119 Предельные ув. Понятие о sp3-гибридизации. Номенклатура и изомерия, химические свойства. Радикальный механизм реакций замещения у алканов.

Предельные углеводороды или алканы – это углеводороды с общей формулой СnH2n+2.

Историческое название – парафины.

Гомологический ряд

Гомологи - это вещества, у которых сходный состав (отличаются на целое число групп СН2) , строение и химические свойства. Группа СН2 называется гомологической разностью. Совокупность гомологов составляет гомологический ряд.

Простейший представитель алканов – метан:

СН₄ – метан

С₂Н ₆ - этан

С₃Н₈ -пропан

С₄Н₁₀ -бутан

С₅Н₁₂-пентан

С₆Н ₁₄-гексан

С₇Н₁₆ -гептан

С₈Н ₁₈-октан

С₉Н₂₀-нонан

С₁₀ Н₂₂-декан

Радикалы

Общее название углеводородных радикалов алканов – алкилы.

Алкилы - это одновалентные остатки, получающиеся при отнятий атома водорода от алканов.

Обозначение – R

Названия радикалов производят от названий соответствующих алканов с заменой окончания –ан на –ил.

СН₃ – метил

С₂Н ₅– этил

СН₃ – СН₂ – СН₂ – н – пропил

и. т. д.

Строение

1. Вид гибридизаций – sp3

2. Вид связей – только одинарные сигма-связи

3.Длина связи(С-С) – 0.154 нм

4. Валентный угол – 109028’

5. Форма молекулы: у метана тетраэдрическая, у этана – два тетраэдра соединенные вершинами, строение молекул остальных алканов можно представить как соединение большого числа тетраэдров.

Номенклатура

Химическая номенклатура – это система формул и названий химических веществ. Она включает правила составления формул и названий. Название органического соединения должно отражать не только состав, но и строение его молекулы. Для органической химии наиболее удобной является заместительная номенклатура, которая рекомендована ИЮПАК.

Первые четыре представителя ряда алканов имеют случайные тривиальные названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия последующих членов ряда производятся от греческих числительных, указывающих число углеродных атомов в молекуле; к ним добавляется общее для всего гомологического ряда окончание ан.

Правила составления названия разветвленного углеводорода:

1. Главную цепь выбираем максимальной длины, нумерацию начинаем с того конца где ближе разветвления.

2. Если заместители находятся на равных расстояниях от конца цепи, то нумерацию начинают с более разветвленного конца.

3. Если разветвленность главной цепи одинакова, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе находится радикал, название которого стоит раньше в алфавитном порядке.

4. За основу (корень) названия разветвленного углеводорода берут название углеводорода, соответствующего главной (пронумерованной цепи).

5. Название разветвленного углеводорода строится в такой последовательности: сначала указывается цифра означающая номер атома углерода в главной цепи у которого имеется разветвление(боковая цепь), затем название радикала в боковой цепи, и название самой главной цепи(корень).

6. Если углеводород содержит несколько одинаковых радикалов, то в его названий перечисляются цифры указывающие его положение, а число этих радикалов отмечается числовой приставкой: ди-(два), три-(три), тетра-(четыре), пента-(пять), и т.д.

7. Различные по строению радикалы перечисляют в алфавитном порядке(по первой букве в их названий).

Изомерия

Изомерия - это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав, и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул и свойствами.

Изомеры – это вещества имеющие одинаковый молекулярный вес и состав, но разное строение молекулы и свойства.

Для алканов характерна структурная изомерия, которая обусловлена возможностью разветвления углеродной цепи молекулы. Углеводород с прямой, неразветвленной цепью называется нормальным изомером.

Первым членом гомологического ряда алканов который имеет изомеры, является бутан(2 изомера):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ н-бутан(tкип = -0.5 0С)

изобутан(или 2-метилпропан, tкип = -12 0С)

Число изомеров у алканов возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле алкана.

У пентана 3 изомера, гексана – 5, гептана – 9, и т.д.

Атомы углерода могут быть соединены с разным числом других атомов углерода: одним, двумя, тремя, четырьмя. В зависимости от этого различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы.

В этом соединений атомы С1, С4 – первичные, С3 – вторичный, С2 - четвертичный.

Физические свойства

Агрегатное состояние при н.у.: СН4 - С4Н10 - газы

С₅Н₁₂ - С₁₆ Н₃₄ - жидкости

Начиная с С₁₇Н₃₆ –твердые вещества

Растворимость: все алканы мало растворимы в воде, но хорошо растворимы в эфире и других органических растворителях.

Алканы с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем изомеры с нормальной цепью. Температуры плавления наоборот, повышаются с ростом разветвленности углеродной цепи.

Метан и этан почти без запаха, углеводороды С3-С15 имеют запах бензина или керосина, высшие члены ряда лишены запаха из-за малой летучести.

Химические свойства

1. Реакций замещения:

а) Галогенирование. На свету алканы реагируют с хлором (а также с бромом). Реакция идет по цепному свободно-радикальному механизму:

СН₄+Сl₂ = CH₃Cl+HCl

CH₃Cl+Cl₂ = CH₂Cl₂+HCl

CH₂Cl₂+Cl₂= CHCl₃+HCl

CHCl₃+Cl₂= CCl₄+HCl

б) Нитрование. Реакция Коновалова (при t = 140 оС):

СН₄+HNO₃ = CH₃NO₂+H₂O

C₃H₈+ HNO₃= C₃H₇NO₂+H₂O

2. Реакций дегидрирования:

2СН₄ = С₂Н₂+3Н₂↑ (при t = 1500 оС)

С₂Н₆ = С₂Н₄+Н₂↑ (при t = 500 оС)

! При очень высоких температурах молекулы алканов распадаются на элементы. Например при t = 1000 оС метан разлагается:

СН₄ = С+2Н₂↑

3. Крекинг – это процесс расщепления углеводородов, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле:

С₈Н₁₈ = С₄Н₁₀+С₄Н₈ (при ↑ температуре)

4. Реакций окисления:

а) Горение: Алканы сгорают на воздухе с выделением большого количества теплоты:

СН₄+2О₂ = СО₂+2Н₂О

2С₂Н₆+7О₂ = 4СО₂+6Н₂О

б) Каталитическое окисление:

2СН₄+3O₂ = 2НСООН+2Н₂О

2С₄Н₁₀+5О₂ = 4СН₃СООН+2Н₂О (под ↑ давлением)

5. Реакций изомеризаций – перестройка углеродного скелета (при высоких температурах, катализатор - AlCl₃):

Получение

В промышленности:

1. Выделение алканов из природных веществ, главным образом из нефти и природного газа.

2. Метан и другие алканы можно получить действием водорода на уголь при высокой температуре:

С + 2Н₂ = СН₄

3. Каталитическое гидрирование оксида углерода (образуется смесь жидких углеводородов – синтетический бензин):

nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O( при t = 200-400 0C)

4СО + 9Н₂ = С₄Н₁₀ + 4Н₂О

В лабораторий:

1. Разложение карбида алюминия водой:

Al₄C₃+ 12H₂O = 3CH₄+ 4Al(OH)₃

2. Сплавление солей одноосновных карбоновых кислот с щелочами:

СН₃СООNa + NaOH = CH₄+Na₂CO₃

3. Реакция Вюрца – действие металлического натрия на галогенопроизводные углеводороды:

2СН₃I+2Na = CH₃ – CH₃ + 2NaI