Строение алканов

Содержание:

1 Предельные, или насыщенные, углеводороды ряда метана (алканы, или парафины)………………………………………………………………………………….3

1.1. Строение алканов……………………………………………………...…..…..3

1.2 Номенклатура и изомерия……………………………………………….....….6

1.3 Получение алканов…………………………………………………………..…7

1.4 Физические и химические свойства………………………………………..…8

2 Химические свойства…………………………………………………………….9

Список литературы…………………………………………………….………….12

 

     1 Предельные, или насыщенные, углеводороды ряда метана (алканы, или парафины)

Алканы, или парафины — алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) (s-связью.

Оставшиеся валентности  углеродного атома, не затраченные  на связь с другими атомами  углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные (насыщенные) углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.

1.1. Строение алканов

Простейшим представителем и родоначальником предельных углеводородов  является метан СН₄. Строение молекулы метана можно выразить структурной (I) или электронной (II) формулой:

H | H—C—H | H (I)

H .. H :C : H .. H (II)

В предельных углеводородах  атомы углерода находятся в первом валентном состоянии (sp₃-гибpидизaция). В этом случае, .как известно, все четыре гибридные орбитали в пространстве составляют геометрическую фигуру — тетраэдр (углы между осями связей С—Н равны 109° 28'). Пространственное расположение атомов в молекуле метана можно показать с помощью тетраэдрических и шаростержневых моделей. Для этого наиболее удобны объемные модели Бриглеба, которые более наглядно отражают относительные размеры атомов в молекуле. Эти модели изготовлены в соответствии с действительным соотношением радиусов атомов (в масштабе 0,05 нм = 1 см).

Таблица 1. Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов) нормального (неразветвленного) строения и их одновалентные радикалы

Углеводород (алкан)	Число возможных изомеров у алкана	Радикал (алкил)
Формула	Название	Формула	Название
СН4	Метан	1	СН3-	Метил
С2Н6	Этан	1	С2Н5-	Этил
С3Н8	Пропан	1	С3Н7-	Пропил
С4Н10	Бутан	2	С4Н9-	Бутил
С5Н12	Пентан	3	С5Н11-	Пентил
С6Н14	Гексан	5	С6Н13-	Гексил
C7H16	Гептан	9	C7H15-	Гептил
C8H18	Октан	18	C8H17-	Октил
С9Н20	Нонан	35	С9Н19-	Нонил
С10Н22	Декан	75	С10Н21-	Децил (декил)

Гомологические ряды характерны для всех классов органических соединений. Они являются прекрасным подтверждением основного закона природы — перехода количественных изменений в качественные.

Если от алкана "отнять" один атом водорода, то образуется одновалентный  углеводородный остаток — радикал (не смешивайте с реально существующим свободным радикалом). При потере двух или трех атомов водорода образуются соответственно двух- или трехвалентные радикалы (табл. 2).

Таблица 2. Наиболее часто  встречающиеся углеводородные радикалы

Название	Формула радикала	Название	Формула радикала
Метил	СН3—	Этил	CH3—CH2—
Метилен	СН2==	Этилиден	CH3—CH==
Метин	СНºº	Этилидин	CH3—Cºº
н-Пропил	CH3—CH2—CH2—	Изобутил (первичный изобутил)	(СН3)2СН—СН2—
Пропилиден	CH3—CH2—CH==	втор-Бутил	CH3 | CH3—CH2—CH—
Изопропил	(СН3)2СН—	терет-Бутил	(СН3)3С—
н-Бутил	CH3—CH2—CH2—CH2—	н-Пентил	CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—

В приведенных названиях  радикалов используют обозначения: н-нормальный, втор- — вторичный, трет- — третичный.

Как видно из табл. 2, свободная  валентность в радикале может находиться при разных углеродных атомах. Если свободная валентность в радикале находится у первичного атома углерода, то такой радикал называется первичным. Соответственно этому могут быть вторичные (свободная валентность принадлежит вторичному атому углерода) и третичные (свободная валентность у третичного углеродного атома) радикалы:.

Н₃С—  - первичный одновалентный радикал (метил);

(СН₃)₂СН—  - вторичный одновалентный радикал (изопропил);

(СН₃)₃С—  - третичный одновалентный радикал (mpem-бутил).

 

1.2 Номенклатура и изомерия

Номенклатура. Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).

Общее (родовое) название предельных углеводородов — алканы. Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:

В формуле молекулы алкана выбирают главную цепь — самую длинную.

H3C—CH—CH2—CH—CH2—CH3 -------- | ----------- |   CH3  ¦ CH2—CH2—CH3   ---------------------

Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими. Заместители перечисляют по алфавиту.

1  2 3  4 H3C—CH—CH2—CH—CH2—CH3   |  5 |  6  7   CH3  CH2—CH2—CH3

3. Углеводород называют  в таком порядке: вначале указывают  (цифрой) место расположения заместителя,  затем называют этот заместитель  (радикал), а в конце добавляют  название главной (самой длинной)  цепи. Таким образом, углеводород  может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим  числительным, которое ставят перед  названием этих заместителей. Приставки  ди-, три-, тетра- и т.д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.

Для простейших углеводородов  изостроения сохраняются их несистематические  названия: изобутан, изопентан, неопентад.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные  простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

CH3 | H3C—C—CH3 |  CH3	C2H5   | H3C—CH—CH—CH3  |  CH3
тетраметилметан (2,2-диметилпропан)	метилэтилизопропилметан (2,3-диметилпентан)

1.3 Получение алканов

Для получения алканов  используют в основном природные  источники. Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы — из нефти. Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск (озокерит) — разновидность твердого природного битума.

Многие предельные углеводороды можно получать методом гидрирования углей:  

_{500 °С}

nC + 2nН₂ ®  С_nН_{2n + 2}  

^{оксиды  железа}

Так как при этом из твердого угля образуется смесь жидких продуктов, процесс называется сжижением угля.

С этой же целью используют смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ) в присутствии катализатора (кобальта или никеля): 

_{200 °С}

nCО + (2n + 1)Н2 ®  С_nН_{2n + 2} + n Н2О  

  ^кат.

Образующиеся алканы находят применение в качестве моторного  топлива (синтетический бензин — "синтин").

Для получения алканов  часто применяют лабораторные методы - органический синтез.

1. Гидрирование этиленовых  и ацетиленовых углеводородов  в присутствии катализатора (Pt, Pd, Ni): 

 Pt   Pt

H2C==CH2 + H2 ® H3C—CH3  H—CººC—H + 2H2 ® H3C—CH3  

этилен  этан  ацетилен  этан

1.4 Физические и химические свойства

Физические свойства. Первые четыре члена гомологического  ряда метана — газообразные вещества, начиная с пентана — жидкости, а углеводороды с числом углеродных атомов 16 и выше — твердые вещества (при обычной температуре). Температура кипения алканов с разветвленной цепью ниже, чем соединений нормального строения (табл. 3).

Алканы — неполярные соединения и трудно поляризуемые. Они легче воды и в ней практически  не растворяются. Не растворяются также  в других растворителях с высокой полярностью. Жидкие алканы — хорошие растворители для многих органических веществ.

Метан и этан, а также  высшие алканы не имеют запаха, но среди  других легколетучих низших углеводородов  встречаются соединения, обладающие слабым запахом.

Алканы — горючие  вещества. Метан горит бесцветным пламенем.

 

2 Химические свойства.

 

Реакции замещения. В этих реакциях замещение водорода легче происходит при третичном углеродном атоме, труднее — при вторичном и совсем плохо — при первичном.

1. Галогепирование (замещение галогеном) - важнейшая реакция алканов. Она протекает при освещении УФ-светом или в темноте при сильном нагревании, а также в присутствии катализаторов. Сравнительно легко алканы вступают в реакцию замещения с хлором и бромом, очень трудно — с иодом. С фтором реакция протекает со взрывом (поэтому обычно фтор разбавляют азотом или используют растворители). В результате замещения водорода галогеном образуются галогено-производные алканов. Например, хлорирование метана протекает с последовательным замещением в его молекуле всех атомов водорода на хлор:

СН₄ + Cl₂ ® СН₃С1+ НС1  

хлорметан

СН₃С1 + Cl₂ ® СН₂С1₂ + НС1  

дихлорметан

СН₂С1₂ + Cl₂ ® СНС1₃+ НС1 

трихлорметан

СНС1₃ + Cl₂ ® СС1₄ + НС1  

тетрахлорметан

Реакция галогенирования  имеет цепной свободно-радикальный характер (Н.Н.Семенов). На первой стадии этого процесса под влиянием УФ-облучения (или высокой температуры) происходит распад молекулы хлора на два свободных радикала. Такой процесс называется инициированием:

Сl : Сl ® С1× + С1×

Затем начинается рост цепи. Свободный радикал взаимодействует с молекулой метана:

СН₄ + С1× ® СН₃× + НС1

СН₃× + Cl₂ ® СН₃Сl + С1× и т.д.

Эта реакция обрывается, если исчезнут свободные радикалы. Поэтому обрыв цепи часто связан с взаимодействием свободных радикалов друг с другом:

СН₃× + СН₃× ® Н₃С:СН₃ 

этан

С1× + С1× ® С1:С1  

хлор

СН₃× + С1× ® СН₃:С1 

хлорметан

Реакции расщепления протекают при нагревании (в присутствии катализаторов или без них).

1. Отщепление водорода {дегидрирование). При нагревании алканов присутствии катализатора (СrО₃) происходит отщепление атомов водорода с образованием непредельных углеводородов:

Н₃С—СН₂—СН₃ ® Н₂С==СН—СН₃  

^{пропан  -H}₂ ^{пропилен}

2. Термическое разложение (разрыв связей С—С и С—Н). Известно, что алканы устойчивы только при сравнительно невысоких температурах. При нагревании алканов до 500 ° С и выше, (без катализаторов или в их присутствии) они разлагаются с разрывом связей С—С и С—Н. В результате происходит образование более простых углеводородов — предельных и непредельных. Этот процесс называют крекингом.