Радикальное замещение: описание реакции, особенности, пример

В химии радикальным замещением называют реакции, в которых свободные радикалы атакуют молекулу вещества, замещая собой отдельные ее атомы. При реакции замещения образуются новые радикалы. Цепная реакция продолжается до момента, когда иссякнут все свободные радикалы.

Определение радикала

Радикал – это атом или молекула, имеющие на внешнем электронном слое один или более неспаренных электронов. То есть таких электронов, у которых нет пары. Радикал может образоваться, когда молекула приобретает один электрон или наоборот, теряет его. В своем большинстве свободные радикалы нестабильны, так как их внешний электронный слой не завершен. Поэтому радикалы легко вступают в реакции с некоторыми веществами, образуя при этом новые вещества и свободные радикалы.

Какими бывают радикалы?

Основные группы, по которым происходит классификация радикалов:

• стабильность: стабильные и нестабильные;
• заряженность: незаряженные, отрицательно заряженные и положительно заряженные;
• степень связанности: свободные и комплексные.

Стабильные радикалы

Обычно радикалы «живут» мало и спешат скорее вступить в реакцию. Такие радикалы существуют секунды или доли секунд и называются нестабильными. Но есть те, что отличаются стабильностью, период существования их может достигать нескольких лет. В неорганической химии к стабильным относят O3, NO, ClO2, NO2 и другие. В разделе же органической больше стабильных радикалов. Их делят на несколько групп:

• углеводородные;
• гидразильные;
• нитроксильные;
• аминильные;
• ароксильные;
• вердазильные.

Механизм реакции радикального замещения

В механизме реакции выделяют три стадии:

1. Инициирование. Посредством внешних факторов (нагревание, облучение, химические и электрические катализаторы) разрушается связь в молекуле вещества, образуя свободные радикалы.
2. Развитие цепи или ее рост. Свободные элементы вступают во взаимодействие с молекулами, благодаря чему образуются новые вещества и радикалы.
3. Обрыв цепи. На третьей стадии радикалы соединяются между собой. Происходит их рекомбинация (объединение неспаренных электронов, которые принадлежат разным частицам), благодаря чему появляются новые самостоятельные молекулы. Свободных радикалов не остается, и цепь реакции считается завершенной.

Типичные реакции замещения

Обычно реакцию радикального замещения показывают на примере галогенирования алканов. Самый простой алкан – метан – СН4, а самый распространенный галоген — хлор.

Алканы

Алканы – насыщенные углеводороды, содержащие только простые связи. Общая формула алканов – CnH2n+2. Насыщенными называются те углеводороды, которые содержат максимальное количество атомов водорода. Ранее алканы называли парафинами из-за того, что эти вещества не реагировали с кислотами, щелочами и т. д. На самом деле устойчивость к взаимодействию с сильными реагентами объясняется прочностью С-С и С-Н связей. Насыщенность алканов также говорит о том, что они не участвуют в реакциях присоединения. Для них характерны реакции разложения, замещения и прочие.

Галогены

Чтобы провести реакцию радикального замещения, нужно дать определение галогенам. Галогены – это элементы 17-й группы таблицы Менделеева. Галогенами являются Cl (хлор), I (йод), F (фтор), Br (бром) и At (астат). Все галогены являются неметаллами и сильными окислителями. Самую высокую окислительную активность имеет фтор, а самую низкую – астат. В процессе галогенирования алканов один или больше атомов водорода в веществе заменяется на галоген.

Механизм замещения на примере галогенирования метана

Простейшим алканом считается метан, поэтому реакции его галогенирования легко запомнить, и на этой основе проводить радикальное замещение других алканов. В качестве галогена обычно берется хлор. Он обладает средней силой реагирования. Реакция алканов с йодом не идет, так как он слабый галоген. Взаимодействие с фтором проходит со взрывом, потому что атомы фтора очень активны. Хотя при реакции замещения алканов с хлором тоже может произойти взрыв.

Зарождение цепи. Под воздействием солнечного, ультрафиолетового излучения или от нагревания молекула хлора Cl2 распадается на два свободных радикала. У каждого один неспаренный электрон на внешнем слое.

Cl₂ → 2Cl

Развитие или рост цепи. Взаимодействуя с молекулами метана, свободные радикалы образуют новые и продолжают цепь превращений.

СН₄ + Cl· → СН₃ + HCl

СН₃ + Cl₂ → СН₃Cl + Cl

Далее реакция идет до тех пор, пока не исчезнут все свободные радикалы.

Обрыв цепи – заключительная стадия радикального замещения алканов. Радикалы соединяются друг с другом и образуют новые молекулы.

СН_3· + ·Cl → СН₃Cl

СН₃· + ·СН₃ → СН₃ – СН₃

Хлорирование метана

Под действием солнечного света радикалы хлора замещают все атомы водорода в метане. Для полного замещения водорода доля хлора в смеси должна быть достаточной. Таким образом, из метана может получиться четыре его производных:

СН₃Cl – хлорметан.

СН₂Cl₂ – дихлорметан.

CHCl₃ – трихлорметан (хлоформ).

CCl₄ – тетрахлорметан.

Галогенирование других алканов

Начиная с пропана (С₃Н₈) у алканов появляются третичные и вторичные атомы углерода. Галогенирование разветвленных алканов может давать разные результаты. В результате реакции радикального замещения образуются изомеры алканов. Масса каждого получившегося вещества может сильно различаться в зависимости от температуры.

При термическом галогенировании состав получившегося продукта определяется исходя из соотношения количества С―Н–связей атомов углерода, которые в сложных алканах бывают первичными, вторичными и третичными. В результате фотохимического галогенирования состав получившихся продуктов будет зависеть от скорости, с которой атомы галогена сменяют атомы водорода. Галогенам легче всего встать на место третичного атома водорода. Сложнее заместить вторичный и первичный.

Хлорирование пропана

При хлорировании пропана с катализатором в виде повышения температуры до 450 ⁰С образуются 2-хлорпропан в количестве 25 % и 1-хлорпропан в количестве 75 %.

2СН₃СН₂СН₃ + 2Cl₂ → СН₃СН(Cl)СН₃ + СН₃СН₂СН_2Cl + 2HCl

Если проводить реакцию радикального замещения алкана с помощью солнечного света, выходит 57 % 2-хлорпропана и 43 % 1-хлорпропана.

Разница в массе полученных веществ между первой и второй реакцией объясняется тем, что во втором случае скорость замещения на атом Н у вторичного атома выше в 4 раза, чем у первичного, хотя в молекуле пропана больше первичных С―Н -связей.

Реакции окисления

В реакциях окисления алканов опять же участвуют свободные радикалы. В этом случае радикал О₂ присоединяется к молекуле алкана, и происходит реакция полного или неполного окисления. Полное окисление называется горением:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О

Реакция горения алканов по механизму радикального замещения широко используется в промышленности как топливо для ТЭЦ, для двигателей внутреннего сгорания. В такие машинные двигатели можно помещать только разветвленные алканы. Простые линейные алканы в ДВС взрываются. Из нелетучего осадка, образовавшегося в результате радикального замещения, производят смазки, асфальт, парафин и т. д.

Частичное окисление

В промышленности смеси, которые образуются при частичном окислении метана, используются для изготовления синтетических алканов. Из метана при неполном окислении воздухом можно получить метиловый спирт (СН₃ОН), формальдегид (НСНО), муравьиную кислоту (НСООН). А при окислении бутана в промышленности вырабатывается уксусная кислота:

2С₄Н₁₀ + 5О₂ → 4СН₃СООН + 2Н₂О

Для того чтобы алканы окислялись частично, используют катализаторы (Со²⁺, Mn²⁺и т. д.) при сравнительно невысоких температурах воздуха.