Алканами називають насичені вуглеводні. У молекулах атоми мають одинарні зв'язку. Структура визначається формулою CnH2n+2. Розглянемо алкани: хімічні властивості, види, застосування.
Структура з'єднання
У структурі вуглецю є чотири орбіти, якими обертаються атоми. Орбіталі мають однакову форму, енергію.
Зверніть увагу!Кути між ними становлять 109 градусів та 28 хвилин, вони спрямовані на вершини тетраедра.
Простий вуглецевий зв'язок дозволяє алкановим молекулам вільно обертатися, внаслідок чого структури набувають різних форм, утворюючи вершини при атомах вуглецю.
Усі алканові сполуки поділяються на дві основні групи:
- Вуглеводні аліфатичної сполуки. Такі структури мають лінійну сполуку. Загальна формула має такий вигляд: CnH2n+2. Значення n дорівнює чи більше одиниці, означає кількість вуглецевих атомів.
- Циклоалкани циклічної структури. Хімічні властивості циклічних алканів значно від властивостей лінійних сполук. Формула циклоалканів певною мірою робить їх схожими з вуглеводнями, що мають потрійний атомний зв'язок, тобто з алкінами.
Види алканів
Існує кілька видів алканових сполук, кожній з яких має свою формулу, будову, хімічні властивості та алкільний замісник. Таблиця містить гомологічний ряд
Назва алканів
Загальна формула насичених вуглеводнів – CnH2n+2. Змінюючи значення n, одержують з'єднання з простим міжатомним зв'язком.
Корисне відео: алкани - будова молекул, фізичні властивості
Різновиди алканів, варіанти реакцій
У природних умовах алкани є хімічно інертними сполуками. Вуглеводні не реагують на контактування з концентратом азотної та сірчаної кислоти, лугом та перманганатом калію.
Одинарні молекулярні зв'язки визначають реакції, притаманні алканов. Алканові ланцюжки відрізняються неполярним і слабо поляризованим зв'язком. Вона трохи довша, ніж С-Н.
Загальна формула алканів
Реакція заміщення
Парафінові речовини вирізняються незначною хімічною активністю. Пояснюється це підвищеною міцністю ланцюгового зв'язку, який непросто розірвати. Для руйнування використовують гомологічний механізм, у якому беруть участь вільні радикали.
Для алканів природніші реакції заміщення. Вони не реагують на молекули води та заряджені іони. При заміщенні відбувається заміна водневих частинок галогеновими та іншими активними елементами. Серед подібних процесів виділяють галогенування, нітрування та сульфохлорування. Такі реакції використовують для утворення алканових похідних.
Вільнорадикальне заміщення відбувається у три основні етапи:
- Поява ланцюжка, на основі якого створюються вільні радикали. Як каталізаторів використовують нагрівання та ультрафіолетове світло.
- Розвиток ланцюжка, у структурі якого відбуваються взаємодії активних та неактивних частинок. Так формуються молекули та радикальні частки.
- На завершення ланцюжок обривається. Активні елементи створюють нові комбінації чи зовсім зникають. Ланцюгова реакція завершується.
Галогенування
Процес здійснюється за радикальним типом. Галогенування відбувається під впливом ультрафіолету та температурного нагріву вуглеводневої та галогенової суміші.
Весь процес відбувається за правилом Марковнікова. Суть його полягає в тому, що першим галогенуванням піддається атом водню, що належить гідрованому вуглецю. Процес починається з третинного атома та закінчується первинним вуглецем.
Сульфохлорування
Інша назва – реакція Ріда. Здійснюється вона шляхом вільнорадикального заміщення. Таким чином, алкани реагують на дію комбінації сірчаного діоксиду та хлору під впливом ультрафіолетового випромінювання.
Реакція починається з активізації ланцюгового механізму. У цей час із хлору виділяються два радикали. Дія одного спрямована на алкан, в результаті формується молекула хлорводню та алкільний елемент. Інший радикал з'єднується з діоксидом сірки, утворюючи складну комбінацію. Для рівноваги з іншого молекули відбирають один атом хлору. У результаті одержують сульфонілхлорид алкану. Цю речовину використовують для вироблення поверхнево-активних компонентів.
Сульфохлорування
Нітрування
Процес нітрування має на увазі з'єднання насичених вуглеців з газоподібним оксидом чотиривалентного азоту та азотною кислотою, доведеною до 10% розчину. Для протікання реакції потрібно низький рівень тиску і висока температура, приблизно 104 градуси. В результаті нітрування одержують нітроалкани.
Відщеплення
Через відділення атомів проводять реакції дегідрування. Молекулярна частка метану повністю розкладається під впливом температури.
Дегідрування
Якщо від вуглецевих грат парафіну (крім метану) відокремити атом водню, утворюються ненасичені сполуки. Ці реакції здійснюються за умов значних температурних режимів (400-600 градусів). Також використовують різні металеві каталізатори.
Одержання алканів відбувається шляхом проведення гідрування ненасичених вуглеводнів.
Процес розкладання
При впливі температур під час алканових реакцій можуть відбуватися розриви молекулярних зв'язків, виділення активних радикалів. Ці процеси відомі під назвою піроліз та крекінг.
При нагріванні реакційного компонента до 500 градусів молекули починають розкладатися, а на їх місці формуються складні радикальні алкільні суміші. Таким способом отримують алкани та алкени у промисловості.
Окислення
Це хімічні реакції, що базуються на віддачі електронів. Для парафінів характерне автоокислення. У процесі використовується окиснення насичених вуглеводнів вільними радикалами. Алканові сполуки в рідкому стані перетворюються на гідроперекис. Спочатку парафін входить у реакцію з киснем. Утворюються активні радикали. Потім відбувається реакція алкільної частинки із другою молекулою кисню. Формується перекисний радикал, який згодом взаємодіє з алкановою молекулою. В результаті процесу виділяється гідроперекис.
Реакція окиснення алканів
Застосування алканів
Вуглецеві сполуки мають широке застосування практично у всіх основних галузях людського життя. Деякі з видів сполук є незамінними для певних галузей виробництва та комфортного існування сучасної людини.
Газоподібні алкани – основа цінного палива. Головним компонентом більшості газів є метан.
Метан має здатність створювати та виділяти велику кількість тепла. Тому його у значних обсягах застосовують у промисловості, для споживання у побутових умовах. При змішуванні бутану та пропану одержують гарне побутове паливо.
Метан використовують при виробництві таких продуктів:
- метанол;
- розчинники;
- фреон;
- друкарська фарба;
- паливо;
- синтез-газ;
- ацетилен;
- формальдегід;
- мурашина кислота;
- пластмаса.
Застосування метану
Рідкі вуглеводні призначені для створення палива для двигунів та ракет, розчинників.
Вищі вуглеводні, де кількість атомів вуглецю перевищує 20, беруть участь у виробництві мастил, лакофарбової продукції, мила та миючих засобів.
Комбінація жирних вуглеводнів, у яких менше 15 атомів Н, є вазеліновим маслом. Ця несмачна прозора рідина застосовується у косметиці, у створенні парфумів, у медичних цілях.
Вазелін – результат з'єднання твердих та жирних алканів з кількістю атомів вуглецю менше 25. Речовина бере участь у створенні медичних мазей.
Парафін, отриманий в результаті комбінування твердих алканів, є безсмачною твердою масою, білого кольору і без аромату. З речовини виробляють свічки, що просочує субстанцію для пакувального паперу та сірників. Також парафін популярний при здійсненні теплових процедур у косметології та медицині.
Зверніть увагу!На основі алканових сумішей також роблять синтетичні волокна, пластмаси, миючу хімію та каучук.
Галогенопохідні алканові сполуки виконують функції розчинників, холодоагентів, а також основної речовини для подальшого синтезу.
Корисне відео: алкани - хімічні властивості
Висновок
Алкани є ациклічними вуглеводневими сполуками, що мають лінійну або розгалужену структуру. Між атомами встановлено одинарний зв'язок, який не піддається руйнуванню. Реакції алканів, що ґрунтуються на заміщенні молекул, властиві цьому виду сполук. Гомологічний ряд має загальну структурну формулу CnH2n+2. Вуглеводні відносяться до насиченого класу, оскільки містять максимально допустиму кількість атомів водню.
Вконтакте
ВИЗНАЧЕННЯ
Алканаминазиваються насичені вуглеводні, молекули яких складаються з атомів вуглецю та водню, пов'язаних між собою лише σ-зв'язками.
У звичайних умовах (при 25 o З та атмосферному тиску) перші чотири члени гомологічного ряду алканів (C 1 - C 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану (З 5 - З 17) - рідини, починаючи з 18 і вище - тверді речовини. У міру збільшення відносної молекулярної маси зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани. Будова молекули алканів з прикладу метану наведено на рис. 1.
Мал. 1. Будова молекули метану.
Алкани мало розчинні у питній воді, оскільки їх молекули малополярны і взаємодіють із молекулами води. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним. Вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан, діетиловий ефір та ін.
Отримання алканів
Основні джерела різних граничних вуглеводнів, що містять до 40 атомів вуглецю, - нафта та природний газ. Алкани з невеликим числом атомів вуглецю (1 - 10) можна виділити фракційною перегонкою газу або бензинової фракції нафти.
Розрізняють промислові (I) та лабораторні (II) способи отримання алканів.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 – 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
- гідрування ненасичених вуглеводнів
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
- Відновлення галогеналканів
C 2 H 5 I + HI →C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- Реакції лужного плавлення солей одноосновних органічних кислот
C 2 H 5 -COONa + NaOH→ C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- Взаємодія галогеналканів з металевим натрієм (реакція Вюрца)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
- Електроліз солей одноосновних органічних кислот
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O→H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2 ;
К(-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - ;
A(+):2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Хімічні властивості алканів
Алкани відносяться до найменш реакційноздатних органічних сполук, що пояснюється їх будовою.
Алкани у звичайних умовах не реагують з концентрованими кислотами, розплавленими та концентрованими лугами, лужними металами, галогенами (крім фтору), перманганатом калію та дихроматом калію в кислому середовищі.
Для алканів найбільш характерними є реакції, що протікають за радикальним механізмом. Енергетично вигідніший гомолітичний розрив зв'язків C-H і C-C, ніж їх гетеролітичний розрив.
Реакції радикального заміщення найбільше легко протікають по третинному, дплее - по вторинному і в останню чергу по первинному атому вуглецю.
Усі хімічні перетворення алканів протікають із розщепленням:
1) зв'язків C-H
- Галогенування (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- Нітрування (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (dilute) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
- сульфохлорування (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- Дегідрування
CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
- Дегідроциклізація
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3 , t 0).
2) зв'язків C-H та C-C
- Ізомеризація (внутрішньомолекулярне перегрупування)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3 , t 0).
- Окислення
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0 p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5)O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Застосування алканів
Алкани знайшли застосування у різних галузях промисловості. Розглянемо докладніше, з прикладу деяких представників гомологічного ряду, і навіть сумішей алканов.
Метан становить сировинну основу найважливіших хімічних промислових процесів одержання вуглецю та водню, ацетилену, кисневмісних органічних сполук - спиртів, альдегідів, кислот. Пропан застосовується як автомобільне паливо. Бутан використовується для отримання бутадієну, що є сировиною для синтетичного каучуку.
Суміш рідких і твердих алканів до 25 , звана вазеліном застосовується в медицині як основа мазей. Суміш твердих алканів З 18 - З 25 (парафін) застосовується для просочення різних матеріалів (папір, тканини, деревина) надання їм гідрофобних властивостей, тобто. незмочування водою. У медицині використовується для фізіотерапевтичних процедур (парафінолікування).
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | При хлоруванні метану отримано 1,54 г сполуки, щільність пари повітря якої дорівнює 5,31. Розрахуйте масу діоксиду марганцю MnO 2 , яка буде потрібна для отримання хлору, якщо співвідношення обсягів метану і хлору, введених у реакцію, дорівнює 1:2. |
| Рішення | Відношення маси даного газу до маси іншого газу, взятого в тому ж обсязі, при тій же температурі і тому ж тиску, називається відносною щільністю першого газу по другому. Ця величина показує, у скільки разів перший газ важчий або легший за другий газ. Відносну молекулярну масу повітря приймають рівною 29 (з урахуванням вмісту в повітрі азоту, кисню та інших газів). Слід зазначити, що поняття «відносна молекулярна маса повітря» використовується умовно, оскільки повітря це суміш газів. Знайдемо молярну масу газу, що утворюється при хлоруванні метану: M gas = 29 × D Air (gas) = 29 × 5,31 = 154 г/моль. Це тетрахлорметан - CCl 4 . Запишемо рівняння реакції та розставимо стехіометричні коефіцієнти: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. Розрахуємо кількість речовини тетрахлорметану: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54/154 = 0,01 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, отже n(CH 4) = n(CCl 4) = 0,01 моль. Тоді, кількість речовини хлору має дорівнювати n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), тобто. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 моль. Запишемо рівняння реакції одержання хлору: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Число моль діоксиду марганцю дорівнює 0,08 моль, т.к. n(Cl 2) :n(MnO 2) = 1: 1. Знайдемо масу діоксиду марганцю: m(MnO 2) = n(MnO 2) ×M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 г/моль; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 р. |
| Відповідь | Маса діоксиду марганцю дорівнює 104 г. |
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Встановіть молекулярну формулу трихлоралкану, масова частка хлору, в якому становить 72,20%. Складіть структурні формули всіх можливих ізомерів та дайте назви речовин за замісною номенклатурою ІЮПАК. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Відповідь | Запишемо загальну формулу трихлоралкеану: C n H 2 n -1 Cl 3 . За формулою ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100% розрахуємо молекулярну масу трихлоралкану: Mr(C n H 2 n -1 Cl 3 ) = 3×35,5/72,20×100% = 147,5. Знайдемо значення n: 12n + 2n - 1 + 35,5 3 = 147,5; Отже, формула трихлоралкану C 3 H 5 Cl 3 . Складемо структурні формули ізомерів: 1,2,3-трихлорпропан (1), 1,1,2-трихлорпропан (2), 1,1,3-трихлорпропан (3), 1,1,1-трихлорпропан (4) та 1 ,2,2-трихлорпропан (5). CH 2 Cl-CHCl-CH 2 Cl (1); CHCl 2 -CHCl-CH 3 (2); CHCl 2 -CH 2 -CH 2 Cl (3); CCl 3 -CH 2 -CH 3 (4); Граничними вуглеводнями, або парафінами, називаються такі біосполуки, в молекулах яких атоми вуглецю з'єднані простим (одинарним) зв'язком, а всі інші одиниці валентності насичені атомами водню. Алкани: фізичні властивості Відщеплення водню від молекули алкану, або дегідрування, у присутності каталізаторів та при нагріванні (до 460 °С) дозволяє отримати необхідні алкени. Розроблено методи окислення алканів за невисоких температур у присутності каталізаторів (солей магнію). Це дозволяє спрямовано впливати перебіг реакції і одержувати необхідні продукти окислення у процесі хімічного синтезу. Наприклад, при окисленні вищих алканів одержують різноманітні вищі спирти чи вищі жирні кислоти. Розщеплення алканів також відбувається в інших умовах (горіння, крекінг). Насичені вуглеводні горять синім полум'ям із виділенням величезної кількості тепла. Ці властивості дозволяють використовувати їх як висококалорійне паливо як у побуті, так і в промисловості. Фізичні властивості. У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (1 - 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану ( C 5 - C 17 ) - рідини, починаючи з 18 і вище - тверді речовини. Принаймні збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто. зі зростанням відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани. Алканипрактично нерозчинні у воді, тому що їх молекули малополярні і не взаємодіють з молекулами води, вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан та ін. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним. Основні природні джерела алканів - нафта та природний газ. Різні фракції нафти містять алкани від C 5 H 12 до 30 Н 62 . Природний газ складається з метану (95%) з домішкою етану та пропану. З синтетичних методів отриманняалканівможна виділити такі: 1 . Одержання з ненасичених вуглеводнів. Взаємодія алкенів або алкінів з воднем ("гідрування") відбувається у присутності металевих каталізаторів (Ni, Pd ) при СН з - C ≡СН+ 2Н2 → СН3-СН2-СН3. 2 . Отримання з галогенпровідних. При нагріванні моногалогензаміщених алканів з металевим натрієм одержують алкани з подвоєним числом атомів вуглецю (реакція Вюрца): З 2 Н 5 Br + 2 Na + Br - C 2 H 5 → C 2 H 5 - C 2 H 5 + 2 NaBr. Подібну реакцію не проводять із двома різними галогензаміщенимиалканами, оскільки при цьому виходить суміш трьох різних алканів 3 . Одержання із солей карбонових кислот. При сплавленні безводних солей карбонових кислот з лугами виходять алкани, що містять на один атом вуглецю менше порівняно з вуглецевим ланцюгом вихідних карбонових кислот: 4. Отримання метану. В електричній дузі, що горить в атмосфері водню, утворюється значна кількість метану: С + 2Н 2 → СН 4 . Така сама реакція йде при нагріванні вуглецю в атмосфері водню до 400-500 ° С при підвищеному тиску в присутності каталізатора. У лабораторних умовах метан часто одержують з карбіду алюмінію: А l 4 З 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4А l (ВІН) 3 . Хімічні властивості. У звичайних умовах алкани хімічно інертні. Вони стійкі до дії багатьох реагентів: не взаємодіють із концентрованими сірчаною та азотною кислотами, з концентрованими та розплавленими лугами, не окислюються сильними окислювачами – перманганатом калію.KMnПро 4 і т.п. Хімічна стійкість алканів пояснюється високою міцністюs -зв'язків С-С та С-Н, а також їх неполярністю. Неполярні зв'язки С-С і С-Н в алканах не схильні до іонного розриву, але здатні гомолітично розщеплюватися під дією активних вільних радикалів. Тому для алканів характерні радикальні реакції, у яких виходять сполуки, де атоми водню заміщені інші атоми чи групи атомів. Отже, алкани вступають у реакції, що протікають за механізмом радикального заміщення, що позначається символом S R ( від англ. substitution radicalic). За цим механізмом найлегше заміщаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю. 1. Галогенування. При взаємодії алканів з галогенами (хлором та бромом) під дією УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно- до полігалогензаміщенихалканів. Загальна схема цієї реакції показана на прикладі метану: б) Зростання ланцюга. Радикал хлору забирає у молекули алкану атом водню: Cl· + СН 4 →НС/>l + СН 3 · При цьому утворюється алкільний радикал, який забирає атом хлору у молекули хлору: СН 3 · + С l 2 →СН 3 С l + С l· Ці реакції повторюються доти, доки відбудеться обрив ланцюга за однією з реакцій: Cl· + Cl· → С l/> 2 , СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6 , СН 3 · + Cl· → СН 3 С l · Сумарне рівняння реакції:
Утворений хлорметан може піддаватися подальшому хлоруванню, даючи суміш продуктів CH 2 Cl 2 CHCl 3 СС l 4 за схемою (*). Розвиток теорії ланцюгових вільнорадикальнихреакцій був із ім'ям видатного російського вченого, лауреата Нобелівської премії Н.І. Семенова (1896-1986). 2. Нітрування (реакція Коновалова). При дії розведеної азотної кислоти на алкани при 140°З невеликому тиску протікає радикальна реакція: При радикальних реакціях (галогенування, нітрування) насамперед замішаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.Це пояснюється тим, що найлегше гомолітично розривається зв'язок третинного атома вуглецю з воднем (енергія зв'язку 376 кДж/моль), потім - вторинного (390 кДж/моль) і тільки потім - первинного (415 кДж/моль). 3. Ізомеризація. Нормальні алкани за певних умов можуть перетворюватися на алкани з розгалуженим ланцюгом:/> 4. Крекінг - це гемолітичний розрив зв'язків С-С, який протікає при нагріванні та під дією каталізаторів. C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + С 4 Н 8 ,/> 2СН 4 → С 2 Н 2 + ДТ 2 , С2Н6 → С2Н2 + 2Н2. Ці реакції мають велике промислове значення. Таким шляхом висококиплячі фракції нафти (мазут) перетворюють на бензин, гас та інші цінні продукти. 5. Окислення. При м'якому окисненні метану киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота:
М'яке каталітичне окислення бутану киснем повітря - один із промислових способів одержання оцтової кислоти: t°
На повітрі алканизгоряють до 2 і Н 2 О:/> З n Н 2 n +2 + (З n+1)/2О 2 = n СО 2 + (n +1) Н2О. Найпростішими органічними сполуками є вуглеводні, що складаються з вуглецю та водню. Залежно від характеру хімічних зв'язків у вуглеводнях та співвідношення між вуглецем і воднем вони поділяються на граничні та ненасичені (алкени, алкіни та ін.) ГраничнимиВуглеводнями (алканами, вуглеводнями метанового ряду) називаються сполуки вуглецю з воднем, в молекулах яких кожен атом вуглецю витрачає на з'єднання з будь-яким іншим сусіднім атомом не більше однієї валентності, причому всі не витрачені на з'єднання з вуглецем валентності насичені воднем. Усі атоми вуглецю в алканах перебувають у sp 3 - стані. Граничні вуглеводні утворюють гомологічний ряд, що характеризується загальною формулою З n Н 2n+2. Родоначальником цього є метан. Ізомерія. Номенклатура. Алкани з n=1,2,3 можуть існувати лише як одного ізомеру Починаючи з n=4, з'являється структурної ізомерії.
Число структурних ізомерів алканів швидко зростає зі збільшенням числа вуглецевих атомів, наприклад, пентан має 3 ізомери, гептан - 9 і т.д. Число ізомерів алканів збільшується і за рахунок можливих стереоізомерів. Починаючи з C 7 Н 16 можливе існування хіральних молекул, які утворюють два енантіомери. Номенклатура алканів. Домінантною номенклатурою є номенклатура IUPAC. У той же час у ній присутні елементи тривіальних назв. Так, перші чотири члени гомологічного ряду алканів мають тривіальні назви. СН 4 – метан З 2 Н 6 - етан З 3 Н 8 - пропан З 4 Н 10 – бутан. Назви решти гомологів утворені від грецьких латинських числівників. Так, для наступних членів ряду нормальної (нерозгалуженої) будівлі використовуються назви: З 5 Н 12 - пентан, З 6 Н 14 - гексан, З 7 Н 18 - гептан, З 14 Н 30 - тетрадекан, З 15 Н 32 - пентадекан і т.д. Основні правила IUPAC для розгалужених алканів а) вибирають найбільш довгий нерозгалужений ланцюг, назва якого становить основу (корінь). До цієї основи додають суфікс "ан" б) нумерують цей ланцюг за принципом найменших локантів, в) заступник зазначають у вигляді префіксів в алфавітному порядку із зазначенням місця знаходження. Якщо при родоначальній структурі перебувають кілька однакових заступників, їх кількість вказують грецькими числівниками. Залежно від числа інших вуглецевих атомів, з якими безпосередньо пов'язаний вуглецевий атом, розрізняють: первинні, вторинні, третинні і четвертинні вуглецеві атоми.
Як замісники у розгалужених алканах фігурують алкільні групи або алкільні радикали, які розглядаються як результат відщеплення від молекули алкану одного водневого атома. Назву алкільних груп утворюють від назви відповідних алканів шляхом заміни останніх суфіксу "ан" на суфікс "мул". СН 3 - метил СН 3 СН 2 - етил СН 3 СН 2 СН 2 - пропив
Для назви розгалужених алкільних груп використовують також нумерацію ланцюга:
Починаючи з етану, алкани здатні утворювати конформери, яким відповідає загальмована конформація. Можливість переходу однієї загальмованої конформації в іншу через заслонений визначається бар'єром обертання. Визначення структури, складу конформерів та бар'єрів обертання є завданнями конформаційного аналізу. Методи одержання алканів. 1. Фракційна перегонка газу чи бензинової фракції нафти.У такий спосіб можна виділяти індивідуальні алкани до 11 вуглецевих атомів. 2. Гідрування вугілля.Процес проводять у присутності каталізаторів (оксиди та сульфіди молібдену, вольфраму, нікелю) при 450-470 про З та тисках до 30 Мпа. Вугілля та каталізатор розтирають у порошок і в суспензованому вигляді гідрують, борботуючи водень через суспензію. Отримані суміші алканів і циклоалканів використовують як моторне паливо. 3. Гідрування СО та СО 2 . СО + Н 2 алкани СО 2 + Н 2 алкани Як каталізаторів цих реакцій використовують З, Fe, та ін. d - елементи. 4.Гідрування алкенів та алкінів.
5.Металоорганічний синтез. а). Синтез Вюрца. 2RHal + 2Na R R + 2NaHal Цей синтез малопридатний, якщо в якості органічних реагентів використовують два різні галогеналкани. б). Протоліз реактивів Гриньяра. R Hal + Mg RMgHal RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal в). Взаємодія діалкілкупратів літію (LiR 2 Cu) з алкілгалогенідами LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX Самі діалкілкупрати літію отримують двостадійним способом. 2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI 6. Електроліз солей карбонових кислот (синтез Кольбе). 2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Сплавлення солей карбонових кислот із лугами. Реакція використовується для синтезу нижчих алканів. 8.Гідрогеноз карбонільних сполук і галогеналканів. а). Карбонільні сполуки. Синтез Клемменс.
б). Галогеналкани. Каталітичний гідрогеноліз.
Як каталізаторів використовують Ni, Pt, Pd. в) галогеналкани. Реагентне відновлення. RHal + 2HI RH + HHal + I 2 Хімічні властивості алканів. Всі зв'язки в алканах малополярні, тому для них характерні радикальні реакції.
Механіз реакції галогенування: Галогенування Галогенування алканів протікає за радикальним механізмом. Для ініціювання реакції необхідно суміш алкану та галогену опромінити УФ-світлом або нагріти. Хлорування метану не зупиняється на стадії отримання метилхлориду (якщо взято еквімолярні кількості хлору та метану), а призводить до утворення всіх можливих продуктів заміщення, від метилхлориду до тетрахлорвуглецю. Хлорування інших алканів призводить до суміші продуктів заміщення водню у різних атомів вуглецю. Співвідношення продуктів хлорування залежить від температури. Швидкість хлорування первинних, вторинних і третинних атомів залежить від температури, при низькій температурі швидкість зменшується в ряду: третинний, вторинний, первинний. При підвищенні температури різниця між швидкостями зменшується до того часу, поки стає однаковою. Крім кінетичного фактора на розподіл продуктів хлорування впливає статистичний фактор: ймовірність атаки хлором третинного атома вуглецю в 3 рази менше, ніж первинного та вдвічі менше ніж вторинного. Таким чином, хлорування алканів є нестереоселективною реакцією, виключаючи випадки, коли можливий тільки один продукт монохлорування. Галогенування – це одна з реакцій заміщення. Галогенування алканів підпорядковується правилу Марковника (Правила Марковникова) - насамперед галогенується найменш гидрированный атом вуглецю. Галогенування алканів проходить поетапно – за один етап галогенується не більше одного атома водню. 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). Під дією світла молекула хлору розпадається на атоми, потім вони атакують молекули метану, відриваючи в них атом водню, внаслідок цього утворюються метильні радикали СН 3 які стикаються з молекулами хлору, руйнуючи їх і утворюючи нові радикали. Нітрування (Реакція Коновалова) Алкани реагують з 10% розчином азотної кислоти або оксидом азоту N 2 O 4 в газовій фазі при температурі 140° та невеликому тиску з утворенням нітропохідних. Реакція також підпорядковується правилу Марковникова. RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O тобто один з атомів водню замінюється на залишок NO 2 (нітрогрупа) і виділяється вода. Особливості будови ізомерів сильно відбиваються на протязі цієї реакції, оскільки найлегше вона веде до заміщення на нітрогрупу атома водню в залишку СІ (є лише в деяких ізомерах), менш легко заміщається водень у групі СН 2 і ще важче - в залишку СН 3 . Парафіни досить легко нітруються в газовій фазі при 150-475 ° З двоокисом азоту або парами азотної кислоти; при цьому відбувається частково в. окиснення. Нітруванням метану виходить майже виключно нітрометан: Усі наявні дані вказують на вільнорадикальний механізм. Внаслідок реакції утворюються суміші продуктів. Азотна кислота при звичайній температурі майже не діє парафінові вуглеводні. При нагріванні діє головним чином як окислювач. Однак, як знайшов М. І. Коновалов (1889), при нагріванні азотна кислота діє частково і «нітруючим» чином; особливо добре йде реакція нітрування зі слабкою азотною кислотою при нагріванні та підвищеному тиску. Реакція нітрування виражається рівнянням. Наступні за метаном гомологи дають суміш різних нітропарафінів внаслідок супутнього розщеплення. При нітруванні етану утворюються нітроетан СН 3 -СН 2 -NO 2 і нітрометан СН 3 -NO 2 . З пропану утворюється суміш нітропарафінів: Нітрування парафінів у газовій фазі тепер здійснюється у промисловому масштабі. Сульфахлорування: Важливою у практичному відношенні реакцією є сульфохлорування алканів. При взаємодії алкану з хлором та сірчистим ангідридом при опроміненні відбувається заміщення водню на хлорсульфонільну групу:
Стадії цієї реакції: Cl+R:H→R+HCl R +SO 2 →RSO 2 RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl Алкансульфохлориди легко гідролізуються до алкансульфоксилост (RSO 2 OH), натрієві солі яких (RSO 3 Na + - алкансульфонат натрію) виявляють властивості, подібні до милам, і застосовуються як детерагенти. Більше інформації на тему
|
