ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА для студентов

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

20

46*. Диметилтиофен,

20

4

0,9858

г/мл,

	n	20
		D

1,5126

.

2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ НЕФТЕЙ, ГАЗОВ,

НЕФТЕПРОДУКТОВ

2.1. О номенклатуре органических соединений

При названии органических соединений используются несколько подходов. Тривиальные названия связаны со способом получения вещества,

нахождением его в природе, некоторыми свойствами и т.д. Например:

муравьиная и уксусная кислоты, анисовый альдегид, флуоресцеин и др.

Женевская номенклатура была принята в 1892 г. в Женеве международным конгрессом химиков (oткуда и получила свое название).

Позднее, начиная с 1930 г., различными комиссиями была выработана система правил, рекомендованная в 1957 г. как новая номенклатура ЮПАК (краткoe

название Международного союза чистой и прикладной химии IUPAC). Эти правила в основном соответствуют женевской номенклатуре, но вносят в нее упрощения для названия простейших радикалов в боковой цепи.

Рациональная номенклатура для предельных углеводородов рассматривает их как производные метана, в котором один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. При этом за метан принимается тот углеродный атом, у которого больше всего заместителей

(радикалов). Радикалы перечисляют в порядке усложнения, а если имеется несколько одинаковых заместителей, то перед их названием ставят греческие числительные (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять и т.д.).

Например:

СH3

CH

CH2

СН3

СН3

СH3

CH

CH3

СH3

C

CH3

CH3

CH3

CH3

триметилметан (рац.ном.) диметилэтилметан (рац.ном.)

тетраметилметан (рац.ном.)

2-метилпропан (ЮПАК)

2-метилбутан (ЮПАК)

2,2-диметилпропан (ЮПАК)

Международная

номенклатура

(правила IUPAC – Международного

союза теоретической и прикладной химии) признана практически во всех

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

21

странах мира. При использовании на русском языке допускаются некоторые разночтения. Поэтому названия вещества в русском и английском написаниях могут отличаться, например, при использовании алфавитного признака или при расстановке цифр.

Для названия углеводорода (эта система во многом одинакова для других классов органических соединений) по Международной номенклатуре ЮПАК выбирается наиболее длинная цепь углеродных атомов и нумеруется, начиная с того конца, к которому ближе расположен радикал. 3атем называется номер углеродного атома, с которым связан заместитель (начиная с простейшего); в

конце пишется название углеводорода, которому соответствует длинная цепь.

Если один и тот же радикал в боковой цепи встречается несколько раз, то перед ним ставят приставку ди-, три-, тетра- и т.д., чтобы указать число этих радикалов, а положение каждого из них обозначают цифрами.

Таким образом, при построении названия вещества вначале определяется

родоначальная структура соединения – структурный фрагмент молекулы,

лежащий в основе её названия. В ациклических соединениях – это главная углеродная цепь, в карбоциклических и гетероциклических – цикл.

Главная углеродная цепь должна содержать максимальное число:

1) функциональных групп (в порядке убывания их старшинства, см. таблицу П.5); 2) кратных связей; 3) атомов углерода; 4) заместителей.

Заместитель – атом или группа атомов, которые не входят в родоначальную структуру. Названия некоторых заместителей приведены в таблице П.5.

При составлении названия:

1)определяют родоначальную структуру соединения;

2)определяют функциональные группы и их старшинство;

3)нумеруют атомы родоначальной структуры так, чтобы старшая группа получила по возможности меньший номер. Если соединение не имеет функциональной группы, предпочтение при нумерации отдают положениям кратных связей – они должны получить по возможности

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

22

меньшие номера. Если кратные связи отсутствуют, то предпочтение

отдаётся заместителям;

4)составляют название, соблюдая следующую последовательность:

-указывают в алфавитном порядке функциональные группы, кроме самой старшей, и углеводородные радикалы;

-называют родоначальную структуру;

-указывают кратные связи и старшую функциональную группу.

Схема названия органического соединения:

Префикс	+	корень	+	суффикс (окончание)
функциональные группы,		родоначальная		кратные связи;
кроме старшей;		структура (главная		старшая
углеводородные		углеродная цепь или		функциональная
радикалы; в алфавитном		цикл		группа
порядке

Кратные связи обозначаются суффиксами –ен или –ин. Множительные

приставки указывают число одинаковых заместителей или кратных связей (ди-,

три-, тетра- и т.д.).

Примеры:

родоначальная структура

4					3				2			1
CH3				CH					CH			C
				NO2					CHO
					заместители
1		2			3				4
H2C			C			CH				CH2
			CH3

2-метилбутадиен-1,3

локанты

O

старшая

функцио-

3-Нитро-2-формил-бутан овая кислота

нальная

ОH группа

префиксы

корень

суффикс

CH3

CH3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

CH3

CH

CH2

CH

CH

CH

CH2

CH2

CH3

CH

1' CH

CH

3

3

2' CH CH3

3' CH3

2,4,6-триметил-5-(1',2'-диметилпропил)-нонан

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

23

2.2. Ациклические углеводороды

2.2.1. Алканы (общая формула СnН2n+2) – это соединения, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (ординарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Первым членом ряда алканов является метан СН4, поэтому представители этого класса углеводородов еще иногда называют метановыми углеводородами. Простейшие алканы:

СН4

СН3-СН3

СН3-СН2-СН3

CH	-CH-CH
3	3
	CH
	3

СН3-СН2-СН2-СН3

СН3-СН2-СН2-СН2-СН3

CH -CH-CH -CH
3	2	3
	CH
	3

СН3

CH3-C-CH3

метан

этан

пропан

изобутан, 2-метилпропан

бутан

н-пентан

2-метилбутан, изопентан

2,2-диметилпропан, неопентан

CH3

Первые четыре члена ряда имеют только один-единственный порядок связей атомов. Начиная с углеводорода, имеющего 4 атома углерода, при одинаковом составе и молекулярной массе может быть разный порядок связи атомов -

разное строение - т.е. наблюдается явление изомерии. Так, формуле С4H10 в

ряду алканов отвечают два углеводорода разного строения, т.е. два изомера:

CH -CH -CH -CH				СН -СН-СН
3	2	2	3	3	3
					СН
					3
н-бутан				2-метилпропан

C увеличением количества атомов углерода в молекуле количество изомеров увеличивается, так например, для углеводородов с общей формулой

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

24

C8Н18 насчитывается 18 изомеров, а для С10Н22 – уже 75 изомеров. У каждого изомера должно быть строго определенное название, отражающее строение именно этого конкретного соединения. В настоящее время для образования названий химических соединений химики всего мира пользуются едиными правилами - правилами номенклатуры IUPAC (ее еще называют систематической номенклатурой).

Рассмотрим правила образования названий углеводородов ряда алканов согласно систематической номенклатуре. Прежде всего следует отметить, что все они имеют окончание -ан. Первые четыре члена этого ряда имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия следующих членов ряда строятся от названий соответствующих греческих числительных с добавлением окончания -ан. Для углеводородов с прямой цепью перед названием добавляется слово нормальный или сокращенно н-:

СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 н-пентан

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 н-гексан

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 н-гептан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2- СН2-СН3 н-октан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 н-нонан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 н-декан

Если от молекулы предельного углеводорода отнять один атом водорода,

то образующийся при этом остаток называется радикалом или алкилом.

Названия радикалов образуются от названия соответствующего алкана с

заменой окончания –ан на -ил. Например:

СН3- метил СН3-СН2-СН2-СН2- бутил

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

25

CH	3		-CH		-		этил	CH	-CH	-CH-	втор-бутил
			2					3	2
										CH
										3
CH		-CH		-CH		-	пропил	CH3-CH-CH2-			изо-бутил
3			2		2
									CH
									3
									CH
									3
CH	-CH-						изопропил				трет-бутил
3								CH	-C
		СH						3
			3
									CH
									3

Для того чтобы назвать разветвленный алкан по систематической

номенклатуре, необходимо:

1)выбрать самую длинную (главную) углеродную цепь;

2)пронумеровать атомы углерода главной цепи (нумерация начинается с того конца цепи, к которому ближе первое разветвление (радикал));

3)назвать заместители и расположить их в алфавитном порядке с указанием номера атома углерода главной цепи, к которому этот заместитель присоединяется, перед названием главной цепи (если имеется несколько одинаковых заместителей - используют умножающие приставки: ди-, три-, тетра- и т. д.).

Например:

1

2

3

4

СH3

СH3

1

2

3

4

5

1

2

3

CH3

CH

CH2

CH3

CH3

C

CH

CH2

CH3

CH3

CH

CH

CH2

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

4

5

6

2-метилбутан

2,2-диметил-3-этилпентан

CH3

CH

CH2

CH3

2,4-диметил-3-этилгексан

Природные источники предельных углеводородов - это нефть и природные газы, при этом под последними понимают газы чисто газовых месторождений,

попутные газы и газы газоконденденсатных месторождений. Во всех этих газах основными компонентами являются алканы состава C1-C4 (метан, этан,

пропан, бутаны), причем преобладает метан. В газах в заметных количествах могут содержаться метановые углеводороды C5 и выше, при этом, если

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

26

содержание таких алканов более 100 г/м3, эти газы называют "жирными"

газами.

Жидкие метановые углеводороды (содержащие в молекуле от 5 до 16

атомов углерода) и твердые (17 и более атомов углерода в молекуле)

встречаются в нефтях. Содержание алканов в различных нефтях колеблется от 20 до 70% и оказывает значительное влияние на физико-химические характеристики нефтей и нефтепродуктов. Так, в зависимости от количественного состава и строения алканов в нефтях и нефтепродуктах могут в значительной степени изменяться такие их характеристики, как вязкость и температура застывания.

Из других методов получения алканов можно привести следующие:

1. Гидрирование алкенов.

			Pt, Pd
CH -CH	CH	+ H	CH -CH -CH
3	2	2	3	2	3

2. Сплавление натриевых солей карбоновых кислот со щелочами. При этом получается алкан, содержащий на один атом углерода меньше, чем исходная кислота.

	O				t	0
CH	C	+ Na	O	H		CH	+ Na CO
								3
3						4	2
	ONa					метан
ацетат натрия

3. Действие металлического натрия на галогенпроизводные - реакция Вюрца:

СH	CH	Br + 2 Na + Br	CH	СH	CH	CH	CH	CH	+ 2 NaBr
3	2		2	3	3	2	2	3
бромэтан			бромэтан			н-бутан

Алканы отличаются малой реакционной способностью. Основной тип взаимодействия алканов с различными реагентами - это реакции замещения атомов водорода на другие атомы или функциональные группы. Так, например,

идет реакция с галогенами:

УФ

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

УФ

CH3Сl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

27

CH CH CH			+ Br	УФ	CH CHCH		+ HBr
3	2	3	2		3	3
						Br

Реакция эта идет при нагревании или ультрафиолетовом освещении.

Алканы не присоединяют водород, в обычных условиях не реагируют с кислотами НСl, НВr, H2SO4. М.И.Коноваловым были разработаны условия, при которых алканы реагируют с азотной кислотой с замещением одного из атомов водорода на нитрогруппу (-NO2).

CH3

CH

H + HO

NO

2

CH

CH

NO

2

+ H O

100-140oC

3

2

CH3

(12-14%)

CH

3

В промышленности нитрование алканов проводят парами азотной кислоты при температуре 250-500°С. Реакция сопровождается расщеплением углеводородов с получением смеси нитросоединений различной молекулярной массы:

					CH	CH		CH		NO	2
					3		2		2
					CH	CH		NO	2
			HNO		3
CH	CH	CH	3			CH
			o
3	2	3				3
			100-140	C	CH	CH		NO
									2
					3	2
					CH	NO	2
					3

При обычных условиях на алканы не действуют ни кислород воздуха, ни

такие сильные окислители, как, например, концентрированный раствор KMnO4

(перманганат калия). Только при нагревании окислители действуют на алканы,

при этом происходит расщепление углеродной цепи и образуются карбоновые кислоты:

O2

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

2 CH3

CH2

COOH

t, кат.

Так в промышленности осуществляется окисление твердых парафиновых углеводородов, выделенных из керосино-газойлевых фракций нефтей.

Окисление проводят кислородом воздуха при температуре 100-150°С на катализаторах. При этом получают высшие жирные кислоты (с числом атомов

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

28

углерода C10-С20), которые далее используются для получения мыла и других поверхностно-активных веществ.

При температурах выше 400-450 С алканы (за исключением метана,

этана, пропана) неустойчивы и подвергаются расщеплению в основном по связям С-С с образованием молекулы алкана и алкена меньшей молекулярной массы.

o

t

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

+ CH

CH

CH

3

2

2

2

2

3

3

2

3

2

3

н-гексан

н-пропан

пропен

На этом основаны процессы крекинга, с помощью которых в промышленности из высокомолекулярных нефтяных продуктов, кипящих при температурах выше 300°С (например, мазут) получают низкомолекулярные продукты, такие как газ, бензин.

Контрольные вопросы

1.Какие углеводороды называют алифатическими? Чем отличаются парафиновые, предельные и насыщенные углеводороды?

2.Назовите основные правила названия предельных углеводородов.

3.Перечислите десять первых радикалов алканов.

4.Назовите основные источники алканов.

5.Укажите лабораторные методы получения алканов.

6.Укажите основные химические свойства алканов. Какие реакции для них характерны?

7.В чем состоит взаимодействие алканов с мочевиной? С тиомочевиной?

8.Что такое клатратные соединения?

9.В чем заключается депарафинизация нефтей с помощью мочевины?

Задачи

47. Назовите по систематической номенклатуре углеводороды:

a) CH3

CH

CH

CH2

CH

CH3

CH3

CH3

CH3

б) CH3

C

CH2

C

CH2

CH

CH3

CH3

CH2

CH3

CH3

CH2

CH3

CH3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

29

		CH					CH			СН		СH		CH		CH
							3			2		2				3
		3
в	) CH	C		CH CH		г) CH	C		CH	C CH			CH		CH
						3			2			2		2
	3			3												3
		CH		CH		CH	CH			CH			CH
						3	2			3				3
		3		3

48. Напишите структурные формулы углеводородов: а) 2,5-диметилгексан; б) З-

метил-3-этилпентан; в) 2-метил-4-изопропилгептан; г) 3-этилундекан; д)

2,4-диметил-4-этилоктан.

49. Напишите структурные формулы изомерных углеводородов состава C6H14

Назовите их. Укажите изомеры, содержащие третичные атомы углерода.

50. Укажите ошибки в названиях следующих углеводородов, дайте правильные названия: а) 2-этил-6-изопропилгексан; б) 2,2-диметил-1-изопропилпентан;

в) 4-изобутил-7,7-диметилоктан.

51. Напишите формулы радикалов: метила, этила, н-бутила, амила, изо-

пропила, изо-бутила, втор-бутила, трет-бутила.

52. Напишите структурные формулы всех пентанов; назовите каждый изомер по рациональной и международной номенклатурам.

53. Напишите структурные формулы и назовите по международной номенклатуре следующие парафины: а) триметилэтилметан; б)

диметилдиэтилметан; в) метилдиэтилизопропилметан; г)

диметилдиизопропилметан; д) триизопропилметан.

54. Назовите все соединения по рациональной и международной номенклатурам:

C H						C H				CH	C H			CH
		C H				2	5
2	5									3	3	7		3
		2	5										;	CH	C	CH .
			;	CH	CH	C		CH		;	C
	C													3		2
				3				2						CH
C H										CH	C H
		C H												3		CH
					CH	C H		C H		3
2	5	2	5								2	5				3
					3	2	5	2	5

55. Напишите уравнения реакций последовательного окисления метана бромом и назовите все бромпроизводные.

56. Как можно получить пропан и бутан, если даны следующие вещества:

метан, металлический натрий, хлор? Укажите условия проведения реакций. 57. Какой объем метана выделится: а) при гидролизе Аl4С3 массой 72 г; б) из

безводного ацетата натрия массой 4,1 г?