Alkani: halogeniranje. Reakcija supstitucije jednog ili više atoma vodika u molekuli alkana na halogen

Unatoč činjenici da su alkani slabo aktivni, sposobni su osloboditi velike količine energije u interakciji s halogenima ili drugim slobodnim radikalima. Alkani i reakcije s njima stalno se koriste u mnogim područjima industrije.

Činjenice o alkanima

U organskoj kemiji alkani zauzimaju važno mjesto. Formula alkana u kemiji-Zodijak_nH_2n+2. Za razliku od aromatičnih tvari koje imaju benzenski prsten, alkani se smatraju alifatskim (acikličkim).

U molekuli bilo kojeg alkana svi su elementi povezani jednostrukom vezom. Stoga ova skupina tvari ima kraj "- an". Sukladno tome, alkeni imaju jednu dvostruku vezu, dok alkini imaju jednu trostruku vezu. Na primjer, alkodieni imaju dvije dvostruke veze.

Alkani-zasićeni ugljikovodici. Odnosno, sadrže maksimalan broj atoma H (vodika). Svi atomi ugljika u alkanu sastoje se od položaja apositina³ - hibridizacija. To znači da je molekula alkana izgrađena prema pravilu tetraedra. Molekula metana (CH₄) nalikuje tetraedru, a ostali alkani imaju cik-cak strukturu.

Svi atomi C u alkanima povezani su pomoću veze s oceanom (Sigma veze). C―C veze su nepolarne, C-H veze su slabo polarne.

Svojstva alkana

Kao što je gore spomenuto, skupina alkana ima malo aktivnosti. Veze između dva atoma C i između atoma C i H su jake, pa ih je teško uništiti vanjskim utjecajem. Sve veze u alkanima su veze s oceanom, pa ako se prekinu, to obično rezultira radikalima.

Halogeniranje alkana

Zbog posebnih svojstava atomskih veza, alkani su svojstveni reakcijama supstitucije i razgradnje. U reakcijama supstitucije alkana atomi vodika zamjenjuju druge atome ili molekule. Alkani dobro reagiraju s halogenima-tvarima koje se nalaze u skupini 17 periodnog sustava. Su галогенами fluor (F), brom (Br), klor (Cl), jod (I), astat (At) i теннессин (Ts). Halogeni su vrlo jaki oksidanti. Oni reagiraju s gotovo svim tvarima iz tablice D. I. Mendelejeva.

Reakcije kloriranja alkana

U praksi brom i klor obično sudjeluju u halogeniranju alkana. Fluor je previše aktivan element – s njim će reakcija biti eksplozivna. Jod je slab, pa reakcija supstitucije neće ići s njim. A astata je u prirodi vrlo malo, pa je teško prikupiti dovoljnu količinu za provođenje eksperimenata.

Koraci halogeniranja

Svi alkani prolaze kroz tri faze halogeniranja:

1. Nukleacija lanca ili inicijacija. Izložena sunčevoj svjetlosti, toplini ili ultraljubičastom zračenju, molekula klora je₂ raspada se na dva slobodna radikala. Svaki ima jedan nespareni elektron na vanjskom sloju.
2. Razvoj ili rast lanca. Radikali stupaju u interakciju s molekulama metana.
3. Otvoreni lanac-završni dio halogeniranja alkana. Svi radikali počinju se međusobno povezivati i na kraju potpuno nestaju.

Bromiranje alkana

U halogeniranju viših alkana koji dolaze nakon etana, složenost je stvaranje izomera. Iz jedne tvari pod utjecajem sunčeve svjetlosti mogu nastati različiti izomeri. To se događa kao rezultat reakcije supstitucije. Ovo je dokaz da se u halogenaciji slobodnim radikalom može zamijeniti bilo koji atom H u alkanu. Složeni Alkan razgrađuje se na dvije tvari čiji postotak može uvelike varirati ovisno o reakcijskim uvjetima.

Bromiranje propana (2-bromopropan). U reakciji halogeniranja propana molekulom upon 2, pod utjecajem visokih temperatura i sunčeve svjetlosti, 1-bromopropan – 3% i 2-bromopropan – 97 izlaze %.

Bromiranje Butana. Bromiranjem Butana pod utjecajem osvjetljenja i visokih temperatura izlazi 2% 1-bromobutana i 98% 2-bromobutana.

Razlika između kloriranja i bromiranja alkana

Kloriranje se češće koristi u industriji. Na primjer, za proizvodnju otapala koja sadrže smjesu izomera. Pri dobivanju haloalkana teško je odvojiti jedan od drugog, ali na tržištu je smjesa jeftinija od čistog proizvoda. Bromiranje je češće u laboratorijima. Brom je slabiji od klora. Ima nisku reaktivnost, pa atomi broma imaju visoku selektivnost. To znači da tijekom reakcije atomi "biraju" koji će atom vodika zamijeniti.

Priroda reakcije kloriranja

U kloriranju alkana izomeri nastaju u približno jednakom broju u svom masenom udjelu. Na primjer, kloriranje propana pod katalizatorom u obliku povećanja temperature na 454 stupnja daje nam 2–kloropropan i 1-kloropropan u omjeru 25%, odnosno 75%. Ako se reakcija halogeniranja odvija samo uz pomoć ultraljubičastog zračenja, 1-kloropropana dobiva se 43 %, a 2-kloropropana-57%. Ovisno o uvjetima reakcije, omjer dobivenih izomera može varirati.

Priroda reakcije bromiranja

Kao rezultat reakcija bromiranja alkana, gotovo čista tvar lako izlazi. Na primjer, 1 – bromopropan-3 %, 2 – bromopropan-97% iz molekule n-propana. Stoga se bromiranje često koristi u laboratorijima za sintezu određene tvari.

Sulfoniranje alkana

Alkani se također sulfoniraju mehanizmom radikalne supstitucije. Da bi došlo do reakcije, Alkan je istovremeno izložen kisiku i sumpornom oksidu iz oceana₂ (anhidrid sumpora). Kao rezultat reakcije, Alkan se pretvara u alkil sulfo kiselinu. Primjer sulfoniranja Butana:

SN₃SN₂SN₂SN₃ + O₂ + SO₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂SO₂OH

Opća formula sulfoksidacije alkana:

AMA-AMA + O₂ + SO₂ → R―SO₂OH

Sulfokloriranje alkana

U slučaju sulfokloriranja, klor se koristi kao oksidacijsko sredstvo umjesto kisika. Na taj se način dobivaju alkansulfokloridi. Reakcija sulfokloriranja uobičajena je za sve ugljikovodike. Javlja se na sobnoj temperaturi i sunčevoj svjetlosti. Kao katalizator koriste se i organski peroksidi. Takva reakcija utječe samo na sekundarne i primarne veze koje se odnose na atome ugljika i vodika. Ne dolazi do tercijarnih atoma, pa kako se događa prekid reakcijskog lanca.

Konovalova Reakcija

Reakcija nitriranja, poput reakcije halogeniranja alkana, odvija se mehanizmom slobodnih radikala. Reakcija se provodi pomoću visoko razrijeđene (10-20 %) dušične kiseline (IVINI3). Mehanizam reakcije: kao rezultat reakcije, alkani tvore smjesu spojeva. Za katalizaciju reakcije koristi se porast temperature na 140⁰ i normalno ili povećani tlak okoliš. Nitriranjem se uništavaju C―C veze, a ne samo C―H za razliku od prethodnih reakcija supstitucije. To znači da se događa pucanje. Odnosno, reakcija cijepanja.

Reakcije oksidacije i gorenje

Reakcije oksidacije alkana također se odvijaju prema tipu slobodnih radikala. Za parafine postoje tri vrste prerade oksidacijskom reakcijom.

1. U plinskoj fazi. Tako se dobivaju aldehidi i niži alkoholi.
2. U tekućoj fazi. Koristite toplinsku oksidaciju s dodatkom borne kiseline. Ovom metodom dobivaju se viši alkoholi iz C₁₀ do C₂₀.
3. U tekućoj fazi. Alkani se oksidiraju za sintezu karboksilne kiseline.

U procesu oksidacije slobodni radikali o₂ potpuno ili djelomično zamjenjuje komponentu vodika. Potpuna oksidacija je gorenje.

Alkani koji dobro sagorijevaju koriste se kao gorivo za termoelektrane i motore s unutarnjim izgaranjem. Izgaranje alkana proizvodi vrlo puno toplinske energije. Složeni alkani stavljaju se u motore s unutarnjim izgaranjem. Interakcije s kisikom u jednostavnim alkanima mogu dovesti do eksplozije. Od otpadnih proizvoda nastalih kao rezultat reakcija s alkanima izrađuju se asfalt, parafin i razni maziva za industrije.