Radikalna zamjena: opis reakcije, karakteristike, primjer

U hemiji, radikalna supstitucija je reakcija u kojoj slobodni radikali napadaju molekul supstance, zamjenjujući njene pojedinačne atome. Tokom reakcija supstitucije , formiraju se novi radikali. Lančana reakcija se nastavlja sve dok ne ponestane slobodnih radikala.

Definicija radikala

Radikal je atom ili molekul koji ima jedan ili više nesparenih elektrona na vanjskom sloju elektrona. Odnosno, takvi elektroni koji nemaju par. Radikal se može formirati kada molekul dobije jedan elektron ili ga, obrnuto, izgubi. Uglavnom, slobodni radikali su nestabilni, jer njihov vanjski elektronski sloj nije potpun. Stoga radikali lako reaguju sa nekim supstancama, formirajući nove supstance i slobodne radikale u isto vreme.

Kakvi su radikali?

Glavne grupe po kojima se javlja klasifikacija radikala:

• stabilnost: stabilan i nestabilan;
• napunjenost: nenapunjeno, negativno nabijeno i pozitivno nabijeno;
• stepen povezanosti: besplatan i složen.

Stabilni radikali

Obično radikali malo "žive" i žure da reaguju ranije. Takvi radikali postoje za sekunde ili deliće sekundi i nazivaju se nestabilnim. Ali postoje oni koji su stabilni, njihov period postojanja može dostići nekoliko godina. U neorganskoj hemiji stabilne uključuju O3, NO, ClO2, NO2 i druge. U organskom dijelu postoje stabilniji radikali. Podijeljeni su u nekoliko grupa:

• ugljovodonika;
• hidrazil;
• nitroksil;
• aminil;
• aroksil;
• verdazilnye.

Mehanizam reakcije radikalne supstitucije

Postoje tri faze u reakcionom mehanizmu:

1. Inicijacija. Zbog vanjskih faktora (grijanje, zračenje, hemijski i električni katalizatori), veza u molekuli tvari se uništava, formirajući slobodne radikale.
2. Razvoj lanca ili njegov rast. Slobodni elementi stupaju u interakciju s molekulima, formirajući tako nove supstance i radikale.
3. Lomljenje lanca. U trećoj fazi radikali se povezuju jedni s drugima. Dolazi do njihove rekombinacije (spajanje nesparenih elektrona koji pripadaju različitim česticama), zahvaljujući kojoj se pojavljuju novi nezavisni molekuli. Više nema slobodnih radikala, a lanac reakcije se smatra potpunim.

Tipične reakcije supstitucije

Obično se reakcija radikalne supstitucije prikazuje na primjeru halogenacije alkana. Najjednostavniji alkan je metan-CH4, a najčešći halogen je hlor.

Alkani

Alkani su zasićeni ugljovodonici koji sadrže samo jednostavne veze. Opća formula alkana je CnH2n+2. Zasićeni su oni ugljovodonici koji sadrže maksimalan broj atoma vodonika. Ranije su se alkani nazivali parafini zbog činjenice da ove supstance nisu reagovale sa kiselinama, alkalijama itd. . Zapravo, otpornost na interakciju sa jakim reagensima objašnjava se snagom C-C i C-H veza. Zasićenost alkana takođe ukazuje da oni ne učestvuju u reakcijama sabiranja. Karakteriziraju ih reakcije razgradnje, supstitucija i druge.

Halogeni

Za izvođenje radikalne reakcije supstitucije potrebno je definirati halogene. Halogeni su elementi 17. grupe periodnog sistema. Halogeni su Cl (hlor), i (jod), F( fluor), Br (brom) i At (astat). Svi halogeni su nemetali i jaki oksidanti. Fluor ima najveću oksidativnu aktivnost, a astat najnižu. U procesu halogenacije alkana, jedan ili više atoma vodonika u supstanci zamjenjuju se halogenom.

Mehanizam supstitucije na primjeru halogenacije metana

Metan se smatra najjednostavnijim alkanom, pa se njegove reakcije halogenacije lako pamte, pa se na osnovu toga vrši radikalna supstitucija drugih alkana. Hlor se obično uzima kao halogen. Ima prosječnu moć reakcije. Reakcija alkana sa jodom ne ide, jer je slab halogen. Interakcija sa fluorom se odvija eksplozijom, jer su atomi fluora veoma aktivni. Iako se eksplozija može dogoditi i tokom reakcije supstitucije alkana sa hlorom.

Porijeklo lanca. Pod uticajem sunčevog, ultraljubičastog zračenja ili zagrevanja, molekul hlora Cl2 se razlaže na dva slobodna radikala. Svaki ima po jedan nespareni elektron na vanjskom sloju.

Cl₂ → 2Cl

Razvoj ili rast lanca. U interakciji sa molekulima metana, slobodni radikali formiraju nove i nastavljaju lanac transformacija.

CH₄ + Cl * → CH₃ + HCl

CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl

Tada reakcija traje sve dok svi slobodni radikali ne nestanu.

Lomljenje lanca je završna faza radikalne supstitucije alkana. Radikali se kombinuju jedni s drugima i formiraju nove molekule.

CH_3· + * Cl → CH₃Cl

CH₃· + * CH₃ → CH₃ - SN₃

Hlorisanje metana

Pod uticajem sunčeve svetlosti, radikali hlora zamenjuju sve atome vodonika u metanu. Za potpunu zamjenu vodonika, udio hlora u smjesi trebao bi biti dovoljan. Tako se četiri njegova derivata mogu dobiti iz metana:

CH₃CL-hlorometan.

CH₂Cl₂ - diklorometan.

CHCl₃ - trihlorometan (kloform).

CCl₄ - tetrahlorid ugljika.

Halogenacija drugih alkana

Počevši od propana (od_{3za 8}), alkani imaju tercijarne i sekundarne atome ugljika. Halogenacija razgranatih alkana može dati različite rezultate. Kao rezultat reakcije radikalne supstitucije nastaju izomeri alkana. Masa svake rezultirajuće supstance može uvelike varirati ovisno o temperaturi.

Tokom termičke halogenacije, sastav rezultirajućeg proizvoda određuje se na osnovu odnosa broja C―H veza atoma ugljika, koji su u složenim alkanima primarni, sekundarni i tercijarni. Kao rezultat fotohemijske halogenacije, sastav rezultirajućih proizvoda ovisit će o brzini kojom atomi halogena zamjenjuju atome vodonika. Halogenima je najlakše zauzeti mjesto tercijarnog atoma vodonika. Teže je zamijeniti sekundarno i primarno.

Hlorisanje propana

Prilikom hlorisanja propana sa katalizatorom u obliku povećanja temperature na 450 ° C, 2-hloropropan u količini od 25% i 1-hloropropan u količini od 75 %.

2SN₃SN₂SN₃ + 2Cl₂ → CH₃CH(Cl)CH₃ + CH₃CH₂CH_2Cl + 2hcl

Ako se radikalna reakcija supstitucije alkana provede pomoću sunčeve svjetlosti, izlazi 57% 2-hloropropana i 43% 1-hloropropana.

Razlika u masi supstanci dobijenih između Prve i druge reakcije objašnjava se činjenicom da je u drugom slučaju stopa zamjene po atomu H sekundarnog atoma 4 puta veća od one primarnog, iako ima više primarnih C―H veza u molekuli propana.

Reakcije oksidacije

Opet, slobodni radikali su uključeni u reakcije oksidacije alkana. U ovom slučaju,_{O2 radikal} veže se za molekul alkana i dolazi do potpune ili nepotpune reakcije oksidacije. Potpuna oksidacija se zove gorenje:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2N₂_o

Gorenje reakcija alkana mehanizmom radikalne supstitucije široko se koristi u industriji kao gorivo za CHP, za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. U takve mašinske motore mogu se postaviti samo razgranati alkani. Jednostavni linearni alkani u ledu eksplodiraju. Maziva, asfalt,parafin itd. proizvedeni su od nehlapljivih sedimenata nastalih kao rezultat radikalne supstitucije. .

Parcijalna oksidacija

U industriji se koriste mješavine koje nastaju tokom parcijalne oksidacije metana za proizvodnju sintetičkih alkana. Sa nepotpunom oksidacijom sa vazduhom, metil alkoholom (CH₃Oh), formaldehid (NSNO), mravlja kiselina (NSOON) se može dobiti iz metana. A kada se Butan oksidira, u industriji se proizvodi sirćetna kiselina:

2C₄N₁₀ + 5O₂ → 4SN₃UNSD + 2H₂

Da bi alkani bili djelimično oksidirani, katalizatori (Co²⁺, Mn²⁺,. itd..) koriste se na relativno niskom nivou temperature vazduha.