Химические свойства алканов (галогенирование)

Кратко: алканы с галогенами вступают в реакцию замещения водорода на галоген. Идёт она по свободнорадикальному механизму — обычно на свету или при нагревании.

Общая схема:

\[ \mathrm{R{-}H + X_2 \xrightarrow{h\nu\ \text{или }t^\circ} R{-}X + HX} \]

Пример:

\[ \mathrm{CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl} \]

При избытке хлора замещение может идти дальше:

\[ \mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl} \]

и далее до \(\mathrm{CHCl_3}\), \(\mathrm{CCl_4}\).

Как идёт реакция

1. Зарождение цепи. Под действием света молекула галогена распадается на атомы-радикалы: \[ \mathrm{Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2Cl^\cdot} \]

2. Развитие цепи. Радикал отрывает водород от алкана: \[ \mathrm{Cl^\cdot + CH_4 \rightarrow CH_3^\cdot + HCl} \] Затем метильный радикал реагирует с хлором: \[ \mathrm{CH_3^\cdot + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl^\cdot} \] Радикал \(\mathrm{Cl^\cdot}\) снова вступает в реакцию — цепь продолжается.

3. Обрыв цепи. Радикалы соединяются друг с другом, например: \[ \mathrm{CH_3^\cdot + Cl^\cdot \rightarrow CH_3Cl} \]

Что важно помнить

• У алканов идёт замещение, а не присоединение.
• Один атом водорода заменяется одним атомом галогена; при этом выделяется \(\mathrm{HX}\).
• В темноте без нагревания реакция практически не идёт.
• Хлорирование даёт смесь продуктов, а бромирование более избирательно: легче замещается водород у третичного атома углерода, затем у вторичного, затем у первичного.
• Фтор реагирует очень энергично, иод — плохо, поэтому чаще рассматривают хлор и бром.

Проверка на примере:
\(\mathrm{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}\)
Слева: C — 1, H — 4, Cl — 2. Справа: C — 1, H — 3 + 1 = 4, Cl — 1 + 1 = 2. Всё уравнено.