Слишком сложно? Тогда запросите консультацию специалиста!
Наша компания занимается тем, что помогает студентам выполнять различные учебные работы на заказ. Вы можете ознакомиться с перечнем выполняемых работ, а так же с их стоимостью на странице с ценами.
Тема 1. Предельные углеводороды (алканы)
Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой простой σ – связью, а все остальные валентности атомов углерода насыщены атомами водорода, называются предельными углеводородами или алканами.
Гомология. Изомерия. Номенклатура
.
Гомологи – это соединения, сходные по строению и обладающие близкими химическими свойствами, но отличающие друг от друга по составу на одну или несколько групп атомов СН2 (гомологическая разность).
Алканы образуют гомологический ряд, общая формула которого СnH2n+2, где n – число атомов углерода.
Общепринятой для предельных углеводородов является международная или ИЮПАК-номенклатура (международный союз теоретической и прикладной химии). Первые четыре члена ряда носят тривиальные названия. Названия следующих гомологов образуются из названий греческих числительных, соответствующих числу атомов углерода в соединении и окончании «ан».
СН4 – метан С6Н14 – гексан
С2Н6 – этан С7Н16 – гептан
С3Н8 – пропан С8Н18 – октан
С4Н10 – бутан С9Н20 – нонан
С5Н12 – пентан С10Н22 – декан
Изомеры– это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение молекул (разную структурную формулу) и обладающие поэтому разными свойствами.
Для предельных углеводородов характерна структурная изомерия или изомерия углеродной цепи. У первых трёх членов ряда: метана, этана и пропана – изомеров нет. Для них возможна только одна структурная формула:
Н Н Н Н Н Н
| | | | | |
H – C – H H – C – C – H H – C – C – C – H
| | | | | |
H H H H H H
метан этан пропан
Обычно пользуются упрощенными формулами, в которых указывают общее число атомов водорода при каждом углеродном атоме, например: СН3-СН3.
Следующий гомолог, бутан С4Н10 может существовать в виде двух изомеров:
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 СН3 – СН – СН3
|
CH3
н – бутан изобутан
Соединения с прямой (неразветвленной) цепью углеродных атомов называются нормальными, а с разветвленной цепью – изосоединениями.
Для углеводорода С5Н12 существует три изомера:
CH(I)3
СН(I)3 – СН(II)2 – СН(II)2 – СН(II)2 – СН(I)3 СН(I)3–СН(III)–СН(II)2–СН(I)3 СН(I)3–С–СН(I)3 | |
СН3 CH(I)3
н – пентан изопентан неопентан
Атом углерода, соединенный с одним атомом углерода, называется первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя - четвертичным. В приведённых выше формулах изомеров пентана эти атомы углерода обозначены: I – первичный атом, II – вторичный атом, III – третичный атом, IV-четвертичный атом углерода
Радикалы – это остатки, которые образуются при отнятии от молекул предельных углеводородов одного атома водорода. Радикалы имеют общее название «алкины» и обозначаются буквой R. Их общая формула – СnH2n+I. Названия радикалов образуют из названий соответствующих алканов, путём замены окончания «ан» на «ил», например:
СН4 – метан, СН3- – метил
СН3-СН3 – этан СН3-СН2- – этил.
От пропана можно образовать два радикала состава С3Н7-:
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 – СН –
|
СН3
перв-пропил (пропил) втор.-пропил (изопропил)
Радикал состава С4Н9 существует в виде четырёх изомеров:
СН3 – СН2 – СН2 – СН2– СН3 – СН – СН2 – СН3
|
перв.-бутил (бутил) втор-бутил
СН3
|
СН3 – СН – СН2 – СН3 – С – СН3
| |
CH3
перв.-изобутил трет.-изобутил
В приведённых названиях слова втор- (вторичный) и трет- (третичный) указывают, у какого атома углерода находится свободная валентность.
Названия углеводородов изостроения строятся следующим образом:
I. Выбирают главную цель молекулы – самую длинную и разветвлённую углеродную цепь.
II. Нумеруют атомы углерода, начиная с того конца цепи, к которому ближе находится радикал (боковое ответвление).
Если разные радикалы находятся на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе радикал с меньшим числом углеродных атомов (метил, этил, пропил и т.д.).
III. Указывают цифрами номера углеродных атомов, при которых находятся радикалы.
IV. Называют радикалы. Если имеется несколько одинаковых радикалов, то их число указывают греческими числительными (ди-, три-, тетра- и т.д.) перед названиями радикалов. Номера радикалов разделяют запятыми.
V. Называют углеводород по числу атомов углерода в главной цепи. При этом слово от цифр отделяют черточкой.
Например:
CH3
|
С(1)Н3 – С(2) – С(3)Н2 – С(4)Н – С(5)Н3 2,2,4 - триметилпентан
| |
CH3 CH3
В молекулах алканов атомы углерода могут свободно вращаться вокруг оси связи С – С, поэтому углеводородная цепь будет принимать в пространстве разные формы, которые называются конформациями, или поворотными изомерами. Конформации сравнительно легко переходят друг в друга и не являются разными соединениями, так как химическое строение их (т.е. порядок связи атомов в молекуле) остаётся неизменным.
Химические свойства
В алканах атомы углерода находятся в состоянии sp3 – гибридизации и все связи σ – типа. Связь С-С образуется при перекрывании гибридных орбиталей двух атомов углерода. Длина связи С-С равна 0,154 нм, энергии связи С-С – 339 кДж/моль. Связь С-Н образуется при перекрывании гибридной орбитали атома углерода с s – орбиталью атома водорода. Длина связи С-Н равна 0,109 нм, энергия связи С-Н 414 кДж/моль.
Алканы химически мало активны вследствие большой прочности и малой полярности σ – связей С-С и С-Н. Все валентности атомов углерода в алканах полностью насыщены, поэтому они не вступают в реакции присоединения. Концентрированная серная кислота и сильные окислители (KMnO4) при обычной температуре на алканы не действуют. Характерными реакциями для алканов являются:
1) реакции замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов, идущие за счёт разрыва связи С-Н,
2) реакции расщепления молекулы (крекинг) – за счёт разрыва связи С-С.
Алканы вступают в химические реакции только в «жестких» условиях, т.е. при нагревании, при облучении, в присутствии катализаторов.
I. Галогенирование.При взаимодействии алканов с галогенами на свету происходит постепенно замещение атомов водорода на галоген. При этом образуется смесь галогенопроизводных углеводородов. Например, при действии хлора на метан образуется 4 различных продута замещения:
hν
СН4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
метан хлорметан,
метилхлорид
hν
СH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
дихлорметан,
метиленхлорид
hν
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
трихлорметан,
хлороформ
hν
СHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl
тетрахлорметан,
четыреххлористый углерод
Реакция хлорирования протекает по радикальному механизму в несколько стадий.
I. Инициирование или зарождение цепи. Под влиянием света происходит гомологический разрыв связи в молекуле хлора и она распадается на два радикала:
hν
Cl : Cl → 2Cl•
II. Рост цепи. Радикал хлора атакует молекулу метана, отрывая от нее атом водорода:
hν
Н3С : Н + Сl∙ → CH3• + HCl
Образовавшийся метильный радикал, обладая высокой активностью, атакует молекулу хлора с образованием молекулы хлорметана и регенерацией радикала Cl∙:
hν
СН3•+ Сl : Cl → CH3Cl + HCl
Образовавшийся радикал Cl∙ может снова реагировать с молекулой метана, либо с образовавшимся хлорметаном до образования дихлор–, трихлор– или тетрахлорметана:
hν
Н : СН2Cl + Cl2 →•CH2Cl + H•
hν
•CH2Cl + Cl : Cl → CH2Cl2 + Cl• и т.д.
Реакции такого типа называются цепными реакциями, поскольку один радикал хлора может вызвать (инициировать) хлорирование бесконечно большого числа молекул метана.
III. Обрыв цепи. Реакция прекращается при обрыве цепи в результате соединения двух радикалов:
hν
Cl• + Cl• → Cl2
hν
CH3• + Cl• → CH3Cl
hν
CH3• + CH3• → CH3CH3
Легче замещается водород у третичного углеродного атома, затем у вторичного и труднее всего у первичного.
Галогенопроизводные имеют большое значение, так как через них осуществляется переход к другим классам органических соединений.
2. Нитрование (реакция Коновалова).При нагревании с разбавленной азотной кислотой алканы образуют нитросоединения. При этом атом водорода в алкане замещается на остаток азотной кислоты – NO2 (нитрогруппу) и выделяется вода:
|
СН3 – СН2 + – NO2 CH3 – CH2 – NO2 + H2O
|
нитроэтан
3. Сульфирование.Концентрированная серная кислота (олеум) взаимодействует при нагревании с изоалканами, содержащим третичный атом углерода. При этом происходит замещение атома водорода на сульфогруппу –SO3H и образуются сульфокислоты:
СН3 СН3
|
CH3 – C – – SO3H → CH3 – C – SO3H + H2O
| |
CH3 CH3
2-метилпропан 2-сульфо-2метилпропан
Сульфокислоты с числом атомов углерода С8 – С20 применяются для получения синтетических моющих средств.
4. Дегидрирование – отнятие молекулы водорода. Образуются этиленовые углеводороды:
Р, toС
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 СН3 – СН = СН – СН3 + Н2
бутан бутен-2
5. Горение. При высокой температуре (выше 300оС)предельные углеводороды сгорают с образованием СО2 и Н2О, выделяя большое количество тепла. На этом основано применение их в качестве топлива.
t
2С2Н6 + 7О2 4СО2 + 6Н2О
6. Крекинг. Под действием высокой температуры (500оС) у алканов происходит разрыв связей С – С, причём в осколках (радикалах) водород перераспределяется так, что получается смесь алкана и алкена:
t
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 → СН3 – СН2 – СН2• + •СН2 – СН3 →
→ СН3 – СН = СН2 + СН3 – СН3
Способы получения
1. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на I атом углерода меньше. Чем исходная соль карбоновой кислоты:
|
СН3 – СН2 – OH → CH3 – CH3 + Na2CO3
ацетат натрия этан
2. Действие металлического натрия на моногалогенопроизводные предельных углеводородов (реакция Вюрца):
|
СН3 – – CH3 → CH3–CH3 + NaCl
метилхлорид метилхлорид этан
3. Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni):
Ni
СН3 – СН = СН2 + Н2 СН3 – СН2 – СН3
пропен пропан
4. Восстановление галогенопроизводных углеводородов иодоводородом:
СН3J + HJ CH4 + J2
метилиодид метан
