Алканы
Общая характеристика
Углеводороды -
простейшие органические соединения, состоящие из двух элементов:
углерода и водорода. Предельными углеводородами,
или алканами (международное
название), называются соединения, состав которых выражается общей
формулой С n Н2n+2, где n -
число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы
углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все
остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы называют также
насыщенными углеводородами или парафинами (Термин «парафины» означает «имеющие малое сродство»).
Первым членом гомологического
ряда алканов является метан СН4. Окончание -ан является
характерным для названий предельных углеводородов. Далее следует этан С2Н6,
пропан С3Н8, бутан С4Н10.
Начиная с пятого углеводорода, название образуется из греческого
числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и
окончания -ан. Это пентан С5Н12 гексан С6Н14,
гептан С7Н16, октан С8Н18,
нонан С9Н20, декан С10Н22 и
т. д.
В гомологическом ряду наблюдается
постепенное изменение физических свойств углеводородов: повышаются
температуры кипения и плавления, возрастает плотность. При обычных
условиях (температура ~ 22°С) первые четыре члена ряда (метан, этан,
пропан, бутан) — газы, с С5Н12
до С16Н34 - жидкости, а с С17Н36
— твердые вещества.
Алканы, начиная с четвертого
члена ряда (бутана), имеют изомеры .
Все алканы насыщены водородом
до предела (максимально). Их атомы углерода находятся в состоянии sp
3 —гибридизации, а значит, имеют простые (одинарные) связи.
Номенклатура
Названия первых десяти членов
ряда предельных углеводородов уже даны. Чтобы подчеркнуть, что алкан
имеет неразветвленную углеродную цепь, часто к названию добавляют слово
нормальный (н-), например:
СН3—СН2—СН2—СН3
СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СH 2 —СН3
н-бутан
н-гептан
(нормальный
бутан) (нормальный гептан)
При отрыве атома водорода от
молекулы алкана образуются одновалетные частицы, называемые
углеводородными радикалами (сокращенно обозначаются буквой R). Названия
одновалентных радикалов производятся от названий соответствующих
углеводородов с заменой окончания –ан на -ил. Вот соответствующие примеры:
|
Углеводороды |
|
Метан |
CH 4 |
Гексан |
C 6 H 14 |
|
Этан |
C 2 H 6 |
Гептан |
C 7 H 16 |
|
Пропан |
C 3 H 8 |
Октан |
C 8 H 18 |
|
Бутан |
C 4 H 10 |
Нонан |
C 9 H 20 |
|
Пентан |
C 5 H 12 |
Декан |
C 10 H 22 |
|
Одновалентные радикалы |
|
Метил |
CH 3 - |
Гексил |
C 6 H 13 - |
|
Этил |
C 2 H 5 - |
Гептил |
C 7 H 15 - |
|
Пропил |
C 3 H 7 - |
Октил |
C 8 H 17 - |
|
Бутил |
C 4 H 9 - |
Нонил |
C 9 H 19 - |
|
Пентил (амил) |
C 5 H 11 - |
Децил |
C 10 H 21 - |
Радикалы образуются не только
органическими, но и неорганическими соединениями. Так, если от азотной
кислоты отнять гидроксильную группу ОН, то получится одновалентный
радикал — NO2 , называемый нитрогруппой, и т. д.
При отнятии от молекулы
углеводорода двух атомов водорода получаются двухвалентные радикалы. Их
названия также производятся от названий соответствующих предельных
углеводородов с заменой окончания -ан на -илиден (если атомы водорода оторваны от одного
атома углерода) или -илен (если атомы водорода
оторваны от двух соседних атомов углерода). Радикал СН2=
имеет название метилен.
Названия радикалов используются в
номенклатуре многих производных углеводородов. Например: СН3I
- йодистый метил, С4Н9Сl -хлористый бутил, СН 2Сl
2 - хлористый метилен, С2Н4Вr 2 -
бромистый этилен (если атомы брома связаны с разными атомами углерода)
или бромистый этилиден (если атомы брома связаны с одним атомом
углерода).
Для названия изомеров широко
применяют две номенклатуры: старую - рациональную и современную -
заместительную, которую также называют систематической или международной
(предложена Международным союзом теоретической и прикладной химии
ИЮПАК).
По рациональной номенклатуре
углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или
несколько атомов водорода замещены на радикалы. Если в формуле
одинаковые радикалы повторяются несколько раз, то их указывают
греческими числительными: ди - два, три - три, тетра - четыре, пента -
пять, гекса - шесть и т. д. Например:
Рациональная номенклатура удобна
для не очень сложных соединений.
По заместительной номенклатуре
основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты
молекулы рассматриваются как заместители. В этом случае выбирают
наиболее длинную цепь углеродных атомов и атомы цепи нумеруют с того
конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал. Затем называют: 1) номер углеродного атома, с которым связан
радикал (начиная с простейшего радикала); 2)
углеводород, которому соответствует длинная цепь. Если в формуле
содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием
указывают число прописью (ди-, три-, тетра- и т. д.), а номера радикалов
разделяют запятыми. Вот как по этой номенклатуре следует назвать
изомеры гексана:
А вот более сложный пример:
Как заместительная, так и
рациональная номенклатура применяются не только для углеводородов, но и
для других классов органических соединений. Для некоторых органических
соединений используются исторически сложившиеся (эмпирические) или так
называемые тривиальные названия (муравьиная кислота, серный эфир,
мочевина и др.).
При написании формул изомеров
легко заметить, что атомы углерода занимают в них неодинаковое
положение. Атом углерода, который связан только с одним атомом углерода в
цепи, называется первичным, с двумя - вторичным, с тремя - третичным, с
четырьмя - четвертичным. Так, например, в последнем примере атомы
углерода 1 и 7 - первичные, 4 и 6 - вторичные, 2 и 3 - третичные, 5 -
четвертичный. Свойства атомов водорода, других атомов и функциональных
групп зависят от того, с каким углеродным атомом они связаны: с
первичным, вторичным или третичным. Это всегда надо учитывать.
Получение. Свойства.
Физические свойства. В обычных
условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов
(С1 — С4) — газы.
Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C5
— C17) —
жидкости, начиная с С18 и выше — твердые вещества. По мере
увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной
молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в
молекуле алканы с разветвленным строением
имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.
Алканы практически
нерастворимы в воде, так как их молекулы малополярны
и не взаимодействуют с молекулами воды, они хорошо растворяются в
неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы
легко смешиваются друг с другом.
Основные природные источники алканов
— нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C5H12 до С30Н62.
Природный газ состоит из метана (95%) с примесью этана и пропана.
Из синтетических методов получения алканов
можно выделить следующие:
1. Получение из ненасыщенных
углеводородов. Взаимодействие алкенов или алкинов с водородом ("гидрирование") происходит в
присутствии металлических катализаторов (Ni,
Pd) при
нагревании:
|
tº. Ni |
|
| СН3-СН=СН2 + Н2 |
→ |
СН3-СН2-СН3, |
СНз-C≡СН + 2Н2 → СН3-СН2-СН3.
2. Получение из галогенпротводных.
При нагревании моногалогензамещенных алканов
с металлическим натрием получают алканы с
удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):
С2Н5Br + 2Na + Br-C2H5 → C2H5-C2H5
+ 2NaBr.
Подобную реакцию не проводят с двумя разными галогензамещенными алканами,
поскольку при этом получается смесь трех различных алканов
3. Получение из солей карбоновых кислот.
При сплавлении безводных солей карбоновых кислот с
щелочами получаются алканы, содержащие на
один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных
карбоновых кислот:
|
t° |
|
| CH3COONa + NaOH |
→ |
СН4↑ + Na2CO3. |
4.Получение метана. В электрической дуге,
горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:
С + 2Н2 → СН4.
Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере
водорода до 400-500 °С при повышенном
давлении в присутствии катализатора.
В лабораторных условиях метан часто получают из карбида
алюминия:
Аl4С3
+ 12Н2О = ЗСН4↑ + 4Аl(ОН)3.
Химические свойства. В обычных
условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов:
не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с
концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными
окислителями - перманганатом калия KMnО4 и т.п.
Химическая устойчивость алканов
объясняется высокой прочностью s-связей
С-С и С-Н, а также их неполярностью.
Неполярные связи С-С и С-Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны
расщепляться гомолитически под действием
активных свободных радикалов. Поэтому для алканов
характерны радикальные реакции, в результате которых получаются
соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы
атомов. Следовательно, алканы вступают в
реакции, протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого
символом SR (от англ, substitution radicalic).
По этому механизму легче всего замещаются атомы
водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.
1. Галогенирование. При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под
действием УФ-излучения или высокой
температуры образуется смесь продуктов от моно-
до полигалогензамещенных алканов. Общая схема этой реакции показана на
примере метана:
<> <>
|
Сl2 |
|
Сl2 |
|
Сl2 |
|
Сl2 |
|
|
| СН4 |
→ |
СН3Сl |
→ |
СН2Сl2 |
→ |
СНСl3 |
→ |
ССl4 |
|
(*) |
|
-HCl |
|
-HCl |
|
-НСl |
|
-HCl |
|
|
|
Реакция образования хлорметана протекает по цепному механизму,
который характеризуется следующими стадиями:
а) инициирование цепи:
б) Рост цепи. Радикал хлора отнимает у
молекулы алкана атом водорода:
Cl·+ СН4→НСl + СН3·
При этом образуется алкильный радикал, который отнимает атом
хлора у молекулы хлора:
СН3· + Сl2→СН3Сl + Сl·
Эти реакции повторяются до тех пор, пока не произойдет обрыв
цепи по одной из реакций:
Cl·
+ Cl·
→ Сl2, СН3·
+ СН3· → С2Н6, СН3·
+ Cl·
→ СН3Сl·
Суммарное уравнение реакции:
|
hv |
|
| СН4 + Сl2 |
→ |
СН3Сl + НСl. |
Образующийся хлорметан может подвергаться дальнейшему
хлорированию, давая смесь продуктов CH2Cl2,
CHCl3,
ССl4 по
схеме (*).
Развитие теории цепных свободнорадикальных
реакций тесно связано с именем выдающегося русского ученого, лауреата
Нобелевской премии Н.И. Семенова (1896-1986).
2. Нитрование (реакция Коновалова). При
действии разбавленной азотной кислоты на алканы
при 140°С и небольшом давлении протекает
радикальная реакция:
|
t ° |
|
| CH3-CH3 + HNO3 |
→ |
CH3-CH2-NO2 + H2O. |
При радикальных реакциях (галогенирование,
нитрование) в первую очередь замешаются атомы водорода у третичных,
затем у вторичных и первичных атомов углерода. Это
объясняется тем, что легче всего разрывается гомолитически
связь третичного атома углерода с водородом (энергия связи 376
кДж/моль), затем — вторичного (390 кДж/моль) и только потом — первичного
(415 кДж/моль).
3. Изомеризация. Нормальные алканы при определенных условиях могут
превращаться в алканы с разветвленной цепью:
4. Крекинг — это гемолитический разрыв
связей С-С, который протекает при нагревании и
под действием катализаторов.
При крекинге высших
алканов образуются алкены
и низшие алканы, при крекинге метана и
этана образуются ацетилен:
C8H18 → C4H10 + С4Н8,
2СН4 → С2Н2 + ЗН2,
С2Н6 → С2Н2 +
2Н2.
Эти реакции имеют большое промышленное значение. Таким путем
высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в бензин, керосин и
другие ценные продукты.
5. Окисление. При мягком окислении метана
кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид,
муравьиная кислота:
Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха -
один из промышленных способов получения уксусной кислоты:
t°
2C4H
10 + 5O2 → 4CH3COOH
+ 2Н2О .
кат
На воздухе алканы сгорают до СО2
и Н2О:
СnН2n+2 + (Зn+1)/2О2
= nСО2 + (n+1)Н2О.
Источник: http://www.helpschool.info |
