Každá třída chemických sloučenin je schopna vykazovat vlastnosti díky své elektronické struktuře. Alkany se vyznačují substitučními, eliminačními nebo oxidačními reakcemi molekul. Všechny chemické procesy mají své vlastní charakteristiky toku, které budou dále diskutovány.
Co jsou alkany
Jedná se o nasycené uhlovodíkové sloučeniny zvané parafíny. Jejich molekuly se skládají pouze z atomů uhlíku a vodíku, mají lineární nebo rozvětvený acyklický řetězec, ve kterém jsou pouze jednotlivé sloučeniny. Vzhledem k vlastnostem třídy je možné vypočítat, které reakce jsou charakteristické pro alkany. Dodržují vzorec pro celou třídu: H2n+2C.
Chemická struktura
Molekula parafínu obsahuje atomy uhlíku vykazující sp3-hybridizaci. Mají všechny čtyři valenční orbitaly mají stejný tvar, energii a směr v prostoru. Velikost úhlu mezi energetickými hladinami je 109° a 28'.
Přítomnost jednoduchých vazeb v molekulách určuje, které reakcecharakteristické pro alkany. Obsahují σ-sloučeniny. Vazba mezi uhlíky je nepolární a slabě polarizovatelná a je o něco delší než v C−H. Dochází také k posunu elektronové hustoty k atomu uhlíku, jako nejvíce elektronegativnímu. V důsledku toho se sloučenina C−H vyznačuje nízkou polaritou.
Substituční reakce
Látky třídy parafínů mají slabou chemickou aktivitu. To lze vysvětlit silou vazeb mezi C–C a C–H, které je obtížné přerušit kvůli nepolaritě. Jejich destrukce je založena na homolytickém mechanismu, na kterém se podílejí volné radikály. Proto se alkany vyznačují substitučními reakcemi. Takové látky nejsou schopny interagovat s molekulami vody nebo ionty přenášejícími náboj.
Zahrnují substituci volnými radikály, při kterých jsou atomy vodíku nahrazeny halogenovými prvky nebo jinými aktivními skupinami. Tyto reakce zahrnují procesy spojené s halogenací, sulfochlorací a nitrací. Jejich výsledkem je příprava alkanových derivátů.
Mechanismus substitučních reakcí volných radikálů je založen na hlavních třech fázích:
- Proces začíná iniciací nebo nukleací řetězce, v důsledku čehož se tvoří volné radikály. Katalyzátory jsou zdroje ultrafialového světla a tepla.
- Poté se vyvine řetězec, ve kterém dochází k postupným interakcím aktivních částic s neaktivními molekulami. Jsou přeměněny na molekuly a radikály.
- Posledním krokem je přerušit řetěz. Je pozorována rekombinace nebo vymizení aktivních částic. Tím se zastaví vývoj řetězové reakce.
Proces halogenace
Je založen na mechanismu radikálního typu. Halogenační reakce alkanů probíhá ultrafialovým ozařováním a zahříváním směsi halogenů a uhlovodíků.
Všechny fáze procesu podléhají pravidlu stanovenému Markovnikovem. Uvádí, že za prvé atom vodíku, který patří k nejvíce hydrogenovanému uhlíku, je nahrazen halogenem. Halogenace probíhá v následujícím pořadí: od terciárního atomu k primárnímu uhlíku.
Tento proces je lepší pro molekuly alkanů s dlouhým hlavním uhlíkovým řetězcem. To je způsobeno poklesem ionizační energie v tomto směru, elektron se snadněji oddělí od látky.
Příkladem je chlorace molekuly metanu. Působení ultrafialového záření vede k štěpení chlóru na radikálové částice, které napadají alkan. Dochází k oddělování atomárního vodíku a tvorbě H3C· neboli methylového radikálu. Taková částice zase napadá molekulární chlór, což vede k destrukci její struktury a tvorbě nového chemického činidla.
V každé fázi procesu je nahrazen pouze jeden atom vodíku. Halogenační reakce alkanů vede k postupné tvorbě molekul chlormethanu, dichlormethanu, trichlormethanu a tetrachlormethanu.
Schematicky proces vypadá takto:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Na rozdíl od chlorace molekuly methanu je provádění takového procesu s jinými alkany charakterizováno získáním látek, ve kterých k náhradě vodíku nedochází na jednom atomu uhlíku, ale na několika atomech uhlíku. Jejich kvantitativní poměr je spojen s teplotními ukazateli. V chladných podmínkách dochází ke snížení rychlosti tvorby derivátů s terciární, sekundární a primární strukturou.
Se zvýšením teploty se rychlost tvorby takových sloučenin vyrovnává. Halogenační proces je ovlivněn statickým faktorem, který indikuje odlišnou pravděpodobnost srážky radikálu s atomem uhlíku.
Proces halogenace jódem za normálních podmínek neprobíhá. Je nutné vytvořit speciální podmínky. Když je metan vystaven tomuto halogenu, vzniká jodovodík. Je ovlivněn methyljodidem, v důsledku čehož se uvolňují počáteční činidla: metan a jód. Taková reakce je považována za vratnou.
Wurtzova reakce pro alkany
Je metoda získávání nasycených uhlovodíků se symetrickou strukturou. Jako reakční složky se používá kovový sodík, alkylbromidy nebo alkylchloridy. Vjejich vzájemným působením vzniká halogenid sodný a prodloužený uhlovodíkový řetězec, který je součtem dvou uhlovodíkových radikálů. Schématicky je syntéza následující: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Wurtzova reakce pro alkany je možná pouze tehdy, pokud jsou halogeny v jejich molekulách na primárním atomu uhlíku. Například CH3−CH2−CH2Br.
Pokud je v procesu zahrnuta směs dvou sloučenin halogenovaných uhlovodíků, pak během kondenzace jejich řetězců vznikají tři různé produkty. Příkladem takové reakce alkanů je interakce sodíku s chlormethanem a chlorethanem. Výstupem je směs obsahující butan, propan a ethan.
Kromě sodíku lze použít další alkalické kovy, mezi které patří lithium nebo draslík.
Proces sulfochlorace
Nazývá se také Reedova reakce. Postupuje se podle principu substituce volnými radikály. Jedná se o charakteristický typ reakce alkanů na působení směsi oxidu siřičitého a molekulárního chloru za přítomnosti ultrafialového záření.
Proces začíná iniciací řetězového mechanismu, ve kterém se z chloru získávají dva radikály. Jeden z nich útočí na alkan, což má za následek alkylové druhy a molekulu chlorovodíku. Oxid siřičitý je navázán na uhlovodíkový radikál za vzniku komplexní částice. Pro stabilizaci je jeden atom chloru zachycen z jiné molekuly. Konečnou látkou je alkansulfonylchlorid, používá se při syntéze povrchově aktivních sloučenin.
Schematicky proces vypadá takto:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesy související s nitrací
Alkany reagují s kyselinou dusičnou ve formě 10% roztoku a také s čtyřmocným oxidem dusíku v plynném stavu. Podmínky pro jeho proudění jsou vysoké hodnoty teploty (asi 140 °C) a indikátory nízkého tlaku. Na výstupu jsou produkovány nitroalkany.
Tento proces volných radikálů byl pojmenován po vědci Konovalovovi, který objevil syntézu nitrace: CH4 + HNO3 → CH 3NE2 + H2O.
Mechanismus štěpení
Alkany se vyznačují dehydrogenačními a krakovacími reakcemi. Molekula metanu prochází kompletním tepelným rozkladem.
Hlavním mechanismem výše uvedených reakcí je eliminace atomů z alkanů.
Dehydrogenační proces
Když jsou atomy vodíku odděleny od uhlíkové kostry parafinů, s výjimkou metanu, vznikají nenasycené sloučeniny. Takové chemické reakce alkanů probíhají za vysokých teplot (od 400 do 600 °C) a pod vlivem urychlovačů ve formě oxidů platiny, niklu, chrómu a hliníku.
Pokud se reakce účastní molekuly propanu nebo ethanu, pak jejich produkty budou propen nebo ethen s jednou dvojnou vazbou.
Při dehydrogenaci čtyř nebo pěti uhlíkové kostry, dienuspojení. Butan vzniká z butadienu-1, 3 a butadienu-1, 2.
Pokud jsou v reakci přítomny látky se 6 nebo více atomy uhlíku, vzniká benzen. Má aromatické jádro se třemi dvojnými vazbami.
Proces rozkladu
V podmínkách vysoké teploty mohou probíhat reakce alkanů s porušením uhlíkových vazeb a tvorbou aktivních částic radikálového typu. Takové procesy se nazývají krakování nebo pyrolýza.
Zahřívání reaktantů na teploty přesahující 500 °C vede k rozkladu jejich molekul, při kterém vznikají složité směsi radikálů alkylového typu.
Provádění pyrolýzy alkanů s dlouhými uhlíkovými řetězci za silného zahřívání je spojeno se získáváním nasycených a nenasycených sloučenin. Říká se tomu tepelné krakování. Tento proces se používal až do poloviny 20. století.
Nevýhodou byla výroba uhlovodíků s nízkým oktanovým číslem (ne vyšším než 65), proto byla nahrazena katalytickým krakováním. Proces probíhá za teplotních podmínek, které jsou pod 440 °C a tlaků pod 15 atmosfér, v přítomnosti aluminosilikátového urychlovače s uvolňováním alkanů s rozvětvenou strukturou. Příkladem je pyrolýza metanu: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Během této reakce se tvoří acetylen a molekulární vodík.
Molekula metanu může projít konverzí. Tato reakce vyžaduje vodu a niklový katalyzátor. Navýstupem je směs oxidu uhelnatého a vodíku.
Oxidační procesy
Chemické reakce charakteristické pro alkany zahrnují darování elektronů.
Dochází k autooxidaci parafinů. Zahrnuje mechanismus volných radikálů pro oxidaci nasycených uhlovodíků. Během reakce se z kapalné fáze alkanů získávají hydroperoxidy. V počáteční fázi molekula parafínu interaguje s kyslíkem, v důsledku čehož se uvolňují aktivní radikály. Dále další molekula O2 interaguje s alkylovou částicí, což má za následek ∙ROO. Molekula alkanu se dostane do kontaktu s radikálem peroxidu mastné kyseliny, načež se hydroperoxid uvolní. Příkladem je autooxidace etanu:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkany se vyznačují spalovacími reakcemi, které patří mezi hlavní chemické vlastnosti, pokud jsou určovány ve složení paliva. Mají oxidační charakter s uvolňováním tepla: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Pokud je v procesu malé množství kyslíku, může být konečným produktem uhlí nebo oxid uhličitý, což je určeno koncentrací O2.
Při oxidaci alkanů pod vlivem katalytických látek a zahřátí na 200 °C se molekuly alkoholu, aldehydu popř.karboxylová kyselina.
Příklad ethanu:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (ethanal a voda), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (kyselina ethanová a voda).
Alkany mohou být oxidovány, když jsou vystaveny tříčlenným cyklickým peroxidům. Patří mezi ně dimethyldioxiran. Výsledkem oxidace parafinů je molekula alkoholu.
Zástupci parafinů nereagují na KMnO4 ani na manganistan draselný ani na bromovou vodu.
Izomerizace
Na alkanech je typ reakce charakterizován substitucí elektrofilním mechanismem. To zahrnuje izomeraci uhlíkového řetězce. Tento proces je katalyzován chloridem hlinitým, který interaguje s nasyceným parafinem. Příkladem je izomerizace molekuly butanu, ze které se stane 2-methylpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proces vůně
Nasycené látky se šesti nebo více atomy uhlíku v hlavním uhlíkovém řetězci jsou schopné dehydrocyklizace. Taková reakce není typická pro krátké molekuly. Výsledkem je vždy šestičlenný kruh ve formě cyklohexanu a jeho derivátů.
V přítomnosti urychlovačů reakce probíhá další dehydrogenace apřeměna na stabilnější benzenový kruh. Acyklické uhlovodíky se přeměňují na aromatické sloučeniny nebo areny. Příkladem je dehydrocyklizace hexanu:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyklohexan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
