Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана

Химические свойства алканов

Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:

1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.

2. Из-за прочных связей С-С и С-Н (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO₄ и т.п.)

3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.

Основной тип реакций – радикальное замещение (radicalsubstitution) S_R.

Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.

2. Реакция галогенирования

Взаимодействие алканов с галогенами (элементы VII-A группы) носит общее название –реакция галогенирования. Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.

Фтор химически слишком активен, и реакции алканов с его участием сопровождаютсявзрывом и окислением до CF₄.

 

Взаимодействие алканов с йодом практически не протекает.

Реакции хлорирования и бромирования проводят при 300–400^оC или при облучении УФ-лампой.

Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана

При хлорировании атом Н в молекуле метана замещается на атом Cl. В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl;

CH₃Cl + Сl₂ CH₂Cl₂ + HCl;

CH₂Cl₂ + Сl₂ CHCl₃ + HCl;

CHCl₃ + Сl₂ CCl₄ + HCl.

3. Механизм радикального замещения

Механизм реакции – последовательность стадий, через которые проходит химическая реакция.

Стадия 1 – зарождение цепи (инициация)

Когда молекулу хлора нагревают или облучают, слабая связь между атомами хлора рвется, при этом каждому из атомов при разрыве связи достается по одному электрону.

В результате образуются незаряженные частицы с неспаренным электроном – радикалы. Атомы в радикалах содержат на внешнем уровне нечетное число электронов. Поэтому радикалы – очень неустойчивые и реакционноспособные частицы.

Cl:Сl 2 Сl^·.

Стадия 2 – развитие (рост) цепи

Атом хлора при столкновении с молекулой алкана отрывает от нее атом Н, и образуется молекула HCl. Возникает новый свободный радикал ^·СН₃. Он далее реагирует с другой молекулой хлора. Такие взаимодействия могут повторяться много раз, образуя длинную цепь.

Сl^· + CH₄→HCl + ^·СН₃;

^·СН₃ + Сl₂→Сl^· + CH₃Сl…

Стадия 3 – обрыв цепи (рекомбинация)

Два радикала могут встретиться, и цепь прервется:

^·СН₃ + Сl^· →CH₃Сl;

2 Сl^· → Сl₂;

2 ^·СН₃ → CH₃–CH₃.

Обратите внимание: в последнем случае возникает вещество, в молекуле которого больше атомов углерода, чем в исходном алкане. Поэтому в смеси продуктов радикальных реакций алканов всегда присутствуют небольшие количества веществ с более длинной углеродной цепью.