Radikális helyettesítés: reakció leírás, jellemzők, példa

A kémia területén a radikális szubsztitúció olyan reakció, amelyben a szabad gyökök megtámadnak egy anyagmolekulát, helyettesítve annak egyes atomjait. Közben a szubsztitúciós reakció , új gyökök képződnek. A láncreakció addig folytatódik, amíg az összes szabad gyök el nem fogy.

A radikális meghatározása

A gyök olyan atom vagy molekula, amelynek egy vagy több párosítatlan elektronja van a külső elektronrétegen. Vagyis olyan elektronok, amelyek nem. Egy gyök akkor alakulhat ki, ha egy molekula egy elektront szerez, vagy fordítva elveszíti. A szabad gyökök nagyrészt instabilak, mivel külső elektronrétegük nem teljes. Ezért a gyökök könnyen reagálnak egyes anyagokkal, új anyagokat és szabad gyököket képezve egyszerre.

Milyenek a radikálisok?

A fő csoportok, amelyek alapján a gyökök osztályozása megtörténik:

• stabilitás: stabil és instabil;
• töltéspár: töltetlen, negatív töltésű és pozitív töltésű;
• a kapcsolat mértéke: ingyenes és összetett.

Stabil gyökök

Általában a radikálisok" élnek " egy kicsit, és sietnek, hogy hamarabb reagáljanak. Az ilyen gyökök másodpercekig vagy másodperc törtrészekig léteznek, instabilnak nevezik őket. De vannak olyanok, amelyek stabilak, létezésük időtartama több évet is elérhet. A szervetlen kémiában a stabilak közé tartozik az O3, NO, ClO2, NO2 és mások. A szerves szakaszban stabilabb gyökök vannak. Ezek több csoportra oszthatók:

• szénhidrogén;
• hidrazil;
• nitroxil;
• aminil;
• aroxil;
• verdazilnye.

A radikális szubsztitúciós reakció mechanizmusa

A reakciómechanizmusban három szakasz van:

1. Beavatás. Külső tényezők (fűtés ,besugárzás, kémiai és elektromos katalizátorok) miatt az anyagmolekulában lévő kötés megsemmisül, szabad gyököket képezve.
2. A lánc fejlődése vagy növekedése. A szabad elemek kölcsönhatásba lépnek a molekulákkal, ezáltal új anyagokat és gyököket képeznek.
3. Lánc törés. A harmadik szakaszban a radikálisok összekapcsolódnak egymással. Rekombinációjuk megtörténik (a különböző részecskékhez tartozó párosítatlan elektronok egyesülése), amelynek köszönhetően új független molekulák jelennek meg. Nincsenek szabad gyökök, a reakciólánc teljesnek tekinthető.

Tipikus szubsztitúciós reakciók

Általában a radikális szubsztitúciós reakciót az alkán-halogénezés példája mutatja. A legegyszerűbb alkán a metán-CH4, a leggyakoribb halogén pedig a klór.

Alkánok

Az alkánok telített szénhidrogének, amelyek csak egyszerű kötéseket tartalmaznak. Az alkánok általános képlete CnH2n + 2. Telítettek azok a szénhidrogének, amelyek a hidrogénatomok maximális számát tartalmazzák. Korábban az alkánokat paraffinoknak nevezték, mivel ezek az anyagok nem reagáltak savakkal, lúgokkal stb. . Valójában az erős reagensekkel való kölcsönhatással szembeni ellenállást a C-C és C-H kötések erőssége magyarázza. Az alkánok telítettsége azt is jelzi, hogy nem vesznek részt az addíciós reakciókban. Ezeket bomlási reakciók, szubsztitúció és mások jellemzik.

Halogének

Radikális szubsztitúciós reakció végrehajtásához meg kell határozni a halogéneket. A halogének a periódusos rendszer 17. csoportjának elemei. A halogének a következők: CL (klór), I (jód), F (fluor), Br (bróm)és At (astat). Minden halogén nemfémek és erős oxidálószerek. A fluor oxidatív aktivitása a legmagasabb, az asztatiné pedig a legalacsonyabb. Az alkán-halogénezés során az anyag egy vagy több hidrogénatomját halogén helyettesíti.

Szubsztitúciós mechanizmus a metán halogénezésének példáján

A metánt a legegyszerűbb alkánnak tekintik, ezért halogénezési reakciói könnyen megjegyezhetők, ezen az alapon más alkánok radikális helyettesítése történik. A klórt általában halogénként veszik fel. Átlagos reakcióereje van. Az alkánok jóddal való reakciója nem megy, mivel gyenge halogén. A fluorral való kölcsönhatás robbanással történik, mivel a fluor atomok nagyon aktívak. Bár robbanás is előfordulhat az alkánok klórral történő szubsztitúciós reakciója során.

A lánc eredete. Napsugárzás, ultraibolya sugárzás vagy melegítés hatására a Cl2 klórmolekula két szabad gyökökre bomlik. Mindegyiknek van egy párosítatlan elektronja a külső rétegen.

Cl₂ Xhamster2cl

Láncfejlődés vagy növekedés. A metánmolekulákkal való kölcsönhatás során a szabad gyökök újakat képeznek, és folytatják az átalakulások láncolatát.

CH₄ + Cl * 6 Ch₃ + HCl

CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl

Ezután a reakció addig folytatódik, amíg az összes szabad gyökök eltűnnek.

A lánctörés az alkánok radikális helyettesítésének utolsó szakasza. A gyökök összekapcsolódnak és új molekulákat alkotnak.

CH_3· + * Cl 6 Ch₃Cl

CH₃· + * CH₃ → CH₃ – SN₃

Metánklorinálás

Napfény hatására a klórgyökök helyettesítik a metán összes hidrogénatomját. A hidrogén teljes cseréjéhez a keverékben lévő klór arányának elegendőnek kell lennie. Így négy származéka metánból nyerhető:

CH₃Cl-klór-metán.

CH₂Cl₂ – diklór-metán.

CHCl₃ - triklór-metán (klórforma).

CCl₄ - szén-tetraklorid.

Más alkánok halogénezése

Propánnal kezdve (tól től_{3hogy 8}), az alkánok tercier és szekunder szénatomokkal rendelkeznek. Az elágazó alkánok halogénezése különböző eredményeket adhat. A radikális szubsztitúciós reakció eredményeként alkán izomerek képződnek. Az egyes kapott anyagok tömege a hőmérséklettől függően nagymértékben változhat.

A termikus halogénezés során a kapott termék összetételét a szénatomok C―H kötéseinek aránya alapján határozzuk meg, amelyek komplex alkánokban primer, szekunder és tercier. A fotokémiai halogénezés eredményeként a kapott termékek összetétele attól függ, hogy a halogénatomok milyen sebességgel helyettesítik a hidrogénatomokat. A halogének számára a legegyszerűbb a tercier hidrogénatom helyébe lépni. Nehezebb helyettesíteni a másodlagos és az elsődleges.

Propán klórozása

Amikor a propán klórozása katalizátorral a hőmérséklet 450-re történő emelkedése formájában történik, a 2-klór-propán 25% - os, az 1-klór-propán pedig 75% - os mennyiségben %.

2SN₃SN₂SN₃ + 2Cl₂ → CH₃CH (Cl)CH₃ + CH₃CH₂CH_2Cl + 2hcl

Ha radikális alkán szubsztitúciós reakciót hajtanak végre napfény alkalmazásával, 57% 2-klór-propán és 43% 1-klór-propán jön ki.

Az első és a második reakció között kapott anyagok tömegének különbségét azzal magyarázza, hogy a második esetben a szekunder atom h-atomonkénti helyettesítési sebessége 4-szer nagyobb, mint az elsődleges, bár a propánmolekulában több primer C―H kötés van.

Oxidációs reakciók

Ismét a szabad gyökök részt vesznek az alkán oxidációs reakciókban. Ebben az esetben a_{O2 radikális} az alkánmolekulához kötődik, teljes vagy hiányos oxidációs reakció lép fel. A teljes oxidációt gorenje-nek hívják:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2N₂Ról ről

Az alkánok Gorenje reakcióját a radikális szubsztitúció mechanizmusával széles körben használják az iparban CHP üzemanyagként, belső égésű motorokhoz. Az ilyen gépmotorokban csak elágazó alkánok helyezhetők el. A jégben lévő egyszerű lineáris alkánok felrobbannak. Kenőanyagok, aszfalt, paraffin stb. a radikális szubsztitúció eredményeként képződött nem illékony üledékből készülnek. .

Részleges oxidáció

Az iparban a metán részleges oxidációja során keletkező keverékeket használják a gyártáshoz szintetikus alkánokból. Levegővel nem teljes oxidációval, metil-alkohollal (CH₃OH), formaldehid (NSNO), hangyasav (NSOON) metánból nyerhető. Amikor a bután oxidálódik, ecetsavat állítanak elő az iparban:

2C₄N₁₀ + 5O₂ (4) CN₃UNSD + 2H₂

Annak érdekében, hogy az alkánok részlegesen oxidálódjanak, katalizátorok (Co²⁺, Mn²⁺,. stb..) viszonylag alacsonyan használják a levegő hőmérséklete.