Každá trieda chemických zlúčenín je schopná vykazovať vlastnosti vďaka svojej elektronickej štruktúre. Alkány sa vyznačujú substitučnými, eliminačnými alebo oxidačnými reakciami molekúl. Všetky chemické procesy majú svoje vlastné charakteristiky toku, o ktorých sa bude diskutovať ďalej.
Čo sú alkány
Sú to nasýtené uhľovodíkové zlúčeniny nazývané parafíny. Ich molekuly pozostávajú iba z atómov uhlíka a vodíka, majú lineárny alebo rozvetvený acyklický reťazec, v ktorom sú iba jednotlivé zlúčeniny. Vzhľadom na vlastnosti triedy je možné vypočítať, ktoré reakcie sú charakteristické pre alkány. Dodržiavajú vzorec pre celú triedu: H2n+2C.
Chemická štruktúra
Molekula parafínu obsahuje atómy uhlíka vykazujúce sp3-hybridizáciu. Majú všetky štyri valenčné orbitály majú rovnaký tvar, energiu a smer v priestore. Veľkosť uhla medzi energetickými hladinami je 109° a 28'.
Prítomnosť jednoduchých väzieb v molekulách určuje, ktoré reakciecharakteristické pre alkány. Obsahujú σ-zlúčeniny. Väzba medzi uhlíkmi je nepolárna a slabo polarizovateľná a je o niečo dlhšia ako v C-H. Dochádza tiež k posunu elektrónovej hustoty k atómu uhlíka, ktorý je najviac elektronegatívny. V dôsledku toho sa zlúčenina C-H vyznačuje nízkou polaritou.
Substitučné reakcie
Látky triedy parafín majú slabú chemickú aktivitu. To možno vysvetliť silou väzieb medzi C – C a C – H, ktoré je ťažké prelomiť kvôli nepolarite. Ich deštrukcia je založená na homolytickom mechanizme, na ktorom sa podieľajú radikály voľného typu. Preto sa alkány vyznačujú substitučnými reakciami. Takéto látky nie sú schopné interagovať s molekulami vody alebo iónmi nesúcimi náboj.
Zahŕňajú substitúciu voľnými radikálmi, pri ktorej sú atómy vodíka nahradené halogénovými prvkami alebo inými aktívnymi skupinami. Tieto reakcie zahŕňajú procesy spojené s halogenáciou, sulfochloráciou a nitráciou. Ich výsledkom je príprava derivátov alkánov.
Mechanizmus substitučných reakcií voľných radikálov je založený na troch hlavných fázach:
- Proces začína iniciáciou alebo nukleáciou reťazca, v dôsledku čoho vznikajú voľné radikály. Katalyzátory sú zdroje ultrafialového svetla a tepla.
- Potom vzniká reťazec, v ktorom dochádza k postupným interakciám aktívnych častíc s neaktívnymi molekulami. Premieňajú sa na molekuly a radikály.
- Posledným krokom je pretrhnutie reťaze. Pozoruje sa rekombinácia alebo vymiznutie aktívnych častíc. Tým sa zastaví vývoj reťazovej reakcie.
Proces halogenácie
Je založený na mechanizme radikálneho typu. Halogenačná reakcia alkánov prebieha ultrafialovým ožiarením a zahrievaním zmesi halogénov a uhľovodíkov.
Všetky fázy procesu podliehajú pravidlu, ktoré uvádza Markovnikov. Uvádza, že v prvom rade atóm vodíka, ktorý patrí k najviac hydrogenovanému uhlíku, je nahradený halogénom. Halogenácia prebieha v nasledujúcom poradí: od terciárneho atómu k primárnemu uhlíku.
Tento proces je lepší pre molekuly alkánov s dlhým hlavným uhlíkovým reťazcom. Je to spôsobené znížením ionizačnej energie v tomto smere, elektrón sa ľahšie oddelí od látky.
Príkladom je chlorácia molekuly metánu. Pôsobenie ultrafialového žiarenia vedie k štiepeniu chlóru na radikálové častice, ktoré napádajú alkán. Dochádza k oddeľovaniu atómového vodíka a vytváraniu H3C· alebo metylového radikálu. Takáto častica zase napáda molekulárny chlór, čo vedie k deštrukcii jej štruktúry a vytvoreniu nového chemického činidla.
V každom štádiu procesu sa nahradí iba jeden atóm vodíka. Halogenačná reakcia alkánov vedie k postupnej tvorbe molekúl chlórmetánu, dichlórmetánu, trichlórmetánu a tetrachlórmetánu.
Schematicky proces vyzerá takto:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Na rozdiel od chlorácie molekuly metánu je uskutočňovanie takéhoto procesu s inými alkánmi charakteristické získavaním látok, v ktorých sa vodík nenahrádza na jednom, ale na viacerých atómoch uhlíka. Ich kvantitatívny pomer je spojený s teplotnými ukazovateľmi. V chladných podmienkach dochádza k poklesu rýchlosti tvorby derivátov s terciárnou, sekundárnou a primárnou štruktúrou.
So zvyšujúcou sa teplotou sa rýchlosť tvorby takýchto zlúčenín vyrovnáva. Halogenačný proces je ovplyvnený statickým faktorom, ktorý indikuje inú pravdepodobnosť zrážky radikálu s atómom uhlíka.
Proces halogenácie jódom za normálnych podmienok neprebieha. Je potrebné vytvoriť špeciálne podmienky. Keď je metán vystavený tomuto halogénu, vzniká jodovodík. Je ovplyvnený metyljodidom, v dôsledku čoho sa uvoľňujú počiatočné činidlá: metán a jód. Takáto reakcia sa považuje za reverzibilnú.
Wurtzova reakcia pre alkány
Je metóda na získanie nasýtených uhľovodíkov so symetrickou štruktúrou. Ako reaktanty sa používa kovový sodík, alkylbromidy alebo alkylchloridy. oich interakciou vzniká halogenid sodný a predĺžený uhľovodíkový reťazec, ktorý je súčtom dvoch uhľovodíkových radikálov. Schematicky je syntéza nasledovná: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl.
Wurtzova reakcia pre alkány je možná iba vtedy, ak sú halogény v ich molekulách na primárnom atóme uhlíka. Napríklad CH3−CH2−CH2Br.
Ak je do procesu zahrnutá zmes halogénovaných uhľovodíkov dvoch zlúčenín, potom sa počas kondenzácie ich reťazcov vytvoria tri rôzne produkty. Príkladom takejto reakcie alkánov je interakcia sodíka s chlórmetánom a chlóretánom. Výstupom je zmes obsahujúca bután, propán a etán.
Okrem sodíka možno použiť aj iné alkalické kovy, medzi ktoré patrí lítium alebo draslík.
Proces sulfochlorácie
Nazýva sa to aj Reedova reakcia. Postupuje sa podľa princípu substitúcie voľných radikálov. Ide o charakteristický typ reakcie alkánov na pôsobenie zmesi oxidu siričitého a molekulárneho chlóru v prítomnosti ultrafialového žiarenia.
Proces začína spustením reťazového mechanizmu, v ktorom sa z chlóru získavajú dva radikály. Jeden z nich útočí na alkán, výsledkom čoho je alkylová skupina a molekula chlorovodíka. Oxid siričitý je naviazaný na uhľovodíkový radikál za vzniku komplexnej častice. Pre stabilizáciu je jeden atóm chlóru zachytený z inej molekuly. Konečnou látkou je alkánsulfonylchlorid, používa sa pri syntéze povrchovo aktívnych zlúčenín.
Schematicky proces vyzerá takto:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesy súvisiace s nitráciou
Alkány reagujú s kyselinou dusičnou vo forme 10% roztoku, ako aj so štvormocným oxidom dusíka v plynnom stave. Podmienky pre jeho prúdenie sú vysoké hodnoty teploty (asi 140 ° C) a indikátory nízkeho tlaku. Na výstupe sa vyrábajú nitroalkány.
Tento proces voľných radikálov bol pomenovaný po vedcovi Konovalovovi, ktorý objavil syntézu nitrácie: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Mechanizmus štiepenia
Alkány sa vyznačujú dehydrogenáciou a krakovacími reakciami. Molekula metánu podlieha úplnému tepelnému rozkladu.
Hlavným mechanizmom vyššie uvedených reakcií je eliminácia atómov z alkánov.
Proces dehydrogenácie
Keď sa atómy vodíka oddelia od uhlíkovej kostry parafínov, s výnimkou metánu sa získajú nenasýtené zlúčeniny. Takéto chemické reakcie alkánov prebiehajú pri vysokých teplotách (od 400 do 600 °C) a pod vplyvom urýchľovačov vo forme oxidov platiny, niklu, chrómu a hliníka.
Ak sú do reakcie zapojené molekuly propánu alebo etánu, potom ich produktmi budú propén alebo etén s jednou dvojitou väzbou.
Pri dehydrogenácii štvor- alebo päťuhlíkovej kostry diénspojenia. Bután vzniká z butadiénu-1,3 a butadiénu-1,2.
Ak sú v reakcii prítomné látky so 6 alebo viac atómami uhlíka, potom vzniká benzén. Má aromatické jadro s tromi dvojitými väzbami.
Proces rozkladu
V podmienkach vysokej teploty môžu prebiehať reakcie alkánov s porušením uhlíkových väzieb a tvorbou aktívnych častíc radikálového typu. Takéto procesy sa nazývajú krakovanie alebo pyrolýza.
Zahrievanie reaktantov na teploty presahujúce 500 °C vedie k rozkladu ich molekúl, pri ktorom vznikajú zložité zmesi radikálov alkylového typu.
Uskutočňovanie pyrolýzy alkánov s dlhými uhlíkovými reťazcami pri silnom zahrievaní je spojené so získavaním nasýtených a nenasýtených zlúčenín. Hovorí sa tomu tepelné praskanie. Tento proces sa používal až do polovice 20. storočia.
Nevýhodou bola výroba uhľovodíkov s nízkym oktánovým číslom (nie viac ako 65), preto bola nahradená katalytickým krakovaním. Proces prebieha pri teplotných podmienkach pod 440 °C a tlakoch pod 15 atmosfér, v prítomnosti aluminosilikátového urýchľovača s uvoľňovaním alkánov s rozvetvenou štruktúrou. Príkladom je metánová pyrolýza: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Počas tejto reakcie vzniká acetylén a molekulárny vodík.
Molekula metánu môže prejsť konverziou. Táto reakcia vyžaduje vodu a niklový katalyzátor. Navýstupom je zmes oxidu uhoľnatého a vodíka.
Oxidačné procesy
Chemické reakcie charakteristické pre alkány zahŕňajú darovanie elektrónov.
Dochádza k autooxidácii parafínov. Zahŕňa mechanizmus voľných radikálov na oxidáciu nasýtených uhľovodíkov. Počas reakcie sa z kvapalnej fázy alkánov získavajú hydroperoxidy. V počiatočnom štádiu molekula parafínu interaguje s kyslíkom, v dôsledku čoho sa uvoľňujú aktívne radikály. Ďalej ďalšia molekula O2 interaguje s alkylovou časticou, čo vedie k ∙ROO. Molekula alkánu sa dostane do kontaktu s radikálom peroxidu mastnej kyseliny, po ktorom sa uvoľní hydroperoxid. Príkladom je autooxidácia etánu:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkány sa vyznačujú spaľovacími reakciami, ktoré patria medzi hlavné chemické vlastnosti, keď sa určujú v zložení paliva. Majú oxidačný charakter s uvoľňovaním tepla: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ak je v procese malé množstvo kyslíka, konečným produktom môže byť uhlie alebo oxid uhličitý, ktorý je určený koncentráciou O2.
Pri oxidácii alkánov pod vplyvom katalytických látok a zahriatí na 200 °C molekuly alkoholu, aldehydu resp.kyselina karboxylová.
Príklad etánu:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal a voda), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (kyselina etánová a voda).
Alkány môžu byť oxidované, keď sú vystavené trojčlenným cyklickým peroxidom. Medzi ne patrí dimetyldioxirán. Výsledkom oxidácie parafínov je molekula alkoholu.
Zástupcovia parafínov nereagujú na KMnO4 ani na manganistan draselný, ani na brómovú vodu.
Izomerizácia
Na alkánoch je typ reakcie charakterizovaný substitúciou elektrofilným mechanizmom. To zahŕňa izomerizáciu uhlíkového reťazca. Tento proces je katalyzovaný chloridom hlinitým, ktorý interaguje s nasýteným parafínom. Príkladom je izomerizácia molekuly butánu, z ktorej sa stane 2-metylpropán: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces vône
Nasýtené látky so šiestimi alebo viacerými atómami uhlíka v hlavnom uhlíkovom reťazci sú schopné dehydrocyklizácie. Takáto reakcia nie je typická pre krátke molekuly. Výsledkom je vždy šesťčlenný kruh vo forme cyklohexánu a jeho derivátov.
V prítomnosti urýchľovačov reakcie prebieha ďalšia dehydrogenácia atransformácia na stabilnejší benzénový kruh. Acyklické uhľovodíky sa premieňajú na aromatické zlúčeniny alebo arény. Príkladom je dehydrocyklizácia hexánu:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyklohexán), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzén).
