Alkani: halogenacija. Reakcija supstitucije jednog ili više atoma vodonika u molekuli alkana halogenom

Uprkos činjenici da su alkani neaktivni, oni su sposobni da oslobode veliku količinu energije prilikom interakcije sa halogenima ili drugim slobodnim radikalima. Alkani i reakcije s njima stalno se koriste u mnogim industrijama.

Činjenice o alkanima

Alkani zauzimaju važno mjesto u organskoj hemiji. Formula alkana u hemiji je C_nH_2n+2. Za razliku od aromatičnih supstanci koje imaju benzenski prsten, alkani se smatraju alifatskim (acikličnim).

U molekuli bilo kojeg alkana, svi elementi su povezani jednom vezom. Stoga ova grupa supstanci ima završetak "- an". Prema tome, alkeni imaju jednu dvostruku vezu, a alkini jednu trostruku vezu. Alkodieni, na primer, imaju dve dvostruke veze.

Alkani su zasićeni ugljovodonici. Odnosno, sadrže maksimalan broj h (vodonika) atoma. . Svi atomi ugljika u alkanu su u sp³ - pozicija hibridizacije. To znači da je molekula alkana konstruisana prema pravilu tetraedra. Molekula metana (CH₄) podsjeća na tetraedar, a drugi alkani imaju cik-cak strukturu.

Svi C atomi u alkanima povezani su A ơ vezom (sigma veza). C - C veze su nepolarne, C-H veze su slabo polarne.

Svojstva alkana

Kao što je gore spomenuto, grupa alkana ima malo aktivnosti. Veze između dva C atoma i između C i H atoma su jake, pa ih je teško uništiti vanjskim utjecajem. Sve veze u alkanima su ơ-veze, pa ako se slome, to obično dovodi do pojave.

Halogenacija alkana

Zbog posebnih svojstava atomskih veza, alkane karakteriziraju reakcije supstitucije i razlaganja. U reakcijama supstitucije alkana, atomi vodonika zamjenjuju druge atome ili molekule. Alkani dobro reaguju sa halogenima – supstancama iz Grupe 17 periodnog sistema Mendeljejeva. Halogeni su fluor (F), Brom (Br), hlor (Cl), jod (I), astat (At)i tenesin (Ts). Halogeni su veoma jaki oksidanti. Reaguju sa skoro svim supstancama iz tabele D. I. Mendeljejev.

Reakcije hlorisanja alkana

U praksi , brom i hlor obično učestvuju u halogenaciji alkana. Fluor je previše aktivan element-sa njim će reakcija biti eksplozivna. Jod je slab, tako da reakcija supstitucije neće ići s njim. A u prirodi ima vrlo malo astata, pa ga je teško prikupiti dovoljno za provođenje eksperimenata.

Faze halogenacije

Svi alkani prolaze kroz tri faze halogenacije:

1. Generacija lanca ili inicijacija. Pod uticajem sunčeve svetlosti, grejanja ili ultraljubičastog zračenja, molekula hlora Cl₂ raspada se na dva slobodna radikala. Svaki ima po jedan nespareni elektron na vanjskom sloju.
2. Razvoj ili rast lanca. Radikali stupaju u interakciju sa molekulima metana.
3. Lomljenje lanca je završni dio halogenacije alkana. Svi radikali počinju da se povezuju jedni sa drugima i na kraju potpuno nestanu.

Bromiranje alkana

Kada se halogeniraju viši alkani nakon etana, formiranje izomera je teško. Od iste supstance pod uticajem sunčeve svetlosti mogu se formirati različiti izomeri. To se događa kao rezultat reakcije supstitucije. Ovo je dokaz da se bilo koji atom H u alkanu može zamijeniti slobodnim radikalom tokom halogenacije. Kompleksni Alkan se razlaže na dve supstance, čiji procenat može značajno varirati u zavisnosti od uslova reakcije.

Bromiranje propana (2-bromopropan). Tokom reakcije halogenacije propana sa molekulom Br2 pod uticajem visokih temperatura i sunčeve svetlosti oslobađaju se 1-bromopropan-3% i 2-bromopropan-97 %.

Bromiranje Butana. Prilikom bromiranja Butana pod uticajem osvetljenja i visokih temperatura oslobađa se 2 % 1-brombutana i 98 % 2-brombutana.

Razlika između hlorisanja i bromiranja alkana

Hlorisanje se češće koristi u industriji. Na primjer, za proizvodnju rastvarača koji sadrže mješavinu izomera. Prilikom dobijanja haloalkana teško je odvojiti jedni od drugih, ali na tržištu je smjesa jeftinija od čistog proizvoda. Bromiranje je češće u laboratorijama. Brom je slabiji od hlora. Ima nisku reaktivnost, tako da atomi broma imaju visoku selektivnost. To znači da tokom reakcije atomi "biraju" koji atom vodika zamijeniti.

Priroda reakcije hlorisanja

Kada se alkani kloriraju , izomeri se formiraju u približno jednakim količinama u svom masenom udjelu. Na primjer, kloriranje propana katalizatorom u obliku povećanja temperature na 454 stepena daje nam 2-hloropropan i 1-hloropropan u omjeru od 25%, odnosno 75%. Ako se reakcija halogenacije odvija samo uz pomoć ultraljubičastog zračenja, 1-hloropropan se dobija za 43%, a 2-hloropropan-57%. U zavisnosti od uslova reakcije, odnos dobijenih izomera može varirati.

Priroda reakcije bromiranja

Kao rezultat reakcija bromiranja alkana, gotovo čista supstanca lako izlazi. Na primjer, 1 – bromopropan-3%, 2 – bromopropan-97% molekula n-propana. Stoga se bromiranje često koristi u laboratorijama za sintezu određene supstance.

Sulfonacija alkana

Alkani su takođe sulfatirani mehanizmom radikalne supstitucije. Da bi došlo do reakcije, na Alkan istovremeno utiču kiseonik i sumpor oksid tako₂ (sumporni anhidrid). Kao rezultat reakcije , Alkan se pretvara u alkil sulfonsku kiselinu. Primjer sulfonacije Butana:

CH₃CH₂CH₂CH₃ + O₂ + Pa ... ₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂Pa ... ₂OH

Opća formula sulfooksidacije alkana:

R-H + O₂ + Pa ... ₂ → R-SO₂OH

Sulfohloriranje alkana

U slučaju sulfohloriranja, hlor se koristi umesto kiseonika kao oksidator. Na ovaj način se dobijaju alkansulfokloridi. Reakcija sulfohloriranja je uobičajena za sve ugljovodonike. Javlja se na sobnoj temperaturi i suncu. Organski peroksidi se također koriste kao katalizator. Takva reakcija utiče samo na sekundarne i primarne veze vezane za atome ugljenika i vodonika. Ne dopire do tercijarnih atoma, jer u lanac reakcije je pokvaren.

Reakcija Konovalova

Reakcija nitracije, poput reakcije halogenacije alkana, odvija se mehanizmom slobodnih radikala. Reakcija se vrši pomoću visoko razrijeđene (10-20%) azotne kiseline (HNO3). Mehanizam reakcije: kao rezultat reakcije, alkani formiraju mješavinu spojeva. Za katalizaciju reakcije, povećanje temperature na 140 ° i normalno ili povećano koristi se pritisak okoline. Tokom nitracije uništavaju se C - C veze, a ne samo C-H, za razliku od prethodnih reakcija supstitucije. To znači da se pucanje dešava. Odnosno, reakcija razdvajanja.

Oksidacija i gorenje reakcije

Reakcije oksidacije alkana se takođe odvijaju prema tipu slobodnih radikala. Za parafine postoje tri vrste obrade pomoću oksidativne reakcije.

1. U gasnoj fazi. Tako se dobijaju aldehidi i niži alkoholi.
2. U tečnoj fazi. Koristi se termička oksidacija sa dodatkom borne kiseline. Ovom metodom dobijaju se viši alkoholi iz C₁₀ za C₂₀.
3. U tečnoj fazi. Alkani su oksidirani za sintezu karboksilnih kiselina.

U procesu oksidacije, slobodni radikali O₂ potpuno ili djelomično zamjenjuje komponentu vodonika. Potpuna oksidacija je sagorevanje.

Alkani koji dobro sagorevaju koriste se kao gorivo za termoelektrane i motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Gorući alkani proizvode mnogo toplotne energije. Složeni alkani se stavljaju u motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Interakcija sa kiseonikom u jednostavnim alkanima može dovesti do eksplozije. Asfalt, parafin i razna maziva za industriju proizvode se od otpadnih proizvoda nastalih kao rezultat reakcija sa alkanima .