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CH₃ClилиCl+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 

NO₂2-нитропентан

t = 120-150⁰С

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

пентан 

NO₂3-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+ 3,76N₂)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 

CН₃2,2-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 ОNaнатрия 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).