Cada clase de compuestos químicos es capaz de exhibir propiedades debido a su estructura electrónica. Los alcanos se caracterizan por reacciones de sustitución, eliminación u oxidación de moléculas. Todos los procesos químicos tienen sus propias características de flujo, que se discutirán más adelante.
¿Qué son los alcanos?
Estos son compuestos de hidrocarburos saturados llamados parafinas. Sus moléculas consisten solo en átomos de carbono e hidrógeno, tienen una cadena acíclica lineal o ramificada, en la que solo hay compuestos individuales. Dadas las características de la clase, es posible calcular qué reacciones son características de los alcanos. Obedecen la fórmula de toda la clase: H2n+2C.
Estructura química
La molécula de parafina incluye átomos de carbono que muestran hibridación sp3. Tienen los cuatro orbitales de valencia que tienen la misma forma, energía y dirección en el espacio. El tamaño del ángulo entre los niveles de energía es de 109° y 28'.
La presencia de enlaces simples en las moléculas determina qué reaccionescaracterística de los alcanos. Contienen compuestos σ. El enlace entre carbonos es no polar y débilmente polarizable, y es ligeramente más largo que en C−H. También hay un cambio en la densidad de electrones hacia el átomo de carbono, como el más electronegativo. Como resultado, el compuesto C−H se caracteriza por una baja polaridad.
Reacciones de sustitución
Las sustancias de la clase de las parafinas tienen una actividad química débil. Esto puede explicarse por la fuerza de los enlaces entre C-C y C-H, que son difíciles de romper debido a la f alta de polaridad. Su destrucción se basa en un mecanismo homolítico, en el que participan radicales de tipo libre. Por eso los alcanos se caracterizan por reacciones de sustitución. Tales sustancias no pueden interactuar con moléculas de agua o iones portadores de carga.
Incluyen la sustitución por radicales libres, en la que los átomos de hidrógeno se reemplazan por elementos halógenos u otros grupos activos. Estas reacciones incluyen procesos asociados con la halogenación, la sulfocloración y la nitración. Su resultado es la preparación de derivados de alcanos.
El mecanismo de las reacciones de sustitución de radicales libres se basa en tres etapas principales:
- El proceso comienza con la iniciación o nucleación de una cadena, como resultado de lo cual se forman los radicales libres. Los catalizadores son fuentes de luz ultravioleta y calor.
- Luego se desarrolla una cadena en la que tienen lugar interacciones sucesivas de partículas activas con moléculas inactivas. Se convierten en moléculas y radicales, respectivamente.
- El paso final es romper la cadena. Se observa recombinación o desaparición de partículas activas. Esto detiene el desarrollo de una reacción en cadena.
Proceso de halogenación
Se basa en un mecanismo de tipo radical. La reacción de halogenación de los alcanos tiene lugar por irradiación ultravioleta y calentamiento de una mezcla de halógenos e hidrocarburos.
Todas las etapas del proceso están sujetas a la regla establecida por Markovnikov. Establece que, en primer lugar, el átomo de hidrógeno, que pertenece al carbono más hidrogenado, se somete a sustitución por un halógeno. La halogenación procede en la siguiente secuencia: desde el átomo terciario hasta el carbono primario.
El proceso es mejor para moléculas de alcano con una cadena de carbono principal larga. Esto se debe a una disminución de la energía ionizante en esta dirección, un electrón se separa más fácilmente de la sustancia.
Un ejemplo es la cloración de una molécula de metano. La acción de los rayos ultravioleta conduce a la división del cloro en partículas radicales que atacan al alcano. Hay un desprendimiento de hidrógeno atómico y la formación de H3C· o un radical metilo. Dicha partícula, a su vez, ataca al cloro molecular, lo que provoca la destrucción de su estructura y la formación de un nuevo reactivo químico.
Solo se reemplaza un átomo de hidrógeno en cada etapa del proceso. La reacción de halogenación de los alcanos conduce a la formación gradual de moléculas de clorometano, diclorometano, triclorometano y tetracloruro de carbono.
Esquemáticamente, el proceso se ve así:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
A diferencia de la cloración de una molécula de metano, la realización de dicho proceso con otros alcanos se caracteriza por la obtención de sustancias en las que la sustitución del hidrógeno se produce no en un átomo de carbono, sino en varios. Su relación cuantitativa está asociada con indicadores de temperatura. En condiciones de frío, hay una disminución en la tasa de formación de derivados con una estructura terciaria, secundaria y primaria.
Con un aumento de la temperatura, la tasa de formación de tales compuestos se estabiliza. El proceso de halogenación está influenciado por el factor estático, que indica una probabilidad diferente de que un radical choque con un átomo de carbono.
El proceso de halogenación con yodo no procede en condiciones normales. Es necesario crear condiciones especiales. Cuando el metano se expone a este halógeno, se forma yoduro de hidrógeno. Se ve afectado por el yoduro de metilo, como resultado, se liberan los reactivos iniciales: metano y yodo. Tal reacción se considera reversible.
Reacción de Wurtz para alcanos
Es un método para la obtención de hidrocarburos saturados con estructura simétrica. Como reactivos se utilizan sodio metálico, bromuros de alquilo o cloruros de alquilo. Ensu interacción produce haluro de sodio y una cadena hidrocarbonada extendida, que es la suma de dos radicales hidrocarbonados. Esquemáticamente, la síntesis es la siguiente: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
La reacción de Wurtz para los alcanos solo es posible si los halógenos en sus moléculas están en el átomo de carbono primario. Por ejemplo, CH3−CH2−CH2Br.
Si una mezcla de halocarbonos de dos compuestos está involucrada en el proceso, entonces se forman tres productos diferentes durante la condensación de sus cadenas. Un ejemplo de tal reacción de alcanos es la interacción de sodio con clorometano y cloroetano. El resultado es una mezcla que contiene butano, propano y etano.
Además del sodio, se pueden utilizar otros metales alcalinos, como el litio o el potasio.
Proceso de sulfocloración
También se llama reacción de Reed. Procede según el principio de sustitución por radicales libres. Este es un tipo característico de reacción de los alcanos ante la acción de una mezcla de dióxido de azufre y cloro molecular en presencia de radiación ultravioleta.
El proceso comienza con la iniciación de un mecanismo en cadena, en el que se obtienen dos radicales a partir del cloro. Uno de ellos ataca al alcano, dando como resultado una especie de alquilo y una molécula de cloruro de hidrógeno. El dióxido de azufre se une al radical hidrocarburo para formar una partícula compleja. Para la estabilización, se captura un átomo de cloro de otra molécula. La sustancia final es el cloruro de alcanosulfonilo, se utiliza en la síntesis de compuestos de superficie activa.
Esquemáticamente, el proceso se ve así:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procesos relacionados con la nitración
Los alcanos reaccionan con el ácido nítrico en forma de solución al 10%, así como con el óxido de nitrógeno tetravalente en estado gaseoso. Las condiciones para su flujo son valores de temperatura altos (alrededor de 140 ° C) e indicadores de baja presión. Los nitroalcanos se producen en la salida.
Este proceso de radicales libres lleva el nombre del científico Konovalov, quien descubrió la síntesis de la nitración: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Mecanismo de escisión
Los alcanos se caracterizan por reacciones de deshidrogenación y craqueo. La molécula de metano sufre una descomposición térmica completa.
El mecanismo principal de las reacciones anteriores es la eliminación de átomos de los alcanos.
Proceso de deshidrogenación
Cuando los átomos de hidrógeno se separan del esqueleto carbonado de las parafinas, a excepción del metano, se obtienen compuestos insaturados. Estas reacciones químicas de los alcanos tienen lugar a altas temperaturas (de 400 a 600 °C) y bajo la influencia de aceleradores en forma de óxidos de platino, níquel, cromo y aluminio.
Si en la reacción intervienen moléculas de propano o etano, sus productos serán propeno o eteno con un doble enlace.
Al deshidrogenar un esqueleto de cuatro o cinco carbonos, el dienoconexiones El butano se forma a partir de butadieno-1, 3 y butadieno-1, 2.
Si las sustancias con 6 o más átomos de carbono están presentes en la reacción, entonces se forma benceno. Tiene un núcleo aromático con tres dobles enlaces.
Proceso de descomposición
En condiciones de alta temperatura, las reacciones de los alcanos pueden tener lugar con la ruptura de los enlaces de carbono y la formación de partículas activas de tipo radical. Estos procesos se denominan craqueo o pirólisis.
El calentamiento de los reactivos a temperaturas superiores a 500 °C conduce a la descomposición de sus moléculas, durante la cual se forman mezclas complejas de radicales de tipo alquilo.
La realización de la pirólisis de alcanos con cadenas carbonadas largas bajo fuerte calentamiento está asociada a la obtención de compuestos saturados e insaturados. Se llama craqueo térmico. Este proceso se utilizó hasta mediados del siglo XX.
La desventaja era la producción de hidrocarburos de bajo octanaje (no más de 65), por lo que se sustituyó por el craqueo catalítico. El proceso se desarrolla en condiciones de temperatura inferiores a 440 °C y presiones inferiores a 15 atmósferas, en presencia de un acelerador de aluminosilicato con liberación de alcanos de estructura ramificada. Un ejemplo es la pirólisis de metano: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Durante esta reacción, se forman acetileno e hidrógeno molecular.
La molécula de metano puede sufrir conversión. Esta reacción requiere agua y un catalizador de níquel. Sobre ella salida es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno.
Procesos de oxidación
Las reacciones químicas características de los alcanos involucran la donación de electrones.
Hay autooxidación de parafinas. Implica un mecanismo de radicales libres para la oxidación de hidrocarburos saturados. Durante la reacción se obtienen hidroperóxidos a partir de la fase líquida de los alcanos. En la etapa inicial, la molécula de parafina interactúa con el oxígeno, como resultado, se liberan radicales activos. Además, otra molécula O2 interactúa con la partícula de alquilo, dando como resultado ∙ROO. Una molécula de alcano entra en contacto con el radical peróxido de ácido graso, después de lo cual se libera hidroperóxido. Un ejemplo es la autooxidación del etano:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Los alcanos se caracterizan por reacciones de combustión, que se encuentran entre las principales propiedades químicas cuando se determinan en la composición del combustible. Tienen un carácter oxidativo con liberación de calor: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Si hay una pequeña cantidad de oxígeno en el proceso, el producto final puede ser carbón u óxido divalente de carbono, que está determinado por la concentración de O2.
Cuando los alcanos se oxidan bajo la influencia de sustancias catalíticas y se calientan a 200 °C, las moléculas de alcohol, aldehído oácido carboxílico.
Ejemplo de etano:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal y agua), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ácido etanoico y agua).
Los alcanos pueden oxidarse cuando se exponen a peróxidos cíclicos de tres miembros. Estos incluyen dimetildioxirano. El resultado de la oxidación de las parafinas es una molécula de alcohol.
Los representantes de las parafinas no reaccionan al KMnO4 o al permanganato de potasio, así como al agua de bromo.
Isomerización
En los alcanos, el tipo de reacción se caracteriza por la sustitución con un mecanismo electrofílico. Esto incluye la isomerización de la cadena de carbono. Este proceso es catalizado por el cloruro de aluminio, que interactúa con la parafina saturada. Un ejemplo es la isomerización de una molécula de butano, que se convierte en 2-metilpropano: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proceso de fragancia
Los saturados con seis o más átomos de carbono en la cadena de carbono principal son capaces de deshidrociclación. Tal reacción no es típica para moléculas cortas. El resultado es siempre un anillo de seis miembros en forma de ciclohexano y sus derivados.
En presencia de aceleradores de reacción, tiene lugar una mayor deshidrogenación ytransformación en un anillo de benceno más estable. Los hidrocarburos acíclicos se convierten en compuestos aromáticos o arenos. Un ejemplo es la deshidrociclación del hexano:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ciclohexano), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benceno).
