Svaka klasa kemijskih spojeva može pokazati svojstva zbog svoje elektronske strukture. Alkane karakteriziraju reakcije supstitucije, eliminacije ili oksidacije molekula. Svi kemijski procesi imaju svoje karakteristike protoka, o čemu će biti riječi dalje.
Što su alkani
Ovo su zasićeni ugljikovodični spojevi koji se nazivaju parafini. Njihove molekule sastoje se samo od atoma ugljika i vodika, imaju linearni ili razgranati aciklički lanac, u kojem postoje samo pojedinačni spojevi. S obzirom na karakteristike klase, moguće je izračunati koje su reakcije karakteristične za alkane. Oni se pridržavaju formule za cijelu klasu: H2n+2C.
Kemijska struktura
Molekula parafina uključuje atome ugljika koji pokazuju sp3-hibridizaciju. Sve četiri valentne orbitale imaju isti oblik, energiju i smjer u prostoru. Veličina kuta između energetskih razina je 109° i 28'.
Prisutnost jednostrukih veza u molekulama određuje koje reakcijekarakterističan za alkane. Sadrže σ-spojeve. Veza između ugljika je nepolarna i slabo polarizabilna, te je nešto duža nego u C−H. Također postoji pomak elektronske gustoće prema atomu ugljika, kao najelektronegativnijem. Kao rezultat toga, spoj C-H karakterizira niski polaritet.
Reakcije zamjene
Tvari iz parafinske klase imaju slabu kemijsku aktivnost. To se može objasniti snagom veza između C–C i C–H, koje je teško prekinuti zbog nepolarnosti. Njihovo uništavanje temelji se na homolitičkom mehanizmu, u kojem sudjeluju radikali slobodnog tipa. Zato alkane karakteriziraju supstitucijske reakcije. Takve tvari ne mogu stupiti u interakciju s molekulama vode ili ionima koji nose naboj.
Oni uključuju supstituciju slobodnih radikala, u kojoj su atomi vodika zamijenjeni halogenim elementima ili drugim aktivnim skupinama. Te reakcije uključuju procese povezane s halogeniranjem, sulfokloriranjem i nitriranjem. Njihov rezultat je priprema derivata alkana.
Mehanizam reakcija zamjene slobodnih radikala temelji se na tri glavne faze:
- Proces počinje inicijacijom ili nukleacijom lanca, uslijed čega nastaju slobodni radikali. Katalizatori su ultraljubičasti izvori svjetlosti i topline.
- Tada se razvija lanac u kojem se odvijaju uzastopne interakcije aktivnih čestica s neaktivnim molekulama. Pretvaraju se u molekule odnosno radikale.
- Posljednji korak je prekid lanca. Uočava se rekombinacija ili nestanak aktivnih čestica. To zaustavlja razvoj lančane reakcije.
Proces halogiranja
Zasnovan je na mehanizmu radikalnog tipa. Reakcija halogeniranja alkana odvija se ultraljubičastim zračenjem i zagrijavanjem mješavine halogena i ugljikovodika.
Sve faze procesa podliježu pravilu koje je naveo Markovnikov. U njemu se navodi da je, prije svega, atom vodika, koji pripada najhidrogeniranijem ugljiku, podvrgnut zamjeni halogenom. Halogenacija se odvija sljedećim slijedom: od tercijalnog atoma do primarnog ugljika.
Proces je bolji za molekule alkana s dugim glavnim ugljikovim lancem. To je zbog smanjenja ionizirajuće energije u ovom smjeru, elektron se lakše odvaja od tvari.
Primjer je kloriranje molekule metana. Djelovanje ultraljubičastog dovodi do cijepanja klora na radikalne čestice koje napadaju alkan. Dolazi do odvajanja atomskog vodika i stvaranja H3C· ili metilnog radikala. Takva čestica zauzvrat napada molekularni klor, što dovodi do uništenja njegove strukture i stvaranja novog kemijskog reagensa.
U svakoj fazi procesa zamjenjuje se samo jedan atom vodika. Reakcija halogeniranja alkana dovodi do postupnog stvaranja molekula klorometana, diklormetana, triklorometana i ugljičnog tetraklorida.
Šematski, proces izgleda ovako:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Za razliku od kloriranja molekule metana, provođenje takvog procesa s drugim alkanima karakterizira dobivanje tvari u kojima se zamjena vodika ne događa na jednom atomu ugljika, već na nekoliko. Njihov kvantitativni omjer povezan je s temperaturnim pokazateljima. U hladnim uvjetima dolazi do smanjenja brzine stvaranja derivata s tercijarnom, sekundarnom i primarnom strukturom.
S povećanjem temperature, brzina stvaranja takvih spojeva se smanjuje. Na proces halogeniranja utječe statički faktor, koji ukazuje na različitu vjerojatnost sudara radikala s atomom ugljika.
Proces halogeniranja jodom se ne odvija u normalnim uvjetima. Potrebno je stvoriti posebne uvjete. Kada je metan izložen ovom halogenu, nastaje vodikov jodid. Na njega utječe metil jodid, zbog čega se oslobađaju početni reagensi: metan i jod. Takva se reakcija smatra reverzibilnom.
Wurtz reakcija za alkane
je metoda za dobivanje zasićenih ugljikovodika sa simetričnom strukturom. Kao reaktanti koriste se metalni natrij, alkil bromidi ili alkil kloridi. Nanjihova interakcija proizvodi natrijev halid i prošireni ugljikovodični lanac, koji je zbroj dvaju ugljikovodičnih radikala. Shematski, sinteza je sljedeća: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl.
Wurtzova reakcija za alkane moguća je samo ako su halogeni u njihovim molekulama na primarnom atomu ugljika. Na primjer, CH3−CH2−CH2Br.
Ako je u proces uključena smjesa halougljika od dva spoja, tada se tijekom kondenzacije njihovih lanaca stvaraju tri različita proizvoda. Primjer takve reakcije alkana je interakcija natrija s klorometanom i kloroetanom. Izlaz je mješavina koja sadrži butan, propan i etan.
Osim natrija, mogu se koristiti i drugi alkalni metali, koji uključuju litij ili kalij.
Proces sulfokloriranja
Zove se i Reedova reakcija. Radi se po principu supstitucije slobodnih radikala. Ovo je karakterističan tip reakcije alkana na djelovanje mješavine sumporovog dioksida i molekularnog klora u prisutnosti ultraljubičastog zračenja.
Proces počinje pokretanjem lančanog mehanizma, u kojem se dva radikala dobivaju iz klora. Jedan od njih napada alkan, što rezultira alkilnom vrstom i molekulom klorovodika. Sumporov dioksid je vezan za ugljikovodični radikal da tvori složenu česticu. Za stabilizaciju, jedan atom klora se hvata iz druge molekule. Konačna tvar je alkan sulfonil klorid, koristi se u sintezi površinski aktivnih spojeva.
Šematski, proces izgleda ovako:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesi povezani s nitracijom
Alkani reagiraju s dušičnom kiselinom u obliku 10% otopine, kao i s tetravalentnim dušikovim oksidom u plinovitom stanju. Uvjeti za njegov protok su visoke vrijednosti temperature(oko 140°C) i indikatori niskog tlaka. Nitroalkani se proizvode na izlazu.
Ovaj proces slobodnih radikala dobio je ime po znanstveniku Konovalovu, koji je otkrio sintezu nitracije: CH4 + HNO3 → CH 3NE2 + H2O.
Mehanizam cijepanja
Alkane karakteriziraju reakcije dehidrogenacije i krekiranja. Molekula metana prolazi kroz potpunu termičku razgradnju.
Glavni mehanizam gornjih reakcija je eliminacija atoma iz alkana.
Proces dehidrogenacije
Kada se atomi vodika odvoje od ugljičnog kostura parafina, s izuzetkom metana, dobivaju se nezasićeni spojevi. Takve kemijske reakcije alkana odvijaju se na visokim temperaturama (od 400 do 600 °C) i pod utjecajem akceleratora u obliku oksida platine, nikla, kroma i aluminija.
Ako su molekule propana ili etana uključene u reakciju, tada će njeni proizvodi biti propen ili eten s jednom dvostrukom vezom.
Prilikom dehidrogeniranja skeleta od četiri ili pet ugljika, dienveze. Butan nastaje od butadiena-1, 3 i butadiena-1, 2.
Ako su tvari sa 6 ili više ugljikovih atoma prisutne u reakciji, tada nastaje benzen. Ima aromatičnu jezgru s tri dvostruke veze.
Proces razgradnje
U uvjetima visoke temperature mogu se odvijati reakcije alkana s kidanjem ugljikovih veza i stvaranjem aktivnih čestica radikalnog tipa. Takvi se procesi nazivaju pucanjem ili pirolizom.
Zagrijavanje reaktanata na temperature veće od 500 °C dovodi do razgradnje njihovih molekula, tijekom koje nastaju složene smjese radikala alkilnog tipa.
Provođenje pirolize alkana s dugim ugljikovim lancima pod jakim zagrijavanjem povezano je s dobivanjem zasićenih i nezasićenih spojeva. Zove se toplinsko pucanje. Ovaj proces se koristio do sredine 20. stoljeća.
Nedostatak je bila proizvodnja ugljikovodika s niskim oktanskim brojem (ne više od 65), pa je zamijenjena katalitičkim krekingom. Proces se odvija u temperaturnim uvjetima ispod 440 °C i tlakovima ispod 15 atmosfera, u prisutnosti aluminosilikatnog akceleratora uz oslobađanje alkana razgranate strukture. Primjer je piroliza metana: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Tijekom ove reakcije nastaju acetilen i molekularni vodik.
Molekula metana može se podvrgnuti pretvorbi. Ova reakcija zahtijeva vodu i nikalni katalizator. Naizlaz je mješavina ugljičnog monoksida i vodika.
Oksidacijski procesi
Kemijske reakcije karakteristične za alkane uključuju doniranje elektrona.
Postoji autooksidacija parafina. Uključuje mehanizam slobodnih radikala za oksidaciju zasićenih ugljikovodika. Tijekom reakcije iz tekuće faze alkana dobivaju se hidroperoksidi. U početnoj fazi, molekula parafina stupa u interakciju s kisikom, kao rezultat toga, oslobađaju se aktivni radikali. Nadalje, druga molekula O2 komunicira s alkil česticom, što rezultira ∙ROO. Molekula alkana dolazi u kontakt s radikalom peroksida masne kiseline, nakon čega se oslobađa hidroperoksid. Primjer je autooksidacija etana:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkane karakteriziraju reakcije izgaranja, koje su među glavnim kemijskim svojstvima kada se određuju u sastavu goriva. Imaju oksidativni karakter s oslobađanjem topline: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ako postoji mala količina kisika u procesu, tada konačni proizvod može biti ugljen ili dvovalentni oksid ugljika, koji je određen koncentracijom O2.
Kada se alkani oksidiraju pod utjecajem katalitičkih tvari i zagrijavaju na 200°C, molekule alkohola, aldehida ilikarboksilna kiselina.
Ethane primjer:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal i voda), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etanska kiselina i voda).
Alkani se mogu oksidirati kada su izloženi tročlanim cikličkim peroksidima. To uključuje dimetildioksiran. Rezultat oksidacije parafina je molekula alkohola.
Predstavnici parafina ne reagiraju na KMnO4 ili kalijev permanganat, kao ni na bromnu vodu.
Izomerizacija
Na alkanima, tip reakcije karakterizira supstitucija s elektrofilnim mehanizmom. To uključuje izomerizaciju ugljikovog lanca. Ovaj proces katalizira aluminijev klorid koji je u interakciji sa zasićenim parafinom. Primjer je izomerizacija molekule butana, koja postaje 2-metilpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces mirisa
Zasićene tvari sa šest ili više ugljikovih atoma u glavnom ugljikovom lancu su sposobne za dehidrociklizaciju. Takva reakcija nije tipična za kratke molekule. Rezultat je uvijek šesteročlani prsten u obliku cikloheksana i njegovih derivata.
U prisutnosti akceleratora reakcija odvija se daljnja dehidrogenacija itransformacija u stabilniji benzenski prsten. Aciklički ugljikovodici se pretvaraju u aromatske spojeve ili arene. Primjer je dehidrociklizacija heksana:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cikloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
