1. Основные реакции алканов – реакции замещения водорода, идущие по свободно-радикальному механизму.

1. Галогенирование

_h

CН₄ + Cl₂  CH₃Cl + HCl

метан хлорметан

_h

CН₃Cl + Cl₂  CH₂Cl₂ + HCl

хлорметан дихлорметан

_h

CН₂Cl₂ + Cl₂  CHCl₃ + HCl

дихлорметан трихлорметан (хлороформ)

_h

CНCl₃ + Cl₂  CCl₄ + HCl

трихлорметан тетрахлорметан (четыреххлористый углерод)

Механизм протекания этого процесса – свободнорадикальное замещение:

_h

Cl₂  Cl + Cl

CH₄ + Cl  CH₃ + HCl

CH₃ + Cl₂  CH₃Cl + Cl и т.д. до обрыва:

CH₃ + Cl  CH₃Cl или Cl + Cl  Cl₂

При галогенировании гомологов метана образуется смесь галогенпроизводных:

_h

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + Cl₂  СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂Сl + HСl

пентан 1-хлорпентан

_h

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + Cl₂  СН₃ – СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ + HСl

пентан 

Сl

2-хлорпентан

_h

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + Cl₂  СН₃ – СН₂ – СН – СН₂ – СН₃ + HСl

пентан 

Сl

3-хлорпентан

На первой стадии реакции в молекуле пентана замещение атома водорода будет происходить как у первичного, так и у вторичного атома углерода, в результате чего образуется смесь изомерных монохлорпроизводных.

Однако энергия связи атома водорода с первичным атомом углерода больше, чем со вторичным атомом углерода и больше, чем с третичным атомом углерода, поэтому легче идет замещение атома водорода, связанного с третичным атомом углерода. Данное явление называется селективностью. Оно выражено ярче у менее активных галогенов (брома, иода). При повышении температуры селективность ослабляется.

1.2. Нитрование (реакция М.М. Коновалова)

НNО₃ = ОНNО₂ Катализатор Н₂SO_{4 конц.}

В результате реакции образуется смесь нитропроизводных.

t = 120-150⁰С

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + ОНNО₂  СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂NO₂ + H₂O

пентан 1-нитропентан

t = 120-150⁰С

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + ОНNО₂  СН₃ – СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ + H₂O

пентан 

NO₂ 2-нитропентан

t = 120-150⁰С

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + ОНNО₂  СН₃ – СН₂ – СН – СН₂ – СН₃ + H₂O

пентан 

NO₂ 3-нитропентан

1.3. Реакция сульфирования Концентрированная Н₂SO₄ = ОНSO₃Н

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + ОНSO₃Н  СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂SO₃Н + H₂O

пентан 1-сульфопентан

2. Реакции окисления

2.1. Полное окисление – горение.

С₅Н₁₂ + 8(О₂ + 3,76 N₂)  5СО₂ + 6Н₂О + 83,76N₂

2.2. Каталитическое окисление (промышленность)

СН₄ + [O]  CH₃OH

метан метанол

СН₄ + [O]  HCOH + Н₂

метан метаналь

соед. Mn

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + [О]  2СН₃СООН + Н₂О

бутан уксусная кислота

3. Термическое разложение

_t

С₅Н₁₂  5С + 6Н₂

4. Крекинг – реакция расщепления с образованием алкана и алкена

_t

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃  СН₃ – СН₃ + СН₂ = СН – СН₃

пентан этан пропен

5. Пиролиз метана

_{t > 1500}⁰_C

2СН₄  С₂Н₂ + 3Н₂

метан ацетилен

6. Реакция изомеризации

CН₃

t, AlCl₃ 

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃  СН₃  С  СН₃

н- пентан 

CН₃ 2,2-диметилпропан

7. Получение синтез-газа из метана

800⁰С

СН₄ + Н₂О  СО + 3Н₂

метан синтез-газ

Способы получения алканов

1. Практически все алканы можно получить из нефти и природного газа.

2. Крекинг алканов

_t

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃  СН₃ – СН₂ – СН₃ + СН₂ = СН – СН₃

гексан пропан пропен

3. Реакция Вюрца между галогенуглеводородами и натрием

CH₃ – Cl + 2Na + Cl – СН₂ – СН₃  СН₃ – СН₂ – СН₃ + 2NaCl

хлорметан хлорэтан пропан

В результате реакции Вюрца получаются алканы с большим числом атомов углерода в цепи.

4. Восстановление галогенпроизводных алканов

4.1. Восстановление водородом

_t

СН₃ – СН₂ – СН₂ – I + H – H  СН₃ – СН₂ – СН₃ + HI

1-иодпропан водород пропан

4.2. Восстановление галогеноводородом

_t

СН₃ – СН₂ – СН₂ – I + I – Н  СН₃ – СН₂ – СН₃ + I₂

1-иодпропан иодо- пропан иод

водород

5. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот

_{сплавление}

СН₃ – СН₂ – СН₂ – С = О + NaOH  СН₃ – СН₂ – СН₃ + Na₂CO₃

натриевая соль \ гидроксид пропан карбонат

бутановой кислоты ОNa натрия натрия (сода)

В результате реакции получается алкан с числом атомов углерода в цепи на 1 меньше, чем в исходной карбоновой кислоте.

6. Гидрирование непредельных и циклических углеводородов

6.1. Гидрирование алкенов

_Ni

СН₂ = СН – СН₃ + Н₂  СН₃ – СН₂ – СН₃

пропен пропан

6.2. Гидрирование алкинов

_Ni

СН  С – СН₃ + 2Н₂  СН₃ – СН₂ – СН₃

пропин пропан

6.3. Гидрирование циклоалканов

_Ni

 + Н₂  СН₃ – СН₂ – СН₃

циклопропан пропан

7. Гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃ + 12H₂O  3CH₄ + 4Al(OH)₃

карбид метан

алюминия

Применение алканов

Алканы используются в качестве топлива для различных двигателей внутреннего сгорания и отопительных систем.

В органическом синтезе они используются для получения хлорпроизводных, для получения метанола, формальдегида, органических кислот.

Алканы используются для получения непредельных углеводородов (сырье для производства полимеров).