Алкани: галогенирование. Реакція заміщення одного або більше атомів водню в молекулі алкану на галоген

Незважаючи на те, що алкани малоактивні, вони здатні на виділення великої кількості енергії при взаємодії з галогенами або іншими вільними радикалами. Алкани і реакції з ними постійно використовують у багатьох сферах промисловості.

Факти про алканах

В органічній хімії алкани займають важливе місце. Формула алканів в хімії-C_nH_2n+2. На відміну від ароматичних речовин, які мають бензольне кільце, алкани вважаються аліфатичними (ациклічними).

У молекулі будь-якого алкана всі елементи з`єднані одинарним зв`язком. Тому у цієї групи речовин закінчення» - ан". Відповідно, у алкенів є одна подвійна зв`язок, а у алкінів-одна потрійна. У алкодієнів, наприклад, дві подвійні зв`язку.

Алкани-насичені вуглеводні. Тобто в них знаходиться максимальна кількість атомів Н (водню). Всі атоми вуглецю в алкані складаються в положенні sp³ – гібридизація. Це означає, що молекула алкана будується за правилом тетраедра. Молекула метану (СН₄) нагадує тетраедр, а інші алкани мають зигзагоподібну структуру.

Всі атоми з в алканах з`єднані за допомогою ơ-зв`язку (сигма – зв`язку). Зв`язки з-з є неполярними, зв`язки з-Н-слабополярними.

Властивості алканів

Як вже говорилося вище, група алканів володіє маленькою активністю. Зв`язки між двома атомами з і між атомами з І Н міцні, тому їх складно зруйнувати впливом ззовні. Всі зв`язки в алканах є ơ – зв`язками, тому, якщо вони розриваються, це зазвичай призводить до появи радикалів.

Галогенирование алканів

Зважаючи особливих властивостей у зв`язків атомів, алканам притаманні реакції заміщення і розкладання. У реакціях заміщення у алканів атоми водню змінюють інші атоми або молекули. Алкани добре реагують з галогенами-речовинами, що знаходяться в 17 групі періодичної таблиці Менделєєва. Є галогенами фтор (F), бром (Br), хлор (Cl), йод (I), астат (At) і теннессін (Ts). Галогени дуже сильні окислювачі. Вони реагують практично з усіма речовинами з таблиці Д. І. Менделєєва.

Реакції хлорування алканів

На практиці участь в галогенировании алканів беруть зазвичай бром і хлор. Фтор занадто активний елемент-з ним реакція буде вибуховою. Йод-слабкий, тому реакція заміщення з ним йти не буде. А астата дуже мало в природі, тому складно зібрати достатню його кількість для проведення експериментів.

Стадії галогенування

Всі алкани проходять три стадії галогенування:

1. Зародження ланцюга або ініціювання. Під впливом сонячного світла, нагрівання або ультрафіолетового випромінювання молекула хлору Cl₂ розпадається на два вільних радикала. Кожен має один неспарений електрон на зовнішньому шарі.
2. Розвиток або зростання ланцюга. Радикали взаємодіють з молекулами метану.
3. Обрив ланцюга-заключна частина галогенування алканів. Всі радикали починають з`єднуватися один з одним і в підсумку повністю зникають.

Бромування алканів

При галогенировании вищих алканів, що йдуть після етану, складність представляє утворення ізомерів. З однієї речовини під дією сонячного світла можуть утворитися різні ізомери. Відбувається це в результаті реакції заміщення. Це доказ того, що при галогенуванні вільним радикалом може бути заміщений будь-який атом Н В алкані. Складний алкан розпадається на дві речовини, відсоток яких може сильно відрізнятися залежно від умов реакції.

Бромування пропану (2-бромпропан). При реакції галогенування пропану молекулою Br2 під впливом високих температур і сонячного світла виходять 1-бромпропан - 3% і 2-бромпропан-97 %.

Бромування Бутану. При бромуванні Бутану під дією освітлення і високих температур виходить 2% 1-бромбутана і 98% 2-бромбутана.

Різниця хлорування та бромування алканів

Хлорування частіше використовують у промисловості. Наприклад, для виробництва розчинників, в яких міститься суміш ізомерів. При отриманні галогеналкани складно відокремлювати один від одного, але зате на ринку суміш коштує дешевше, ніж чистий продукт. У лабораторіях більше поширене бромування. Бром слабший за хлор. Він має низьку реакційну здатність, тому атоми брому мають високу селективність. Це означає, що під час реакції атоми "вибирають", який атом водню їм замінити.

Характер реакції хлорування

При хлоруванні алканів ізомери утворюються приблизно в рівній кількості у своїй масовій частці. Наприклад, хлорування пропану при каталізаторі у вигляді підвищення температури до 454 градусів видає нам 2-хлорпропан і 1-хлорпропан в співвідношенні 25% і 75% відповідно. Якщо реакція галогенування проходить тільки за допомогою ультрафіолетового випромінювання, 1-хлорпропана виходить 43%, а 2-хлорпропана-57%. Залежно від умов проведення реакції співвідношення отриманих ізомерів може змінюватися.

Характер реакції бромування

В результаті реакцій бромування алканів легко виходить майже чиста речовина. Наприклад, 1 – бромпропан-3 %, 2 – бромпропан-97% з молекули н-пропану. Тому бромування часто застосовують в лабораторіях для синтезу певної речовини.

Сульфування алканів

Алкани сульфуються також за механізмом радикального заміщення. Щоб відбулася реакція, на алкан одночасно впливають кисень і оксид сірки SO₂ (сірчистий ангідрид). В результаті реакції алкан перетворюється в алкілсульфокислоту. Приклад сульфування Бутану:

СН₃СН₂СН₂СН₃ + В₂ + SO₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂SO₂OH

Загальна формула сульфоокислення алканів:

R-H + О₂ + SO₂ → R―SO₂OH

Сульфохлорування алканів

У разі сульфохлорирования замість кисню в якості окислювача використовується хлор. Таким способом отримують алкансульфохлориди. Реакція сульфохлорування звична для всіх вуглеводнів. Вона відбувається при кімнатній температурі і сонячному освітленні. Також в якості каталізатора застосовують органічні пероксиди. Така реакція зачіпає тільки вторинні і первинні зв`язки, що відносяться до атомів вуглецю і водню. До третинних атомів справа не доходить, так як відбувається обрив ланцюга реакції.

Реакція Коновалова

Реакція нітрування, як і реакція галогенування алканів, проходить по вільно-радикальному механізму. Проводять реакцію, використовуючи сильно розведену (10-20 %) азотну кислоту (HNO3). Механізм реакції: в результаті реакції алкани утворюють суміш сполук. Для каталізації реакції використовують підвищення температури до 140⁰ і нормальний або підвищений тиск навколишнє середовище. При нітруванні руйнуються зв`язку З-З, а не тільки з-Н на відміну від попередніх реакцій заміщення. Це означає, що відбувається крекінг. Тобто реакція розщеплення.

Реакції окислення та GORENJE

За вільнорадикальним типом проходять і реакції окислення алканів. Для парафінів існує три види переробки за допомогою окислювальної реакції.

1. У газовій фазі. Так отримують альдегіди і нижчі спирти.
2. В рідкій фазі. Використовують термічне окислення з додаванням борної кислоти. При такому способі виходять вищі спирти від з₁₀ до з₂₀.
3. В рідкій фазі. Алкани окислюються для синтезу карбонових кислот.

В процесі окислення вільний радикал О₂ повністю або частково заміщає водневу складову. Повне окислення-це Gorenje.

Добре згорають алкани використовуються як паливо для теплоелектростанцій і двигунів внутрішнього згоряння. Палаючі алкани виробляють дуже багато теплової енергії. У двигуни внутрішнього згоряння поміщають складні алкани. Взаємодія з киснем у простих алканів може призвести до вибуху. З продуктів відходу, що утворюються в результаті реакцій з алканами, роблять асфальт, парафін і різні мастила для промисловість.