Chaque classe de composés chimiques est capable de présenter des propriétés en raison de leur structure électronique. Les alcanes sont caractérisés par des réactions de substitution, d'élimination ou d'oxydation de molécules. Tous les processus chimiques ont leurs propres caractéristiques de flux, qui seront discutées plus loin.
Que sont les alcanes
Ce sont des composés d'hydrocarbures saturés appelés paraffines. Leurs molécules sont constituées uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, ont une chaîne acyclique linéaire ou ramifiée, dans laquelle il n'y a que des composés simples. Compte tenu des caractéristiques de la classe, il est possible de calculer quelles réactions sont caractéristiques des alcanes. Ils obéissent à la formule valable pour toute la classe: H2n+2C.
Structure chimique
La molécule de paraffine comprend des atomes de carbone présentant une hybridation sp3. Ils ont tous les quatre orbitales de valence ont la même forme, la même énergie et la même direction dans l'espace. La taille de l'angle entre les niveaux d'énergie est de 109° et 28'.
La présence de liaisons simples dans les molécules détermine quelles réactionscaractéristique des alcanes. Ils contiennent des composés σ. La liaison entre les carbones est non polaire et faiblement polarisable, et est légèrement plus longue que dans C−H. Il y a aussi un déplacement de la densité électronique vers l'atome de carbone, le plus électronégatif. En conséquence, le composé C−H est caractérisé par une faible polarité.
Réactions de substitution
Les substances de la classe des paraffines ont une faible activité chimique. Cela peut s'expliquer par la force des liaisons entre C – C et C – H, qui sont difficiles à rompre en raison de la non polarité. Leur destruction repose sur un mécanisme homolytique, auquel participent des radicaux de type libre. C'est pourquoi les alcanes sont caractérisés par des réactions de substitution. Ces substances ne sont pas capables d'interagir avec les molécules d'eau ou les ions porteurs de charge.
Ils incluent la substitution de radicaux libres, dans laquelle les atomes d'hydrogène sont remplacés par des éléments halogène ou d'autres groupes actifs. Ces réactions comprennent des processus associés à l'halogénation, la sulfochloration et la nitration. Leur résultat est la préparation de dérivés d'alcanes.
Le mécanisme des réactions de substitution radicalaire repose sur les trois étapes principales:
- Le processus commence par l'initiation ou la nucléation d'une chaîne, à la suite de laquelle des radicaux libres se forment. Les catalyseurs sont des sources de lumière ultraviolette et de chaleur.
- Puis une chaîne se développe, dans laquelle se produisent des interactions successives de particules actives avec des molécules inactives. Ils sont convertis en molécules et en radicaux, respectivement.
- La dernière étape consiste à briser la chaîne. On observe une recombinaison ou une disparition des particules actives. Cela arrête le développement d'une réaction en chaîne.
Procédé d'halogénation
Il repose sur un mécanisme de type radical. La réaction d'halogénation des alcanes s'effectue par irradiation aux ultraviolets et chauffage d'un mélange d'halogènes et d'hydrocarbures.
Toutes les étapes du processus sont soumises à la règle énoncée par Markovnikov. Il indique que, tout d'abord, l'atome d'hydrogène, qui appartient au carbone le plus hydrogéné, est soumis à un remplacement par un halogène. L'halogénation se déroule dans l'ordre suivant: de l'atome tertiaire au carbone primaire.
Le processus est meilleur pour les molécules d'alcane avec une longue chaîne carbonée principale. Cela est dû à une diminution de l'énergie ionisante dans cette direction, un électron est plus facilement séparé de la substance.
Un exemple est la chloration d'une molécule de méthane. L'action des ultraviolets conduit à la scission du chlore en particules radicalaires qui attaquent l'alcane. Il y a un détachement d'hydrogène atomique et la formation de H3C· ou d'un radical méthyle. Une telle particule, à son tour, attaque le chlore moléculaire, entraînant la destruction de sa structure et la formation d'un nouveau réactif chimique.
Un seul atome d'hydrogène est remplacé à chaque étape du processus. La réaction d'halogénation des alcanes conduit à la formation progressive de molécules de chlorométhane, de dichlorométhane, de trichlorométhane et de tétrachlorure de carbone.
Schématiquement, le processus ressemble à ceci:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Contrairement à la chloration d'une molécule de méthane, la réalisation d'un tel processus avec d'autres alcanes se caractérise par l'obtention de substances dans lesquelles le remplacement de l'hydrogène se produit non pas sur un atome de carbone, mais sur plusieurs. Leur rapport quantitatif est associé à des indicateurs de température. Dans des conditions froides, il y a une diminution du taux de formation de dérivés à structure tertiaire, secondaire et primaire.
Avec une augmentation de la température, le taux de formation de ces composés se stabilise. Le processus d'halogénation est influencé par le facteur statique, qui indique une probabilité différente qu'un radical entre en collision avec un atome de carbone.
Le processus d'halogénation avec l'iode ne se déroule pas dans des conditions normales. Il est nécessaire de créer des conditions particulières. Lorsque le méthane est exposé à cet halogène, de l'iodure d'hydrogène se forme. Il est affecté par l'iodure de méthyle, en conséquence, les réactifs initiaux sont libérés: méthane et iode. Une telle réaction est considérée comme réversible.
Réaction de Wurtz pour les alcanes
Est une méthode pour obtenir des hydrocarbures saturés avec une structure symétrique. Du sodium métallique, des bromures d'alkyle ou des chlorures d'alkyle sont utilisés comme réactifs. Àleur interaction produit un halogénure de sodium et une chaîne hydrocarbonée étendue, qui est la somme de deux radicaux hydrocarbonés. Schématiquement, la synthèse est la suivante: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
La réaction de Wurtz pour les alcanes n'est possible que si les halogènes de leurs molécules se trouvent sur l'atome de carbone primaire. Par exemple, CH3−CH2−CH2Br.
Si un mélange halocarbure de deux composés est impliqué dans le processus, trois produits différents se forment lors de la condensation de leurs chaînes. Un exemple d'une telle réaction d'alcanes est l'interaction du sodium avec le chlorométhane et le chloroéthane. La sortie est un mélange contenant du butane, du propane et de l'éthane.
En plus du sodium, d'autres métaux alcalins peuvent être utilisés, notamment le lithium ou le potassium.
Procédé de sulfochloration
On l'appelle aussi la réaction de Reed. Elle procède selon le principe de la substitution radicalaire. Il s'agit d'un type caractéristique de réaction des alcanes à l'action d'un mélange de dioxyde de soufre et de chlore moléculaire en présence de rayonnement ultraviolet.
Le processus commence par l'initiation d'un mécanisme en chaîne, dans lequel deux radicaux sont obtenus à partir du chlore. L'un d'eux attaque l'alcane, ce qui donne une espèce alkyle et une molécule de chlorure d'hydrogène. Le dioxyde de soufre est fixé au radical hydrocarbure pour former une particule complexe. Pour la stabilisation, un atome de chlore est capturé à partir d'une autre molécule. La substance finale est le chlorure d'alcane sulfonyle, il est utilisé dans la synthèse de composés tensioactifs.
Schématiquement, le processus ressemble à ceci:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Procédés liés à la nitration
Les alcanes réagissent avec l'acide nitrique sous forme de solution à 10 %, ainsi qu'avec l'oxyde d'azote tétravalent à l'état gazeux. Les conditions de son écoulement sont des valeurs de température élevées (environ 140 ° C) et des indicateurs de basse pression. Des nitroalcanes sont produits en sortie.
Ce processus radicalaire a été nommé d'après le scientifique Konovalov, qui a découvert la synthèse de la nitration: CH4 + HNO3 → CH 3NON2 + H2O.
Mécanisme de clivage
Les alcanes se caractérisent par des réactions de déshydrogénation et de craquage. La molécule de méthane subit une décomposition thermique complète.
Le mécanisme principal des réactions ci-dessus est l'élimination des atomes des alcanes.
Processus de déshydrogénation
Lorsque les atomes d'hydrogène sont séparés du squelette carboné des paraffines, à l'exception du méthane, des composés insaturés sont obtenus. De telles réactions chimiques d'alcanes ont lieu à des températures élevées (de 400 à 600 ° C) et sous l'influence d'accélérateurs sous forme d'oxydes de platine, de nickel, de chrome et d'aluminium.
Si des molécules de propane ou d'éthane sont impliquées dans la réaction, alors ses produits seront du propène ou de l'éthène avec une double liaison.
Lors de la déshydrogénation d'un squelette à quatre ou cinq carbones, le dièneConnexions. Le butane est formé de butadiène-1, 3 et de butadiène-1, 2.
Si des substances contenant 6 atomes de carbone ou plus sont présentes dans la réaction, du benzène se forme. Il a un noyau aromatique avec trois doubles liaisons.
Processus de décomposition
Dans des conditions de température élevée, des réactions d'alcanes peuvent avoir lieu avec rupture de liaisons carbonées et formation de particules actives de type radicalaire. Ces processus sont appelés craquage ou pyrolyse.
Le chauffage des réactifs à des températures supérieures à 500 °C entraîne la décomposition de leurs molécules, au cours de laquelle se forment des mélanges complexes de radicaux de type alkyle.
La réalisation de la pyrolyse d'alcanes à longues chaînes carbonées sous un fort chauffage est associée à l'obtention de composés saturés et insaturés. C'est ce qu'on appelle la fissuration thermique. Ce procédé a été utilisé jusqu'au milieu du 20ème siècle.
L'inconvénient était la production d'hydrocarbures à faible indice d'octane (pas plus de 65), il a donc été remplacé par le craquage catalytique. Le procédé se déroule dans des conditions de température inférieures à 440°C et de pressions inférieures à 15 atmosphères, en présence d'un aluminosilicate accélérateur de libération d'alcanes à structure ramifiée. Un exemple est la pyrolyse du méthane: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Au cours de cette réaction, de l'acétylène et de l'hydrogène moléculaire se forment.
La molécule de méthane peut subir une conversion. Cette réaction nécessite de l'eau et un catalyseur au nickel. Sur lela sortie est un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène.
Processus d'oxydation
Les réactions chimiques caractéristiques des alcanes impliquent le don d'électrons.
Il y a auto-oxydation des paraffines. Il s'agit d'un mécanisme radicalaire d'oxydation des hydrocarbures saturés. Au cours de la réaction, les hydroperoxydes sont obtenus à partir de la phase liquide des alcanes. Au stade initial, la molécule de paraffine interagit avec l'oxygène, ce qui libère des radicaux actifs. De plus, une autre molécule O2 interagit avec la particule alkyle, résultant en ∙ROO. Une molécule d'alcane entre en contact avec le radical peroxyde d'acide gras, après quoi l'hydroperoxyde est libéré. Un exemple est l'auto-oxydation de l'éthane:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Les alcanes se caractérisent par des réactions de combustion, qui font partie des principales propriétés chimiques lorsqu'elles sont déterminées dans la composition du carburant. Ils ont un caractère oxydant avec dégagement de chaleur: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
S'il y a une petite quantité d'oxygène dans le processus, le produit final peut être du charbon ou de l'oxyde de carbone divalent, qui est déterminé par la concentration de O2.
Lorsque les alcanes sont oxydés sous l'influence de substances catalytiques et chauffés à 200 ° C, des molécules d'alcool, d'aldéhyde ouacide carboxylique.
Exemple d'éthane:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (éthanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (éthanal et eau), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (acide éthanoïque et eau).
Les alcanes peuvent être oxydés lorsqu'ils sont exposés à des peroxydes cycliques à trois chaînons. Ceux-ci comprennent le diméthyldioxirane. Le résultat de l'oxydation des paraffines est une molécule d'alcool.
Les représentants des paraffines ne réagissent pas au KMnO4 ou au permanganate de potassium, ainsi qu'à l'eau de brome.
Isomérisation
Sur les alcanes, le type de réaction est caractérisé par une substitution avec un mécanisme électrophile. Cela inclut l'isomérisation de la chaîne carbonée. Ce processus est catalysé par le chlorure d'aluminium, qui interagit avec la paraffine saturée. Un exemple est l'isomérisation d'une molécule de butane, qui devient du 2-méthylpropane: C4H10 → C3 H 7CH3.
Processus parfumé
Les saturés avec six atomes de carbone ou plus dans la chaîne carbonée principale sont capables de déshydrocyclisation. Une telle réaction n'est pas typique pour les molécules courtes. Le résultat est toujours un cycle à six chaînons sous la forme de cyclohexane et de ses dérivés.
En présence d'accélérateurs de réaction, une déshydrogénation supplémentaire a lieu ettransformation en un cycle benzénique plus stable. Les hydrocarbures acycliques sont convertis en composés aromatiques ou arènes. Un exemple est la déshydrocyclisation de l'hexane:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyclohexane), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzène).
