АЛКАНИ

АЛКАНИ

Алкани (насичені вуглеводні, парафіни) – сполуки Карбону і Гідрогену, в молекулах яких всі валентності, що залишились після з'єднання атомів Карбону між собою простим зв'язком, насичені атомами Гідрогену.

Гомологічний ряд

Всі алкани можна розглядати як похідні, або гомологи (грец. hотоllogіа – відповідність) метану. Якщо від метану, що має молекулярну формулу СН4, відняти один атом Гідрогену, утвориться частинка – радикал – СН3. В зв'язку з тим, що в молекулі органічної речовини Карбон, як правило, чотиривалентний, сполучення двох таких радикалів обумовлює появу другого представника гомологічного ряду метану – етану. Кожний наступний член такого ряду відрізняється від попереднього на метиленову групу –СН2–, або гомологічну різницю. Загальна формула для гомологічного ряду метану – СnН2n+2. Цю закономірність встановлено німецьким хіміком К. Шорлеммером

(1834–1892).

Будова

Типовим представником алканів є метан. Молекулярна формула метану – СН4, структурна і електронна (октетна):

		H
H					H H
		C
				. .
				:
					H C:H
				. .
		H
					H

Для молекул алканів характерний двоелектронний, або σ-зв'язок. У молекулі метану атом Карбону утворює чотири ковалентні зв'язки за рахунок однієї s- і трьох p-орбіталей, а кожний атом Карбону – за рахунок s-орбіталі. При sp3-гібридизації атома Карбону кут, що створюють між собою чотири його електронні хмари, дорівнює 109°28'. Просторове розміщення атомів у молекулах алканів відображають тетраедрична, кулестрижньова моделі і модель Стюарта-Бріглеба, створені на основі ковалентних зв'язків і вандерваальсових радіусів атомів.

Ізомерія і номенклатура

За історичною (тривіальною) номенклатурою перші чотири представники гомологічного ряду метану мають випадкові назви: метан, етан, пропан і бутан. Починаючи з п'ятого гомолога, за основу назви береться корінь грецького слова, яке показує кількість атомів вуглецю в молекулі алкану, і

додають суфікс -ан: С5Н]2 – пентан, С6НІ4 – гексан, С7Н16 – гептан, С8Н18 – октан, С9Н20 – нонан, С10Н22 – декан і т. д. Для алканів з прямим карбоновим

ланцюгом додають літеру «н» (нормальний), з розгалуженим – префікс ізо-. Така номенклатура зручна для перших чотирьох представників і громіздка для решти алканів. Наприклад, молекулярній формулі декану С10Н22 відповідає н-декан і 75 ізодеканів.

залишок молекули алкану після віднімання атома Гідрогену називають радикалом. Час існування радикала становить частки секунди. За основу назви радикала беруть корінь слова назви алкану і додають суфікс -ил або -іл:

СН3 –метил, СН3СН2 – етил, СН3СН2СН2 – первинний пропіл, СН3СН2СН2СН2 - бутил, СН3СН2СН2СН2СН2 - аміл (виключення), СН3СН2СН2СН2СН2СН2 – гексил тощо. Часто радикали записують скорочено:

С2Н5 – етил, С3Н7 – пропіл, С4Н9 – бутил, С5Н11 –аміл, С6Н13 – гексил, С7Н15 – гептил, С8Н17 – октил, С9Н19 – ноніл, С10Н20: – децил. При необхідності відмічають різновидність радикала: первинний і вторинний пропіл,

первинний і третинний ізобутил тощо.

За раціональною номенклатурою алкани розглядаються як похідні метану, в молекулі якого один або декілька атомів Гідрогену заміщені на радикали. Якщо в молекулі такого заміщеного метану є два однакові радикали, до загальної назви, що складається з назви радикала і метану, додають префікс ди-, три – три-, чотири – тетра- і т. д. Так, похідний метану алкан СН3– СН3 називають метилметаном, а СН3–СН2–СН3 – диметилметаном (за «метан» береться найбільш заміщений на радикали метан).

Якщо в молекулі алкану атоми Гідрогену метану заміщені різними радикалами, в назві слід дотримуватися правила «старшинства». Наприклад, СН3–СН2–С4Н9 – метилбутилметан.

Раціональна номенклатура зручна для нижчих гомологів. Вона громіздка і неточна для вищих і навіть середніх алканів, оскільки за «метан» різні дослідники можуть прийняти не один і той же атом Карбону у карбоновому ланцюзі алкану.

Найбільш точною номенклатурою є номенклатура ІЮПАК. . За її основу при найменуванні алканів взято такі положення.

1.Назви всіх алканів закінчуються суфіксом -ан.

2.В основу назви алкану покладено найменування вуглеводню з самим довгим карбоновим ланцюгом.

3.Розміщення бокових відгалужень у вигляді радикалів визначається порядковим номером атомів Карбону карбонового ланцюга.

4.Нумерацію атомів Карбону в головному карбоновому ланцюзі починають з ближнього кінця, де розміщується замісник – радикал.

5.Якщо в молекулі вуглеводню є два, три, чотири і більше замісників у вигляді радикалів, то положення кожного з них в ланцюзі позначається арабськими цифрами, а кількість однакових замісників – префіксами (два – ди-, три – три-, чотири – тетра- і т. д.).

6.При наявності в молекулі алкану декількох радикалів в назві додержуються правила «старшинства»: спочатку називають найбільш прості замісники, потім – складні і, нарешті, вуглеводень.

7.Цифри, які показують положення радикалів у найбільш довгому карбоновому ланцюзі, відділяють одну від одної комами, а від назви радикала – дефісами. Наприклад, напівструктурну формулу алкану

CH3			CH				CH		CH2		CH3

CH3 C2H5

записують як 2-метил-3-етилпентан. Цю сполуку слід читати так: «2- метил-3-етилпентан».

Зокрема, диметил, триметил тощо, розглядаються як такі, що починаються з літери м, а діетил, триетил тощо - як такі, що починаються з літери е, наприклад,

CH CH

CH

CH

CH

CH

CH3

3

2

CH3

C2H5

CH3

тепер слід називати 3-етил-2,5-диметилгексан, а не так, як було раніше - 2,5-диметил-З-етилгексан.

Синтетичні, або лабораторні, методи одержання алканів.

1. Метод Дюма. Беруть натрієву сіль відповідної жирної кислоти і сплавлюють її з лугом:

CH		COONa + NaOH	CH4 + Na2CO3.
	3

2. Реакція Вюрца. Одна з найважливіших реакцій одержання алканів. Для цього беруть відповідні галогенопохідні алканів і нагрівають з металічним Натрієм:

CH3I + 2Na + CH3I	CH3		CH3 + 2NaI.

Інші методи лабораторного одержання алканів використовуються рідко.

Хімічні властивості

Для алканів характерна мала реакційна здатність. Вони інертні, що відбилось на їх назві «парафіни». Це пояснюється тим, що в молекулах алканів атоми Карбону і Гідрогену зв'язані між собою міцними а-зв'язками (енергія таких зв'язків – 376,2 кДж/моль), ось чому ці сполуки не здатні приєднувати атоми Гідрогену. Це стало причиною ще однієї назви алканів – насичені вуглеводні. В звичайних умовах на них не діють сильні1 мінеральні кислоти (Н2S04, НNO3), луги (NaОН, КОН), окиснювачі (КМnO4, К2Cr2O7).

Хімічна інертність алканів обумовлена особливостями будови їх молекул. Для розриву а-зв'язків необхідно витратити велику енергію (відповідно С–Н - 298,0-414,8, С–С - 339-347,8 кДж/ моль). Тому для них типові хімічні реакції, що протікають за радикальним механізмом. При цьому відбувається гемолітичний розрив зв'язку. Радикальні реакції алканів ініціюють радикали, пероксиди, УФабо γ-випромінювання, нагрівання. В зв'язку з цим для алканів характерні два основні види реакцій: заміщення Гідрогену з розривом зв'язку С–Н і розщеплення молекули з розривом зв'язків С–С або С–Н. Зв'язок С–Н більш доступний для атак хімічними реагентами, і саме тут відбувається розрив зв'язків. Це відбивається на характері перебігу реакцій за різних умов і на виході кінцевих продуктів реакцій.

1. Реакція радикального галогенування. Відкрита Ж-Б. Дюма (1834) і

одержала назву металепсії. Може ініціюватися сонячним світлом. В темряві при 250–400°С або при наявності каталізаторів (хлориду стануму, хлориду купруму та ін.) атоми галогенів послідовно заміщують атоми Гідрогену в молекулах алканів. Ця реакція протікає і на світлі (найенергійніше реагує Хлор):

hv	hv
CH4 + Cl2	CH3Cl + HCl; CH3Cl + Cl2		CH2Cl2 + HCl;
hv		hv
CH2Cl2 + Cl2	CHCl3 + HCl; CHCl3 + Cl2		CCl4	+ HCl.

За реакційною здатністю галогени розміщуються у такий ряд: F>С1>Вr (Йод не вступає у дану реакцію).

2. Реакція нітрування. Названа реакцією Коновалова (1889). За умов дії на алкани 13 %-ї нітратної кислоти при 130–140 °С і тиску 15–105 Па в молекули алканів входить нітрогрупа:

CH3

CH3

CH

CH2

CH2

CH3 + HONO2

2-метилпентан

CH3

CH3

C

CH2

CH2

CH3 + H2O.

NO2

2-нітро-2-метилпентан

Нітрогрупа легко заміщує Гідроген у третинних, важче – у вторинних і дуже важко у первинних атомів Карбону. Зараз в промисловому масштабі нітрування алканів проводять у газовій фазі при 150–475°С оксидом нітрогену (IV) або парами нітратної кислоти.

3. Реакція сульфування. Алкани, що мають у складі своїх молекул не менше 8 атомів Карбону, мри слабкому нагріванні (при сильному відбувається окиснення) вступають в реакцію радикального заміщення з димлячою сульфатною кислотою:

C8H17H + HOSO3H	C8H17SO3H + H2O.
октан	сульфооктан

4.Сульфохлорування. Реакція розроблена Рідом і Хорном (1936) і полягає в тому, що на алкани (С8–С20) діють сумішшю діоксиду сульфуру (IV) і хлору. Каталізаторами найчастіше бувають пероксиди або УФвипромінювання:

R		H + SO2 + Cl2	R		SO2Cl + HCl.

алкілсульфохлорид

Реакцію використовують для одержання синтетичних миючих речовин (детергентів). Для цього на алкілсульфохлориди діють лугами, що призводить до утворення лужних солей сульфокислот, складових частин синтетичних миючих засобів (порошків, паст):

C12H25SO2Cl + NaOH C12H25SO2Na + NaCl + H2O.

додекансульфохлорид

додекансульфонат натрію

5. Реакція розщеплення. Алкани – сировина для одержання різноманітних органічних речовин. Відщеплення Гідрогену від молекули алкану, або дегідрування, в присутності каталізаторів (наприклад, С2О3) і при

нагріванні до високих температур (в середньому до 460 °С) дозволяє одержати потрібні алкени:

C2H6	Cr2O3	C2H4 + H2.
	460C
етан		етилен

1. Питання вивчення теми

1.Будова, гомологічний ряд алканів.

2.Способи одержання алканів.

3.Фізичні та хімічні властивості алканів. обґрунтування реакцій заміщення (галогенування, нітрування, сульфування). Окислення та розщеплення алканів.

4.Будова та гомологічний ряд алкенів.

5.Способи одержання алкенів (крекінг, дегідрування алканів, дегідратування спиртів, та ін).

6. Обґрунтування хімічних властивостей алкенів. Реакції приєднання (галогенування, гідрування, галогеноводнів, гідратації), окислення, полімеризації.

2.Завдання для перевірки знань студентів.

Записати реакції та пояснити їх механізм. 1) одержання октану; 2) взаємодії пропану з хлором; 3) дегідрування бутану;

4) приєднання хлороводню до 1-пентену;

5) полімеризацію етену;

6) сульфохлорування нонану;

3.Виконання експериментальної роботи

Дослід 1. Відношення алканів до водного розчину KMnO4

У пробірку наливають 1 мл гексану, 1 мл 10%-го розчину Na2CO3 , а потім по краплях при збовтуванні 0.1%-й розчин KMnO4 .

Висновки, спостереження__________________________________________

Дослід 2. Відношення алканів до бромної води

До 1 мл гексану доливають 1 мл бромної води (1:5) і перемішують, не закриваючи пробірку.

Висновки, спостереження_________________________________________

Дослід 3. Відношення алканів до концентрованої H2SO4

У суху пробірку наливають 1 мл гексану і 1 мл концентрованої H2SO4 .

Вміст пробірки перемішують протягом 2-3 хв.

Висновки, спостереження__________________________________________

Дослід 4. Відношення алканів до концентрованої HNO3

У суху пробірку наливають 1 мл гексану і 1 мл концентрованої HNO3 ,

суміш перемішують протягом 2-3 хв.

Висновки, спостереження___________________________________

Дослід 5. Горіння алканів

У фарфорову чашку наливають 1 мл гексану і підпалюють його. Висновки,

спостереження___________________________________________________