Радикал орлуулалт: урвалын тайлбар, онцлог, жишээ

2024 Зохиолч: Angel Austin | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-02 17:52

Химийн шинжлэх ухаанд радикал орлуулалт гэдэг нь чөлөөт радикалууд нь тухайн бодисын молекул руу довтолж, түүний бие даасан атомуудыг орлуулах урвал юм. Орлуулах урвал нь шинэ радикалуудыг үүсгэдэг. Бүх чөлөөт радикалууд арилах хүртэл гинжин урвал үргэлжилнэ.

Радикалын тодорхойлолт

Радикал гэдэг нь гаднах электрон давхарга дээрээ нэг буюу хэд хэдэн хосгүй электронтой атом эсвэл молекул юм. Энэ нь хосгүй электронууд гэсэн үг юм. Молекул нэг электрон авах эсвэл эсрэгээр нэг электрон алдах үед радикал үүсч болно. Ихэнх чөлөөт радикалууд нь гаднах электрон давхарга нь бүрэн бус байдаг тул тогтворгүй байдаг. Тиймээс радикалууд зарим бодистой амархан урвалд орж шинэ бодис, чөлөөт радикалуудыг үүсгэдэг.

Радикал гэж юу вэ?

Радикалуудыг ангилах үндсэн бүлгүүд:

тогтвортой байдал: тогтвортой ба тогтворгүй;
цэнэглэгдсэн: цэнэггүй, сөрөг болон эерэг цэнэгтэй;
холболтын зэрэг: чөлөөтэй бөгөөд төвөгтэй.

Тогтвортой радикалууд

Ихэнхдээ радикалууд бага зэрэг "амьдардаг" бөгөөд аль болох хурдан хариу үйлдэл үзүүлэх гэж яардаг. Ийм радикалууд хэдэн секунд эсвэл хэдэн секундын турш оршдог бөгөөд тэдгээрийг тогтворгүй гэж нэрлэдэг. Гэхдээ тогтвортой байдаг хүмүүс байдаг, тэдний оршин тогтнох хугацаа хэдэн жил хүрч болно. Органик бус химийн хувьд O3, NO, ClO2, NO2 болон бусад бодисыг тогтвортой гэж үздэг. Органик хэсэгт илүү тогтвортой радикалууд байдаг. Тэдгээрийг хэд хэдэн бүлэгт хуваадаг:

нүүрс устөрөгч;
гидразил;
нитроксид;
аминил;
арокси;
вердазил.

Радикал орлуулалтын урвалын механизм

Урвалын механизм гурван үе шаттай:

Эхлэл. Гадны хүчин зүйлсээр (халаалт, цацраг туяа, химийн болон цахилгаан катализатор) бодисын молекул дахь холбоо устаж, чөлөөт радикалууд үүсдэг.
Гинжин хэлхээний хөгжил буюу түүний өсөлт. Чөлөөт элементүүд молекулуудтай харилцан үйлчилж, улмаар шинэ бодис, радикалууд үүсдэг.
Нээлттэй хэлхээ. Гурав дахь шатанд радикалууд бие биетэйгээ нийлдэг. Тэдний рекомбинац (өөр өөр хэсгүүдэд хамаарах хосгүй электронуудын нэгдэл) үүсдэг тул шинэ бие даасан молекулууд гарч ирдэг. Ямар ч чөлөөт радикал үлдээгүй бөгөөд урвалын гинжин хэлхээг бүрэн гүйцэд гэж үзнэ.

Ердийн орлуулалтын урвал

Ихэвчлэн алканыг галогенжүүлэх жишээн дээр радикал орлуулалтын урвалыг харуулдаг. Хамгийн энгийн алканметан нь CH4 бөгөөд хамгийн түгээмэл галоген бол хлор юм.

Алканууд

Алканууд нь зөвхөн энгийн холбоо агуулсан ханасан нүүрсустөрөгчид юм. Алкануудын ерөнхий томьёо нь CnH2n+2. Ханасан нүүрсустөрөгчид нь хамгийн их устөрөгчийн атом агуулсан нүүрсустөрөгч юм. Өмнө нь эдгээр бодисууд нь хүчил, шүлт гэх мэт бодисуудтай урвалд ордоггүй тул алкануудыг парафин гэж нэрлэдэг байсан. Үнэн хэрэгтээ хүчтэй урвалжуудтай харилцан үйлчлэхэд тэсвэртэй байдал нь С-С, С-Н холболтын бат бөх чанараас үүдэлтэй юм. Алкануудын ханалт нь нэмэлт урвалд оролцдоггүйг харуулж байна. Эдгээр нь задрал, орлуулалт болон бусад урвалаар тодорхойлогддог.

Галоген

Радикал орлуулах урвал явуулахын тулд галогенийг тодорхойлох хэрэгтэй. Галогенууд нь үелэх системийн 17-р бүлгийн элементүүд юм. Галогенүүд нь Cl (хлор), I (иод), F (фтор), Br (бром) ба At (астатин) юм. Бүх галогенууд нь металл бус, хүчтэй исэлдүүлэгч бодис юм. Фтор нь хамгийн их исэлдүүлэх үйл ажиллагаатай, астатин хамгийн бага байдаг. Алканыг галогенжуулах явцад бодис дахь нэг буюу хэд хэдэн устөрөгчийн атомыг галогенээр сольдог.

Метан галогенжилтийн жишээн дээр орлуулах механизм

Метан нь хамгийн энгийн алкан гэж тооцогддог тул түүний галогенжих урвалыг санахад хялбар бөгөөд үүний үндсэн дээр бусад алкануудыг радикал орлуулалт хийдэг. Хлорыг ихэвчлэн галоген болгон авдаг. Энэ нь дунд зэргийн хариу үйлдэл үзүүлдэг. Алкануудын иодтой урвалд ордоггүй, учир нь энэ нь сул галоген юм. Фтортой харилцан үйлчлэл нь дэлбэрэлтээр явагддаг, учир нь фторын атомууд маш их байдагидэвхтэй. Хэдийгээр алканыг хлороор орлуулах урвалын үед ч дэлбэрэлт үүсч болно.

Гинжин хэлхээний гарал үүсэл. Нар, хэт ягаан туяа эсвэл халалтын нөлөөн дор хлор Cl2 молекул хоёр чөлөөт радикал болж задардаг. Гаднах давхаргад тус бүр нэг хосгүй электронтой.

Cl_{2 → 2Cl}

Гинжин хэлхээний хөгжил эсвэл өсөлт. Метан молекулуудтай харилцан үйлчилж, чөлөөт радикалууд шинийг үүсгэж, өөрчлөлтийн гинжийг үргэлжлүүлнэ.

CH₄ + Cl → CH_{3 + HCl}

CH₃ + Cl₂ → CH_{3Cl + Cl}

Бүх чөлөөт радикалууд арилах хүртэл урвал үргэлжилнэ.

Гинжийг таслах нь алканыг радикалаар орлуулах эцсийн алхам юм. Радикалууд хоорондоо нэгдэж шинэ молекулуудыг үүсгэдэг.

CH₃ + Cl → CH_3Cl

CH₃+ ·CH₃ → CH₃ – CH3

Метан хлоржуулах

Нарны гэрлийн нөлөөн дор хлорын радикалууд метан дахь бүх устөрөгчийн атомыг орлоно. Устөрөгчийг бүрэн солихын тулд хольц дахь хлорын эзлэх хувь хангалттай байх ёстой. Тиймээс метанаас дөрвөн дериватив гаргаж авах боломжтой:

CH_{3Cl – хлорметан.}

CH₂Cl_{2 – дихлорметан.}

CHCl_{3 – трихлорометан (хлороформ).}

CCl_{4 – дөрвөн хлорт нүүрстөрөгч.}

Бусад алкануудын галогенжилт

Пропанаас эхлэн (C₃H_{8) алканууд нь гуравдагч болон хоёрдогч нүүрстөрөгчийн атомуудтай. Салбарласан алкануудын галогенжилтөөр үр дүн өгч болно. Радикал орлуулах урвалын үр дүнд алкануудын изомерууд үүсдэг. Үүссэн бодис бүрийн масс нь температураас хамаарч ихээхэн ялгаатай байж болно.}

Дулааны галогенжилтийн үед үүссэн бүтээгдэхүүний найрлагыг нарийн төвөгтэй алкануудад анхдагч, хоёрдогч, гуравдагч байдаг нүүрстөрөгчийн атомуудын C-H-бондуудын тооны харьцаанд үндэслэн тодорхойлно. Фотохимийн галогенжилтийн үр дүнд үүссэн бүтээгдэхүүний найрлага нь галоген атомууд устөрөгчийн атомыг солих хурдаас хамаарна. Гуравдагч устөрөгчийн атомын оронд галоген нь хамгийн хялбар байдаг. Хоёрдогч болон үндсэн хэсгийг солиход илүү хэцүү.

Пропан хлоржуулах

Пропаныг катализатороор температурыг 450 ⁰С хүртэл нэмэгдүүлэх хэлбэрээр хлоржуулахад 2-хлоропропан 25%, 1-хлоропропан 75%-ийн хэмжээгээр үүснэ.

2CH₃CH₂CH₃ + 2Cl₂ → CH₃CH(Cl)CH₃ + CH₃CH 2_CH2C_{l + 2HCl}

Нарны гэрлийг ашиглан алканы радикал орлуулалт хийвэл 57% 2-хлоропропан, 43% 1-хлоропропан гарч ирнэ.

Эхний болон хоёр дахь урвалын хооронд олж авсан бодисын массын зөрүүг хоёр дахь тохиолдолд хоёрдогч атомын нэг Н атомын орлуулах хурд нь хоёрдогч атомынхаас 4 дахин их байгаатай холбон тайлбарлаж байна. анхдагч, хэдийгээр пропан молекулд анхдагч C-H холбоо илүү байдаг.

Исэлдүүлэх урвал

Чөлөөт радикалууд дахин алкануудын исэлдэлтийн урвалд оролцдог. Энэ тохиолдолд радикал О_{2алканы молекулд наалдаж, бүрэн буюу бүрэн бус исэлдэлтийн урвал явагдана. Бүрэн исэлдэлтийг шаталт гэнэ:}

SN₄ + 2O₂ → CO₂ + 2N _2O

Радикал орлуулах механизмаар алкануудын шаталтын урвалыг үйлдвэрт дулааны цахилгаан станц, дотоод шаталтат хөдөлгүүрт түлш болгон өргөн ашигладаг. Ийм машины хөдөлгүүрт зөвхөн салаалсан алкануудыг байрлуулж болно. Энгийн шугаман алканууд ICE-д дэлбэрдэг. Радикал орлуулалтын үр дүнд үүссэн дэгдэмхий бус үлдэгдлийг тосолгооны материал, асфальт, парафин гэх мэт үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Хэсэгчилсэн исэлдэлт

Аж үйлдвэрт метаныг хэсэгчлэн исэлдүүлэх явцад үүссэн хольцыг синтетик алкан үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Метанаас агаарт бүрэн бус исэлдэлтээр метилийн спирт (CH_{3OH), формальдегид (HCHO), шоргоолжны хүчил (HCOOH) гаргаж авах боломжтой. Бутаныг үйлдвэрт исэлдүүлэхэд цууны хүчил үүсдэг:}

2С₄Н₁₀ + 5О₂ → 4SN₃ COOH + 2H_2O

Алкануудыг хэсэгчлэн исэлдүүлэхийн тулд катализаторыг (Co²⁺, Mn^{2+ гэх мэт) харьцангуй хурдтайгаар ашигладаг. агаарын бага температур.}