Jokaisella kemiallisten yhdisteiden luokalla on elektronisen rakenteensa ansiosta ominaisuuksia. Alkaaneille on tunnusomaista molekyylien substituutio-, eliminaatio- tai hapetusreaktiot. Kaikilla kemiallisilla prosesseilla on omat virtauksen ominaispiirteensä, joista keskustellaan myöhemmin.
Mitä ovat alkaanit
Nämä ovat tyydyttyneitä hiilivetyyhdisteitä, joita kutsutaan parafiineiksi. Niiden molekyylit koostuvat vain hiili- ja vetyatomeista, niillä on lineaarinen tai haarautunut asyklinen ketju, jossa on vain yksittäisiä yhdisteitä. Luokan ominaisuudet huomioon ottaen on mahdollista laskea, mitkä reaktiot ovat ominaisia alkaaneille. He noudattavat luokanlaajuista kaavaa: H2n+2C.
Kemiallinen rakenne
Parafiinimolekyyli sisältää hiiliatomeja, jotka osoittavat sp3-hybridisaatiota. Niillä kaikilla neljällä valenssikiertoradalla on sama muoto, energia ja suunta avaruudessa. Energiatasojen välisen kulman koko on 109° ja 28'.
Yksittäisten sidosten läsnäolo molekyyleissä määrää, mitkä reaktiotalkaaneille ominaista. Ne sisältävät σ-yhdisteitä. Hiilen välinen sidos on ei-polaarinen ja heikosti polarisoituva, ja se on hieman pidempi kuin C−H:ssa. Elektronien tiheys on myös siirtynyt hiiliatomiin, joka on elektronegatiivisin. Tämän seurauksena C−H-yhdisteelle on ominaista alhainen polaarisuus.
Korvaamisreaktiot
Parafiiniluokan aineilla on heikko kemiallinen aktiivisuus. Tämä voidaan selittää C–C:n ja C–H:n välisten sidosten vahvuudella, joita on vaikea katkaista ei-polariteetin vuoksi. Niiden tuhoaminen perustuu homolyyttiseen mekanismiin, johon vapaan tyypin radikaalit osallistuvat. Tästä syystä alkaaneille on ominaista substituutioreaktiot. Tällaiset aineet eivät pysty olemaan vuorovaikutuksessa vesimolekyylien tai varausta kuljettavien ionien kanssa.
Niihin kuuluu vapaaradikaalisubstituutio, jossa vetyatomit korvataan halogeenielementeillä tai muilla aktiivisilla ryhmillä. Näihin reaktioihin kuuluvat halogenointiin, sulfoklooraukseen ja nitraamiseen liittyvät prosessit. Niiden tuloksena valmistetaan alkaanijohdannaisia.
Vapaiden radikaalien korvausreaktioiden mekanismi perustuu kolmeen päävaiheeseen:
- Prosessi alkaa ketjun alkamisesta tai ydintymisestä, jonka seurauksena muodostuu vapaita radikaaleja. Katalyytit ovat ultraviolettivalon lähteitä ja lämpöä.
- Sitten kehittyy ketju, jossa tapahtuu aktiivisten hiukkasten peräkkäisiä vuorovaikutuksia inaktiivisten molekyylien kanssa. Ne muuttuvat molekyyleiksi ja radikaaleiksi, vastaavasti.
- Viimeinen vaihe on katkaista ketju. Aktiivisten hiukkasten rekombinaatio tai katoaminen havaitaan. Tämä pysäyttää ketjureaktion kehittymisen.
Halogenointiprosessi
Se perustuu radikaalityyppiseen mekanismiin. Alkaanien halogenointireaktio tapahtuu ultraviolettisäteilytyksellä ja halogeenien ja hiilivetyjen seosta kuumentamalla.
Kaikki prosessin vaiheet ovat Markovnikovin esittämän säännön alaisia. Siinä todetaan, että ensinnäkin vetyatomi, joka kuuluu hydratuimpiin hiileen, korvataan halogeenilla. Halogenointi etenee seuraavassa järjestyksessä: tertiaarisesta atomista primääriseen hiileen.
Prosessi on parempi alkaanimolekyyleille, joilla on pitkä päähiiliketju. Tämä johtuu ionisoivan energian vähenemisestä tähän suuntaan, jolloin elektroni irtoaa helpommin aineesta.
Esimerkki on metaanimolekyylin klooraus. Ultraviolettisäteilyn vaikutus johtaa kloorin hajoamiseen radikaalihiukkasiksi, jotka hyökkäävät alkaania vastaan. On olemassa vetyatomien irtoaminen ja H3C· tai metyyliradikaalin muodostuminen. Tällainen hiukkanen puolestaan hyökkää molekyylin klooria vastaan, mikä johtaa sen rakenteen tuhoutumiseen ja uuden kemiallisen reagenssin muodostumiseen.
Vain yksi vetyatomi korvataan kussakin prosessin vaiheessa. Alkaanien halogenointireaktio johtaa kloorimetaanin, dikloorimetaanin, trikloorimetaanin ja hiilitetrakloridimolekyylien asteittaiseen muodostumiseen.
Kaavamaisesti prosessi näyttää tältä:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Toisin kuin metaanimolekyylin kloorauksessa, tällaisen prosessin suorittamiselle muilla alkaaneilla on tunnusomaista saada aineita, joissa vedyn korvaaminen ei tapahdu yhdessä, vaan useassa hiiliatomissa. Niiden määrällinen suhde liittyy lämpötila-indikaattoreihin. Kylmissä olosuhteissa tertiäärisen, sekundaarisen ja primäärisen rakenteen omaavien johdannaisten muodostumisnopeus hidastuu.
Lämpötilan noustessa tällaisten yhdisteiden muodostumisnopeus tasoittuu. Halogenointiprosessiin vaikuttaa staattinen tekijä, joka osoittaa erilaisen todennäköisyyden radikaalin törmäämiselle hiiliatomiin.
Halogenointi jodilla ei etene normaaleissa olosuhteissa. On tarpeen luoda erityisolosuhteet. Kun metaani altistuu tälle halogeenille, muodostuu jodivetyä. Metyylijodidi vaikuttaa siihen, minkä seurauksena alkuperäiset reagenssit vapautuvat: metaani ja jodi. Tällaista reaktiota pidetään palautuvana.
Wurtz-reaktio alkaaneille
On menetelmä tyydyttyneiden hiilivetyjen saamiseksi, joilla on symmetrinen rakenne. Reagensseina käytetään natriummetallia, alkyylibromideja tai alkyyliklorideja. kloNiiden vuorovaikutus tuottaa natriumhalogenidin ja pidennetyn hiilivetyketjun, joka on kahden hiilivetyradikaalin summa. Kaavamaisesti synteesi on seuraava: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtz-reaktio alkaaneille on mahdollista vain, jos niiden molekyylien halogeenit ovat ensisijaisessa hiiliatomissa. Esimerkiksi CH3−CH2−CH2Br.
Jos prosessissa on mukana kahden yhdisteen halogeenihiilivetyseos, muodostuu kolme erilaista tuotetta niiden ketjujen kondensoituessa. Esimerkki tällaisesta alkaanien reaktiosta on natriumin vuorovaikutus kloorimetaanin ja kloorietaanin kanssa. Tulos on seos, joka sisältää butaania, propaania ja etaania.
Natriumin lisäksi voidaan käyttää muita alkalimetalleja, kuten litiumia tai kaliumia.
Sulfokloorausprosessi
Se kutsutaan myös Reedin reaktioksi. Se etenee vapaiden radikaalien substituutioperiaatteen mukaisesti. Tämä on tyypillinen alkaanien reaktiotyyppi rikkidioksidin ja molekyylisen kloorin seoksen vaikutuksesta ultraviolettisäteilyn läsnä ollessa.
Prosessi alkaa ketjumekanismin käynnistämisellä, jossa kloorista saadaan kaksi radikaalia. Yksi niistä hyökkää alkaania vastaan, jolloin syntyy alkyylilaji ja vetykloridimolekyyli. Rikkidioksidi kiinnittyy hiilivetyradikaaliin muodostaen monimutkaisen hiukkasen. Stabilointia varten yksi klooriatomi vangitaan toisesta molekyylistä. Lopullinen aine on alkaanisulfonyylikloridi, sitä käytetään pinta-aktiivisten yhdisteiden synteesissä.
Kaavamaisesti prosessi näyttää tältä:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Nitraukseen liittyvät prosessit
Alkaanit reagoivat typpihapon kanssa 10 % liuoksen muodossa sekä neliarvoisen typpioksidin kanssa kaasumaisessa tilassa. Sen virtausolosuhteet ovat korkeat lämpötila-arvot (noin 140 ° C) ja matalapaineilmaisimet. Nitroalkaaneja tuotetaan lähdössä.
Tämä vapaaradikaaliprosessi on nimetty tiedemiehen Konovalovin mukaan, joka löysi nitraation synteesin: CH4 + HNO3 → CH 3EI2 + H2O.
Leikkausmekanismi
Alkaaneille on ominaista dehydraus- ja krakkausreaktiot. Metaanimolekyylissä tapahtuu täydellinen lämpöhajoaminen.
Yllä olevien reaktioiden päämekanismi on atomien poistaminen alkaaneista.
Dehydrogenointiprosessi
Kun vetyatomit erotetaan parafiinien hiilirungosta metaania lukuun ottamatta, saadaan tyydyttymättömiä yhdisteitä. Tällaiset alkaanien kemialliset reaktiot tapahtuvat korkeissa lämpötiloissa (400 - 600 °C) ja platina-, nikkeli-, kromi- ja alumiinioksidien muodossa olevien kiihdyttimien vaikutuksesta.
Jos reaktiossa on mukana propaani- tai etaanimolekyylejä, sen tuotteet ovat propeenia tai eteeniä, jossa on yksi kaksoissidos.
Kun dehydrataan neljän tai viiden hiilen runko, dieeniliitännät. Butaani muodostuu butadieeni-1,3:sta ja butadieeni-1,2:sta.
Jos reaktiossa on aineita, joissa on vähintään 6 hiiliatomia, muodostuu bentseeniä. Siinä on aromaattinen ydin, jossa on kolme kaksoissidosta.
Hajotusprosessi
Korkeissa lämpötiloissa alkaanien reaktioita voi tapahtua hiilisidosten katkeamisen ja radikaalityyppisten aktiivisten hiukkasten muodostumisen myötä. Tällaisia prosesseja kutsutaan krakkaukseksi tai pyrolyysiksi.
Reagenssien kuumentaminen yli 500 °C:n lämpötiloihin johtaa niiden molekyylien hajoamiseen, jonka aikana muodostuu monimutkaisia alkyylityyppisten radikaalien seoksia.
Pitkien hiiliketjujen sisältävien alkaanien pyrolyysin suorittaminen voimakkaassa kuumennuksessa liittyy tyydyttyneiden ja tyydyttymättömien yhdisteiden saamiseen. Sitä kutsutaan lämpöhalkeamiseksi. Tätä prosessia käytettiin 1900-luvun puoliväliin asti.
Haittapuolena oli alhaisen oktaaniluvun (enintään 65) hiilivetyjen tuotanto, joten se korvattiin katalyyttisellä krakkauksella. Prosessi tapahtuu lämpötilaolosuhteissa, jotka ovat alle 440 °C ja paineissa alle 15 ilmakehää, alumiinisilikaattikiihdyttimen läsnä ollessa, jolloin vapautuu alkaanit, joilla on haarautunut rakenne. Esimerkki on metaanipyrolyysi: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Tämän reaktion aikana muodostuu asetyleeniä ja molekyylivetyä.
Metaanimolekyyli voi muuttua. Tämä reaktio vaatii vettä ja nikkelikatalyyttiä. Käytössäulostulo on hiilimonoksidin ja vedyn seos.
Hapetusprosessit
Alkaaneille ominaisiin kemiallisiin reaktioihin liittyy elektronien luovutusta.
Parafiinit hapettuvat automaattisesti. Se sisältää vapaaradikaalimekanismin tyydyttyneiden hiilivetyjen hapettamiseksi. Reaktion aikana alkaanien nestefaasista saadaan hydroperoksideja. Alkuvaiheessa parafiinimolekyyli on vuorovaikutuksessa hapen kanssa, minkä seurauksena aktiiviset radikaalit vapautuvat. Lisäksi toinen molekyyli O2 on vuorovaikutuksessa alkyylipartikkelin kanssa, jolloin tuloksena on ∙ROO. Alkaanimolekyyli joutuu kosketuksiin rasvahappoperoksidiradikaalin kanssa, minkä jälkeen hydroperoksidi vapautuu. Esimerkki on etaanin itsehapetus:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkaaneille on tunnusomaista palamisreaktiot, jotka ovat tärkeimpiä kemiallisia ominaisuuksia, kun ne määritetään polttoaineen koostumuksessa. Niillä on hapettava luonne ja lämmön vapautuminen: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Jos prosessissa on pieni määrä happea, lopputuote voi olla hiiltä tai kaksiarvoista hiilioksidia, joka määräytyy O2.
Kun alkaanit hapetetaan katalyyttisten aineiden vaikutuksesta ja kuumennetaan 200 °C:seen, alkoholi-, aldehydi- taikarboksyylihappo.
Etaani esimerkki:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanoli),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanoli ja vesi), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etanolihappo ja vesi).
Alkaanit voivat hapettua joutuessaan alttiiksi kolmijäsenisille syklisille peroksideille. Näitä ovat dimetyylidioksraani. Parafiinien hapettumisen tulos on alkoholimolekyyli.
Parafiinien edustajat eivät reagoi KMnO4 tai kaliumpermanganaattiin sekä bromiveteen.
Isomerisaatio
Alkaaneille reaktiotyypille on tunnusomaista substituutio elektrofiilisellä mekanismilla. Tämä sisältää hiiliketjun isomeroinnin. Tätä prosessia katalysoi alumiinikloridi, joka on vuorovaikutuksessa tyydyttyneen parafiinin kanssa. Esimerkki on butaanimolekyylin isomerointi, josta tulee 2-metyylipropaani: C4H10 → C3 H 7CH3.
Tuoksuprosessi
Tyllätyt, joissa on kuusi tai enemmän hiiliatomia päähiiliketjussa, pystyvät dehydrosyklisoitumaan. Tällainen reaktio ei ole tyypillinen lyhyille molekyyleille. Tuloksena on aina kuusijäseninen rengas sykloheksaanin ja sen johdannaisten muodossa.
Reaktionkiihdyttimien läsnäollessa tapahtuu edelleen dehydrausta jamuuttuminen vakaammaksi bentseenirenkaaksi. Asykliset hiilivedyt muunnetaan aromaattisiksi yhdisteiksi tai areeneiksi. Esimerkki on heksaanin dehydrosyklisointi:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (sykloheksaani), C6H12 → C6H6+ 3H2 (bentseeni).
