Алканы: дегидрирование, крекинг, изомеризация, окисление

При сильном нагревании и в присутствии катализаторов прочные связи алканов всё же рвутся. Так из алканов получают почти всё сырьё органического синтеза: алкены, диены, арены, водород. Эти реакции лежат в основе нефтепереработки.

Дегидрирование и дегидроциклизация

Дегидрирование — отщепление водорода при нагревании с катализаторами (\(\ce{Ni}\), \(\ce{Pt}\), \(\ce{Cr2O3}\)). Из этана получается этилен, из бутана — бутен-2 или, при отщеплении двух молекул водорода, бутадиен-1,3 (сырьё для каучука):

\[ \ce{CH3-CH3 ->[Ni, t^\circ] CH2=CH2 + H2} \]

\[ \ce{CH3-CH2-CH2-CH3 ->[Cr2O3, t^\circ] CH3-CH=CH-CH3 + H2} \]

\[ \ce{CH3-CH2-CH2-CH3 ->[Cr2O3, Al2O3, t^\circ] CH2=CH-CH=CH2 + 2H2} \]

Алканы с шестью и более атомами углерода в цепи при нагревании с платиной замыкают цикл и превращаются в арены — это дегидроциклизация (ароматизация). Из гексана получается бензол, из гептана — толуол:

\[ \ce{CH3-(CH2)4-CH3 ->[Pt, t^\circ] C6H6 + 4H2}; \qquad \ce{CH3-(CH2)5-CH3 ->[Pt, t^\circ] C6H5-CH3 + 4H2} \]

Крекинг и пиролиз

Крекинг — расщепление длинной углеродной цепи при нагревании до 450–550 °C (термический крекинг) или в присутствии катализатора (каталитический). Молекула алкана распадается на алкан и алкен с меньшим числом атомов углерода:

\[ \ce{C8H18 -> C4H10 + C4H8}; \qquad \ce{CH3-(CH2)4-CH3 -> CH3-CH2-CH3 + CH2=CH-CH3} \]

При ещё более сильном нагревании (пиролиз) метан разлагается до простых веществ или до ацетилена — промышленный способ его получения:

\[ \ce{CH4 ->[1000^\circ C] C + 2H2}; \qquad \ce{2CH4 ->[1500^\circ C] HC#CH + 3H2} \]

Изомеризация

При нагревании с хлоридом алюминия неразветвлённые алканы превращаются в разветвлённые. Реакция обратима:

\[ \ce{CH3-CH2-CH2-CH3 <=>[AlCl3, t^\circ] CH3-CH(CH3)-CH3} \]

Изомеризацию используют для повышения качества бензина. Его стойкость к детонации характеризует октановое число: у сильно разветвлённого изооктана (2,2,4-триметилпентана) оно принято за 100, у неразветвлённого гептана — за 0.

Горение и каталитическое окисление

Все алканы горят, при избытке кислорода — до углекислого газа и воды; при недостатке кислорода образуются угарный газ и сажа:

\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}; \qquad \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}; \qquad \ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O} \]

Для алкана с \(n\) атомами углерода: \(\ce{C_nH_{2n+2}} + \frac{3n+1}{2}\,\ce{O2} \rightarrow n\,\ce{CO2} + (n+1)\,\ce{H2O}\).

В присутствии катализаторов окисление останавливается на промежуточных продуктах. Так получают метанол, формальдегид, уксусную кислоту и синтез-газ:

\[ \ce{2CH4 + O2 ->[\text{кат.}, t^\circ, p] 2CH3-OH}; \qquad \ce{CH4 + O2 ->[\text{кат.}, t^\circ] H-CHO + H2O} \]

\[ \ce{2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 ->[\text{кат.}, t^\circ] 4CH3-COOH + 2H2O} \]

\[ \ce{CH4 + H2O ->[Ni, t^\circ] CO + 3H2} \quad (\text{конверсия метана, синтез-газ}) \]