Radikálna substitúcia: popis reakcie, vlastnosti, príklad

V chémii je radikálna substitúcia reakciou, pri ktorej voľné radikály útočia na molekulu látky a nahrádzajú jej jednotlivé atómy. Počas substitučná reakcia , vytvárajú sa nové radikály. Reťazová reakcia pokračuje, kým sa nevyčerpajú všetky voľné radikály.

Definícia radikálneho

Radikál je atóm alebo molekula, ktorá má na vonkajšej elektrónovej vrstve jeden alebo viac nepárových elektrónov. To znamená, že také elektróny, ktoré nemajú pár. Radikál môže vzniknúť, keď molekula získa jeden elektrón alebo ho naopak stratí. Voľné radikály sú väčšinou nestabilné, pretože ich vonkajšia elektrónová vrstva nie je úplná. Preto radikály ľahko reagujú s niektorými látkami a súčasne vytvárajú nové látky a voľné radikály.

Aké sú radikály?

Hlavné skupiny, podľa ktorých sú radikály klasifikované, sú:

• stabilita: stabilná a nestabilná;
• : nenabité, záporne nabité a kladne nabité;
• stupeň konektivity: voľný a komplexný.

Stabilné radikály

Zvyčajne radikáli" žijú " trochu a ponáhľajú sa reagovať skôr. Takéto radikály existujú sekundy alebo zlomky sekúnd a nazývajú sa nestabilné. Existujú však tie, ktoré sú stabilné, ich doba existencie môže dosiahnuť niekoľko rokov. V anorganickej chémii medzi stabilné patria O3, NO, ClO2, NO2 a ďalšie. V organickej časti sú stabilnejšie radikály. Sú rozdelené do niekoľkých skupín:

• uhľovodík;
• hydrazil;
• nitroxyl;
• aminyl;
• aroxyl;
• verdazilnye.

Mechanizmus radikálnej substitučnej reakcie

V reakčnom mechanizme sú tri stupne:

1. Začatie. V dôsledku vonkajších faktorov (zahrievanie, ožarovanie, chemické a elektrické katalyzátory) sa väzba v molekule látky ničí a vytvára voľné radikály.
2. Vývoj reťazca alebo jeho rast. Voľné prvky interagujú s molekulami, čím vytvárajú nové látky a radikály.
3. Zlomenie reťaze. V tretej fáze sa radikály navzájom spájajú. Prebieha ich rekombinácia (spojenie nepárových elektrónov, ktoré patria k rôznym časticiam), vďaka čomu sa objavujú nové nezávislé molekuly. Nezostávajú žiadne voľné radikály a reakčný reťazec sa považuje za úplný.

Typické substitučné reakcie

Radikálna substitučná reakcia je zvyčajne znázornená na príklade halogenácie alkánov. Najjednoduchším alkánom je metán-CH4 a najbežnejším halogénom je chlór.

Alkány

Alkány sú nasýtené uhľovodíky obsahujúce iba jednoduché väzby. Všeobecný vzorec alkánov je CnH2n + 2. Nasýtené sú tie uhľovodíky, ktoré obsahujú maximálny počet atómov vodíka. Predtým sa alkány nazývali parafíny kvôli tomu, že tieto látky nereagovali s kyselinami, zásadami atď. . V skutočnosti je odolnosť voči interakcii so silnými činidlami vysvetlená silou väzieb C-C A C-H. Nasýtenie alkánov tiež naznačuje, že sa nezúčastňujú na adičných reakciách. Sú charakterizované rozkladnými reakciami, substitúciou a inými.

Halogény

Na uskutočnenie radikálnej substitučnej reakcie je potrebné definovať halogény. Halogény sú prvkami 17. skupiny periodickej tabuľky. Halogény sú Cl( chlór), I (jód), F( fluór), Br (bróm) a At (astat). Všetky halogény sú nekovy a silné oxidačné činidlá. Fluór má najvyššiu oxidačnú aktivitu a astatín má najnižšiu. V procese halogenácie alkánov sa jeden alebo viac atómov vodíka v látke nahradí halogénom.

Substitučný mechanizmus na príklade halogenácie metánu

Metán je považovaný za najjednoduchší alkán, takže jeho halogenačné reakcie sú ľahko zapamätateľné a na tomto základe radikálna substitúcia iných. Chlór sa zvyčajne berie ako halogén. Má priemernú reakčnú silu. Reakcia alkánov s jódom nejde, pretože ide o slabý halogén. Interakcia s fluórom prebieha s výbuchom, pretože atómy fluóru sú veľmi aktívne. Aj keď môže dôjsť k výbuchu aj počas substitučnej reakcie alkánov s chlórom.

Pôvod reťazca. Pod vplyvom slnečného, ultrafialového žiarenia alebo zahrievania sa molekula chlóru Cl2 rozkladá na dva voľné radikály. Každý z nich má na vonkajšej vrstve jeden nepárový elektrón.

CL alkány sa vykonáva₂ → 2Cl

Vývoj alebo rast reťazca. Pri interakcii s molekulami metánu voľné radikály vytvárajú nové a pokračujú v reťazci transformácií.

CH₄ + Cl * → CH₃ + HCl

CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl

Potom reakcia pokračuje, kým nezmiznú všetky voľné radikály.

Zlomenie reťazca je posledným stupňom radikálnej substitúcie alkánov. Radikály sa navzájom kombinujú a vytvárajú nové molekuly.

CH_3· + * Cl → CH₃Cl

CH₃* + * CH₃ → CH₃ - SN₃

Chlorácia metánu

Pod vplyvom slnečného žiarenia nahrádzajú chlórové radikály všetky atómy vodíka v metáne. Na úplnú výmenu vodíka by mal byť dostatočný podiel chlóru v zmesi. Štyri z jeho derivátov je teda možné získať z metánu:

CH₃Cl-chlórmetán.

CH₂Cl₂ - dichlórmetán.

CHCl₃ - trichlórmetán (chloform).

CCl₄ - chlorid uhličitý.

Halogenácia ostatných alkánov

Počnúc propánom (od_{3do 8}), alkány majú terciárne a sekundárne atómy uhlíka. Halogenácia rozvetvených alkánov môže poskytnúť rôzne výsledky. V dôsledku radikálnej substitučnej reakcie sa tvoria alkánové izoméry. Hmotnosť každej výslednej látky sa môže značne líšiť v závislosti od teploty.

Počas tepelnej halogenácie sa zloženie výsledného produktu stanoví na základe pomeru počtu väzieb C-H atómov uhlíka, ktoré sú v komplexných alkánoch primárne, sekundárne a terciárne. V dôsledku fotochemickej halogenácie bude zloženie výsledných produktov závisieť od rýchlosti, ktorou atómy halogénu nahrádzajú atómy vodíka. Pre halogény je najjednoduchšie nahradiť terciárny atóm vodíka. Je ťažšie nahradiť sekundárne a primárne.

Chlórovanie propánu

Pri chlórovaní propánu katalyzátorom vo forme zvýšenia teploty na 450 ° C, 2-chlórpropánu v množstve 25% a 1-chlórpropánu v množstve 75 %.

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

Ak sa radikálna substitučná reakcia alkánov uskutoční pomocou slnečného žiarenia, vyjde 57% 2-chlórpropánu a 43% 1-chlórpropánu.

Rozdiel v hmotnosti látok získaných medzi prvou a druhou reakciou sa vysvetľuje skutočnosťou, že v druhom prípade je rýchlosť výmeny na atóm H sekundárneho atómu 4-krát vyššia ako rýchlosť primárneho atómu, aj keď v molekule propánu existuje viac primárnych väzieb C―H.

Oxidačné reakcie

Voľné radikály sa opäť podieľajú na oxidačných reakciách alkánov. V tomto prípade_{O2 radical} viaže sa na molekulu alkánu a dochádza k úplnej alebo neúplnej oxidačnej reakcii. Úplná oxidácia sa nazýva gorenje:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2N₂O

Gorenje reakcia alkánov mechanizmom radikálnej substitúcie je v priemysle široko používaná ako palivo pre kogeneráciu, pre spaľovacie motory. Do takýchto strojových motorov je možné umiestniť iba rozvetvené alkány. Jednoduché lineárne alkány v ľade explodujú. Mazivá, asfalt, parafín atď. sa vyrábajú z neprchavého sedimentu vytvoreného v dôsledku radikálnej substitúcie. .

Čiastočná oxidácia

V priemysle sa používajú zmesi, ktoré vznikajú pri čiastočnej oxidácii metánu pre výrobu zo syntetických alkánov. Pri neúplnej oxidácii vzduchom sa metylalkohol (CH₃OH), formaldehyd (NSNO), kyselina mravčia (NSOON) možno získať z metánu. A keď sa bután oxiduje, v priemysle sa vyrába kyselina octová:

2C₄N₁₀ + 5O₂ → 4SN₃UNSD + 2H₂

Aby sa alkány čiastočne oxidovali, katalyzátory (Co²⁺, Mn²⁺,. atď..) sa používajú pri relatívne nízkych teploty vzduchu.