Elke klasse van chemische verbindingen kan eigenschappen vertonen vanwege hun elektronische structuur. Alkanen worden gekenmerkt door substitutie-, eliminatie- of oxidatiereacties van moleculen. Alle chemische processen hebben hun eigen kenmerken van de stroming, die verder zullen worden besproken.
Wat zijn alkanen
Dit zijn verzadigde koolwaterstofverbindingen die paraffinen worden genoemd. Hun moleculen bestaan alleen uit koolstof- en waterstofatomen, hebben een lineaire of vertakte acyclische keten, waarin slechts enkele verbindingen voorkomen. Gezien de kenmerken van de klasse is het mogelijk om te berekenen welke reacties kenmerkend zijn voor alkanen. Ze gehoorzamen aan de klasse-brede formule: H2n+2C.
Chemische structuur
Het paraffinemolecuul bevat koolstofatomen die sp3-hybridisatie vertonen. Ze hebben alle vier de valentie-orbitalen met dezelfde vorm, energie en richting in de ruimte. De grootte van de hoek tussen de energieniveaus is 109° en 28'.
De aanwezigheid van enkelvoudige bindingen in moleculen bepa alt welke reactieskenmerkend voor alkanen. Ze bevatten σ-verbindingen. De binding tussen koolstofatomen is niet-polair en zwak polariseerbaar en is iets langer dan in C−H. Er is ook een verschuiving in de elektronendichtheid naar het koolstofatoom, als de meest elektronegatieve. Als gevolg hiervan wordt de C−H-verbinding gekenmerkt door een lage polariteit.
Vervangingsreacties
Stoffen van de paraffineklasse hebben een zwakke chemische activiteit. Dit kan worden verklaard door de sterkte van de bindingen tussen C-C en C-H, die moeilijk te verbreken zijn vanwege niet-polariteit. Hun vernietiging is gebaseerd op een homolytisch mechanisme, waaraan vrije radicalen deelnemen. Daarom worden alkanen gekenmerkt door substitutiereacties. Dergelijke stoffen kunnen geen interactie aangaan met watermoleculen of ladingdragende ionen.
Ze omvatten substitutie van vrije radicalen, waarbij waterstofatomen worden vervangen door halogeenelementen of andere actieve groepen. Deze reacties omvatten processen die verband houden met halogenering, sulfochlorering en nitrering. Hun resultaat is de bereiding van alkaanderivaten.
Het mechanisme van substitutiereacties door vrije radicalen is gebaseerd op de drie belangrijkste fasen:
- Het proces begint met de initiatie of nucleatie van een keten, waardoor vrije radicalen worden gevormd. De katalysatoren zijn bronnen van ultraviolet licht en warmte.
- Dan ontwikkelt zich een keten, waarin opeenvolgende interacties van actieve deeltjes met inactieve moleculen plaatsvinden. Ze worden omgezet in respectievelijk moleculen en radicalen.
- De laatste stap is om de ketting te verbreken. Recombinatie of verdwijning van actieve deeltjes wordt waargenomen. Dit stopt de ontwikkeling van een kettingreactie.
Halogenatieproces
Het is gebaseerd op een mechanisme van het radicale type. De halogeneringsreactie van alkanen vindt plaats door ultraviolette bestraling en verwarming van een mengsel van halogenen en koolwaterstoffen.
Alle stadia van het proces zijn onderworpen aan de regel van Markovnikov. Daarin staat dat allereerst het waterstofatoom, dat tot de meest gehydrogeneerde koolstof behoort, wordt vervangen door een halogeen. Halogenering verloopt in de volgende volgorde: van het tertiaire atoom naar het primaire koolstof.
Het proces is beter voor alkaanmoleculen met een lange hoofdkoolstofketen. Dit komt door een afname van ioniserende energie in deze richting, een elektron wordt gemakkelijker afgesplitst van de stof.
Een voorbeeld is de chlorering van een methaanmolecuul. De werking van ultraviolet leidt tot de splitsing van chloor in radicale deeltjes die het alkaan aantasten. Er is een onthechting van atomair waterstof en de vorming van H3C· of een methylradicaal. Zo'n deeltje v alt op zijn beurt moleculair chloor aan, wat leidt tot de vernietiging van zijn structuur en de vorming van een nieuw chemisch reagens.
In elke fase van het proces wordt slechts één waterstofatoom vervangen. De halogeneringsreactie van alkanen leidt tot de geleidelijke vorming van chloormethaan-, dichloormethaan-, trichloormethaan- en tetrachloorkoolstofmoleculen.
Schematisch ziet het proces er als volgt uit:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
In tegenstelling tot de chlorering van een methaanmolecuul, wordt het uitvoeren van een dergelijk proces met andere alkanen gekenmerkt door het verkrijgen van stoffen waarin de vervanging van waterstof niet bij één koolstofatoom plaatsvindt, maar bij meerdere. Hun kwantitatieve verhouding wordt geassocieerd met temperatuurindicatoren. Onder koude omstandigheden is er een afname in de vormingssnelheid van derivaten met een tertiaire, secundaire en primaire structuur.
Met een stijging van de temperatuur neemt de vormingssnelheid van dergelijke verbindingen af. Het halogeneringsproces wordt beïnvloed door de statische factor, die een andere kans aangeeft dat een radicaal botst met een koolstofatoom.
Het proces van halogenering met jodium verloopt niet onder normale omstandigheden. Het is noodzakelijk om speciale voorwaarden te creëren. Wanneer methaan wordt blootgesteld aan dit halogeen, wordt waterstofjodide gevormd. Het wordt aangetast door methyljodide, waardoor de initiële reagentia vrijkomen: methaan en jodium. Een dergelijke reactie wordt als omkeerbaar beschouwd.
Wurtz-reactie voor alkanen
Is een methode voor het verkrijgen van verzadigde koolwaterstoffen met een symmetrische structuur. Als reactanten worden natriummetaal, alkylbromiden of alkylchloriden gebruikt. Bijhun interactie produceert natriumhalogenide en een verlengde koolwaterstofketen, die de som is van twee koolwaterstofradicalen. Schematisch is de synthese als volgt: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
De Wurtz-reactie voor alkanen is alleen mogelijk als de halogenen in hun moleculen zich bij het primaire koolstofatoom bevinden. Bijvoorbeeld CH3−CH2−CH2Br.
Als een halogeenkoolstofmengsel van twee verbindingen bij het proces betrokken is, dan worden drie verschillende producten gevormd tijdens de condensatie van hun ketens. Een voorbeeld van een dergelijke reactie van alkanen is de interactie van natrium met chloormethaan en chloorethaan. De output is een mengsel dat butaan, propaan en ethaan bevat.
Naast natrium kunnen andere alkalimetalen worden gebruikt, waaronder lithium of kalium.
Sulfochloreringsproces
Het wordt ook wel de Reed-reactie genoemd. Het gaat volgens het principe van vrije radicalen substitutie. Dit is een kenmerkend type reactie van alkanen op de werking van een mengsel van zwaveldioxide en moleculair chloor in aanwezigheid van ultraviolette straling.
Het proces begint met de initiatie van een ketenmechanisme, waarbij twee radicalen worden verkregen uit chloor. Een van hen v alt het alkaan aan, wat resulteert in een alkylsoort en een waterstofchloridemolecuul. Zwaveldioxide wordt gehecht aan de koolwaterstofradicaal om een complex deeltje te vormen. Voor stabilisatie wordt een chlooratoom van een ander molecuul opgevangen. De uiteindelijke stof is alkaansulfonylchloride, het wordt gebruikt bij de synthese van oppervlakteactieve verbindingen.
Schematisch ziet het proces er als volgt uit:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processen gerelateerd aan nitratie
Alkanen reageren met salpeterzuur in de vorm van een 10%-oplossing, evenals met vierwaardig stikstofoxide in gasvormige toestand. De voorwaarden voor de stroom zijn hoge temperatuurwaarden (ongeveer 140 ° C) en lagedrukindicatoren. Nitroalkanen worden geproduceerd aan de uitgang.
Dit proces van vrije radicalen is genoemd naar de wetenschapper Konovalov, die de synthese van nitratie ontdekte: CH4 + HNO3 → CH 3NEE2 + H2O.
Kloofmechanisme
Alkanen worden gekenmerkt door dehydrogenerings- en kraakreacties. Het methaanmolecuul ondergaat volledige thermische ontleding.
Het belangrijkste mechanisme van de bovenstaande reacties is de eliminatie van atomen uit alkanen.
Dehydrogeneringsproces
Wanneer waterstofatomen worden gescheiden van het koolstofskelet van paraffinen, met uitzondering van methaan, worden onverzadigde verbindingen verkregen. Dergelijke chemische reacties van alkanen vinden plaats bij hoge temperaturen (van 400 tot 600 ° C) en onder invloed van versnellers in de vorm van platina, nikkel, chroom en aluminiumoxiden.
Als propaan- of ethaanmoleculen bij de reactie betrokken zijn, dan zijn de producten propeen of etheen met één dubbele binding.
Bij het dehydrogeneren van een skelet met vier of vijf koolstoffen, dieenverbindingen. Butaan wordt gevormd uit butadieen-1, 3 en butadieen-1, 2.
Als er stoffen met 6 of meer koolstofatomen in de reactie aanwezig zijn, wordt benzeen gevormd. Het heeft een aromatische kern met drie dubbele bindingen.
Ontledingsproces
Onder omstandigheden van hoge temperatuur kunnen reacties van alkanen plaatsvinden met het verbreken van koolstofbindingen en de vorming van actieve deeltjes van het radica altype. Dergelijke processen worden kraken of pyrolyse genoemd.
Verwarming van de reactanten tot temperaturen van meer dan 500 °C leidt tot de ontleding van hun moleculen, waarbij complexe mengsels van radicalen van het alkyltype worden gevormd.
Het uitvoeren van de pyrolyse van alkanen met lange koolstofketens onder sterke verhitting gaat gepaard met het verkrijgen van verzadigde en onverzadigde verbindingen. Het wordt thermisch kraken genoemd. Dit proces werd gebruikt tot het midden van de 20e eeuw.
Het nadeel was de productie van koolwaterstoffen met een laag octaangetal (niet meer dan 65), dus werd het vervangen door katalytisch kraken. Het proces vindt plaats onder temperatuuromstandigheden lager dan 440 °C en drukken onder 15 atmosfeer, in aanwezigheid van een aluminosilicaatversneller waarbij alkanen met een vertakte structuur vrijkomen. Een voorbeeld is methaanpyrolyse: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Tijdens deze reactie worden acetyleen en moleculaire waterstof gevormd.
Methaanmolecuul kan worden omgezet. Deze reactie vereist water en een nikkelkatalysator. Op dede output is een mengsel van koolmonoxide en waterstof.
Oxidatieprocessen
De chemische reacties die kenmerkend zijn voor alkanen omvatten de donatie van elektronen.
Er is auto-oxidatie van paraffinen. Het gaat om een radicaalmechanisme voor de oxidatie van verzadigde koolwaterstoffen. Tijdens de reactie worden hydroperoxiden verkregen uit de vloeibare fase van alkanen. In het beginstadium interageert het paraffinemolecuul met zuurstof, waardoor actieve radicalen vrijkomen. Verder interageert een ander molecuul O2 met het alkyldeeltje, wat resulteert in ∙ROO. Een alkaanmolecuul komt in contact met de vetzuurperoxideradicaal, waarna hydroperoxide vrijkomt. Een voorbeeld is de auto-oxidatie van ethaan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkanen worden gekenmerkt door verbrandingsreacties, die tot de belangrijkste chemische eigenschappen behoren wanneer ze worden bepaald in de samenstelling van de brandstof. Ze hebben een oxidatief karakter met warmteafgifte: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Als er een kleine hoeveelheid zuurstof in het proces zit, kan het eindproduct steenkool of tweewaardig koolstofoxide zijn, wat wordt bepaald door de concentratie van O2.
Wanneer alkanen worden geoxideerd onder invloed van katalytische stoffen en worden verwarmd tot 200 ° C, kunnen moleculen van alcohol, aldehyde ofcarbonzuur.
Ethaan voorbeeld:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (ethanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (ethanal en water), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ethaanzuur en water).
Alkanen kunnen worden geoxideerd wanneer ze worden blootgesteld aan drieledige cyclische peroxiden. Deze omvatten dimethyldioxiraan. Het resultaat van de oxidatie van paraffinen is een alcoholmolecuul.
Vertegenwoordigers van paraffinen reageren niet op KMnO4 of kaliumpermanganaat, en ook niet op broomwater.
Isomerisatie
Bij alkanen wordt het type reactie gekenmerkt door substitutie met een elektrofiel mechanisme. Dit omvat de isomerisatie van de koolstofketen. Dit proces wordt gekatalyseerd door aluminiumchloride, dat een interactie aangaat met verzadigde paraffine. Een voorbeeld is de isomerisatie van een butaanmolecuul, dat 2-methylpropaan wordt: C4H10 → C3 H 7CH3.
Geurproces
Verzadigingen met zes of meer koolstofatomen in de hoofdkoolstofketen zijn in staat tot dehydrocyclisatie. Zo'n reactie is niet typisch voor korte moleculen. Het resultaat is altijd een zesledige ring in de vorm van cyclohexaan en zijn derivaten.
In aanwezigheid van reactieversnellers vindt verdere dehydrogenering plaats entransformatie in een stabielere benzeenring. Acyclische koolwaterstoffen worden omgezet in aromatische verbindingen of arenen. Een voorbeeld is de dehydrocyclisering van hexaan:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyclohexaan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzeen).
