Chlorowanie Alkanów Rozgałęzionych: Mechanizm Reakcji
- Szczegóły
Chemia organiczna jest podstawą naszego istnienia. Mimo stale rosnącej liczby znanych nam związków organicznych, chemicy pogrupowali je w rodziny, których cechy charakterystyczne poznajemy. Węglowodory, czyli związki zbudowane z atomów węgla i wodoru, dzielimy na nasycone (alkany) oraz nienasycone (alkeny i alkiny). Ten podział opiera się na krotności wiązań pomiędzy atomami węgla w związku.
Skupimy się na alkanach, związkach najprostszych. Alkany są z reguły niereaktywne, ale są źródłem podstawowych definicji niezbędnych do zrozumienia bazy istniejących związków chemicznych. Dzięki prostocie węglowodorów nasyconych możliwe było wprowadzenie pojęć i założeń nazewnictwa związków organicznych.
Alkany o łańcuchach prostych zebrano w szereg homologiczny, którego wzorem ogólnym jest CnH2n+2, gdzie n jest liczbą całkowitą i określa ilość atomów węgla w cząsteczce. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej związku, regularnie wzrasta również temperatura wrzenia i topnienia. Zmienia się także stan skupienia alkanów.
Związki węgla i wodoru mogą się również rozgałęziać, czyli zmieniać swój wzór strukturalny, pozostając przy tym samym wzorze sumarycznym, co nazywamy inaczej izomerią konstytucyjną. Izomery będą się różnić właściwościami, mimo identycznego składu pierwiastkowego. Liczba możliwych izomerów będzie gwałtownie wzrastać wraz z liczbą atomów węgla w cząsteczce.
Najprostsza rodzina węglowodorów jest dość neutralna chemicznie i biologicznie, jednakże jest w stanie reagować w odpowiednich warunkach, np. z tlenem i halogenami. Alkan reaguje z chlorem wtedy, gdy mieszanina reakcyjna zostanie poddana działaniu promieni UV. Taka reakcja prowadzi do podstawienia atomów wodoru atomami chloru wg. mechanizmu rodnikowego.
Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu
CH4 + Cl2 -> CH3Cl+ HCl
Chlorowanie alkanów zachodzi w pierwszej kolejności przy węglu o wyższej rzędowości.
Mechanizm Chlorowania Alkanów
Jak już wiemy cechą charakterystyczną reakcji rodnikowych jest obecność światła, zapisywana także jako h𝜈 nad strzałką. W jaki sposób tworzy się rodnik chloru lub bromu? Rodnik jest niczym nastolatek, który nie ma jeszcze swojej drugiej połówki, przez co jest bardzo reaktywny i będzie chciał wejść w związek z kimkolwiek, nawet z alkanem, który jest bardzo mało reaktywny i nie ma wielkiej ochoty na związki.
Schemat reakcji chlorowania/bromowania (ogólnie: halogenowania) alkanów podano obok. Jest to przykład substytucji rodnikowej. Substytucji, ponieważ atom wodoru wymienia się na atom chloru lub bromu. Na górze widzimy ogólny schemat, o który zwykle jesteście proszeni na maturze.
Musimy jeszcze koniecznie rozpatrzyć sytuację, w której atom chloru czy bromu może się przyłączyć do różnych atomów węgla, dając mieszaninę możliwych produktów. Atom chloru lub bromu może się przyłączyć do różnych atomów węgla w alkanie dając mieszaninę produktów.
Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem
Pewien węglowodór o wzorze C5H12 ulega reakcji monochlorowania w obecności światła dając tylko jeden produkt. Zaczynamy od analizy nowego słowa − monochlorowanie. Przedrostek mono powinien nam się kojarzyć z liczbą jeden (tak jak monogamia, to posiadanie jednego partnera). Tylko 2,2−dimetylopropan jest tutaj dobrą odpowiedzią.
Alkany jako związki mało reaktywne wymagają dostarczenia dużej porcji energii do przeprowadzenia powyższych reakcji. Niewielka reaktywność alkanów wynika z trwałości wiązania C-H oraz C-C. Czynnikami posiadającymi energię niezbędną do rozerwania takich wiązań są tzw. wolne rodniki, czyli atomy lub grupy atomów posiadające niesparowany elektron.
Wolne rodniki są cząstkami bardzo reaktywnymi z uwagi na dążenie do sparowania elektronu.
Zauważmy na tym przykładzie następujące zagadnienia. Po pierwsze taki przebieg reakcji, gdzie jej zapoczątkowanie wynika z ataku wolnego rodnika na substrat określamy mianem mechanizmu wolnorodnikowego. Po drugie reakcje wolnorodnikowe na ogół przebiegają w sposób łańcuchowy tzn. w wyniku ataku wolnego rodnika na substrat powstaje nowy wolny rodnik i on może reagować dalej. Taką reakcję nazywamy więc reakcja łańcuchową. Po trzecie głównym produktem powyżej przedstawionej reakcji jest związek, w którym jeden atom wodoru w węglowodorze jest zastąpiony atomem chloru. Taka reakcja nosi nazwę reakcji podstawienia albo substytucji.
Reakcja halogenowania alkanów ma ograniczone zastosowanie praktyczne, gdyż trudno jest w jej wyniku otrzymać jednorodny produkt. Na przykład głównym produktem reakcji metanu z chlorem jest CH3Cl, ale analizując podane wyżej etapy reakcji nietrudno sobie wyobrazić tworzenie się w mniejszych ilościach innych związków (CH2Cl2, CHCl3, CCl4, CH3CH3, CH3CH2Cl itp.).
Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?
Izomeria i Rzędowość Atomów Węgla
Związki o określonym składzie atomowym, ale o różnym sposobie powiązania atomów w cząsteczce nazywamy izomerami. Izomeria jest zjawiskiem powszechnym w chemii organicznej. Spójrzmy jeszcze raz na budowę cząsteczki n-butanu. Jego wzór ogólny (tzw. sumaryczny) to: C4H10, a wzór strukturalny: CH3 - CH2 - CH2 - CH3. Jest to najprostszy alkan rozgałęziony. Oba związki są izomerami. Taki typ izomerii nazywamy izomerią łańcuchową, stanowiącą szczególny przypadek izomerii strukturalnej albo konstytucyjnej.
Stwierdzono, że podatność na rozerwanie wiązań C-H i C-C zależy w pewnym zakresie od stopnia rozgałęzienia danego atomu węgla. Wprowadzono zatem dla odróżnienia różnych atomów węgla pojęcie rzędowości. I tak atom węgla związany tylko z jednym innym atomem węgla nosi nazwę atomu pierwszorzędowego. W drodze wyjątku atom węgla w metanie też jest pierwszorzędowy. Atomem drugorzędowym nazywamy atom węgla związany z dwoma innymi atomami węgla.
Tabela: Szereg Homologiczny Alkanów
| Nazwa | Wzór sumaryczny | Temperatura wrzenia (°C) |
|---|---|---|
| Metan | CH4 | -161.5 |
| Etan | C2H6 | -88.6 |
| Propan | C3H8 | -42.1 |
| Butan | C4H10 | -0.5 |
| Pentan | C5H12 | 36.1 |
| Heksan | C6H14 | 69 |
tags: #chlorowanie #alkanów #rozgałęzionych #mechanizm
