Химиялык кошулмалардын ар бир классы электрондук түзүлүшүнөн улам касиеттерин көрсөтүүгө жөндөмдүү. Алкандар молекулалардын алмаштыруу, жоюу же кычкылдануу реакциялары менен мүнөздөлөт. Бардык химиялык процесстер агымдын өзүнүн өзгөчөлүктөрүнө ээ, алар мындан ары талкууланат.
Алкандар деген эмне
Бул парафиндер деп аталган каныккан углеводороддук бирикмелер. Алардын молекулалары көмүртек жана суутек атомдорунан гана турат, сызыктуу же тармакталган ациклдүү чынжырга ээ, аларда жалгыз гана кошулмалар бар. Класстын мүнөздөмөлөрүн эске алуу менен, алкандарга кандай реакциялар мүнөздүү экенин эсептөөгө болот. Алар класстык формулага баш ийишет: H2n+2C.
Химиялык түзүлүшү
Парафин молекуласы sp3-гибриддештирген көмүртек атомдорун камтыйт. Алардын бардык төрт валенттүү орбиталдары мейкиндикте бирдей формага, энергияга жана багытка ээ. Энергетикалык деңгээлдердин ортосундагы бурчтун өлчөмү 109° жана 28'.
Молекулаларда жалгыз байланыштын болушу кайсы реакцияларды аныктайталкандарга мүнөздүү. Аларда σ-бирикмелер бар. Көмүртектердин ортосундагы байланыш полярдуу эмес жана начар поляризациялануучу жана С-Нге караганда бир аз узунураак. Ошондой эле электрондун тыгыздыгынын эң электр терс болуп, көмүртек атомуна жылышы бар. Натыйжада, C−H кошулмасы төмөн полярдуулук менен мүнөздөлөт.
Алмаштыруу реакциялары
Парафин классындагы заттар начар химиялык активдүүлүккө ээ. Бул C–C жана C–H ортосундагы байланыштардын бекемдиги менен түшүндүрсө болот, алар полярдуулуктун жоктугунан үзүлүшү кыйын. Алардын жок кылынышы эркин типтеги радикалдар катышкан гомолитикалык механизмге негизделген. Мына ошондуктан алкандар алмаштыруу реакциялары менен мүнөздөлөт. Мындай заттар суу молекулалары же заряд алып жүрүүчү иондор менен өз ара аракеттене албайт.
Алар суутек атомдору галоген элементтери же башка активдүү топтор менен алмаштырылган эркин радикалдарды алмаштырууну камтыйт. Бул реакцияларга галогендөө, сульфохлордоо жана нитрлөө менен байланышкан процесстер кирет. Алардын натыйжасы алкан туундуларын даярдоо болуп саналат.
Эркин радикалдарды алмаштыруу реакцияларынын механизми негизги үч этапка негизделген:
- Процесс чынжырдын башталышы же ядролук түзүлүшү менен башталат, анын натыйжасында эркин радикалдар пайда болот. Катализаторлор ультрафиолет жарык булагы жана жылуулук болуп саналат.
- Андан кийин чынжыр пайда болуп, анда активдүү бөлүкчөлөрдүн активдүү эмес молекулалар менен удаалаш өз ара аракеттенүүсү ишке ашат. Алар тиешелүүлүгүнө жараша молекулаларга жана радикалдарга айланат.
- Акыркы кадам - чынжырды бузуу. Активдүү бөлүкчөлөрдүн рекомбинацияланышы же жок болушу байкалат. Бул чынжыр реакциясынын өнүгүшүн токтотот.
Галогендөө процесси
Ал радикалдуу типтеги механизмге негизделген. Алкандардын галогендөө реакциясы ультра кызгылт көк нурлануу жана галогендер менен углеводороддор аралашмасын ысытуу аркылуу ишке ашат.
Процесстин бардык этаптары Марковников айткан эрежеге баш ийет. Анда эң оболу эң суутектелген көмүртекке кирген суутек атому галоген менен алмаштырууга дуушар экени айтылат. Галогендөө төмөнкү ырааттуулукта жүрөт: үчүнчү атомдон негизги көмүртекке чейин.
Узун негизги көмүртек чынжырлуу алкан молекулалары үчүн процесс жакшыраак. Бул иондоштуруучу энергиянын бул багытта азайышына байланыштуу, электрон заттан оңой ажырайт.
Мисал катары метан молекуласын хлорлоону айтса болот. Ультрафиолеттун аракети хлордун алканга чабуул жасаган радикалдык бөлүкчөлөргө бөлүнүшүнө алып келет. Атомдук суутектин бөлүнүшү жана H3C· же метил радикалынын пайда болушу бар. Мындай бөлүкчө өз кезегинде молекулалык хлорго чабуул жасап, анын структурасын бузуп, жаңы химиялык реагенттин пайда болушуна алып келет.
Процесстин ар бир этабында бир гана суутек атому алмаштырылат. Алкандардын галогендөө реакциясы акырындык менен хлорметан, дихлорометан, трихлорметан жана төрт хлордуу көмүртек молекулаларынын пайда болушуна алып келет.
Схемалык түрдө процесс мындай көрүнөт:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Метан молекуласын хлорлоодон айырмаланып, мындай процессти башка алкандар менен жүргүзүү суутектин алмашышы бир көмүртек атомунда эмес, бир нече атомдордо жүргөн заттарды алуу менен мүнөздөлөт. Алардын сандык катышы температуралык көрсөткүчтөр менен байланышкан. Суук шарттарда үчүнчү, экинчилик жана биринчилик түзүлүштөгү туундулардын пайда болуу темпинин төмөндөшү байкалат.
Температуранын жогорулашы менен мындай кошулмалардын пайда болуу ылдамдыгы төмөндөйт. Галогендөө процессине статикалык фактор таасир этет, ал радикалдын көмүртек атому менен кагылышуунун башка ыктымалдыгын көрсөтөт.
Йод менен галогендөө процесси кадимки шарттарда жүрбөйт. Өзгөчө шарттарды түзүү зарыл. Метанга бул галоген тийгенде йодид суутек пайда болот. Ага метил йодид таасир этет, натыйжада баштапкы реагенттер: метан жана йод бөлүнүп чыгат. Мындай реакция кайра кайтарылуучу деп эсептелет.
Алкандар үчүн Вюрц реакциясы
Симметриялуу түзүлүштөгү каныккан углеводороддорду алуу ыкмасы. Реагент катары натрий металлы, алкилбромиддер же алкилхлориддер колдонулат. Аталардын өз ара аракеттенүүсү натрий галогендисин жана эки углеводороддун радикалынын суммасы болгон кеңейтилген углеводород чынжырын пайда кылат. Схема боюнча синтез төмөнкүчө: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Алкандар үчүн Вюрц реакциясы алардын молекулаларындагы галогендер негизги көмүртек атомунда болгондо гана мүмкүн болот. Мисалы, CH3−CH2−CH2Br.
Эгерде эки бирикменин галокарбон аралашмасы процесске катышса, анда алардын чынжырларынын конденсацияланышында үч түрдүү продукт пайда болот. Алкандардын мындай реакциясына натрийдин хлорметан жана хлорэтан менен өз ара аракеттенүүсү мисал боло алат. Чыгуу бутан, пропан жана этанды камтыган аралашма.
Натрийден тышкары литий же калийди камтыган башка щелочтуу металлдарды да колдонсо болот.
Сульфохлордоо процесси
Ал Рид реакциясы деп да аталат. Ал эркин радикалдарды алмаштыруу принцибине ылайык жүрөт. Бул алкандардын күкүрт кычкыл газы менен молекулалык хлор аралашмасынын ультракызгылт көк нурлануунун таасирине реакциясынын мүнөздүү түрү.
Процесс хлордан эки радикал алынган чынжыр механизминин башталышы менен башталат. Алардын бири алканга чабуул жасап, натыйжада алкил түрү жана суутек хлоридинин молекуласы пайда болот. Күкүрт диоксиди углеводороддун радикалына кошулуп, татаал бөлүкчө пайда болот. Турукташтыруу үчүн бир хлор атому башка молекуладан кармалат. Акыркы зат алкансульфонилхлорид, ал беттик-активдүү кошулмаларды синтездөөдө колдонулат.
Схемалык түрдө процесс мындай көрүнөт:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Нитрлөө менен байланышкан процесстер
Алкандар азот кислотасы менен 10% эритме түрүндө, ошондой эле газ абалында төрт валенттүү азот оксиди менен реакцияга кирет. Анын агымы үчүн шарттар жогорку температура маанилери (болжол менен 140 ° C) жана төмөнкү басым көрсөткүчтөрү болуп саналат. Нитроалкандар өндүрүштө өндүрүлөт.
Бул эркин радикал процесси нитрлөөнүн синтезин ачкан илимпоз Коноваловдун атынан аталган: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Бөлүү механизми
Алкандар дегидрогендөө жана крекинг реакциялары менен мүнөздөлөт. Метан молекуласы толук термикалык ажыроого учурайт.
Жогорудагы реакциялардын негизги механизми алкандардан атомдорду жок кылуу болуп саналат.
Гидрогендөө процесси
Парафиндердин көмүртек скелетинен суутек атомдору бөлүнгөндө метанды кошпогондо, каныкпаган бирикмелер алынат. Алкандардын мындай химиялык реакциялары жогорку температурада (400дөн 600°Сге чейин) жана платина, никель, хром жана алюминий оксиддери түрүндөгү тездеткичтердин таасири астында жүрөт.
Эгерде пропан же этан молекулалары реакцияга катышса, анда анын продуктылары бир кош байланышы бар пропен же этен болот.
Төрт же беш көмүртектүү скелетти дегидрогендөөдө диенбайланыштар. Бутан бутадиен-1, 3 жана бутадиен-1, 2ден түзүлөт.
Эгер реакцияда 6 же андан көп көмүртек атому бар заттар болсо, анда бензол пайда болот. Анын үч кош байланышы бар жыпар жыттуу өзөгү бар.
Чыруу процесси
Жогорку температуранын шарттарында алкандардын реакциялары көмүртек байланыштарынын үзүлүшү жана радикалдык типтеги активдүү бөлүкчөлөрдүн пайда болушу менен жүрүшү мүмкүн. Мындай процесстер крекинг же пиролиз деп аталат.
Реактивдерди 500 °C ашкан температурага чейин ысытуу алардын молекулаларынын ажыроосуна алып келет, анын жүрүшүндө алкил тибиндеги радикалдардын татаал аралашмалары пайда болот.
Күчтүү ысытууда узун көмүр чынжырлуу алкандардын пиролизин жүргүзүү каныккан жана каныкпаган бирикмелерди алуу менен байланышкан. Бул термикалык крекинг деп аталат. Бул процесс 20-кылымдын ортосуна чейин колдонулган.
Кемчилиги октандык саны аз (65тен көп эмес) болгон углеводороддорду өндүрүү болгон, ошондуктан ал каталитикалык крекинг менен алмаштырылган. Процесс 440 °С төмөн температуралык шарттарда жана 15 атмосферадан төмөн басымда, тармакталган структурага ээ алкандардын бөлүнүп чыгышы менен алюмосиликатты тездеткичтин катышуусунда ишке ашат. Мисалы, метан пиролиз: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Бул реакция учурунда ацетилен жана молекулалык суутек пайда болот.
Метан молекуласы конверсияга дуушар болот. Бул реакция суу жана никель катализаторун талап кылат. Үстүндөчыгаруу көмүртек кычкылы менен суутектин аралашмасы.
Кисденүү процесстери
Алкандарга мүнөздүү химиялык реакциялар электрондордун берилишин камтыйт.
Парафиндердин автокычкылдануусу бар. Ал каныккан углеводороддордун кычкылданышынын эркин радикалдуу механизмин камтыйт. Реакция учурунда алкандардын суюк фазасынан гидропероксиддер алынат. Баштапкы этапта парафин молекуласы кычкылтек менен аракеттенет, натыйжада активдүү радикалдар бөлүнүп чыгат. Андан ары, башка молекула O2 алкил бөлүкчөсү менен өз ара аракеттенип, натыйжада ∙ROO пайда болот. Алкан молекуласы май кислотасынын пероксидинин радикалы менен байланышат, андан кийин гидропероксид бөлүнүп чыгат. Мисал этандын аутоксидациясы:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Алкандар күйүү реакциялары менен мүнөздөлөт, алар отундун курамында аныкталганда негизги химиялык касиеттерге кирет. Алар жылуулук бөлүп чыгаруу менен кычкылдануучу мүнөзгө ээ: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Эгер процессте кычкылтектин аз өлчөмү болсо, анда акыркы продукт көмүр же эки валенттүү көмүртек кычкылы болушу мүмкүн, ал O2 концентрациясы менен аныкталат.
Алкандарды каталитикалык заттардын таасири астында кычкылдандырып, 200°Сге чейин ысытканда спирттин, альдегиддин же молекулалардынкарбон кислотасы.
Этан үлгүсү:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (этанол),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (этанал жана суу), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (этан кислотасы жана суу).
Алкандар үч мүчөлүү циклдик пероксиддердин таасиринде кычкылданышы мүмкүн. Буларга диметилдиоксиран кирет. Парафиндердин кычкылданышынын натыйжасы спирттин молекуласы болуп саналат.
Парафиндердин өкүлдөрү KMnO4 же калий перманганатына, ошондой эле бром суусуна реакция жасашпайт.
Изомерлөө
Алкандарда реакциянын түрү электрофилдик механизм менен алмаштыруу менен мүнөздөлөт. Бул көмүртек чынжырынын изомеризациясын камтыйт. Бул процесс каныккан парафин менен өз ара аракеттенүүчү алюминий хлориди менен катализделет. Мисал 2-метилпропанга айланган бутан молекуласынын изомеризациясы: C4H10 → C3 H 7CH3.
Жыттар процесси
Негизги көмүртек чынжырында алты же андан көп көмүртек атому бар каныккандар дегидроциклизацияга жөндөмдүү. Мындай реакция кыска молекулалар үчүн мүнөздүү эмес. Натыйжада ар дайым циклогексан жана анын туундулары түрүндөгү алты мүчөлүү шакек болот.
Реакцияны тездеткичтердин катышуусунда андан ары дегидрогенизация жүрөт жанабир кыйла туруктуу бензол шакекчеге айлануу. Ациклдүү углеводороддор ароматтык бирикмелерге же арендерге айланат. Мисал катары гександын дегидроциклизациясы келтирилген:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (циклогексан), C6H12 → C6H6+ 3H2 (бензол).
