Alcani toate formulele. Izomeria structurală a alcanilor. Exemple de rezolvare a problemelor
Hidrocarburile aciclice se numesc alcani. Sunt 390 de alcani în total. Nonacontatrictanul (C 390 H 782) are cea mai lungă structură. Halogenii se pot atasa de atomii de carbon pentru a forma haloalcani.
Structura si nomenclatura
Prin definiție, alcanii sunt hidrocarburi saturate sau saturate având o structură liniară sau ramificată. Denumite și parafine. Alcanii conțin doar un singur legaturi covalenteîntre atomi de carbon. formula generala -
Pentru a numi o substanță, trebuie să urmați regulile. Conform nomenclaturii internaționale, numele se formează folosind sufixul -an. Numele primilor patru alcani s-au dezvoltat istoric. Începând de la al cincilea reprezentant, denumirile sunt alcătuite dintr-un prefix care indică numărul de atomi de carbon, și sufixul -an. De exemplu, octa (opt) face octan.
Pentru lanțurile ramificate, numele se adună:
- din numerele care indică numărul de atomi de carbon în jurul cărora stau radicalii;
- de la numele radicalilor;
- de la numele lanțului principal.
Exemplu: 4-metilpropan - al patrulea atom de carbon din lanțul de propan are un radical (metil).
Orez. 1. Formule structurale cu denumiri de alcani.
Fiecare alcan al zecelea numește următorii nouă alcani. După decan vin undecan, dodecan și așa mai departe; după eicosan, geneicosan, docosan, tricosan etc.
serie omoloagă
Primul reprezentant este metanul, prin urmare alcanii sunt numiți și seria omoloagă a metanului. Tabelul alcanilor prezintă primii 20 de reprezentanți.
|
Nume |
Formulă |
Nume |
Formulă |
|
Tridecan |
|||
|
tetradecan |
|||
|
Pentadecan |
|||
|
hexadecan |
|||
|
heptadecan |
|||
|
Octadecan |
|||
|
Nanadekan |
|||
Începând cu butan, toți alcanii au izomeri structurali. La denumire se adaugă prefixul izo-: izobutan, izopentan, izohexan.
Orez. 2. Exemple de izomeri.
Proprietăți fizice
Starea agregată a substanțelor se modifică în lista de omologi de sus în jos. Cu cât sunt conținuți mai mulți atomi de carbon și, în consecință, cu cât greutatea moleculară a compușilor este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere și cu atât substanța este mai dură.
Restul substanțelor care conțin mai mult de 15 atomi de carbon sunt în stare solidă.
Alcanii gazoși ard cu o flacără albastră sau incoloră.
Chitanță
Alcanii, ca și alte clase de hidrocarburi, sunt obținuți din petrol, gaz și cărbune. Pentru aceasta se folosesc metode de laborator și industriale:
- gazeificarea combustibilului solid:
C + 2H2 → CH4;
- hidrogenarea monoxidului de carbon (II):
CO + 3H2 → CH4 + H20;
- Hidroliza carburii de aluminiu:
Al4C3 + 12H20 → 4Al (OH)3 + 3CH4;
- Reacția carburii de aluminiu cu acizii tari:
Al4C3 + H2CI → CH4 + AlCI3;
- reducerea haloalcanilor (reacție de substituție):
2CH3CI + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCI;
- hidrogenarea haloalcanilor:
CH3CI + H2 → CH4 + HCI;
- fuziunea sărurilor acidului acetic cu alcalii (reacția Dumas):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Alcanii pot fi obținuți prin hidrogenarea alchenelor și alchinelor în prezența unui catalizator - platină, nichel, paladiu.
Proprietăți chimice
Alcanii reacţionează cu substanţele anorganice:
- combustie:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H20;
- halogenare:
CH4 + CI2 → CH3CI + HCI;
- nitrare (reacție Konovalov):
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H20;
- conexiune:
Unul dintre primele tipuri de compuși chimici studiat în curiculumul scolar conform chimiei organice, sunt alcanii. Ele aparțin grupului de hidrocarburi saturate (altfel - alifatice). Moleculele lor conțin doar legături simple. Atomii de carbon sunt caracterizați prin hibridizare sp³.
Se numesc omologi substanțe chimice cine are proprietăți generaleși structura chimică, dar diferă prin una sau mai multe grupe CH2.
În cazul metanului CH4, formula generală pentru alcani poate fi dată: CnH (2n+2), unde n este numărul de atomi de carbon din compus.
Iată un tabel de alcani, în care n este în intervalul de la 1 la 10.
Izomeria alcanilor
Izomerii sunt acele substanțe a căror formulă moleculară este aceeași, dar structura sau structura este diferită.
Clasa alcanilor este caracterizată de 2 tipuri de izomerie: schelet de carbon și izomerie optică.
Să dăm un exemplu de izomer structural (adică, o substanță care diferă doar în structura scheletului de carbon) pentru butanul C4H10.
Izomerii optici se numesc astfel de 2 substanțe, ale căror molecule au o structură similară, dar nu pot fi combinate în spațiu. Fenomenul de izomerie optică sau oglindă are loc în alcani, începând cu heptanul C7H16.
Pentru a da alcanului numele corect, utilizați nomenclatura IUPAC. Pentru a face acest lucru, utilizați următoarea secvență de acțiuni:
Conform planului de mai sus, să încercăm să dăm un nume următorului alcan.
În condiții normale, alcanii neramificati de la CH4 la C4H10 sunt substanțe gazoase, de la C5H12 la C13H28 sunt lichizi și au un miros specific, toți ulterioare sunt solide. Se pare că pe măsură ce lungimea lanțului de carbon crește, crește punctele de fierbere și de topire. Cu cât structura unui alcan este mai ramificată, cu atât temperatura la care fierbe și se topește este mai scăzută.
Alcanii gazoși sunt incolori. Și, de asemenea, toți reprezentanții acestei clase nu pot fi dizolvați în apă.
Alcani care au starea de agregare gaz, poate arde, în timp ce flacăra va fi fie incoloră, fie va avea o nuanță de albastru pal.
Proprietăți chimice
În condiții normale, alcanii sunt mai degrabă inactivi. Acest lucru se explică prin puterea legăturilor σ între atomi C-Cși C-H. Prin urmare, este necesar să se asigure condiții speciale (de exemplu, o temperatură sau lumină destul de ridicată) pentru a conduce reactie chimica devenit posibil.
Reacții de substituție
Reacțiile de acest tip includ halogenarea și nitrarea. Halogenarea (reacția cu Cl2 sau Br2) are loc la încălzire sau sub influența luminii. În timpul reacției care se desfășoară secvenţial, se formează haloalcani.
De exemplu, puteți scrie reacția de clorurare a etanului.
Bromurarea se va desfășura într-un mod similar.
Nitrarea este o reacție cu o soluție slabă (10%) de HNO3 sau cu oxid nitric (IV) NO2. Condiții de desfășurare a reacțiilor - temperatură 140 °C și presiune.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Ca rezultat, se formează două produse - apă și un aminoacid.
Reacții de descompunere
Reacțiile de descompunere necesită întotdeauna o temperatură ridicată. Acest lucru este necesar pentru a rupe legăturile dintre atomii de carbon și hidrogen.
Deci, când crapă temperatura necesara intre 700 si 1000 °C. În timpul reacției, legăturile -C-C- sunt distruse, se formează un nou alcan și alchenă:
C8H18 = C4H10 + C4H8
O excepție este crăparea metanului și a etanului. Ca rezultat al acestor reacții, se eliberează hidrogen și se formează acetilenă alchină. Condiția prealabilă este încălzirea până la 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Dacă depășiți temperatura de 1000 ° C, puteți realiza piroliza cu o ruptură completă a legăturilor din compus:
În timpul pirolizei propilului, s-a obținut carbonul C și s-a eliberat și hidrogen H2.
Reacții de dehidrogenare
Dehidrogenarea (eliminarea hidrogenului) are loc diferit pentru diferiți alcani. Condițiile de reacție sunt o temperatură în intervalul de la 400 la 600 ° C, precum și prezența unui catalizator, care poate fi nichel sau platină.
Dintr-un compus cu 2 sau 3 atomi de carbon în scheletul de carbon se formează o alchenă:
C2H6 = C2H4 + H2.
Dacă în lanțul moleculei sunt 4-5 atomi de carbon, atunci după dehidrogenare se va obține alcadienă și hidrogen.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Începând cu hexan, în timpul reacției se formează benzen sau derivații săi.
C6H14 = C6H6 + 4H2
De asemenea, trebuie menționată reacția de conversie efectuată pentru metan la o temperatură de 800 °C și în prezența nichelului:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Pentru alți alcani, conversia este necaracteristică.
Oxidare și ardere
Dacă un alcan încălzit la o temperatură de cel mult 200 ° C interacționează cu oxigenul în prezența unui catalizator, atunci produsele obținute vor diferi în funcție de alte condiții de reacție: acestea pot fi reprezentanți ai claselor de aldehide, acizi carboxilici, alcooli. sau cetone.
Când oxidare completă alcanul arde la produsele finite - apă și CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Dacă în timpul oxidării cantitatea de oxigen a fost insuficientă, produsul final în loc de dioxid de carbon va deveni cărbune sau CO.
Efectuarea izomerizării
Dacă se asigură o temperatură de aproximativ 100-200 de grade, o reacție de rearanjare devine posibilă pentru alcanii neramificati. A doua condiție obligatorie pentru izomerizare este prezența unui catalizator AlCl3. În acest caz, structura moleculelor substanței se modifică și se formează izomerul acesteia.
Semnificativ ponderea alcanilor se obţine prin separarea acestora de materiile prime naturale. Cel mai adesea, gazul natural este procesat, a cărui componentă principală este metanul, sau petrolul este supus la fisurare și rectificare.
De asemenea, ar trebui să vă amintiți despre proprietățile chimice ale alchenelor. În clasa a 10-a, una dintre primele metode de laborator studiate la lecțiile de chimie este hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate.
C3H6 + H2 = C3H8
De exemplu, ca urmare a adăugării de hidrogen la propilenă, se obține un singur produs - propan.
Folosind reacția Wurtz, se obțin alcani din monohaloalcani, în al căror lanț structural se dublează numărul de atomi de carbon:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
O altă modalitate de a obține este interacțiunea unei sări a unui acid carboxilic cu un alcali atunci când este încălzită:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
În plus, metanul este uneori produs într-un arc electric (C + 2H2 = CH4) sau prin reacția carburei de aluminiu cu apa:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Alcanii sunt utilizați pe scară largă în industrie ca combustibil ieftin. Și sunt, de asemenea, folosite ca materii prime pentru sinteza altora materie organică. În acest scop, se folosește de obicei metanul, care este necesar pentru și gazul de sinteză. Unele alte hidrocarburi saturate sunt folosite pentru a obține grăsimi sintetice și, de asemenea, ca bază pentru lubrifianți.
Pentru cea mai bună înțelegere a subiectului „Alcani”, a fost creată mai mult de o lecție video, care discută în detaliu subiecte precum structura materiei, izomerii și nomenclatura și arată, de asemenea, mecanismele reacțiilor chimice.
Alcanii sunt hidrocarburi saturate, în moleculele cărora toți atomii de carbon sunt ocupați de atomi de hidrogen prin legături simple. Prin urmare, izomeria structurală a alcanilor este caracteristică omologilor seriei metanului.
Izomeria scheletului de carbon
Omologii cu patru sau mai mulți atomi de carbon se caracterizează prin izomerie structurală în ceea ce privește modificările scheletului de carbon. Grupările metil -CH 2 se pot atașa la orice carbon al lanțului, formând noi substanțe. Cu cât sunt mai mulți atomi de carbon în lanț, cu atât se pot forma mai mulți izomeri omologi. Numărul teoretic de omologi se calculează matematic.
Orez. 1. Numărul aproximativ de izomeri ai omologilor metanului.
Pe lângă grupările metil, lanțurile lungi de carbon pot fi atașate de atomii de carbon, formând substanțe complexe ramificate.
Exemple de izomerie a alcanilor:
- butan normal sau n-butan (CH3-CH2-CH2-CH3) şi 2-metilpropan (CH3-CH(CH3)-CH3);
- n-pentan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilbutan (CH3-CH2-CH (CH3)-CH3), 2,2-dimetilpropan (CH3-C (CH3)2-CH3);
- n-hexan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilpentan (CH3-CH (CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-metilpentan ( CH3-CH2-CH (CH3)-CH2-CH3), 2,3-dimetilbutan (CH3-CH (CH3)-CH (CH3)-CH3), 2,2-dimetilbutan ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Orez. 2. Exemple de izomeri structurali.
Izomerii ramificati diferă de moleculele liniare prin proprietățile lor fizice. Alcanii ramificati se topesc și fierb la temperaturi mai scăzute decât omologii lor liniari.
Nomenclatură
Nomenclatura internațională IUPAC a stabilit reguli pentru denumirea lanțurilor ramificate. Pentru a numi un izomer structural, ar trebui:
- găsiți cel mai lung lanț și numiți-l;
- numerotati atomii de carbon, incepand de la sfarsit, unde sunt cei mai multi substituenti;
- indicați numărul de substituenți identici cu prefixe numerice;
- înlocuitori de nume.
Numele este format din patru părți, mergând una după alta:
- numere care desemnează atomi în lanț care au substituenți;
- prefixe numerice;
- numele înlocuitorului;
- numele circuitului principal.
De exemplu, într-o moleculă CH3-CH(CH3)-CH2-C(CH3)2-CH3, catena principală are cinci atomi de carbon. Deci este pentan. Capătul drept are mai multe ramuri, așa că numerotarea atomilor începe de aici. În acest caz, al doilea atom are doi substituenți identici, ceea ce se reflectă și în nume. Se pare că această substanță poartă denumirea de 2,2,4-trimetilpentan.
Diferiți substituenți (metil, etil, propil) sunt enumerați alfabetic în denumire: 4,4-dimetil-3-etilheptan, 3-metil-3-etiloctan.
De obicei, se folosesc prefixe numerice de la doi la patru: di- (doi), tri- (trei), tetra- (patru).
Ce am învățat?
Alcanii sunt caracterizați prin izomerie structurală. Izomerii structurali sunt comuni tuturor omologilor, începând cu butan. În izomeria structurală, substituenții sunt atașați la atomii de carbon din lanțul de carbon, formând lanțuri ramificate complexe. Denumirea izomerului constă din numele catenei principale, substituenți, denumirea verbală a numărului de substituenți, denumirea digitală a atomilor de carbon la care sunt atașați substituenții.
Cei mai simpli compuși organici sunt hidrocarburi compus din carbon și hidrogen. În funcție de natura legăturilor chimice din hidrocarburi și de raportul dintre carbon și hidrogen, acestea se împart în saturate și nesaturate (alchene, alchine etc.)
limitare Hidrocarburile (alcani, hidrocarburi din seria metanului) sunt compuși ai carbonului cu hidrogen, în moleculele cărora fiecare atom de carbon cheltuiește nu mai mult de o valență pe legătura cu orice alt atom vecin și toate valențele care nu sunt cheltuite pe legătura cu carbonul. sunt saturate cu hidrogen. Toți atomii de carbon din alcani sunt în starea sp 3. Hidrocarburile limită formează o serie omoloagă caracterizată prin formula generală DIN n H 2n+2. Strămoșul acestei serii este metanul.
Izomerie. Nomenclatură.
Alcanii cu n=1,2,3 pot exista doar ca un izomer
Pornind de la n=4, apare fenomenul de izomerie structurală.
Numărul de izomeri structurali ai alcanilor crește rapid odată cu creșterea numărului de atomi de carbon, de exemplu, pentanul are 3 izomeri, heptanul are 9 etc.
Numărul de izomeri alcani crește, de asemenea, datorită posibililor stereoizomeri. Începând de la C 7 H 16 este posibilă existența unor molecule chirale, care formează doi enantiomeri.
Nomenclatura alcanilor.
Nomenclatura dominantă este nomenclatura IUPAC. În același timp, conține elemente de nume banale. Astfel, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani au denumiri banale.
CH 4 - metan
C2H6 - etan
C3H8 - propan
C4H10-butan.
Numele omologilor rămași sunt derivate din numere grecești latine. Deci, pentru următorii membri ai unei serii de structuri normale (neramificate), sunt folosite numele:
C 5 H 12 - pentan, C 6 H 14 - hexan, C 7 H 18 - heptan,
C 14 H 30 - tetradecan, C 15 H 32 - pentadecan etc.
Reguli de bază IUPAC pentru alcanii ramificați
a) alegeți cel mai lung lanț neramificat, al cărui nume este baza (rădăcină). La această tulpină se adaugă sufixul „an”.
b) numerotați acest lanț conform principiului celor mai puțini locatari,
c) înlocuitorul se indică sub formă de prefixe în ordine alfabetică, indicând locația. Dacă există mai mulți substituenți identici în structura părinte, atunci numărul lor este indicat cu cifre grecești.
În funcție de numărul de alți atomi de carbon cu care atomul de carbon considerat este legat direct, se disting: atomi de carbon primari, secundari, terțiari și cuaternari.
Ca substituenți în alcanii ramificati apar grupări alchil sau radicali alchil, care sunt considerați ca rezultat al eliminării unui atom de hidrogen din molecula de alcan.
Denumirea grupărilor alchil se formează din denumirea alcanilor corespunzători prin înlocuirea ultimului sufix „an” cu sufixul „il”.
CH3 - metil
CH3CH2-etil
CH3CH2CH2-propil
Pentru denumirea grupărilor alchil ramificate, se utilizează și numerotarea lanțului:
Pornind de la etan, alcanii sunt capabili să formeze conformeri, care corespund conformației împiedicate. Posibilitatea tranziției de la o conformație împiedicată la alta prin conformația eclipsată este determinată de bariera de rotație. Determinarea structurii, compoziției conformerelor și a barierelor în calea rotației sunt sarcinile analizei conformaționale. Metode de obţinere a alcanilor.
1. Distilație fracțională gaz natural sau fracțiunea de benzină a uleiului.În acest fel, pot fi izolați alcani individuali de până la 11 atomi de carbon.
2. Hidrogenarea cărbunelui. Procesul se desfășoară în prezența catalizatorilor (oxizi și sulfuri de molibden, wolfram, nichel) la 450-470 aproximativ C și presiuni de până la 30 MPa. Cărbunele și catalizatorul sunt măcinați în pulbere și hidrogenați în suspensie prin barbotarea hidrogenului prin suspensie. Amestecurile rezultate de alcani și cicloalcani sunt utilizate ca combustibili pentru motoare.
3. Hidrogenarea CO și CO 2 .
CO + H 2 alcani
CO 2 + H 2 alcani
Pentru aceste reacţii se folosesc ca catalizatori Co, Fe etc.d - elemente.
4.Hidrogenarea alchenelor și alchinelor.
5.sinteza organometalica.
A). Sinteza Wurtz.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Această sinteză este de puțin folos dacă sunt utilizați doi haloalcani diferiți ca reactivi organici.
b). Protoliza reactivilor Grignard.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
în). Interacțiunea dialchilcupraților de litiu (LiR2Cu) cu halogenuri de alchil
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Dialchilcuprații de litiu înșiși sunt obținuți printr-o metodă în două etape
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Electroliza sărurilor acizilor carboxilici (sinteza Kolbe).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Fuziunea sărurilor acizilor carboxilici cu alcalii.
Reacția este utilizată pentru a sintetiza alcani inferiori.
8.Hidrogenoliza compușilor carbonilici și a haloalcanilor.
A). compuși carbonilici. Sinteza lui Clemmens.
b). Halogenalcani. hidrogenoliza catalitică.
Ni, Pt, Pd sunt utilizați ca catalizatori.
c) Halogenalcani. Recuperare reactivă.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Proprietățile chimice ale alcanilor.
Toate legăturile din alcani sunt de polaritate scăzută; prin urmare, ele sunt caracterizate prin reacții radicalice. Absența legăturilor pi face imposibile reacțiile de adiție. Alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție, eliminare și combustie.
|
Tipul și numele reacției | |
|
1. Reacții de substituție | |
|
A) cu halogeni(Cu clorCl 2 - in lumina, Br 2 - la încălzire) reacţia se supune regula lui Markovnik (regulile lui Markovnikov) - în primul rând, halogenul înlocuiește hidrogenul la cel mai puțin atom de carbon hidrogenat. Reacția are loc în etape - nu se înlocuiește mai mult de un atom de hidrogen într-o etapă. Iodul reacționează cel mai greu și, în plus, reacția nu ajunge până la sfârșit, deoarece, de exemplu, atunci când metanul reacționează cu iodul, se formează iodură de hidrogen, care reacționează cu iodură de metil pentru a forma metan și iod (reacție reversibilă): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clormetan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclormetan) CHCI3 + CI2 → CCl4 + HCI (tetraclormetan). |
|
B) Nitrarea (reacția lui Konovalov) Alcanii reacţionează cu o soluţie 10% de acid azotic sau oxid de azot N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140 ° şi presiune joasă pentru a forma derivaţi nitro. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov. Unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu un reziduu de NO 2 (grupă nitro) și se eliberează apă |
|
|
2. Reacții de eliminare | |
|
A) dehidrogenare- eliminarea hidrogenului. Condiții de reacție catalizator-platină și temperatură. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 |
|
B) fisurare procesul de descompunere termică a hidrocarburilor, care se bazează pe reacțiile de scindare a lanțului de carbon al moleculelor mari cu formarea de compuși cu un lanț mai scurt. La o temperatură de 450–700 o C, alcanii se descompun datorită ruperii legăturilor C–C (legăturile C–H mai puternice sunt reținute la această temperatură) și se formează alcani și alchene cu un număr mai mic de atomi de carbon |
C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8 |
|
C) descompunere termică completă |
CH4C + 2H2 |
|
3. Reacții de oxidare | |
|
a) reacția de ardere Cand sunt aprinsi (t = 600 o C), alcanii reactioneaza cu oxigenul, in timp ce sunt oxidati la dioxid de carbon si apa. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––> CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
B) Oxidarea catalitică- la o temperatură relativ scăzută și cu utilizarea catalizatorilor, este însoțită de ruperea doar a unei părți a legăturilor C–C, aproximativ în mijlocul moleculei și C–H, și este utilizată pentru obținerea de produse valoroase: acizi carboxilici, cetone, aldehide, alcooli. |
De exemplu, cu oxidarea incompletă a butanului (ruperea legăturii C 2 -C 3), se obține acid acetic |
|
4. Reacții de izomerizare nu tipic pentru toți alcanii. Se atrage atenția asupra posibilității conversiei unor izomeri în alții, prezența catalizatorilor. |
C4H10C4H10 |
|
5.. Alcani cu 6 sau mai multe schele de carbon reacționează de asemenea dehidrociclizare, dar formează întotdeauna un ciclu cu 6 membri (ciclohexan și derivații săi). În condițiile de reacție, acest ciclu suferă o dehidrogenare suplimentară și se transformă într-un ciclu benzenic mai stabil din punct de vedere energetic al unei hidrocarburi aromatice (arenă). |
|
Mecanismul reacției de halogenare:
Halogenare
Halogenarea alcanilor are loc printr-un mecanism radical. Pentru a iniția reacția, un amestec de alcan și halogen trebuie iradiat cu lumină UV sau încălzit. Clorarea metanului nu se oprește în etapa de obținere a clorurii de metil (dacă se iau cantități echimolare de clor și metan), ci duce la formarea tuturor produșilor de substituție posibili, de la clorura de metil la tetraclorura de carbon. Clorarea altor alcani duce la un amestec de produși de substituție a hidrogenului la atomi diferiți carbon. Raportul dintre produsele de clorinare depinde de temperatură. Viteza de clorurare a atomilor primari, secundari și terțiari depinde de temperatură; la temperaturi scăzute, rata scade în seria: terțiar, secundar, primar. Pe măsură ce temperatura crește, diferența dintre viteze scade până devine aceeași. Pe lângă factorul cinetic, distribuția produselor de clorinare este influențată de un factor statistic: probabilitatea unui atac de clor asupra unui atom de carbon terțiar este de 3 ori mai mică decât cel primar și de două ori mai mică decât cel secundar. Astfel, clorurarea alcanilor este o reacție nestereoselectivă, cu excepția cazurilor în care este posibil un singur produs de monoclorurare.
Halogenarea este una dintre reacțiile de substituție. Halogenarea alcanilor respectă regula Markovnik (Regulile lui Markovnikov) - atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat este halogenat primul. Halogenarea alcanilor are loc în etape - nu mai mult de un atom de hidrogen este halogenat într-o etapă.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clormetan)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclormetan)
CHCI3 + CI2 → CCl4 + HCI (tetraclormetan).
Sub acțiunea luminii, molecula de clor se descompune în atomi, apoi atacă moleculele de metan, rupându-le atomul de hidrogen, în urma cărora se formează radicali metil CH 3, care se ciocnesc cu moleculele de clor, distrugându-le și formând noi radicali. .
Nitrare (reacția lui Konovalov)
Alcanii reacţionează cu o soluţie 10% de acid azotic sau oxid de azot N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140 ° şi presiune joasă pentru a forma derivaţi nitro. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov.
RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O
adică, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu un reziduu de NO2 (grupă nitro) și se eliberează apă.
Caracteristicile structurale ale izomerilor afectează puternic cursul acestei reacții, deoarece cel mai ușor duce la înlocuirea unei grupări nitro cu un atom de hidrogen în restul SI (disponibil numai în unii izomeri), hidrogenul este mai puțin ușor înlocuit în CH 2 și chiar mai dificil - în restul CH3.
Parafinele sunt destul de ușor nitrate în fază gazoasă la 150-475°C cu dioxid de azot sau vapori de acid azotic; în acelaşi timp apare parţial şi. oxidare. Nitrarea metanului produce aproape exclusiv nitrometan:
Toate datele disponibile indică un mecanism de radicali liberi. Ca rezultat al reacției, se formează amestecuri de produse. Acidul azotic la temperatura obișnuită nu are aproape niciun efect asupra hidrocarburilor parafinice. Când este încălzit, acționează în principal ca un agent oxidant. Cu toate acestea, după cum a constatat M. I. Konovalov (1889), atunci când este încălzit, acidul azotic acționează parțial într-un mod „nitrant”; reacția de nitrare cu acid azotic slab se desfășoară deosebit de bine când este încălzită și la presiune ridicată. Reacția de nitrare este exprimată prin ecuație.
Omologii care urmează metanului dau un amestec de nitroparafine diferite datorită divizării însoțitoare. Când etanul este nitrat, se obţin nitroetan CH3-CH2-NO2 şi nitroetan CH3-NO2. Din propan se formează un amestec de nitroparafine:
Nitrarea parafinelor în fază gazoasă se realizează acum la scară industrială.
Sulfclorurare:
O reacție practic importantă este sulfoclorurarea alcanilor. Când un alcan interacționează cu clorul și dioxidul de sulf în timpul iradierii, hidrogenul este înlocuit cu o grupare clorosulfonil:
Pașii acestei reacții sunt:
CI+R:H→R+HCI
R + SO2 → RSO2
RSO2 + CI:CI→RS02CI+CI
Clorurile alcansulfonice sunt ușor hidrolizate în alcansulfoxilați (RSO 2 OH), ale căror săruri de sodiu (RSO 3 ¯ Na + - alcan sulfonat de sodiu) prezintă proprietăți similare săpunurilor și sunt utilizate ca detergenți.
DEFINIȚIE
Alcani se numesc hidrocarburi saturate, ale căror molecule constau din atomi de carbon și hidrogen, legați între ele doar prin legături σ.
În condiții normale (la 25 o C și presiunea atmosferică), primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C 1 - C 4) sunt gaze. Alcani normali de la pentan la heptadecan (C 5 - C 17) - lichide, începând de la C 18 și mai sus - solide. Pe măsură ce greutatea moleculară relativă crește, punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc. Cu același număr de atomi de carbon într-o moleculă, alcanii ramificati au puncte de fierbere mai mici decât alcanii normali. Structura moleculei de alcani folosind metanul ca exemplu este prezentată în fig. unu.
Orez. 1. Structura moleculei de metan.
Alcanii sunt practic insolubili în apă, deoarece moleculele lor sunt de polaritate scăzută și nu interacționează cu moleculele de apă. Alcanii lichizi se amestecă ușor între ei. Se dizolvă bine în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzen, tetraclorură de carbon, dietil eter etc.
Obținerea alcanilor
Principalele surse de diferite hidrocarburi saturate care conțin până la 40 de atomi de carbon sunt petrolul și gazele naturale. Alcanii cu un număr mic de atomi de carbon (1 - 10) pot fi izolați prin distilarea fracționată a gazului natural sau a fracțiunii de benzină a petrolului.
Există metode industriale (I) și de laborator (II) pentru obținerea alcanilor.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H2 → CH4 + H2O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t0).
— hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate
CH3-CH \u003d CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat \u003d Ni, t 0);
— reducerea haloalcanilor
C2H5I + HI → C2H6 + I2 (t0);
- reactii alcaline de topire a sarurilor acizilor organici monobazici
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t0);
- interacțiunea haloalcanilor cu sodiul metalic (reacția Wurtz)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– electroliza sărurilor acizilor organici monobazici
2C2H5COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2;
K (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH-;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Proprietățile chimice ale alcanilor
Alcanii sunt printre cei mai puțin reactivi compuși organici, ceea ce se explică prin structura lor.
În condiții normale, alcanii nu reacționează cu acizi concentrați, alcaline topite și concentrate, metale alcaline, halogeni (cu excepția fluorului), permanganat de potasiu și dicromat de potasiu în mediu acid.
Pentru alcani, reacțiile care au loc în funcție de mecanismul radicalilor sunt cele mai caracteristice. Decalaj homolitic mai favorabil din punct de vedere energetic legături C-Hși C-C decât decalajul lor heterolitic.
Reacțiile de substituție radicală au loc cel mai ușor la atomul de carbon terțiar, mai ușor la atomul de carbon secundar și, în sfârșit, la atomul de carbon primar.
Toate transformările chimice ale alcanilor au loc prin scindare:
1) Legături C-H
- halogenare (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH3-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrare (S R)
CH3-C (CH3) H-CH3 + HONO2 (diluat) → CH3-C (N02) H-CH3 + H20 (t0).
– sulfoclorurare (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCI ( hv).
– dehidrogenare
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
— dehidrociclizare
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr2O3, t0).
2) Legături C-H și C-C
- izomerizare (rearanjare intramoleculară)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C (CH3) H-CH3 (kat \u003d AlCI3, t 0).
- oxidare
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H20 (t0, p);
Cn H2n + 2 + (1,5n + 0,5) O2 → nCO2 + (n + 1) H2O (t 0).
Aplicarea alcanilor
Alcanii și-au găsit aplicații în diverse industrii. Să luăm în considerare mai detaliat, folosind exemplul unor reprezentanți ai seriei omoloage, precum și amestecuri de alcani.
Metanul este materia primă de bază a celor mai importante procese industriale chimice de producere a carbonului și hidrogenului, acetilenei, compușilor organici care conțin oxigen - alcooli, aldehide, acizi. Propanul este folosit ca combustibil pentru automobile. Butanul este folosit pentru a produce butadienă, care este o materie primă pentru producția de cauciuc sintetic.
Un amestec de alcani lichizi și solizi până la C 25, numit vaselină, este folosit în medicină ca bază pentru unguente. Un amestec de alcani solizi C 18 - C 25 (parafină) este utilizat pentru a impregna diverse materiale (hârtie, țesături, lemn) pentru a le conferi proprietăți hidrofobe, adică. impermeabilitate la apă. În medicină, este utilizat pentru proceduri fizioterapeutice (tratament cu parafină).
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | La clorurarea metanului s-au obținut 1,54 g de compus, a cărui densitate a vaporilor în aer este de 5,31. Calculați masa de dioxid de mangan MnO 2 care va fi necesară pentru a produce clor dacă raportul dintre volumele de metan și clor introduse în reacție este 1:2. |
| Soluţie | Raportul dintre masa unui gaz dat și masa altui gaz luată în același volum, la aceeași temperatură și aceeași presiune, se numește densitatea relativă a primului gaz față de al doilea. Această valoare arată de câte ori primul gaz este mai greu sau mai ușor decât al doilea gaz. Greutatea moleculară relativă a aerului este considerată egală cu 29 (ținând cont de conținutul de azot, oxigen și alte gaze din aer). Trebuie remarcat faptul că conceptul de „greutate moleculară relativă a aerului” este utilizat condiționat, deoarece aerul este un amestec de gaze. Să aflăm masa molară a gazului format în timpul clorării metanului: M gaz \u003d 29 × D aer (gaz) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Aceasta este tetraclorura de carbon - CCl 4 . Scriem ecuația reacției și aranjam coeficienții stoichiometrici: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Calculați cantitatea de substanță tetraclorură de carbon: n(CC14) = m(CC14) / M(CC14); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Conform ecuației reacției n (CCl 4 ) : n (CH 4 ) = 1: 1, atunci n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Apoi, cantitatea de substanță de clor ar trebui să fie egală cu n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), adică. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Scriem ecuația reacției pentru producerea de clor: MnO2 + 4HCl \u003d MnCl2 + Cl2 + 2H2O. Numărul de moli de dioxid de mangan este de 0,08 moli, deoarece n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Aflați masa dioxidului de mangan: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) \u003d 55 + 2 × 16 \u003d 87 g / mol; m (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Răspuns | Masa dioxidului de mangan este de 10,4 g. |
EXEMPLUL 2
