Jede Klasse chemischer Verbindungen kann aufgrund ihrer elektronischen Struktur Eigenschaften aufweisen. Alkane sind durch Substitutions-, Eliminierungs- oder Oxidationsreaktionen von Molekülen gekennzeichnet. Alle chemischen Prozesse haben ihre eigenen Strömungseigenschaften, auf die noch eingegangen wird.
Was sind Alkane
Dies sind gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen, die Paraffine genannt werden. Ihre Moleküle bestehen nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, haben eine lineare oder verzweigte acyclische Kette, in der es nur einzelne Verbindungen gibt. Anhand der Eigenschaften der Klasse kann berechnet werden, welche Reaktionen für Alkane charakteristisch sind. Sie gehorchen der klassenweiten Formel: H2n+2C.
Chemische Struktur
Das Paraffinmolekül enthält Kohlenstoffatome, die eine sp3-Hybridisierung zeigen. Sie haben alle vier Valenzorbitale die gleiche Form, Energie und Richtung im Raum. Die Größe des Winkels zwischen den Energieniveaus beträgt 109° und 28'.
Das Vorhandensein von Einfachbindungen in Molekülen bestimmt, welche Reaktionencharakteristisch für Alkane. Sie enth alten σ-Verbindungen. Die Bindung zwischen Kohlenstoffen ist unpolar und schwach polarisierbar und etwas länger als in C-H. Es gibt auch eine Verschiebung der Elektronendichte zum Kohlenstoffatom als dem elektronegativsten. Dadurch zeichnet sich die C-H-Verbindung durch eine geringe Polarität aus.
Substitutionsreaktionen
Substanzen der Klasse der Paraffine haben eine schwache chemische Aktivität. Dies kann durch die Stärke der Bindungen zwischen C–C und C–H erklärt werden, die aufgrund ihrer Unpolarität schwer zu brechen sind. Ihre Zerstörung beruht auf einem homolytischen Mechanismus, an dem freie Radikale beteiligt sind. Deshalb sind Alkane durch Substitutionsreaktionen gekennzeichnet. Solche Substanzen sind nicht in der Lage, mit Wassermolekülen oder ladungstragenden Ionen zu interagieren.
Dazu gehört die radikalische Substitution, bei der Wasserstoffatome durch Halogenelemente oder andere aktive Gruppen ersetzt werden. Diese Reaktionen umfassen Prozesse, die mit Halogenierung, Sulfochlorierung und Nitrierung verbunden sind. Ihr Ergebnis ist die Herstellung von Alkanderivaten.
Der Mechanismus der radikalischen Substitutionsreaktionen basiert auf den drei Hauptstufen:
- Der Prozess beginnt mit der Initiierung oder Nukleation einer Kette, wodurch freie Radikale entstehen. Die Katalysatoren sind ultraviolette Lichtquellen und Wärme.
- Dann entsteht eine Kette, in der sukzessive Wechselwirkungen aktiver Teilchen mit inaktiven Molekülen stattfinden. Sie werden in Moleküle bzw. Radikale umgewandelt.
- Der letzte Schritt besteht darin, die Kette zu durchbrechen. Rekombination oder Verschwinden aktiver Partikel wird beobachtet. Dadurch wird die Entwicklung einer Kettenreaktion gestoppt.
Halogenierungsprozess
Es basiert auf einem radikalischen Mechanismus. Die Halogenierungsreaktion von Alkanen erfolgt durch ultraviolette Bestrahlung und Erhitzen einer Mischung aus Halogenen und Kohlenwasserstoffen.
Alle Phasen des Prozesses unterliegen der von Markovnikov aufgestellten Regel. Es besagt, dass zunächst das Wasserstoffatom, das zum am stärksten hydrierten Kohlenstoff gehört, einem Austausch durch ein Halogen unterzogen wird. Die Halogenierung verläuft in folgender Reihenfolge: vom tertiären Atom zum primären Kohlenstoffatom.
Das Verfahren ist besser für Alkanmoleküle mit einer langen Hauptkohlenstoffkette. Dies liegt an einer Abnahme der ionisierenden Energie in dieser Richtung, ein Elektron wird leichter von der Substanz abgesp alten.
Ein Beispiel ist die Chlorierung eines Methanmoleküls. Die Einwirkung von Ultraviolett führt zur Aufsp altung von Chlor in Radik alteilchen, die das Alkan angreifen. Dabei kommt es zur Absp altung von atomarem Wasserstoff und zur Bildung von H3C· oder einem Methylradikal. Ein solches Partikel wiederum greift molekulares Chlor an, was zur Zerstörung seiner Struktur und zur Bildung eines neuen chemischen Reagenz führt.
In jeder Phase des Prozesses wird nur ein Wasserstoffatom ersetzt. Die Halogenierungsreaktion von Alkanen führt zur allmählichen Bildung von Chlormethan-, Dichlormethan-, Trichlormethan- und Tetrachlorkohlenstoffmolekülen.
Schematisch sieht der Ablauf so aus:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Anders als bei der Chlorierung eines Methanmoleküls zeichnet sich die Durchführung eines solchen Prozesses mit anderen Alkanen dadurch aus, dass man Stoffe erhält, bei denen der Wasserstoffaustausch nicht an einem, sondern an mehreren Kohlenstoffatomen erfolgt. Ihr quantitatives Verhältnis ist mit Temperaturindikatoren verbunden. Unter k alten Bedingungen nimmt die Bildungsrate von Derivaten mit Tertiär-, Sekundär- und Primärstruktur ab.
Mit steigender Temperatur flacht die Bildungsgeschwindigkeit solcher Verbindungen ab. Der Halogenierungsprozess wird durch den statischen Faktor beeinflusst, der eine unterschiedliche Wahrscheinlichkeit anzeigt, dass ein Radikal mit einem Kohlenstoffatom kollidiert.
Der Prozess der Halogenierung mit Jod läuft unter normalen Bedingungen nicht ab. Es ist notwendig, besondere Bedingungen zu schaffen. Wenn Methan diesem Halogen ausgesetzt wird, entsteht Jodwasserstoff. Es wird durch Methyljodid beeinflusst, wodurch die ersten Reagenzien freigesetzt werden: Methan und Jod. Eine solche Reaktion gilt als reversibel.
Wurtz-Reaktion für Alkane
Ist ein Verfahren zur Gewinnung gesättigter Kohlenwasserstoffe mit symmetrischer Struktur. Als Reaktionspartner werden Natriummetall, Alkylbromide oder Alkylchloride verwendet. Beimihre Wechselwirkung erzeugt Natriumhalogenid und eine verlängerte Kohlenwasserstoffkette, die die Summe zweier Kohlenwasserstoffradikale ist. Schematisch sieht die Synthese wie folgt aus: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Die Wurtz-Reaktion für Alkane ist nur möglich, wenn sich die Halogene in ihren Molekülen am primären Kohlenstoffatom befinden. Beispiel: CH3−CH2−CH2Br.
Ist ein Halogenkohlenstoffgemisch aus zwei Verbindungen beteiligt, so entstehen bei der Kondensation ihrer Ketten drei verschiedene Produkte. Ein Beispiel für eine solche Reaktion von Alkanen ist die Wechselwirkung von Natrium mit Chlormethan und Chlorethan. Der Ausstoß ist ein Gemisch aus Butan, Propan und Ethan.
Neben Natrium können auch andere Alkalimetalle verwendet werden, darunter Lithium oder Kalium.
Sulfochlorierungsverfahren
Sie wird auch Reed-Reaktion genannt. Sie läuft nach dem Prinzip der radikalischen Substitution ab. Dies ist eine charakteristische Art der Reaktion von Alkanen auf die Einwirkung einer Mischung aus Schwefeldioxid und molekularem Chlor in Gegenwart von ultravioletter Strahlung.
Der Prozess beginnt mit der Initiierung eines Kettenmechanismus, bei dem aus Chlor zwei Radikale entstehen. Einer von ihnen greift das Alkan an, was zu einer Alkylspezies und einem Chlorwasserstoffmolekül führt. Schwefeldioxid wird an das Kohlenwasserstoffradikal gebunden, um ein komplexes Teilchen zu bilden. Zur Stabilisierung wird ein Chloratom von einem anderen Molekül abgefangen. Die Endsubstanz ist Alkansulfonylchlorid, es wird bei der Synthese von oberflächenaktiven Verbindungen verwendet.
Schematisch sieht der Ablauf so aus:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Prozesse im Zusammenhang mit der Nitrierung
Alkane reagieren mit Salpetersäure in Form einer 10%igen Lösung sowie in gasförmigem Zustand mit vierwertigem Stickoxid. Die Bedingungen für seinen Fluss sind hohe Temperaturwerte (ca. 140 ° C) und niedrige Druckindikatoren. Am Ausgang entstehen Nitroalkane.
Dieser freie Radikalprozess wurde nach dem Wissenschaftler Konovalov benannt, der die Synthese der Nitrierung entdeckte: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Sp altmechanismus
Alkane sind durch Dehydrierungs- und Crackreaktionen gekennzeichnet. Das Methanmolekül wird thermisch vollständig zersetzt.
Der Hauptmechanismus der obigen Reaktionen ist die Eliminierung von Atomen aus Alkanen.
Dehydrierungsprozess
Bei der Trennung von Wasserstoffatomen aus dem Kohlenstoffgerüst von Paraffinen entstehen mit Ausnahme von Methan ungesättigte Verbindungen. Solche chemischen Reaktionen von Alkanen finden bei hohen Temperaturen (von 400 bis 600 ° C) und unter dem Einfluss von Beschleunigern in Form von Platin-, Nickel-, Chrom- und Aluminiumoxiden statt.
Wenn Propan- oder Ethanmoleküle an der Reaktion beteiligt sind, dann sind die Produkte Propen oder Ethen mit einer Doppelbindung.
Bei der Dehydrierung eines Skeletts mit vier oder fünf Kohlenstoffatomen, DienVerbindungen. Butan entsteht aus Butadien-1,3 und Butadien-1,2.
Wenn bei der Reaktion Stoffe mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen anwesend sind, entsteht Benzol. Es hat einen aromatischen Kern mit drei Doppelbindungen.
Zersetzungsprozess
Unter Bedingungen hoher Temperatur können Reaktionen von Alkanen unter Aufbrechen von Kohlenstoffbindungen und der Bildung aktiver Teilchen vom Radik altyp stattfinden. Solche Prozesse nennt man Cracken oder Pyrolyse.
Das Erhitzen der Reaktanten auf Temperaturen über 500 °C führt zur Zersetzung ihrer Moleküle, wobei komplexe Mischungen von Radikalen vom Alkyltyp gebildet werden.
Die Durchführung der Pyrolyse von Alkanen mit langen Kohlenstoffketten unter starker Erwärmung ist mit der Gewinnung gesättigter und ungesättigter Verbindungen verbunden. Dies wird als thermisches Cracken bezeichnet. Dieses Verfahren wurde bis Mitte des 20. Jahrhunderts angewendet.
Der Nachteil war die Produktion von Kohlenwasserstoffen mit einer niedrigen Oktanzahl (nicht mehr als 65), daher wurde es durch katalytisches Cracken ersetzt. Das Verfahren findet unter Temperaturbedingungen unter 440 °C und Drücken unter 15 Atmosphären in Gegenwart eines Aluminosilikat-Beschleunigers unter Freisetzung von Alkanen mit verzweigter Struktur statt. Ein Beispiel ist die Methanpyrolyse: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Bei dieser Reaktion entstehen Acetylen und molekularer Wasserstoff.
Methanmolekül kann umgewandelt werden. Diese Reaktion erfordert Wasser und einen Nickelkatalysator. Auf derder Ausstoß ist eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Oxidationsprozesse
Die für Alkane charakteristischen chemischen Reaktionen beinh alten die Abgabe von Elektronen.
Es findet eine Autooxidation von Paraffinen statt. Es beinh altet einen radikalischen Mechanismus für die Oxidation von gesättigten Kohlenwasserstoffen. Während der Reaktion werden Hydroperoxide aus der flüssigen Phase von Alkanen erh alten. In der Anfangsphase interagiert das Paraffinmolekül mit Sauerstoff, wodurch aktive Radikale freigesetzt werden. Außerdem interagiert ein weiteres Molekül O2 mit dem Alkylpartikel, was zu ∙ROO führt. Ein Alkanmolekül kontaktiert das Fettsäureperoxidradikal, woraufhin Hydroperoxid freigesetzt wird. Ein Beispiel ist die Autoxidation von Ethan:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkane zeichnen sich durch Verbrennungsreaktionen aus, die zu den wichtigsten chemischen Eigenschaften gehören, wenn sie in der Zusammensetzung des Kraftstoffs festgelegt werden. Sie haben einen oxidativen Charakter mit Wärmefreisetzung: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Wenn im Prozess eine kleine Menge Sauerstoff vorhanden ist, kann das Endprodukt Kohle oder zweiwertiges Kohlenstoffoxid sein, was durch die O-Konzentration bestimmt wird2.
Wenn Alkane unter dem Einfluss katalytischer Substanzen oxidiert und auf 200 °C erhitzt werden, entstehen Moleküle von Alkohol, Aldehyd bzwCarbonsäure.
Ethan-Beispiel:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (Ethanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (Ethanal und Wasser), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (Ethansäure und Wasser).
Alkane können oxidiert werden, wenn sie dreigliedrigen zyklischen Peroxiden ausgesetzt werden. Dazu gehört Dimethyldioxiran. Das Ergebnis der Oxidation von Paraffinen ist ein Alkoholmolekül.
Vertreter von Paraffinen reagieren nicht auf KMnO4 oder Kaliumpermanganat, sowie auf Bromwasser.
Isomerisierung
Bei Alkanen ist der Reaktionstyp durch Substitution mit einem elektrophilen Mechanismus gekennzeichnet. Dazu gehört die Isomerisierung der Kohlenstoffkette. Dieser Prozess wird durch Aluminiumchlorid katalysiert, das mit gesättigtem Paraffin interagiert. Ein Beispiel ist die Isomerisierung eines Butanmoleküls, das zu 2-Methylpropan wird: C4H10 → C3 H 7CH3.
Duftprozess
Gesättigte Verbindungen mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Hauptkohlenstoffkette können dehydrocyclisieren. Eine solche Reaktion ist nicht typisch für kurze Moleküle. Es entsteht immer ein Sechsring in Form von Cyclohexan und seinen Derivaten.
In Gegenwart von Reaktionsbeschleunigern findet eine weitere Dehydrierung statt undUmwandlung in einen stabileren Benzolring. Acyclische Kohlenwasserstoffe werden in aromatische Verbindungen oder Arene umgewandelt. Ein Beispiel ist die Dehydrocyclisierung von Hexan:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (Cyclohexan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (Benzol).
