Iga keemiliste ühendite klass suudab oma elektroonilise struktuuri tõttu avaldada omadusi. Alkaane iseloomustavad molekulide asendus-, elimineerimis- või oksüdatsioonireaktsioonid. Kõigil keemilistel protsessidel on oma vooluomadused, mida arutatakse edaspidi.
Mis on alkaanid
Need on küllastunud süsivesinike ühendid, mida nimetatakse parafiinideks. Nende molekulid koosnevad ainult süsiniku- ja vesinikuaatomitest, neil on lineaarne või hargnenud atsükliline ahel, milles on ainult üksikud ühendid. Arvestades klassi omadusi, on võimalik arvutada, millised reaktsioonid on alkaanidele iseloomulikud. Nad järgivad kogu klassi hõlmavat valemit: H2n+2C.
Keemiline struktuur
Parafiinimolekul sisaldab süsinikuaatomeid, millel on sp3-hübridisatsioon. Kõigil neljal valentsorbitaalil on ruumis sama kuju, energia ja suund. Energiatasemete vahelise nurga suurus on 109° ja 28'.
Üksiksidemete olemasolu molekulides määrab, millised reaktsioonid toimuvadiseloomulikud alkaanidele. Need sisaldavad σ-ühendeid. Side süsiniku vahel on mittepolaarne ja nõrg alt polariseeritav ning veidi pikem kui C-H-s. Samuti toimub elektronide tiheduse nihe süsinikuaatomile, kuna see on kõige elektronegatiivsem. Selle tulemusena iseloomustab C−H ühendit madal polaarsus.
Asendusreaktsioonid
Parafiiniklassi ainetel on nõrk keemiline aktiivsus. Seda saab seletada C-C ja C-H vaheliste sidemete tugevusega, mida on mittepolaarsuse tõttu raske katkestada. Nende hävitamine põhineb homolüütilisel mehhanismil, milles osalevad vabad radikaalid. Seetõttu on alkaanidele iseloomulikud asendusreaktsioonid. Sellised ained ei suuda suhelda veemolekulide ega laengut kandvate ioonidega.
Need hõlmavad vabade radikaalide asendust, mille käigus vesinikuaatomid asendatakse halogeenelementide või muude aktiivsete rühmadega. Need reaktsioonid hõlmavad halogeenimise, sulfokloorimise ja nitreerimisega seotud protsesse. Nende tulemuseks on alkaani derivaatide valmistamine.
Vabade radikaalide asendusreaktsioonide mehhanism põhineb kolmel põhietapil:
- Protsess algab ahela initsiatsioonist ehk tuumastumisest, mille tulemusena tekivad vabad radikaalid. Katalüsaatorid on ultraviolettvalguse ja soojuse allikad.
- Siis areneb ahel, milles toimuvad aktiivsete osakeste järjestikused vastasmõjud mitteaktiivsete molekulidega. Need muudetakse vastav alt molekulideks ja radikaalideks.
- Viimane samm on kett katkestada. Täheldatakse aktiivsete osakeste rekombinatsiooni või kadumist. See peatab ahelreaktsiooni arengu.
Halogeenimisprotsess
See põhineb radikaalset tüüpi mehhanismil. Alkaanide halogeenimisreaktsioon toimub ultraviolettkiirguse ning halogeenide ja süsivesinike segu kuumutamisel.
Kõik protsessi etapid alluvad Markovnikovi kehtestatud reeglile. Selles öeldakse, et esiteks asendatakse vesinikuaatom, mis kuulub enim hüdrogeenitud süsiniku hulka, halogeeniga. Halogeenimine toimub järgmises järjestuses: tertsiaarsest aatomist primaarse süsinikuni.
Protsess on parem pika peamise süsinikuahelaga alkaani molekulide puhul. Selle põhjuseks on ioniseeriva energia vähenemine selles suunas, elektron eraldub ainest kergemini.
Näiteks on metaani molekuli kloorimine. Ultraviolettkiirguse toime põhjustab kloori lagunemist radikaaliosakesteks, mis ründavad alkaani. Toimub vesinikuaatomi eraldumine ja H3C· ehk metüülradikaali moodustumine. Selline osake omakorda ründab molekulaarset kloori, mis põhjustab selle struktuuri hävimise ja uue keemilise reaktiivi moodustumise.
Protsessi igas etapis asendatakse ainult üks vesinikuaatom. Alkaanide halogeenimisreaktsioon põhjustab klorometaani, diklorometaani, triklorometaani ja süsiniktetrakloriidi molekulide järkjärgulist moodustumist.
Skeemiliselt näeb protsess välja järgmine:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Erinev alt metaani molekuli kloorimisest iseloomustab sellise protsessi läbiviimist teiste alkaanidega ainete saamine, milles vesiniku asendamine ei toimu mitte ühes, vaid mitmes süsinikuaatomis. Nende kvantitatiivne suhe on seotud temperatuurinäitajatega. Külmades tingimustes väheneb tertsiaarse, sekundaarse ja primaarse struktuuriga derivaatide moodustumise kiirus.
Temperatuuri tõustes selliste ühendite moodustumise kiirus ühtlustub. Halogeenimisprotsessi mõjutab staatiline tegur, mis näitab radikaali süsinikuaatomiga kokkupõrke erinevat tõenäosust.
Joodiga halogeenimine ei toimu tavatingimustes. On vaja luua eritingimused. Kui metaan puutub kokku selle halogeeniga, moodustub vesinikjodiid. Seda mõjutab metüüljodiid, mille tulemusena eralduvad algsed reaktiivid: metaan ja jood. Sellist reaktsiooni peetakse pöörduvaks.
Wurtzi reaktsioon alkaanidele
On meetod sümmeetrilise struktuuriga küllastunud süsivesinike saamiseks. Reagentidena kasutatakse metallinaatriumi, alküülbromiide või alküülkloriide. Kellnende koostoime tekitab naatriumhalogeniidi ja pikendatud süsivesiniku ahela, mis on kahe süsivesinikradikaali summa. Skemaatiliselt on süntees järgmine: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtzi reaktsioon alkaanide jaoks on võimalik ainult siis, kui nende molekulides olevad halogeenid on primaarse süsinikuaatomi juures. Näiteks CH3−CH2−CH2Br.
Kui protsessis osaleb kahest ühendist koosnev halogeensüsiniku segu, tekib nende ahelate kondenseerumisel kolm erinevat toodet. Sellise alkaanide reaktsiooni näide on naatriumi interaktsioon klorometaani ja kloroetaaniga. Väljund on butaani, propaani ja etaani sisaldav segu.
Lisaks naatriumile võib kasutada ka teisi leelismetalle, sealhulgas liitiumi või kaaliumi.
Sulfokloorimisprotsess
Seda nimetatakse ka Reedi reaktsiooniks. See toimib vastav alt vabade radikaalide asendamise põhimõttele. See on alkaanide iseloomulik reaktsioon vääveldioksiidi ja molekulaarse kloori segu toimele ultraviolettkiirguse juuresolekul.
Protsess algab ahelmehhanismi käivitamisega, mille käigus saadakse kloorist kaks radikaali. Üks neist ründab alkaani, mille tulemuseks on alküülrühm ja vesinikkloriidi molekul. Vääveldioksiid on seotud süsivesiniku radikaaliga, moodustades kompleksse osakese. Stabiliseerimiseks püütakse kinni teisest molekulist üks klooriaatom. Lõppaine on alkaansulfonüülkloriid, seda kasutatakse pindaktiivsete ühendite sünteesil.
Skeemiliselt näeb protsess välja järgmine:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Nitreerimisega seotud protsessid
Alkaanid reageerivad lämmastikhappega 10% lahuse kujul, samuti neljavalentse lämmastikoksiidiga gaasilises olekus. Selle voolamise tingimused on kõrge temperatuuri väärtused (umbes 140 ° C) ja madala rõhu indikaatorid. Nitroalkaanid toodetakse väljundis.
See vabade radikaalide protsess sai nime teadlase Konovalovi järgi, kes avastas nitreerimise sünteesi: CH4 + HNO3 → CH 3EI2 + H2O.
Lõhustamismehhanism
Alkaane iseloomustavad dehüdrogeenimis- ja krakkimisreaktsioonid. Metaani molekulis toimub täielik termiline lagunemine.
Eelnimetatud reaktsioonide peamine mehhanism on aatomite eemaldamine alkaanidest.
Dehüdrogeenimisprotsess
Kui vesinikuaatomid eraldatakse parafiinide süsinikust, välja arvatud metaan, tekivad küllastumata ühendid. Sellised alkaanide keemilised reaktsioonid toimuvad kõrgel temperatuuril (400–600 °C) ja plaatina-, nikli-, kroomi- ja alumiiniumoksiidi kujul olevate kiirendite mõjul.
Kui reaktsioonis osalevad propaani või etaani molekulid, on selle produktid ühe kaksiksidemega propeen või etaan.
Nelja- või viiesüsinikulise karkassi dehüdrogeenimisel dieenühendused. Butaan moodustub butadieen-1, 3 ja butadieen-1, 2.
Kui reaktsioonis esineb 6 või enama süsinikuaatomiga aineid, tekib benseen. Sellel on kolme kaksiksidemega aromaatne südamik.
Lagunemisprotsess
Kõrge temperatuuri tingimustes võivad alkaanide reaktsioonid toimuda süsiniksidemete katkemise ja radikaalse tüüpi aktiivsete osakeste moodustumisega. Selliseid protsesse nimetatakse krakkimiseks või pürolüüsiks.
Reagentide kuumutamine temperatuurini üle 500 °C viib nende molekulide lagunemiseni, mille käigus moodustuvad komplekssed alküül-tüüpi radikaalide segud.
Pikkade süsinikuahelatega alkaanide pürolüüsi läbiviimine tugeval kuumutamisel on seotud küllastunud ja küllastumata ühendite saamisega. Seda nimetatakse termiliseks krakkimiseks. Seda protsessi kasutati kuni 20. sajandi keskpaigani.
Puuduseks oli madala oktaanarvuga (mitte üle 65) süsivesinike tootmine, mistõttu see asendati katalüütilise krakkimisega. Protsess toimub temperatuuritingimustel, mis on alla 440 °C ja rõhul alla 15 atmosfääri, alumosilikaatkiirendi juuresolekul koos hargnenud struktuuriga alkaanide vabanemisega. Näiteks metaanpürolüüs: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Selle reaktsiooni käigus moodustuvad atsetüleen ja molekulaarne vesinik.
Metaanimolekul võib muutuda. See reaktsioon nõuab vett ja nikkelkatalüsaatorit. pealväljund on süsinikmonooksiidi ja vesiniku segu.
Oksüdatsiooniprotsessid
Alkaanidele iseloomulikud keemilised reaktsioonid hõlmavad elektronide loovutamist.
Toimub parafiinide automaatne oksüdatsioon. See hõlmab vabade radikaalide mehhanismi küllastunud süsivesinike oksüdeerimiseks. Reaktsiooni käigus saadakse alkaanide vedelast faasist hüdroperoksiide. Algstaadiumis interakteerub parafiini molekul hapnikuga, mille tulemusena vabanevad aktiivsed radikaalid. Lisaks interakteerub teine molekul O2 alküülosakesega, mille tulemuseks on ∙ROO. Alkaanimolekul puutub kokku rasvhappeperoksiidi radikaaliga, mille järel vabaneb hüdroperoksiid. Näiteks on etaani autooksüdatsioon:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkaane iseloomustavad põlemisreaktsioonid, mis on peamiste keemiliste omaduste hulgas, kui need määratakse kütuse koostises. Neil on oksüdatiivne iseloom ja soojuseraldus: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Kui protsessis on väike kogus hapnikku, võib lõpptooteks olla kivisüsi või kahevalentne süsinikoksiid, mille määrab O2.
Kui alkaanid oksüdeeritakse katalüütiliste ainete mõjul ja kuumutatakse temperatuurini 200 °C, hakkavad alkoholi, aldehüüdi võikarboksüülhape.
Etaani näide:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanool),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanaal ja vesi), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etaanhape ja vesi).
Alkaanid võivad oksüdeeruda, kui nad puutuvad kokku kolmeliikmeliste tsükliliste peroksiididega. Nende hulka kuulub dimetüüldioksiraan. Parafiinide oksüdatsiooni tulemusena tekib alkoholimolekul.
Parafiinide esindajad ei reageeri KMnO4 ega kaaliumpermanganaadile, samuti broomiveele.
Isomerisatsioon
Alkaanide puhul iseloomustab reaktsiooni tüüpi asendamine elektrofiilse mehhanismiga. See hõlmab süsinikuahela isomerisatsiooni. Seda protsessi katalüüsib alumiiniumkloriid, mis interakteerub küllastunud parafiiniga. Näiteks on butaani molekuli isomerisatsioon, mis muutub 2-metüülpropaaniks: C4H10 → C3 H 7CH3.
Lõhnatöötlus
Küllastunud rasvhapped, mille peamises süsinikuahelas on kuus või enam süsinikuaatomit, on võimelised dehüdrotsükliseerima. Selline reaktsioon ei ole tüüpiline lühikestele molekulidele. Tulemuseks on alati kuueliikmeline tsükkel tsükloheksaani ja selle derivaatide kujul.
Reaktsioonikiirendite juuresolekul toimub edasine dehüdrogeenimine jamuutumine stabiilsemaks benseenitsükliks. Atsüklilised süsivesinikud muudetakse aromaatseteks ühenditeks või areenideks. Näiteks on heksaani dehüdrotsüklistamine:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (tsükloheksaan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benseen).
