166298 (Предельные углеводороды)

Предельные углеводороды

Алканами называются предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только простые связи С-С. Общая формула алканов - С_nН_2n+2. Названия простейших алканов сложились исторически, для остальных - производятся от греческих числительных добавлением суффикса - ан.

Алканы с числом атомов углерода больше четырех имеют скелетные изомеры. Разветвленные предельные углеводороды рассматривают как алканы, в которых некоторые атомы водорода заменены на радикалы. Структуры и названия простейших радикалов необходимо запомнить.

Физические свойства

Первые четыре алкана - газы, далее до алкана С₁₆Н₃₄ - жидкости, остальные - твердые вещества. Все они нерастворимы в воде.

Получение

I. Основной промышленный метод - переработка нефти и газа:

п ерегонка - физический процесс разделения нефти на фракции с различными температурами кипения углеводородов: бензин (40-150 °С), лигроин (120-240 °С), керосин (150-300 °С) и соляровое масло(>300 °С);

крекинг:

получение алканов из угля и водорода при высокой температуре:

С+2Н₂ СН_{4 .}

нагреванием оксида углерода(П) с водородом в присутствии катализатора:

nСО + (2n+1) H₂ C_nH_2n+2 + nН₂0

II. Лабораторные методы.

В осстановление непредельных соединений:

Сплавление натриевых солей карбоновых кислот со щелочью:

В заимодействие галогенопроизводных с металлическим натрием (реакция Вюрца):

СНзВг + 2 Na + Br-CH₃ СНзСНз + 2 NaBr

Этот метод удобен для получения симметричных алканов, в противном случае образуется смесь продуктов.

Химические свойства алканов

Благодаря своей предельной насыщенности и малой полярности связей С-Н алканы очень прочны, вступают только в реакции радикального замещения, инициируемого условиями проведения реакции.

Галогенирование - протекает на свету. Обычно не заканчивается замещением одного атома водорода, приводя к смеси моно-, ди-, три- и т.д. галогенпроизводных.

CH₃CH₃ + Cl₂ CH₃CH₂Cl + HCl (S_R)

Каждая такая реакция протекает в соответствии с цепным свободно-радикальным механизмом:

И нициирование цепи:

Р ост цепи:

О брыв цепи:

2) Нитрование (реакция Коновалова).

Взаимодействие алканов с разбавленной азотной кислотой (12%) при повышенных температуре и давлении.

СНзСНз + HONO₂ CH₃CH₂NO₂ + Н₂O

3) Окисление.

М ягкие окислители (бромная вода, перманганат калия) на алканы не действуют. Любые алканы сгорают до углекислого газа и воды с выделением большого количества тепла.

Сульфоокисление.

Крекинг – это и способ получения, и химическое свойство алканов и алкенов. Процесс проходит при высокой температуре, давлении и обычно в присутствии катализаторов.

Циклоалканы: общая формула класса C_nH_2n, т.е. циклоалканы изомерны алкенам. Названия образуются прибавлением приставки цикло- к названию соответвующего алкана.

Ц иклопропан оказывает сильное наркотическое действие, применяется при хирургических операциях. Циклопентатвые и циклогексановые кольца содержатся в некоторых природных веществах.

Получение

Д ействие металлического цинка на дигалогенпроизводные.

Г идрирование ароматических углеводородов.

Химические свойства

Химические свойства циклоалканов аналогичны реакциям алканов, но для малых циклов (циклопропан, циклобутан) характерны реакции присоединения с разрывом цикла.

Непредельные углеводороды

А лкены

Углеводороды, содержащие двойную связь С=С, называются алкенами или этиленовыми углеводородами. Общая формула класса – С_nН_2n.

Названия образуются заменой суффикса -ан в алканах на -ен. Для родоначальника ряда часто применяется тривиальное название "этилен".

Благодаря двойной связи, в алкенах помимо скелетной изомерии наблюдается пространственная цис-транс-изомерня.

Физические свойства

Алкены с числом атомов углерода менее пяти - газы. Нерастворимы в воде, но растворяются в неполярных растворителях.

Получение

Д егидрирование алканов при повышенном давлении и температуре в присутствии катализатора (обычно Pt):

Н еполное гидрирование алкинов:

Отщепление функциональной группы и водорода в соседнем положении. Отщепление происходит по правилу Зайцева:

При образовании алкена из функционального производного углеводородов отщепляется функциональная группа и водород от соседнего наименее гидрированного атома углерода.

- внутримолекулярная дегидратация спиртов в присутствии серной кислоты или оксида алюминия:

д егидрогалогенирование моногалогенопроизводных действием спиртового раствора щелочи:

Д ействие металлического цинка на дигалогенопроизводные:

Химические свойства

Двойная связь в алкенах состоит из - и -связей. -Связь, образованная боковым перекрыванием негибридных р-орбиталей, менее прочна и легко разрывается под действием многих реагентов. Поэтому для алкенов характерны реакции присоединения с разрывом -связи A_E. Так как -связь является областью с повышенной электронной плотностью, реагентом в д анных реакциях служит злектрофил (положительно заряженная частица):

Гидрирование в присутствии катализаторов - Pt, Pd, Ni (см. химические свойства алканов).

Галогенирование:

О бесцвечивание бромной воды (при обычных условиях) является качественной реакцией на кратную связь.

3) Гидрогалогенирование. - происходит в соответствии с правилом Марковникова:

П рисоединение полярных реагентов к несимметричной кратной связи происходит так, чтобы атом водорода присоединялся к наиболее гидрированному атому углерода.

4) Гидратация.

П ротекает при нагревании в присутствии кислот (по правилу Марковникова).

П олимеризация:

6) Окисление.

А лкены обесцвечивают водный раствор перманганата калия, сами при этом окисляясь до двухатомных спиртов - гликолей.

В присутствии металлического серебра образуются эпоксиды (-окиси):

Диеновые углеводороды

Углеводороды, которые содержат две двойные связи, называют диенами (более двух - полценами). Общая формула гомологического ряда диенов C_nH_2n-2. В зависимости от расположения кратных связей выделяют сопряженные диены (двойные связи разделены одной простой), изолированные (между двойными связями более одной простой) и кумулированные (двойные связи по соседству).

sp²; ; ; Cопряжение:

Способы получения

О дновременная дегидратация и дегидрирование двух молекул этилового спирта (синтез Лебедева):

В нутримолекулярной дегидратацией диолов:

Получение изопрена из пропилена:

Химические свойства сопряжённых диенов

Н аиболее характерные реакции - реакции присоединения. Для сопряженных диенов характерно либо 1,2-присоединение (с разрывом только одной связи), либо 1,4-присоединение, где две кратных связи реагируют как единая электронная система:

П римером реакции присоединения к сопряжённым диенам является полимеризация:

Последним способом получают искусственные (синтетические) каучуки, основным отличием которых от природных долгое время было отсутствие стереорегулярности (повторяемости пространственной структуры мономерного звена). В настоящее время возможен синтез искусственных каучуков стереорегулярного строения.

Алкины

Алкины - углеводороды, содержащие в своем составе тройную связь. Общая формула - С_nН_2n-2. Молекулы алкинов имеют линейное строение благодаря sp-гибридиэации атомов углерода, связанных тройной связью.

В международной номенклатуре им соответствует суффикс -ин. Первый представитель ряда традиционно именуется ацетиленом.

Физические свойства сходны со свойствами других углеводородов.

Получение

П олучение ацетилена:

Синтез гомологов ацетилена.

а ) дегидрогалогенирование дигалогенпроизводных:

б ) Алкилированием ацетиленидов галогеналкилами:

Химические свойства

Г идрирование (проходит в два этапа):

Галогенирование (проходит в два этапа):

Г идрогалогенирование (проходит в два этапа):

Присоединение водородсодержащих реагентов к несимметричным алкинам происходит по правилу Марковникова.

Реакция гидратации (реакция Кучерова) протекает в присутствии солей д вухвалентной ртути и приводит к непредельному спирту, изомеризующемуся в карбонильное соединение.

Реакции замещения водорода у концевой тройной связи:

Б лагодаря ослаблению связи между атомами углерода и водорода ацетилен и его гомологи с концевым положением тройной связи могут вступать в реакции замещения с активными металлами (см. способы получения алкинов) и с оксидами металлов, проявляя слабые кислотные свойства (реакция является качественной на концевую тройную связь).

4) Реакции полимеризации.

Д имеризацией ацетилена получают винилацетилен (исходное вещество для синтеза некоторых диеновых полимеров), тримеризация приводит к бензолу, а полимеризация дает химически активные полимеры.