Алкани: халогениране. Реакция на заместване на един или повече водородни атоми в молекула на алкан с халоген

Въпреки че са неактивни, алканите са способни да отделят голямо количество енергия при взаимодействие с халогени или други свободни радикали. Алканите и реакциите с тях се използват рутинно в много отрасли.

Факти за алканите

В органичната химия алканите заемат важно място. Химичната формула на алканите е C_nH_2n+2. За разлика от ароматните, които имат бензолов пръстен, алканите се считат за алифатни.

В молекулата на всеки алкан всички елементи са свързани с единична връзка. Затова в тази група съединения окончанието "-ан" е. Съответно алкените имат една двойна връзка, а алкините - една тройна връзка. Алкодиенът например има две двойни връзки.

Алканите са наситени въглеводороди. Това означава, че те съдържат максимален брой Н-атоми. Всички въглеродни атоми в алкана са в sp³ - хибридизация. Това означава, че молекулата на алкана има тетраедрична структура. Молекулата на метана (CH₄) прилича на тетраедър, а останалите алкани имат зигзагообразна структура.

Всички С-атоми в алканите са свързани чрез ơ връзка (сигма връзка). C-C връзките са неполярни, C-H връзките са слабополярни.

Свойства на алканите

Както беше споменато по-горе, алканната група има ниска активност. Връзките между двата атома С и между атомите С и Н са здрави, така че трудно се разкъсват от външно въздействие. Всички връзки в алканите са ơ-връзки, така че ако те се разкъсат, това обикновено води до образуване на радикали.

Халогениране на алкани

Поради специфичните свойства на свързване на атомите, алканите са обект на реакции на заместване и разпадане. При реакциите на заместване в алканите водородните атоми заместват други атоми или молекули. Алканите реагират добре с халогени, вещества от група 17 на периодичната таблица на Менделеев. Флуорът (F), бромът (Br), хлорът (Cl), йодът (I), астатинът (At) и тенесинът (Ts) са халогени. Халогените са много силни окислители. Те реагират с почти всички вещества от таблица Г. И. Таблицата на Менделеев.

Реакции на хлориране на алкани

На практика бромът и хлорът обикновено участват в халогенирането на алкани. Флуорът е твърде активен, затова реагира експлозивно. Йодът е слаб, така че с него няма реакция на заместване. Освен това астатитът е много рядък в природата, така че е трудно да се събере достатъчно количество за провеждане на експерименти.

Стъпки на халогениране

Всички алкани преминават през три етапа на халогениране:

1. Иницииране на верига или иницииране. Когато е изложена на слънчева светлина, топлина или ултравиолетова светлина, молекулата на хлора Cl₂ се разпада на два свободни радикала. Всеки от тях има по един несдвоен електрон на външния слой.
2. развитие или растеж на веригата. Радикалите взаимодействат с молекулите на метана.
3. Разкъсване на веригата - последната част от халогенирането на алкани. Всички радикали започват да се сливат помежду си и накрая изчезват напълно.

Бромиране на алкани

При халогенирането на висшите алкани, идващи след етана, трудността е свързана с образуването на изомери. Под въздействието на слънчевата светлина от едно вещество могат да се образуват различни изомери. Това се случва в резултат на реакцията на заместване. Това е доказателство, че всеки Н-атом в алкан може да бъде заместен със свободен радикал по време на халогенирането. Сложен алкан се разделя на две вещества, чието процентно съдържание може да варира силно в зависимост от условията на реакцията.

Бромиране на пропан (2-бромопропан). Когато пропанът се халогенира с молекула Br2 при висока температура и слънчева светлина, се получават 1-бромопропан - 3 % и 2-бромопропан - 97 %.

Бромиране на бутан. Когато бутанът се бромира чрез осветяване и високи температури, се получават 2 % 1-бромобутан и 98 % 2-бромобутан.

Разлика между хлориране и бромиране на алкани

Хлорирането се използва по-често в промишлеността. Например за производството на разтворители, които съдържат смес от изомери. При производството халогеналканите се отделят трудно, но сместа е по-евтина на пазара от чистия продукт. В лабораториите по-често се използва бромиране. Бромът е по-слаб от хлора. Има ниска реакционна способност, така че атомите на бром имат висока селективност. Това означава, че по време на реакцията атомите "избират" кой водороден атом да заменят.

Характер на реакцията на хлориране

При хлорирането на алкани се образуват изомери в приблизително еднакви количества в масовата им част. Например при хлориране на пропан с катализатор под формата на повишаване на температурата до 454 градуса се получават 2-хлоропропан и 1-хлоропропан в съотношение съответно 25% и 75%. Ако реакцията на халогениране се извършва само с ултравиолетова светлина, от 1-хлоропропан се получават 43%, а от 2-хлоропропан - 57%. В зависимост от условията на реакцията съотношението на получените изомери може да се промени.

Същност на реакцията на бромиране

Реакциите на бромиране на алкани лесно дават почти чисто вещество. Например 1-бромопропан - 3 %, 2-бромопропан - 97 % от молекулата на n-пропана. Поради това бромирането често се използва в лабораториите за синтез на.

Сулфатиране на алкани

Алканите също се сулфонират по механизма на радикално заместване. За да реагира, алканът се атакува от кислород и серен оксид SO₂ (сулфурен анхидрид). Реакцията превръща алкана в алкилсулфонова киселина. Пример: сулфидиране на бутан:

CH₃CH₂CH₂CH₃ + О₂ + SO₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂SO₂OH

Общата формула за сулфоокисление на алкани:

R-H + O₂ + SO₂ → R-SO₂OH

сулфохлориране на алкани

При сулфохлорирането вместо кислород като окислител се използва хлор. Алкансулфохлоридите се получават по този начин. Реакцията на сулфохлориране е обща за всички въглеводороди. Осъществява се при стайна температура и на слънчева светлина. Като катализатор се използват и органични пероксиди. В реакцията участват само вторичните и първичните връзки на въглеродните и водородните атоми. Тя не достига до третичните атоми, защото как се прекъсва реакционната верига прекъсване на реакционната верига.

Реакция на Коновалов

Реакцията на нитриране, както и реакцията на халогениране на алкани, протича по свободнорадикален механизъм. Тази реакция се извършва с много разредена (10 до 20 %) азотна киселина (HNO3). Механизъм на реакцията: В резултат на реакцията алканите образуват смес от съединения. Реакцията се катализира чрез повишаване на температурата до 140⁰ и нормален или повишено налягане околна среда. По време на нитрирането се разрушава връзката C-C, а не само връзката C-H, за разлика от предишните реакции на заместване. Това означава, че процесът на напукване е в ход. Това означава реакция на разцепване.

Реакции на окисление и горене

Реакциите на окисление на алканите също протичат по свободно-радикален начин. За парафините има три вида преобразуване чрез реакция на окисление.

1. В газовата фаза. По този начин се получават алдехиди и по-ниски алкохоли.
2. В течна фаза. Термично окисление с добавяне на борна киселина. При този процес се получават висши алкохоли от C₁₀ към C₂₀.
3. В течна фаза. Алканите се окисляват за синтез карбоксилни киселини.

В процеса на окисление свободният радикал O₂ замества изцяло или частично водородния компонент. Пълното окисление е горене.

Добре горящите алкани се използват като гориво за топлоелектрически централи и двигатели с вътрешно горене. При изгарянето на алкани се отделят много на топлинна енергия. Сложни алкани се влагат в двигатели с вътрешно горене. Взаимодействието с кислорода в простите алкани може да доведе до експлозия. Отпадъчните продукти от реакциите с алкани са асфалт, парафин и различни видове смазочни материали за индустрии.