Svaka klasa hemijskih jedinjenja je sposobna da pokaže svojstva zbog svoje elektronske strukture. Alkane karakteriziraju reakcije supstitucije, eliminacije ili oksidacije molekula. Svi hemijski procesi imaju svoje karakteristike protoka, o čemu će biti reči dalje.
Šta su alkani
Ovo su zasićena ugljovodonična jedinjenja koja se nazivaju parafini. Njihove molekule sastoje se samo od atoma ugljika i vodika, imaju linearni ili razgranati aciklički lanac, u kojem postoje samo pojedinačna jedinjenja. S obzirom na karakteristike klase, moguće je izračunati koje su reakcije karakteristične za alkane. Oni se pridržavaju formule za cijelu klasu: H2n+2C.
Hemijska struktura
Molekul parafina uključuje atome ugljika koji pokazuju sp3-hibridizaciju. Sve četiri valentne orbitale imaju isti oblik, energiju i smjer u prostoru. Veličina ugla između energetskih nivoa je 109° i 28'.
Prisustvo jednostrukih veza u molekulima određuje koje reakcijekarakteristika alkana. Sadrže σ-spojeve. Veza između ugljenika je nepolarna i slabo polarizabilna, i nešto je duža nego u C−H. Postoji i pomak elektronske gustine prema atomu ugljika, kao najelektronegativnijem. Kao rezultat toga, spoj C-H karakterizira niski polaritet.
Reakcije zamjene
Supstance parafinske klase imaju slabu hemijsku aktivnost. Ovo se može objasniti snagom veza između C–C i C–H, koje je teško prekinuti zbog nepolarnosti. Njihovo uništavanje temelji se na homolitičkom mehanizmu, u kojem učestvuju radikali slobodnog tipa. Zbog toga alkane karakteriziraju supstitucijske reakcije. Takve supstance nisu u stanju da stupe u interakciju sa molekulima vode ili ionima koji nose naboj.
Oni uključuju supstituciju slobodnih radikala, u kojoj su atomi vodonika zamijenjeni halogenim elementima ili drugim aktivnim grupama. Ove reakcije uključuju procese povezane s halogenacijom, sulfohloracijom i nitracijom. Njihov rezultat je priprema derivata alkana.
Mehanizam reakcija supstitucije slobodnih radikala baziran je na tri glavne faze:
- Proces počinje inicijacijom ili nukleacijom lanca, kao rezultat čega se formiraju slobodni radikali. Katalizatori su ultraljubičasti izvori svjetlosti i topline.
- Tada se razvija lanac u kojem se odvijaju uzastopne interakcije aktivnih čestica sa neaktivnim molekulima. Oni se pretvaraju u molekule i radikale, respektivno.
- Posljednji korak je prekid lanca. Uočava se rekombinacija ili nestanak aktivnih čestica. Ovo zaustavlja razvoj lančane reakcije.
Proces halogenacije
Zasnovan je na mehanizmu radikalnog tipa. Reakcija halogeniranja alkana odvija se ultraljubičastim zračenjem i zagrijavanjem mješavine halogena i ugljovodonika.
Sve faze procesa podležu pravilu koje je naveo Markovnikov. U njemu se navodi da je, prije svega, atom vodika, koji pripada najhidrogenizovanijem ugljiku, podvrgnut zamjeni halogenom. Halogenacija se odvija u sljedećem nizu: od tercijalnog atoma do primarnog ugljika.
Proces je bolji za molekule alkana sa dugim glavnim lancem ugljenika. To je zbog smanjenja jonizujuće energije u ovom smjeru, elektron se lakše odvaja od supstance.
Primjer je hloriranje molekula metana. Djelovanje ultraljubičastog dovodi do cijepanja hlora na radikalne čestice koje napadaju alkan. Dolazi do odvajanja atomskog vodonika i formiranja H3C· ili metil radikala. Takva čestica, zauzvrat, napada molekularni hlor, što dovodi do uništenja njegove strukture i stvaranja novog hemijskog reagensa.
Samo jedan atom vodonika se zamjenjuje u svakoj fazi procesa. Reakcija halogeniranja alkana dovodi do postepenog stvaranja molekula hlorometana, dihlorometana, triklorometana i ugljičnog tetrahlorida.
Šematski, proces izgleda ovako:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Za razliku od hlorisanja molekula metana, izvođenje takvog procesa sa drugim alkanima karakteriše dobijanje supstanci u kojima se zamena vodonika ne dešava na jednom atomu ugljenika, već na nekoliko. Njihov kvantitativni omjer povezan je s temperaturnim indikatorima. U hladnim uslovima dolazi do smanjenja brzine formiranja derivata sa tercijarnom, sekundarnom i primarnom strukturom.
Sa povećanjem temperature, stopa formiranja takvih jedinjenja se smanjuje. Na proces halogeniranja utiče statički faktor, koji ukazuje na različitu vjerovatnoću sudara radikala s atomom ugljika.
Proces halogeniranja jodom se ne odvija u normalnim uslovima. Potrebno je stvoriti posebne uslove. Kada je metan izložen ovom halogenu, nastaje jodid vodonik. Na njega utiče metil jodid, kao rezultat toga, oslobađaju se početni reagensi: metan i jod. Takva reakcija se smatra reverzibilnom.
Wurtz reakcija za alkane
je metoda za dobijanje zasićenih ugljovodonika sa simetričnom strukturom. Metalni natrijum, alkil bromidi ili alkil hloridi se koriste kao reaktanti. Atnjihova interakcija proizvodi natrijev halid i produženi ugljikovodični lanac, koji je zbir dva ugljikovodična radikala. Šematski, sinteza je sljedeća: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl.
Wurtz reakcija za alkane je moguća samo ako su halogeni u njihovim molekulima na primarnom atomu ugljika. Na primjer, CH3−CH2−CH2Br.
Ako je halokarbonska mješavina dva spoja uključena u proces, tada se tokom kondenzacije njihovih lanaca formiraju tri različita proizvoda. Primjer takve reakcije alkana je interakcija natrijuma s klorometanom i hloroetanom. Izlaz je mješavina koja sadrži butan, propan i etan.
Pored natrijuma, mogu se koristiti i drugi alkalni metali, koji uključuju litijum ili kalijum.
Proces sulfohloriranja
Zove se i Reed reakcija. Radi se po principu supstitucije slobodnih radikala. Ovo je karakterističan tip reakcije alkana na djelovanje mješavine sumpor-dioksida i molekularnog hlora u prisustvu ultraljubičastog zračenja.
Proces počinje pokretanjem lančanog mehanizma, u kojem se dva radikala dobijaju iz hlora. Jedan od njih napada alkan, što rezultira alkilnom vrstom i molekulom klorovodika. Sumpor dioksid je vezan za ugljikovodični radikal i formira složenu česticu. Za stabilizaciju, jedan atom hlora se hvata iz drugog molekula. Konačna supstanca je alkan sulfonil hlorid, koristi se u sintezi površinski aktivnih jedinjenja.
Šematski, proces izgleda ovako:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesi vezani za nitraciju
Alkani reaguju sa azotnom kiselinom u obliku 10% rastvora, kao i sa tetravalentnim azotnim oksidom u gasovitom stanju. Uslovi za njegov protok su visoke vrednosti temperature(oko 140°C) i indikatori niskog pritiska. Nitroalkani se proizvode na izlazu.
Ovaj proces slobodnih radikala dobio je ime po naučniku Konovalovu, koji je otkrio sintezu nitracije: CH4 + HNO3 → CH 3NE2 + H2O.
Mehanizam cijepanja
Alkane karakteriziraju reakcije dehidrogenacije i krekiranja. Molekul metana prolazi kroz potpunu termičku razgradnju.
Glavni mehanizam gore navedenih reakcija je eliminacija atoma iz alkana.
Proces dehidrogenacije
Kada se atomi vodonika odvoje od ugljeničnog skeleta parafina, sa izuzetkom metana, dobijaju se nezasićena jedinjenja. Ovakve hemijske reakcije alkana odvijaju se na visokim temperaturama (od 400 do 600°C) i pod uticajem akceleratora u vidu oksida platine, nikla, hroma i aluminijuma.
Ako su molekuli propana ili etana uključeni u reakciju, tada će njeni proizvodi biti propen ili eten s jednom dvostrukom vezom.
Prilikom dehidrogeniranja skeleta od četiri ili pet ugljenika, dienaveze. Butan se formira od butadiena-1,3 i butadiena-1,2.
Ako su supstance sa 6 ili više atoma ugljenika prisutne u reakciji, tada nastaje benzen. Ima aromatično jezgro sa tri dvostruke veze.
Proces razgradnje
U uslovima visoke temperature, reakcije alkana se mogu odvijati sa kidanjem ugljeničnih veza i formiranjem aktivnih čestica radikalnog tipa. Takvi procesi se nazivaju pucanje ili piroliza.
Zagrijavanje reaktanata na temperature veće od 500 °C dovodi do razgradnje njihovih molekula, tokom koje se formiraju složene mješavine radikala alkilnog tipa.
Izvođenje pirolize alkana sa dugim ugljičnim lancima pod jakim zagrijavanjem povezano je sa dobijanjem zasićenih i nezasićenih spojeva. To se zove termičko pucanje. Ovaj proces je korišćen do sredine 20. veka.
Nedostatak je bila proizvodnja ugljovodonika sa niskim oktanskim brojem (ne više od 65), pa je zamijenjena katalitičkim krekingom. Proces se odvija pod temperaturnim uslovima ispod 440 °C i pritiscima ispod 15 atmosfera, uz prisustvo aluminosilikatnog akceleratora uz oslobađanje alkana razgranate strukture. Primjer je piroliza metana: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Tokom ove reakcije nastaju acetilen i molekularni vodonik.
Molekul metana može biti podvrgnut konverziji. Ova reakcija zahtijeva vodu i nikl katalizator. Naizlaz je mješavina ugljičnog monoksida i vodonika.
Oksidacijski procesi
Hemijske reakcije karakteristične za alkane uključuju doniranje elektrona.
Postoji autooksidacija parafina. Uključuje mehanizam slobodnih radikala za oksidaciju zasićenih ugljikovodika. Tokom reakcije, hidroperoksidi se dobijaju iz tečne faze alkana. U početnoj fazi, molekul parafina stupa u interakciju s kisikom, kao rezultat toga, oslobađaju se aktivni radikali. Nadalje, drugi molekul O2 stupa u interakciju sa alkil česticom, što rezultira ∙ROO. Molekul alkana dolazi u kontakt s radikalom peroksida masne kiseline, nakon čega se oslobađa hidroperoksid. Primjer je autooksidacija etana:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkane karakterišu reakcije sagorevanja, koje su među glavnim hemijskim svojstvima kada se odrede u sastavu goriva. Imaju oksidativni karakter sa oslobađanjem toplote: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ako postoji mala količina kisika u procesu, tada konačni proizvod može biti ugalj ili dvovalentni oksid ugljika, koji je određen koncentracijom O2.
Kada se alkani oksidiraju pod uticajem katalitičkih supstanci i zagreju na 200°C, molekuli alkohola, aldehida ilikarboksilna kiselina.
Ethane primjer:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal i voda), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etanska kiselina i voda).
Alkani mogu biti oksidirani kada su izloženi tročlanim cikličkim peroksidima. To uključuje dimetildioksiran. Rezultat oksidacije parafina je molekula alkohola.
Predstavnici parafina ne reaguju na KMnO4 ili kalijum permanganat, kao ni na bromnu vodu.
Izomerizacija
Na alkanima, tip reakcije karakteriše supstitucija sa elektrofilnim mehanizmom. Ovo uključuje izomerizaciju ugljičnog lanca. Ovaj proces katalizira aluminij hlorid, koji stupa u interakciju sa zasićenim parafinom. Primjer je izomerizacija molekule butana, koja postaje 2-metilpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces mirisa
Zasićeni sa šest ili više atoma ugljika u glavnom ugljičnom lancu su sposobni za dehidrociklizaciju. Takva reakcija nije tipična za kratke molekule. Rezultat je uvijek šestočlani prsten u obliku cikloheksana i njegovih derivata.
U prisustvu akceleratora reakcije, odvija se dalja dehidrogenacija itransformacija u stabilniji benzenski prsten. Aciklični ugljovodonici se pretvaraju u aromatična jedinjenja ili arene. Primjer je dehidrociklizacija heksana:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cikloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
