Алканы: галогенирование. Реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген

Несмотря на то, что алканы малоактивны, они способны на выделение большого количества энергии при взаимодействии с галогенами или другими свободными радикалами. Алканы и реакции с ними постоянно используют во многих сферах промышленности.

Факты об алканах

В органической химии алканы занимают важное место. Формула алканов в химии - CnH2n+2. В отличие от ароматических веществ, у которых есть бензольное кольцо, алканы считаются алифатическими (ациклическими).

В молекуле любого алкана все элементы соединены одинарной связью. Поэтому у данной группы веществ окончание «-ан». Соответственно, у алкенов есть одна двойная связь, а у алкинов – одна тройная. У алкодиенов, например, две двойные связи.

Алканы - насыщенные углеводороды. То есть в них находится максимальное количество атомов Н (водорода). Все атомы углерода в алкане состоят в положении sp3 – гибридизации. Это значит, что молекула алкана строится по правилу тетраэдра. Молекула метана (СН4) напоминает тетраэдр, а остальные алканы имеют зигзагообразную структуру.

Все атомы С в алканах соединены с помощью ơ – связи (сигма – связи). Связи С―С являются неполярными, связи С―Н – слабополярными.

Свойства алканов

Как уже говорилось выше, группа алканов обладает маленькой активностью. Связи между двумя атомами С и между атомами С и Н прочные, поэтому их сложно разрушить воздействием извне. Все связи в алканах являются ơ – связями, поэтому, если они разрываются, это обычно приводит к появлению радикалов.

сигма связь

Галогенирование алканов

Ввиду особых свойств у связей атомов, алканам присущи реакции замещения и разложения. В реакциях замещения у алканов атомы водорода сменяют другие атомы или молекулы. Алканы хорошо реагируют с галогенами – веществами, находящимися в 17 группе периодической таблицы Менделеева. Являются галогенами фтор (F), бром (Br), хлор (Cl), йод (I), астат (At) и теннессин (Ts). Галогены очень сильные окислители. Они реагируют практически со всеми веществами из таблицы Д. И. Менделеева.

Реакции хлорирования алканов

На практике участие в галогенировании алканов принимают обычно бром и хлор. Фтор слишком активный элемент – с ним реакция будет взрывной. Йод - слабый, поэтому реакция замещения с ним идти не будет. А астата очень мало в природе, поэтому сложно собрать достаточное его количество для проведения экспериментов.

Стадии галогенирования

Все алканы проходят три стадии галогенирования:

  1. Зарождение цепи или инициирование. Под воздействием солнечного света, нагревания или ультрафиолетового излучения молекула хлора Cl2 распадается на два свободных радикала. У каждого один неспаренный электрон на внешнем слое.
  2. Развитие или рост цепи. Радикалы взаимодействуют с молекулами метана.
  3. Обрыв цепи – заключительная часть галогенирования алканов. Все радикалы начинают соединяться друг с другом и в итоге полностью исчезают.
химический эксперимент

Бромирование алканов

При галогенировании высших алканов, идущих после этана, сложность представляет образование изомеров. Из одного вещества под действием солнечного света могут образоваться разные изомеры. Происходит это в результате реакции замещения. Это доказательство того, что при галогенировании свободным радикалом может быть замещен любой атом Н в алкане. Сложный алкан распадается на два вещества, процентное содержание которых может сильно варьироваться в зависимости от условий реакции.

жидкий азот

Бромирование пропана (2-бромпропан). При реакции галогенирования пропана молекулой Br2 под воздействием высоких температур и солнечного света выходят 1-бромпропан – 3 % и 2-бромпропан – 97 %.

Бромирование бутана. При бромировании бутана под действием освещения и высоких температур выходит 2 % 1-бромбутана и 98 % 2-бромбутана.

Различие хлорирования и бромирования алканов

Хлорирование чаще используют в промышленности. Например, для производства растворителей, в которых содержится смесь изомеров. При получении галогеналканы сложно отделять друг от друга, но зато на рынке смесь стоит дешевле, чем чистый продукт. В лабораториях больше распространено бромирование. Бром слабее хлора. У него низкая реакционная способность, поэтому у атомов брома высокая селективность. Это значит, что во время реакции атомы «выбирают», какой атом водорода им заменить.

ядро атом

Характер реакции хлорирования

При хлорировании алканов изомеры образуются примерно в равном количестве в своей массовой доле. Например, хлорирование пропана при катализаторе в виде повышения температуры до 454 градусов выдает нам 2–хлорпропан и 1-хлорпропан в соотношении 25 % и 75 % соответственно. Если реакция галогенирования проходит только при помощи ультрафиолетового излучения, 1–хлорпропана получается 43 %, а 2-хлорпропана – 57%. В зависимости от условий проведения реакции соотношение полученных изомеров может меняться.

Характер реакции бромирования

В результате реакций бромирования алканов легко выходит почти чистое вещество. Например, 1-бромпропан – 3 %, 2-бромпропан – 97% из молекулы н-пропана. Потому бромирование часто применяют в лабораториях для синтеза определенного вещества.

Сульфирование алканов

Алканы сульфируются также по механизму радикального замещения. Чтобы произошла реакция, на алкан одновременно воздействуют кислород и оксид серы SO2 (сернистый ангидрид). В итоге реакции алкан превращается в алкилсульфокислоту. Пример сульфирования бутана:

СН3СН2СН2СН3 + О2 + SO2 → CH3CH2CH2CH2SO2OH

Общая формула сульфоокисления алканов:

R―H + О2 + SO2 → R―SO2OH

куски серы

Сульфохлорирование алканов

В случае сульфохлорирования вместо кислорода в качестве окислителя используется хлор. Таким способом получают алкансульфохлориды. Реакция сульфохлорирования привычна для всех углеводородов. Она происходит при комнатной температуре и солнечном освещении. Также в качестве катализатора применяют органические пероксиды. Такая реакция затрагивает только вторичные и первичные связи, относящиеся к атомам углерода и водорода. До третичных атомов дело не доходит, так как происходит обрыв цепи реакции.

Реакция Коновалова

Реакция нитрования, как и реакция галогенирования алканов, проходит по свободно-радикальному механизму. Проводят реакцию, используя сильно разбавленную (10 – 20 %) азотную кислоту (HNO3). Механизм реакции: в результате реакции алканы образуют смесь соединений. Для катализации реакции используют повышение температуры до 140⁰ и нормальное или повышенное давление окружающей среды. При нитровании разрушаются связи С―С, а не только С―Н в отличие от предыдущих реакций замещения. Это значит, что происходит крекинг. То есть реакция расщепления.

Реакции окисления и горения

По свободнорадикальному типу проходят и реакции окисления алканов. Для парафинов существует три вида переработки с помощью окислительной реакции.

  1. В газовой фазе. Так получают альдегиды и низшие спирты.
  2. В жидкой фазе. Используют термическое окисление с добавлением борной кислоты. При таком способе получаются высшие спирты от С10 до С20.
  3. В жидкой фазе. Алканы окисляются для синтеза карбоновых кислот.

В процессе окисления свободный радикал О2 полностью или частично замещает водородную составляющую. Полное окисление - это горение.

реакция горения

Хорошо сгорающие алканы используются как топливо для теплоэлектростанций и двигателей внутреннего сгорания. Горящие алканы производят очень много тепловой энергии. В двигатели внутреннего сгорания помещают сложные алканы. Взаимодействие с кислородом у простых алканов может привести к взрыву. Из продуктов отхода, образующихся в результате реакций с алканами, делают асфальт, парафин и различные смазки для промышленности.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Добавить смайл
  • :smile:
  • :wink:
  • :frowning:
  • :stuck_out_tongue_winking_eye:
  • :smirk:
  • :open_mouth:
  • :grinning:
  • :pensive:
  • :relaxed:
  • :heart:
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 4
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.