Химийн нэгдлүүдийн анги бүр электрон бүтэцээрээ онцлог шинж чанарыг харуулах чадвартай. Алканууд нь молекулуудыг орлуулах, устгах эсвэл исэлдүүлэх урвалаар тодорхойлогддог. Бүх химийн процессууд нь урсгалын өөрийн гэсэн шинж чанартай байдаг бөгөөд үүнийг цаашид авч үзэх болно.
Алканууд гэж юу вэ
Эдгээр нь парафин гэж нэрлэгддэг ханасан нүүрсустөрөгчийн нэгдлүүд юм. Тэдний молекулууд нь зөвхөн нүүрстөрөгч ба устөрөгчийн атомуудаас бүрддэг, шугаман эсвэл салаалсан ациклик гинжин хэлхээтэй бөгөөд зөвхөн ганц нэгдлүүд байдаг. Ангийн шинж чанарыг харгалзан алкануудын аль урвал нь шинж чанартай болохыг тооцоолох боломжтой. Тэд анги даяар томъёолдог: H2n+2C.
Химийн бүтэц
Парафины молекул нь sp3-эрлийзжсэн нүүрстөрөгчийн атомуудыг агуулдаг. Эдгээр дөрвөн валент орбиталууд нь огторгуйд ижил хэлбэр, энерги, чиглэлтэй байдаг. Эрчим хүчний түвшний хоорондох өнцгийн хэмжээ нь 109° ба 28'.
Молекулуудад нэг холбоо байгаа нь ямар урвал явагдахыг тодорхойлдогалкануудын шинж чанар. Эдгээр нь σ-нэгдэл агуулдаг. Нүүрстөрөгчийн хоорондох холбоо нь туйлшралгүй, сул туйлшралтай бөгөөд C-H-ээс арай урт байдаг. Мөн электроны нягтрал хамгийн их электрон сөрөг болох нүүрстөрөгчийн атом руу шилждэг. Үүний үр дүнд C−H нэгдэл нь туйлшрал багатай байдаг.
Орлуулах урвал
Парафины бүлгийн бодисууд нь химийн идэвхжил султай. Үүнийг C–C ба C–H хоорондын холбоосын бат бөх чанараар тайлбарлаж болох бөгөөд энэ нь туйлшралгүй учраас таслахад хэцүү байдаг. Тэднийг устгах нь чөлөөт төрлийн радикалууд оролцдог гомолитик механизм дээр суурилдаг. Тийм ч учраас алканууд нь орлуулах урвалаар тодорхойлогддог. Ийм бодисууд нь усны молекул эсвэл цэнэг зөөгч ионуудтай харилцан үйлчлэх чадваргүй.
Эдгээрт устөрөгчийн атомыг галоген элементүүд эсвэл бусад идэвхтэй бүлгүүдээр солих чөлөөт радикал орлуулалт орно. Эдгээр урвалууд нь галогенжилт, сульфохлоржуулалт, нитратжуулалттай холбоотой процессуудыг агуулдаг. Тэдний үр дүн нь алканы дериватив бэлтгэх явдал юм.
Чөлөөт радикалыг орлуулах урвалын механизм нь үндсэн гурван үе шатанд суурилдаг:
- Уг процесс нь гинжин хэлхээ үүсэх эсвэл бөөм үүсэхээс эхэлдэг бөгөөд үүний үр дүнд чөлөөт радикалууд үүсдэг. Катализатор нь хэт ягаан туяа, дулааны эх үүсвэр юм.
- Дараа нь гинжин хэлхээ үүсдэг бөгөөд үүнд идэвхтэй бөөмсийн идэвхгүй молекулуудтай дараалсан харилцан үйлчлэл явагддаг. Тэдгээр нь молекул болон радикал болж хувирдаг.
- Сүүлийн алхам бол гинжийг таслах явдал юм. Идэвхтэй хэсгүүдийн дахин нэгдэл эсвэл алга болох нь ажиглагдаж байна. Энэ нь гинжин урвал үүсэхийг зогсооно.
Галогенжих процесс
Энэ нь радикал төрлийн механизм дээр суурилдаг. Алкануудын галогенжих урвал нь хэт ягаан туяа, галоген ба нүүрсустөрөгчийн хольцыг халаах замаар явагддаг.
Үйл явцын бүх үе шат нь Марковниковын заасан дүрэмд захирагдана. Энэ нь юуны түрүүнд хамгийн их устөрөгчжүүлсэн нүүрстөрөгчид хамаарах устөрөгчийн атом нь галогенээр солигддог гэж заасан байдаг. Галогенжилт дараах дарааллаар явагдана: гуравдагч атомаас анхдагч нүүрстөрөгч хүртэл.
Урт үндсэн нүүрстөрөгчийн гинжин хэлхээтэй алкан молекулуудад энэ процесс илүү тохиромжтой. Энэ нь энэ чиглэлд ионжуулагч энерги багассантай холбоотой бөгөөд электрон бодисоос илүү амархан салдаг.
Жишээ нь метан молекулыг хлоржуулах явдал юм. Хэт ягаан туяаны үйлдэл нь хлорыг алкан руу дайрдаг радикал тоосонцор болгон хуваахад хүргэдэг. Атомын устөрөгчийг салгаж, H3C· буюу метилийн радикал үүснэ. Ийм бөөмс нь эргээд молекул хлор руу дайрч, бүтэц нь эвдэрч, шинэ химийн урвалж үүсэхэд хүргэдэг.
Үе шат бүрт зөвхөн нэг устөрөгчийн атом солигддог. Алкануудын галогенжих урвал нь аажмаар хлорметан, дихлорометан, трихлорметан, нүүрстөрөгчийн дөрвөн хлоридын молекулууд үүсэхэд хүргэдэг.
Схемийн хувьд процесс дараах байдалтай байна:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Метан молекулыг хлоржуулахаас ялгаатай нь бусад алкануудтай ийм процесс явуулах нь нэг нүүрстөрөгчийн атомд бус хэд хэдэн атомд устөрөгчийг орлуулах бодисыг олж авах замаар тодорхойлогддог. Тэдний тоон харьцаа нь температурын үзүүлэлттэй холбоотой байдаг. Хүйтэн нөхцөлд гуравдагч, хоёрдогч, анхдагч бүтэцтэй дериватив үүсэх хурд буурдаг.
Температур нэмэгдэхийн хэрээр ийм нэгдлүүдийн үүсэх хурд буурдаг. Галогенжих процесст статик хүчин зүйл нөлөөлдөг бөгөөд энэ нь радикал нь нүүрстөрөгчийн атомтай мөргөлдөх өөр магадлалыг харуулж байна.
Иодтой галогенжих процесс хэвийн нөхцөлд явагддаггүй. Онцгой нөхцлийг бүрдүүлэх шаардлагатай. Метан энэ галогенд өртөхөд устөрөгчийн иодид үүсдэг. Энэ нь метил иодид нөлөөлдөг тул анхны урвалжууд ялгардаг: метан, иод. Ийм урвалыг буцаах боломжтой гэж үзнэ.
Алкануудын Вюрцийн урвал
Энэ нь тэгш хэмтэй бүтэцтэй ханасан нүүрсустөрөгчийг олж авах арга юм. Натрийн металл, алкил бромид эсвэл алкил хлоридыг урвалж болгон ашигладаг. Atтэдгээрийн харилцан үйлчлэл нь натрийн галидыг үүсгэдэг ба нүүрсустөрөгчийн хоёр радикалын нийлбэр болох өргөтгөсөн нүүрсустөрөгчийн гинжийг үүсгэдэг. Схемийн хувьд синтез дараах байдалтай байна: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Алкануудын Вюрцын урвал нь зөвхөн тэдгээрийн молекул дахь галогенууд нүүрстөрөгчийн анхдагч атомд байгаа тохиолдолд л боломжтой. Жишээлбэл, CH3−CH2−CH2Br.
Хэрэв хоёр нэгдлээс бүрдсэн галокарбоны холимог процесст оролцвол тэдгээрийн гинжний конденсацын явцад гурван өөр бүтээгдэхүүн үүсдэг. Алкануудын ийм урвалын жишээ бол натрийн хлорометан ба хлорэтантай харилцан үйлчлэлцэх явдал юм. Гаралт нь бутан, пропан, этан агуулсан хольц юм.
Натриас гадна лити эсвэл кали зэрэг бусад шүлтлэг металлуудыг ашиглаж болно.
Сульфохлоржуулах процесс
Үүнийг Ридийн урвал гэж бас нэрлэдэг. Энэ нь чөлөөт радикалыг орлуулах зарчмын дагуу явагддаг. Энэ нь хэт ягаан туяаны нөлөөгөөр хүхрийн давхар исэл ба молекул хлорын хольцын үйлчлэлд алкануудын үзүүлэх урвалын нэг төрөл юм.
Хлороос хоёр радикал гаргаж авдаг гинжин механизмыг эхлүүлснээр үйл явц эхэлдэг. Тэдний нэг нь алкан руу дайрч, улмаар алкилийн төрөл ба устөрөгчийн хлоридын молекул үүсдэг. Хүхрийн давхар исэл нь нүүрсустөрөгчийн радикалд наалдаж, нарийн төвөгтэй тоосонцор үүсгэдэг. Тогтворжуулахын тулд нэг хлорын атомыг өөр молекулаас авдаг. Эцсийн бодис нь алкан сульфонил хлорид бөгөөд гадаргуугийн идэвхтэй нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэхэд ашигладаг.
Схемийн хувьд процесс дараах байдалтай байна:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Нитржилттэй холбоотой процессууд
Алканууд нь азотын хүчилтэй 10%-ийн уусмал хэлбэрээр, мөн хийн төлөвт байгаа дөрвөн валент азотын исэлтэй урвалд ордог. Түүний урсгалын нөхцөл нь өндөр температур (ойролцоогоор 140 ° C) ба нам даралтын үзүүлэлтүүд юм. Нитроалканууд гаралт дээр гардаг.
Энэ чөлөөт радикал процессыг нитратжуулалтын синтезийг нээсэн эрдэмтэн Коноваловын нэрээр нэрлэсэн: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Таслах механизм
Алканууд нь усгүйжих, хагарах урвалаар тодорхойлогддог. Метан молекул бүрэн дулааны задралд ордог.
Дээрх урвалын гол механизм нь алканаас атомыг устгах явдал юм.
Усгүйжүүлэх процесс
Устөрөгчийн атомыг парафины нүүрстөрөгчийн араг яснаас салгахад метанаас бусад нь ханаагүй нэгдлүүдийг олж авдаг. Алкануудын ийм химийн урвал нь өндөр температурт (400-аас 600 ° C хүртэл) болон цагаан алт, никель, хром, хөнгөн цагаан исэл хэлбэрээр хурдасгагчийн нөлөөн дор явагддаг.
Хэрэв пропан эсвэл этан молекулууд урвалд оролцвол түүний бүтээгдэхүүн нь нэг давхар холбоо бүхий пропен эсвэл этилен болно.
Дөрөв, таван нүүрстөрөгчийн араг ясыг усгүйжүүлэхэд диенхолболтууд. Бутан нь бутадиен-1,3, бутадиен-1,2-аас үүсдэг.
Хэрэв урвалд 6 ба түүнээс дээш нүүрстөрөгчийн атомтай бодисууд байвал бензол үүснэ. Энэ нь гурван давхар холбоо бүхий үнэрт цөмтэй.
Задрах процесс
Өндөр температурын нөхцөлд нүүрстөрөгчийн холбоо тасарч, радикал төрлийн идэвхтэй тоосонцор үүсэх замаар алкануудын урвал явагдаж болно. Ийм процессыг хагарал эсвэл пиролиз гэж нэрлэдэг.
Оролцох бодисыг 500 °C-аас дээш температурт халаах нь тэдгээрийн молекулуудын задралд хүргэдэг бөгөөд энэ үед алкил төрлийн радикалуудын нийлмэл хольц үүсдэг.
Хүчтэй халаалттай нүүрстөрөгчийн урт гинж бүхий алкануудын пиролизийг хийх нь ханасан ба ханаагүй нэгдлүүдийг авахтай холбоотой. Үүнийг дулааны хагарал гэж нэрлэдэг. Энэ процессыг 20-р зууны дунд үе хүртэл ашигласан.
Сул тал нь бага октантай (65-аас ихгүй) нүүрсустөрөгчийн үйлдвэрлэл байсан тул түүнийг каталитик крекингээр сольсон. Уг процесс нь 440 хэмээс доош температурт, 15 атмосферээс доош даралттай, салаалсан бүтэцтэй алкануудыг ялгаруулах алюминосиликат хурдасгуурын дэргэд явагддаг. Жишээ нь метан пиролиз: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Энэ урвалын явцад ацетилен ба молекул устөрөгч үүсдэг.
Метан молекул хувиргах чадвартай. Энэ урвалд ус болон никелийн катализатор шаардлагатай. Дээргаралт нь нүүрстөрөгчийн дутуу исэл ба устөрөгчийн холимог юм.
Исэлдүүлэх процесс
Алкануудын химийн урвалууд нь электрон хандивладаг.
Парафины автомат исэлдэлт байдаг. Энэ нь ханасан нүүрсустөрөгчийн исэлдэлтийн чөлөөт радикал механизмыг агуулдаг. Урвалын явцад гидропероксидыг алкануудын шингэн фазаас гаргаж авдаг. Эхний шатанд парафины молекул нь хүчилтөрөгчтэй харилцан үйлчилдэг тул идэвхтэй радикалууд ялгардаг. Цаашилбал, өөр молекул O2 нь алкил бөөмстэй харилцан үйлчлэлцэж, ∙ROO үүснэ. Алканы молекул нь өөх тосны хүчлийн хэт ислийн радикалтай холбогдож, дараа нь гидропероксид ялгардаг. Жишээ нь этаныг автоматаар исэлдүүлэх явдал юм:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Алканууд нь шаталтын урвалаар тодорхойлогддог бөгөөд тэдгээр нь түлшний найрлагаар тодорхойлогддог химийн үндсэн шинж чанаруудын нэг юм. Эдгээр нь дулаан ялгаруулах исэлдэлтийн шинж чанартай: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Хэрэв процесст бага хэмжээний хүчилтөрөгч байгаа бол эцсийн бүтээгдэхүүн нь O2 агууламжаар тодорхойлогддог нүүрс эсвэл нүүрстөрөгчийн хоёр валентын исэл байж болно.
Алканыг катализаторын нөлөөн дор исэлдүүлэн 200°С хүртэл халаахад спиртийн молекул, альдегид эсвэлкарбоксилын хүчил.
Этан жишээ:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (этанол),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (этанал ба ус), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (этаны хүчил ба ус).
Алканууд гурван гишүүнт мөчлөгт хэт исэлд өртөхөд исэлдэж болно. Эдгээрт диметилдиоксиран орно. Парафины исэлдэлтийн үр дүн нь спиртийн молекул юм.
Парафины төлөөлөгчид KMnO4 эсвэл калийн перманганат, түүнчлэн бромын усанд хариу үйлдэл үзүүлэхгүй.
Изомержилт
Алканууд дээрх урвалын төрөл нь электрофил механизмаар орлуулах замаар тодорхойлогддог. Үүнд нүүрстөрөгчийн гинжин хэлхээний изомержилт орно. Энэ процесс нь ханасан парафинтай харилцан үйлчилдэг хөнгөн цагаан хлоридоор катализ болдог. Жишээ нь бутан молекулын изомержилт нь 2-метилпропан болдог: C4H10 → C3 H 7CH3.
Үнэртэх процесс
Нүүрстөрөгчийн үндсэн гинжин хэлхээнд зургаа ба түүнээс дээш нүүрстөрөгчийн атом агуулсан ханасан бодис нь дегидроциклжих чадвартай. Богино молекулуудын хувьд ийм урвал нь ердийн зүйл биш юм. Үр дүнд нь циклогексан ба түүний дериватив хэлбэртэй зургаан гишүүнтэй цагираг гарч ирнэ.
Урвал хурдасгагч байгаа тохиолдолд цаашдын усгүйжүүлэлт явагдах баилүү тогтвортой бензолын цагираг болгон хувиргах. Циклик нүүрсустөрөгчийг үнэрт нэгдлүүд эсвэл арен болгон хувиргадаг. Жишээ нь гексаны дегидроциклизаци юм:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (циклогексан), C6H12 → C6H6+ 3H2 (бензол).
