Cada classe de compostos químicos é capaz de exibir propriedades devido à sua estrutura eletrônica. Os alcanos são caracterizados por reações de substituição, eliminação ou oxidação de moléculas. Todos os processos químicos têm suas próprias características do fluxo, que serão discutidas mais adiante.
O que são alcanos
Estes são compostos de hidrocarbonetos saturados chamados parafinas. Suas moléculas consistem apenas em átomos de carbono e hidrogênio, possuem uma cadeia acíclica linear ou ramificada, na qual existem apenas compostos únicos. Dadas as características da classe, é possível calcular quais reações são características dos alcanos. Eles obedecem à fórmula geral da classe: H2n+2C.
Estrutura química
A molécula de parafina inclui átomos de carbono apresentando hibridização sp3. Eles têm todos os quatro orbitais de valência têm a mesma forma, energia e direção no espaço. O tamanho do ângulo entre os níveis de energia é 109° e 28'.
A presença de ligações simples nas moléculas determina quais reaçõescaracterística dos alcanos. Eles contêm compostos σ. A ligação entre carbonos é apolar e fracamente polarizável, e é ligeiramente mais longa do que em C-H. Há também uma mudança na densidade eletrônica para o átomo de carbono, como o mais eletronegativo. Como resultado, o composto C−H é caracterizado por baixa polaridade.
Reações de substituição
Substâncias da classe das parafinas possuem atividade química fraca. Isso pode ser explicado pela força das ligações entre C-C e C-H, que são difíceis de quebrar devido à não polaridade. Sua destruição é baseada em um mecanismo homolítico, no qual participam radicais do tipo livre. É por isso que os alcanos são caracterizados por reações de substituição. Tais substâncias não são capazes de interagir com moléculas de água ou íons portadores de carga.
Incluem a substituição de radicais livres, na qual os átomos de hidrogênio são substituídos por elementos de halogênio ou outros grupos ativos. Essas reações incluem processos associados à halogenação, sulfocloração e nitração. Seu resultado é a preparação de derivados de alcano.
O mecanismo das reações de substituição de radicais livres é baseado nas três principais etapas:
- O processo começa com a iniciação ou nucleação de uma cadeia, resultando na formação de radicais livres. Os catalisadores são fontes de luz ultravioleta e calor.
- Então se desenvolve uma cadeia, na qual ocorrem sucessivas interações de partículas ativas com moléculas inativas. Eles são convertidos em moléculas e radicais, respectivamente.
- O passo final é quebrar a corrente. Observa-se recombinação ou desaparecimento de partículas ativas. Isso interrompe o desenvolvimento de uma reação em cadeia.
Processo de Halogenação
É baseado em um mecanismo do tipo radical. A reação de halogenação de alcanos ocorre por irradiação ultravioleta e aquecimento de uma mistura de halogênios e hidrocarbonetos.
Todas as etapas do processo estão sujeitas à regra de Markovnikov. Afirma que, em primeiro lugar, o átomo de hidrogênio, que pertence ao carbono mais hidrogenado, é submetido à substituição por um halogênio. A halogenação prossegue na seguinte sequência: do átomo terciário ao carbono primário.
O processo é melhor para moléculas de alcano com uma longa cadeia de carbono principal. Isso ocorre devido a uma diminuição da energia ionizante nessa direção, um elétron é mais facilmente separado da substância.
Um exemplo é a cloração de uma molécula de metano. A ação do ultravioleta leva à divisão do cloro em partículas radicais que atacam o alcano. Há um desprendimento do hidrogênio atômico e a formação de H3C· ou um radical metila. Tal partícula, por sua vez, ataca o cloro molecular, levando à destruição de sua estrutura e à formação de um novo reagente químico.
Apenas um átomo de hidrogênio é substituído em cada etapa do processo. A reação de halogenação dos alcanos leva à formação gradual de moléculas de clorometano, diclorometano, triclorometano e tetracloreto de carbono.
Esquematicamente, o processo fica assim:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Ao contrário da cloração de uma molécula de metano, a realização de tal processo com outros alcanos caracteriza-se pela obtenção de substâncias nas quais a substituição do hidrogênio ocorre não em um átomo de carbono, mas em vários. Sua proporção quantitativa está associada a indicadores de temperatura. Em condições de frio, há uma diminuição na taxa de formação de derivativos com estrutura terciária, secundária e primária.
Com o aumento da temperatura, a taxa de formação de tais compostos se estabiliza. O processo de halogenação é influenciado pelo fator estático, que indica uma probabilidade diferente de um radical colidir com um átomo de carbono.
O processo de halogenação com iodo não ocorre em condições normais. É necessário criar condições especiais. Quando o metano é exposto a este halogênio, o iodeto de hidrogênio é formado. É afetado pelo iodeto de metila, como resultado, os reagentes iniciais são liberados: metano e iodo. Tal reação é considerada reversível.
Reação de Wurtz para alcanos
É um método para obtenção de hidrocarbonetos saturados com estrutura simétrica. São usados como reagentes sódio metálico, brometos de alquila ou cloretos de alquila. Nosua interação produz haleto de sódio e uma cadeia de hidrocarboneto estendida, que é a soma de dois radicais de hidrocarboneto. Esquematicamente, a síntese é a seguinte: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
A reação de Wurtz para alcanos só é possível se os halogênios em suas moléculas estiverem no átomo de carbono primário. Por exemplo, CH3−CH2−CH2Br.
Se uma mistura de halocarbono de dois compostos estiver envolvida no processo, três produtos diferentes são formados durante a condensação de suas cadeias. Um exemplo de tal reação de alcanos é a interação de sódio com clorometano e cloroetano. A saída é uma mistura contendo butano, propano e etano.
Além do sódio, outros metais alcalinos podem ser usados, incluindo lítio ou potássio.
Processo de sulfocloração
Também é chamada de reação de Reed. Procede de acordo com o princípio da substituição de radicais livres. Este é um tipo característico de reação dos alcanos à ação de uma mistura de dióxido de enxofre e cloro molecular na presença de radiação ultravioleta.
O processo começa com o início de um mecanismo de cadeia, no qual dois radicais são obtidos a partir do cloro. Um deles ataca o alcano, resultando em uma espécie de alquila e uma molécula de cloreto de hidrogênio. O dióxido de enxofre é ligado ao radical hidrocarboneto para formar uma partícula complexa. Para estabilização, um átomo de cloro é capturado de outra molécula. A substância final é o cloreto de alcanossulfonilo, utilizado na síntese de compostos tensoativos.
Esquematicamente, o processo fica assim:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Processos relacionados à nitração
Alcanos reagem com ácido nítrico na forma de solução a 10%, bem como com óxido de nitrogênio tetravalente em estado gasoso. As condições para seu fluxo são valores de alta temperatura (cerca de 140 ° C) e indicadores de baixa pressão. Nitroalcanos são produzidos na saída.
Este processo de radicais livres recebeu o nome do cientista Konovalov, que descobriu a síntese da nitração: CH4 + HNO3 → CH 3NÃO2 + H2O.
Mecanismo de clivagem
Alcanos são caracterizados por reações de desidrogenação e craqueamento. A molécula de metano sofre decomposição térmica completa.
O principal mecanismo das reações acima é a eliminação de átomos de alcanos.
Processo de desidrogenação
Quando os átomos de hidrogênio são separados do esqueleto de carbono das parafinas, com exceção do metano, são obtidos compostos insaturados. Tais reações químicas de alcanos ocorrem em altas temperaturas (de 400 a 600 ° C) e sob a influência de aceleradores na forma de óxidos de platina, níquel, cromo e alumínio.
Se moléculas de propano ou etano estiverem envolvidas na reação, seus produtos serão propeno ou eteno com uma ligação dupla.
Ao desidrogenar um esqueleto de quatro ou cinco carbonos, dienoconexões. O butano é formado a partir de butadieno-1, 3 e butadieno-1, 2.
Se substâncias com 6 ou mais átomos de carbono estiverem presentes na reação, então o benzeno é formado. Possui um núcleo aromático com três ligações duplas.
Processo de decomposição
Sob condições de alta temperatura, reações de alcanos podem ocorrer com a quebra de ligações de carbono e a formação de partículas ativas do tipo radical. Tais processos são chamados de craqueamento ou pirólise.
Aquecer os reagentes a temperaturas superiores a 500 °C leva à decomposição de suas moléculas, durante a qual se formam misturas complexas de radicais do tipo alquila.
A pirólise de alcanos com cadeias longas de carbono sob forte aquecimento está associada à obtenção de compostos saturados e insaturados. É chamado de craqueamento térmico. Este processo foi usado até meados do século 20.
A desvantagem era a produção de hidrocarbonetos com baixo índice de octanas (não superior a 65), por isso foi substituído pelo craqueamento catalítico. O processo ocorre em condições de temperatura abaixo de 440°C e pressões abaixo de 15 atmosferas, na presença de um acelerador de aluminossilicato com liberação de alcanos de estrutura ramificada. Um exemplo é a pirólise de metano: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Durante esta reação, o acetileno e o hidrogênio molecular são formados.
Molécula de metano pode sofrer conversão. Esta reação requer água e um catalisador de níquel. Noa saída é uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio.
Processos de oxidação
As reações químicas características dos alcanos envolvem a doação de elétrons.
Há auto-oxidação das parafinas. Envolve um mecanismo de radicais livres para a oxidação de hidrocarbonetos saturados. Durante a reação, hidroperóxidos são obtidos a partir da fase líquida dos alcanos. No estágio inicial, a molécula de parafina interage com o oxigênio, como resultado, os radicais ativos são liberados. Além disso, outra molécula O2 interage com a partícula de alquila, resultando em ∙ROO. Uma molécula de alcano entra em contato com o radical peróxido de ácido graxo, após o qual o hidroperóxido é liberado. Um exemplo é a autooxidação do etano:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alcanos são caracterizados por reações de combustão, que estão entre as principais propriedades químicas quando determinadas na composição do combustível. Possuem caráter oxidativo com liberação de calor: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Se houver uma pequena quantidade de oxigênio no processo, então o produto final pode ser carvão ou óxido de carbono divalente, que é determinado pela concentração de O2.
Quando os alcanos são oxidados sob a influência de substâncias catalíticas e aquecidos a 200°C, moléculas de álcool, aldeído ouácido carboxílico.
Exemplo de etano:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanol e água), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ácido etanóico e água).
Alcanos podem ser oxidados quando expostos a peróxidos cíclicos de três membros. Estes incluem dimetildioxirano. O resultado da oxidação das parafinas é uma molécula de álcool.
Representantes de parafinas não reagem ao KMnO4 ou permanganato de potássio, assim como à água de bromo.
Isomerização
Nos alcanos, o tipo de reação é caracterizado pela substituição por um mecanismo eletrofílico. Isso inclui a isomerização da cadeia de carbono. Este processo é catalisado pelo cloreto de alumínio, que interage com a parafina saturada. Um exemplo é a isomerização de uma molécula de butano, que se torna 2-metilpropano: C4H10 → C3 H 7CH3.
Processo de fragrância
Saturados com seis ou mais átomos de carbono na cadeia de carbono principal são capazes de desidrociclização. Tal reação não é típica para moléculas curtas. O resultado é sempre um anel de seis membros na forma de ciclohexano e seus derivados.
Na presença de aceleradores de reação, ocorre desidrogenação adicional etransformação em um anel benzênico mais estável. Hidrocarbonetos acíclicos são convertidos em compostos aromáticos ou arenos. Um exemplo é a desidrociclização do hexano:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ciclohexano), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzeno).
