Алканы не реагируют с. Алканы – определение, строение, физические и химические свойства. Строение и номенклатура
Простейшими органическими соединениями являются углеводороды , состоящие из углерода и водорода. В зависимости от характера химических связей в углеводородах и соотношения между углеродом и водородом они подразделяются на предельные и непредельные (алкены, алкины и др.)
Предельными углеводородами (алканами, углеводородами метанового ряда) называются соединения углерода с водородом, в молекулах которых каждый атом углерода затрачивает на соединение с любым другим соседним атомом не более одной валентности, причем, все не затраченные на соединение с углеродом валентности насыщены водородом. Все атомы углерода в алканах находятся в sp 3 - состоянии. Предельные углеводороды образуют гомологический ряд, характеризующийся общей формулой С n Н 2n+2 . Родоначальником этого ряда является метан.
Изомерия. Номенклатура.
Алканы с n=1,2,3 могут существовать только в виде одного изомера
Начиная с n=4, появляется явление структурной изомерии.
Число структурных изомеров алканов быстро растет с увеличением числа углеродных атомов, например, пентан имеет 3 изомера, гептан - 9 и т.д.
Число изомеров алканов увеличивается и за счет возможных стереоизомеров. Начиная с C 7 Н 16 возможно существование хиральных молекул, которые образуют два энантиомера.
Номенклатура алканов.
Доминирующей номенклатурой является номенклатура IUPAC. В тоже время в ней присутствуют элементы тривиальных названий. Так, первые четыре члена гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия.
СН 4 - метан
С 2 Н 6 - этан
С 3 Н 8 - пропан
С 4 Н 10 - бутан.
Названия остальных гомологов образованы от греческих латинских числительных. Так, для следующих членов ряда нормального (неразветвленного) строения используются названия:
С 5 Н 12 - пентан, С 6 Н 14 - гексан, С 7 Н 18 - гептан,
С 14 Н 30 - тетрадекан, С 15 Н 32 - пентадекан и т.д.
Основные правила IUPAC для разветвленных алканов
а) выбирают наиболее длинную неразветвленную цепь, название которой составляет основу (корень). К этой основе прибавляют суффикс “ан”
б) нумеруют эту цепь по принципу наименьших локантов,
в) заместитель указывают в виде префиксов в алфавитном порядке с указанием места нахождения. Если при родоначальной структуре находятся несколько одинаковых заместителей, то их количество указывают греческими числительными.
В зависимости от числа других углеродных атомов, с которыми непосредственно связан рассматриваемый углеродный атом, различают: первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы.
В качестве заместителей в разветвленных алканах фигурируют алкильные группы или алкильные радикалы, которые рассматриваются как результат отщепления от молекулы алкана одного водородного атома.
Название алкильных групп образуют от названия соответствующих алканов путем замены последних суффикса “ан” на суффикс “ил”.
СН 3 - метил
СН 3 СН 2 - этил
СН 3 СН 2 СН 2 - пропил
Для названия разветвленных алкильных групп используют также нумерацию цепи:
Начиная с этана, алканы способны образовывать конформеры, которым соответствует заторможенная конформация. Возможность перехода одной заторможенной конформации в другую через заслоненную определяется барьером вращения. Определение структуры, состава конформеров и барьеров вращения являются задачами конформационного анализа. Методы получения алканов.
1. Фракционная перегонка природного газа или бензиновой фракции нефти. Таким способом можно выделять индивидуальные алканы до 11 углеродных атомов.
2. Гидрирование угля. Процесс проводят в присутствии катализаторов (оксиды и сульфиды молибдена, вольфрама, никеля) при 450-470 о С и давлениях до 30 Мпа. Уголь и катализатор растирают в порошок и в суспензированном виде гидрируют, борботируя водород через суспензию. Получающиеся смеси алканов и циклоалканов используют в качестве моторного топлива.
3. Гидрирование СО и СО 2 .
СО + Н 2 алканы
СО 2 + Н 2 алканы
В качестве катализаторов этих реакций используют Со, Fe, и др. d - элементы.
4. Гидрирование алкенов и алкинов.
5. Металлоорганический синтез.
а). Синтез Вюрца.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Этот синтез малопригоден, если в качестве органических реагентов используют два разных галогеналкана.
б). Протолиз реактивов Гриньяра.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
в). Взаимодействие диалкилкупратов лития (LiR 2 Cu) с алкилгалогенидами
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Сами диалкилкупраты лития получают двухстадийным способом
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Электролиз солей карбоновых кислот (синтез Кольбе).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами.
Реакция используется для синтеза низших алканов.
8. Гидрогенолиз карбонильных соединений и галогеналканов.
а). Карбонильные соединения. Синтез Клемменса.
б). Галогеналканы. Каталитический гидрогенолиз.
В качестве катализаторов используют Ni, Pt, Pd.
в) Галогеналканы. Реагентное восстановление.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Химические свойства алканов.
Все связи в алканах малополярные, по этому для них характерны радикальные реакции. Отсутствие пи-связей делает невозможными реакции присоединения. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления, горения.
|
Тип и название реакции | |
|
1. Реакции замещения | |
|
А) с галогенами (с хлором Cl 2 –на свету , Br 2 - при нагревании ) реакция подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова ) - в первую очередь галоген замещает водород у наименее гидрированного атома углерода. Реакция проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода. Труднее всего реагирует иод, и притом реакция не идет до конца, так как, например, при взаимодействии метана с йодом образуется йодистый водород, реагирующий с йодистым метилом с образованием метана и йода(обратимая реакция): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан). |
|
Б) Нитрование (Реакция Коновалова) Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова. Один из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (нитрогруппа) и выделяется вода |
|
|
2. Реакции отщепления | |
|
А) дегидрирование –отщепление водорода. Условия реакции катализатор –платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + Н 2 |
|
Б) крекинг процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Нпри такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов |
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8 |
|
В) полное термическое разложение |
СН 4 C + 2H 2 |
|
3. Реакции окисления | |
|
А) реакция горения При поджигании (t = 600 o С) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q СН 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитическое окисление - при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–Спримерно в середине молекулы и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. |
Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С 2 –С 3) получают уксусную кислоту |
|
4. Реакции изомеризациих арактерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов. |
С 4 Н 10 C 4 H 10 |
|
5.. Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). |
|
Механиз реакции галогенирования:
Галогенирование
Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного и в два раза меньше чем вторичного. Таким образом хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.
Галогенирование - это одна из реакций замещения. Галогенирование алканов подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова) - в первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода. Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап галогенируется не более одного атома водорода.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Под действием света молекула хлора распадается на атомы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.
Нитрование (Реакция Коновалова)
Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова.
RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O
т. е. один из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (ни-трогруппа) и выделяется вода.
Особенности строения изомеров сильно отражаются на течении этой реакции, так как легче всего она ведет к замещению на нитрогруппу атома водорода в остатке СИ (имеющемся лишь в некоторых изомерах), менее легко замещается водород в группе СН 2 и еще труднее - в остатке СН 3 .
Парафины довольно легко нитруются в газовой фазе при 150-475° С двуокисью азота или парами азотной кислоты; при этом происходит частично и. окисление. Нитрованием метана получается почти исключительно нитрометан:
Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов. Азотная кислота при обыкновенной температуре почти не действует на парафиновые углеводороды. При нагревании же действует главным образом как окислитель. Однако, как нашел М. И. Коновалов (1889), при нагревании азотная кислота действует отчасти и «нитрующим» образом; особенно хорошо идет реакция нитрования со слабой азотной кислотой при нагревании и повышенном давлении. Реакция нитрования выражается уравнением.
Последующие за метаном гомологи дают смесь различных нитропарафинов вследствие попутно идущего расщепления. При нитровании этана получаются нитроэтан СН 3 -СН 2 -NO 2 и нитрометан СН 3 -NO 2 . Из пропана образуется смесь нитропарафинов:
Нитрование парафинов в газовой фазе теперь осуществляется в промышленном масштабе.
Сульфахлорирование:
Важной в практическом отношении реакцией является сульфохлорирование алканов. При взаимодействии алкана с хлором и сернистым ангидридом при облучении происходит замещение водорода на хлорсульфонильную группу:
Стадии этой реакции:
Cl +R:H→R +HCl
R +SO 2 →RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Алкансульфохлориды легко гидролизуются до алкансульфоксилост (RSO 2 OH),натриевые соли которых (RSO 3¯ Na + - алкансульфонат натрия) проявляют свойства,подобные мылам, и применяются в качестве детерагентов.
Страница 1
Химические свойства алканов.
Все связи в алканах малополярные, по этому для них характерны радикальные реакции. Отсутствие пи-связей делает невозможными реакции присоединения. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления, горения.
|
Тип и название реакции |
Пример |
|
1. Реакции замещения | |
|
А) с галогенами (с хлором Cl 2 –на свету , Br 2 - при нагревании ) реакция подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова ) - в первую очередь галоген замещает водород у наименее гидрирован ного атом а углерода. Реакция проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода. Труднее всего реагирует иод, и притом реакция не идет до конца, так как, например, при взаимодействии метана с йодом образуется йодистый водород, реагирующий с йодистым метилом с образованием метана и йода(обратимая реакция): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан). |
Б)Нитрование (Реакция Коновалова)Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова. О дин из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (нитрогруппа) и выделяется вода | |
|
2. Реакции отщепления | |
|
А) дегидрирование –отщепление водорода. Условия реакции катализатор –платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + Н 2
|
|
Б) крекинг процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С(более прочные связи С–Нпри такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов |
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8 |
|
В) полное термическое разложение |
СН 4 C + 2H 2 |
|
3. Реакции окисления | |
|
А) реакция горения При поджигании (t = 600 o С) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q СН 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитическое окисление - при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–Спримерно в середине молекулы и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. |
Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С 2 –С 3) получают уксусную кислоту |
|
4. Реакции изомеризациих арактерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов. |
С 4 Н 10 C 4 H 10 |
|
5.. Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). |
 |
Способы получения алканов.
Алканы в больших количествах получают из природного газа и нефти.
Из простых веществ в электрическом разряде:
Гидролиз карбида алюминия
Нагревание моногалогеноалканов с металлическим натрием(реакция Вюрца)
Если разные галогеноалканы, то результатом будет смесь трех продуктов:
Декарбоксилирование. Сплавление ацетата натрия со щелочью. Полученный этим способом алкан будет иметь на один атом углерода меньше.
Гидролиз реактива Гриньяра:
Алканы симметричного строения могут быть получены в результате электролиза солей карбоновых кислот. (реакция Кольба)
страница 1
Строение алканов
Алканы - углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле C n H 2n+2 . В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр 3 -гибридизации .
Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды - тетраэдра . Углы между орбиталями равны 109° 28′. Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), например, в молекуле н-пентан.
Особо стоит напомнить о связях в молекулах алканов. Все связи в молекулах предельных углеводородов одинарные. Перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи . Связи углерод - углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С-С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 10 10 м). Связи С-Н несколько короче. Электронная плотность немного смещена в сторону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С-Н является слабополярной .
Гомологический ряд метана
Гомологи - вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН 2 .
Предельные углеводороды составляют гомологический ряд метана.
Изомерия и номенклатура алканов
Для алканов характерна так называемая структурная изомерия . Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, - это бутан.
Рассмотрим подробнее для алканов основы номенклатуры ИЮПАК .
1. Выбор главной цепи . Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2. Нумерация атомов главной цепи . Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3), этил (-СН 2 -СН 3) и т. д.
Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.
3. Формирование названия . В начале названия указывают цифры - номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди - два, три - три, тетра - четыре, пента - пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов - название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород - член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д.).
Названия веществ, структурные формулы которых приведены выше, следующие:
Структура А: 2-метилпропан;
Структура Б: 3-этилгексан;
Структура В: 2,2,4-триметилпентан;
Структура Г: 2-метил 4-этилгексан.
Отсутствие в молекулах предельных углеводородов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде , не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами) . Наиболее характерными для алканов являются реакции, протекающие с участием свободных радикалов .
Физические свойства алканов
Первые четыре представителя гомологического ряда метана - газы . Простейший из них - метан - газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, определяется запахом меркаптанов - серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).
Углеводороды состава от С 5 Н 12 до С 15 Н 32 - жидкости; более тяжелые углеводороды - твердые вещества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.
Химические свойства алканов
Реакции замещения.
Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения , в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.
Приведем уравнения характерных реакций галогенирования :
В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор :
Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.
Реакция дегидрирования (отщепления водорода).
В ходе пропускания алканов над катализатором (Pt, Ni, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3) при высокой температуре (400-600 °C) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена :
Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.
1. Горение предельных углеводородов - это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
2. Термическое расщепление углеводородов .
Процесс протекает по свободнорадикальному механизму . Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов.
Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена :
Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса - крекинга углеводородов . Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.
3. Пиролиз . При нагревании метана до температуры 1000 °С начинается пиролиз метана - разложение на простые вещества:
При нагревании до температуры 1500 °С возможно образование ацетилена :
4. Изомеризация . При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом :
5. Ароматизация . Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:
Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных С-С (углерод - углерод) связей и слабополярных С-Н (углерод - водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т. к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.
Каждый класс химических соединений способен проявлять свойства, обусловленные их электронным строением. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления или окисления молекул. Все имеют свои особенности протекания, о которых пойдет дальше речь.
Что такое алканы
Это насыщенные углеводородные соединения, которые носят название парафинов. Их молекулы состоят только из атомов углеродных и водородных, имеют линейную или разветвленную ациклическую цепочку, в которой есть лишь одинарные соединения. Учитывая характеристику класса, можно вычислить, какие реакции характерны для алканов. Они подчиняются формуле для всего класса: H 2n+2 C n .
Строение химическое
Молекула парафинов включает углеродные атомы, проявляющие sp 3 -гибридизацию. У них все валентные четыре орбитали обладают одинаковой формой, энергией и направлением в пространстве. Размер угла между энергетическими уровнями составляет 109° и 28".
Наличие одинарных связей в молекулах определяет, какие реакции характерны для алканов. В них присутствуют σ-соединения. Связь между углеродами является неполярной и слабо поляризуемой, она немного длиннее, чем в C−H. Также наблюдается смещение электронной плотности к углеродному атому, как наиболее электроотрицательному. В результате соединение C−H характеризуется малой полярностью.
Реакции замещения
Вещества класса парафинов обладают слабой химической активностью. Это можно объяснить прочностью связей между C−C и C−H, которые трудно разорвать из-за неполярности. В основе их разрушения лежит механизм гомолитический, при котором участвуют радикалы свободного типа. Именно поэтому для алканов характерны реакции замещения. Такие веществ не способны взаимодействовать с молекулами воды или несущими заряд ионами.
Им причисляют замещение свободнорадикальное, в котором водородные атомы заменяются на галогеновые элементы или другие активные группы. К таким реакциям относят процессы, связанные с галогенированием, сульфохлорированием и нитрованием. Их результатом является получение алкановых производных.
В основе механизма реакций замещения по свободнорадикальному типу лежат основные три стадии:
- Начинается процесс с инициирования или зарождения цепочки, в результате которого формируются свободные радикалы. Катализаторами служат источники света ультрафиолетового и нагревание.
- Затем развивается цепочка, в которой осуществляются последовательные взаимодействия активных частиц с неактивными молекулами. Происходит их превращение в молекулы и радикалы соответственно.
- Конечным этапом будет обрыв цепочки. Наблюдается рекомбинация или исчезновение активных частиц. Так прекращается развитие цепной реакции.
Процесс галогенирования
В его основе лежит механизм радикального типа. Реакция галогенирования алканов проходит при облучении ультрафиолетом и нагревании смеси из галогенов и углеводородов.
Все стадии процесса подчиняются правилу, которое высказал Марковников. В нем указано, что подвергается замещению галогеном, прежде всего, который принадлежит самому гидрированному углероду. Галогенирование протекает в такой последовательности: от третичного атома до первичного углерода.
Процесс проходит лучше у молекул алканов с длинной основной углеродной цепочкой. Это связано с уменьшением ионизирующей энергии в данном направлении, от вещества легче отщепляется электрон.
Примером может служить хлорирование молекулы метана. Действие ультрафиолета приводит к расщеплению хлора на радикальные частицы, которые осуществляют атаку на алкан. Происходит отрыв атомарного водорода и формирование H 3 C· или метильного радикала. Такая частица, в свою очередь, атакует молекулярный хлор, приводя к разрушению ее структуры и образованию нового химического реагента.
На каждом этапе процесса осуществляется замещение только одного водородного атома. Реакция галогенирования алканов приводит к постепенному формированию хлорметановой, дихлорметановой, трихлорметановой и тетрахлорметановой молекулы.
Схематически процесс выглядит следующим образом:
H 4 C + Cl:Cl → H 3 CCl + HCl,
H 3 CCl + Cl:Cl → H 2 CCl 2 + HCl,
H 2 CCl 2 + Cl:Cl → HCCl 3 + HCl,
HCCl 3 + Cl:Cl → CCl 4 + HCl.
В отличие от хлорирования молекулы метана, проведение такого процесса с другими алканами характеризуется получением веществ, у которых замещение водорода происходит не у одного атома углерода, а у нескольких. Их количественное соотношение связано с температурными показателями. В холодных условиях наблюдается уменьшение скорости образования производных с третичной, вторичной и первичной структурой.
С повышением температурного показателя быстрота формирования таких соединений выравнивается. На процесс галогенирования существует влияние фактора статического, который указывает на разную вероятность столкновения радикала с углеродным атомом.
Процесс галогенирования йодом в обычных условиях не протекает. Необходимо создание специальных условий. При воздействии на метан данным галогеном происходит возникновение йодистого водорода. На него оказывает действие йодистый метил, в результате выделяются первоначальные реагенты: метан и йод. Такая реакция считается обратимой.
Реакция Вюрца для алканов
Является методом получения с симметричной структурой. В качестве реагирующих веществ используют натрий металлический, алкилбромиды или алкилхлориды. При их взаимодействии получают галогенид натрия и увеличенную углеводородную цепь, которая является суммой двух радикалов углеводородов. Схематически синтез выглядит следующим образом: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Реакция Вюрца для алканов возможна только в том случае, если в их молекулах галогены находятся у первичного углеродного атома. Например, CH 3 −CH 2 −CH 2 Br.
Если в процессе участвует галогенуглеводорододная смесь из двух соединений, то при конденсации их цепочек образуются три разных продукта. Примером такой реакции алканов может служить взаимодействие натрия с хлорметаном и хлорэтаном. На выходе получается смесь, содержащая бутан, пропан и этан.
Кроме натрия, можно применять другие щелочные металлы, к которым относят литий или калий.
Процесс сульфохлорирования
Его еще называют реакцией Рида. Протекает она по принципу свободнорадикального замещения. тип реакции алканов на действие смеси из диоксида серы и молекулярного хлора в присутствии ультрафиолетового излучения.
Процесс начинается с инициации цепного механизма, при котором из хлора получаются два радикала. Один из них атакует алкан, что приводит к возникновению алкильной частицы и молекулы хлороводорода. К углеводородному радикалу прикрепляется серы диоксид с формированием сложной частицы. Для стабилизации происходит захват одного хлорного атома из другой молекулы. Конечным веществом является сульфонилхлорид алкана, его применяют при синтезе поверхностно-активных соединений.
Схематически процесс выглядит так:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl,
HR + ∙Cl → R∙ + HCl,
R∙ + OSO → ∙RSO 2 ,
∙RSO 2 + ClCl → RSO 2 Cl + ∙Cl.
Процессы, связанные с нитрованием
Алканы вступают в реакции с кислотой азотной в виде раствора 10%, а также с азота четырехвалентного оксидом в газообразном состоянии. Условиями ее протекания являются высокие температурные значения (около 140 °C) и низкие показатели давления. На выходе продуцируются нитроалканы.
Данный процесс свободнорадикального типа назвали в честь ученого Коновалова, открывшего синтез нитрования: CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O.
Механизм отщепления
Для алканов характерны реакции дегидрирования и крекинга. Молекула метана подвергается полному термическому разложению.
Основным механизмом вышеуказанных реакций является отщепление атомов от алканов.
Процесс дегидрирования
При отделении атомов водорода от углеродного скелета парафинов, за исключением метана, получаются непредельные соединения. Такие химические реакции алканов проходят в условиях высокой температуры (от 400 до 600 °C) и под действием ускорителей в виде платины, никеля, и алюминия.
Если в реакции участвуют молекулы пропана или этана, то ее продуктами будет пропен или этен с одной двойной связью.
При дегидрировании четырех или пятиуглеродного скелета получаются диеновые соединения. Из бутана формируются бутадиен-1,3 и бутадиен-1,2.
Если в реакции присутствуют вещества с 6 и более атомами углеродов, то образуется бензол. В нем имеется ароматическое ядро с тремя связями двойными.
Процесс, связанный с разложением
В условиях высокой температуры реакции алканов могут проходить с разрывом связей углеродных и формированием активных частиц радикального типа. Такие процессы называют крекингом или пиролизом.
Нагревание реагирующих веществ до температур, превышающих 500 °C, приводит к разложению их молекул, в ходе которого образуются сложные смеси из радикалов алкильного типа.
Проведение при сильном нагревании пиролиза алканов с длинными углеродными цепочками связано с получением предельных и непредельных соединений. Его называют термическим крекингом. Такой процесс использовали до середины 20 века.
Недостатком было получение углеводородов с низким октановым числом (не более 65), поэтому его заменили Процесс проходит при температурных условиях, которые ниже 440 °C, и значениях давления, меньше 15 атмосфер, в присутствие алюмосиликатного ускорителя с выделением алканов, имеющих разветвлённую структуру. Примером может служить метановый пиролиз: 2CH 4 → t ° C 2 H 2 + 3H 2 . В ходе данной реакции образуется ацетилен и молекулярный водород.
Молекула метана может подвергаться конверсии. Для такой реакции необходима вода и никелевый катализатор. На выходе получается смесь из угарного газа и водорода.
Окислительные процессы
Химические реакции, характерные для алканов, связаны с отдачей электронов.
Существует автоокисление парафинов. В нем задействован свободно-радикальный механизм окисления насыщенных углеводородов. В ходе реакции из жидкой фазы алканов получают гидроперекиси. На начальном этапе молекула парафина взаимодействует с кислородом, в результате выделяются активные радикалы. Далее с алкильной частицей взаимодействует еще одна молекула O 2 , получается ∙ROO. С перекисным радикалом жирной кислоты контактирует молекула алкана, после чего выделяется гидроперекись. Примером может служить автоокисление этана:
C 2 H 6 + O 2 → ∙C 2 H 5 + HOO∙,
∙C 2 H 5 + O 2 → ∙OOC 2 H 5 ,
∙OOC 2 H 5 + C 2 H 6 → HOOC 2 H 5 + ∙C 2 H 5 .
Для алканов характерны реакции горения, которые относятся к главным химическим свойствам, при определении их в составе топлива. Они имеют окислительный характер с выбросом тепла: 2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 + 6H 2 O.
Если в процессе наблюдается малое количество кислорода, то конечным продуктом может быть уголь или углерода двухвалентный оксид, что определяется концентрацией O 2 .
При окислении алканов под влиянием каталитических веществ и нагревании до 200 °C получаются молекулы спирта, альдегида или карбоновой кислоты.
Пример с этаном:
C 2 H 6 + O 2 → C 2 H 5 OH (этанол),
C 2 H 6 + O 2 → CH 3 CHO + H 2 O (этаналь и вода),
2C 2 H 6 + 3O 2 → 2CH 3 COOH + 2H 2 O (этановая кислота и вода).
Алканы могут окисляться при действии на них трёхчленных циклических пероксидов. К ним относят диметилдиоксиран. Результатом окисления парафинов является молекула спирта.
Представители парафинов не реагируют на KMnO 4 или марганцовокислый калий, а также на
Изомеризация
На алканы тип реакции характеризуется замещением с электрофильным механизмом. Сюда причисляют изомеризацию углеродной цепи. Катализирует данный процесс алюминия хлорид, который взаимодействует с насыщенным парафином. Примером служит изомеризация молекулы бутана, которая становится 2-метилпропаном: C 4 H 10 → C 3 H 7 CH 3 .
Процесс ароматизации
Насыщенные вещества, у которых в основной цепочке углеродной содержится шесть или больше атомов углеродных, способны проводить дегидроциклизацию. Для коротких молекул не характерна такая реакция. Результатом всегда является шестичленный цикл в виде циклогексана и его производных.
В присутствии реакционных ускорителей проходит дальнейшее дегидрирование и превращение в более устойчивое бензольное кольцо. Происходит превращение ациклических углеводородов в ароматические соединения или арены. В качестве примера служит дегидроциклизация гексана:
H 3 C−CH 2 − CH 2 − CH 2 − CH 2 −CH 3 → C 6 H 12 (циклогексан),
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 (бензол).
Характерные химические свойства углеводородов: алканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов
Алканы
Алканы — углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле $С_{n}Н_{2n+2}$.
Гомологический ряд метана
Как вы уже знаете, гомологи — это вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп $СН_2$.
Предельные углеводороды составляют гомологический ряд метана.
Изомерия и номенклатура
Для алканов характерна так называемая структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Как вам уже известно, простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан:
Рассмотрим подробнее для алканов основы номенклатуры ИЮПАК:
1. Выбор главной цепи.
Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2.
Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (—$СН_3$), затем пропил ($—СН_2—СН_2—СН_3$), этил ($—СН_2—СН_3$) и т. д.
Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.
3. Формирование названия.
В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую ($2.2-$). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и название заместителя (метил, этил, пропил ). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д. ).
Названия веществ, структурные формулы которых приведены выше, следующие:
— структура А: $2$-метилпропан;
— структура Б: $3$-этилгексан;
— структура В: $2,2,4$-триметилпентан;
— структура Г: $2$-метил $4$-этилгексан.
Физические и химические свойства алканов
Физические свойства. Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы. Простейший из них — метан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах газа, почувствовав который, надо звонить $104$, определяется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах, для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).
Углеводороды состава от $С_5Н_{12}$ до $С_{15}Н_{32}$ — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые вещества.
Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.
Химические свойства.
1. Реакции замещения. Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.
Приведем уравнения наиболее характерных реакций.
Галогенирование:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+{CH_2Cl_2}↙{\text"дихлорметан(хлористый метилен)"}$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+{CHСl_3}↙{\text"трихлорметан(хлороформ)"}$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+{CCl_4}↙{\text"тетрахлорметан(четыреххлористый углерод)"}$.
Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.
2. Дегидрирование (отщепление водорода). В ходе пропускания алканов над катализатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при высокой температуре ($400-600°С$) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:
$CH_3—CН_3→СH_2=CH_2+Н_2$
3. Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться. Горение предельных углеводородов — это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:
$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
$C_{n}H_{2n+2}+({3n+1}/{2})O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Термическое расщепление углеводородов:
$C_{n}H_{2n+2}{→}↖{400-500°C}C_{n-k}H_{2(n-k)+2}+C_{k}H_{2k}$
Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.
Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена:
$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса — крекинга углеводородов. Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.
При нагревании метана до температуры $1000°С$ начинается пиролиз метана — разложение на простые вещества:
$CH_4{→}↖{1000°C}C+2H_2$
При нагревании до температуры $1500°С$ возможно образование ацетилена:
$2CH_4{→}↖{1500°C}CH=CH+3H_2$
4. Изомеризация. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:
5. Ароматизация. Алканы с шестью и более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизируются с образованием бензола и его производных:
В чем причина того, что алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму? Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных $С—С$ (углерод — углерод) связей и слабополярных $С—Н$ (углерод — водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т.е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т.к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.
Алкены
К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкадиены (полиены), алкины. Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалкены), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома). Свойство непредельности связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных, углеводородов — алканов.
Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n}$.
Свое второе название — олефины — алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров — масел (от лат. oleum — масло).
Гомологический ряд этена
Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена):
$С_2Н_4$ — этен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_{10}$ — пентен, $С_6Н_{12}$ — гексен и т. д.
Изомерия и номенклатура
Для алкенов, так же, как и для алканов, характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, — это бутен:
Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:
$СН_3—{СН_2}↙{бутен-1}—СН=СН_2$ $СН_3—{СН=СН}↙{бутен-2}—СН_3$
Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии — геометрической, или цис-транс изомерии.
Цис- изомеры отличаются от транс- изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости $π$-связи, а следовательно, и свойствами.
Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:
Номенклатура алкенов, разработанная ИЮПАК, схожа с номенклатурой алканов.
1. Выбор главной цепи.
Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.
2. Нумерация атомов главной цепи.
Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь. Например, правильное название соединения:
$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, как можно было бы предположить.
Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей, так же, как для предельных углеводородов.
3. Формирование названия.
Названия алкенов формируются так же, как и названия алканов. В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, — -ен.
Например:
Физические и химические свойства алкенов
Физические свойства. Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы; вещества состава $С_5Н_{10}$ - $С_{16}Н_{32}$ — жидкости; высшие алкены — твердые вещества.
Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.
Химические свойства.
Реакции присоединения. Напомним, что отличительной чертой представителей непредельных углеводородов — алкенов является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму
1. Гидрирование алкенов. Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования, металлов — платины, палладия, никеля:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Эта реакция протекает при атмосферном и повышенном давлении и не требует высокой температуры, т.к. является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция — дегидрирование.
2. Галогенирование (присоединение галогенов). Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе ($CCl_4$) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалоген алканов:
$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-{CH}↙{пропен}=CH_2+HBr→CH_3-{CHBr}↙{2-бромпропен}-CH_3$
Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:
При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т.е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.
Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта:
${CH_2}↙{этен}=CH_2+H_2O{→}↖{t,H_3PO_4}CH_3-{CH_2OH}↙{этанол}$
Обратите внимание на то, что первичный спирт (с гидроксогруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.
Эта реакция протекает также в соответствии с правилом Марковникова — катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа — к менее гидрированному.
5. Полимеризация. Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:
$nCH_2{=}↙{этен}CH_2{→}↖{УФ-свет,R}(...{-CH_2-CH_2-}↙{полиэтилен}...)_n$
Эта реакция присоединения протекает по свободнорадикальному механизму.
6. Реакция окисления.
Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием $СО_2$ и $Н_2О$:
$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.
В общем виде:
$C_{n}H_{2n}+{3n}/{2}O_2→nCO_2+nH_2O$
В отличие от алканов, которые устойчивы к окислению в растворах, алкены легко окисляются под действием растворов перманганата калия. В нейтральных или щелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:
Алкадиены (диеновые углеводороды)
Алкадиены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, две двойные связи между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.
В зависимости от взаимного расположения двойных связей различают три вида диенов:
— алкадиены с кумулированным расположением двойных связей:
— алкадиены с сопряженными двойными связями;
$CH_2=CH—CH=CH_2$;
— алкадиены с изолированными двойными связями
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Эти все три вида алкадиенов существенно отличаются друг от друга по строению и свойствам. Центральный атом углерода (атом, образующий две двойные связи) в алкадиенах с кумулированными связями находится в состоянии $sp$-гибридизации. Он образует две $σ$-связи, лежащие на одной прямой и направленные в противоположные стороны, и две $π$-связи, лежащие в перпендикулярных плоскостях. $π$-Связи образуются за счет негибридизированных р-орбиталей каждого атома углерода. Свойства алкадиенов с изолированными двойными связями весьма специфичны, т.к. сопряженные $π$-связи существенно влияют друг на друга.
р-Орбитали, образующие сопряженные $π$-связи, составляют практически единую систему (ее называют $π$-системой), т.к. р-орбитали соседних $π$-связей частично перекрываются.
Изомерия и номенклатура
Для алкадиенов характерна как структурная изомерия, так и цис-, транс-изомерия.
Структурная изомерия.
— изомерия углеродного скелета:
— изомерия положения кратных связей:
${CH_2=CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}$ ${CH_2=C=CH—CH_3}↙{бутадиен-1,2}$
Цис-, транс- изомерия (пространственная и геометрическая)
Например:
Алкадиены изомерны соединениям классов алкинов и циклоалкенов.
При формировании названия алкадиена указывают номера двойных связей. Главная цепь должна обязательно содержать две кратные связи.
Например:
Физические и химические свойства алкадиенов
Физические свойства.
В обычных условиях пропандиен-1,2, бутадиен-1,3 — газы, 2-метилбутадиен-1,3 — летучая жидкость. Алкадиены с изолированными двойными связями (простейший из них — пентадиен-1,4) — жидкости. Высшие диены — твердые вещества.
Химические свойства.
Химические свойства алкадиенов с изолированными двойными связями мало отличаются от свойств алкенов. Алкадиены с сопряженными связями обладают некоторыми особенностями.
1. Реакции присоединения. Алкадиены способны присоединять водород, галогены, галогеноводороды.
Особенностью присоединения к алкадиенам с сопряженными связями является способность присоединять молекулы как в положениях 1 и 2, так и в положениях 1 и 4.
Соотношение продуктов зависит от условий и способа проведения соответствующих реакций.
2. Реакция полимеризации. Важнейшим свойством диенов является способность полимеризоваться под воздействием катионов или свободных радикалов. Полимеризация этих соединений является основой синтетических каучуков:
$nCH_2={CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}→{(... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n}↙{\text"синтетический бутадиеновый каучук"}$.
Полимеризация сопряженных диенов протекает как 1,4-присоединение.
В этом случае двойная связь оказывается центральной в звене, а элементарное звено, в свою очередь, может принимать как цис- , так и транс- конфигурацию.
Алкины
Алкины — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну тройную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.
Гомологический ряд этина
Неразветвленные алкины составляют гомологический ряд этина (ацетилена):
$С_2Н_2$ — этин, $С_3Н_4$ — пропин, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_{10}$ — гексин и т. д.
Изомерия и номенклатура
Для алкинов, так же как и для алкенов, характерна структурная изомерия: изомерия углеродного скелета и изомерия положения кратной связи. Простейший алкин, для которого характерны структурные изомеры положения кратной связи класса алкинов, — это бутин:
$СН_3—{СН_2}↙{бутин-1}—С≡СН$ $СН_3—{С≡С}↙{бутин-2}—СН_3$
Изомерия углеродного скелета у алкинов возможна, начиная с пентина:
Так как тройная связь предполагает линейное строение углеродной цепи, геометрическая (цис-, транс- ) изомерия для алкинов невозможна.
Наличие тройной связи в молекулах углеводородов этого класса отражается суффиксом -ин , а ее положение в цепи — номером атома углерода.
Например:
Алкинам изомерны соединения некоторых других классов. Так, химическую формулу $С_6Н_{10}$ имеют гексин (алкин), гексадиен (алкадиен) и циклогексен (циклоалкен):
Физические и химические свойства алкинов
Физические свойства. Температуры кипения и плавления алкинов, так же, как и алкенов, закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.
Алкины имеют специфический запах. Они лучше растворяются в воде, чем алканы и алкены.
Химические свойства.
Реакции присоединения. Алкины относятся к непредельным соединениям и вступают в реакции присоединения. В основном это реакции электрофильного присоединения.
1. Галогенирование (присоединение молекулы галогена). Алкин способен присоединить две молекулы галогена (хлора, брома):
$CH≡CH+Br_2→{CHBr=CHBr}↙{1,2-дибромэтан},$
$CHBr=CHBr+Br_2→{CHBr_2-CHBr_2}↙{1,1,2,2-тетрабромэтан}$
2. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода). Реакция присоединения галогеноводорода, протекающая по электрофильному механизму, также идет в две стадии, причем на обеих стадиях выполняется правило Марковникова:
$CH_3-C≡CH+Br→{CH_3-CBr=CH_2}↙{2-бромпропен},$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→{CH_3-CHBr_2-CH_3}↙{2,2-дибромпропан}$
3. Гидратация (присоединение воды). Боль шое значение для промышленного синтеза кетонов и альдегидов имеет реакция присоединения воды (гидратация), которую называют реакцией Кучерова:
4. Гидрирование алкинов. Алкины присоединяют водород в присутствии металлических катализаторов ($Pt, Pd, Ni$):
$R-C≡C-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH_2-CH_2-R$
Так как тройная связь содержит две реакционноспособные $π$-связи, алканы присоединяют водород ступенчато:
1) тримеризация.
При пропускании этина над активированным углем образуется смесь продуктов, одним из которых является бензол:
2) димеризация.
Помимо тримеризации ацетилена, возможна его димеризация. Под действием солей одновалентной меди образуется винилацетилен:
$2HC≡CH→{HC≡C-CH=CH_2}↙{\text"бутен-1-ин-3(винилацетилен)"}$
Это вещество используется для получения хлоропрена:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl{→}↖{CaCl}H_2C={CCl-CH}↙{хлоропрен}=CH_2$
полимеризацией которого получают хлоропреновый каучук:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Окисление алкинов.
Этин (ацетилен) горит в кислороде с выделением очень большого количества теплоты:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600кДж$ На этой реакции основано действие кислородно-ацетиленовой горелки, пламя которой имеет очень высокую температуру (более $3000°С$), что позволяет использовать ее для резки и сварки металлов.
На воздухе ацетилен горит коптящим пламенем, т.к. содержание углерода в его молекуле выше, чем в молекулах этана и этена.
Алкины, как и алкены, обесцвечивают подкисленные растворы перманганата калия; при этом происходит разрушение кратной связи.
Ионный (правило В. В. Марковникова) и радикальный механизмы реакции в органической химии
Типы химических реакций в органической химии
Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации). Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести к предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам из курса неорганической химии реакциями, протекающими между неорганическими веществами.
Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.
Реакции замещения
Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения.
В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие как алканы, циклоалканы или арены.
Приведем примеры таких реакций.
Под действием света атомы водорода в молекуле метана способны замещаться на атомы галогена, например, на атомы хлора:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Другим примером замещения водорода на галоген является превращение бензола в бромбензол:
Уравнение этой реакции может быть записано иначе:
При этой форме записи реагенты, катализатор, условия проведения реакции записывают над стрелкой, а неорганические продукты реакции — под ней.
Реакции присоединения
Реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну, называют реакциями присоединения.
В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие как алкены или алкины.
В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают гидрирование (или восстановление), галогенирование, гидрогалогенирование, гидратацию и другие реакции присоединения. Каждая из них требует определенных условий.
1. Гидрирование — реакция присоединения молекулы водорода по кратной связи:
$CH_3{-CH=}↙{\text"пропен"}CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3{-CH_2-}↙{\text"пропан"}-CH_3$
2. Гидрогалогенирование — реакция присоединения галогеноводорода (гидрохлорирование):
${CH_2=}↙{\text"этен"}CH_2+HCl→CH_3{-CH_2-}↙{\text"хлорэтан"}-Cl$
3. Галогенирование — реакция присоединения галогена:
${CH_2=}↙{\text"этен"}CH_2+Cl_2→{CH_2Cl-CH_2Cl}↙{\text"1.2-дихлорэтан"}$
4. Полимеризация — особый тип реакций присоединения, в ходе которых молекулы вещества с небольшой молекулярной массой соединяются друг с другом с образованием молекул вещества с очень высокой молекулярной массой — макромолекул.
Реакции полимеризации — это процессы соединения множества молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.
Примером реакции полимеризации может служить получение полиэтилена из этилена (этена) под действием ультрафиолетового излучения и радикального инициатора полимеризации $R:$
${nCH_2=}↙{\text"этен"}CH_2{→}↖{\text"УФ-свет,R"}{(...-CH_2-CH_2-...)_n}↙{\text"полиэтилен"}$
Наиболее характерная для органических соединений ковалентная связь образуется при перекрывании атомных орбиталей и образовании общих электронных пар. В результате этого образуется общая для двух атомов орбиталь, на которой находится общая электронная пара. При разрыве связи судьба этих общих электронов может быть разной.
Типы реакционноспособных частиц в органической химии
Орбиталь с неспаренным электроном, принадлежащая одному атому, может перекрываться с орбиталью другого атома, на которой также находится неспаренный электрон. При этом происходит образование ковалентной связи по обменному механизму:
$H + H→H:H,$ или $H-H$
Обменный механизм образования ковалентной связи реализуется в том случае, если общая электронная пара образуется из неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам.
Процессом, противоположным образованию ковалентной связи по обменному механизму, является разрыв связи, при котором к каждому атому отходит по одному электрону. В результате этого образуются две незаряженные частицы, имеющие неспаренные электроны:
Такие частицы называются свободными радикалами.
Свободные радикалы — атомы или группы атомов, имеющие неспаренные электроны.
Реакции, которые протекают под действием и при участии свободных радикалов, называются свободнорадикальными реакциями.
В курсе неорганической химии это реакции взаимодействия водорода с кислородом, галогенами, реакции горения. Обратите внимание, что реакции этого типа отличаются высокой скоростью, выделением большого количества тепла.
Ковалентная связь может образоваться и по донорно-акцепторному механизму. Одна из орбиталей атома (или аниона), на которой находится неподеленная электронная пара, перекрывается незаполненной орбиталью другого атома (или катиона), имеющего незаполненную орбиталь, при этом формируется ковалентная связь, например:
$H^{+}+{:O-H^{-}}↙{\text"акцептор"}→{H-O-H}↙{\text"донор"}$
Разрыв ковалентной связи приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных частиц; так как в данном случае оба электрона из общей электронной пары остаются при одном из атомов, у второго атома получается незаполненная орбиталь:
$R:|R=R:^{-}+R^{+}$
Рассмотрим электролитическую диссоциацию кислот:
$H:|Cl=H^{+}+Cl^{-}$
Можно легко догадаться, что частица, имеющая неподеленную электронную пару $R:^{-}$, т. е. отрицательно заряженный ион, будет притягиваться к положительно заряженным атомам или к атомам, на которых существует по крайней мере частичный или эффективный положительный заряд. Частицы с неподеленными электронными парами называют нуклеофильными агентами (nucleus — ядро, положительно заряженная часть атома), т. е. «друзьями» ядра, положительного заряда.
Нуклеофилы ($Nu$) — анионы или молекулы, имеющие неподеленную пару электронов, взаимодействующие с участками молекул, на которых сосредоточен эффективный положительный заряд.
Примеры нуклеофилов: $Cl^{-}$ (хлорид-ион), $ОН^{-}$ (гидроксид-анион), $СН_3О^{-}$ (метоксид-анион), $СН_3СОО^{-}$ (ацетат-анион).
Частицы, имеющие незаполненную орбиталь, напротив, будут стремиться заполнить ее и, следовательно, будут притягиваться к участкам молекул, на которых присутствует повышенная электронная плотность, отрицательный заряд, неподеленная электронная пара. Они являются электрофилами, «друзьями» электрона, отрицательного заряда или частиц с повышенной электронной плотностью.
Электрофилы — катионы или молекулы, имеющие незаполненную эле к трон ную орбиталь, стремящиеся к заполнению ее электронами, так как это приводит к более выгодной электронной конфигурации атома.
Примеры электрофилов: $NO_2$ (нитрогруппа), —$СООН$ (карбоксил), —$СN$ (нитрильная группа), —$СОН$ (альдегидная группа).
Не любая частица с незаполненной орбиталью является электрофилом. Так, например, катионы щелочных металлов имеют конфигурацию инертных газов и не стремятся к приобретению электронов, так как имеют низкое сродство к электрону. Из этого можно сделать вывод, что, несмотря на наличие у них незаполненной орбитали, подобные частицы не будут являться электрофилами.
Основные механизмы протекания реакций
Мы выделили три основных типа реагирующих частиц — свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы — и три соответствующих им типа механизма реакций:
— свободнорадикальные;
— электрофильные;
— нуклеофильные.
Кроме классификации реакций по типу реагирующих частиц, в органической химии различают четыре вида реакций по принципу изменения состава молекул: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от лат. eliminaue — удалять, отщеплять) и перегруппировки. Так как присоединение и замещение могут происходить под действием всех трех типов реакционноспособных частиц, можно выделить несколько основных механизмов протекания реакций.
1. Свободнорадикальное замещение:
${CH_4}↙{\text"метан"}+Br_2{→}↖{\text"УФ-свет"}{CH_3Br}↙{\text"бромметан"}+HBr$
2. Свободнорадикальное присоединение:
$nCH_2=CH_2{→}↖{\text"УФ-свет,R"}(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Электрофильное замещение:
4. Электрофильное присоединение:
$CH_3-{CH=}↙{\text"пропен"}CH_2+HBr{→}↖{\text"раствор"}{CH_3-CHBr-CH_3}↙{\text"2-бромпропан"}$
$СH_3{-C≡}↙{\text"пропин"}CH+Cl_2{→}↖{\text"раствор"}{CH_3-CCl=CHCl}↙{\text"1,2-дихлорпропен"}$
5. Нуклеофильное присоединение:
Кроме того, мы рассмотрим реакции отщепления, или элиминирования, которые идут под воздействием нуклеофильных частиц — оснований.
6. Элиминирование:
$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH{→}↖{\text"спиртовой раствор"}CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
Правило В. В. Марковникова
Отличительной чертой алкенов (непредельных углеводородов) является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.
Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводо рода):
$СH_3{-CH-}↙{\text"пропен"}CH_2+HBr→CH_3{-CHBr-CH_3}↙{\text"2-бромпропан"}$
Эта реакция подчиняется правилу В. В. Марковникова: при присоединении галогенводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т.е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.
