Właściwości alkanów

Reakcje substytucji
Reakcje spalania

Reakcja substytucji –

podstawiania

• Reakcja substytucji

polega na zastąpieniu (podstawieniu)

atomu(ów) wodoru

w cząsteczce alkanu

atomem(i) halogenów

(

X – F, Cl, Br, I

)

• Ogólny wzór reakcji:

C

n

H

2n+2

+

X

2

 C

n

H

2n+1

–

X

+ H

X

alkan + halogen  halogenoalkan + halogenowodór,

• Reakcja związana z atakiem rodnika (

rodnik – wolny rodnik

-

atom

lub grupa atomów posiadający(ca) niesparowany

elektron, np

.:

*Cl

–

rodnik chlorkowy, *CH

3

– rodnik metylowy,

rodniki organiczne są nietrwałe w wyniku aktywności
niesparowanego elektronu, rodniki często są produktami
przejściowymi wielu reakcji chemicznych).

• Reakcje z

fluorem

przebiegają

samorzutnie

, z

chlorem pod

wpyłwem uv (światła ultrafioletowego)

,

z

bromem pod

wpływem uv lub w podwyższonej temp

. , z

jodem w

podwyższonej temp bardzo trudno.

Reakcja substytucji –

podstawiania cd.

• Reakcja

przebiega łańcuchowo

aż do

wyczerpania

rodników

, przerwanie reakcji następuje w

momencie wyczerpania się rodników (w końcowej

fazie reakcja zachodzi między rodnikami, które

były w nadmiarze)

• Etapy chlorowania metanu:
• I.

homolityczny rozpad Cl

2

na rodniki pod wpływem

uv

• Cl · · Cl



*

Cl

+

*

Cl

• II.

Atak rodnika chlorkowego na cząsteczkę

metanu

• CH

4

+

*

Cl



*

CH

3

+

H

Cl

• III. Atak rodnika metylowego na cząsteczkę chloru

• *

CH

3

+

Cl – Cl



CH

3

Cl

+

*

Cl

(chlorometan +

rodnik)

Reakcja substytucji –

chlorowanie metanu cd.

• IV

. Atak rodnika chlorkowego na cząsteczkę chlorometanu

CH

3

Cl

+

*

Cl



*

CH

2

Cl

+

H

Cl

• V.

Atak rodnika chlorometylowego na cząsteczkę chloru

*

CH

2

Cl

+

Cl – Cl



CH

2

Cl

2

+

*

Cl

• V.

Atak rodnika chlorkowego na cząsteczkę dichlorometanu

CH

2

Cl

2

+

*

Cl



*

CH

Cl

2

+

H

Cl

• VI.

Atak rodnika dichlorometylowego na cząsteczkę chloru

*

CH

Cl

2

+

Cl – Cl



CH

Cl

3

+

*

Cl

• VII.

Atak rodnika chlorkowego na cząsteczkę

trichlorometanu

CH

Cl

3

+

*

Cl



*

C

Cl

3

+

H

Cl

• VIII.

Atak rodnik trichlorometylowego na cząsteczkę chloru

*

C

Cl

3

+

Cl – Cl



C

Cl

4

+

*

Cl

(tetra

chloro

metan

,

czterochlorek węgla)

Reakcja substytucji –

chlorowanie metanu –

zakończenie reakcji

cd.

• W nadmiarze rodniki chlorkowe

:

• *Cl +

*

Cl  Cl

2

• W nadmiarze rodniki metylowe

:

• *

CH

3

+

*

CH

3

 CH

3

– CH

3

(etan)

• W nadmiarze rodniki

chlorometylowe:

• *

CH

2

Cl +

*

CH

2

Cl  CH

2

Cl – CH

2

Cl

(1,2-dichloroetan)

Reakcja substytucji cd.

• W przypadku

dłuższych cząsteczek alkanów

reakcje

przebiegają współbieżnie (równolegle)

zgodnie z

regułą Zajcewa

:

najłatwiej

zachodzi

substytucja na atomach

C

o wyższej rzędowości

(3

o

)

– uboższych w wodór –

energia wiązania

C – H

jest najmniejsza

,

trudniej na atomach

C

2

o

,

najtrudniej na atomach

C

o najniższej

rzędowości (1

o

)

– bogatszych w wodór -

energia

wiązania

C – H

jest największa

• W

pierwszym etapie reakcji substytucji

powstaje

mieszanina halogenoalkanów

w

różnych ilościach

Reakcja

bromowania

2-

metylo

butanu

(reguła

Zajcewa)

1o

CH

3

|

uv

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

3

+

Br

2



1o

CH

3

|

•

1o

CH

3

–

3o

C

–

2

o

CH

2

–

1o

CH

3

+

H

Br

|

Br

- Produkt główny: 2-

bromo

-2-

metylo

butan

Reakcja

bromowania

2-

metylo

butanu

(reguła

Zajcewa) cd

1o

CH

3

|

uv

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

3

+

Br

2



1o

CH

3

|

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2

o

CH

–

1o

CH

3

+

H

Br

|

Br

- Produkt drugi co do ilości : 2-

bromo

-3-

metylo

butan

Reakcja

bromowania

2-

metylo

butanu

(reguła

Zajcewa) cd

1o

CH

3

|

uv

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

3

+

Br

2



1o

CH

3

|

•

1o

CH

2

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

3

+

H

Br

|

Br

- Produkt trzeci co do ilości : 1-

bromo

-2-

metylo

butan

Reakcja

bromowania

2-

metylo

butanu

(reguła

Zajcewa) cd

1o

CH

3

|

uv

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

3

+

Br

2



1o

CH

3

|

•

1o

CH

3

–

3o

CH

–

2o

CH

2

–

1o

CH

2

+

H

Br

|

Br

- Produkt

czwarty

-trzeci co do ilości : 1-

bromo

-3-

metylo

butan

Reakcje spalania

alkanów

• Spalanie całkowite  CO

2

+ H

2

O

CH

4

+ 2O

2

 CO

2

+ 2H

2

O + energia

2C

4

H

10

+ 13O

2

 8CO

2

+ 10H

2

O +

energia

• Półspalanie  CO + H

2

O

lub

CO + H

2

2C

4

H

10

+ 9O

2

 8CO + 10H

2

O + energia

C

4

H

10

+ 2O

2

 2CO + 5H

2

+ energia

• Spalanie niecałkowite C+H

2

O

lub

CO +

H

2

O

C

2

H

4

+ O

2

 2C + 2H

2

O + energia

C

2

H

4

+ 2O

2

 2CO + 2H

2

O + energia