kwasu azotowego (HNO3). Mechanizm reakcji: reakcja prowadzi do powstania mieszaniny związków. Do katalizowania reakcji potrzebny jest wzrost temperatury do 140⁰ i normalny lub zwiększone ciśnienie środowisko. W nitrowaniu dochodzi do zerwania wiązania C-C, a nie tylko C-H, w przeciwieństwie do wcześniejszych reakcji substytucji. Oznacza to, że zachodzi reakcja pękania. To znaczy, że reakcja rozszczepienia.

Reakcje utleniania i spalania

Reakcje utleniania alkanów również przebiegają w sposób wolnorodnikowy. W przypadku parafin istnieją trzy rodzaje konwersji z wykorzystaniem reakcji utleniania.

1. W fazie gazowej. W ten sposób powstają aldehydy i niższe alkohole.
2. W fazie ciekłej. Stosuje się utlenianie termiczne z dodatkiem kwasu borowego. W wyniku tego procesu powstają wyższe alkohole od C₁₀ aż do C₂₀.
3. W fazie ciekłej. Alkany są utleniane w celu syntezy kwasy karboksylowe.

W procesie utleniania powstaje wolny rodnik O₂ który całkowicie lub częściowo zastępuje składnik wodorowy. Pełne utlenianie to spalanie.

Dobrze spalające się alkany są wykorzystywane jako paliwo do elektrowni cieplnych i silników spalinowych. Podczas spalania alkanów powstają duże ilości energia cieplna. Złożone alkany są umieszczane w silnikach spalinowych. Oddziaływanie z tlenem w prostych alkanach może spowodować wybuch. Produkty odpadowe z reakcji z alkanami tworzą asfalt, parafinę i różne smary dla przemysł.