Химические свойства алканов

Предельные углеводороды при обычных условиях химически инертны. Это объясняется большой прочностью неполярных и малополярных σ-связей С−С и С−Н. Алканы не вступают в реакции присоединения, при умеренных температурах не взаимодействуют с сильными окислителями. При сравнительно низких температурах протекает лишь небольшое число реакций замещения, при которых происходит замена атомов водорода на другие атомы и группы.

1.3.1. Реакция галогенирования

Смесь простого алкана (метана, этана, пропана) и хлора может существовать без следов взаимодействия при комнатной температуре в темноте. Однако облучение такой смеси ультрафиолетовым светом или нагревание до 300^о приводит к бурной экзотермической реакции с образованием галогенозамещенных углеводородов (галогеналканов) по уравнению:

RH + X₂ RX + HX (Х: Сl, Br; R: алкил)

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl

метан хлорметан

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму, который включает следующие стадии:

1. Инициирование. Процесс начинается с поглощения молекулярным хлором кванта УФ-света и распада на два радикала:

Сl : Cl 2 Cl ·

2. Рост цепи. Образовавшийся атом хлора может оторвать атом водорода от молекулы метана с получением метильного радикала и хлористого водорода:

CH₄ + Cl · CH₃ · + НCl

Свободный метильный радикал может дальше оторвать атом хлора от молекулы хлора и образовать хлористый метил и новый атом хлора:

CH₃ · + Cl₂ CH₃Cl + Cl ·

Реакции такого типа называются цепными, поскольку один атом хлора может инициировать хлорирование бесконечного числа молекул метана.

3. Обрыв цепи. На практике протекание процесса галогенирования ограничивается обрывом цепи, при которых два радикала реагируют друг с другом:

CH₃ · + Cl · CH₃Cl

Cl · + Cl · Cl₂

В этой реакции образуются не только монозамещенные, но и ди-, три- и тетразамещенные производные метана:

CH₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ (дихлорметан, хлористый метилен)

СH₂Cl₂ + Cl₂ CHCl₃ (трихлорметан, хлороформ)

CHCl₃ + Cl₂ CCl₄ (тетрахлорметан, четыреххлористый углерод)

При хлорировании разветвленных алканов следует иметь в виду, что замещение атомов водорода при различных углеродных атомах протекает неодинаково. В первую очередь замещается водород при третичных атомах углерода, затем при вторичных, и в последнюю очередь замещается водород при первичных атомах углерода. В итоге, как правило, получается смесь продуктов галогенирования.

Сl

_hν |

СH₃−CH−CH₂−CH₃ + Сl₂ СH₃−C−CH₂−CH₃ +

| |

CH₃ CH₃

2-метилбутан 2-метил-2-хлорбутан

Сl

|

+ СH₃−CН−CH−CH₃ + СlСH₂−CH−CH₂−CH₃ + СH₃−CН−CH₂−CH₂Сl

| | |

СН₃ СН₃ СН₃

2-метил-3-хлорбутан 2-метил-1-хлорбутан 3-метил-1-хлорбутан

1.3.2. Нитрование алканов (реакция Коновалова)

Протекает по свободнорадикальному механизму в условиях высокой температуры, которая способствует распаду молекул азотной кислоты на активные частицы.

t > 450

RH + HNO₃ RNO₂ + H₂O

По аналогии с хлорированием процесс нитрования включает следующие стадии:

t

a) HO : NO₂ HO · + · NO₂

б) RH + · OH R · + H₂O

в) R · + · NO₂ RNO₂

г) R · + HONO₂ RNO₂ + · OH и т. д.

CH₃−CH₃ + HNO₃ CH₃−CH₂ −NO₂

этан нитроэтан

При нитровании этана и высших алканов образуются только мононитропроизводные.

При высоких температурах протекают реакции с разрывом как С−Н, так и С−С – связей: горение, дегидрирование, крекинг, изомеризация.

1.3.3. Горение алканов

Алканы горят на воздухе с выделением большого количества тепла:

2 C₂H₆ + 7 O₂ 4 CO₂ + 6 H₂O

1.3.4. Реакции дегидрирования

При сильном нагревании (выше 1000 ºС) разлагаются на простые вещества:

CH₄ C + 2 H₂

Если метан нагреть до более высокой температуры (1500 ºС), то образуется ацетилен:

2 CH₄ H−C≡C−H + 3 H₂

Эта реакция имеет большое практическое значение, так как открывает путь к синтезу многих органических соединений.

Под действием катализаторов и при высокой температуре алканы отщепляют водород и превращаются в непредельные углеводороды:

Cr₂O₃, t

CH₃−CH₃ CH₂=CH₂ + Н₂

этан этилен

1.3.4. Крекинг алканов

Пиролиз или крекинг алканов при высоких температурах и давлениях без доступа воздуха приводит к расщеплению молекул:

C₈H₁₈ C₄H₁₀ + C₄H₈

октан бутан бутен

Дата добавления: 2014-01-07