כל מחלקה של תרכובות כימיות מסוגלות להפגין תכונות בשל המבנה האלקטרוני שלהן. אלקנים מאופיינים בתגובות החלפה, חיסול או חמצון של מולקולות. לכל התהליכים הכימיים יש מאפיינים משלהם של הזרימה, עליהם יידונו בהמשך.
מהם אלקנים
אלו תרכובות פחמימנים רוויות הנקראות פרפינים. המולקולות שלהם מורכבות רק מאטומי פחמן ומימן, יש להן שרשרת אציקלית ליניארית או מסועפת, שבה יש רק תרכובות בודדות. בהינתן מאפייני המחלקה, ניתן לחשב אילו תגובות אופייניות לאלקנים. הם מצייתים לנוסחה הכוללת: H2n+2C.
מבנה כימי
מולקולת הפרפין כוללת אטומי פחמן המראים sp3-הכלאה. לכל ארבעת אורביטלי הערכיות יש את אותה צורה, אנרגיה וכיוון בחלל. גודל הזווית בין רמות האנרגיה הוא 109° ו-28'.
נוכחות של קשרים בודדים במולקולות קובעת אילו תגובותאופייני לאלקנים. הם מכילים תרכובות σ. הקשר בין פחמנים אינו קוטבי וניתן לקיטוב חלש, והוא מעט ארוך יותר מאשר ב-C−H. יש גם מעבר בצפיפות האלקטרונים לאטום הפחמן, בתור האלקטרונילי ביותר. כתוצאה מכך, תרכובת C−H מאופיינת בקוטביות נמוכה.
תגובות החלפה
לחומרים מקבוצת הפרפין יש פעילות כימית חלשה. ניתן להסביר זאת על ידי חוזק הקשרים בין C–C ו-C–H, שקשה לשבור אותם בגלל אי-קוטביות. השמדתם מבוססת על מנגנון הומליטי, שבו משתתפים רדיקלים מסוג חופשי. לכן אלקנים מאופיינים בתגובות החלפה. חומרים כאלה אינם מסוגלים ליצור אינטראקציה עם מולקולות מים או יונים נושאי מטען.
הם כוללים החלפת רדיקלים חופשיים, שבה אטומי מימן מוחלפים ביסודות הלוגן או קבוצות פעילות אחרות. תגובות אלו כוללות תהליכים הקשורים להלוגנציה, sulfochlorination וניטרציה. התוצאה שלהם היא הכנת נגזרות אלקן.
המנגנון של תגובות החלפת רדיקלים חופשיים מבוסס על שלושת השלבים העיקריים:
- התהליך מתחיל בהתחלה או גרעין של שרשרת, וכתוצאה מכך נוצרים רדיקלים חופשיים. הזרזים הם מקורות אור אולטרה סגול וחום.
- אז מתפתחת שרשרת, שבה מתרחשות אינטראקציות עוקבות של חלקיקים פעילים עם מולקולות לא פעילות.הם מומרים למולקולות ולרדיקלים, בהתאמה.
- השלב האחרון הוא לשבור את השרשרת. נצפים ריקומבינציה או היעלמות של חלקיקים פעילים. זה עוצר התפתחות של תגובת שרשרת.
תהליך הלוגנציה
זה מבוסס על מנגנון מסוג רדיקלי. תגובת ההלוגן של אלקנים מתרחשת על ידי קרינה אולטרה סגולה וחימום של תערובת של הלוגנים ופחמימנים.
כל שלבי התהליך כפופים לכלל שנאמר על ידי מרקובניקוב. הוא קובע שקודם כל, אטום המימן, השייך לפחמן המודרן ביותר, נתון להחלפה בהלוגן. ההלוגן מתרחש ברצף הבא: מהאטום השלישוני לפחמן הראשוני.
התהליך טוב יותר למולקולות אלקנים בעלות שרשרת פחמן ראשית ארוכה. זה נובע מירידה באנרגיה המייננת בכיוון זה, אלקטרון מתפצל בקלות רבה יותר מהחומר.
דוגמה לכך היא הכלרה של מולקולת מתאן. פעולת האולטרה סגול מובילה לפיצול הכלור לחלקיקים רדיקליים התוקפים את האלקן. יש ניתוק של מימן אטומי והיווצרות של H3C· או רדיקל מתיל. חלקיק כזה, בתורו, תוקף כלור מולקולרי, מה שמוביל להרס המבנה שלו וליצירת מגיב כימי חדש.
רק אטום מימן אחד מוחלף בכל שלב בתהליך. תגובת ההלוגנציה של אלקנים מובילה להיווצרות הדרגתית של מולקולות כלורומתאן, דיכלורומתאן, טריכלורומתאן ופחמן טטרכלוריד.
מבחינה סכמטית, התהליך נראה כך:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
בניגוד להכלה של מולקולת מתאן, ביצוע תהליך כזה עם אלקנים אחרים מתאפיין בהשגת חומרים שבהם החלפת המימן מתרחשת לא באטום פחמן אחד, אלא בכמה. היחס הכמותי שלהם קשור למדדי טמפרטורה. בתנאי קור חלה ירידה בקצב היווצרות נגזרים בעלות מבנה שלישוני, משני וראשוני.
עם עלייה בטמפרטורה, קצב היווצרותן של תרכובות כאלה מתפלש. תהליך ההלוגנציה מושפע מהגורם הסטטי, המעיד על הסתברות שונה להתנגשות רדיקל באטום פחמן.
תהליך ההלוגן עם יוד אינו ממשיך בתנאים רגילים. יש צורך ליצור תנאים מיוחדים. כאשר מתאן נחשף להלוגן זה, נוצר יודיד מימן. זה מושפע מתיל יודיד, כתוצאה מכך, הריאגנטים הראשוניים משתחררים: מתאן ויוד. תגובה כזו נחשבת הפיכה.
תגובת Wurtz עבור אלקנים
היא שיטה להשגת פחמימנים רוויים בעלי מבנה סימטרי. מתכת נתרן, אלקיל ברומידים או אלקיל כלורידים משמשים כמגיבים. בְּהאינטראקציה ביניהם מייצרת נתרן הליד ושרשרת פחמימנים מורחבת, שהיא סכום של שני רדיקלים פחמימנים. באופן סכמטי, הסינתזה היא כדלקמן: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
תגובת Wurtz עבור אלקנים אפשרית רק אם ההלוגנים במולקולות שלהם נמצאים באטום הפחמן הראשוני. לדוגמה, CH3−CH2−CH2Br.
אם מעורבת בתהליך תערובת הלופחמן של שתי תרכובות, אז נוצרים שלושה מוצרים שונים במהלך עיבוי השרשראות שלהם. דוגמה לתגובה כזו של אלקנים היא האינטראקציה של נתרן עם כלורומתאן וכלורואתן. הפלט הוא תערובת המכילה בוטאן, פרופאן ואתאן.
בנוסף לנתרן, ניתן להשתמש במתכות אלקליות אחרות, הכוללות ליתיום או אשלגן.
תהליך סולפוכלורציה
זה נקרא גם תגובת ריד. זה ממשיך לפי העיקרון של החלפת רדיקלים חופשיים. זהו סוג אופייני של תגובה של אלקנים לפעולה של תערובת של גופרית דו חמצנית וכלור מולקולרי בנוכחות קרינה אולטרה סגולה.
התהליך מתחיל בהתחלת מנגנון שרשרת, שבו מתקבלים שני רדיקלים מכלור. אחד מהם תוקף את האלקן, וכתוצאה מכך נוצר מין אלקיל ומולקולת מימן כלורי. דו תחמוצת הגופרית מחוברת לרדיקל הפחמימני ליצירת חלקיק מורכב. לצורך ייצוב, אטום כלור אחד נלכד ממולקולה אחרת. החומר הסופי הוא אלקן סולפוניל כלוריד, הוא משמש בסינתזה של תרכובות פעילות פני השטח.
מבחינה סכמטית, התהליך נראה כך:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
תהליכים הקשורים לניטרציה
אלקנים מגיבים עם חומצה חנקתית בצורה של תמיסה של 10%, כמו גם עם תחמוצת חנקן ארבע ערכית במצב גז. התנאים לזרימתו הם ערכי טמפרטורה גבוהים (כ-140 מעלות צלזיוס) ומחווני לחץ נמוך. ניטרואלקנים מיוצרים במוצא.
תהליך הרדיקלי החופשי הזה נקרא על שמו של המדען Konovalov, שגילה את הסינתזה של ניטרציה: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
מנגנון מחשוף
אלקנים מאופיינים בתגובות דה-הידרוגנציה ופיצוח. מולקולת המתאן עוברת פירוק תרמי מלא.
המנגנון העיקרי של התגובות לעיל הוא סילוק אטומים מאלקנים.
תהליך דה-hydrogenation
כאשר אטומי מימן מופרדים משלד הפחמן של פרפינים, למעט מתאן, מתקבלות תרכובות בלתי רוויות. תגובות כימיות כאלה של אלקנים מתרחשות בטמפרטורות גבוהות (מ-400 עד 600 מעלות צלזיוס) ובהשפעת מאיצים בצורה של תחמוצות פלטינה, ניקל, כרום ואלומיניום.
אם מולקולות פרופן או אתאן מעורבות בתגובה, התוצרים שלה יהיו פרופן או אתן עם קשר כפול אחד.
כאשר משחררים שלד של ארבעה או חמישה פחמנים, דיןקשרים. בוטאן נוצר מבוטאדיאן-1, 3 ומבוטדיאן-1, 2.
אם קיימים בתגובה חומרים עם 6 אטומי פחמן או יותר, אז נוצר בנזן. יש לו ליבה ארומטית עם שלושה קשרים כפולים.
תהליך פירוק
בתנאים של טמפרטורה גבוהה, יכולות להתרחש תגובות של אלקנים עם שבירה של קשרי פחמן ויצירת חלקיקים פעילים מהסוג הרדיקלי. תהליכים כאלה נקראים פיצוח או פירוליזה.
חימום המגיבים לטמפרטורות העולות על 500 מעלות צלזיוס מוביל לפירוק המולקולות שלהם, שבמהלכו נוצרות תערובות מורכבות של רדיקלים מסוג אלקיל.
ביצוע פירוליזה של אלקנים עם שרשראות פחמן ארוכות בחימום חזק קשור להשגת תרכובות רוויות ובלתי רוויות. זה נקרא פיצוח תרמי. תהליך זה היה בשימוש עד אמצע המאה ה-20.
החיסרון היה ייצור פחמימנים בעלי מספר אוקטן נמוך (לא יותר מ-65), ולכן הוא הוחלף בפיצוח קטליטי. התהליך מתרחש בתנאי טמפרטורה הנמוכים מ-440 מעלות צלזיוס ולחצים מתחת ל-15 אטמוספרות, בנוכחות מאיץ אלומינוסיליקט עם שחרור אלקנים בעלי מבנה מסועף. דוגמה לכך היא פירוליזה של מתאן: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. במהלך תגובה זו נוצרים אצטילן ומימן מולקולרי.
מולקולת מתאן יכולה לעבור המרה. תגובה זו דורשת מים וזרז ניקל. עלהפלט הוא תערובת של פחמן חד חמצני ומימן.
תהליכי חמצון
התגובות הכימיות האופייניות לאלקנים כוללות תרומה של אלקטרונים.
יש חמצון אוטומטי של פרפינים. זה כרוך במנגנון רדיקלי חופשי לחמצון של פחמימנים רוויים. במהלך התגובה מתקבלים הידרופרוקסידים מהפאזה הנוזלית של האלקנים. בשלב הראשוני, מולקולת הפרפין מקיימת אינטראקציה עם חמצן, וכתוצאה מכך משתחררים רדיקלים פעילים. יתר על כן, מולקולה נוספת O2 מקיימת אינטראקציה עם חלקיק האלקיל, וכתוצאה מכך ∙ROO. מולקולת אלקאן מתקשרת עם רדיקל חומצת השומן פרוקסיד, ולאחר מכן משתחרר הידרופרוקסיד. דוגמה לכך היא חמצון אוטומטי של אתאן:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
אלקנים מאופיינים בתגובות בעירה, שהן בין התכונות הכימיות העיקריות כשהן נקבעות בהרכב הדלק. יש להם אופי חמצוני עם שחרור חום: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
אם יש כמות קטנה של חמצן בתהליך, אז התוצר הסופי עשוי להיות פחם או תחמוצת פחמן דו ערכית, אשר נקבעת לפי הריכוז של O2.
כאשר אלקנים מתחמצנים בהשפעת חומרים קטליטיים ומחוממים ל-200 מעלות צלזיוס, מולקולות של אלכוהול, אלדהיד אוחומצה קרבוקסילית.
אתן לדוגמה:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (אתנול),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (אתנל ומים), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (חומצה אתנואית ומים).
אלקנים יכולים להתחמצן כאשר הם נחשפים לפרוקסידים מחזוריים תלת-איברים. אלה כוללים dimethyldioxirane. התוצאה של החמצון של פרפינים היא מולקולת אלכוהול.
נציגי פרפינים אינם מגיבים ל-KMnO4 או אשלגן פרמנגנט, כמו גם למי ברום.
איזומריזציה
על אלקנים, סוג התגובה מאופיין בהחלפה במנגנון אלקטרופילי. זה כולל איזומריזציה של שרשרת הפחמן. תהליך זה מזורז על ידי אלומיניום כלוריד, אשר יוצר אינטראקציה עם פרפין רווי. דוגמה לכך היא איזומריזציה של מולקולת בוטאן, שהופכת ל-2-מתיל פרופן: C4H10 → C3 H 7CH3.
תהליך ניחוח
רווי עם שישה אטומי פחמן או יותר בשרשרת הפחמן הראשית מסוגלים לדה-הידרוציקליזציה. תגובה כזו אינה אופיינית למולקולות קצרות. התוצאה היא תמיד טבעת בעלת שישה איברים בצורת ציקלוהקסאן ונגזרותיו.
בנוכחות מאיצי תגובה, מתרחש דה-הידרוגנציה נוספת וטרנספורמציה לטבעת בנזן יציבה יותר. פחמימנים אציקליים מומרים לתרכובות ארומטיות או זירות. דוגמה לכך היא דה-הידרוציקליזציה של הקסאן:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ציקלוהקסאן), C6H12 → C6H6+ 3H2 (בנזן).
