Clorazione

Come si clorurano gli alcani?

Per clorare gli alcani si utilizza un meccanismo noto come sostituzione radicale libera.

Scomponiamo un po' questa definizione.

Che cos'è un radicale libero?

È bene sapere che gli elettroni amano stare in coppia e che, orbitando da soli, hanno una grande probabilità di interagire con altre molecole. Pertanto, i radicali liberi sono altamente reattivi e generalmente hanno vita breve. Non tendono a rimanere a lungo.

L'elettrone spaiato di un radicale libero è rappresentato da un piccolo punto nella posizione appropriata della molecola. Ad esempio, un radicale libero di cloro è scritto come indicato di seguito: Cl ⋅

Un altro esempio è il radicale libero etile:

⋅ CH₂CH₃

Che cos'è la reazione di sostituzione?

Nel caso della clorurazione degli alcani, si toglie un atomo di idrogeno all'alcano e lo si sostituisce con un atomo di cloro. Questo cambia il gruppo funzionale, rendendo la molecola un alogenuro alchilico. Ne parleremo più avanti.

Figura 1: Una reazione di sostituzione. Un atomo di idrogeno è stato scambiato con un atomo di cloro, formando un alogenoalcano. Questa molecola è il clorometano

Processo di clorazione

Come descritto in precedenza, nella clorazione degli alcani mediante sostituzione radicale libera, uno o più atomi di idrogeno in un alcano vengono sostituiti da un radicale libero di cloro. Come catalizzatore si utilizza la luce UV e si libera acido cloridrico.

Ad esempio, la sostituzione del metano con il cloro produce il clorometano. L'equazione complessiva è la seguente:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

La sostituzione radicale libera prevede quattro fasi:

• Iniziazione.
• Propagazione I.
• Propagazione II.
• Terminazione.

Di seguito li analizzeremo a turno.

Iniziazione

La luce UV viene utilizzata per rompere il legame in una molecola di cloro. Riprendendo l'esempio del metano e del cloro, il legame Cl-Cl si rompe per formare due atomi di radicali liberi di cloro, ciascuno con un elettrone spaiato. Questi radicali liberi sono estremamente reattivi. Si tratta della cosiddetta scissione omolitica.

L'omo deriva dal greco homos, che significa uno e lo stesso; chiamiamo questo tipo di rottura del legame scissione "omolitica" perché le due molecole prodotte sono identiche:

Cl₂ → Cl⋅ + Cl⋅

Propagazione I

Uno dei radicali liberi del cloro prende un atomo di idrogeno dal metano rompendo uno dei legami C-H. Forma il composto stabile acido cloridrico. Rimane un radicale libero metile. Ancora una volta, questo radicale è estremamente reattivo.

Cl⋅ + CH₄ → HCl + ⋅CH₃

Propagazione II

Il radicale libero metile reagisce con una seconda molecola di cloro. Uno degli atomi di cloro si aggiunge al radicale metile per formare il clorometano, mentre l'altro atomo di cloro viene lasciato come radicale rigenerato. Ciò significa che la reazione può ripetersi finché il radicale non viene distrutto nella fase finale, la terminazione. Si tratta di una reazione a catena.

Terminazione

La terminazione rimuove i radicali liberi rimanenti. Ciò può avvenire in diversi modi, ma in ogni caso due radicali reagiscono insieme per formare un composto stabile. Ad esempio:

Due radicali di cloro reagiscono insieme per formare una molecola di cloro:

Cl⋅ + Cl⋅ → Cl₂

Due radicali metile reagiscono insieme per formare etano:

⋅ CH₃+ ⋅CH₃ → C₂H₆

Un radicale libero metile e un radicale libero cloro reagiscono insieme per formare il clorometano:

⋅ CH₃+Cl ⋅→ CH₃Cl

Prodotto della clorazione

Il nostro esempio di metano e cloro produce inizialmente clorometano e acido cloridrico. Il clorometano è un esempio di alogenuro alchilico.

Figura 2. Il clorometano.

Gli alogenuri alchilici contengono tutti un carbonio legato a un atomo di alogeno. Questo legame li rende molto più reattivi degli alcani. Gli alogenuri alchilici sono un ottimo punto di partenza per tutti i tipi di molecole organiche, compresi alcheni, alcoli, nitrili e ammine. Per esplorare le loro proprietà, visita l'articolo Alogenuri alchilici.

Tuttavia, le reazioni di sostituzione dei radicali liberi sono caotiche. I radicali rimbalzano dappertutto con i loro elettroni spaiati e si schiantano ripetutamente contro gli idrocarburi, talvolta reagendo con molecole già sostituite in precedenza. Sono difficili da controllare e producono una miscela di prodotti. Ciò significa che non sono molto utili a livello industriale.

Vediamo alcune altre molecole che possono essere prodotte nel nostro esempio precedente utilizzando cloro e metano:

• Se due radicali metilici reagiscono nella fase di terminazione, si può formare etano (C₂H₆).
• Se invece un radicale libero di cloro reagisce con il clorometano nella fase di propagazione, un secondo idrogeno viene sostituito. Ciò produce diclorometano e questo tipo di processo è noto come reazione a catena. L'equazione è riportata di seguito:

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂+HCl

• Allo stesso modo, si possono produrre triclorometano e tetracloruro di carbonio:

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CCl₄+HCl

La reazione diventa ancora più complicata con gli alcani a catena più lunga e si formano molti isomeri. Questo perché il radicale libero del cloro non è esigente riguardo al punto in cui attacca la catena di carbonio e può sostituire qualsiasi idrogeno presente. Ad esempio, la reazione primaria tra 2-metilbutano e cloro può produrre quattro prodotti diversi:

Figura 3: Tabella dei prodotti isomerici ottenuti nella clorurazione del 2-metilbutano