Greutatea moleculară relativă a aerului este considerată 29 (ținând cont de conținutul de azot, oxigen și alte gaze din aer). Trebuie remarcat faptul că conceptul de „masă moleculară relativă a aerului” este utilizat condiționat, deoarece aerul este un amestec de gaze.

Vom găsi Masă molară gazul format în timpul clorării metanului:

M gaz = 29 ×D aer (gaz) = ​​29 × 5,31 = 154 g/mol.

Aceasta este tetraclorura de carbon - CCl 4. Să scriem ecuația reacției și să aranjam coeficienții stoichiometrici:

CH4 + 4CI2 = CC14 + 4HCI.

Să calculăm cantitatea de substanță tetraclorură de carbon:

n(CC14) = m(CC14) / M(CC14);

n(CC14) = 1,54/154 = 0,01 mol.

Conform ecuației reacției n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, ceea ce înseamnă

n(CH4) = n(CC14) = 0,01 mol.

Apoi, cantitatea de substanță de clor ar trebui să fie egală cu n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), adică. n(Cl2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol.

Să scriem ecuația reacției pentru producerea de clor:

MnO2 + 4HCI = MnCl2 + CI2 + 2H2O.

Numărul de moli de dioxid de mangan este de 0,08 mol, deoarece n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Aflați masa dioxidului de mangan:

m(Mn02) = n(Mn02) × M(Mn02);

M(MnO2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol;

m(MnO2) = 0,08 × 87 = 10,4 g.

CnH2n-1CI3.

Conform formulei

ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100%

Să calculăm greutatea moleculară a tricloroalcanului:

Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) = 3 × 35,5 / 72,20 × 100% = 147,5.

Să găsim valoarea lui n:

12n + 2n - 1 + 35,5×3 = 147,5;

Prin urmare, formula tricloroalcanului este C 3 H 5 Cl 3.

Să compunem formulele structurale ale izomerilor: 1,2,3-triclorpropan (1), 1,1,2-triclorpropan (2), 1,1,3-triclorpropan (3), 1,1,1-triclorpropan ( 4) şi 1,2,2-triclorpropan (5).

CH2CI-CHCI-CH2CI (1);

CHCI2-CHCI-CH3 (2);

CHCI2-CH2-CH2CI (3);

CC13-CH2-CH3(4);

Încălzirea sării de sodiu a acidului acetic (acetat de sodiu) cu un exces de alcali duce la eliminarea grupării carboxil și la formarea metanului:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Dacă luați propionat de sodiu în loc de acetat de sodiu, atunci se formează etan, din butanoat de sodiu - propan etc.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Sinteza Wurtz. Când haloalcanii interacționează cu sodiul metalului alcalin, se formează hidrocarburi saturate și o halogenură de metal alcalin, de exemplu:

Actiunea unui metal alcalin asupra unui amestec de halocarburi (ex. brometan si brometan) va avea ca rezultat formarea unui amestec de alcani (etan, propan si butan).

Reacția pe care se bazează sinteza Wurtz decurge bine numai cu haloalcani în moleculele cărora un atom de halogen este atașat la un atom de carbon primar.

6. Hidroliza carburilor. Când unele carburi care conțin carbon în starea de oxidare -4 (de exemplu, carbura de aluminiu) sunt tratate cu apă, se formează metan:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Proprietăți fizice

Primii patru reprezentanți ai seriei omoloage de metan sunt gaze. Cel mai simplu dintre ele este metanul - un gaz fără culoare, gust și miros (mirosul de „gaz”, pe care trebuie să-l numiți 04, este determinat de mirosul mercaptanilor - compuși care conțin sulf, adăugați special metanului folosit în gospodărie. și aparate industriale pe gaz, pentru ca persoanele din apropiere să poată detecta o scurgere prin miros).

Hidrocarburile cu compoziție de la C5H12 la C15H32 sunt lichide, hidrocarburile mai grele sunt solide.

Punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc treptat odată cu creșterea lungimii lanțului de carbon. Toate hidrocarburile sunt slab solubile în apă; hidrocarburile lichide sunt solvenți organici obișnuiți.

Proprietăți chimice

1. Reacții de substituție. Cele mai caracteristice reacții pentru alcani sunt reacțiile de substituție cu radicali liberi, în timpul cărora un atom de hidrogen este înlocuit cu un atom de halogen sau o grupare.

Să prezentăm ecuațiile celor mai caracteristice reacții.

halogenare:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

În cazul excesului de halogen, clorarea poate merge mai departe, până la înlocuirea completă a tuturor atomilor de hidrogen cu clor:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
clorură de diclormetan metilen

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triclormetan cloroform

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
tetraclorura de carbon tetraclorura de carbon

Substanțele rezultate sunt utilizate pe scară largă ca solvenți și materii prime în sinteze organice.

2. Dehidrogenarea (eliminarea hidrogenului). La trecerea alcanilor peste un catalizator (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) la temperatura ridicata(400-600 °C) se elimină o moleculă de hidrogen și se formează o alchenă:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reacții însoțite de distrugerea lanțului de carbon. Toate hidrocarburile saturate ard pentru a forma dioxid de carbon și apă. Hidrocarburile gazoase amestecate cu aerul în anumite proporții pot exploda. Arderea hidrocarburilor saturate este o reacție exotermă cu radicali liberi, care este foarte importantă atunci când se utilizează alcani ca combustibil.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

ÎN vedere generala Reacția de ardere a alcanilor poate fi scrisă după cum urmează:

Reacțiile de descompunere termică stau la baza procesului industrial de cracare a hidrocarburilor. Acest proces este cea mai importantă etapă a rafinării petrolului.

Când metanul este încălzit la o temperatură de 1000 ° C, începe piroliza metanului - descompunerea în substanțe simple. Când este încălzit la o temperatură de 1500 °C, este posibilă formarea de acetilenă.

4. Izomerizarea. Când hidrocarburile liniare sunt încălzite cu un catalizator de izomerizare (clorură de aluminiu), se formează substanțe cu un schelet de carbon ramificat:

5. Arome. Alcanii cu șase sau mai mulți atomi de carbon în lanț ciclează în prezența unui catalizator pentru a forma benzen și derivații săi:

Care este motivul pentru care alcanii suferă reacții de radicali liberi? Toți atomii de carbon din moleculele de alcan sunt într-o stare de hibridizare sp 3. Moleculele acestor substanțe sunt construite folosind legături C-C (carbon-carbon) nepolare covalente și legături C-H (carbon-hidrogen) slab polare. Nu conțin zone cu densitate electronică crescută sau scăzută sau legături ușor polarizabile, adică astfel de legături în care densitatea electronică se poate schimba sub influența influențelor externe (câmpuri electrostatice ale ionilor). În consecință, alcanii nu vor reacționa cu particulele încărcate, deoarece legăturile din moleculele de alcan nu sunt rupte printr-un mecanism heterolitic.

Cele mai caracteristice reacții ale alcanilor sunt reacțiile de substituție cu radicali liberi. În timpul acestor reacții, un atom de hidrogen este înlocuit cu un atom de halogen sau cu o grupare.

Cinetica și mecanismul reacțiilor în lanț a radicalilor liberi, adică reacțiile care au loc sub influența radicalilor liberi - particule cu electroni nepereche - au fost studiate de remarcabilul chimist rus N. N. Semenov. Pentru aceste studii i s-a acordat Premiul Nobel pentru Chimie.

De obicei, mecanismul reacțiilor de substituție a radicalilor liberi este reprezentat de trei etape principale:

1. Inițierea (nuclearea unui lanț, formarea de radicali liberi sub influența unei surse de energie - lumină ultravioletă, încălzire).

2. Dezvoltarea lanțului (un lanț de interacțiuni secvențiale ale radicalilor liberi și moleculelor inactive, în urma cărora se formează noi radicali și noi molecule).

3. Terminarea lanțului (combinarea radicalilor liberi în molecule inactive (recombinare), „moartea” radicalilor, încetarea dezvoltării unui lanț de reacții).

Cercetare științifică de N.N. Semenov

Semenov Nikolai Nikolaevici

(1896 - 1986)

Fizician și chimist sovietic, academician. Laureat Premiul Nobel (1956). Cercetare științifică se referă la studiul proceselor chimice, catalizei, reacțiilor în lanț, teoria exploziei termice și arderii amestecurilor de gaze.

Să luăm în considerare acest mecanism folosind exemplul reacției de clorinare a metanului:

CH4 + CI2 -> CH3CI + HCI

Initierea lantului are loc ca urmare a faptului ca sub influenta iradierea ultravioletă sau când este încălzită, are loc o scindare omolotică a legăturii Cl-Cl și molecula de clor se dezintegrează în atomi:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Radicalii liberi rezultați atacă moleculele de metan, rupându-le atomul de hidrogen:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCI

și transformându-se în radicali CH3·, care, la rândul lor, ciocnind cu moleculele de clor, le distrug cu formarea de noi radicali:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl etc.

Lanțul se dezvoltă.

Odată cu formarea radicalilor, „moartea” lor are loc ca urmare a procesului de recombinare - formarea unei molecule inactive din doi radicali:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Este interesant de observat că în timpul recombinării, este eliberată doar atâta energie cât este necesară pentru a rupe legătura nou formată. În acest sens, recombinarea este posibilă numai dacă o a treia particulă (o altă moleculă, peretele vasului de reacție) participă la ciocnirea a doi radicali, care absoarbe excesul de energie. Acest lucru face posibilă reglarea și chiar oprirea reacțiilor în lanț ale radicalilor liberi.

Observați ultimul exemplu de reacție de recombinare - formarea unei molecule de etan. Acest exemplu arată că o reacție care implică compuși organici este destul de bună proces dificil, drept urmare, împreună cu produsul de reacție principal, foarte des produse secundare, ceea ce duce la necesitatea dezvoltării unor metode complexe și costisitoare de purificare și izolare a substanțelor țintă.

Amestecul de reacție obținut din clorurarea metanului, împreună cu clormetan (CH3Cl) și acid clorhidric, va conține: diclormetan (CH2Cl2), triclormetan (CHCl3), tetraclorura de carbon (CCl4), etan și produșii săi de clorurare.

Acum să încercăm să luăm în considerare reacția de halogenare (de exemplu, bromurarea) a unui compus organic mai complex - propan.

Dacă în cazul clorării metanului este posibil doar un singur derivat monocloro, atunci în această reacție se pot forma doi derivați monobrom:

Se poate observa că în primul caz, atomul de hidrogen este înlocuit la atomul de carbon primar, iar în al doilea caz, la cel secundar. Sunt ratele acestor reacții aceleași? Rezultă că produsul de substituție al atomului de hidrogen, care se află la carbonul secundar, predomină în amestecul final, adică 2-brompropan (CH3-CHBg-CH3). Să încercăm să explicăm asta.

Pentru a face acest lucru, va trebui să folosim ideea stabilității particulelor intermediare. Ați observat că atunci când descriem mecanismul reacției de clorinare a metanului am menționat radicalul metil - CH3·? Acest radical este o particulă intermediară între metanul CH4 și clormetanul CH3Cl. Particula intermediară dintre propan și 1-brompropan este un radical cu un electron nepereche la carbonul primar și între propan și 2-bromopropan la carbonul secundar.

Un radical cu un electron nepereche la atomul de carbon secundar (b) este mai stabil în comparație cu un radical liber cu un electron nepereche la atomul de carbon primar (a). Se formează în cantități mai mari. Din acest motiv, produsul principal al reacției de bromurare a propanului este 2-bromopropanul, un compus a cărui formare are loc printr-o specie intermediară mai stabilă.

Iată câteva exemple de reacții ale radicalilor liberi:

Reacția de nitrare (reacția Konovalov)

Reacția este folosită pentru a obține compuși nitro - solvenți, materii prime pentru multe sinteze.

Oxidarea catalitică alcani cu oxigen

Aceste reacții stau la baza celor mai importante procese industriale pentru producerea de aldehide, cetone și alcooli direct din hidrocarburi saturate, de exemplu:

CH4 + [O] -> CH3OH

Aplicație

Hidrocarburile saturate, în special metanul, sunt utilizate pe scară largă în industrie (Schema 2). Sunt un combustibil simplu și destul de ieftin, o materie primă pentru producerea unui număr mare de compuși importanți.

Compușii obținuți din metan, cea mai ieftină materie primă de hidrocarburi, sunt utilizați pentru a produce multe alte substanțe și materiale. Metanul este folosit ca sursă de hidrogen în sinteza amoniacului, precum și pentru producerea gazului de sinteză (un amestec de CO și H2), utilizat pentru sinteza industrială a hidrocarburilor, alcoolilor, aldehidelor și a altor compuși organici.

Hidrocarburile cu fracții de ulei cu punct de fierbere mai mare sunt folosite ca combustibil pentru motoarele diesel și turboreactor, ca bază a uleiurilor lubrifiante, ca materii prime pentru producerea grăsimilor sintetice etc.

Să dăm câteva industriale reacții semnificative, care se produce cu participarea metanului. Metanul este folosit pentru a produce cloroform, nitrometan și derivați care conțin oxigen. Alcoolii, aldehidele, acizii carboxilici se pot forma prin interacțiunea directă a alcanilor cu oxigenul, în funcție de condițiile de reacție (catalizator, temperatură, presiune):

După cum știți deja, hidrocarburile cu compoziția de la C5H12 la C11H24 sunt incluse în fracțiunea de benzină a uleiului și sunt utilizate în principal ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă. Se știe că cele mai valoroase componente ale benzinei sunt hidrocarburile izomerice, deoarece au rezistență maximă la detonare.

Când hidrocarburile intră în contact cu oxigenul atmosferic, ele formează încet compuși cu acesta - peroxizi. Aceasta este o reacție lentă a radicalilor liberi, inițiată de o moleculă de oxigen:

Vă rugăm să rețineți că gruparea hidroperoxid se formează la atomi de carbon secundari, care sunt cei mai abundenți în hidrocarburi liniare sau normale.

Odată cu o creștere bruscă a presiunii și a temperaturii care are loc la sfârșitul cursei de compresie, descompunerea acestor compuși de peroxid începe cu formarea un numar mare radicali liberi care „încep” reacția în lanț a radicalilor liberi a arderii mai devreme decât este necesar. Pistonul continuă să urce, iar produsele de ardere a benzinei, care s-au format deja ca urmare a aprinderii premature a amestecului, îl împing în jos. Acest lucru duce la o scădere bruscă a puterii și uzurii motorului.

Astfel, principala cauză a detonării este prezența compușilor peroxidici, capacitatea de formare care este maximă în hidrocarburile liniare.

C-heptanul are cea mai scăzută rezistență la detonare dintre hidrocarburile din fracția de benzină (C5H14 - C11H24). Cel mai stabil (adică formează peroxizi în cea mai mică măsură) este așa-numitul izooctan (2,2,4-trimetilpentan).

O caracteristică general acceptată a rezistenței la detonare a benzinei este cifra octanică. Un număr octanic de 92 (de exemplu, benzină A-92) înseamnă că această benzină are aceleași proprietăți ca un amestec format din 92% izooctan și 8% heptan.

În concluzie, putem adăuga că utilizarea benzinei cu octan ridicat face posibilă creșterea raportului de compresie (presiunea la sfârșitul cursei de compresie), ceea ce duce la creșterea puterii și eficienței motorului cu ardere internă.

A fi în natură și a primi

În lecția de astăzi, ați fost introdus în conceptul de alcani și, de asemenea, ați învățat despre acesta compoziție chimicăși metodele de obținere. Prin urmare, să ne oprim acum mai în detaliu pe tema prezenței alcanilor în natură și să aflăm cum și unde alcanii și-au găsit aplicație.

Principalele surse pentru producerea alcanilor sunt gazele naturale și petrolul. Ele constituie cea mai mare parte a produselor de rafinare a petrolului. Metanul, comun în depozitele de roci sedimentare, este, de asemenea, un hidrat de gaz al alcanilor.

Componenta principală a gazelor naturale este metanul, dar conține și o mică proporție de etan, propan și butan. Metanul poate fi găsit în emisiile din straturile de cărbune, mlaștini și gazele petroliere asociate.

Ankanurile pot fi obținute și prin cărbune de cocsificare. În natură, există și așa-numiții alcani solizi - ozocheriți, care se prezintă sub formă de depozite de ceară de munte. Ozokerita poate fi găsită în învelișurile cerate ale plantelor sau semințele acestora, precum și în ceara de albine.

Izolarea industrială a alcanilor este luată din surse naturale, care, din fericire, sunt încă inepuizabile. Sunt obținute prin hidrogenarea catalitică a oxizilor de carbon. Metanul poate fi produs și în laborator folosind metoda de încălzire a acetatului de sodiu cu alcalii solide sau hidroliza anumitor carburi. Dar alcanii pot fi obținuți și prin decarboxilarea acizilor carboxilici și prin electroliza acestora.

Aplicații ale alcanilor

Alcanii la nivelul gospodăriei sunt utilizați pe scară largă în multe domenii ale activității umane. La urma urmei, este foarte greu să ne imaginăm viața fără gaz natural. Și nu va fi un secret pentru nimeni că baza gazelor naturale este metanul, din care se produce negru de fum, care este folosit la producția de vopsele topografice și anvelope. Frigiderul pe care toată lumea îl are în casă funcționează și datorită compușilor alcani folosiți ca agenți frigorifici. Acetilena obținută din metan este utilizată pentru sudarea și tăierea metalelor.

Acum știți deja că alcanii sunt folosiți drept combustibil. Sunt prezente în benzină, kerosen, motorină și păcură. În plus, se găsesc și în uleiurile lubrifiante, vaselina și parafină.

Ciclohexanul a găsit o utilizare largă ca solvent și pentru sinteza diferiților polimeri. Ciclopropanul este utilizat în anestezie. Squalanul, ca ulei lubrifiant de înaltă calitate, este o componentă a multor preparate farmaceutice și cosmetice. Alcanii sunt materiile prime folosite pentru a produce compuși organici precum alcoolul, aldehidele și acizii.

Parafina este un amestec de alcani superiori și, deoarece nu este toxică, este utilizată pe scară largă în Industria alimentară. Este folosit pentru impregnarea ambalajelor pentru produse lactate, sucuri, cereale etc., dar si la fabricarea gumei de mestecat. Și parafina încălzită este folosită în medicină pentru tratamentul cu parafină.

În plus față de cele de mai sus, capetele de chibrituri sunt impregnate cu parafină pentru o ardere mai bună, din aceasta se fac creioane și lumânări.

Prin oxidarea parafinei se obțin produse care conțin oxigen, în principal acizi organici. Atunci când se amestecă hidrocarburi lichide cu un anumit număr de atomi de carbon, se obține vaselină, care este utilizată pe scară largă în parfumerie și cosmetologie, precum și în medicină. Se foloseste la prepararea diverselor unguente, creme si geluri. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru proceduri termice în medicină.

Sarcini practice

1. Notați formula generală a hidrocarburilor din seria omoloagă a alcanilor.

2. Scrieți formulele posibililor izomeri ai hexanului și denumiți-le după nomenclatura sistematică.

3. Ce este cracarea? Ce tipuri de cracare cunoașteți?

4. Scrieți formulele pentru posibilii produși de cracare a hexanului.

5. Descifrează următorul lanț de transformări. Numiți compușii A, B și C.

6. Dați formula structurală a hidrocarburii C5H12, care formează un singur derivat monobrom la bromurare.

7. Pentru arderea completă a 0,1 mol dintr-un alcan de structură necunoscută s-au consumat 11,2 litri de oxigen (în condiții de mediu). Care este formula structurală a unui alcan?

8. Care este formula structurală a unei hidrocarburi saturate gazoase dacă 11 g din acest gaz ocupă un volum de 5,6 litri (în condiții standard)?

9. Amintiți-vă ce știți despre utilizarea metanului și explicați de ce o scurgere de gaz menajeră poate fi detectată prin miros, deși componentele sale sunt inodore.

10*. La ce compuși se pot obține prin oxidarea catalitică a metanului conditii diferite? Scrieți ecuațiile reacțiilor corespunzătoare.

unsprezece*. Produse de ardere completă (în exces de oxigen) 10,08 litri (N.S.) dintr-un amestec de etan și propan au fost trecuți printr-un exces de apă de var. În acest caz, s-au format 120 g de sediment. Determinați compoziția volumetrică a amestecului inițial.

12*. Densitatea etanului a unui amestec de doi alcani este 1,808. La bromurarea acestui amestec, au fost izolate doar două perechi de monobromoalcani izomeri. Masa totală a izomerilor mai ușori din produșii de reacție este egală cu masa totală a izomerilor mai grei. Determinați fracția de volum a alcanului mai greu din amestecul inițial.

La reformare, alcanii suferă izomerizare, dehidrociclizare și hidrocracare.

Izomerizarea alcanilor are loc prin mecanismul carbocationilor cu formarea de izomeri ușor ramificați, care sunt cei mai stabili termodinamic în condiții de reformare. Viteza de izomerizare crește odată cu creșterea greutății moleculare a alcanului.

Dehidrociclizarea este una dintre cele mai importante reacții de reformare, care constă în transformarea alcanilor în arene:

Dehidrociclizarea are loc odată cu absorbția de căldură (aproximativ 250 kJ/mol), prin urmare constanta de echilibru a reacției crește odată cu creșterea temperaturii. Presiunea deplasează echilibrul reacției spre stânga, adică spre hidrogenarea arenelor. Cu toate acestea, în practică, pentru a reduce depunerile de cocs pe catalizator, procedeul este efectuat sub tensiune arterială crescută hidrogen. La o temperatură de 500 °C sub o presiune a hidrogenului de 1,5-1,7 MPa, gradul de echilibru de conversie a n-heptanului în toluen este de 95%.

Mecanismul de aromatizare a alcanilor nu este complet clar. Sunt posibile următoarele căi:

Dehidrogenarea alcanilor pe platină la trienă urmată de ciclizare pe platină sau alumină:

Ciclizarea C5 pe platină printr-un complex de tranziție ciclică

Dehidrogenarea alcanilor în alchene pe platină și ciclizarea alchenelor pe oxid de aluminiu, de asemenea, cu formarea unui inel cu cinci membri. Reacția are loc printr-un mecanism concertat care implică protonarea dublei legături de către locul acid și abstracția simultană a unui proton dintr-un atom de carbon din lanț:

Inelele cu cinci membri rezultate sunt izomerizate pe locurile acide în cele cu șase membri și apoi dehidrogenate pe metal în arene.

Datele experimentale indică faptul că aromatizarea are loc în toate direcțiile luate în considerare.

Dacă alcanul original conține mai puțin de șase atomi de carbon în lanțul principal, atunci aromatizarea este precedată de izomerizarea alcanului cu extinderea lanțului principal. Viteza de aromatizare crește odată cu creșterea lungimii lanțului alcanic. Alcanii care conțin zece sau mai mulți atomi de carbon formează arene cu inele condensate. Arenele cu lanțuri laterale suficient de lungi pot completa bucle suplimentare:

Ca urmare a dehidrociclizării alcanilor, se formează omologi ai benzenului și naftalenei cu conținutul maxim de substituenți metil în nucleu, ceea ce este permis de structura alcanului original.

Hidrocracarea alcanilor duce la formarea de compuși cu greutate moleculară mică:

Rolul hidrocracării în procesul de reformare nu este clar. Pe de o parte, o scădere a greutății moleculare a alcanilor duce la o creștere a numărului octanic, iar pe de altă parte, ca urmare a hidrocracării, se formează o cantitate semnificativă de produse gazoase, ceea ce reduce randamentul benzinei. Astfel, rolul hidrocracării ar trebui limitat. Mai jos sunt rezultatele reformării n-hexanului în funcție de temperatura la 0,7 MPa și viteza de alimentare volumetrică de 2 h-1:

4740С5000С5250Сgrad de conversie, % 80,286,690,4 Randament per alcan convertit, % (mol.) Arene (benzen) 16,624,127,4 Produse de izomerizare 58,036,923,4 Produse de hidrocracare, 2054,903

Pentru a reduce rolul hidrocracării, este recomandabil să se efectueze procesul la cea mai mică presiune posibilă, ceea ce duce simultan la o creștere a randamentului de echilibru al arenelor. Rezultatele reformării n-nonanului la o temperatură de 510 °C, o viteză spațială de 1,5 h-1 și diferite presiuni (în% din nonanul original):

0.7 MPa2.1 MPaC1-C410.521.5 Nearomatic C5 și peste 19.020.0 Arene: C6 C7 C8 C9 1.6 3.1 6.2 54.6 2.0 5.8 10.1 36.4

Conversia cicloalcanilor

În condiții de reformare, cicloalcanii suferă, de asemenea, izomerizare, dehidrogenare în arene și hidrocracare.

Cicloalcanii cu șase membri izomerizează în alcani cu cinci membri prin mecanismul carbocationilor:

Selectivitatea conversiei ciclohexanului în metilciclopentan și benzen este determinată în cele din urmă de raportul dintre vitezele de reacție și depinde de activitatea componentelor catalizatorului. Izomerizarea are loc la locurile acide în conformitate cu mecanismul carbocationului, prin urmare, cu aciditatea ridicată a catalizatorului, randamentul de metilciclopentan va crește. Dehidrogenarea are loc pe componenta metalică a catalizatorului și, pe măsură ce activitatea metalului crește, viteza de formare a benzenului va crește. Adsorbția unui cicloalcan cu șase atomi pe un metal poate fi însoțită fie de disocierea simultană a șase legături C-H, sau prin eliminare rapidă secvențială a atomilor de hidrogen:

Reacția este endotermă, prin urmare, odată cu creșterea temperaturii, randamentul de echilibru al arenelor crește.

Cicloalcanii biciclici cu șase membri se dehidrogenează la fel de ușor ca și cei monociclici, formând derivați de naftalenă.

Hidrocracarea cicloalcanilor cu șase atomi are loc într-o mică măsură conform schemei descrise pentru alcani. În condiții de reformare, viteza de dehidrogenare a cicloalcanilor cu șase membri în arene este semnificativ mai mare decât viteza altor reacții (izomerizare în cele cu cinci membri și hidrocracare). Prin urmare, selectivitatea conversiei cicloalcanilor în arene este de aproape 100%.

Cicloalcanii substituiți cu cinci membri suferă următoarele reacții în condiții de reformare:

Izomerizarea prin poziția substituenților (prin carbocationi intermediari):

Dehidroizomerizare:

Prima reacție are loc pe locurile acide ale catalizatorului, a doua - pe locurile metalice. Randamentul benzenului crește odată cu creșterea temperaturii și scăderea presiunii. La o temperatură de 500 °C, o scădere a presiunii de la 3,6 la 1,5 MPa duce la o creștere a randamentului de benzen de la 45 la 90% (greutate). Dehidrogenarea ciclopentanului în ciclopentenă și ciclopentadienă practic nu are loc, deoarece viteza acestei reacții este mult mai mică decât viteza dehidroizomerizării. Ciclopentadiena este puternic adsorbită pe metal și otrăvește catalizatorul.

Deschiderea inelului (hidrocracare):

Viteza relativă de hidrogenoliză a diferitelor legături C-C depinde de structura hidrocarburii inițiale, de proprietățile catalizatorului și de condițiile de reacție. Pe un catalizator proaspăt de alumină-platină, hidrogenoliza are loc pe platină, iar raportul produselor din reacțiile (1), (2) și (3) este 2,4:2,1:1. În condițiile procesului, are loc dezactivarea parțială a platinei, iar hidrogenoliza continuă în locurile acide în conformitate cu mecanismul carbocationului:

Produsul principal al reacției este n-hexanul.

Viteza de reacție de dehidroizomerizare a metilciclopentanilor este mai mare decât cea de izomerizare și hidrocracare, astfel încât randamentul de benzen în timpul reformării metilciclopentanului ajunge la 60-70%.

Structura alcanilor

Structura chimică (ordinea conexiunii atomilor din molecule) a celor mai simpli alcani - metan, etan și propan - este arătată prin formulele lor structurale date în secțiunea 2. Din aceste formule reiese clar că există două tipuri de legături chimice în alcani:

S–S și S–N.

Legătura C-C este covalentă nepolară. Legătura C–H este covalentă, slab polară, deoarece carbonul și hidrogenul sunt apropiate ca electronegativitate (2,5 pentru carbon și 2,1 pentru hidrogen). Formarea legăturilor covalente în alcani datorită perechilor de electroni împărtășiți de atomi de carbon și hidrogen poate fi demonstrată folosind formule electronice:

Formulele electronice și structurale reflectă structura chimică, dar nu oferă o idee despre structura spațială a moleculelor, care afectează în mod semnificativ proprietățile substanței.

Structura spațială, de ex. aranjarea relativă a atomilor unei molecule în spațiu depinde de direcția orbitalilor atomici (AO) ai acestor atomi. În hidrocarburi, rolul principal îl joacă orientarea spațială a orbitalilor atomici ai carbonului, deoarece 1s-AO sferic al atomului de hidrogen îi lipsește o orientare specifică.

Aranjarea spațială a carbonului AO, la rândul său, depinde de tipul de hibridizare a acestuia (Partea I, Secțiunea 4.3). Atomul de carbon saturat din alcani este legat de alți patru atomi. Prin urmare, starea sa corespunde hibridizării sp3 (Partea I, secțiunea 4.3.1). În acest caz, fiecare dintre cele patru AO de carbon hibrid sp3 participă la suprapunerea axială (σ-) cu s-AO al hidrogenului sau cu sp3-AO al altui atom de carbon, formând legături σ-CH sau C-C.

Cele patru legături σ ale carbonului sunt direcționate în spațiu la un unghi de 109°28", ceea ce corespunde cu cea mai mică respingere a electronilor. Prin urmare, molecula celui mai simplu reprezentant al alcanilor - metanul CH4 - are forma unui tetraedru, în centrul căruia se află un atom de carbon, iar la vârfuri sunt atomi de hidrogen:

Unghiul de legătură N-C-H este egal 109о28". Structura spațială a metanului poate fi prezentată utilizând modele volumetrice (la scară) și modele cu bile și baston.

Pentru înregistrare, este convenabil să utilizați o formulă spațială (stereochimică).

În molecula următorului omolog, etan C2H6, doi atomi de carbon tetraedrici sp3 formează o structură spațială mai complexă:

Moleculele de alcan care conțin mai mult de 2 atomi de carbon sunt caracterizate prin forme curbate.

Izomeria alcanilor

Izomeria este fenomenul de existență a unor compuși care au aceeași compoziție (aceeași formulă moleculară), dar structuri diferite. Se numesc astfel de conexiuni izomerii.

Diferențele în ordinea în care atomii sunt combinați în molecule (adică structura chimică) duc la izomerie structurală. Structura izomerilor structurali este reflectată de formulele structurale. În seria alcanilor, izomeria structurală se manifestă atunci când lanțul conține 4 sau mai mulți atomi de carbon, adică. începând cu butan C4H10. Dacă în molecule cu aceeași compoziție și aceeași structură chimică sunt posibile poziții relative diferite ale atomilor în spațiu, atunci observăm izomerie spațială (stereoizomerie). În acest caz, utilizarea formulelor structurale nu este suficientă și ar trebui folosite modele moleculare sau formule speciale - stereochimice (spațiale) sau de proiecție.

Alcanii, începând cu etan H 3 C–CH 3, există în diferite forme spațiale ( conformaţiilor), cauzată de rotația intramoleculară de-a lungul legăturilor C–C σ și prezintă așa-numita izomerie rotațională (conformațională)..

În plus, dacă o moleculă conține un atom de carbon legat de 4 substituenți diferiți, este posibil un alt tip de izomerie spațială, atunci când doi stereoizomeri se relaționează unul cu celălalt ca obiect și imaginea lui în oglindă (similar modului în care mâna stângă se referă la cel potrivit). Astfel de diferențe în structura moleculelor sunt numite izomerie optică.

. Izomeria structurală a alcanilor

Izomerii structurali sunt compuși de aceeași compoziție care diferă în ordinea legăturii atomilor, adică. structura chimică a moleculelor.

Motivul manifestării izomeriei structurale în seria alcanilor este capacitatea atomilor de carbon de a forma lanțuri de structuri diferite izomeria scheletului de carbon.

De exemplu, un alcan cu compoziţia C4H10 poate exista sub formă Două izomeri structurali:

şi alcan C5H12 - sub formă Trei izomeri structurali care diferă în structura lanțului de carbon:

Odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din molecule, crește posibilitățile de ramificare a lanțului, adică. numărul de izomeri crește odată cu numărul de atomi de carbon.

Izomerii structurali diferă prin proprietăți fizice. Alcanii cu structură ramificată, datorită împachetării mai puțin dense a moleculelor și, în consecință, interacțiunilor intermoleculare mai mici, fierb la o temperatură mai scăzută decât izomerii lor neramificati.

Tehnici de construire a formulelor structurale ale izomerilor

Să ne uităm la exemplul unui alcan CU 6 N 14 .

1. În primul rând, descriem molecula de izomer liniar (scheletul său de carbon)

2. Apoi scurtăm lanțul cu 1 atom de carbon și atașăm acest atom la orice atom de carbon al lanțului ca o ramificare a acestuia, excluzând pozițiile extreme:

(2) sau (3)

Dacă atașați un atom de carbon la una dintre pozițiile extreme, structura chimică a lanțului nu se schimbă:

În plus, trebuie să vă asigurați că nu există repetări. Astfel, structura este identică cu structura (2).

3. Când toate pozițiile lanțului principal au fost epuizate, scurtăm lanțul cu încă 1 atom de carbon:

Acum vor fi 2 atomi de carbon în ramurile laterale. Următoarele combinații de atomi sunt posibile aici:

Un substituent lateral poate consta din 2 sau mai mulți atomi de carbon conectați în serie, dar pentru hexan nu există izomeri cu astfel de ramuri laterale, iar structura este identică cu structura (3).

Substituentul lateral - C-C poate fi plasat doar într-un lanț care conține cel puțin 5 atomi de carbon și poate fi atașat doar la al 3-lea și ulterior atom de la capătul lanțului.

4. După construirea scheletului de carbon al izomerului, este necesară completarea tuturor atomilor de carbon din moleculă cu legături de hidrogen, având în vedere că carbonul este tetravalent.

Deci, compoziția CU 6 N 14 corespunde la 5 izomeri: 1) 2) 3) 4) 5)

Proprietățile chimice ale alcanilor

Alcanii (parafinele) sunt hidrocarburi neciclice în ale căror molecule toți atomii de carbon sunt legați doar prin legături simple. Cu alte cuvinte, nu există multiple - legături duble sau triple - în moleculele de alcani. De fapt, alcanii sunt hidrocarburi care conțin numărul maxim posibil de atomi de hidrogen și de aceea se numesc limitatori (saturați).

Din cauza saturației, alcanii nu pot suferi reacții de adiție.

Deoarece atomii de carbon și hidrogen au o electronegativitate destul de apropiată, acest lucru duce la faptul că legăturile C-H din moleculele lor sunt extrem de scăzute. În acest sens, pentru alcani, reacțiile care au loc prin mecanismul de substituție radicalică, notate cu simbolul S R, sunt mai tipice.

1. Reacții de substituție

În reacții de acest tip legăturile carbon-hidrogen se rup

RH + XY → RX + HY

Halogenare

Alcanii reacționează cu halogenii (clorul și bromul) atunci când sunt expuși la lumină ultravioletă sau la căldură ridicată. În acest caz, se formează un amestec de derivați de halogen cu diferite grade de substituție a atomilor de hidrogen - mono-, ditri- etc. alcani substituiți cu halogen.

Folosind metanul ca exemplu, arată astfel:

Prin modificarea raportului halogen/metan din amestecul de reacție, este posibil să se asigure că orice derivat specific de halogen al metanului predomină în compoziția produselor.

Mecanismul de reacție

Să analizăm mecanismul reacției de substituție a radicalilor liberi folosind exemplul interacțiunii metanului și clorului. Se compune din trei etape:

1. inițierea (sau nuclearea în lanț) este procesul de formare a radicalilor liberi sub influența energiei externe - iradiere cu lumină UV sau încălzire. În această etapă, molecula de clor suferă o scindare omolotică a legăturii Cl-Cl cu formarea de radicali liberi:

Radicalii liberi, după cum se poate observa din figura de mai sus, sunt atomi sau grupuri de atomi cu unul sau mai mulți electroni nepereche (Cl, H, CH3, CH2 etc.);

2. Dezvoltarea lanțului

Această etapă implică interacțiunea radicalilor liberi activi cu moleculele inactive. În acest caz, se formează noi radicali. În special, atunci când radicalii de clor acționează asupra moleculelor de alcan, se formează un radical alchil și clorură de hidrogen. La rândul său, radicalul alchil, ciocnind cu moleculele de clor, formează un derivat de clor și un nou radical de clor:

3) Ruperea (moartea) circuitului:

Apare ca urmare a recombinării a doi radicali unul cu altul în molecule inactive:

2. Reacții de oxidare

În condiții normale, alcanii sunt inerți față de agenți oxidanți puternici precum acizii sulfuric și azotic concentrați, permanganatul și dicromatul de potasiu (KMnO4, K2Cr2O7).

Arderea în oxigen

A) ardere completă cu exces de oxigen. Conduce la formarea de dioxid de carbon și apă:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

B) ardere incompletă din cauza lipsei de oxigen:

2CH4 + 3O2 = 2CO + 4H2O

CH4 + O2 = C + 2H2O

Oxidare catalitică cu oxigen

Ca urmare a încălzirii alcanilor cu oxigen (~200 o C) în prezența catalizatorilor, din aceștia se pot obține o mare varietate de produse organice: aldehide, cetone, alcooli, acizi carboxilici.

De exemplu, metanul, în funcție de natura catalizatorului, poate fi oxidat în alcool metilic, formaldehidă sau acid formic:

3. Transformări termice ale alcanilor

Cracare

Cracking (din engleză la crack - tear) este proces chimic procedând la temperaturi ridicate, în urma căreia scheletul de carbon al moleculelor de alcan se descompune cu formarea de molecule de alchenă și alcani cu greutăți moleculare mai mici în comparație cu alcanii originali. De exemplu:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH=CH2

Cracarea poate fi termică sau catalitică. Pentru a efectua cracarea catalitică, datorită utilizării catalizatorilor, se folosesc temperaturi semnificativ mai scăzute în comparație cu cracarea termică.

Dehidrogenare

Eliminarea hidrogenului are loc ca urmare a clivajului legăturilor C-H; efectuată în prezența catalizatorilor la temperaturi ridicate. Când metanul este dehidrogenat, se formează acetilena:

2CH4 → C2H2 + 3H2

Încălzirea metanului la 1200 °C duce la descompunerea acestuia în substanțe simple:

CH4 → C + 2H2

Când alcanii rămași sunt dehidrogenați, se formează alchene:

C2H6 → C2H4 + H2

La dehidrogenare n-se formează butan, buten-1 și buten-2 (cel din urmă sub formă cis-Și transă-izomeri):

Dehidrociclizare

Izomerizarea

Proprietățile chimice ale cicloalcanilor

Proprietățile chimice ale cicloalcanilor cu mai mult de patru atomi de carbon în inele lor sunt, în general, aproape identice cu proprietățile alcanilor. Destul de ciudat, ciclopropanul și ciclobutanul sunt caracterizate prin reacții de adiție. Acest lucru se datorează tensiunii ridicate din cadrul ciclului, ceea ce duce la faptul că aceste cicluri tind să se rupă. Deci, ciclopropanul și ciclobutanul adaugă cu ușurință brom, hidrogen sau acid clorhidric:

Proprietățile chimice ale alchenelor

1. Reacții de adaos

Deoarece legătura dublă din moleculele de alchenă constă dintr-o legătură sigma puternică și o legătură pi slabă, aceștia sunt compuși destul de activi care suferă cu ușurință reacții de adiție. Alchenele suferă adesea astfel de reacții chiar și în condiții blânde - la rece, în soluții apoase și solvenți organici.

Hidrogenarea alchenelor

Alchenele sunt capabile să adauge hidrogen în prezența catalizatorilor (platină, paladiu, nichel):

CH3-CH = CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3

Hidrogenarea alchenelor are loc cu ușurință chiar și la presiune normală și încălzire ușoară. Un fapt interesant este că aceiași catalizatori pot fi utilizați pentru dehidrogenarea alcanilor în alchene, doar procesul de dehidrogenare are loc la o temperatură mai mare și presiune mai mică.

Halogenare

Alchenele suferă ușor reacții de adiție cu brom atât în ​​soluție apoasă, cât și în solvenți organici. Ca urmare a interacțiunii, soluțiile inițial de brom galben își pierd culoarea, adică. deveni decolorat.

CH2 =CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br

Hidrohalogenare

După cum este ușor de văzut, adăugarea unei halogenuri de hidrogen la o moleculă de alchenă nesimetrică ar trebui, teoretic, să conducă la un amestec de doi izomeri. De exemplu, atunci când bromură de hidrogen este adăugată la propenă, ar trebui să se obțină următoarele produse:

Cu toate acestea, în absența unor condiții specifice (de exemplu, prezența peroxizilor în amestecul de reacție), adăugarea unei molecule de halogenură de hidrogen va avea loc strict selectiv, în conformitate cu regula lui Markovnikov:

Adăugarea unei halogenuri de hidrogen la o alchenă are loc în așa fel încât un hidrogen este adăugat la un atom de carbon cu un număr mai mare de atomi de hidrogen (mai hidrogenați) și un halogen este adăugat la un atom de carbon cu un număr mai mic de hidrogen. atomi (mai puțin hidrogenați).

Hidratarea

Această reacție duce la formarea de alcooli și, de asemenea, procedează în conformitate cu regula lui Markovnikov:

După cum puteți ghici cu ușurință, datorită faptului că adăugarea de apă la o moleculă de alchenă are loc conform regulii lui Markovnikov, formarea unui alcool primar este posibilă numai în cazul hidratării etilenei:

CH2 =CH2 + H20 → CH3-CH2-OH

Prin această reacție, cea mai mare parte a alcoolului etilic este realizată în industria pe scară largă.

Polimerizare

Un caz specific al unei reacții de adiție este o reacție de polimerizare, care, spre deosebire de halogenare, hidrohalogenare și hidratare, are loc printr-un mecanism de radicali liberi:

Reacții de oxidare

Ca toate celelalte hidrocarburi, alchenele ard cu ușurință în oxigen pentru a forma dioxid de carbon și apă. Ecuația pentru arderea alchenelor în exces de oxigen are forma:

CnH2n + (3/2) n02 → nCO2 + nH2O

Spre deosebire de alcani, alchenele sunt ușor de oxidat. Când acţionează asupra alchenelor soluție apoasă decolorarea KMnO 4, care este reacție calitativă pe legăturile CC duble și triple din molecule materie organică.

Oxidarea alchenelor cu permanganat de potasiu într-o soluție neutră sau slab alcalină duce la formarea de dioli (alcooli dihidroxilici):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (răcire)

Într-un mediu acid, legătura dublă este complet ruptă, iar atomii de carbon care au format legătura dublă sunt transformați în grupe carboxil:

5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (încălzire)

Dacă legătura dublă C=C este situată la capătul moleculei de alchenă, atunci dioxidul de carbon se formează ca produs al oxidării atomului de carbon cel mai exterior la legătura dublă. Acest lucru se datorează faptului că produsul intermediar de oxidare, acidul formic, se oxidează ușor într-un exces de agent oxidant:

5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (încălzire)

Oxidarea alchenelor în care atomul de C de la legătura dublă conține doi substituenți hidrocarburi produce o cetonă. De exemplu, oxidarea 2-metilbutenei-2 produce acetonă și acid acetic.

Pentru a determina structura lor se folosește oxidarea alchenelor, în care scheletul de carbon este rupt la legătura dublă.

Proprietățile chimice ale alcadienelor

Reacții de adaos

De exemplu, adăugarea de halogeni:

Apa cu brom devine decolorată.

În condiții normale, adăugarea atomilor de halogen are loc la capetele moleculei de 1,3-butadienă, în timp ce legăturile π sunt rupte, atomii de brom sunt adăugați la atomii de carbon extremi, iar valențele libere formează o nouă legătură π . Astfel, are loc o „mișcare” a dublei legături. Dacă există un exces de brom, se poate adăuga o altă moleculă la locul dublei legături formate.

Reacții de polimerizare

Proprietățile chimice ale alchinelor

Alchinele sunt hidrocarburi nesaturate (nesaturate) și, prin urmare, sunt capabile să sufere reacții de adiție. Dintre reacțiile de adiție pentru alchine, adiția electrofilă este cea mai comună.

Halogenare

Deoarece tripla legătură a moleculelor de alchină constă dintr-o legătură sigma mai puternică și două legături pi mai slabe, acestea sunt capabile să atașeze una sau două molecule de halogen. Adăugarea a două molecule de halogen de către o moleculă de alchină are loc printr-un mecanism electrofil secvenţial în două etape:

Hidrohalogenare

Adăugarea de molecule de halogenură de hidrogen are loc, de asemenea, printr-un mecanism electrofil și în două etape. În ambele etape, aderarea se desfășoară în conformitate cu regula lui Markovnikov:

Hidratarea

Adăugarea de apă la alchine are loc în prezența sărurilor ruti într-un mediu acid și se numește reacția Kucherov.

Ca urmare a hidratării, adăugarea de apă la acetilenă produce acetaldehidă (aldehidă acetică):

Pentru omologii acetilenei, adăugarea de apă duce la formarea de cetone:

Hidrogenarea alchinelor

Alchinele reacţionează cu hidrogenul în două etape. Metale precum platina, paladiul și nichelul sunt folosite ca catalizatori:

Trimerizarea alchinelor

Când acetilena este trecută peste cărbune activ la temperatură ridicată, din acesta se formează un amestec de diferite produse, principalul dintre care este benzenul, un produs al trimerizării acetilenei:

Dimerizarea alchinelor

De asemenea, acetilena suferă o reacție de dimerizare. Procesul are loc în prezența sărurilor de cupru ca catalizatori:

Oxidarea alchinelor

Alchinele ard în oxigen:

C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O

Reacția alchinelor cu bazele

Alchinele cu un C≡C triplu la capătul moleculei, spre deosebire de alte alchine, sunt capabile să intre în reacții în care atomul de hidrogen de la legătura triplă este înlocuit cu un metal. De exemplu, acetilena reacţionează cu amida de sodiu în amoniac lichid:

HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,

și, de asemenea, cu o soluție de amoniac de oxid de argint, formând substanțe insolubile asemănătoare sărurilor numite acetilenide:

Datorită acestei reacții, este posibilă recunoașterea alchinelor cu o legătură triplă terminală, precum și izolarea unei astfel de alchine dintr-un amestec cu alte alchine.

Trebuie remarcat faptul că toate acetilenidele de argint și cupru sunt substanțe explozive.

Acetilenurile sunt capabile să reacționeze cu derivații de halogen, care sunt utilizați în sinteza compușilor organici mai complecși cu o legătură triplă:

CH3-C≡CH + NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3

CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr

Proprietățile chimice ale hidrocarburilor aromatice

Natura aromatică a legăturii afectează Proprietăți chimice benzen și alte hidrocarburi aromatice.

Sistemul de electroni 6pi unificat este mult mai stabil decât legăturile pi obișnuite. Prin urmare, reacțiile de substituție, mai degrabă decât reacțiile de adiție, sunt mai tipice pentru hidrocarburile aromatice. Arenele suferă reacții de substituție printr-un mecanism electrofil.

Reacții de substituție

Halogenare

Nitrare

Reacția de nitrare are loc cel mai bine sub influența acidului azotic nu pur, ci a amestecului acestuia cu acid sulfuric concentrat, așa-numitul amestec de nitrare:

Alchilare

O reacție în care unul dintre atomii de hidrogen din inelul aromatic este înlocuit cu un radical de hidrocarbură:

Alchenele pot fi, de asemenea, utilizate în locul alcanilor halogenați. Ca catalizatori pot fi utilizate halogenuri de aluminiu, halogenuri ferice sau acizi anorganici.<

Reacții de adaos

Hidrogenarea

Adaos de clor

Decurge printr-un mecanism radical la iradierea intensă cu lumină ultravioletă:

O reacție similară poate apărea numai cu clorul.

Reacții de oxidare

Combustie

2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q

Oxidare incompletă

Inelul benzenic este rezistent la agenții oxidanți precum KMnO4 și K2Cr2O7. Nu există nicio reacție.

Substituenții de pe inelul benzenic sunt împărțiți în două tipuri:

Să luăm în considerare proprietățile chimice ale omologilor benzenului folosind toluenul ca exemplu.

Proprietățile chimice ale toluenului

Halogenare

Molecula de toluen poate fi considerată ca fiind formată din fragmente de molecule de benzen și metan. Prin urmare, este logic să presupunem că proprietățile chimice ale toluenului ar trebui să combine într-o oarecare măsură proprietățile chimice ale acestor două substanțe luate separat. Acesta este adesea ceea ce se observă în timpul halogenării sale. Știm deja că benzenul suferă o reacție de substituție cu clorul printr-un mecanism electrofil, iar pentru a realiza această reacție este necesar să se utilizeze catalizatori (halogenuri de aluminiu sau ferice). În același timp, metanul este, de asemenea, capabil să reacționeze cu clorul, dar printr-un mecanism de radicali liberi, care necesită iradierea amestecului de reacție inițial cu lumină UV. Toluenul, în funcție de condițiile în care este supus clorării, poate da fie produse de substituție a atomilor de hidrogen în inelul benzenic - pentru aceasta trebuie să utilizați aceleași condiții ca și pentru clorurarea benzenului, fie produse de substituție a hidrogenului. atomi din radicalul metil, dacă este, cum acționează clorul asupra metanului sub iradiere ultravioletă:

După cum puteți vedea, clorurarea toluenului în prezența clorurii de aluminiu a condus la două produse diferite - orto- și para-clorotoluen. Acest lucru se datorează faptului că radicalul metil este un substituent de primul fel.

Dacă clorurarea toluenului în prezența AlCl3 este efectuată în exces de clor, este posibilă formarea de toluen triclorosubstituit:

În mod similar, atunci când toluenul este clorurat la lumină la un raport clor/toluen mai mare, se poate obține diclorometilbenzen sau triclorometilbenzen:

Nitrare

Înlocuirea atomilor de hidrogen cu o grupare nitro în timpul nitrarii toluenului cu un amestec de acizi azotic și sulfuric concentrați duce la produși de substituție în ciclul aromatic, mai degrabă decât radicalul metil:

Alchilare

După cum sa menționat deja, radicalul metil este un agent de orientare de primul fel, prin urmare alchilarea sa conform Friedel-Crafts duce la produși de substituție în pozițiile orto și para:

Reacții de adaos

Toluenul poate fi hidrogenat la metilciclohexan folosind catalizatori metalici (Pt, Pd, Ni):

C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

Oxidare incompletă

Când este expus la un agent oxidant, cum ar fi o soluție apoasă de permanganat de potasiu, lanțul lateral suferă oxidare. Miezul aromatic nu se poate oxida în astfel de condiții. În acest caz, în funcție de pH-ul soluției, se va forma fie un acid carboxilic, fie sarea acestuia.