Химия

каждого органического соединения должно содержать правильные названия функций (заместителей) и основного скелета углеводорода и должно быть таким, чтобы по названию можно было написать единственно правильную структурную формулу.

№8 Предельные углеводороды (Алканы). Общая формула. Гомологический ряд (названия для углеводородов С1-

С10). правила номенклатуры. Приведите пространственное строение пентана.

Алканы (также насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения) — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH 2n+2.

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Пространственное строение пентана:

№9 Предельные углеводороды. Строение молекулы на примере метана. Гибридизация атома углерода в

молекуле метана, графическое изображение. Химические свойства предельных углеводородов.

Предельные углеводороды — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH 2n+2.

Метан (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4.

В молекуле метана - sp3-гибридизация.

Происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали. Могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Так же sp3-орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

Модель молекулы метана, образованной sp3-гибридными орбиталями

Химические свойства метана и его гомологов.

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.

Тривиальное (историческое) название алканов - "парафины" - означает "не имеющие сродства". Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С-С и С-Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия.

Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления.

В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление кoвалентных связей, т. е. они осуществляются по

свободно-радикальному	(цепному)	механизму.
Реакции вследствие прочности связей C–C и C–H протекают или при нагревании, или на свету, или с
применением		катализаторов.
Рассмотрим некоторые примеры реакций этого типа.

1.Галогенирование. Это одна из характерных реакций предельных углеводородов. Наибольшее практическое значение имеют бромирование и хлорирование алканов.

2.Нитрование. Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании их до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной

кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой (реакция М.И.Коновалова). В подобную реакцию жидкофазного нитрования вступают все алканы, однако скорость реакции и выходы нитросоединений низкие. Наилучшие результаты наблюдаются с алканами, содержащими третичные углеродные атомы.

3. Крекинг. При высокой температуре в присутствии катализаторов предельные углеводороды подвергаются расщеплению, которое называется крекингом. При крекинге происходит гомолитический разрыв углерод-углеродных связей с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более

короткими цепями.

CH3–CH2–CH2–CH3(бутан) ––400°C> CH3–CH3(этан) + CH2=CH2(этилен)

Повышение температуры процесса ведет к более глубоким распадам углеводородов и, в частности, к

дегидрированию, т.е. к отщеплению водорода. Так, метан при 1500ºС приводит к ацетилену.

2CH4 ––1500°C> H–C=C–H(ацетилен) + 3H2

4.Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

5.Окисление. В обычных условиях алканы устойчивы к действию кислорода и окислителей. При поджигании на воздухе алканы горят, превращаясь в двуокись углерода и воду и выделяя большое

количество тепла.

6. CH4 + 2O2 ––пламя> CO2 + 2H2O C5H12 + 8O2 ––пламя> 5CO2 + 6H2O

№10 Предельные углеводороды. Физические и химические свойства. Получение. При каких условиях предельные

углеводороды взаимодействуют с галогенводородами? Приведите пример реакции для этана и бромводорода, напишите механизм реакции, укажите основные продукты, назовите продукты по номенклатуре ИЮПАК.

Предельные углеводороды — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH 2n+2. Физические свойства. Согласно теории химического строения, физические свойства веществ зависят от их состава и строения. На примере предельных углеводородов мы впервые встречаемся с изменениями физических свойств в одном гомологическом ряду.

Четыре первых члена гомологического ряда предельных углеводородов, начиная с метана, являются веществами газообразными. Сам метан является постоянным газом, сгущающимся в жидкость лишь при температуре —161,5° С. У последующих членов ряда температура кипения возрастает от гомолога к гомологу. Начиная с пентана и выше, нормальные углеводороды представляют собой жидкости, причем у средних гомологов с увеличением молекулярного веса температура кипения при переходе к следующему

гомологу возрастает приблизительно на 25—30° С. Эта гомологическая разность температур кипения медленно уменьшается с увеличением молекулярного веса.

Относительная плотность углеводородов при их температурах кипения увеличивается сначала быстро, а затем все медленнее — от 0,416 у метана до величины несколько большей 0,78.

Начиная с углеводорода C16H34, высшие гомологи при обычной температуре — вещества твердые. Правильности в изменении некоторых свойств выступают особенно четко, если эти свойства относить не к грамму, а к грамм-молекуле вещества. Так, молярный объем, получающийся при умножении молекулярного веса М на удельный объем 1/плотность, т. е. величина M/d при переходе от каждого предыдущего гомолога к последующему правильно изменяется на величину, в среднем близкую к 17. Аналогично молярную теплоту горения предельных углеводородов можно вычислить, исходя из молярной теплоты горения метана, равной 212 ккал, прибавляя 158 ккал на каждую группу СН2.

Температуры кипения всех изоалканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чем более разветвлена углеродная цепь молекулы, как видно, например, из сравнения температур кипения трех изомерных пентанов. Наоборот, температура плавления оказывается самой высокой у изомеров с максимально разветвленной, в особенности симметрично разветвленной, углеродной цепью. Так, из всех изомерных октанов лишь гексаметилэтан является веществом твердым уже при обыкновенной температуре

(т. пл. 100,7°С).

Химические свойства метана и его гомологов.

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.

Тривиальное (историческое) название алканов - "парафины" - означает "не имеющие сродства". Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С-С и С-Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия.

Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления.

В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление кoвалентных связей, т. е. они осуществляются по

свободно-радикальному	(цепному)	механизму.
Реакции вследствие прочности связей C–C и C–H протекают или при нагревании, или на свету, или с
применением		катализаторов.
Рассмотрим некоторые примеры реакций этого типа.

7.Галогенирование. Это одна из характерных реакций предельных углеводородов. Наибольшее практическое значение имеют бромирование и хлорирование алканов.

8.Нитрование. Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании их до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой (реакция М.И.Коновалова). В подобную реакцию жидкофазного нитрования вступают все алканы, однако скорость реакции и выходы нитросоединений низкие. Наилучшие результаты наблюдаются с алканами, содержащими третичные углеродные атомы.

9.Крекинг. При высокой температуре в присутствии катализаторов предельные углеводороды подвергаются расщеплению, которое называется крекингом. При крекинге происходит гомолитический разрыв углерод-углеродных связей с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более

короткими цепями.
CH3–CH2–CH2–CH3(бутан)	––400°C> CH3–CH3(этан) +	CH2=CH2(этилен)

Повышение температуры процесса ведет к более глубоким распадам углеводородов и, в частности, к

дегидрированию, т.е. к отщеплению водорода. Так, метан при 1500ºС приводит к ацетилену.

2CH4 ––1500°C> H–C=C–H(ацетилен) + 3H2

10.Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

11.Окисление. В обычных условиях алканы устойчивы к действию кислорода и окислителей. При поджигании на воздухе алканы горят, превращаясь в двуокись углерода и воду и выделяя большое

количество тепла.
12.	CH4 +	2O2 ––пламя> CO2 +	2H2O
C5H12 + 8O2	––пламя> 5CO2 + 6H2O

Получение. Главным источником алканов (а также других углеводородов) являются нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.

Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-излучением или нагреть.

Механизм реакции – реакция радикального замещения.

Основные продукты: бромэтан (1-бром-этан) и бромоводород (бромоводородная кислота).

№11 Радикальное замещение в ряду предельных углеводородов. Механизм радикального замещения. Напишите

реакцию радикального замещения на примере хлорирования пропана, приведите механизм, напишите все возможные продукты реакции.

Реакции радикального замещения (англ. substitution radical reaction) — реакции замещения, в которых атаку осуществляют свободные радикалы — частицы, содержащие один или несколько неспаренных электронов.

1.Первая стадия (2,3) — инициирование цепи. Она может начаться спонтанно, фотохимически, электрохимически, посредством нагревания или путем химического иницирования.

2.Вторая стадия (4,5) — развитие цепи. На этой стадии радикалы реагируют с молекулами, образуя продукты реакции и новые радикалы.

3.Третья стадия (6,7) — обрыв цепи или рекомбинация свободных радикалов.

Реакции радикального замещения ускоряются в условиях генерирования свободных радикалов и замедляются в присутствии веществ, улавливающих свободные радикалы.

Хлорирование пропана:

Механизм реакции – реакция радикального замещения.

Продукты реакции: 1-хлорпропан, 2-хлорпропан, хлоровоород (по первой ступени).

№12 Непредельные углеводороды этиленового ряда (Алкены). Общая формула. Гомологический ряд. Правила

номенклатуры. Назовите по номенклатуре ИЮПАК соединения.

Алкены (олефины, этиленовые углеводороды) — ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации, и имеют валентный угол 120°. Простейшим алкеном является этилен (C2H4). По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Алкены, число атомов углерода в которых больше двух, (т.е. кроме этилена) имеют изомеры. Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и пространственная. Например, единственным изомером пропена является циклопропан по межклассовой изомерии. Начиная с бутена, существуют изомеры по положению двойной связи (бутен-1 и бутен-2), по углеродному скелету (изобутилен или метилпропен) и геометрические изомеры (цис-бутен-2 и транс-бутен-2). С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Гомологический ряд:

№13 Этилен: строение молекулы, гибридизация атомов углерода, образующих двойную связь. Физические и

химические свойства. Напишите реакцию присоединения галогенводорода к молекуле пропена, приведите механизм, напишите все возможные продукты реакции.

Этилен (по ИЮПАК: этен) — органическое химическое соединение, описываемое формулой С2H4. Является простейшим алкеном(олефином), изологом этана.

Атомы углерода находятся во втором валентном состоянии (sр2-гибридизация). В результате, на плоскости под углом 120° образуются три гибридных облака, которые образуют три сигма-связи с углеродом и двумя атомами водорода. Р-электрон, который не участвовал в гибридизации, образует в перпендикулярной плоскости -связь с р-электроном соседнего атома углерода. Так образуется двойная связь между атомами углерода. Молекула имеет плоскостное строение.

CH2=CH2

Реакция присоединения галогенводорода к пропену:

Механизм реакции: реакция радикального присоединения.

Все возможные продукты реакции: 2-Hal-пропан (Hal – Cl, Br, I, F).

№14 Алкены. Реакции присоединения, механизм. Напишите реакцию присоединения галогена к 2-метилбутену-2,

приведите механизм, напишите все возможные продукты реакции.

Алкены (олефины, этиленовые углеводороды) — ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Реакции присоединения. Химические свойства алкенов определяются строением и свойствами двойной связи С=С, которая значительно активнее других связей в молекулах этих соединений. Поэтому для алкенов наиболее характерны реакции, протекающие за счет раскрытия менее прочной p -связи. При этом p -связь (в исходном алкене) преобразуется в s -связь в продукте реакции. Исходное ненасыщенное соединение превращается в насыщенное без образования других продуктов, то есть происходит реакция присоединения.

Реакция присоединения галогена к 2-метилбутену-2. CH3-C(CH3)=CH-CH3 + Cl2 = CH3-C(CH3)(Cl) - CH(Cl) -CH3

Механизм реакции: реакция радикального присоединения.

Все возможные продукты реакции: 2,3 – дихлор – 2 – метилбутан.