Лекция. Алканы. Алканы (предельные углеводороды, парафины)
 Скачать 0.9 Mb.
|
Алканы (предельные углеводороды, парафины)Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.Формула их гомологического ряда - CnH2n+2.Номенклатура алканов Номенклатура (от лат. nomen - имя + calare - созывать) - совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса "ан": метан, этан, пропан, бутан и т.д.
Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH2. Перечисленные выше алканы являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos - соответственный). В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм; Тип гибридизации атомов углерода - sp3; Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28".   Названия алканов формируются по нескольким правилам. Итак, алгоритм составления названий следующий: В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода; Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал); В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д.; Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи.  В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.  Изомерами (греч. isomeros - составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия). Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной (геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах.  В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана C5H12 существует 3 структурных изомера.  Получение алканов В промышленности алканы получают путем: Крекинга нефти В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен. C8H18 → C4H8 + C4H10 C12H26 → C6H12 + C6H14 Гидрогенизацией угля (торфа, сланца) C + H2 → (t, p) CH4 Гидрированием оксида углерода II CO + H2 → (t, p, кат.) CH4 + H2O В лабораторных условиях алканы получают следующими способами: Синтез Дюма Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан.  Реакция Вюрца Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена.  Синтез Гриньяра В ходе синтеза Гриньяра с помощью реактива Гриньяра (алкилмагнийгалогенида) получают различные органические соединения, в том числе несимметричные (в отличие от реакции Вюрца).  На схеме выше мы сначала получили реактив Гриньяра, а потом использовали его для синтеза. Однако можно записать получение реактива Гриньяра и сам синтез в одну реакцию, как показано на примерах ниже.  Синтез Кольбе В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов.  Разложение карбида алюминия В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия. Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3 Гидрированием ненасыщенных углеводородов CH3-CH=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH2-CH3 CH2=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH3 Химические свойства алканов Алканы - насыщенные углеводороды, не вступают в реакции гидрирования (присоединения водорода), гидратации (присоединения воды). Для алканов характерны реакции замещения, а не присоединения. Галогенирование Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода, чуть труднее - у вторичного и значительно труднее - у первичного.  Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы, которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода.  Нитрование (реакция Коновалова) Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму. CH3-CH3 + HNO3(разб.) → CH3-CH2-NO2 + H2O Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту - HNO3 - можно представить как HO-NO2.  Окисление Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды. С3H8 + O2 → CO2 + H2O В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты. CH4 + O2 → CH3-OH (метанол)  Пиролиз Пиролиз (греч. πῦρ - огонь + λύσις - разложение) - термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное отличие пиролиза от горения - в отсутствии кислорода. CH4 → (t > 1000°С) C + H2 CH4 → (t = 1500-1600°С) CH≡CH + H2↑ CH4 → (t = 1200°С, кат.) CH2=CH2 + H2↑ C2H6 → (t = 1200°С, кат.) CH2=CH2 + H2↑ Изомеризация В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl3.  Крекинг Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их химическое свойство. C8H18 → (t) C4H10 + C4H8 C14H30 → (t) C7H14 + C7H16 Природный газ и нефть Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения. В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C8H18, C12H26. Путем крекинга из нефти получают алканы.  Применение Алканы находят широкое применение. Метан используется, как природный газ, в качестве топлива, для синтэза аммиака, для получения метилового спирта, уксусной кислоты, синтетических каучуков, высококачественных сортов бензина, ацэтилена.  |