Реакции замещения

1. Реакции замещения.

а) галогенирование (практическое значение имеет хлорирование и бромирование) – протекает у алканов по радикальному механизму.

Свободные радикалы – частицы, имеющие неспаренные электроны и обладающие неиспользованными валентностями.

- образование хлорметана из метана

СН₄ + Cl₂ ® СН₃Cl + HCl (условие: освещение hʋ)

- образование 2-бромпропана из пропана

СН₃–СН₂–СН₃ + Вr₂ ® СН₃–СН–СН₃ + HBr (условие: освещение hʋ)

Br

Механизм реакций предельных углеводородов с галогенами довольно сложный и происходит по типу цепной реакции – реакция с цепью последовательных превращений.

Н H

| |

Н – С – Н +Cl₂ ® H – C – Cl +HCl – образование хлорметана

| |

Н H

Реакция будет протекать пока все атомы водорода в молекуле метана не заменятся атомами хлора.

Н H

| |

Н – С – Н +Cl₂ ® H – C – Cl +HCl – образование дихлорметана

| |

Сl Cl

Н H

| |

Сl – С – Н +Cl₂ ® Cl – C – Cl +HCl – образование трихлорметана

| |

Сl Cl

Cl Cl

| |

Сl – С – Н +Cl₂ ® Cl – C – Cl +HCl – образование тетрахлорметана

| |

Сl Cl

б) нитрование (реакция Коновалова)

СН₄ + НNO₃ (разб.) ® СН₃NO₂ + H₂O – образование нитрометана (условие: температура)

СН₃–СН₂–СН₃ + НNO₃ ® СН₃–СН–СН₃ + H₂O

|

NO₂

- образование 2-нитропропана (условие: температура)

2. Реакции отщепления.

а) дегидрирование (отщепление водорода с образованием алкенов)

СН₃–СН₃ ® СН₂=СН₂ + Н₂ (получение этена из этана; условие – температура, катализатор Ni, Cr₂O₃)

б) дегидроциклизация (ароматизация) – отщепление водорода и образование циклического углеводорода

- образование бензола из гексана:

С₆Н₁₄ ® С₆Н₆ + 4Н₂ (условие: температура, металл платиновой группы)

- образование толуола (или метилбензола) из гептана:

С₇Н₁₆ ® С₆Н₆–СН₃ + 4Н₂

3. Термические преобразования

а) пиролиз – реакция разложения углеводорода

СН₄ ® С + 2Н₂ (образуется сажа, используемая в промышленности, например, для производства автопокрышек; условие – температура 1000 ºС)

С₂Н₆ ® 2С + 3Н₂ (условие – температура 1000 ºС)

При условии кратковременного нагревания до температуры 1500 ºС и резкого охлаждения метан разлагается до ацетилена (промышленный способ получения)

СН₄ ® СНºСН + 3Н₂

б) крекинг: реакция образования из алкана с длинной углеродной цепью алкана с меньшей углеродной цепью и алкена. Разрыв происходит » посередине цепи.

С₈Н₁₈ ® С₄Н₁₀ (бутан) + С₄Н₈ (бутен) (условие – температура)

в) изомеризация – перестройка цеи с образованием более разветвленного алкана (условие – температура и катализатор AlCl₃):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ ®

СН₃

|

® СН₃ – С – СН₂ – СН – СН₃ (образование из октана 2,2,4-триметилпентана)

| |

СН₃ СН₃

Данная реакция важна в производстве бензина, т.к. увеличивает его октановое число, т.е. качество топлива.

4. Окисление

а) горение

СН₄ + О₂ ® СО₂ + Н₂О

Данную реакцию мы можем наблюдать при горении газа в конфорках на плите.

Общая формула горения алканов:

С_nH_2n+2 + O₂ ® nCO₂ + (n+1) H₂O

б) каталитическое окисление алканов

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ + О₂ ® 2 СН₃СООН + Н₂О (катализатор – MnO₂ и температура) – образование уксусной кислоты из бутана.

5. Конверсия метана

СН₄ + Н₂О « СО + 3Н₂ (условие протекания: 800ºС, катализатор – металлы платиновой группы). В результате реакции образуется синтез-газ.

Примечание: все условия протекания реакций записываем над стрелкой между начальными и конечными продуктами реакции.

Домашнее задание.

1. Где и в каком виде встречаются алканы в природе?

2. Для производства чего в промышленности используют алканы?

3. Решить цепочку реакций

С ® СН₄ ® СН₃Сl ® C₂H₆ ® C₂H₅Cl