12613 (Насыщенные (предельные) ациклические соединения (алканы))

Насыщенные (предельные) ациклические соединения (алканы).

С.Ю. Елисеев

Реакции, в которых участвуют алканы:

-замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование и т.д.);

-окисления (неполное окисление, горение, склонность к самовозгоранию в

атмосфере фтора и хлора);

-расщепления (крекинг, пиролиз).

Термическая устойчивость алканов. Оценка антидетонационных свойств топлив. Октановое и цетановое число. Промышленные методы получения алканов. Способы получения насыщенных углеводородов. Нефть и способы ее переработки.

Химические свойства насыщенных углеводородов

Насыщенные (предельные) углеводороды – это вещества, трудно вступающие реакции при обычных температурах. Для всех углеводородов гомологического ряда метана характерна несклонность к реакциям присоединения. При определенных условиях они вступают в реакции замещения, в результате которых атомы водорода их молекул замещаются другими атомами или группами и образуются производные углеводородов. При энергичном воздействии температур или химических реагентов молекулы углеводородов разлагаются с разрушением углеродного скелета.

Взаимодействие с галогенами

В обычных условиях хлор и бром реагируют с насыщенными углеводородами, но лишь очень медленно. Если встряхивать жидкий предельный углеводород с бромной водой, то после расслаивания жидкостей углеводородный слой оказался окрашенным в желтый или коричневый цвет, т.к. бром лучше растворим в углеводороде и переходит в него из водного слоя; однако окраска брома не исчезает, т.к. он практически не вступает в реакцию. Взаимодействие насыщенных углеводородов с хлором или бромом ускоряется при нагревании и, особенно, при действии света. И атомы галогена постепенно замещают в углеродных молекулах атомы водорода. При этом образуются смеси галогенпроизводных углеводородов; реакция сопровождается выделением галогенводорода. Например, при действии хлора на метан происходит постепенное замещение всех атомов водорода и образуется смесь хлорпроизводных:

СН4 + Сl2 СН3Cl + HCl

свет хлористый метил

СН3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

свет дихлорметан

CH2Cl2 + CL2 CHCl3 + HCl

свет трихлорметан

(хлороформ)

СНCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

свет тетрахлорметан

(четыреххлористый углерод)

(Смесь хлора и метана взрывоопасна, хранение совместно баллонов хлора и метана – недопустимо.)

При прямом галогенировании более сложных углеводородов замещение водорода может происходить у различных углеродных атомов. Например, уже при хлорировании пропана реакция протекает по двум направлениям – образуется смесь двух галогеналкилов:

СH3—CH2—CH2Cl + HCl

CH3—CH2—CH3 + Cl2 перв-хлоритый пропил

свет СH3—CHCl—CH3 + HCl

втор-хлористый пропил

Реакция с азотной кислотой (реакция нитрования)

Концентрированная азотная кислота при нагревании окисляет насыщенные углеводороды, а на холоду - не действует на них. В 1889г. М.И. Коновалов открыл, что при действии на насыщенные углеводороды разбавленной азотной кислоты, но при нагревании и под давлением, возможно замещение водорода в углеводородах на остаток азотной кислоты – NO2 (нитрогруппу):

P, to

R—H + HO—NO2 R—NO2 + H2O

углеводород азотная к-та нитросоединение

Образующиеся вещества называют нитросоединениями. В их молекулах азот нитрогрупы непосредственно связан с углеродом.

Впоследствии было разработано нитрование насыщенных углеводородов, основанное на взаимодействии их паров с парами азотной кислоты. Например, при нитровании этана образуется нитроэтан:

CH3—CH3 + HO—NO2 CH3—CH2—NO2 + H2O

этан азотная к-та нитроэтан

Если исходный углеводород содержит различные углеродные атомы – первичные, вторичные или третичные, то образуется смесь изомерных нитросоединений. При нитровании по Коновалову наиболее легко на нитрогруппу замещается водород у третичного атома углерода, медленнее – у вторичного и труднее всего – у первичного¹. Например, реакции нитрования бутана и 2-метилбутана (изопентана) протекают преимущественно следующим образом:

СН3—СН2—СН2—СН3 + НО—NO2 CH3—CH2—CH—CH3 + H2O

бутан 2-нитробутан

CH3 СН3 NO2

СH3—CH—CH2—CH3 + HO—NO2 CH3—C—CH2—CH3 + H2O

2-метилбутан 2-нитро-2-метилбутан

NO2

Как видно из приведенных примеров, название нитросоединений образуется добавлением к названию углеводорода (по международной номенклатуре) приставки нитро-; перед этой приставкой ставят цифру – номер углеродного атома главной цепи, при котором находится нитрогруппа.

Нитросоединения жирного ряда – бесцветные жидкости, не растворимые в воде, со слабым эфирным запахом.

Реакция нитрования наиболее характерна ароматических соединений. Однако в последнее время практическое значение приобрело и нитрование предельных углеводородов.

Реакция с серной кислотой (реакция сульфирования)

На холоду даже дымящаяся серная кислота (олеум) почти не действует на предельные углеводороды, но при высокой температуре она может их окислять. При умеренном нагревании углеводороды, преимущественно изостроения, с третичным углеродом в молекуле, вступают во взаимодействие с дымящейся серной кислотой. В результате выделяется вода и образуется продукт замещения водород при третичном углероде на остаток серной кислоты – SO2OH (сульфогруппу):

R R

R—C—H + HO—SO2OH R—C—SO2OH + H2O

R R

углеводород сульфокислота

Образующиеся вещества называют сульфокислотоми. Реакция сульфирования имеет особенно большое практическое значение для ряда ароматических углеводородов. Сульфокислоты предельных углеводородов (алкансульфокислоты) с цепью из 8-20 атомов углерода нашли ценное применение для получения детергентов – синтетических моющих средств.

Отношение к действию окислителей и высоких температур

При низких температурах предельные углеводороды устойчивы даже к действию сильных окислителей. Так, например, раствор KMnO4 или хромовая смесь (K2Cr2O7+H2SO4) при комнатной температуре не окисляют предельные углеводороды и при действии на них не изменяют своей окраски.

Действие кислорода воздуха. При высоких температурах под действием кислорода воздуха предельные воспламеняются и сгорают с образованием СО2 и Н2О, выделяя большое количество тепла; на этом основано применение их в качестве топлива.

В настоящее время разработаны способы окисления углеводородов кислородом воздуха при низких температурах при помощи катализаторов. Так, например, из смеси высших углеводородов нефти путем окисления удается получить смеси высших жирных кислот, что может представить схемой:

О2 О О

СН3—(СН2)m—CH3 CH3—(CH2)n—C + CH3—(CH2)p—C и т.д.

кат-р ОН n, p < m ОН

Так как окисление сопровождается разрывом углеродных цепей, образующиеся кислоты содержат меньшее число углеродных атомов, чем исходные углеводороды (т.е. в приведенной схеме n и p меньше, чем m).

Этот процесс имеет большое значение, так как высшие жирные кислоты идут для приготовления мыла, свечей и т.п., а получали их до недавнего времени только из жиров. В последнее время их предельных углеводородов путем каталитического окисления стали получать и другие ценные кислородсодержащие вещества (спирты, альдегиды).

Крекинг углеводородов. При нагревании углеводородов до высоких температур (450—550оС) без доступа воздуха они распадаются с разрывом углеродных цепей и образованием более простых и непредельных углеводородов. Такой процесс называют крекингом (расщеплением). Разложение углеводородов при еще более высоких температурах (550—650оС и выше) приводит к образованию простейших (главным образом газообразных) углеводородов; кроме того, при этом происходит замыкание углеродных цепей в циклы и получаются значительные количества ароматических углеводородов. Этот процесс называют пиролизом. Применением в процессах крекинга и пиролиза специальных катализаторов и давления удается регулировать эти процессы и получать необходимые продукты.

Реакция дегидрирования. Эта реакция заключается в отщеплении от молекул предельных углеводородов атомов водорода и приводит к образованию непредельных и циклических углеводородов. Она имеет большое промышленное значение.

Например, образование пропилена:

400-600 оС

СН3—СН2—СН3 СН3—СН=СН2 + Н2

кат. (Cr2O3)

Детонационные свойства углеводородов

Как мы увидим дальше, углеводороды входят в состав бензинов, являющихся горючим двигателей внутреннего сгорания. В последних пары горючего подвергаются максимальном сжатию; при воспламенении входящие в его состав углеводороды мгновенно разлагаются со взрывом, образуя продукты полного сгорания (СО2, пары Н2О). Однако этот процесс может сопровождаться так называемой детонацией, т.е преждевременным взрывом горючего до достижения максимального сжатия. При этом происходит неполное сгорание (с образованием СО, Н2 и "остатков" (осколков) углеводородов), энергия топлива используется не полностью, нарушается ритм работы двигателя. Выяснено, что детонационные свойства углеводородов зависят от их строения: чем больше разветвлена цепь углеводорода (т.е. чем больше в его молекуле третичных и четвертичных углеродных атомов), тем меньше он склонен к детонации и тем выше его качество, как горючего; чем меньше разветвлена цепь, тем склонность к детонации больше. Так, высокими антидетонационными свойствами обладает входящий в состав бензинов углеводород 2,2,4-триметилоктан (изооктан); крайне склонен к детонации н-гептан:

СН3 СН3

СН3—С—СН2—СН—СН3 СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН3

н-гептан

СН3 изооктан

Из изооктана и н-гептана готовят стандартные смеси, с детонационными свойствами которых сравнивают детонационные свойства различных горючих (бензинов и т.п.). Последние характеризуют так называемым октановым числом (о.ч.). Например, если о.ч. горючего равно 85, это значит, что оно по детонационным свойствам подобно смеси, содержащей 85% изооктана и 15% н-гептана. Высококачественное горючее для авиационных и автомобильных моторов должно иметь о.ч. выше 90. Иначе говоря, высококачественные бензины должны быть богаты углеводородами с разветвленной углеродной цепью. Антидетонационные свойства бензинов могут быть повышены добавлением к ним различных веществ (антидетонаторов), например тетраэтилсвинец (С2Н5)4Pb.

Цетановое число

Совершенно иные требования предъявляются к дизельному топливу. В этом случае горючее впрыскивается в камеру с нагретым до нескольких сот градусов (за счет адиабатического сжатия) воздухом и должно сгореть со взрывом. Поэтому здесь "способность к воспламенению" играет большую роль. Идеальным топливом для дизелей является н–цетан (С16Н34 – н-гексадекан) с цетановым числом 100; эталоном наиболее плохого дизельного топлива является -метилнафталин (цетановое число 0). В качестве дизельного горючего особенно пригодны средние фракции парафиновых нефтей, кипящие

между 230 о и 290 оС. Фракции с цетановым числом ниже 45 для этих целей непригодны. Для повышения способности дизельных масел к воспламенению к ним добавляют органические нитросоединения в качестве так называемых ускорителей зажигания.

СН3 -метилнафталин (эталон вещества с наиболее плохой

способностью к воспламенению)

Способы получения насыщенных углеводородов

Каждый класс органических веществ, в том числе предельные углеводороды, характеризуется рядом общих методов синтеза. Последние позволяют судить о связи соединений данного класса с веществом других классов и о путях их взаимных превращений. Кроме того, синтез веществ из других соединений, строение которых известно, служит одним из лучших способов доказательства строения этого вещества.

Синтез из насыщенных углеводородов

Состав насыщенных углеводородов, содержащих, например, двойную или тройную связи, выражается общими эмпирическими формулами: СnH2n или СnH2n-2: т.е. они отличаются от предельных углеводородов по содержанию водорода. Для получения предельных углеводородов непредельные подвергают воздействию водорода (реакция гидрирования) в присутствии катализаторов (Ni, Pd, Pt):

+ H + 2H

CnH2n CnH2n+2 CnH2n-2

кат-р кат-р