Хімічні властивості алканів і циклоалканів

Алкани – нециклічні вуглеводні. Атоми вуглецю в даних сполуках мають sp3-гібридизацію. У молекулах даних вуглеводнях все атоми вуглецю зв’язані тільки одинарними неполярними і малополярні С-С зв’язками. Перекриття орбіталей відбувається по осі, що з’єднує ядра атомів. Це σ-зв’язку. Дані органічні сполуки містять максимальну кількість атомів водню, тому їх називають граничними (насиченими). З – за насиченістю, алкани не здатні вступати в реакції приєднання. Оскільки атоми вуглецю і водню мають схожі електронегативності, даний фактор призводить до того, що зв’язки С-Н в їх молекулах малополярні. З – за цього, для алканів притаманні реакції, що проходять за участю вільних радикалів.

1. Реакції заміщення. Як було сказано, це найбільш характерні для алканів реакції. У таких реакціях відбувається розрив зв’язків вуглець-водень. Розглянемо деякі види реакцій заміщення:

Галогенування. Алкани реагують з галогенами (хлором і бромом) при впливі ультрафіолетового світла або сильному нагріванні. Наприклад: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl. При надмірному вмісті галогену реакція триває до утворення суміші галогенопохідних різного ступеня заміщення атомів водню: моно-, ди- три- і т.д. Наприклад, реакція освіти дихлорметана (хлористого метилена): CH3Cl + Cl2 → HCl + CH2Cl2.

Нітрування (реакція Коновалова). При нагріванні і тиску алкани реагують з розведеною азотною кислотою. Згодом атом водню заміщується на нітрогрупу NO2 і утворюється нітроалкан. Загальний вигляд даної реакції: R-H + HO-NO2 → R-NO2 + H2O. Де R-H – алкан, R-NO2 – нітроалкан.

2. Реакції окислення. У звичайних умовах алкани не реагують з сильними окислювачами (конц. Сірчаної та азотної кислотами, перманганатом калію КMnО4 і дихроматом калію К2Cr2О7).

Для отримання енергії широко застосовуються реакції горіння алканів:
а) При повному згорянні при надлишку кисню утворюються вуглекислий газ і вода: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
б) Часткове згоряння при нестачі кисню: CH4 + O2 → C + 2H2O. Ця реакція використовується в промисловості для отримання сажі.

Нагрівання алканів з киснем (~ 200оС) з використанням каталізаторів призводить до розриву частини зв’язків С-С і С-Н. В результаті утворюються альдегіди, кетони, спирти, карбонові кислоти. Наприклад, при неповному окисленні бутану одержують оцтову кислоту: CH3-CH2 – / – CH2-CH3 + 3O2 → 2CH3СООН + 2Н2О.

Важливе значення має реакція метану і водяної пари з утворенням суміші газів оксиду вуглецю (II) з воднем. Протікає при t 8000C: CH4 + Н2О → 3Н2 + СО. Дана реакція також дозволяє отримати різні вуглеводні.

3. Термічні перетворення алканів. Нагрівання алканів без доступу повітря до високих t призводить до розриву зв’язку С-С. До даного типу реакцій належать крекінг і ізомеризація, використовувані для переробки нафти. Також до даних реакцій відноситься дегидрирование, необхідне для отримання алкенів, алкадиенов і ароматичних вуглеводнів.

Результатом крекінгу стає розрив вуглецевого скелета молекул алканів. Загальний вигляд крекінгу алканів при t 450-7000C: CnH2n + 2 → Cn-kH2 (n-k) +2 + CkH2k. При нагріванні до 10000С метан розкладається до простих речовин: CH4 → З + 2Н2. Дана реакція називається піролізом метану. При нагріванні метану до 15000С утворюється ацетилен: 2CH4 → C2H2 + 3Н2.

Ізомеризація. Якщо при крекінгу використовувати каталізатор хлорид алюмінію алкани з нормальною ланцюгом перетворюються в алкани з розгалуженим ланцюгом:

Дегидрирование, тобто відщеплення водню відбувається в присутності каталізаторів і при t 400-6000С. В результаті зв’язок СН розривається, утворюється алкен: CH3-CH3 → CH2 = CH2 + H2 або алкадіени: CH3-CH2-CH2-CH3 → СН2 = СН-СН = СН2 + 2H2.

Хімічні властивості циклоалканів з числом атомів вуглецю в циклах більше чотирьох практично схожі з властивостями алканів. Однак для циклопропана і циклобутану характерні реакції приєднання. Це пояснюється великою напругою всередині циклу, яке призводить до прагненні циклів до розриву і розкриттю. Так циклопропан і циклобутану легко приєднують бром, водень або хлороводень.

Посилання на основну публікацію