Алканы — предельные углеводороды, содержащие только простые связи углерода. Получение алканов: промышленный метод, нитрование и окисление. Углеводороды, содержащие двойную связь углерода — алкены или этиленовые углеводороды. Диеновые углеводороды.
Предельные углеводороды
Алканами называются предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только простые связи С-С. Общая формула алканов — С n Н2 n +2 . Названия простейших алканов сложились исторически, для остальных — производятся от греческих числительных добавлением суффикса — ан .
|
СН 4 |
метан |
С 5 Н10 |
пентан |
С 9 Н20 |
нонан |
|
|
С 2 Н6 |
этан |
С 6 Н12 |
гексан |
С 10 Н22 |
декан |
|
|
С 3 Н8 |
пропан |
С 7 Н16 |
гептан |
С 11 Н24 |
ундекан |
|
|
С 4 Н10 |
бутан |
С 8 Н18 |
октан |
С 12 Н26 |
додекан |
|
Алканы с числом атомов углерода больше четырех имеют скелетные изомеры. Разветвленные предельные углеводороды рассматривают как алканы, в которых некоторые атомы водорода заменены на радикалы. Структуры и названия простейших радикалов необходимо запомнить.
Физические свойства
Первые четыре алкана — газы, далее до алкана С 16 Н34 — жидкости, остальные — твердые вещества. Все они нерастворимы в воде.
Получение
I. Основной промышленный метод — переработка нефти и газа:
перегонка —
крекинг:
из угля и водорода
С+2Н 2 СН4 .
нагреванием оксида углерода(П) с водородом
nСО + (2n+1) H 2 Cn H2 n +2 + nН2 0
II. Лабораторные методы.
Восстановление непредельных соединений, Сплавление натриевых солей карбоновых кислот со щелочью, Взаимодействие галогенопроизводных с металлическим натрием (реакция Вюрца):
СНзВг + 2 Na + Br-CH 3 СНзСНз + 2 NaBr
Этот метод удобен для получения симметричных алканов, в противном случае образуется смесь продуктов.
Химические свойства алканов
Благодаря своей предельной насыщенности и малой полярности связей С-Н алканы очень прочны, вступают только в реакции радикального замещения, инициируемого условиями проведения реакции.
Галогенирование
CH 3 CH3 + Cl2 CH3 CH2 Cl + HCl (SR )
Каждая такая реакция протекает в соответствии с цепным свободно-радикальным механизмом:
Инициирование цепи:
Рост цепи:
Обрыв цепи:
Нитрование (реакция Коновалова).
Взаимодействие алканов с разбавленной азотной кислотой (12%) при повышенных температуре и давлении.
СНзСНз + HONO 2 CH3 CH2 NO2 + Н2 O
Окисление.
Мягкие окислители (бромная вода, перманганат калия) на алканы не действуют. Любые алканы сгорают до углекислого газа и воды с выделением большого количества тепла.
Сульфоокисление.
Крекинг — это и способ получения, и химическое свойство алканов и алкенов. Процесс проходит при высокой температуре, давлении и обычно в присутствии катализаторов.
Циклоалканы: общая формула класса C n H2 n , т.е. циклоалканы изомерны алкенам. Названия образуются прибавлением приставки цикло- к названию соответвующего алкана.
Циклопропан
Получение
Действие металлического цинка на дигалогенпроизводные.
Гидрирование ароматических углеводородов.
Химические свойства
Химические свойства циклоалканов аналогичны реакциям алканов, но для малых циклов (циклопропан, циклобутан) характерны реакции присоединения с разрывом цикла.
Непредельные углеводороды
Алкены
Углеводороды, содержащие двойную связь С=С, называются алкенами или этиленовыми углеводородами. Общая формула класса — Сn Н2 n .
Названия образуются заменой суффикса -ан в алканах на -ен . Для родоначальника ряда часто применяется тривиальное название «этилен».
цис-транс-изомерня
Физические свойства
Алкены с числом атомов углерода менее пяти — газы. Нерастворимы в воде, но растворяются в неполярных растворителях.
Получение
Дегидрирование алканов при повышенном давлении и температуре в присутствии катализатора (обычно Pt):
Неполное гидрирование алкинов:
правилу Зайцева:
При образовании алкена из функционального производного углеводородов отщепляется функциональная группа и водород от соседнего наименее гидрированного атома углерода.
- внутримолекулярная дегидратация спиртов в присутствии серной кислоты или оксида алюминия:
дегидрогалогенирование моногалогенопроизводных действием спиртового раствора щелочи:
Действие металлического цинка на дигалогенопроизводные:
Химические свойства
злектрофил
Гидрирование
Галогенирование:
качественной реакцией на кратную связь.
Гидрогалогенирование. —
Присоединение полярных реагентов к несимметричной кратной связи происходит так, чтобы атом водорода присоединялся к в наибольшей мерегидрированному атому углерода.
Гидратация.
Протекает при нагревании в присутствии кислот (по правилу Марковникова).
Полимеризация:, Окисление.
Алкены обесцвечивают водный раствор перманганата калия, сами при всём этом окисляясь до двухатомных спиртов — гликолей.
В присутствии металлического серебра образуются эпоксиды (-окиси):
Диеновые углеводороды
Углеводороды, которые содержат две двойные связи, называют диенами (более двух — полценами). Общая формула гомологического ряда диенов Cn H2 n -2 . В зависимости от расположения кратных связей выделяют сопряженные диены (двойные связи разделены одной простой), изолированные (между двойными связями более одной простой) и кумулированные (двойные связи по соседству).
sp 2 ; ; ; Cопряжение:
Способы получения
(синтез Лебедева):
Внутримолекулярной дегидратацией диолов:
Получение изопрена из пропилена:
Химические свойства сопряжённых диенов
Наиболее характерные реакции — реакции присоединения. Для сопряженных диенов характерно либо 1,2-присоединение (с разрывом только одной связи), либо 1,4-присоединение, где две кратных связи реагируют как единая электронная система:
Примером реакции присоединения к сопряжённым диенам является полимеризация:
Последним способом получают искусственные (синтетические) каучуки, основным отличием которых от природных долгое время было отсутствие стереорегулярности (повторяемости пространственной структуры мономерного звена).
В настоящее время возможен синтез искусственных каучуков стереорегулярного строения.
Алкины
Алкины — углеводороды, содержащие в своем составе тройную связь. Общая формула — С n Н2 n -2 . Молекулы алкинов имеют линейное строение благодаря sp-гибридиэации атомов углерода, связанных тройной связью.
В международной номенклатуре им соответствует суффикс -ин . Первый представитель ряда традиционно именуется ацетиленом.
Физические свойства сходны со свойствами других углеводородов.
Получение
ацетилена:
гомологов ацетилена
а) дегидрогалогенирование дигалогенпроизводных:
б) Алкилированием ацетиленидов галогеналкилами:
Химические свойства
Гидрирование (проходит в два этапа):
Галогенирование (проходит в два этапа):
Гидрогалогенирование (проходит в два этапа):
Присоединение водородсодержащих реагентов к несимметричным алкинам происходит по правилу Марковникова.
Реакция гидратации, Реакции замещения
реакции замещения
4) Реакции полимеризации.
Димеризацией ацетилена получают винилацетилен (исходное вещество для синтеза некоторых диеновых полимеров), тримеризация приводит к бензолу, а полимеризация дает химически активные полимеры.
Окисление
Арены
ароматическими.
орто-, мета- и пара:
орто -ксилол мета -ксилол пара -ксилол
1,2-диметилбензол 1,3-диметилбензол 1,3-диметилбензол
Бензол и его гомологи, содержащие до 10 атомов углерода — жидкости, далее — твердые вещества.
Получение
Из природных источников — нефть, каменный уголь.
Дегидрирование циклоалканов и алканов:
Тримеризация алкинов (см. «Химические свойства алкинов»).
Гомологи бензола получают алкилированием бензола:
Химические свойства
I. Реакции электрофильного замещения.
Ароматическая система связей в бензоле приводит к особому типу реакций — реакциям замещения в бензольном кольце. При этом двойные связи не разрываются, а происходит замещение атомов водорода с сохранением ароматического цикла.
Галогенирование:
Проводится в присутствии катализатора А1С1 3 , А1Вг3 или FeВг3 .
Реакция протекает по следующему механизму:
Образование электрофильной частицы Вг + .
Координация электрофильной частицы к электронной плотности бензольного кольца (образование -комплекса).
Присоединение частицы (образование -комплекса).
Стабилизация неустойчивого -комплекса с выбросом протона.
Регенерация катализатора.
Нитрование:
Протекает под действием смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь).
Сульфирование
Алкилирование:
Те же реакции замещения идут и для гомологов бензола, причем образуется смесь продуктов орто- и пара-замещения. Например, нитрование толуола приводит к орто- и пара-нитротолуолу:
Ill Реакции присоединения (немногочисленны).
Гидрирование (
2) Присоединение галогенов.
При интенсивном освещении бензол может присоединять три молекулы хлора, превращаясь в гексахлорциклогексан. Гомологи бензола на свету хлорируются иначе, замещая атом водорода в алкильном радикале в бензильном положении.
III. Реакции окисления.
Бензол устойчив к действию мягких окислителей, а его гомологи окисляются до бензойной кислоты.
Галогенопроизводные углеводородов
Способы получения
Прямое галогенирование алканов:
Галогенирование и гидрогалогенирование алкенов:
Гидрогалогенирование алкинов:
4) Из спиртов:
Химические свойства
Реакции нуклеофильного замещения:
Образование магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра):
эфир
CH 3 CH2 Cl + Mg CH3 CH2 MgCl
Дегидрогалогенирование:
NaOH
CH 3 CH2 ClСH2 CH3 CH3 CHCHCH3
Спирт
