În funcţie de natura legăturilor care se rup:
- cu ruperea legăturii C−H ;
- cu ruperea legăturii C−C.
Printre cele mai uzuale reacţii ale alcanilor se numără:
a) descompunerea termică – decurge atât cu ruperea legăturilor C−C, cât şi cu ruperea legăturilor C−H;
b) oxidările;
c) substituţiile: halogenarea, nitrarea.
a) Descompunerea termică a alcanilor
Deşi alcanii prezintă stabilitate termică ridicată (de exemplu, metanul este stabil până la 800°C), hidrocarburile saturate cu mai mulţi atomi de carbon suferă prin încălzire la temperaturi cuprinse între 400°C şi 650°C reacţii de cracare (cu ruperi de legăturii C-C) şi/sau reacţii de dehidrogenare (cu ruperi de legături C-H).
Din alcanii superiori se obţin astfel alcani inferiori şi alchene cu număr mai mic de atomi de carbon.
La temperaturi de peste 650°C au loc reacţii de piroliză.
Spre exemplu, n-butanul se descompune termic după următoarea schemă de reacţii:
Una dintre reacţiile importante ale metanului este piroliza, la temperaturi mai mari de 1200°C, când se formează acetilenă.
Ca produs secundar se obţine carbon elementar, foarte fin divizat,
numit “negru de fum”. Detalii importante ale acestei reacţii vor fi
prezentate la capitolul “Alchine”.
b) Oxidarea
Oxidarea compuşilor organici poate fi:
- completă (numită ardere), conducând la CO2 şi H2O şi generând o
cantitate mare de căldură
- incompletă (numită simplu “oxidare”), în urma căreia rezultă
compuşi organici oxigenaţi (cu grupe funcţionale ce conţin oxigen).
Dintre reacţiile de oxidare a hidrocarburilor saturate, cea mai
importantă din punct de vedere practic este oxidarea totală (arderea sau
combustia). Căldura de ardere mare ce se degajă stă de altfel la baza
utilizării alcanilor drept combustibili.
CnH2n+2 + (3n+1/2)O2 =nCO2 + (n+1)H2O + Q
Metanul, amestecul de propan şi butan, butanul, benzinele, gazele
naturale etc. sunt folosite pentru generarea energiei termice folosite la
încălzirea locuinţelor sau necesare producţiei de electricitate destinată
acţionării motoarelor cu combustie internă ş.a.m.d.; în trecut, gazul
lampant şi apoi gazul metan au fost folosite la iluminatul încăperilor şi al
celui stradal.
Pe de altă parte însă, şi produşii de reacţie merită atenţie, dar în sens
negativ, întrucât cantităţile extrem de mari de CO2 produse la scară
planetară contribuie considerabil la efectul de seră ce are drept rezultat
fenomenul de încălzire globală.
Dintre alcani, cel mai interesant din punct de vedere al comportării în
reacţia de oxidare este metanul. Acesta, în condiţii diferite de reacţie,
conduce la produşi deosebit de utili pentru sinteze organice sau pentru
practica tehnologică.
Alcanii superiori, prin oxidare cu aer (în prezenţa catalizatorului de
tip naftenat de cobalt), conduc la amestecuri de acizi carboxilici (R-
COOH), cu catene de lungimi diferite, utilizaţi la fabricarea săpunurilor.
Faţă de agenţii oxidanţi de tipul bicromat sau permanganat de
potasiu, hidrocarburile saturate sunt inerte.
Autoxidarea reprezintă reacţia hidrocarburilor saturate cu oxigenul
atmosferic, la cald, în prezenţa unor cantităţi mici de substanţe
generatoare de radicali liberi, numite promotori. Produşii primari ai
reacţiei de autoxidare sunt hidroperoxizii, R-O-O-H. Aceştia la rândul lor
sunt generatori de radicali liberi, şi, ca produşi finali, de compuşi
oxigenaţi (alcooli, compuşi carbonilici şi carboxilici).
c) Reacţii de substituţie
Acest tip de reacţii este caracteristic hidrocarburilor saturate şi în general compuşilor organici ce conţin în moleculă numai legături simple (σ).
Reacţiile de substituţie ale alcanilor sunt acele reacţii în care unul sau mai mulţi atomi de hidrogen sunt înlocuiţi cu unul sau mai mulţi atomi ori grupări de atomi.
Cea mai cunoscută reacţie de substituţie a alcanilor este halogenarea (înlocuirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu atom(i) de halogen), în urma căreia se obţin derivaţi halogenaţi (mono- sau polihalogenaţi). Dintre halogeni, cel mai mult sunt utilizaţi clorul şi bromul - fluorul este foarte reactiv, reacţionând exoterm şi neselectiv, în timp ce iodul reacţionează lent şi este, pe de altă parte, şi foarte scump.
Reacţiile de clorurare şi bromurare au loc fie fotochimic (sub influenţa radiaţiilor luminoase), fie termic (la temperaturi de peste 100°C), eventual în prezenţa unor promotori sau iniţiatori. Să luăm spre exemplu reacţia de clorurare. În cazul metanului se obţine un amestec de patru produşi de reacţie: clorura de metil, CH3Cl, clorura de metilen, CH2Cl2, cloroformul, CHCl3, şi tetraclorura de carbon, CCl4. Aceşti derivaţi halogenaţi sunt utilizaţi în principal ca solvenţi.
Deşi mecanismul reacţiilor de clorurare şi bromurare este identic iar natura produşilor de reacţie este similară, cei doi halogeni prezintă diferenţe de comportament: bromul este mai puţin reactiv decât clorul, având ca urmare o selectivitate mai mare, în timp ce clorul, mai reactiv, este mai puţin selectiv (nu atacă într-un mod preferenţial o anumiţă poziţie din moleculă).
Această diferenţă de comportament este vizibilă, spre exemplu, în cazul halogenării propanului:
În general ordinea de substituire a atomilor de hidrogen din molecula unui alcan este:
Hterţiar > Hsecundar > Hprimar.
d) Reacţii de izomerizare
Existenţa acestor reacţii de tip ionic în clasa alcanilor a fost demonstrată pentru prima dată de savantul român C.D. Neniţescu şi colaboratorii săi (1933).
Reacţia de izomerizare reprezintă transformarea reversibilă a alcanilor liniari (n-alcanilor) în izoalcanii izomeri. Aceasta conduce, la echilibru, la un amestec de hidrocarburi izomere cu o compoziţie determinată de stabilitatea termodinamică a izomerilor.
Catalizatorul clasic este clorura de aluminiu umedă, temperatura de lucru fiind sub 100°C, dar se pot folosi şi silicaţi de aluminiu (zeoliţi), la temperaturi mai ridicate (250-300°C).
Spre exemplu, la izomerizarea butanului se obţine un amestec de butan şi izobutan în procente de aproximativ 20%, respectiv 80%.
Această reacţie prezintă importanţă practică întrucât izobutanul este folosit la obţinerea izooctanului (2,2,4-trimetilpentan), aditiv în benzine pentru creşterea cifrei octanice.
Importanţă şi utilizări
În afară de utilizările alcanilor drept combustibili gazoşi sau lichizi, ori ca solvenţi, există numeroase alte aplicaţii ale acestor hidrocarburi atât în industriile farmaceutică şi cosmetică, cât şi în alte ramuri industriale.
Spre exemplu, parafina şi vaselina au largi întrebuinţări în diverse domenii.
Parafina este denumirea unor amestecuri de hidrocarburi saturate cu diferite consistenţe (există parafine solide şi parafine lichide, în funcţie de compoziţia în alcani) folosite ca adaos în creme şi uleiuri (pentru industriile cosmetică şi farmaceutică) sau la confecţionarea lumânărilor.
Vaselina este un produs semisolid (amestec de alcani lichizi şi solizi cu masă moleculară mare), mai pur (vaselină albă) sau impurificat cu alcani cu masă mare (vaselină galbenă), având o structură de gel.
Cea pură poate fi folosită în industria farmaceutică, în timp ce vaselina galbenă este larg folosită în mecanică, ca lubrifiant sau antigripant. În natură există numeroşi compuşi cu inel cicloalcanic.
Astfel, în petrol există aşa-numiţii acizi naftenici, în fapt acizi carboxilici cu inel ciclopentanic; în materialele vegetale este larg răspândită o importantă clasă de compuşi naturali numiţi terpeni - aceştia sunt hidrocarburi cu formula moleculară (C5H8)n în structura cărora se găsesc numeroase inele ciclohexanice, dar şi de alte mărimi (inclusiv cicluri mici, de 4 atomi de carbon).
O altă clasă importantă de compuşi naturali cu acţiune biologică o reprezintă steridele substanţe din clasa lipidelor ce conţin steroli, constituente importante ale grăsimilor animale; dintre steroli pot fi menţionaţi colesterolul şi derivaţii săi.
Sterolii au în structură patru cicluri condensate: trei inele ciclohexanice şi unul ciclopentanic. Unii steroli au rol de hormoni, în timp ce alte substanţe cu schelet sterolic sunt vitamine (de exemplu vitamina D).
c) Reacţii de substituţie
Acest tip de reacţii este caracteristic hidrocarburilor saturate şi în general compuşilor organici ce conţin în moleculă numai legături simple (σ).
Reacţiile de substituţie ale alcanilor sunt acele reacţii în care unul sau mai mulţi atomi de hidrogen sunt înlocuiţi cu unul sau mai mulţi atomi ori grupări de atomi.
Cea mai cunoscută reacţie de substituţie a alcanilor este halogenarea (înlocuirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu atom(i) de halogen), în urma căreia se obţin derivaţi halogenaţi (mono- sau polihalogenaţi). Dintre halogeni, cel mai mult sunt utilizaţi clorul şi bromul - fluorul este foarte reactiv, reacţionând exoterm şi neselectiv, în timp ce iodul reacţionează lent şi este, pe de altă parte, şi foarte scump.
Reacţiile de clorurare şi bromurare au loc fie fotochimic (sub influenţa radiaţiilor luminoase), fie termic (la temperaturi de peste 100°C), eventual în prezenţa unor promotori sau iniţiatori. Să luăm spre exemplu reacţia de clorurare. În cazul metanului se obţine un amestec de patru produşi de reacţie: clorura de metil, CH3Cl, clorura de metilen, CH2Cl2, cloroformul, CHCl3, şi tetraclorura de carbon, CCl4. Aceşti derivaţi halogenaţi sunt utilizaţi în principal ca solvenţi.
Deşi mecanismul reacţiilor de clorurare şi bromurare este identic iar natura produşilor de reacţie este similară, cei doi halogeni prezintă diferenţe de comportament: bromul este mai puţin reactiv decât clorul, având ca urmare o selectivitate mai mare, în timp ce clorul, mai reactiv, este mai puţin selectiv (nu atacă într-un mod preferenţial o anumiţă poziţie din moleculă).
Această diferenţă de comportament este vizibilă, spre exemplu, în cazul halogenării propanului:
În general ordinea de substituire a atomilor de hidrogen din molecula unui alcan este:
Hterţiar > Hsecundar > Hprimar.
d) Reacţii de izomerizare
Existenţa acestor reacţii de tip ionic în clasa alcanilor a fost demonstrată pentru prima dată de savantul român C.D. Neniţescu şi colaboratorii săi (1933).
Reacţia de izomerizare reprezintă transformarea reversibilă a alcanilor liniari (n-alcanilor) în izoalcanii izomeri. Aceasta conduce, la echilibru, la un amestec de hidrocarburi izomere cu o compoziţie determinată de stabilitatea termodinamică a izomerilor.
Catalizatorul clasic este clorura de aluminiu umedă, temperatura de lucru fiind sub 100°C, dar se pot folosi şi silicaţi de aluminiu (zeoliţi), la temperaturi mai ridicate (250-300°C).
Spre exemplu, la izomerizarea butanului se obţine un amestec de butan şi izobutan în procente de aproximativ 20%, respectiv 80%.
Această reacţie prezintă importanţă practică întrucât izobutanul este folosit la obţinerea izooctanului (2,2,4-trimetilpentan), aditiv în benzine pentru creşterea cifrei octanice.
Importanţă şi utilizări
În afară de utilizările alcanilor drept combustibili gazoşi sau lichizi, ori ca solvenţi, există numeroase alte aplicaţii ale acestor hidrocarburi atât în industriile farmaceutică şi cosmetică, cât şi în alte ramuri industriale.
Spre exemplu, parafina şi vaselina au largi întrebuinţări în diverse domenii.
Parafina este denumirea unor amestecuri de hidrocarburi saturate cu diferite consistenţe (există parafine solide şi parafine lichide, în funcţie de compoziţia în alcani) folosite ca adaos în creme şi uleiuri (pentru industriile cosmetică şi farmaceutică) sau la confecţionarea lumânărilor.
Vaselina este un produs semisolid (amestec de alcani lichizi şi solizi cu masă moleculară mare), mai pur (vaselină albă) sau impurificat cu alcani cu masă mare (vaselină galbenă), având o structură de gel.
Cea pură poate fi folosită în industria farmaceutică, în timp ce vaselina galbenă este larg folosită în mecanică, ca lubrifiant sau antigripant. În natură există numeroşi compuşi cu inel cicloalcanic.
Astfel, în petrol există aşa-numiţii acizi naftenici, în fapt acizi carboxilici cu inel ciclopentanic; în materialele vegetale este larg răspândită o importantă clasă de compuşi naturali numiţi terpeni - aceştia sunt hidrocarburi cu formula moleculară (C5H8)n în structura cărora se găsesc numeroase inele ciclohexanice, dar şi de alte mărimi (inclusiv cicluri mici, de 4 atomi de carbon).
O altă clasă importantă de compuşi naturali cu acţiune biologică o reprezintă steridele substanţe din clasa lipidelor ce conţin steroli, constituente importante ale grăsimilor animale; dintre steroli pot fi menţionaţi colesterolul şi derivaţii săi.
Sterolii au în structură patru cicluri condensate: trei inele ciclohexanice şi unul ciclopentanic. Unii steroli au rol de hormoni, în timp ce alte substanţe cu schelet sterolic sunt vitamine (de exemplu vitamina D).
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu