Алканами называются предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только простые связи С-С. Общая формула алканов - Сn
Н2
n
+2
. Названия простейших алканов сложились исторически, для остальных - производятся от греческих числительных добавлением суффикса -
ан
.
| СН4
|
метан | С5
Н10 |
пентан | С9
Н20 |
нонан |
| С2
Н6 |
этан | С6
Н12 |
гексан | С10
Н22 |
декан |
| С3
Н8 |
пропан | С7
Н16 |
гептан | С11
Н24 |
ундекан |
| С4
Н10 |
бутан | С8
Н18 |
октан | С12
Н26 |
додекан |
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 С16
Н34
- жидкости, остальные - твердые вещества. Все они нерастворимы в воде.
Получение
I. Основной промышленный метод - переработка нефти и газа:
перегонка -
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
¾® СН4 .
нагреванием оксида углерода(П) с водородом
в присутствии катализатора:
nСО + (2n+1) H2
¾®Cn
H2
n
+2
+nН2
0
II. Лабораторные методы.
Восстановление непредельных соединений
:
Сплавление натриевых солей карбоновых кислот со щелочью
:
Взаимодействие галогенопроизводных с металлическим натрием (реакция Вюрца):
СНз¾Вг + 2 Na + Br-CH3
¾® СНз¾СНз + 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.
CH3
¾CH3
+ Cl2
¾® CH3
¾CH2
¾Cl + HCl (SR
)
Каждая такая реакция протекает в соответствии с цепным свободно-радикальным механизмом:
Инициирование цепи:
Рост цепи:
Обрыв цепи:
2)Нитрование (реакция Коновалова).
Взаимодействие алканов с разбавленной азотной кислотой (12%) при повышенных температуре и давлении.
СНз¾СНз+ HO¾NO2
¾®CH3
¾CH2
¾NO2
+Н2
O
3)
Окисление.
Мягкие 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 Cn
H2
n
, т.е. циклоалканы изомерны алкенам. Названия образуются прибавлением приставки цикло- к названию соответвующего алкана.
Циклопропан
оказывает сильное наркотическое действие, применяется при хирургических операциях. Циклопентатвые
и циклогексановые
кольца содержатся в некоторых природных веществах.
Получение
Действие металлического цинка на дигалогенпроизводные.
Гидрирование ароматических углеводородов.
Химические свойства
Химические свойства циклоалканов аналогичны реакциям алканов, но для малых циклов (циклопропан, циклобутан) характерны реакции присоединения с разрывом цикла.
Непредельные углеводороды
Алкены
Углеводороды, содержащие двойную связь С=С, называются алкенами
или этиленовыми углеводородами. Общая формула класса – Сn
Н2
n
.
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
Дегидрирование алканов при повышенном давлении и температуре в присутствии катализатора (обычно Pt):
Неполное 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:
дегидрогалогенирование моногалогенопроизводных действием спиртового раствора щелочи:
Действие металлического цинка на дигалогенопроизводные:
Химические свойства
Двойная связь в алкенах состоит из s- и p-связей. p-Связь, образованная боковым перекрыванием негибридных р-орбиталей, менее прочна и легко разрывается под действием многих реагентов. Поэтому для алкенов характерны реакции присоединения с разрывом p-связи AE
. Так как p-связь является областью с повышенной электронной плотностью, реагентом в
данных реакциях служит злектрофил
(положительно заряженная частица):
Гидрирование
в присутствии катализаторов - Pt, Pd, Ni (см. химические свойства алканов).
Галогенирование:
Обесцвечивание бромной воды (при обычных условиях) является качественной реакцией на кратную связь.
3)Гидрогалогенирование. -
происходит в соответствии с правилом Марковникова:
Присоединение полярных реагентов к несимметричной кратной связи происходит так, чтобы атом водорода присоединялся к наиболее гидрированному атому углерода.
4)Гидратация.
Протекает при нагревании в присутствии кислот (по правилу Марковникова).
Полимеризация:
6) Окисление.
Алкены обесцвечивают водный раствор перманганата калия, сами при этом окисляясь до двухатомных спиртов - гликолей.
В присутствии металлического серебра образуются эпоксиды (a-окиси):
Диеновые углеводороды
Углеводороды, которые содер
(более двух - полценами).
Общая формула гомологического ряда диенов Cn
H2
n
-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
; s; p; pCопряжение:
Способы получения
Одновременная дегидратация и дегидрирование двух молекул этилового спирта (синтез Лебедева):
Внутримолекулярной дегидратацией диолов:
Получение изопрена из пропилена:
Химические свойства сопряжённых диенов
Наиболее 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:
Примером 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 - Сn
Н2
n
-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
Получение ацетилена:
Синтез гомологов ацетилена
.
а) дегидрогалогенирование дигалогенпроизводных:
б) Алкилированием ацетиленидов галогеналкилами:
Химические свойства
Гидрирование (проходит в два этапа):
Галогенирование (проходит в два этапа):
Гидрогалогенирование (проходит в два этапа):
Присоединение водородсодержащих реагентов к несимметричным алкинам происходит по правилу Марковникова.
Реакция гидратации
(реакция Кучерова)
протекает в присутствии солей
двухвалентной ртути и приводит к непредельному спирту, изомеризующемуся в карбонильное соединение.
Реакции замещения
водорода у концевой тройной связи:
Благодаря 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.
Димеризацией ацетилена получают винилацетилен (исходное вещество для синтеза некоторых диеновых полимеров), тримеризация приводит к бензолу, а полимеризация дает химически активные полимеры.
Окисление
ацетилена водным раствором перманганата калия приводит к щавелевой кислоте. Обесцвечивание раствора КмnО4
является качественной реакцией на двойную и тройную связи.
Арены
Арены -
углеводороды, в состав которых входят циклы из шести атомов углерода, содержащие по три сопряженные двойные связи. Простейшим ареном является бензол С6
Н6
. Все атомы углерода в этом соединении находятся в состоянии sp2
-гибpидизaции, а молекула имеет плоскую структуру с углами 1200
, что приводит к выравниванию связей по всему кольцу и образованию единого облака p-электронов над и под плоскостью молекулы (отображается кольцом в формуле молекул). Соединения с такой структурой называют ароматическими.
Для дизамещенных гомологов возможна изомерия расположения групп. Различное взаимное расположение групп носит название орто-, мета- и пара:
орто
-ксилол мета
-ксилол пара
-ксилол
1,2-диметилбензол 1,3-диметилбензол 1,3-диметилбензол
Бензол и его гомологи, содержащие до 10 атомов углерода - жидкости, далее - твердые вещества.
Получение
Из природных источников –
нефть, каменный уголь.
Дегидрирование циклоалканов и алканов:
Тримеризация алкинов
(см. «Химические свойства алкинов»).
Гомологи бензола получают алкилированием бензола:
Химические свойства
I. Реакции электрофильного замещения.
Ароматическая система связей в бензоле приводит к особому типу реакций - реакциям замещения в бензольном кольце. При этом двойные связи не разрываются, а происходит замещение атомов водорода с сохранением ароматического цикла.
Галогенирование:
Проводится в присутствии катализатора А1С13
, А1Вг3
или FeВг3
.
Реакция протекает по следующему механизму:
Образование электрофильной частицы Вг+
.
Координация электрофильной частицы к электронной плотности бензольного кольца (образование p-комплекса).
Присоединение частицы (образование s-комплекса).
Стабилизация неустойчивого s-комплекса с выбросом протона.
Регенерация катализатора.
Нитрование:
Протекает под действием смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь).
Сульфирование
под действием концентрированной серной кислоты:
Алкилирование:
Те же реакции замещения идут и для гомологов бензола, причем образуется смесь продуктов орто- и пара-замещения. Например, нитрование толуола приводит к орто- и пара-нитротолуолу:
Ill Реакции присоединения (немногочисленны).
Гидрирование (
в присутствии катализатора).
2)
Присоединение галогенов.
При интенсивном освещении бензол может присоединять три молекулы хлора, превращаясь в гексахлорциклогексан. Гомологи бензола на свету хлорируются иначе, замещая атом водорода в алкильном радикале в бензильном положении.
III. Реакции окисления.
Бензол устойчив к действию мягких окислителей, а его гомологи окисляются до бензойной кислоты.
Галогенопроизводные углеводородов
Способы получения
Прямое галогенирование алканов:
Галогенирование и гидрогалогенирование алкенов:
Гидрогалогенирование алкинов:
4) Из спиртов:
Химические свойства
Реакции нуклеофильного замещения:
Образование магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра):
эфир
CH3
¾CH2
¾Cl + Mg ¾® CH3
¾CH2
¾MgCl
Дегидрогалогенирование
:
NaOH
CH3
¾CH2
Cl¾СH2
¾CH3
¾® CH3
¾CH=CH¾CH3
Спирт