Cada classe de compostos químics és capaç d'exhibir propietats a causa de la seva estructura electrònica. Els alcans es caracteritzen per reaccions de substitució, eliminació o oxidació de molècules. Tots els processos químics tenen les seves pròpies característiques del flux, que es tractaran més endavant.
Què són els alcans
Són compostos d'hidrocarburs saturats anomenats parafines. Les seves molècules consisteixen només en àtoms de carboni i hidrogen, tenen una cadena acíclica lineal o ramificada, en la qual només hi ha compostos únics. Tenint en compte les característiques de la classe, és possible calcular quines reaccions són característiques dels alcans. Obeeixen la fórmula per a tota la classe: H2n+2C.
Estructura química
La molècula de parafina inclou àtoms de carboni que mostren una hibridació sp3. Tenen els quatre orbitals de valència tenen la mateixa forma, energia i direcció a l'espai. La mida de l'angle entre els nivells d'energia és de 109° i 28'.
La presència d'enllaços simples a les molècules determina quines reaccionscaracterística dels alcans. Contenen compostos σ. L'enllaç entre carbonis és no polar i poc polarizable, i és lleugerament més llarg que en C−H. També hi ha un canvi en la densitat d'electrons a l'àtom de carboni, com el més electronegatiu. Com a resultat, el compost C−H es caracteritza per una baixa polaritat.
Reaccions de substitució
Les substàncies de la classe de la parafina tenen una activitat química feble. Això es pot explicar per la força dels enllaços entre C–C i C–H, que són difícils de trencar a causa de la no polaritat. La seva destrucció es basa en un mecanisme homolític, en el qual participen els radicals de tipus lliure. És per això que els alcans es caracteritzen per reaccions de substitució. Aquestes substàncies no poden interactuar amb molècules d'aigua o ions que porten càrrega.
Inclouen la substitució de radicals lliures, en què els àtoms d'hidrogen són substituïts per elements halogens o altres grups actius. Aquestes reaccions inclouen processos associats amb halogenació, sulfocloració i nitració. El seu resultat és la preparació de derivats d'alcans.
El mecanisme de les reaccions de substitució de radicals lliures es basa en les tres etapes principals:
- El procés comença amb l'inici o la nucleació d'una cadena, com a resultat de la qual es formen radicals lliures. Els catalitzadors són fonts de llum ultraviolada i calor.
- Llavors es desenvolupa una cadena, en la qual es produeixen successives interaccions de partícules actives amb molècules inactives. Es converteixen en molècules i radicals, respectivament.
- L'últim pas és trencar la cadena. S'observa recombinació o desaparició de partícules actives. Això atura el desenvolupament d'una reacció en cadena.
Procés d'halogenació
Es basa en un mecanisme de tipus radical. La reacció d'halogenació dels alcans té lloc per irradiació ultraviolada i escalfament d'una barreja d'halògens i hidrocarburs.
Totes les etapes del procés estan subjectes a la regla establerta per Markovnikov. Afirma que, en primer lloc, l'àtom d'hidrogen, que pertany al carboni més hidrogenat, és sotmès a substitució per un halogen. L'halogenació té lloc en la següent seqüència: de l'àtom terciari al carboni primari.
El procés és millor per a molècules d'alcà amb una llarga cadena de carboni principal. Això es deu a una disminució de l'energia ionitzant en aquesta direcció, un electró es separa més fàcilment de la substància.
Un exemple és la cloració d'una molècula de metà. L'acció dels ultraviolats condueix a la divisió del clor en partícules radicals que ataquen l'alcà. Hi ha un despreniment d'hidrogen atòmic i formació de H3C· o un radical metil. Aquesta partícula, al seu torn, ataca el clor molecular, provocant la destrucció de la seva estructura i la formació d'un nou reactiu químic.
Només se substitueix un àtom d'hidrogen a cada etapa del procés. La reacció d'halogenació dels alcans condueix a la formació gradual de molècules de clorometà, diclorometà, triclorometà i tetraclorur de carboni.
Esquemàticament, el procés té aquest aspecte:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
A diferència de la cloració d'una molècula de metà, la realització d'aquest procés amb altres alcans es caracteritza per obtenir substàncies en què la substitució de l'hidrogen no es produeix en un àtom de carboni, sinó en diversos. La seva relació quantitativa s'associa amb indicadors de temperatura. En condicions de fred, es produeix una disminució de la velocitat de formació de derivats amb estructura terciària, secundària i primària.
Amb un augment de la temperatura, la velocitat de formació d'aquests compostos s'anivella. El procés d'halogenació està influenciat pel factor estàtic, que indica una probabilitat diferent que un radical xoqui amb un àtom de carboni.
El procés d'halogenació amb iode no es desenvolupa en condicions normals. Cal crear condicions especials. Quan el metà s'exposa a aquest halogen, es forma iodur d'hidrogen. Està afectat pel iodur de metil, com a resultat, s'alliberen els reactius inicials: metà i iode. Aquesta reacció es considera reversible.
Reacció de Wurtz per als alcans
És un mètode per obtenir hidrocarburs saturats d'estructura simètrica. Com a reactius s'utilitzen sodi metàl·lic, bromurs d'alquil o clorurs d'alquil. A lesla seva interacció produeix halogenur de sodi i una cadena hidrocarbonada estesa, que és la suma de dos radicals hidrocarburs. Esquemàticament, la síntesi és la següent: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
La reacció de Wurtz per als alcans només és possible si els halògens de les seves molècules es troben a l'àtom de carboni primari. Per exemple, CH3−CH2−CH2Br.
Si una barreja d'halocarburs de dos compostos participa en el procés, es formen tres productes diferents durant la condensació de les seves cadenes. Un exemple d'aquesta reacció dels alcans és la interacció del sodi amb el clorometà i el cloroetano. La sortida és una barreja que conté butà, propà i etan.
A més del sodi, es poden utilitzar altres metalls alcalins, com ara el liti o el potassi.
Procés de sulfocloració
També s'anomena reacció de Reed. Procedeix segons el principi de substitució de radicals lliures. Aquest és un tipus característic de reacció dels alcans davant l'acció d'una barreja de diòxid de sofre i clor molecular en presència de radiació ultraviolada.
El procés comença amb l'inici d'un mecanisme en cadena, en el qual s'obtenen dos radicals a partir del clor. Un d'ells ataca l'alcà, donant lloc a una espècie d'alquil i una molècula de clorur d'hidrogen. El diòxid de sofre s'uneix al radical hidrocarbur per formar una partícula complexa. Per a l'estabilització, un àtom de clor és capturat d'una altra molècula. La substància final és el clorur d'alcà sulfonil, s'utilitza en la síntesi de compostos tensioactius.
Esquemàticament, el procés té aquest aspecte:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processos relacionats amb la nitració
Els alcans reaccionen amb l'àcid nítric en forma de solució al 10%, així com amb l'òxid de nitrogen tetravalent en estat gasós. Les condicions per al seu cabal són valors de temperatura elevats (uns 140 °C) i indicadors de baixa pressió. Els nitroalcans es produeixen a la sortida.
Aquest procés de radicals lliures va rebre el nom del científic Konovalov, que va descobrir la síntesi de la nitració: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Mecanisme d'escissió
Els alcans es caracteritzen per reaccions de deshidrogenació i craqueig. La molècula de metà pateix una descomposició tèrmica completa.
El mecanisme principal de les reaccions anteriors és l'eliminació d'àtoms dels alcans.
Procés de deshidrogenació
Quan els àtoms d'hidrogen es separen de l'esquelet de carboni de les parafines, amb l'excepció del metà, s'obtenen compostos insaturats. Aquestes reaccions químiques dels alcans tenen lloc a altes temperatures (de 400 a 600 °C) i sota la influència d'acceleradors en forma d'òxids de platí, níquel, crom i alumini.
Si hi ha molècules de propà o etan implicades en la reacció, els seus productes seran propè o etè amb un doble enllaç.
Quan es deshidrogena un esquelet de quatre o cinc carbonis, el dièconnexions. El butà es forma a partir de butadiè-1, 3 i butadiè-1, 2.
Si en la reacció hi ha substàncies amb 6 o més àtoms de carboni, es forma benzè. Té un nucli aromàtic amb tres dobles enllaços.
Procés de descomposició
En condicions d' alta temperatura, es poden produir reaccions d'alcans amb la ruptura d'enllaços de carboni i la formació de partícules actives de tipus radical. Aquests processos s'anomenen cracking o piròlisi.
Escalfar els reactius a temperatures superiors als 500 °C provoca la descomposició de les seves molècules, durant la qual es formen mescles complexes de radicals de tipus alquil.
Realitzar la piròlisi d'alcans amb llargues cadenes de carboni sota un fort escalfament s'associa a l'obtenció de compostos saturats i insaturats. S'anomena cracking tèrmic. Aquest procés es va utilitzar fins a mitjans del segle XX.
L'inconvenient era la producció d'hidrocarburs amb un índex d'octà baix (no més de 65), per la qual cosa es va substituir pel craqueig catalític. El procés té lloc en condicions de temperatura inferiors a 440 °C i pressions inferiors a 15 atmosferes, en presència d'un accelerador d'aluminosilicat amb alliberament d'alcans d'estructura ramificada. Un exemple és la piròlisi del metà: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Durant aquesta reacció, es formen acetilè i hidrogen molecular.
La molècula de metà pot patir una conversió. Aquesta reacció requereix aigua i un catalitzador de níquel. A lala sortida és una barreja de monòxid de carboni i hidrogen.
Processos d'oxidació
Les reaccions químiques característiques dels alcans impliquen la donació d'electrons.
Hi ha autooxidació de parafines. Implica un mecanisme de radicals lliures per a l'oxidació d'hidrocarburs saturats. Durant la reacció s'obtenen hidroperòxids a partir de la fase líquida dels alcans. En l'etapa inicial, la molècula de parafina interacciona amb l'oxigen, com a resultat, s'alliberen radicals actius. A més, una altra molècula O2 interacciona amb la partícula d'alquil, donant lloc a ∙ROO. Una molècula d'alcà entra en contacte amb el radical peròxid d'àcids grassos, després del qual s'allibera hidroperòxid. Un exemple és l'autooxidació de l'etan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Els alcans es caracteritzen per reaccions de combustió, que es troben entre les principals propietats químiques quan es determinen en la composició del combustible. Tenen un caràcter oxidatiu amb alliberament de calor: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Si hi ha una petita quantitat d'oxigen en el procés, el producte final pot ser carbó o òxid divalent de carboni, que es determina per la concentració d'O2.
Quan els alcans s'oxiden sota la influència de substàncies catalitzadores i s'escalfen a 200 °C, molècules d'alcohol, aldehid oàcid carboxílic.
Exemple de
Ethane:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal i aigua), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (àcid etanoic i aigua).
Els alcans es poden oxidar quan s'exposen a peròxids cíclics de tres membres. Aquests inclouen el dimetildioxirà. El resultat de l'oxidació de les parafines és una molècula d'alcohol.
Els representants de les parafines no reaccionen al KMnO4 o al permanganat de potassi, així com a l'aigua de brom.
Isomerització
En els alcans, el tipus de reacció es caracteritza per la substitució amb un mecanisme electròfil. Això inclou la isomerització de la cadena de carboni. Aquest procés està catalitzat pel clorur d'alumini, que interacciona amb la parafina saturada. Un exemple és la isomerització d'una molècula de butà, que es converteix en 2-metilpropà: C4H10 → C3 H 7CH3.
Procés de fragància
Els saturats amb sis o més àtoms de carboni a la cadena de carboni principal són capaços de deshidrociclització. Aquesta reacció no és típica per a molècules curtes. El resultat és sempre un anell de sis membres en forma de ciclohexà i els seus derivats.
En presència d'acceleradors de reaccions, es produeix una deshidrogenació addicional itransformació en un anell benzènic més estable. Els hidrocarburs acíclics es converteixen en compostos aromàtics o arenes. Un exemple és la deshidrociclització de l'hexà:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ciclohexà), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzè).
