ปฏิกิริยาของอัลเคนเป็นเรื่องปกติ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

สารประกอบเคมีแต่ละประเภทสามารถแสดงคุณสมบัติได้เนื่องจากโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ อัลเคนมีลักษณะเฉพาะโดยการแทนที่ การกำจัด หรือปฏิกิริยาออกซิเดชันของโมเลกุล กระบวนการทางเคมีทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะของการไหล ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

อัลเคนคืออะไร

เหล่านี้เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เรียกว่าพาราฟิน โมเลกุลของพวกมันประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้น มีสายโซ่อะไซคลิกแบบเส้นตรงหรือแบบกิ่งซึ่งมีสารประกอบเพียงชนิดเดียว เมื่อพิจารณาจากคุณลักษณะของคลาส เป็นไปได้ที่จะคำนวณว่าปฏิกิริยาใดที่เป็นคุณลักษณะของอัลเคน พวกเขาปฏิบัติตามสูตรทั้งชั้นเรียน: H_2n+2C.

โครงสร้างทางเคมี

โมเลกุลพาราฟินประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่แสดง sp³-hybridization พวกมันมีออร์บิทัลวาเลนซ์ทั้งสี่มีรูปร่าง พลังงาน และทิศทางเดียวกันในอวกาศ ขนาดของมุมระหว่างระดับพลังงานคือ 109° ถึง 28'.

การมีพันธะเดี่ยวในโมเลกุลเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาใดลักษณะของอัลเคน ประกอบด้วย σ-สารประกอบ พันธะระหว่างคาร์บอนไม่มีขั้วและโพลาไรซ์ได้เล็กน้อย และยาวกว่าใน C−H เล็กน้อย นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไปยังอะตอมของคาร์บอนเป็นอิเล็กตรอนมากที่สุด เป็นผลให้สารประกอบ C−H มีลักษณะขั้วต่ำ

ปฏิกิริยาเปลี่ยนตัว

สารในกลุ่มพาราฟินมีฤทธิ์ทางเคมีอ่อน สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ด้วยความแข็งแกร่งของพันธะระหว่าง C–C และ C–H ซึ่งยากต่อการแตกหักเนื่องจากไม่มีขั้ว การทำลายล้างขึ้นอยู่กับกลไกโฮโมไลติกซึ่งอนุมูลอิสระมีส่วนร่วม นั่นคือเหตุผลที่อัลเคนมีลักษณะเฉพาะโดยปฏิกิริยาการแทนที่ สารดังกล่าวไม่สามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำหรือไอออนที่เป็นประจุไฟฟ้าได้

พวกเขารวมถึงการแทนที่อนุมูลอิสระซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนถูกแทนที่ด้วยองค์ประกอบฮาโลเจนหรือกลุ่มแอคทีฟอื่น ๆ ปฏิกิริยาเหล่านี้รวมถึงกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับฮาโลจิเนชัน ซัลโฟคลอรีน และไนเตรต ผลลัพธ์ที่ได้คือการเตรียมอนุพันธ์ของอัลเคน

กลไกของปฏิกิริยาการแทนที่อนุมูลอิสระขึ้นอยู่กับสามขั้นตอนหลัก:

1. กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นหรือนิวเคลียสของห่วงโซ่อันเป็นผลมาจากการเกิดอนุมูลอิสระ ตัวเร่งปฏิกิริยาคือแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตและความร้อน
2. จากนั้นก็เกิดลูกโซ่ ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์ต่อเนื่องกันของอนุภาคออกฤทธิ์กับโมเลกุลที่ไม่ออกฤทธิ์เกิดขึ้นพวกมันจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลและอนุมูลตามลำดับ
3. ขั้นตอนสุดท้ายคือการหักโซ่ มีการสังเกตการรวมตัวหรือการหายไปของอนุภาคแอคทีฟ สิ่งนี้จะหยุดการพัฒนาของปฏิกิริยาลูกโซ่

กระบวนการฮาโลเจน

มันขึ้นอยู่กับกลไกของประเภทหัวรุนแรง ปฏิกิริยาฮาโลเจนของแอลเคนเกิดขึ้นจากการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตและให้ความร้อนจากส่วนผสมของฮาโลเจนและไฮโดรคาร์บอน

ทุกขั้นตอนของกระบวนการอยู่ภายใต้กฎที่ Markovnikov ระบุไว้ โดยระบุว่า อย่างแรกเลย อะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นของคาร์บอนที่เติมไฮโดรเจนมากที่สุด จะถูกแทนที่ด้วยฮาโลเจน การทำฮาโลเจนจะดำเนินการในลำดับต่อไปนี้: จากอะตอมระดับตติยภูมิไปจนถึงคาร์บอนปฐมภูมิ

กระบวนการนี้ดีกว่าสำหรับโมเลกุลของอัลเคนที่มีสายโซ่คาร์บอนหลักที่ยาว นี่เป็นเพราะการลดลงของพลังงานไอออไนซ์ในทิศทางนี้ อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากสารได้ง่ายขึ้น

ตัวอย่างคือคลอรีนของโมเลกุลมีเทน การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลตนำไปสู่การแยกคลอรีนออกเป็นอนุภาคอนุมูลอิสระที่โจมตีอัลเคน มีการแยกตัวของอะตอมไฮโดรเจนและการก่อตัวของ H₃C·หรือเมทิลเรดิคัล ในทางกลับกัน อนุภาคดังกล่าวจะโจมตีคลอรีนระดับโมเลกุล ซึ่งนำไปสู่การทำลายโครงสร้างและการก่อตัวของสารเคมีใหม่

เปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนเพียงตัวเดียวในแต่ละขั้นตอนของกระบวนการ ปฏิกิริยาฮาโลจิเนชันของอัลเคนนำไปสู่การก่อตัวของคลอโรมีเทน ไดคลอโรมีเทน ไตรคลอโรมีเทน และคาร์บอนเตตระคลอไรด์ทีละน้อย

แผนผังกระบวนการมีลักษณะดังนี้:

H₄C + Cl:Cl → H₃CCl + HCl, H₃CCl + Cl:Cl → H₂CCl₂ + HCl, H₂CCl₂ + Cl:Cl → HCCl₃ + HCl, HCCl₃ + Cl:Cl → CCl₄ + HCl.

ต่างจากคลอรีนของโมเลกุลมีเทน กระบวนการดังกล่าวกับอัลเคนอื่นๆ นั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการได้รับสารซึ่งการแทนที่ไฮโดรเจนไม่ได้เกิดขึ้นที่อะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอม แต่ในหลายๆ อะตอม อัตราส่วนเชิงปริมาณสัมพันธ์กับตัวบ่งชี้อุณหภูมิ ภายใต้สภาวะที่หนาวเย็น อัตราการก่อตัวของอนุพันธ์จะลดลงด้วยโครงสร้างระดับตติยภูมิ ทุติยภูมิ และปฐมภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการก่อตัวของสารประกอบดังกล่าวจะลดลง กระบวนการฮาโลเจนได้รับอิทธิพลจากปัจจัยสถิต ซึ่งบ่งชี้ความน่าจะเป็นที่แตกต่างกันของการชนกันอย่างรุนแรงกับอะตอมของคาร์บอน

กระบวนการฮาโลเจนกับไอโอดีนไม่ดำเนินการภายใต้สภาวะปกติ จำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขพิเศษ เมื่อมีเธนสัมผัสกับฮาโลเจน จะเกิดไฮโดรเจนไอโอไดด์ขึ้น มันได้รับผลกระทบจากเมทิลไอโอไดด์เป็นผลให้รีเอเจนต์เริ่มต้นถูกปล่อยออกมา: มีเทนและไอโอดีน ปฏิกิริยาดังกล่าวถือว่าย้อนกลับได้

ปฏิกิริยาของเวิร์ตซ์สำหรับอัลเคน

เป็นวิธีการเพื่อให้ได้ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่มีโครงสร้างสมมาตร โลหะโซเดียม อัลคิลโบรไมด์ หรืออัลคิลคลอไรด์ใช้เป็นสารตั้งต้น ที่อันตรกิริยาของพวกมันทำให้เกิดโซเดียมเฮไลด์และสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่ยืดออก ซึ่งเป็นผลรวมของอนุมูลไฮโดรคาร์บอนสองตัว ตามแผนผัง การสังเคราะห์มีดังนี้ R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl

ปฏิกิริยา Wurtz สำหรับอัลเคนจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อฮาโลเจนในโมเลกุลของพวกมันอยู่ที่อะตอมของคาร์บอนปฐมภูมิ ตัวอย่างเช่น CH₃−CH₂−CH₂Br.

หากส่วนผสมของฮาโลคาร์บอนของสารประกอบสองชนิดมีส่วนร่วมในกระบวนการ ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันสามชนิดจะก่อตัวขึ้นในระหว่างการควบแน่นของโซ่ของพวกมัน ตัวอย่างของปฏิกิริยาของอัลเคนคือปฏิกิริยาของโซเดียมกับคลอโรมีเทนและคลอโรอีเทน ผลลัพธ์คือส่วนผสมที่ประกอบด้วยบิวเทน โพรเพน และอีเทน

นอกจากโซเดียมแล้ว ยังใช้โลหะอัลคาไลอื่นๆ ได้ ซึ่งรวมถึงลิเธียมหรือโพแทสเซียม

กระบวนการซัลโฟคลอรีน

เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยากก มันดำเนินการตามหลักการของการแทนที่อนุมูลอิสระ นี่เป็นปฏิกิริยาลักษณะเฉพาะของอัลเคนต่อการกระทำของส่วนผสมของซัลเฟอร์ไดออกไซด์และโมเลกุลคลอรีนเมื่อมีรังสีอัลตราไวโอเลต

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นกลไกลูกโซ่ ซึ่งได้อนุมูล 2 ตัวจากคลอรีน หนึ่งในนั้นโจมตีอัลเคน ส่งผลให้เกิดสปีชีส์อัลคิลและโมเลกุลของไฮโดรเจนคลอไรด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ติดอยู่กับไฮโดรคาร์บอนเรดิคัลเพื่อสร้างอนุภาคที่ซับซ้อน เพื่อความคงตัว อะตอมของคลอรีนหนึ่งตัวถูกจับจากอีกโมเลกุลหนึ่ง สารสุดท้ายคืออัลเคนซัลโฟนิลคลอไรด์ ใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบที่พื้นผิว

แผนผังกระบวนการมีลักษณะดังนี้:

ClCl → ^hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO₂, ∙RSO₂ + ClCl → RSO₂Cl + ∙Cl.

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับไนเตรต

อัลเคนทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกในรูปของสารละลาย 10% เช่นเดียวกับไนโตรเจนออกไซด์เตตระวาเลนต์ในสถานะก๊าซ เงื่อนไขสำหรับการไหลของมันคือค่าอุณหภูมิสูง (ประมาณ 140 ° C) และตัวบ่งชี้แรงดันต่ำ ไนโตรอัลเคนถูกผลิตที่เอาต์พุต

กระบวนการอนุมูลอิสระนี้ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ Konovalov ผู้ค้นพบการสังเคราะห์ของไนเตรต: CH₄ + HNO₃ → CH ₃NO₂ + H₂O.

กลไกการแตกแยก

อัลเคนมีลักษณะเด่นคือปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันและปฏิกิริยาแตกร้าว โมเลกุลมีเทนผ่านการสลายตัวด้วยความร้อนอย่างสมบูรณ์

กลไกหลักของปฏิกิริยาข้างต้นคือการกำจัดอะตอมออกจากอัลเคน

กระบวนการดีไฮโดรจีเนชัน

เมื่อแยกอะตอมไฮโดรเจนออกจากโครงคาร์บอนของพาราฟิน ยกเว้นมีเทน จะได้สารประกอบที่ไม่อิ่มตัว ปฏิกิริยาเคมีของอัลเคนเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง (ตั้งแต่ 400 ถึง 600 ° C) และอยู่ภายใต้อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปของแพลตตินัม นิกเกิล โครเมียม และอะลูมิเนียมออกไซด์

หากโมเลกุลของโพรเพนหรืออีเทนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ของมันจะเป็นโพรพีนหรือเอเธนด้วยพันธะคู่เดียว

เมื่อทำการดีไฮโดรจิเนตโครงกระดูกคาร์บอนสี่หรือห้าตัว ไดอีนการเชื่อมต่อ บิวเทนเกิดจากบิวทาไดอีน-1, 3 และบิวทาไดอีน-1, 2.

หากมีอะตอมของคาร์บอนตั้งแต่ 6 อะตอมขึ้นไปในปฏิกิริยา ก็จะเกิดเบนซีนขึ้น มีแกนอโรมาที่มีพันธะคู่สามอัน

กระบวนการย่อยสลาย

ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาของอัลเคนสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการสลายตัวของพันธะคาร์บอนและการก่อตัวของอนุภาคแอคทีฟของชนิดหัวรุนแรง กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าการแคร็กหรือไพโรไลซิส

การให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นที่อุณหภูมิเกิน 500 °C ทำให้เกิดการสลายตัวของโมเลกุล ซึ่งในระหว่างนั้นก็จะเกิดส่วนผสมที่ซับซ้อนของอนุมูลประเภทอัลคิล

การดำเนินการไพโรไลซิสของแอลเคนด้วยโซ่คาร์บอนยาวภายใต้ความร้อนสูงนั้นสัมพันธ์กับการได้สารประกอบที่อิ่มตัวและไม่อิ่มตัว เรียกว่าการแตกร้าวด้วยความร้อน กระบวนการนี้ใช้จนถึงกลางศตวรรษที่ 20

ข้อเสียคือการผลิตไฮโดรคาร์บอนที่มีค่าออกเทนต่ำ (ไม่เกิน 65) ดังนั้นจึงถูกแทนที่ด้วยการแตกตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 440 °C และความดันต่ำกว่า 15 บรรยากาศ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิโนซิลิเกตที่มีการปล่อยแอลเคนที่มีโครงสร้างเป็นกิ่ง ตัวอย่างคือไพโรไลซิสมีเทน: 2CH₄ →^t°C_{2 H}2_{+ 3H}2_{. ในระหว่างปฏิกิริยานี้ จะเกิดอะเซทิลีนและโมเลกุลไฮโดรเจน}

โมเลกุลมีเทนสามารถแปลงสภาพได้ ปฏิกิริยานี้ต้องใช้น้ำและตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล บนผลลัพธ์คือส่วนผสมของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน

กระบวนการออกซิเดชัน

ลักษณะปฏิกิริยาเคมีของอัลเคนเกี่ยวข้องกับการบริจาคอิเล็กตรอน

พาราฟินเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอัตโนมัติ มันเกี่ยวข้องกับกลไกอนุมูลอิสระสำหรับการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว ในระหว่างการทำปฏิกิริยา ไฮโดรเปอร์ออกไซด์จะได้มาจากสถานะของเหลวของอัลเคน ในระยะเริ่มต้นโมเลกุลพาราฟินจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนส่งผลให้มีการปล่อยอนุมูลอิสระ นอกจากนี้ โมเลกุลอื่น O₂ ทำปฏิกิริยากับอนุภาคอัลคิล ส่งผลให้ ∙ROO โมเลกุลของอัลเคนจะสัมผัสกับอนุมูลของกรดไขมันเปอร์ออกไซด์ หลังจากนั้นไฮโดรเปอร์ออกไซด์จะถูกปลดปล่อยออกมา ตัวอย่างคือการเกิดปฏิกิริยาอัตโนมัติของอีเทน:

C₂H₆ + O₂ → ∙C₂ H₅ + HOO∙, ∙C₂H₅ + O₂ → ∙OOC ₂H₅, ∙OOC₂H₅ + C₂H₆→ HOOC₂H₅ + ∙C₂H₅.

อัลเคนมีลักษณะเฉพาะจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางเคมีหลักอย่างหนึ่งเมื่อพิจารณาจากองค์ประกอบของเชื้อเพลิง พวกมันมีลักษณะออกซิเดชันพร้อมการปล่อยความร้อน: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO2 _{+ 6H}2_O.

หากมีออกซิเจนในปริมาณเล็กน้อยในกระบวนการ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายอาจเป็นถ่านหินหรือคาร์บอนไดวาเลนต์ออกไซด์ ซึ่งถูกกำหนดโดยความเข้มข้นของ O₂.

เมื่ออัลเคนถูกออกซิไดซ์ภายใต้อิทธิพลของสารเร่งปฏิกิริยาและทำให้ร้อนถึง 200 ° C โมเลกุลของแอลกอฮอล์ อัลดีไฮด์หรือกรดคาร์บอกซิลิก

ตัวอย่างอีเทน:

C₂H₆ + O₂ → C_{2 H}5_{OH (เอทานอล),}

C₂H₆ + O₂ → CH₃ CHO + H₂O (เอทานอลและน้ำ), 2C₂H₆ + 3O₂ → 2CH₃ COOH + 2H₂O (กรดเอทาโนอิกและน้ำ).

อัลเคนสามารถออกซิไดซ์ได้เมื่อสัมผัสกับไซคลิกเปอร์ออกไซด์ที่มีสามองค์ประกอบ เหล่านี้รวมถึงไดเมทิลไดออกไซด์ ผลของการเกิดออกซิเดชันของพาราฟินคือโมเลกุลแอลกอฮอล์

ตัวแทนของพาราฟินไม่ตอบสนองต่อ KMnO₄ หรือโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต เช่นเดียวกับน้ำโบรมีน

ไอโซเมอไรเซชัน

สำหรับอัลเคน ประเภทของปฏิกิริยาจะมีลักษณะเฉพาะด้วยการแทนที่ด้วยกลไกอิเล็กโตรฟิลลิก ซึ่งรวมถึงไอโซเมอไรเซชันของสายโซ่คาร์บอนด้วย กระบวนการนี้เร่งปฏิกิริยาด้วยอะลูมิเนียมคลอไรด์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับพาราฟินอิ่มตัว ตัวอย่างคือไอโซเมอไรเซชันของโมเลกุลบิวเทน ซึ่งกลายเป็น 2-เมทิลโพรเพน: C₄H₁₀ → C₃ H 7_CH3.

ขั้นตอนความหอม

อิ่มตัวด้วยอะตอมของคาร์บอนตั้งแต่หกอะตอมขึ้นไปในสายโซ่คาร์บอนหลักที่มีความสามารถในการดีไฮโดรไซไลเซชัน ปฏิกิริยาดังกล่าวไม่เป็นเรื่องปกติสำหรับโมเลกุลสั้น ผลลัพธ์จะเป็นวงแหวนหกส่วนในรูปแบบของไซโคลเฮกเซนและอนุพันธ์ของมันเสมอ

เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา ดีไฮโดรจีเนชันจะเกิดขึ้นอีกและเปลี่ยนเป็นแหวนเบนซินที่มีเสถียรภาพมากขึ้น อะไซคลิกไฮโดรคาร์บอนจะถูกแปลงเป็นสารประกอบอะโรมาติกหรืออารีน ตัวอย่างคือ dehydrocyclization ของ hexane:

H₃C−CH₂− CH₂− CH ₂− CH₂−CH₃ → C₆H ₁₂ (ไซโคลเฮกเซน), C₆H₁₂ → C₆H_{6+ 3H}2 _{(เบนซิน).}