A kémiai vegyületek mindegyik osztálya képes tulajdonságokat felmutatni elektronikus szerkezetüknek köszönhetően. Az alkánokat a molekulák helyettesítési, eliminációs vagy oxidációs reakciói jellemzik. Minden kémiai folyamatnak megvannak a saját áramlási jellemzői, amelyekről a továbbiakban még szó lesz.
Mik azok az alkánok
Ezek telített szénhidrogén vegyületek, az úgynevezett paraffinok. Molekuláik csak szén- és hidrogénatomokból állnak, lineáris vagy elágazó aciklusos láncúak, amelyekben csak egyetlen vegyület található. Az osztály jellemzőit figyelembe véve kiszámítható, hogy mely reakciók jellemzőek az alkánokra. Az osztályszintű képletnek engedelmeskednek: H2n+2C.
Kémiai szerkezet
A paraffin molekula olyan szénatomokat tartalmaz, amelyek sp3-hibridizációt mutatnak. Mind a négy vegyértékpályának azonos alakja, energiája és iránya a térben. Az energiaszintek közötti szög mérete 109° és 28'.
Az egyes kötések molekulákban való jelenléte határozza meg, hogy mely reakciókataz alkánokra jellemző. σ-vegyületeket tartalmaznak. A szénatomok közötti kötés nem poláris és gyengén polarizálható, és valamivel hosszabb, mint a C-H-ban. Az elektronsűrűség is eltolódik a szénatom felé, mint a legelektronegatívabb. Ennek eredményeként a C−H vegyületet alacsony polaritás jellemzi.
Helyettesítési reakciók
A paraffin osztályba tartozó anyagok kémiai aktivitása gyenge. Ez a C–C és C–H közötti kötések erősségével magyarázható, amelyek a polaritásmentesség miatt nehezen szakadnak fel. Megsemmisítésük homolitikus mechanizmuson alapul, amelyben szabad típusú gyökök vesznek részt. Ezért jellemzik az alkánokat a szubsztitúciós reakciók. Az ilyen anyagok nem képesek kölcsönhatásba lépni vízmolekulákkal vagy töltést hordozó ionokkal.
Ide tartozik a szabad gyökös szubsztitúció, amelyben a hidrogénatomokat halogénelemekkel vagy más aktív csoportokkal helyettesítik. Ezek a reakciók halogénezéssel, szulfoklórozással és nitrálással kapcsolatos folyamatokat foglalnak magukban. Eredményük alkánszármazékok előállítása.
A szabadgyök-helyettesítési reakciók mechanizmusa a három fő szakaszon alapul:
- A folyamat egy lánc beindulásával vagy magképződésével kezdődik, melynek eredményeként szabad gyökök keletkeznek. A katalizátorok ultraibolya fényforrások és hő.
- Ezután kialakul egy lánc, amelyben az aktív részecskék egymást követő kölcsönhatásai inaktív molekulákkal mennek végbe. Molekulákká, illetve gyökökké alakulnak.
- Az utolsó lépés a lánc megszakítása. Az aktív részecskék rekombinációja vagy eltűnése figyelhető meg. Ez megállítja a láncreakció kialakulását.
Halogénezési folyamat
Radikális típusú mechanizmuson alapul. Az alkánok halogénezési reakciója ultraibolya besugárzással és halogének és szénhidrogének keverékének melegítésével megy végbe.
A folyamat minden szakaszára a Markovnikov által megállapított szabály vonatkozik. Azt állítja, hogy mindenekelőtt a hidrogénatomot, amely a leginkább hidrogénezett szénatomhoz tartozik, halogénnel helyettesítik. A halogénezés a következő sorrendben megy végbe: a tercier atomtól az elsődleges szénig.
Az eljárás jobb a hosszú fő szénlánccal rendelkező alkánmolekulák esetében. Ez az ionizáló energia ilyen irányú csökkenése miatt következik be, az elektron könnyebben leválik az anyagról.
Példa erre egy metánmolekula klórozása. Az ultraibolya sugárzás hatására a klór gyökrészecskékké bomlik, amelyek megtámadják az alkánt. Az atomos hidrogén leválása és H3C· vagy metilcsoport képződik. Az ilyen részecske viszont megtámadja a molekuláris klórt, ami szerkezetének tönkremeneteléhez és új kémiai reagens képződéséhez vezet.
A folyamat minden szakaszában csak egy hidrogénatomot cserélnek ki. Az alkánok halogénezési reakciója klór-metán, diklór-metán, triklór-metán és szén-tetraklorid molekulák fokozatos képződéséhez vezet.
Sémaszerűen a folyamat így néz ki:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
A metánmolekulák klórozásával ellentétben az ilyen eljárás más alkánokkal történő végrehajtását az jellemzi, hogy olyan anyagokat nyernek, amelyekben a hidrogén helyettesítése nem egy, hanem több szénatomon megy végbe. Mennyiségi arányuk a hőmérsékleti mutatókhoz kapcsolódik. Hideg körülmények között a harmadlagos, másodlagos és elsődleges szerkezetű származékok képződési sebessége csökken.
A hőmérséklet emelkedésével az ilyen vegyületek képződési sebessége kiegyenlítődik. A halogénezési folyamatot a statikus tényező befolyásolja, ami azt jelzi, hogy egy gyök eltérő valószínűséggel ütközik szénatommal.
A jóddal történő halogénezés folyamata normál körülmények között nem megy végbe. Speciális feltételeket kell teremteni. Ha a metán ennek a halogénnek van kitéve, hidrogén-jodid képződik. A metil-jodid hatással van rá, ennek eredményeként a kezdeti reagensek felszabadulnak: metán és jód. Az ilyen reakció visszafordíthatónak tekinthető.
Wurtz reakció alkánokra
Szimmetrikus szerkezetű telített szénhidrogének előállítására szolgáló módszer. Reagensként fémnátriumot, alkil-bromidot vagy alkil-kloridot használnak. Nál nélkölcsönhatásuk nátrium-halogenidet és meghosszabbított szénhidrogénláncot eredményez, amely két szénhidrogéngyök összege. Sematikusan a szintézis a következő: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
A Wurtz-reakció alkánokra csak akkor lehetséges, ha a molekuláikban lévő halogének az elsődleges szénatomon vannak. Például CH3−CH2−CH2Br.
Ha két vegyület halogénezett szénhidrogén keveréke vesz részt a folyamatban, akkor láncaik kondenzációja során három különböző termék keletkezik. Az alkánok ilyen reakciójára példa a nátrium klór-metánnal és klór-etánnal való kölcsönhatása. A kimenet butánt, propánt és etánt tartalmazó keverék.
A nátrium mellett más alkálifémek is használhatók, köztük a lítium vagy a kálium.
Szulfoklórozási eljárás
Reed reakciónak is nevezik. A szabad gyökös helyettesítés elve szerint megy végbe. Ez az alkánok jellegzetes reakciója kén-dioxid és molekuláris klór keverékének hatására ultraibolya sugárzás jelenlétében.
A folyamat egy láncmechanizmus beindításával kezdődik, amelyben a klórból két gyököt nyernek. Az egyik megtámadja az alkánt, ami egy alkilcsoportot és egy hidrogén-klorid molekulát eredményez. A kén-dioxid a szénhidrogén gyökhöz kapcsolódik, és komplex részecskét képez. A stabilizálás érdekében egy klóratomot befognak egy másik molekulából. A végső anyag az alkán-szulfonil-klorid, amelyet felületaktív vegyületek szintézisében használnak.
Sémaszerűen a folyamat így néz ki:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Nitrálással kapcsolatos folyamatok
Az alkánok 10%-os oldat formájában reagálnak salétromsavval, valamint gáz halmazállapotú négy vegyértékű nitrogén-oxiddal. Áramlásának feltételei a magas hőmérsékleti értékek (kb. 140 °C) és az alacsony nyomásjelzők. A kimeneten nitroalkánok keletkeznek.
Ezt a szabadgyökös folyamatot Konovalov tudósról nevezték el, aki felfedezte a nitráció szintézisét: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Hasítási mechanizmus
Az alkánokat dehidrogénezési és krakkolási reakciók jellemzik. A metánmolekula teljes hőbomláson megy keresztül.
A fenti reakciók fő mechanizmusa az atomok eltávolítása az alkánokból.
Dehidrogénezési folyamat
Ha a hidrogénatomokat leválasztják a paraffinok szénvázáról, a metán kivételével telítetlen vegyületek keletkeznek. Az alkánok ilyen kémiai reakciói magas hőmérsékleten (400-600 °C) és platina, nikkel, króm és alumínium-oxidok formájában jelentkező gyorsítók hatására mennek végbe.
Ha a reakcióban propán- vagy etánmolekulák vesznek részt, akkor termékei egy kettős kötéssel rendelkező propén vagy etén.
Négy vagy öt szénatomos váz dehidrogénezésekor diénkapcsolatokat. A bután butadién-1,3-ból és butadién-1,2-ből képződik.
Ha a reakcióban 6 vagy több szénatomos anyagok vannak jelen, akkor benzol képződik. Aromás magja van három kettős kötéssel.
Lebontási folyamat
Magas hőmérsékleti körülmények között alkánok reakcióba léphetnek szénkötések felszakadásával és gyökös típusú aktív részecskék képződésével. Az ilyen folyamatokat krakkolásnak vagy pirolízisnek nevezik.
A reaktánsok 500 °C-ot meghaladó hőmérsékletre hevítése molekuláik bomlásához vezet, melynek során alkil-típusú gyökök összetett keverékei képződnek.
A hosszú szénláncú alkánok pirolízisének végrehajtása erős melegítés mellett telített és telítetlen vegyületek előállításával jár. Ezt termikus repedésnek nevezik. Ezt az eljárást a 20. század közepéig használták.
Hátránya az alacsony oktánszámú (legfeljebb 65-ös) szénhidrogének előállítása volt, ezért ezt katalitikus krakkolás váltotta fel. A folyamat 440 °C alatti hőmérsékleten és 15 atmoszféra alatti nyomáson, alumínium-szilikát gyorsító jelenlétében, elágazó szerkezetű alkánok felszabadulásával megy végbe. Példa erre a metán pirolízis: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. A reakció során acetilén és molekuláris hidrogén képződik.
A metán molekula átalakulhat. Ehhez a reakcióhoz vízre és nikkelkatalizátorra van szükség. Aa kimenet szén-monoxid és hidrogén keveréke.
Oxidációs folyamatok
Az alkánokra jellemző kémiai reakciók elektronok adományozásával járnak.
A paraffinok önoxidációja zajlik. Ez magában foglalja a telített szénhidrogének oxidációjának szabad gyökös mechanizmusát. A reakció során az alkánok folyékony fázisából hidroperoxidokat nyernek. A kezdeti szakaszban a paraffin molekula kölcsönhatásba lép az oxigénnel, ennek eredményeként aktív gyökök szabadulnak fel. Továbbá egy másik O2 molekula kölcsönhatásba lép az alkilrészecskével, ami ∙ROO-t eredményez. Egy alkánmolekula érintkezik a zsírsav-peroxid gyökkel, majd hidroperoxid szabadul fel. Példa erre az etán autooxidációja:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Az alkánokat égési reakciók jellemzik, amelyek az üzemanyag összetételében meghatározva a fő kémiai tulajdonságok közé tartoznak. Oxidatív jellegük van hőleadóval: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Ha kis mennyiségű oxigén van a folyamatban, akkor a végtermék szén vagy kétértékű szén-oxid lehet, amelyet az O2 koncentrációja határoz meg.
Ha az alkánokat katalitikus anyagok hatására oxidálják és 200 °C-ra hevítik, alkohol-, aldehid- vagykarbonsav.
Etán példa:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanol és víz), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etánsav és víz).
Az alkánok oxidálódhatnak, ha háromtagú ciklikus peroxidoknak vannak kitéve. Ezek közé tartozik a dimetil-dioxirán. A paraffinok oxidációjának eredménye egy alkoholmolekula.
A paraffinok képviselői nem reagálnak a KMnO4 vagy kálium-permanganátra, valamint a brómos vízre.
Izomerizáció
Alkánoknál a reakció típusát elektrofil mechanizmussal történő helyettesítés jellemzi. Ez magában foglalja a szénlánc izomerizációját is. Ezt a folyamatot az alumínium-klorid katalizálja, amely kölcsönhatásba lép a telített paraffinnal. Példa erre egy butánmolekula izomerizálása, amely 2-metil-propánná válik: C4H10 → C3 H 7CH3.
Illatkezelés
A fő szénláncban hat vagy több szénatomot tartalmazó telített vegyületek képesek dehidrociklizálódni. Az ilyen reakció nem jellemző a rövid molekulákra. Az eredmény mindig egy hattagú gyűrű, ciklohexán és származékai formájában.
Reakciógyorsítók jelenlétében további dehidrogénezés megy végbe ésátalakulása stabilabb benzolgyűrűvé. Az aciklikus szénhidrogének aromás vegyületekké vagy arénekké alakulnak. Példa erre a hexán dehidrociklizálása:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ciklohexán), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzol).
