อัลเคนที่มีลักษณะเป็นปฏิกิริยา

สารประกอบทางเคมีแต่ละชนิดสามารถแสดงสมบัติได้เนื่องจากโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ อัลคาเน่มีลักษณะเป็นปฏิกิริยาของการทดแทนการแตกแยกหรือออกซิเดชันของโมเลกุล กระบวนการทางเคมีทั้งหมดมีลักษณะการซึมผ่านของตัวเองซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง

อัลเคนคืออะไร

เหล่านี้เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวซึ่งเรียกว่าพาราฟิน โมเลกุลของพวกเขาประกอบด้วยเฉพาะของคาร์บอนและอะตอมไฮโดรเจนมีห่วงโซ่ acyclic เส้นหรือกิ่งซึ่งมีเพียงสารเดียว เนื่องจากลักษณะของชั้นจึงเป็นไปได้ที่จะคำนวณว่าปฏิกิริยาใดเป็นลักษณะของอัลคานี พวกเขาปฏิบัติตามสูตรสำหรับทั้งชั้น: H _{2n + 2} C _n .

โครงสร้างทางเคมี

โมเลกุลของพาราฟินประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่มีการกระจายตัวของ sp3-hybridization พวกเขามีความจุสี่ orbitals ที่มีรูปร่างเหมือนกันพลังงานและทิศทางในอวกาศ มุมระหว่างระดับพลังงานคือ 109 °และ 28 '

การปรากฏตัวของพันธะเดี่ยวในโมเลกุลจะกำหนดว่าปฏิกิริยาใดที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับอัลเคน พวกเขามีสารประกอบσ พันธะระหว่างคาร์บอนเป็น nonpolar และ polarizable อ่อนมันยาวกว่าใน C-H เล็กน้อย นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไปเป็นอะตอมของคาร์บอนเป็นตัวอิเล็กตรอนมากที่สุด เป็นผลให้สารประกอบ C-H มีลักษณะเป็นขั้วต่ำ

ปฏิกิริยาการทดแทน

สารในกลุ่มของพาราฟินมีฤทธิ์ทางเคมีที่อ่อนแอ สิ่งนี้สามารถอธิบายได้จากความแข็งแรงของพันธบัตรระหว่าง C-C และ C-H ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะแตกออกเนื่องจากไม่มีขั้ว การทำลายของพวกเขาขึ้นอยู่กับกลไก homolytic ซึ่งอนุมูลอิสระประเภทนี้มีส่วนร่วม นี่คือเหตุผลที่ alkanes มีลักษณะตาม ปฏิกิริยาการทดแทน สารดังกล่าวไม่สามารถโต้ตอบกับโมเลกุลของน้ำหรือประจุไอออน

พวกเขาจะถือเป็นสารอนุมูลอิสระซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยธาตุฮาโลเจนหรือกลุ่มที่ใช้งานอยู่ ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับ halogenation, sulfochlorination และ nitration ผลของพวกเขาคือการผลิตอนุพันธ์ของอัลเคน ที่แกนหลักของกลไกการเกิดปฏิกิริยาทดแทนในอนุมูลอิสระมีขั้นตอนหลัก ๆ สามขั้นตอนดังนี้

1. กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นหรือเกิดนิวเคลียสของโซ่ซึ่งเป็นผลมาจากอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาคือแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตและความร้อน
2. จากนั้นจะมีการพัฒนาห่วงโซ่ซึ่งในการปฏิสัมพันธ์ต่อเนื่องของอนุภาคแอคทีฟกับโมเลกุลที่ไม่ใช้งานจะดำเนินการ การเปลี่ยนแปลงของพวกเขาเป็นโมเลกุลและอนุมูลอิสระตามลำดับ
3. ขั้นตอนสุดท้ายจะเป็นการหยุดพักในห่วงโซ่ สังเกตการรวมตัวกันใหม่หรือการหายตัวไปของอนุภาคที่ใช้งานอยู่ ดังนั้นการพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่จึงสิ้นสุดลง

กระบวนการ halogenation

มันขึ้นอยู่กับกลไกชนิดหัวรุนแรง ปฏิกิริยาของฮาโลเจนของอัลคานีจะเกิดขึ้นเมื่อถูกฉายรังสีด้วยแสงอัลตราไวโอเลตและส่วนผสมจะถูกให้ความร้อนจากฮาโลเจนและไฮโดรคาร์บอน

ทุกขั้นตอนของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับกฎที่ Markovnikov กล่าว แสดงให้เห็นว่าการทดแทนของฮาโลเจนในตอนแรกคือ อะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นของไฮโดรเจนคาร์บอนเอง ลำดับฮาโลเจนในลำดับนี้: จากอะตอมตติยภูมิไปจนถึงคาร์บอนหลัก

กระบวนการนี้ดีกว่าสำหรับโมเลกุลของอัลคาเนทที่มีคาร์บอนโซ่ยาวเป็นหลัก นี่คือสาเหตุที่ทำให้พลังงานไอออนิกลดลงในทิศทางที่กำหนดทำให้อิเล็กตรอนแยกตัวออกจากสารได้ง่ายขึ้น

ตัวอย่างคือคลอรีนของโมเลกุลมีเทน การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลตนำไปสู่การแยกแยะของคลอรีนเป็นอนุภาคที่รุนแรงซึ่งทำปฏิกิริยากับอัลเคน มีการปลดปล่อยไฮโดรเจนอะตอมและการก่อตัวของ H ₃ C •หรืออนุมูลเมธิล อนุภาคดังกล่าวจะโจมตีโมเลกุลคลอรีนซึ่งจะนำไปสู่การทำลายโครงสร้างและการสร้างสารเคมีใหม่

ในแต่ละขั้นตอนกระบวนการจะมีการแทนที่อะตอมไฮโดรเจนเพียงตัวเดียว ปฏิกิริยาของฮาโลเจนของอัลเคนจะนำไปสู่การเกิดคลอโรมีเทนไดคลอโรมีเทนไตรคลอโรมีเทนและโมเลกุล tetrachloromethane

กระบวนการดังกล่าวเป็นแบบแผนดังนี้

H ₄ C + Cl: Cl → H ₃ CCl + HCL,

H ₃ CCl + Cl: Cl → H ₂ CCl ₂ + HCl,

H ₂ CCl ₂ + Cl: Cl → HCCl ₃ + HCl,

HCCl ₃ + Cl: Cl → CCl ₄ + HCl

ในทางตรงกันข้ามกับคลอรีนของโมเลกุลมีเทนการทำกระบวนการดังกล่าวกับ alkanes อื่นเป็นลักษณะโดยการได้รับสารซึ่งการแทนที่ไฮโดรเจนเกิดขึ้นไม่ได้อยู่ในอะตอมของคาร์บอนหนึ่ง แต่ในหลาย ๆ ความสัมพันธ์เชิงปริมาณของพวกเขาเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ในสภาวะที่หนาวเย็นอัตราการก่อตัวของอนุพันธ์ที่มีโครงสร้างระดับตติยภูมิทุติยภูมิและประถมศึกษาจะลดลง

เมื่อมีดัชนีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นความเร็วของการก่อตัวของสารดังกล่าวจะเท่ากัน กระบวนการฮาโลเจนมีผลต่อค่าคงที่ซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิดความขัดแย้งกับอะตอมของคาร์บอน

กระบวนการของฮาโลเจนที่มีไอโอดีนไม่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติ จำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขพิเศษ เมื่อสัมผัสกับก๊าซมีเทนกับฮาโลเจนนี้ไฮโดรเจนไอโอไดด์จะเกิดขึ้น มันได้รับผลกระทบจากไอโอไดด์เมธิลดังนั้นสารรีเอเจนต์ตัวแรกจะถูกปลดปล่อยออกมา ได้แก่ มีเทนและไอโอดีน ปฏิกิริยาดังกล่าวถือว่ากลับกันได้

ปฏิกิริยา Wurz สำหรับ alkanes

เป็นวิธีการในการหาสารอิ่มตัวไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างสมมาตร สารที่ทำปฏิกริยาคือโซเดียมโลหะอัลคิลโบรไมด์หรือคลอไรด์คลอไรด์ เมื่อพวกเขามีปฏิสัมพันธ์โซเดียมลิดและห่วงโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นจะได้รับซึ่งเป็นผลรวมของสองอนุมูลไฮโดรคาร์บอน โดยสังเขปการสังเคราะห์มีดังต่อไปนี้: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl

ปฏิกิริยา Wurz สำหรับ alkanes เป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่โมเลกุลของสารฮาโลเจนอยู่ในอะตอมของคาร์บอน ตัวอย่างเช่น CH ₃ -CH ₂ -CH ₂ Br

ถ้ามีส่วนผสมของฮาโลเจน - ไฮโดรคาร์บอนของสารประกอบสองชนิดเข้าร่วมกระบวนการนี้จะเกิดผลิตภัณฑ์สามชนิดขึ้นในระหว่างการควบแน่นของโซ่ ตัวอย่างของปฏิกิริยาอัลเคนดังกล่าวคือปฏิกิริยาระหว่างโซเดียมกับคลอโรมีเทนและคลอโรเธน ผลลัพธ์คือส่วนผสมที่ประกอบด้วยบิวเทนโพรเพนและอีเทน

นอกจากโซเดียมแล้วคุณยังสามารถใช้โลหะอัลคาไลอื่น ๆ ได้ซึ่ง ได้แก่ ลิเธียมหรือโพแทสเซียม

กระบวนการ sulfochlorination

เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Reed's reaction มันไหลตามหลักการของการเปลี่ยนอนุมูลอิสระ นี่คือปฏิกิริยาแบบฉบับของอัลคาเน่ต่อการกระทำของส่วนผสมของซัลเฟอร์ไดออกไซด์และคลอรีนโมเลกุลในรังสีอัลตราไวโอเลต

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นของกลไกโซ่ซึ่งในสองอนุมูลจะได้รับจากคลอรีน หนึ่งในนั้นโจมตีอัลเคนซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของอนุภาคของอะลูมิเนียมและโมเลกุลของไฮโดรเจนคลอไรด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ติดอยู่กับอนุมูลไฮโดรคาร์บอนเพื่อสร้างอนุภาคที่ซับซ้อน สำหรับเสถียรภาพอะตอมคลอรีนหนึ่งถูกจับจากโมเลกุลอื่น สารตัวสุดท้ายคืออัลเคนซัลไฟด์คลอไรด์ซึ่งใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบพื้นผิว

ตามลำดับกระบวนการนี้มีลักษณะดังนี้:

ClCl → ^Hv ∙ Cl + ∙ Cl,

HR + ∙ Cl → R ∙ + HCl,

R ∙ + OSO →∙ RSO ₂ ,

RSO ₂ + ClCl → RSO ₂ Cl + ∙ Cl.

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับไนไตรท์

Alkanes ทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกในรูปแบบของสารละลาย 10% และยังมีไนโตรเจนของ tetravalent oxide ในสถานะแก๊ส เงื่อนไขสำหรับทางเดินของมันคือค่าอุณหภูมิสูง (ประมาณ 140 ° C) และค่าความดันต่ำ ที่ผลผลิตมีการผลิต nitroalkanes

กระบวนการอนุมูลอิสระนี้ได้รับการตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ Konovalov ผู้ค้นพบการสังเคราะห์ไนเทรต: CH ₄ + HNO ₃ → CH ₃ NO ₂ + H ₂ O

กลไกการแตกแยก

ปฏิกิริยาอัลคาเน่มีลักษณะเฉพาะ โมเลกุลมีเทนได้รับการย่อยสลายด้วยความร้อนที่สมบูรณ์

กลไกหลักของปฏิกิริยาข้างต้นคือการกำจัดอะตอมจากอัลเคน

กระบวนการ dehydrogenation

เมื่อแยกอะตอมไฮโดรเจนจากโครงกระดูกคาร์บอนของพาราฟินยกเว้นมีเทนจะได้สารประกอบไม่อิ่มตัว ปฏิกิริยาทางเคมีดังกล่าวของ alkanes เกิดขึ้นภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง (400 ถึง 600 องศาเซลเซียส) และภายใต้การกระทำของเครื่องเร่งอนุภาคในรูปของทองคำขาวนิกเกิล โครเมียม และอลูมิเนียมออกไซด์

ถ้าปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับโมเลกุลของโพรเพนหรืออีเทนผลิตภัณฑ์ของ บริษัท จะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเอธินด้วยพันธะคู่เดียว

เมื่อ dehydrogenating โครงกระดูกสี่หรือห้า - คาร์บอน diene จะได้รับสารประกอบ บิวเทนเกิดขึ้นจาก butane-1,3 และ butadiene-1,2

ถ้าปฏิกิริยาประกอบด้วยสารที่มี 6 หรือมากกว่าคาร์บอนแล้วเบนซินจะเกิดขึ้น มันมีแกนอะโรมาติกที่มีพันธบัตร 3 คู่

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัว

ภายใต้เงื่อนไขที่อุณหภูมิสูงปฏิกิริยาของ alkanes สามารถดำเนินการได้ด้วยการแตกออกของคาร์บอนพันธบัตรและอนุภาคชนิดอนุมูลอิสระที่ใช้งาน กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า cracking หรือ pyrolysis

การอุ่นสารให้ความร้อนที่อุณหภูมิเกิน 500 องศาเซลเซียสทำให้เกิดการสลายโมเลกุลของสารเหล่านี้

การทำ pyrolysis ที่แข็งแรงของ alkanes ด้วยโซ่คาร์บอนยาวเกี่ยวข้องกับการได้รับสารประกอบที่ จำกัด และไม่อิ่มตัว เรียกว่าการแตกความร้อน กระบวนการนี้ใช้จนถึงกลางศตวรรษที่ 20

ข้อเสียคือการผลิตไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนออกเทนต่ำ (ไม่เกิน 65) ดังนั้นจึงถูกแทนที่ด้วย การแตกตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำกว่า 440 องศาเซลเซียสและมีแรงกดดันน้อยกว่า 15 บรรยากาศเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาอลูมินาซิลิเกตด้วยการปลดปล่อยสารอัลคาเน่ที่มีโครงสร้างแตกแขนง ตัวอย่างคือการเกิด pyrolysis มีเทน: 2CH ₄ → ^{t °} C ₂ H ₂ + 3H ₂ ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานี้อะเซทิลีนและโมเลกุลไฮโดรเจนจะเกิดขึ้น

โมเลกุลมีเทนสามารถผ่านการแปลง สำหรับปฏิกิริยาดังกล่าวน้ำและตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลเป็นสิ่งที่จำเป็น ผลลัพธ์คือส่วนผสมของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน

กระบวนการออกซิเดชั่น

ปฏิกิริยาทางเคมีของอัลคานีเกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยอิเล็กตรอน

มีการเกิดออกซิเดชันโดยอัตโนมัติของพาราฟิน มันเกี่ยวข้องกับกลไกอนุมูลอิสระของออกซิเดชันของอิ่มตัวไฮโดรคาร์บอน ในระหว่างการทำปฏิกิริยาไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะได้จากช่วงของเหลวของอัลเคน ในระยะแรกโมเลกุลของพาราฟินจะมีปฏิสัมพันธ์กับออกซิเจนทำให้เกิดการปลดปล่อยสารอนุมูลอิสระ อนุภาคโมเลกุลอีกตัวหนึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคของอนุภาคอัลคิลเราจึงได้∙ ROO ด้วยความเข้มข้นของกรดไขมัน peroxy จะมีการติดต่อโมเลกุลของอัลเคนหลังจากนั้นไฮดราเปอร์ออกไซด์จะถูกปล่อยออกมา ตัวอย่างคือการเกิดออกซิเดชันโดยอัตโนมัติของอีเทน:

C ₂ H ₆ + O ₂ →∙ C ₂ H ₅ + HOO ,

∙ C ₂ H ₅ + O ₂ →∙ OOC ₂ H ₅ ,

∙ OOC ₂ H ₅ + C ₂ H ₆ → HOOC ₂ H ₅ + ∙ C ₂ H ₅

สำหรับอัลคาเน่ปฏิกิริยาการเผาไหม้มีลักษณะเฉพาะซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางเคมีหลักเมื่อพิจารณาในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง พวกเขามีตัวออกซิเดชันด้วยการปล่อยความร้อน: 2C ₂ H ₆ + 7O ₂ → 4CO ₂ + 6H ₂ O

ถ้ามีการสังเกตปริมาณออกซิเจนในกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์ที่สิ้นเปลืองอาจเป็นถ่านหินหรือคาร์บอนไดออกไซด์ออกไซด์ซึ่งกำหนดโดยความเข้มข้นของ O ₂

ในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของอัลคาเนสภายใต้อิทธิพลของสารเร่งปฏิกิริยาและความร้อนที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียสจะได้มีโมเลกุลของแอลกอฮอล์แอลดีไฮด์หรือกรดคาร์บอกซิลิก

ตัวอย่างกับ ethane:

C ₂ H ₆ + O ₂ → C ₂ H ₅ OH (เอทานอล),

C ₂ H ₆ + O ₂ → CH ₃ CHO + H ₂ O (ethanal และ water),

2C ₂ H ₆ + 3 O ₂ → 2CH ₃ COOH + 2H ₂ O (กรด ethanoic และน้ำ)

Alkanes สามารถออกซิไดซ์ได้โดยการกระทำของ cyclic peroxides ที่มีสมาชิกสามคน ประกอบด้วย dimethyldioxirane ผลของการออกซิเดชั่นของพาราฟินเป็นโมเลกุลของแอลกอฮอล์

ตัวแทนของพาราฟินไม่ตอบสนองต่อ KMnO ₄ หรือด่างทับทิมเช่นเดียวกับ น้ำโบรมีน

isomerization

สำหรับอัลเคนชนิดของปฏิกิริยาคือลักษณะการแทนที่ด้วยกลไก electrophilic นี่คือการทำปฏิกิริยาของไอโซโทปคาร์บอน เร่งกระบวนการอะลูมิเนียมคลอไรด์ซึ่งทำปฏิกิริยากับพาราฟินอิ่มตัว ตัวอย่างคือการทำตัวเป็นคู่ของโมเลกุลบิวเทนซึ่งกลายเป็น 2-methylpropane: C ₄ H ₁₀ → C ₃ H ₇ CH ₃

กระบวนการ aromatization

สารอิ่มตัวซึ่งในห่วงโซ่หลักของคาร์บอนมีอะตอมของคาร์บอน 6 หรือมากกว่านั้นสามารถที่จะทำปฏิกิริยาไฮโดรคลอรีนได้ สำหรับโมเลกุลสั้นปฏิกิริยานี้ไม่ปกติ ผลที่ตามมาก็คือวัฏจักรหก - สมาชิกในรูปของ cyclohexane และอนุพันธ์ของมัน

เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดปฏิกิริยา dehydrogenation และเปลี่ยนเป็นแหวนเบนซินที่มีเสถียรภาพมากขึ้น มีการเปลี่ยนแปลงของสารไฮโดรคาร์บอนที่เป็นไฮโดรคาร์บอนเป็นสารอะโรมาติกหรือ arenes ตัวอย่างคือ dehydrocyclization ของเฮกเซน:

H ₃ C-CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -CH ₃ → C ₆ H ₁₂ (cyclohexane),

C ₆ H ₁₂ → C ₆ H ₆ + 3H ₂ (เบนซีน)