Mỗi lớp hợp chất hóa học có khả năng thể hiện các đặc tính do cấu trúc điện tử của chúng. Các ankan được đặc trưng bởi các phản ứng thay thế, khử hoặc oxi hóa các phân tử. Tất cả các quá trình hóa học đều có đặc điểm riêng của dòng chảy, điều này sẽ được thảo luận thêm.
ankan là gì
Đây là các hợp chất hydrocacbon no được gọi là parafin. Phân tử của chúng chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon và hydro, có một chuỗi mạch thẳng hoặc mạch nhánh, trong đó chỉ có các hợp chất đơn lẻ. Nêu đặc điểm của lớp, có thể tính được phản ứng nào là đặc trưng của ankan. Họ tuân theo công thức toàn lớp: H2n + 2C.
Cấu trúc hóa học
Phân tử parafin bao gồm các nguyên tử cacbon thể hiện sp3-hybridization. Chúng có tất cả bốn obitan hóa trị có hình dạng, năng lượng và hướng giống nhau trong không gian. Kích thước của góc giữa các mức năng lượng là 109 ° và 28 '.
Sự hiện diện của các liên kết đơn trong phân tử quyết định phản ứng nàođặc trưng của ankan. Chúng chứa các hợp chất σ. Liên kết giữa các cacbon là không phân cực và phân cực yếu, và dài hơn một chút so với trong C-H. Cũng có sự chuyển dịch mật độ electron đối với nguyên tử cacbon, vì nó có độ âm điện lớn nhất. Kết quả là, hợp chất C-H được đặc trưng bởi độ phân cực thấp.
Phản ứng thay thế
Các chất thuộc lớp parafin có hoạt tính hóa học yếu. Điều này có thể được giải thích bởi độ bền của các liên kết giữa C – C và C – H, rất khó bị phá vỡ do tính không phân cực. Sự phá hủy của chúng dựa trên cơ chế đồng phân, trong đó các gốc tự do tham gia. Đó là lý do tại sao ankan được đặc trưng bởi phản ứng thay thế. Những chất như vậy không thể tương tác với các phân tử nước hoặc các ion mang điện.
Chúng bao gồm sự thay thế gốc tự do, trong đó các nguyên tử hydro được thay thế bằng các nguyên tố halogen hoặc các nhóm hoạt động khác. Các phản ứng này bao gồm các quá trình liên quan đến halogen hóa, sulfo hóa và nitrat hóa. Kết quả của họ là điều chế các dẫn xuất ankan.
Cơ chế của phản ứng thay thế gốc tự do dựa trên ba giai đoạn chính:
- Quá trình này bắt đầu với sự bắt đầu hoặc tạo mầm của một chuỗi, do đó các gốc tự do được hình thành. Các chất xúc tác là nguồn ánh sáng cực tím và nhiệt.
- Sau đó, một chuỗi phát triển, trong đó diễn ra các tương tác liên tiếp của các hạt hoạt động với các phân tử không hoạt động. Chúng được chuyển đổi tương ứng thành phân tử và gốc.
- Bước cuối cùng là phá vỡ dây chuyền. Sự tái hợp hoặc biến mất của các hạt hoạt động được quan sát. Điều này ngăn chặn sự phát triển của một phản ứng dây chuyền.
Quá trình halogen hóa
Nó dựa trên cơ chế của loại triệt để. Phản ứng halogen hóa của ankan diễn ra bằng cách chiếu tia cực tím và đun nóng hỗn hợp halogen và hiđrocacbon.
Tất cả các giai đoạn của quy trình đều tuân theo quy tắc do Markovnikov nêu. Nó nói rằng, trước hết, nguyên tử hydro, thuộc về cacbon bị hyđro hóa nhiều nhất, bị thay thế bởi một halogen. Quá trình halogen hóa diễn ra theo trình tự sau: từ nguyên tử bậc ba đến cacbon chính.
Quá trình này tốt hơn cho các phân tử ankan có mạch cacbon chính dài. Điều này là do sự giảm năng lượng ion hóa theo hướng này, một điện tử dễ dàng tách ra khỏi chất hơn.
Một ví dụ là quá trình clo hóa phân tử metan. Tác động của tia cực tím dẫn đến sự phân tách clo thành các phần tử gốc tấn công ankan. Có sự tách hydro nguyên tử và sự hình thành H3C · hoặc một gốc metyl. Đến lượt nó, một hạt như vậy sẽ tấn công clo phân tử, dẫn đến phá hủy cấu trúc của nó và hình thành một chất phản ứng hóa học mới.
Chỉ một nguyên tử hydro được thay thế ở mỗi giai đoạn của quá trình. Phản ứng halogen hóa của ankan dẫn đến sự hình thành dần dần các phân tử clometan, diclometan, triclometan và cacbon tetraclorua.
Về sơ đồ, quy trình trông như thế này:
H4C + Cl: Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl: Cl → H2CCl2+ HCl, H2CCl2+ Cl: Cl → HCCl3+ HCl, HCCl3+ Cl: Cl → CCl4+ HCl.
Không giống như quá trình clo hóa phân tử metan, việc thực hiện quá trình như vậy với các ankan khác có đặc điểm là thu được các chất trong đó sự thay thế hydro không xảy ra ở một nguyên tử cacbon mà ở một số nguyên tử. Tỷ lệ định lượng của chúng gắn liền với các chỉ số nhiệt độ. Trong điều kiện lạnh, có sự giảm tốc độ hình thành các dẫn xuất có cấu trúc bậc ba, bậc hai và cấu trúc sơ cấp.
Với sự gia tăng nhiệt độ, tốc độ hình thành các hợp chất như vậy sẽ giảm xuống. Quá trình halogen hóa bị ảnh hưởng bởi yếu tố tĩnh, cho biết một xác suất khác nhau của một gốc va chạm với một nguyên tử cacbon.
Quá trình halogen hóa với iốt không tiến hành trong điều kiện bình thường. Nó là cần thiết để tạo ra các điều kiện đặc biệt. Khi metan tiếp xúc với halogen này, hydro iodua được hình thành. Nó bị ảnh hưởng bởi metyl iodua, kết quả là các thuốc thử ban đầu được giải phóng: metan và iot. Phản ứng như vậy được coi là có thể đảo ngược.
Phản ứng wurtz đối với ankan
Là phương pháp thu được các hiđrocacbon no, có cấu tạo đối xứng. Kim loại natri, alkyl bromua hoặc alkyl clorua được sử dụng làm chất phản ứng. Tạisự tương tác của chúng tạo ra natri halogenua và một chuỗi hiđrocacbon kéo dài, là tổng của hai gốc hiđrocacbon. Sơ đồ tổng hợp như sau: R − Cl + Cl − R + 2Na → R − R + 2NaCl.
Phản ứng Wurtz đối với ankan chỉ có thể thực hiện được nếu các halogen trong phân tử của chúng ở nguyên tử cacbon chính. Ví dụ: CH3−CH2−CH2Br.
Nếu một hỗn hợp halocarbon của hai hợp chất tham gia vào quá trình này, thì ba sản phẩm khác nhau được hình thành trong quá trình ngưng tụ của chuỗi của chúng. Một ví dụ về phản ứng như vậy của ankan là tương tác của natri với clometan và cloroetan. Đầu ra là một hỗn hợp có chứa butan, propan và etan.
Ngoài natri, các kim loại kiềm khác có thể được sử dụng, bao gồm lithium hoặc kali.
Quy trình sulfo hóa
Nó còn được gọi là phản ứng Reed. Nó tiến hành theo nguyên tắc thay thế gốc tự do. Đây là một loại phản ứng đặc trưng của ankan với tác dụng của hỗn hợp lưu huỳnh đioxit và clo phân tử trong điều kiện có bức xạ tử ngoại.
Quá trình này bắt đầu với sự khởi đầu của một cơ chế dây chuyền, trong đó hai gốc thu được từ clo. Một trong số chúng tấn công ankan, tạo ra một loại ankyl và một phân tử hydro clorua. Lưu huỳnh đioxit được gắn vào gốc hiđrocacbon để tạo thành một hạt phức tạp. Để ổn định, một nguyên tử clo được bắt từ một phân tử khác. Chất cuối cùng là alkan sulfonyl clorua, nó được sử dụng trong quá trình tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt.
Về sơ đồ, quy trình trông như thế này:
ClCl → hv∙ Cl + ∙ Cl, HR + ∙ Cl → R ∙ + HCl, R ∙ + OSO → ∙ RSO2, ∙ RSO2+ ClCl → RSO2Cl + ∙ Cl.
Quy trình liên quan đến nitrat hóa
Các ankan phản ứng với axit nitric ở dạng dung dịch 10%, cũng như với oxit nitơ hóa trị 4 ở trạng thái khí. Các điều kiện cho dòng chảy của nó là các giá trị nhiệt độ cao (khoảng 140 ° C) và các chỉ số áp suất thấp. Nitroalkanes được tạo ra ở đầu ra.
Quá trình tạo gốc tự do này được đặt theo tên của nhà khoa học Konovalov, người đã khám phá ra quá trình tổng hợp nitrat hóa: CH4+ HNO3→ CH3KHÔNG2+ H2O.
Cơ chế phân cắt
ankan được đặc trưng bởi phản ứng khử hydro và crackinh. Phân tử metan trải qua quá trình phân hủy nhiệt hoàn toàn.
Cơ chế chính của các phản ứng trên là khử các nguyên tử khỏi ankan.
Quy trình khử hydro
Khi các nguyên tử hydro được tách ra khỏi khung carbon của parafin, ngoại trừ metan, sẽ thu được các hợp chất không bão hòa. Các phản ứng hóa học như vậy của ankan diễn ra ở nhiệt độ cao (từ 400 đến 600 ° C) và dưới ảnh hưởng của máy gia tốc ở dạng bạch kim, niken, crom và oxit nhôm.
Nếu các phân tử propan hoặc etan tham gia phản ứng, thì sản phẩm của nó sẽ là propen hoặc etilen với một liên kết đôi.
Khi khử hydro một khung carbon bốn hoặc năm, dienekết nối. Butan được hình thành từ butadiene-1, 3 và butadiene-1, 2.
Nếu chất có từ 6 nguyên tử cacbon trở lên tham gia phản ứng thì benzen được tạo thành. Nó có một lõi thơm với ba liên kết đôi.
Quá trình phân hủy
Trong điều kiện nhiệt độ cao, các phản ứng của ankan có thể xảy ra với sự phá vỡ các liên kết cacbon và hình thành các hạt hoạt động thuộc loại gốc. Các quá trình như vậy được gọi là quá trình crackinh hoặc nhiệt phân.
Đun nóng các chất phản ứng đến nhiệt độ vượt quá 500 ° C dẫn đến sự phân hủy các phân tử của chúng, trong đó các hỗn hợp phức tạp của các gốc loại alkyl được hình thành.
Thực hiện nhiệt phân ankan có mạch cacbon dài dưới đun nóng mạnh thu được hợp chất no và không no. Nó được gọi là nứt nhiệt. Quy trình này được sử dụng cho đến giữa thế kỷ 20.
Nhược điểm là tạo ra các hydrocacbon có trị số octan thấp (không quá 65), vì vậy nó được thay thế bằng phương pháp cracking xúc tác. Quá trình này diễn ra trong điều kiện nhiệt độ dưới 440 ° C và áp suất dưới 15 atm, với sự có mặt của máy gia tốc aluminosilicat với sự giải phóng ankan có cấu trúc phân nhánh. Một ví dụ là nhiệt phân metan: 2CH4→t°C2 H2+ 3H2. Trong phản ứng này, axetylen và hiđro phân tử được tạo thành.
Phân tử mêtan có thể trải qua quá trình chuyển đổi. Phản ứng này cần nước và chất xúc tác niken. Trênđầu ra là hỗn hợp carbon monoxide và hydro.
Quá trình oxy hóa
Các phản ứng hóa học đặc trưng của ankan liên quan đến sự nhường electron.
Có quá trình oxy hóa parafin tự động. Nó liên quan đến cơ chế gốc tự do cho quá trình oxy hóa các hydrocacbon no. Trong quá trình phản ứng, hydroperoxit thu được từ pha lỏng của ankan. Ở giai đoạn đầu, phân tử parafin tương tác với oxy, kết quả là các gốc hoạt động được giải phóng. Hơn nữa, một phân tử khác O2tương tác với hạt alkyl, dẫn đến ∙ ROO. Một phân tử ankan tiếp xúc với gốc peroxit của axit béo, sau đó hydroperoxit được giải phóng. Một ví dụ là quá trình tự oxy hóa etan:
C2H6+ O2→ ∙ C2H5+ HOO ∙, ∙ C2H5+ O2→ ∙ OOC2H5, ∙ OOC2H5+ C2H6→ HOOC2H5+ ∙ C2H5.
ankan được đặc trưng bởi phản ứng cháy, là một trong những tính chất hóa học chính khi chúng được xác định trong thành phần của nhiên liệu. Chúng có tính oxi hóa và tỏa nhiệt: 2C2H6+ 7O2→ 4CO2+ 6H2O.
Nếu có một lượng nhỏ oxy trong quá trình này, thì sản phẩm cuối cùng có thể là than hoặc cacbon oxit hóa trị hai, được xác định bởi nồng độ của O2.
Khi ankan bị oxi hóa dưới tác dụng của chất xúc tác và đun nóng đến 200 ° C, các phân tử rượu, andehit hoặcaxit cacboxylic.
Ví dụ về etan:
C2H6+ O2→ C2 H5OH (etanol),
C2H6+ O2→ CH3CHO + H2O (etanal và nước), 2C2H6+ 3O2→ 2CH3COOH + 2H2O (axit ethanoic và nước).
ankan có thể bị ôxy hóa khi tiếp xúc với peroxit mạch vòng ba thành phần. Chúng bao gồm dimethyldioxirane. Kết quả của quá trình oxy hóa parafin là một phân tử rượu.
Các đại diện của parafin không phản ứng với KMnO4hoặc thuốc tím, cũng như với nước brom.
Isome hóa
Đối với ankan, loại phản ứng có đặc điểm là phản ứng thế theo cơ chế electron. Điều này bao gồm quá trình đồng phân hóa chuỗi cacbon. Quá trình này được xúc tác bởi nhôm clorua, tương tác với parafin bão hòa. Một ví dụ là sự đồng phân hóa phân tử butan, phân tử này trở thành 2-metylpropan: C4H10→ C3H 7CH3.
Quy trình làm thơm
Các chất bão hòa có từ sáu nguyên tử carbon trở lên trong chuỗi carbon chính có khả năng khử hydrocyclization. Một phản ứng như vậy không phải là điển hình cho các phân tử ngắn. Kết quả luôn là một vòng sáu cạnh ở dạng xyclohexan và các dẫn xuất của nó.
Khi có mặt của máy gia tốc phản ứng, quá trình khử hydro tiếp tục diễn ra vàchuyển hóa thành vòng benzen bền hơn. Các hydrocacbon mạch hở được chuyển thành các hợp chất thơm hoặc các isnes. Một ví dụ là quá trình dehydrocyclization của hexan:
H3C − CH2- CH2- CH2- CH2−CH3→ C6H12(cyclohexane), C6H12→ C6H6 + 3H2(benzen).
