Алканите имат всички формули. Структурна изомерия на алкани. Примери за решаване на проблеми
Ацикличните въглеводороди се наричат алкани. Има общо 390 алкани. Нонаконтатриктанът има най-дълга структура (C 390 H 782). Халогените могат да се прикрепят към въглеродни атоми, за да образуват халоалкани.
Структура и номенклатура
По дефиниция алканите са наситени или наситени въглеводороди, които имат линейна или разклонена структура. Наричат се още парафини. Молекулите на алканите съдържат само единични ковалентни връзки между въглеродните атоми. Обща формула -
За да назовете вещество, трябва да следвате правилата. Според международната номенклатура имената се образуват с помощта на наставката -an. Имената на първите четири алкани са формирани исторически. Започвайки от петия представител, имената са съставени от префикс, указващ броя на въглеродните атоми, и наставката -an. Например окта (осем) образува октан.
За разклонените вериги имената се добавят заедно:
- от числата, показващи броя на въглеродните атоми, близо до които са разположени радикалите;
- от името на радикали;
- от името на главната верига.
Пример: 4-метилпропан - четвъртият въглероден атом в пропановата верига има радикал (метил).
Ориз. 1. Структурни формули с имената на алкани.
Всеки десети алкан дава името на следващите девет алкана. След декана идват ундекан, додекан и след това след ейкозан - хенейкозан, докозан, трикозан и др.
Хомоложни серии
Първият представител е метанът, поради което алканите се наричат още хомоложна серия на метана. Таблицата на алканите показва първите 20 представителя.
|
Име |
Формула |
Име |
Формула |
|
Тридекан |
|||
|
Тетрадекан |
|||
|
Пентадекан |
|||
|
хексадекан |
|||
|
Хептадекан |
|||
|
Октадекан |
|||
|
Нанадекан |
|||
Започвайки с бутан, всички алкани имат структурни изомери. Името се добавя с префикс изо-: изобутан, изопентан, изохексан.
Ориз. 2. Примери за изомери.
Физични свойства
Състоянието на агрегация на веществата се променя в списъка на хомолозите отгоре надолу. Колкото повече въглеродни атоми съдържа и съответно колкото по-голямо е молекулното тегло на съединенията, толкова по-висока е точката на кипене и по-твърдо е веществото.
Останалите вещества, съдържащи повече от 15 въглеродни атома, са в твърдо състояние.
Газообразните алкани горят със син или безцветен пламък.
Касова бележка
Алканите, подобно на други класове въглеводороди, се получават от нефт, газ и въглища. За това се използват лабораторни и индустриални методи:
- газификация на твърдо гориво:
C + 2H 2 → CH 4;
- хидрогениране на въглероден оксид (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;
- хидролиза на алуминиев карбид:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH 4;
- реакция на алуминиев карбид със силни киселини:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
- редукция на халоалкани (реакция на заместване):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
- хидрогениране на халоалкани:
CH3Cl + H2 → CH4 + HCl;
- сливане на соли на оцетна киселина с основи (реакция на Дюма):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Алканите могат да се получат чрез хидрогениране на алкени и алкини в присъствието на катализатор - платина, никел, паладий.
Химични свойства
Алканите реагират с неорганични вещества:
- изгаряне:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
- халогениране:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
- нитриране (реакция на Коновалов):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
- присъединяване:
Един от първите видове химични съединения, изучавани в училищна програмав органичната химия са алкани. Те принадлежат към групата на наситените (известни още като алифатни) въглеводороди. Молекулите им съдържат само единични облигации. Въглеродните атоми се характеризират с sp³ хибридизация.
Хомолозите се наричат химически веществакой има общи свойстваи химична структура, но се различават по една или повече СН2 групи.
В случай на метан CH4 може да се даде обща формула за алкани: CnH (2n+2), където n е броят на въглеродните атоми в съединението.
Ето таблица с алкани, в които n е в диапазона от 1 до 10.
Изомерия на алкани
Изомерите са тези вещества, чиято молекулна формула е една и съща, но чиято структура или структура е различна.
Класът на алканите се характеризира с 2 вида изомерия: въглероден скелет и оптична изомерия.
Нека дадем пример за структурен изомер (т.е. вещество, което се различава само по структурата на въглеродния скелет) за бутан C4H10.
Оптичните изомери са две вещества, чиито молекули имат подобна структура, но не могат да се комбинират в пространството. Феноменът на оптична или огледална изомерия се среща в алкани, като се започне с хептан C7H16.
За да дадете правилното име на алкана, Трябва да се използва номенклатурата на IUPAC. За да направите това, използвайте следната последователност от действия:
Използвайки горния план, ще се опитаме да назовем следващия алкан.
При нормални условия неразклонените алкани от CH4 до C4H10 са газообразни вещества, от C5H12 до C13H28 са течни и имат специфична миризма, всички следващи са твърди. Оказва се, че С увеличаване на дължината на въглеродната верига се повишават точките на кипене и топене. Колкото по-разклонена е структурата на алкана, толкова по-ниска е температурата, при която той кипи и се топи.
Газообразните алкани нямат цвят. Освен това всички представители на този клас не могат да се разтварят във вода.
Алкани, имащи агрегатно състояниегаз, може да изгори, а пламъкът ще бъде или безцветен, или ще има бледосин оттенък.
Химични свойства
При нормални условия алканите са доста неактивни. Това се обяснява със силата на σ връзките между C-C атомии C-H. Следователно е необходимо да се осигурят специални условия (например сравнително висока температура или светлина), за да се извърши химическа реакциястана възможно.
Реакции на заместване
Реакциите от този тип включват халогениране и нитриране. Халогенирането (реакция с Cl2 или Br2) възниква при нагряване или излагане на светлина. По време на реакцията, която протича последователно, се образуват халоалкани.
Като пример можем да запишем реакцията на хлориране на етан.
Бромирането ще протече по подобен начин.
Нитрирането е реакция със слаб (10%) разтвор на HNO3 или с азотен оксид (IV) NO2. Условията за провеждане на реакциите са температура 140 °C и налягане.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
В резултат на това се образуват два продукта - вода и аминокиселина.
Реакции на разлагане
При провеждане на реакции на разлагане винаги са необходими високи температури. Това е необходимо за прекъсване на връзките между въглеродните и водородните атоми.
И така, при напукване ще е необходима температура в диапазона от 700 до 1000 °C. По време на реакцията -C-C- връзките се разрушават, образуват се нов алкан и алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Изключение прави крекингът на метан и етан. В резултат на тези реакции се отделя водород и се образува алкин ацетилен. Предпоставка е загряване до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Ако надвишите температурата от 1000 °C, можете да постигнете пиролиза с пълно разкъсване на връзките в съединението:
По време на пиролизата на пропила се получава въглерод С и също се освобождава водород Н2.
Реакции на дехидрогениране
Дехидрогенирането (отстраняването на водорода) протича по различен начин за различните алкани. Условията на реакцията са температура от 400 до 600 °C, както и наличието на катализатор, който може да бъде никел или платина.
Алкенът се образува от съединение с 2 или 3 С атома в неговия въглероден скелет:
C2H6 = C2H4 + H2.
Ако във веригата на една молекула има 4-5 въглеродни атома, тогава след дехидрогениране ще получите алкадиен и водород.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Започвайки с хексан, реакцията произвежда бензен или негови производни.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Също така си струва да се спомене реакцията на преобразуване, проведена за метан при температура от 800 °C и в присъствието на никел:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Превръщането не е типично за други алкани.
Окисляване и горене
Ако алкан, нагрят до температура не по-висока от 200 ° C, реагира с кислород в присъствието на катализатор, тогава, в зависимост от други условия на реакция, получените продукти ще се различават: те могат да бъдат представители на класовете алдехиди, карбоксилни киселини, алкохоли или кетони.
Кога пълно окислениеалканът изгаря до крайните продукти - вода и CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Ако по време на окисляването количеството кислород е недостатъчно, крайният продукт вместо това въглероден двуокисще стане въглища или CO.
Провеждане на изомеризация
Ако осигурите температура от около 100-200 градуса, става възможна реакция на пренареждане за неразклонени алкани. Втората предпоставка за изомеризация е наличието на AlCl3 катализатор. В този случай структурата на молекулите на веществото се променя и се образува неговият изомер.
Значително делът на алканите се получава чрез изолирането им от естествени суровини. Най-често се преработва природен газ, чийто основен компонент е метан, или петролът се подлага на крекинг и ректификация.
Трябва също да запомните химичните свойства на алкените. В 10. клас един от първите лабораторни методи, изучавани в уроците по химия, е хидрогенирането на ненаситени въглеводороди.
C3H6 + H2 = C3H8
Например, в резултат на добавянето на водород към пропилена се получава един продукт - пропан.
Използвайки реакцията на Wurtz, алканите се получават от монохалоалкани, в структурната верига на които броят на въглеродните атоми се удвоява:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Друг метод за получаване е взаимодействието на сол на карбоксилна киселина с алкали при нагряване:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Освен това метанът понякога се получава в електрическа дъга (C + 2H2 = CH4) или чрез реакция на алуминиев карбид с вода:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Алканите се използват широко в промишлеността като евтини горива. Те се използват и като суровини за синтеза на др органична материя. За тази цел обикновено се използва метанът, който е необходим за синтезния газ. Някои други наситени въглеводороди се използват за производство на синтетични мазнини, а също и като основа за смазки.
За по-добро разбиране на темата „Алкани“ е създаден повече от един видео урок, в който подробно се разглеждат теми като структурата на материята, изомерите и номенклатурата, както и се показват механизмите на химичните реакции.
Алканите са наситени въглеводороди, в молекулите на които всички въглеродни атоми са заети чрез прости връзки от водородни атоми. Следователно хомолозите от серията метан се характеризират със структурна изомерия на алкани.
Изомерия на въглеродния скелет
Хомолозите с четири или повече въглеродни атома се характеризират със структурен изомеризъм, дължащ се на промени във въглеродния скелет. Метиловите групи -СН2 могат да се прикрепят към всеки въглерод от веригата, образувайки нови вещества. Колкото повече въглеродни атоми във веригата, толкова повече изомери хомолози могат да образуват. Теоретичният брой хомолози се изчислява математически.
Ориз. 1. Приблизителен брой изомери на хомолози на метан.
В допълнение към метиловите групи, дългите въглеродни вериги могат да бъдат прикрепени към въглеродни атоми, образувайки сложни разклонени вещества.
Примери за изомерия на алкани:
- нормален бутан или n-бутан (CH3-CH2-CH2-CH3) и 2-метилпропан (CH3-CH(CH3)-CH3);
- n-пентан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилбутан (CH3-CH2-CH(CH3)-CH3), 2,2-диметилпропан (CH3-C (CH3)2-CH3);
- n-хексан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилпентан (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-метилпентан ( CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3), 2,3-диметилбутан (CH 3 -CH(CH 3)-CH(CH 3)-CH 3), 2,2-диметилбутан ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Ориз. 2. Примери за структурни изомери.
Разклонените изомери се различават от линейните молекули по физични свойства. Разклонените алкани се топят и кипят при по-ниски температури от техните линейни двойници.
Номенклатура
Международната номенклатура на IUPAC е установила правила за именуване на разклонени вериги. За да назовем структурен изомер:
- намерете най-дългата верига и я назовете;
- номерирайте въглеродните атоми, като започнете от края с най-много заместители;
- посочете броя на еднаквите заместители, като използвате цифрови префикси;
- дайте имена на заместниците.
Името се състои от четири части, следващи една след друга:
- числа, обозначаващи атомите на веригата, които имат заместители;
- цифрови префикси;
- име на заместника;
- име на главната верига.
Например в молекулата CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 основната верига има пет въглеродни атома. Значи това е пентан. Десният край има повече разклонения, така че номерирането на атомите започва от тук. В този случай вторият атом има два еднакви заместителя, което също се отразява в името. Оказва се, че това вещество се нарича 2,2,4-триметилпентан.
Различните заместители (метил, етил, пропил) са изброени в името по азбучен ред: 4,4-диметил-3-етилхептан, 3-метил-3-етилоктан.
Обикновено се използват цифрови префикси от две до четири: ди- (две), три- (три), тетра- (четири).
Какво научихме?
Алканите се характеризират със структурна изомерия. Структурните изомери са характерни за всички хомолози, като се започне от бутана. При структурната изомерия заместителите се свързват с въглеродни атоми във въглеродната верига, образувайки сложни разклонени вериги. Името на изомера се състои от имената на основната верига, заместителите, словесното обозначение на броя на заместителите и цифровото обозначение на въглеродните атоми, към които са прикрепени заместителите.
Най-простите органични съединения са въглеводороди, състоящ се от въглерод и водород. В зависимост от характера на химичните връзки във въглеводородите и съотношението между въглерод и водород те се разделят на наситени и ненаситени (алкени, алкини и др.)
Лимитвъглеводороди (алкани, метанови въглеводороди) са съединения на въглерод с водород, в молекулите на които всеки въглероден атом изразходва не повече от една валентност за свързване с всеки друг съседен атом, а всички валенции, които не са изразходвани за свързване с въглерод, са наситени с водород. Всички въглеродни атоми в алканите са в състояние sp3. Наситените въглеводороди образуват хомоложна серия, характеризираща се с общата формула СЪС н н 2n+2. Предшественикът на тази серия е метан.
Изомерия. Номенклатура.
Алканите с n=1,2,3 могат да съществуват само като един изомер
Започвайки от n=4, се появява явлението структурна изомерия.
Броят на структурните изомери на алканите нараства бързо с увеличаване на броя на въглеродните атоми, например пентанът има 3 изомера, хептанът има 9 и т.н.
Броят на изомерите на алканите също се увеличава поради възможни стереоизомери. Започвайки от C 7 H 16 е възможно съществуването на хирални молекули, които образуват два енантиомера.
Номенклатура на алкани.
Доминиращата номенклатура е номенклатурата на IUPAC. В същото време съдържа елементи от тривиални имена. По този начин първите четири члена на хомоложната серия от алкани имат тривиални имена.
CH 4 - метан
C 2 H 6 - етан
C 3 H 8 - пропан
C 4 H 10 - бутан.
Имената на останалите хомолози произлизат от гръцки латински цифри. По този начин за следните членове на серия с нормална (неразклонена) структура се използват имената:
C 5 H 12 - пентан, C 6 H 14 - хексан, C 7 H 18 - хептан,
C 14 H 30 - тетрадекан, C 15 H 32 - пентадекан и др.
Основни правила на IUPAC за разклонени алкани
а) изберете най-дългата неразклонена верига, чието име образува основата (корена). Наставката „an“ се добавя към тази основа.
б) номерирайте тази верига според принципа на най-малките локанти,
в) заместителят е посочен под формата на префикси в азбучен ред, показващ местоположението. Ако има няколко идентични заместители в оригиналната структура, тогава техният брой се обозначава с гръцки цифри.
В зависимост от броя на другите въглеродни атоми, към които въпросният въглероден атом е директно свързан, има първични, вторични, третични и кватернерни въглеродни атоми.
Алкилови групи или алкилови радикали се появяват като заместители в разклонени алкани, които се считат за резултат от елиминирането на един водороден атом от молекулата на алкана.
Името на алкиловите групи се формира от името на съответните алкани чрез замяна на последния суфикс "ан" с наставката "ил".
СН3 - метил
CH 3 CH 2 - етил
CH 3 CH 2 CH 2 - рязане
За назоваване на разклонени алкилови групи също се използва номериране на вериги:
Започвайки от етан, алканите са способни да образуват конформери, които съответстват на инхибирана конформация. Възможността за преход от една инхибирана конформация към друга чрез затъмнена се определя от ротационната бариера. Определянето на структурата, състава на конформерите и ротационните бариери са задачи на конформационния анализ. Методи за получаване на алкани.
1. Фракционна дестилация природен газили бензинова фракция от масло.По този начин могат да бъдат изолирани отделни алкани до 11 въглеродни атома.
2. Хидрогениране на въглища.Процесът се провежда в присъствието на катализатори (оксиди и сулфиди на молибден, волфрам, никел) при 450-470 o C и налягане до 30 MPa. Въглищата и катализаторът се смилат на прах и се хидрогенират в суспендирана форма, водородно бориране през суспензията. Получените смеси от алкани и циклоалкани се използват като моторно гориво.
3. Хидрогениране на CO и CO 2 .
CO + H 2 алкани
CO 2 + H 2 алкани
Co, Fe и други d-елементи се използват като катализатори за тези реакции.
4.Хидрогениране на алкени и алкини.
5.Органометален синтез.
А). Синтез на Вюрц.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Този синтез е от малка полза, ако два различни халоалкана се използват като органични реагенти.
б). Протолиза на реактивите на Гриняр.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
V). Взаимодействие на литиеви диалкил купрати (LiR 2 Cu) с алкилхалогениди
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Самите литиеви диалкилкупрати се произвеждат в двуетапен процес
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Електролиза на соли на карбоксилни киселини (синтез на Колбе).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Сливане на соли на карбоксилни киселини с основи.
Реакцията се използва за синтеза на нисши алкани.
8.Хидрогенолиза на карбонилни съединения и халоалкани.
А). Карбонилни съединения. Синтез на Клеменс.
б). Халоалкани. Каталитична хидрогенолиза.
Ni, Pt, Pd се използват като катализатори.
в) Халоалкани. Възстановяване на реагент.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Химични свойства на алканите.
Всички връзки в алканите са нискополярни, поради което се характеризират с радикални реакции. Липсата на pi връзки прави реакциите на присъединяване невъзможни. Алканите се характеризират с реакции на заместване, елиминиране и изгаряне.
|
Тип и име на реакцията | |
|
1. Реакции на заместване | |
|
А) с халогени(С хлоркл 2 -в светлината, бр 2 - при нагряване) реакцията се подчинява Правилото на Марковник (Правилата на Марковников) - първо, халогенът замества водорода при най-малко хидрогенирания въглероден атом. Реакцията протича на етапи – на един етап се замества не повече от един водороден атом. Йодът реагира най-трудно и освен това реакцията не е завършена, тъй като например, когато метанът реагира с йод, се образува йодоводород, който реагира с метил йодид, за да образува метан и йод (обратима реакция): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорометан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорометан) CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl (тетрахлорметан). |
|
B) Нитриране (реакция на Коновалов) Алканите реагират с 10% разтвор на азотна киселина или азотен оксид N 2 O 4 в газова фаза при температура 140 ° и ниско налягане, за да образуват нитро производни. Реакцията също се подчинява на правилото на Марковников. Един от водородните атоми се замества с остатъка NO 2 (нитро група) и се освобождава вода |
|
|
2. Елиминационни реакции | |
|
А) дехидрогениране– елиминиране на водорода. Условия на реакцията: катализатор – платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 |
|
Б) напукванепроцесът на термично разлагане на въглеводороди, който се основава на реакциите на разделяне на въглеродната верига на големи молекули за образуване на съединения с по-къса верига. При температура 450–700 o C алканите се разлагат поради разцепването на C–C връзките (по-силните C–H връзки се запазват при тази температура) и се образуват алкани и алкени с по-малък брой въглеродни атоми |
° С 6 з 14 ° С 2 з 6 +C 4 з 8 |
|
Б) пълен термично разлагане |
CH4C + 2H2 |
|
3. Окислителни реакции | |
|
А) реакция на горенеПри запалване (t = 600 o C) алканите реагират с кислород и се окисляват до въглероден диоксид и вода. |
C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитично окисление- при сравнително ниска температура и с използването на катализатори се придружава от разкъсване само на част от връзките С–С приблизително в средата на молекулата и С–Н и се използва за получаване на ценни продукти: карбоксилни киселини, кетони, алдехиди, алкохоли. |
Например, при непълно окисление на бутан (разцепване на връзката С 2 – С 3) се получава оцетна киселина |
|
4. Реакции на изомеризация не са характерни за всички алкани. Обръща се внимание на възможността за превръщане на едни изомери в други и наличието на катализатори. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. Алкани с основна верига от 6 или повече въглеродни атома също реагират дехидроциклизация но винаги образуват 6-членен пръстен (циклохексан и неговите производни). При реакционни условия този цикъл претърпява допълнително дехидрогениране и се превръща в енергийно по-стабилен бензенов пръстен на ароматен въглеводород (арен). |
|
Механизъм на реакцията на халогениране:
Халогениране
Халогенирането на алканите става чрез радикален механизъм. За да започне реакцията, сместа от алкан и халоген трябва да бъде облъчена с UV светлина или нагрята. Хлорирането на метан не спира на етапа на получаване на метилхлорид (ако се вземат еквимоларни количества хлор и метан), но води до образуването на всички възможни продукти на заместване, от метилхлорид до тетрахлорметан. Хлорирането на други алкани води до смес от водородни заместващи продукти различни атомивъглерод. Съотношението на продуктите на хлорирането зависи от температурата. Скоростта на хлориране на първичните, вторичните и третичните атоми зависи от температурата; при ниски температури скоростта намалява в реда: третичен, вторичен, първичен. С повишаване на температурата разликата между скоростите намалява, докато станат еднакви. В допълнение към кинетичния фактор, разпределението на продуктите на хлориране се влияе от статистически фактор: вероятността хлорът да атакува третичен въглероден атом е 3 пъти по-малък от първичния и два пъти по-малък от вторичния. По този начин хлорирането на алкани е нестереоселективна реакция, освен в случаите, когато е възможен само един продукт на монохлориране.
Халогенирането е една от реакциите на заместване. Халогенирането на алканите се подчинява на правилото на Марковник (Правилото на Марковников) - най-малко хидрогенираният въглероден атом се халогенира първи. Халогенирането на алканите протича на етапи - на един етап се халогенира не повече от един водороден атом.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорометан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорометан)
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl (тетрахлорметан).
Под въздействието на светлината молекулата на хлора се разпада на атоми, след което те атакуват молекулите на метана, откъсвайки техния водороден атом, в резултат на което се образуват метилови радикали CH3, които се сблъскват с молекулите на хлора, унищожават ги и образуват нови радикали. .
Нитриране (реакция на Коновалов)
Алканите реагират с 10% разтвор на азотна киселина или азотен оксид N 2 O 4 в газова фаза при температура 140 ° и ниско налягане, за да образуват нитро производни. Реакцията също се подчинява на правилото на Марковников.
RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O
т.е. един от водородните атоми се замества с остатъка NO 2 (нитро група) и се освобождава вода.
Структурните особености на изомерите силно влияят на хода на тази реакция, тъй като най-лесно води до заместване на водородния атом в SI остатъка (присъстващ само в някои изомери) с нитро група; по-малко лесно е да се замени водород в СН2 групата и още по-трудно в СН3 остатъка.
Парафините се нитрират доста лесно в газова фаза при 150-475°C с азотен диоксид или пари на азотна киселина; в този случай се случва частично. окисление. При нитрирането на метан се получава почти изключително нитрометан:
Всички налични данни сочат механизъм на свободните радикали. В резултат на реакцията се образуват смеси от продукти. Азотната киселина при обикновени температури няма почти никакъв ефект върху парафиновите въглеводороди. При нагряване той действа главно като окислител. Въпреки това, както установи M.I. Konovalov (1889), азотната киселина при нагряване действа отчасти по "нитриращ" начин; Реакцията на нитриране със слаба азотна киселина протича особено добре при нагряване и при повишено налягане. Реакцията на нитриране се изразява с уравнението.
Хомолозите след метана дават смес от различни нитропарафини поради съпътстващото разцепване. При нитриране на етан се получават нитроетан CH3-CH2-NO2 и нитрометан CH3-NO2. От пропан се образува смес от нитропарафини:
Нитрирането на парафини в газова фаза сега се извършва в промишлен мащаб.
Сулфахлориране:
Практически важна реакция е сулфохлорирането на алкани. Когато алкан реагира с хлор и серен диоксид по време на облъчване, водородът се заменя с хлоросулфонилна група:
Етапите на тази реакция са:
Cl +R:H→R +HCl
R+SO 2 → RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Алкансулфонил хлоридите лесно се хидролизират до алкансулфоксилост (RSO 2 OH), чиито натриеви соли (RSO 3¯ Na + - натриев алкансулфонат) показват свойства, подобни на сапуните, и се използват като детергенти.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканисе наричат наситени въглеводороди, чиито молекули се състоят от въглеродни и водородни атоми, свързани помежду си само чрез σ връзки.
При нормални условия (при 25 o C и атмосферно налягане) първите четири члена на хомоложната серия от алкани (C 1 - C 4) са газове. Нормални алкани от пентан до хептадекан (C 5 - C 17) - течности, започващи от C 18 и по-високи - твърди вещества. С увеличаването на относителното молекулно тегло, точките на кипене и топене на алканите се увеличават. С еднакъв брой въглеродни атоми в молекулата, разклонените алкани имат по-ниски точки на кипене от нормалните алкани. Структурата на молекулата на алкана, като се използва метан като пример, е показана на фиг. 1.
Ориз. 1. Структурата на молекулата на метана.
Алканите са практически неразтворими във вода, тъй като техните молекули са нискополярни и не взаимодействат с водните молекули. Течните алкани се смесват лесно един с друг. Те се разтварят добре в неполярни органични разтворители като бензен, въглероден тетрахлорид, диетилов етер и др.
Получаване на алкани
Основните източници на различни наситени въглеводороди, съдържащи до 40 въглеродни атома, са нефтът и природният газ. Алканите с малък брой въглеродни атоми (1 - 10) могат да бъдат изолирани чрез фракционна дестилация на природен газ или бензиновата фракция на нефта.
Има промишлени (I) и лабораторни (II) методи за получаване на алкани.
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).
— хидрогениране на ненаситени въглеводороди
CH3-CH=CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
- редукция на халоалкани
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- алкални реакции на топене на соли на едноосновни органични киселини
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
— взаимодействие на халоалкани с метален натрий (реакция на Wurtz)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
— електролиза на соли на едноосновни органични киселини
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K(-): 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 .
Химични свойства на алканите
Алканите са сред най-малко реактивоспособните органични съединения, което се обяснява с тяхната структура.
Алканите при нормални условия не реагират с концентрирани киселини, разтопени и концентрирани алкали, алкални метали, халогени (с изключение на флуор), калиев перманганат и калиев дихромат в кисела среда.
За алканите най-характерните реакции са тези, които протичат по радикален механизъм. Хомолитичното разцепване е енергийно по-благоприятно C-H връзкии C-C от тяхното хетеролитично разкъсване.
Реакциите на радикално заместване най-лесно възникват при третичния въглероден атом, след това при вторичния въглероден атом и накрая при първичния въглероден атом.
Всички химични трансформации на алкани протичат с разделяне:
1) C-H връзки
— халогениране (SR)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( в.в);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( в.в).
- нитриране (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (разреден) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
— сулфохлориране (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( в.в).
- дехидрогениране
CH3-CH3 → CH2 =CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- дехидроциклизация
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H и C-C връзки
- изомеризация (вътремолекулно пренареждане)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C(CH3)H-CH3 (kat=AlCl3, t 0).
- окисление
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O (t 0, p);
C n H 2n+2 + (1.5n + 0.5) O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Приложения на алкани
Алканите са намерили приложение в различни индустрии. Нека разгледаме по-подробно, използвайки примера на някои представители на хомоложната серия, както и смеси от алкани.
Метанът формира суровинната основа за най-важните химически промишлени процеси за производство на въглерод и водород, ацетилен, кислородсъдържащи органични съединения - алкохоли, алдехиди, киселини. Пропанът се използва като автомобилно гориво. Бутанът се използва за производството на бутадиен, който е суровина за производството на синтетичен каучук.
Смес от течни и твърди алкани до C 25, наречена вазелин, се използва в медицината като основа на мехлеми. Смес от твърди алкани C 18 - C 25 (парафин) се използва за импрегниране на различни материали (хартия, тъкани, дърво), за да им се придадат хидрофобни свойства, т.е. ненамокряне с вода. В медицината се използва за физиотерапевтични процедури (парафинолечение).
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | При хлориране на метан се получават 1,54 g съединение, чиято плътност на парите във въздуха е 5,31. Изчислете масата на мангановия диоксид MnO 2, който ще бъде необходим за производството на хлор, ако съотношението на обемите метан и хлор, въведени в реакцията, е 1:2. |
| Решение | Съотношението на масата на даден газ към масата на друг газ, взет в същия обем, при същата температура и същото налягане, се нарича относителна плътност на първия газ спрямо втория. Тази стойност показва колко пъти първият газ е по-тежък или по-лек от втория газ. Относителното молекулно тегло на въздуха се приема за 29 (като се вземе предвид съдържанието на азот, кислород и други газове във въздуха). Трябва да се отбележи, че понятието „относителна молекулна маса на въздуха“ се използва условно, тъй като въздухът е смес от газове. Нека намерим моларната маса на газа, образуван по време на хлорирането на метан: M газ = 29 × D въздух (газ) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Това е въглероден тетрахлорид - CCl 4. Нека напишем уравнението на реакцията и подредим стехиометричните коефициенти: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Нека изчислим количеството въглероден тетрахлорид: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Съгласно уравнението на реакцията n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, което означава n(CH4) = n(CCl4) = 0.01 mol. Тогава количеството на хлорното вещество трябва да бъде равно на n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), т.е. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Нека напишем уравнението на реакцията за получаване на хлор: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Броят на моловете манганов диоксид е 0,08 mol, т.к n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Намерете масата на мангановия диоксид: m(MnO 2) = n(MnO 2) × M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Отговор | Масата на мангановия диоксид е 10,4 g. |
ПРИМЕР 2
