Malgré le fait que les alcanes soient inactifs, ils sont capables de libérer de grandes quantités d'énergie lorsqu'ils interagissent avec des halogènes ou d'autres radicaux libres. Les alcanes et leurs réactions sont constamment utilisés dans de nombreuses industries.
Les faits sur les alcanes
Les alcanes occupent une place importante en chimie organique. La formule des alcanes en chimie est C H2n+2. Contrairement aux composés aromatiques, qui ont un noyau benzénique, les alcanes sont considérés comme aliphatiques (acycliques).
Dans la molécule de tout alcane, tous les éléments sont reliés par une simple liaison. Par conséquent, ce groupe de substances a la terminaison "-an". En conséquence, les alcènes ont une double liaison et les alcynes ont une triple liaison. Les alcodiènes, par exemple, ont deux doubles liaisons.
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. C'est-à-dire qu'ils contiennent le nombre maximum d'atomes H (hydrogène). Tous les atomes de carbone d'un alcane sont en position sp3 – hybridation. Cela signifie que la molécule d'alcane est construite selon la règle tétraédrique. La molécule de méthane (CH4) ressemble à un tétraèdre,et les alcanes restants ont une structure en zigzag.
Tous les atomes C dans les alcanes sont reliés par des liaisons ơ (sigma - liaisons). Les liaisons C–C sont non polaires, les liaisons C–H sont faiblement polaires.
Propriétés des alcanes
Comme mentionné ci-dessus, le groupe alcane a peu d'activité. Les liaisons entre deux atomes C et entre les atomes C et H sont fortes, elles sont donc difficiles à détruire par des influences extérieures. Toutes les liaisons dans les alcanes sont des liaisons ơ, donc si elles se cassent, cela se traduit généralement par des radicaux.
Halogénation des alcanes
En raison des propriétés particulières des liaisons des atomes, les alcanes sont inhérents aux réactions de substitution et de décomposition. Dans les réactions de substitution dans les alcanes, les atomes d'hydrogène remplacent d'autres atomes ou molécules. Les alcanes réagissent bien avec les halogènes - des substances qui appartiennent au groupe 17 du tableau périodique de Mendeleïev. Les halogènes sont le fluor (F), le brome (Br), le chlore (Cl), l'iode (I), l'astatine (At) et la tennessine (Ts). Les halogènes sont des agents oxydants très puissants. Ils réagissent avec presque toutes les substances du tableau de D. I. Mendeleïev.
Réactions de chloration des alcanes
En pratique, le brome et le chlore participent généralement à l'halogénation des alcanes. Le fluor est un élément trop actif - avec lui, la réaction sera explosive. L'iode est faible, donc la réaction de substitution ne l'accompagnera pas. Et l'astatine est très rare dans la nature, il est donc difficile d'en collecter suffisamment pour des expériences.
Étapes d'halogénation
Tous les alcanes passent par trois étapes d'halogénation:
- L'origine de la chaîne ou de l'initiation. Sous influencela lumière du soleil, la chaleur ou le rayonnement ultraviolet, la molécule de chlore Cl2 se décompose en deux radicaux libres. Chacun a un électron non apparié dans la couche externe.
- Développement ou croissance de la chaîne. Les radicaux interagissent avec les molécules de méthane.
- La terminaison de chaîne est la dernière partie de l'halogénation des alcanes. Tous les radicaux commencent à se combiner les uns avec les autres et finissent par disparaître complètement.
Bromation des alcanes
Lors de l'halogénation d'alcanes supérieurs après l'éthane, la difficulté est la formation d'isomères. Différents isomères peuvent être formés à partir d'une substance sous l'action de la lumière du soleil. Cela se produit à la suite d'une réaction de substitution. C'est la preuve que tout atome H de l'alcane peut être remplacé par un radical libre lors de l'halogénation. Un alcane complexe se décompose en deux substances dont le pourcentage peut varier fortement selon les conditions de réaction.
Bromation du propane (2-bromopropane). Lors de la réaction d'halogénation du propane avec une molécule Br2 sous l'influence de températures élevées et de la lumière du soleil, du 1-bromopropane - 3% et du 2-bromopropane - 97% sont libérés.
Bromation du butane. Lorsque le butane est bromé sous l'action de la lumière et des hautes températures, il en ressort 2 % de 1-bromobutane et 98 % de 2-bromobutane.
La différence entre la chloration et la bromation des alcanes
La chloration est plus couramment utilisée dans l'industrie. Par exemple, pour la production de solvants contenant un mélange d'isomères. Dès réception de l'haloalcanedifficiles à séparer les uns des autres, mais sur le marché le mélange est moins cher que le produit pur. Dans les laboratoires, la bromation est plus courante. Le brome est plus faible que le chlore. Il a une faible réactivité, de sorte que les atomes de brome ont une sélectivité élevée. Cela signifie que pendant la réaction, les atomes "choisissent" quel atome d'hydrogène remplacer.
La nature de la réaction de chloration
Lors de la chloration des alcanes, des isomères se forment en quantités approximativement égales dans leur fraction massique. Par exemple, la chloration du propane avec un catalyseur sous la forme d'une augmentation de la température à 454 degrés nous donne du 2-chloropropane et du 1-chloropropane dans un rapport de 25% et 75%, respectivement. Si la réaction d'halogénation n'a lieu qu'à l'aide d'un rayonnement ultraviolet, on obtient 43 % de 1-chloropropane et 57 % de 2-chloropropane. Selon les conditions de réaction, le rapport des isomères obtenus peut varier.
La nature de la réaction de bromation
À la suite des réactions de bromation des alcanes, une substance presque pure est facilement libérée. Par exemple, 1-bromopropane - 3%, 2-bromopropane - 97% de la molécule de n-propane. Par conséquent, la bromation est souvent utilisée dans les laboratoires pour synthétiser une substance spécifique.
Sulfation des alcanes
Les alcanes sont également sulfonés par le mécanisme de substitution radicalaire. Pour que la réaction se produise, l'oxygène et l'oxyde de soufre SO2 (anhydride sulfureux) agissent simultanément sur l'alcane. À la suite de la réaction, l'alcane est converti en un acide alkylsulfonique. Exemple de butane sulfonation:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Formule générale pour la sulfoxydation des alcanes:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfochloration des alcanes
Dans le cas de la sulfochloration, à la place de l'oxygène, le chlore est utilisé comme agent oxydant. Des chlorures alcanesulfoniques sont ainsi obtenus. La réaction de sulfochloration est commune à tous les hydrocarbures. Il se produit à température ambiante et au soleil. Les peroxydes organiques sont également utilisés comme catalyseur. Une telle réaction n'affecte que les liaisons secondaires et primaires liées aux atomes de carbone et d'hydrogène. La matière n'atteint pas les atomes tertiaires, car la chaîne de réaction se brise.
La réaction de Konovalov
La réaction de nitration, comme la réaction d'halogénation des alcanes, se déroule selon le mécanisme des radicaux libres. La réaction est effectuée en utilisant de l'acide nitrique (HNO3) fortement dilué (10 à 20 %). Mécanisme de réaction: à la suite de la réaction, les alcanes forment un mélange de composés. Pour catalyser la réaction, une augmentation de la température jusqu'à 140⁰ et une pression ambiante normale ou élevée sont utilisées. Lors de la nitration, les liaisons C–C sont détruites, et pas seulement C–H, contrairement aux réactions de substitution précédentes. Cela signifie que la fissuration est en cours. C'est la réaction de division.
Réactions d'oxydation et de combustion
Les alcanes sont également oxydés selon le type de radical libre. Pour les paraffines, il existe trois types de traitement par réaction oxydative.
- En phase gazeuse. Alorsobtenir des aldéhydes et des alcools inférieurs.
- En phase liquide. Utilisez l'oxydation thermique avec l'ajout d'acide borique. Avec cette méthode, les alcools supérieurs sont obtenus à partir de С10 à С20.
- En phase liquide. Les alcanes sont oxydés pour synthétiser les acides carboxyliques.
Dans le processus d'oxydation, le radical libre O2 remplace complètement ou partiellement le composant hydrogène. L'oxydation complète est une combustion.
Les alcanes à bonne combustion sont utilisés comme carburant pour les centrales thermiques et les moteurs à combustion interne. Les alcanes en combustion produisent beaucoup d'énergie thermique. Les alcanes complexes sont placés dans les moteurs à combustion interne. L'interaction avec l'oxygène dans les alcanes simples peut entraîner une explosion. L'asph alte, la paraffine et divers lubrifiants pour l'industrie sont fabriqués à partir de déchets résultant de réactions avec des alcanes.
