אלקנים: הלוגנציה. התגובה של החלפה של אטום מימן אחד או יותר במולקולת אלקאן להלוגן

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

למרות העובדה שהאלקנים אינם פעילים, הם מסוגלים לשחרר כמויות גדולות של אנרגיה בעת אינטראקציה עם הלוגנים או רדיקלים חופשיים אחרים. אלקנים ותגובות איתם נמצאים בשימוש מתמיד בתעשיות רבות.

עובדות אלקנים

אלקנים תופסים מקום חשוב בכימיה אורגנית. הנוסחה של אלקנים בכימיה היא C H_{2n+2. בניגוד לארומטים, בעלי טבעת בנזן, האלקנים נחשבים לאליפטים (א-ציקליים).}

במולקולה של כל אלקן, כל היסודות מחוברים בקשר יחיד. לכן, לקבוצת חומרים זו יש את הסיום "-an". בהתאם, לאלקנים יש קשר כפול אחד, ולאלקינים יש קשר משולש אחד. לאלקודיינים, למשל, יש שני קשרים כפולים.

אלקנים הם פחמימנים רוויים. כלומר, הם מכילים את המספר המרבי של אטומי H (מימן). כל אטומי הפחמן באלקן נמצאים במיקום sp³ - הכלאה. המשמעות היא שמולקולת האלקאן בנויה לפי הכלל הטטרהדרלי. מולקולת המתאן (CH_{4) דומה לטטרהדרון,ולשאר האלקנים יש מבנה זיגזג.}

כל אטומי ה-C באלקנים מחוברים באמצעות ơ - קשרים (סיגמה - קשרים). קשרי C–C אינם קוטביים, קשרי C–H הם קוטביים חלשים.

מאפיינים של אלקנים

כפי שהוזכר לעיל, לקבוצת האלקנים יש מעט פעילות. הקשרים בין שני אטומי C ובין אטומי C ו-H הם חזקים, ולכן קשה להרוס אותם על ידי השפעות חיצוניות. כל הקשרים באלקנים הם קשרי ơ, כך שאם הם נשברים, זה בדרך כלל גורם לרדיקלים.

הלוגנציה של אלקנים

בשל התכונות המיוחדות של קשרי האטומים, אלקנים טבועים בתגובות החלפה ופירוק. בתגובות החלפה באלקנים, אטומי מימן מחליפים אטומים או מולקולות אחרות. אלקנים מגיבים היטב עם הלוגנים - חומרים שנמצאים בקבוצה 17 של הטבלה המחזורית של מנדלייב. ההלוגנים הם פלואור (F), ברום (Br), כלור (Cl), יוד (I), אסטטין (At) וטנסין (Ts). הלוגנים הם חומרי חמצון חזקים מאוד. הם מגיבים כמעט עם כל החומרים מהשולחן של D. I. Mendeleev.

תגובות כלור של אלקנים

בפועל, ברום וכלור בדרך כלל לוקחים חלק בהלוגן של אלקנים. פלואור הוא יסוד פעיל מדי - איתו התגובה תהיה נפיצה. יוד חלש, ולכן תגובת ההחלפה לא תלך איתו. ואסטטין הוא נדיר מאוד בטבע, ולכן קשה לאסוף מספיק ממנו לניסויים.

צעדי הלוגנציה

כל האלקנים עוברים שלושה שלבים של הלוגנציה:

1. מקור השרשרת או החניכה. תחת השפעהאור שמש, חום או קרינה אולטרה סגולה, מולקולת הכלור Cl_{2 מתפרקת לשני רדיקלים חופשיים. לכל אחד יש אלקטרון אחד לא מזווג בשכבה החיצונית.}
2. פיתוח או צמיחה של השרשרת. רדיקלים מקיימים אינטראקציה עם מולקולות מתאן.
3. סיום שרשרת הוא החלק האחרון של הלוגנציה אלקאנית. כל הרדיקלים מתחילים להתמזג זה עם זה ובסופו של דבר נעלמים לחלוטין.

ברומינציה של אלקנים

כאשר מבצעים הלוגנציה של אלקנים גבוהים לאחר אתאן, הקושי הוא היווצרות איזומרים. איזומרים שונים יכולים להיווצר מחומר אחד בפעולת אור השמש. זה קורה כתוצאה מתגובת החלפה. זוהי הוכחה לכך שכל אטום H באלקן יכול להיות מוחלף ברדיקל חופשי במהלך ההלוגן. אלקן מורכב מתפרק לשני חומרים, שאחוזם יכול להשתנות מאוד בהתאם לתנאי התגובה.

ברומינציה של פרופן (2-ברומופרופן). בתגובה של הלוגנציה של פרופאן עם מולקולת Br2 בהשפעת טמפרטורות גבוהות ואור שמש, משתחררים 1-ברומופרופן - 3% ו-2-ברומופרופן - 97%.

ברומציה של בוטאן. כאשר בוטאן עובר ברום תחת פעולת קלה וטמפרטורות גבוהות, יוצאים 2% 1-ברומובוטן ו-98% 2-ברומובוטן.

ההבדל בין הכלרה לברום של אלקנים

כלור נפוץ יותר בתעשייה. למשל, לייצור ממיסים המכילים תערובת של איזומרים. עם קבלת ההלואלקןקשה להפריד זה מזה, אבל בשוק התערובת זולה יותר מהמוצר הטהור. במעבדות, ברומינציה שכיחה יותר. ברום חלש יותר מכלור. יש לו תגובתיות נמוכה, ולכן לאטומי ברום יש סלקטיביות גבוהה. המשמעות היא שבמהלך התגובה, האטומים "בוחרים" איזה אטום מימן להחליף.

אופי תגובת הכלור

בעת הכלרה של אלקנים, נוצרים איזומרים בכמויות שוות בערך בשבר המסה שלהם. לדוגמא, הכלרה של פרופאן עם זרז בצורת עלייה בטמפרטורה ל-454 מעלות נותנת לנו 2-כלורופרופן ו-1-כלורופרופן ביחס של 25% ו-75% בהתאמה. אם תגובת ההלוגנציה מתרחשת רק בעזרת קרינה אולטרה סגולה, מתקבלים 43% מ-1-כלורופרופן ו-57% מ-2-כלורופרופן. בהתאם לתנאי התגובה, היחס בין האיזומרים המתקבלים עשוי להשתנות.

אופי תגובת הברומין

כתוצאה מתגובות ברומינציה של אלקנים, משתחרר בקלות חומר כמעט טהור. לדוגמה, 1-ברומופרופן - 3%, 2-ברומופרופן - 97% ממולקולת ה-n-פרופן. לכן, ברומינציה משמשת לעתים קרובות במעבדות כדי לסנתז חומר ספציפי.

התפרצות של אלקנים

אלקנים גם סולפפונים במנגנון של החלפה רדיקלית. כדי שהתגובה תתרחש, חמצן ותחמוצת הגופרית SO_{2 (אנהידריד גופרית) פועלים בו-זמנית על האלקן. כתוצאה מהתגובה, האלקן הופך לחומצה אלקיל סולפונית. דוגמה לסולפוניית בוטאן:}

CH₃CH₂CH₂CH_{3+ O}2 _+SO2 _{→ CH}3_CH2_CH2_CH 2_SO2_OH

נוסחה כללית לסולפטוקסידציה של אלקנים:

R―H + O₂ + SO₂ → R―SO_2OH

Sulfochlorination של אלקנים

במקרה של sulphochlorination, במקום חמצן, כלור משמש כחומר מחמצן. כלורידים אלקאן-סולפוניים מתקבלים בדרך זו. תגובת הסולפוכלורינציה משותפת לכל הפחמימנים. זה מתרחש בטמפרטורת החדר ובאור השמש. פרוקסידים אורגניים משמשים גם כזרז. תגובה כזו משפיעה רק על קשרים משניים וראשוניים הקשורים לאטומי פחמן ומימן. החומר לא מגיע לאטומים שלישוניים, שכן שרשרת התגובה נשברת.

תגובתו של Konovalov

תגובת הניטרציה, כמו תגובת ההלוגנציה של אלקנים, ממשיכה לפי מנגנון הרדיקלים החופשיים. התגובה מתבצעת באמצעות חומצה חנקתית (HNO3) מדוללת מאוד (10 - 20%). מנגנון תגובה: כתוצאה מהתגובה, אלקנים יוצרים תערובת של תרכובות. כדי לזרז את התגובה, משתמשים בעלייה בטמפרטורה של עד 140⁰ ולחץ סביבה רגיל או מוגבר. במהלך הניטרציה נהרסים קשרי C–C, ולא רק C–H, בניגוד לתגובות ההחלפה הקודמות. זה אומר שמתבצע פיצוח. זו תגובת הפיצול.

תגובות חמצון ובעירה

אלקנים מחומצנים גם לפי סוג הרדיקלים החופשיים. עבור פרפינים, ישנם שלושה סוגי עיבוד באמצעות תגובה חמצונית.

1. בשלב הגז. כךלהשיג אלדהידים ואלכוהול נמוך יותר.
2. בשלב הנוזלי. השתמש בחמצון תרמי בתוספת חומצה בורית. בשיטה זו, אלכוהולים גבוהים יותר מתקבלים מ-С₁₀ עד С_20.
3. בשלב הנוזלי. אלקנים מחומצנים לסינתזה של חומצות קרבוקסיליות.

בתהליך החמצון, הרדיקל החופשי O_{2 מחליף לחלוטין או חלקי את רכיב המימן. חמצון מוחלט הוא בעירה.}

אלקנים בוערים היטב משמשים כדלק לתחנות כוח תרמיות ולמנועי בעירה פנימית. שריפת אלקנים מייצרים אנרגיית חום רבה. אלקנים מורכבים ממוקמים במנועי בעירה פנימית. אינטראקציה עם חמצן באלקנים פשוטים עלולה להוביל לפיצוץ. אספלט, פרפין וחומרי סיכה שונים לתעשייה עשויים מפסולת הנובעת מתגובות עם אלקנים.