Hoolimata asjaolust, et alkaanid on passiivsed, võivad nad halogeenide või muude vabade radikaalidega suhtlemisel vabastada suures koguses energiat. Alkaane ja reaktsioone nendega kasutatakse pidev alt paljudes tööstusharudes.
Alkanesi faktid
Alkaanidel on orgaanilises keemias oluline koht. Alkaanide valem keemias on C H2n+2. Erinev alt aromaatsetest ainetest, millel on benseenitsükkel, peetakse alkaane alifaatseteks (atsüklilisteks).
Iga alkaani molekulis on kõik elemendid ühendatud üksiksidemega. Seetõttu on sellel ainete rühmal lõpp "-an". Vastav alt sellele on alkeenidel üks kaksikside ja alküünidel üks kolmikside. Näiteks alkodieenidel on kaks kaksiksidet.
Alkaanid on küllastunud süsivesinikud. See tähendab, et need sisaldavad maksimaalselt H (vesiniku) aatomeid. Kõik süsinikuaatomid alkaanis on asendis sp3 – hübridisatsioon. See tähendab, et alkaani molekul on ehitatud tetraeedrireegli järgi. Metaani molekul (CH4) meenutab tetraeedrit,ja ülejäänud alkaanid on siksakilise struktuuriga.
Kõik alkaanide C-aatomid on ühendatud ơ-sidemete (sigma-sidemete) abil. C-C sidemed on mittepolaarsed, C-H sidemed on nõrg alt polaarsed.
Alkaanide omadused
Nagu eespool mainitud, on alkaanirühmal vähe aktiivsust. Kahe C-aatomi ning C- ja H-aatomi vahelised sidemed on tugevad, mistõttu on neid välismõjude toimel raske hävitada. Kõik alkaanide sidemed on ơ-sidemed, nii et kui need purunevad, tekivad selle tulemuseks tavaliselt radikaalid.
Alkaanide halogeenimine
Aatomite sidemete eriomaduste tõttu on alkaanid omased asendus- ja lagunemisreaktsioonidele. Asendusreaktsioonides alkaanides asendavad vesinikuaatomid teisi aatomeid või molekule. Alkaanid reageerivad hästi halogeenidega - ainetega, mis kuuluvad Mendelejevi perioodilisuse tabeli 17. rühma. Halogeenid on fluor (F), broom (Br), kloor (Cl), jood (I), astatiin (At) ja tennessiin (Ts). Halogeenid on väga tugevad oksüdeerivad ained. Nad reageerivad peaaegu kõigi D. I. Mendelejevi tabelis toodud ainetega.
Alkaanide kloorimisreaktsioonid
Praktikas osalevad alkaanide halogeenimisel tavaliselt broom ja kloor. Fluor on liiga aktiivne element - koos sellega on reaktsioon plahvatusohtlik. Jood on nõrk, seega asendusreaktsioon sellega kaasa ei lähe. Ja astatiin on looduses väga haruldane, mistõttu on seda raske katseteks piisav alt koguda.
Halogeenimisetapid
Kõik alkaanid läbivad kolm halogeenimisetappi:
- Keti või initsiatsiooni päritolu. Mõju allpäikesevalguse, kuumuse või ultraviolettkiirguse mõjul laguneb kloorimolekul Cl2 kaheks vabaks radikaaliks. Igal neist on väliskihis üks paaritu elektron.
- Keti areng või kasv. Radikaalid interakteeruvad metaani molekulidega.
- Keti lõpetamine on alkaanihalogeenimise viimane osa. Kõik radikaalid hakkavad omavahel ühinema ja lõpuks kaovad täielikult.
Alkaanide broomimine
Kõrgemate alkaanide halogeenimisel pärast etaani on raskuseks isomeeride moodustumine. Ühest ainest võivad päikesevalguse toimel tekkida erinevad isomeerid. See juhtub asendusreaktsiooni tulemusena. See on tõestus, et alkaanis võib mis tahes H-aatomit halogeenimise ajal asendada vaba radikaaliga. Kompleks alkaan laguneb kaheks aineks, mille protsent võib olenev alt reaktsioonitingimustest oluliselt erineda.
Propaani broomimine (2-bromopropaan). Propaani halogeenimisel Br2 molekuliga kõrgete temperatuuride ja päikesevalguse mõjul eraldub 1-bromopropaan - 3% ja 2-bromopropaan - 97%.
Butaani broomimine. Kui butaani broomitakse valguse ja kõrgete temperatuuride toimel, väljub 2% 1-bromobutaani ja 98% 2-bromobutaani.
Alkaanide kloorimise ja broomimise erinevus
Kloorimist kasutatakse tööstuses sagedamini. Näiteks isomeeride segu sisaldavate lahustite tootmiseks. Haloalkaani kättesaamiselraske üksteisest eraldada, kuid turul on segu odavam kui puhas toode. Laborites on broomimine tavalisem. Broom on nõrgem kui kloor. Sellel on madal reaktsioonivõime, seega on broomiaatomitel kõrge selektiivsus. See tähendab, et reaktsiooni käigus "valivad" aatomid, millise vesinikuaatomi asendada.
Kloorimisreaktsiooni olemus
Alkaanide kloorimisel moodustuvad isomeerid nende massifraktsioonis ligikaudu võrdsetes kogustes. Näiteks propaani kloorimine katalüsaatoriga, tõstes temperatuuri 454 kraadini, annab meile 2-kloropropaani ja 1-kloropropaani vastav alt 25% ja 75%. Kui halogeenimisreaktsioon toimub ainult ultraviolettkiirguse abil, saadakse 43% 1-kloropropaani ja 57% 2-kloropropaani. Sõltuv alt reaktsioonitingimustest võib saadud isomeeride suhe varieeruda.
Broomimisreaktsiooni olemus
Alkaanide broomimisreaktsioonide tulemusena vabaneb kergesti peaaegu puhas aine. Näiteks 1-bromopropaan - 3%, 2-bromopropaan - 97% n-propaani molekulist. Seetõttu kasutatakse broomimist sageli laborites konkreetse aine sünteesimiseks.
Alkaanide sulfatsioon
Alkaanid sulfoneeritakse ka radikaalse asendusmehhanismi kaudu. Reaktsiooni toimumiseks mõjutavad alkaani samaaegselt hapnik ja vääveloksiid SO2 (väävelanhüdriid). Reaktsiooni tulemusena muundatakse alkaan alküülsulfoonhappeks. Butaani sulfoneerimise näide:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Alkaanide sulfoksüdeerimise üldvalem:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Alkaanide sulfokloorimine
Sulfokloorimise korral kasutatakse hapniku asemel oksüdeeriva ainena kloori. Alkaansulfoonkloriidid saadakse sel viisil. Sulfokloorimisreaktsioon on ühine kõikidele süsivesinikele. See ilmneb toatemperatuuril ja päikesevalguses. Katalüsaatorina kasutatakse ka orgaanilisi peroksiide. Selline reaktsioon mõjutab ainult süsiniku- ja vesinikuaatomitega seotud sekundaarseid ja primaarseid sidemeid. Aine ei jõua tertsiaarsete aatomiteni, kuna reaktsiooniahel katkeb.
Konovalovi reaktsioon
Nitreerimisreaktsioon, nagu alkaanide halogeenimisreaktsioon, kulgeb vastav alt vabade radikaalide mehhanismile. Reaktsiooni läbiviimiseks kasutatakse väga lahjendatud (10–20%) lämmastikhapet (HNO3). Reaktsioonimehhanism: reaktsiooni tulemusena moodustuvad alkaanid ühendite segu. Reaktsiooni katalüüsimiseks kasutatakse temperatuuri tõstmist kuni 140 °C ja normaalset või kõrgendatud ümbritsevat rõhku. Erinev alt eelmistest asendusreaktsioonidest hävivad nitreerimise käigus C-C sidemed, mitte ainult C-H. See tähendab, et toimub pragunemine. See on lõhenemisreaktsioon.
Oksüdatsiooni- ja põlemisreaktsioonid
Alkaanid oksüdeeritakse ka vastav alt vabade radikaalide tüübile. Parafiinide puhul on oksüdatiivse reaktsiooniga töötlemiseks kolme tüüpi.
- Gaasifaasis. Niisiissaada aldehüüde ja madalamaid alkohole.
- Vedelfaasis. Kasutage termilist oksüdatsiooni boorhappe lisamisega. Selle meetodi abil saadakse kõrgemad alkoholid vahemikust С10 kuni С20.
- Vedelfaasis. Alkaanid oksüdeeritakse karboksüülhapete sünteesimiseks.
Oksüdatsiooniprotsessis asendab vaba radikaal O2 täielikult või osaliselt vesiniku komponendi. Täielik oksüdatsioon on põlemine.
Hästi põlevaid alkaane kasutatakse soojuselektrijaamade ja sisepõlemismootorite kütusena. Alkaanide põletamisel tekib palju soojusenergiat. Komplekssed alkaanid asetatakse sisepõlemismootoritesse. Koostoime hapnikuga lihtsates alkaanides võib põhjustada plahvatuse. Asf alt, parafiin ja erinevad tööstuslikud määrdeained on valmistatud alkaanidega reageerimisel tekkivatest jäätmetest.
