Ogni classe di composti chimici è in grado di esibire proprietà grazie alla loro struttura elettronica. Gli alcani sono caratterizzati da reazioni di sostituzione, eliminazione o ossidazione di molecole. Tutti i processi chimici hanno le proprie caratteristiche del flusso, che verranno discusse più avanti.
Cosa sono gli alcani
Questi sono composti di idrocarburi saturi chiamati paraffine. Le loro molecole sono costituite solo da atomi di carbonio e idrogeno, hanno una catena aciclica lineare o ramificata, in cui sono presenti solo singoli composti. Date le caratteristiche della classe, è possibile calcolare quali reazioni sono caratteristiche degli alcani. Obbediscono alla formula a livello di classe: H2n+2C.
Struttura chimica
La molecola di paraffina include atomi di carbonio che mostrano sp3-ibridazione. Hanno tutti e quattro gli orbitali di valenza hanno la stessa forma, energia e direzione nello spazio. La dimensione dell'angolo tra i livelli di energia è 109° e 28'.
La presenza di legami singoli nelle molecole determina quali reazionicaratteristico degli alcani. Contengono σ-composti. Il legame tra i carboni è apolare e debolmente polarizzabile ed è leggermente più lungo che in C-H. C'è anche uno spostamento della densità elettronica nell'atomo di carbonio, come il più elettronegativo. Di conseguenza, il composto C−H è caratterizzato da una bassa polarità.
Reazioni di sostituzione
Le sostanze della classe della paraffina hanno una debole attività chimica. Ciò può essere spiegato dalla forza dei legami tra C–C e C–H, che sono difficili da rompere a causa della non polarità. La loro distruzione si basa su un meccanismo omolitico, a cui partecipano i radicali di tipo libero. Ecco perché gli alcani sono caratterizzati da reazioni di sostituzione. Tali sostanze non sono in grado di interagire con le molecole d'acqua o con gli ioni portatori di carica.
Includono la sostituzione dei radicali liberi, in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da elementi alogeni o altri gruppi attivi. Queste reazioni includono processi associati all'alogenazione, alla solfoclorurazione e alla nitrazione. Il loro risultato è la preparazione di derivati alcani.
Il meccanismo delle reazioni di sostituzione dei radicali liberi si basa sulle tre fasi principali:
- Il processo inizia con l'inizio o la nucleazione di una catena, a seguito della quale si formano i radicali liberi. I catalizzatori sono sorgenti di luce ultravioletta e calore.
- Poi si sviluppa una catena, in cui avvengono interazioni successive di particelle attive con molecole inattive. Vengono convertiti rispettivamente in molecole e radicali.
- Il passo finale è spezzare la catena. Si osserva ricombinazione o scomparsa di particelle attive. Questo interrompe lo sviluppo di una reazione a catena.
Processo di alogenazione
Si basa su un meccanismo di tipo radicale. La reazione di alogenazione degli alcani avviene mediante irraggiamento ultravioletto e riscaldamento di una miscela di alogeni e idrocarburi.
Tutte le fasi del processo sono soggette alla regola dichiarata da Markovnikov. Afferma che, in primo luogo, l'atomo di idrogeno, che appartiene al carbonio più idrogenato, è sottoposto a sostituzione con un alogeno. L'alogenazione procede nella seguente sequenza: dall'atomo terziario al carbonio primario.
Il processo è migliore per le molecole di alcani con una lunga catena principale di carbonio. Ciò è dovuto a una diminuzione dell'energia ionizzante in questa direzione, un elettrone viene separato più facilmente dalla sostanza.
Un esempio è la clorazione di una molecola di metano. L'azione degli ultravioletti porta alla scissione del cloro in particelle radicaliche che attaccano l'alcano. C'è un distacco di idrogeno atomico e la formazione di H3C· o un radicale metilico. Tale particella, a sua volta, attacca il cloro molecolare, portando alla distruzione della sua struttura e alla formazione di un nuovo reagente chimico.
Solo un atomo di idrogeno viene sostituito in ogni fase del processo. La reazione di alogenazione degli alcani porta alla graduale formazione di molecole di clorometano, diclorometano, triclorometano e tetracloruro di carbonio.
Schematicamente, il processo si presenta così:
H4C + CL:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
A differenza della clorurazione di una molecola di metano, eseguire un tale processo con altri alcani è caratterizzato dall'ottenere sostanze in cui la sostituzione dell'idrogeno avviene non in un atomo di carbonio, ma in più. Il loro rapporto quantitativo è associato agli indicatori di temperatura. In condizioni di freddo, c'è una diminuzione del tasso di formazione di derivati con una struttura terziaria, secondaria e primaria.
Con un aumento della temperatura, il tasso di formazione di tali composti si stabilizza. Il processo di alogenazione è influenzato dal fattore statico, che indica una diversa probabilità di collisione di un radicale con un atomo di carbonio.
Il processo di alogenazione con iodio non procede in condizioni normali. È necessario creare condizioni speciali. Quando il metano viene esposto a questo alogeno, si forma acido ioduro. È influenzato dallo ioduro di metile, di conseguenza vengono rilasciati i reagenti iniziali: metano e iodio. Tale reazione è considerata reversibile.
Reazione di Wurtz per gli alcani
È un metodo per ottenere idrocarburi saturi con una struttura simmetrica. Come reagenti vengono utilizzati sodio metallico, alchil bromuri o alchil cloruri. Inla loro interazione produce alogenuro di sodio e una catena idrocarburica estesa, che è la somma di due radicali idrocarburici. Schematicamente, la sintesi è la seguente: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
La reazione di Wurtz per gli alcani è possibile solo se gli alogeni nelle loro molecole si trovano nell'atomo di carbonio primario. Ad esempio, CH3−CH2−CH2Br.
Se nel processo è coinvolta una miscela di alocarburi di due composti, durante la condensazione delle loro catene si formano tre diversi prodotti. Un esempio di tale reazione degli alcani è l'interazione del sodio con clorometano e cloroetano. L'output è una miscela contenente butano, propano ed etano.
Oltre al sodio, possono essere utilizzati altri metalli alcalini, tra cui il litio o il potassio.
Processo di solfoclorazione
Si chiama anche Reed Reed. Si procede secondo il principio della sostituzione dei radicali liberi. Questo è un tipo caratteristico di reazione degli alcani all'azione di una miscela di anidride solforosa e cloro molecolare in presenza di radiazioni ultraviolette.
Il processo inizia con l'avvio di un meccanismo a catena, in cui si ottengono due radicali dal cloro. Uno di loro attacca l'alcano, risultando in una specie alchilica e una molecola di acido cloridrico. L'anidride solforosa si lega al radicale idrocarburico per formare una particella complessa. Per la stabilizzazione, un atomo di cloro viene catturato da un' altra molecola. La sostanza finale è l'alcano sulfonil cloruro, utilizzato nella sintesi di composti tensioattivi.
Schematicamente, il processo si presenta così:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processi relativi alla nitrazione
Gli alcani reagiscono con l'acido nitrico sotto forma di una soluzione al 10%, nonché con l'ossido di azoto tetravalente allo stato gassoso. Le condizioni per il suo flusso sono valori di temperatura elevati (circa 140°C) e indicatori di bassa pressione. I nitroalcani vengono prodotti in uscita.
Questo processo di radicali liberi prende il nome dallo scienziato Konovalov, che scoprì la sintesi della nitrazione: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Meccanismo di scissione
Gli alcani sono caratterizzati da reazioni di deidrogenazione e cracking. La molecola di metano subisce una completa decomposizione termica.
Il meccanismo principale delle reazioni di cui sopra è l'eliminazione degli atomi dagli alcani.
Processo di deidrogenazione
Quando gli atomi di idrogeno vengono separati dallo scheletro di carbonio delle paraffine, ad eccezione del metano, si ottengono composti insaturi. Tali reazioni chimiche degli alcani avvengono a temperature elevate (da 400 a 600 ° C) e sotto l'influenza di acceleratori sotto forma di ossidi di platino, nichel, cromo e alluminio.
Se nella reazione sono coinvolte molecole di propano o etano, i suoi prodotti saranno propene o etene con un doppio legame.
Quando si deidrogena uno scheletro di quattro o cinque atomi di carbonio, dieneconnessioni. Il butano è formato da butadiene-1, 3 e butadiene-1, 2.
Se nella reazione sono presenti sostanze con 6 o più atomi di carbonio, si forma benzene. Ha un nucleo aromatico con tre doppi legami.
Processo di decomposizione
In condizioni di alta temperatura, possono avvenire reazioni degli alcani con la rottura dei legami carboniosi e la formazione di particelle attive di tipo radicalico. Tali processi sono chiamati cracking o pirolisi.
Il riscaldamento dei reagenti a temperature superiori a 500 °C porta alla decomposizione delle loro molecole, durante la quale si formano complesse miscele di radicali di tipo alchilico.
Effettuare la pirolisi di alcani con lunghe catene di carbonio sotto forte riscaldamento è associato all'ottenimento di composti saturi e insaturi. Si chiama cracking termico. Questo processo è stato utilizzato fino alla metà del 20° secolo.
Lo svantaggio era la produzione di idrocarburi con un basso numero di ottano (non superiore a 65), quindi fu sostituito dal cracking catalitico. Il processo avviene in condizioni di temperatura inferiori a 440 °C e pressioni inferiori a 15 atmosfere, in presenza di un acceleratore di alluminosilicato con rilascio di alcani a struttura ramificata. Un esempio è la pirolisi del metano: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Durante questa reazione si formano acetilene e idrogeno molecolare.
La molecola di metano può subire una conversione. Questa reazione richiede acqua e un catalizzatore di nichel. Sull'output è una miscela di monossido di carbonio e idrogeno.
Processi di ossidazione
Le reazioni chimiche caratteristiche degli alcani comportano la donazione di elettroni.
C'è un'autoossidazione delle paraffine. Implica un meccanismo di radicali liberi per l'ossidazione degli idrocarburi saturi. Durante la reazione si ottengono idroperossidi dalla fase liquida degli alcani. Nella fase iniziale, la molecola di paraffina interagisce con l'ossigeno, di conseguenza vengono rilasciati i radicali attivi. Inoltre, un' altra molecola O2 interagisce con la particella alchilica, risultando in ∙ROO. Una molecola di alcano entra in contatto con il radicale perossido di acido grasso, dopo di che viene rilasciato idroperossido. Un esempio è l'autoossidazione dell'etano:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Gli alcani sono caratterizzati da reazioni di combustione, che sono tra le principali proprietà chimiche quando sono determinate nella composizione del combustibile. Hanno un carattere ossidativo con rilascio di calore: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Se c'è una piccola quantità di ossigeno nel processo, il prodotto finale può essere carbone o ossido di carbonio bivalente, che è determinato dalla concentrazione di O2.
Quando gli alcani vengono ossidati sotto l'influenza di sostanze catalitiche e riscaldati a 200 ° C, molecole di alcol, aldeide oacido carbossilico.
Esempio di etano:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanolo),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanale e acqua), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (acido etanoico e acqua).
Gli alcani possono essere ossidati se esposti a perossidi ciclici a tre membri. Questi includono dimetildiossirano. Il risultato dell'ossidazione delle paraffine è una molecola di alcol.
I rappresentanti delle paraffine non reagiscono al KMnO4 o al permanganato di potassio, così come all'acqua di bromo.
Isomerizzazione
Sugli alcani, il tipo di reazione è caratterizzato dalla sostituzione con un meccanismo elettrofilo. Ciò include l'isomerizzazione della catena del carbonio. Questo processo è catalizzato dal cloruro di alluminio, che interagisce con la paraffina satura. Un esempio è l'isomerizzazione di una molecola di butano, che diventa 2-metilpropano: C4H10 → C3 H 7CH3.
Processo di fragranza
I saturi con sei o più atomi di carbonio nella catena di carbonio principale sono capaci di deidrociclizzazione. Tale reazione non è tipica per le molecole corte. Il risultato è sempre un anello a sei membri sotto forma di cicloesano e suoi derivati.
In presenza di acceleratori di reazione, avviene un'ulteriore deidrogenazione etrasformazione in un anello benzenico più stabile. Gli idrocarburi aciclici vengono convertiti in composti aromatici o areni. Un esempio è la deidrociclizzazione dell'esano:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cicloesano), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzene).
