Алканы Органическая химия Мы приступаем к новому разделу - органической химии. Совершенно необязательно (и даже преступно по отношению к собственному времени!) знать наизусть, зубрить свойства органических веществ. По мере изучения вы поймете, что свойства вещества определяются его строением, и научитесь легко предсказывать ход реакций ;) В этой связи особый интерес представляет теория химического строения, которая была создана А.М. Бутлеровым в 1861 году. Она включает в себя несколько основных положений: Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности, в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов отражает химическое строение. Зная свойства веществ, можно установить их химическое строение, и наоборот, зная строение вещества можно сделать вывод о его свойствах. Атомы или группы атомов оказывают взаимное влияние друг на друга непосредственно или через другие атомы Свойства вещества зависят от количественного и качественного состава, а также от химического строения молекулы Алканы (парафины) - насыщенные углеводороды, имеющие линейное или разветвленное строение, содержащие только простые связи. Относятся к алифатическим углеводородам, так как не содержат ароматических связей. Алканы являются насыщенными соединениями - содержат максимально возможное число атомов водорода. Общая формула их гомологического ряда - CnH2n+2. Номенклатура алканов Номенклатура (от лат. nomen - имя + calare - созывать) - совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса "ан": метан, этан, пропан, бутан и т.д. Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH2 Перечисленные выше алканы, являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos - соответственный). Названия алканов формируются по нескольким правилам. Если вы знаете их, можете пропустить этот пункт, однако я должен познакомить читателя с ними. Итак, алгоритм составления названий следующий: В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал) В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д. Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи Внимательно изучите составленные для различных веществ названия ниже. В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Изомерами (греч. isomeros - составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия). Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной (геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах. В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана C5H12 существует 3 структурных изомера. Некоторые данные, касающиеся алканов, надо выучить: В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм Тип гибридизации атомов углерода - sp3 Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28' Природный газ и нефть Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения. В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C8H18, C12H26. Путем крекинга из нефти получают алканы. Получение алканов В промышленности алканы получают путем: Крекинга нефти В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен. C8H18 → C4H8 + C4H10 C12H26 → C6H12 + C6H14 Гидрогенизацией угля (торфа, сланца) C + H2 → (t, p) CH4 Гидрированием оксида углерода II CO + H2 → (t, p, кат.) CH4 + H2O В лабораторных условиях алканы получают следующими способами: Синтез Дюма Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан. Реакция Вюрца Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена. Синтез Гриньяра В ходе синтеза Гриньяра с помощью реактива Гриньяра (алкилмагнийгалогенида) получают различные органические соединения, в том числе несимметричные (в отличие от реакции Вюрца). На схеме выше мы сначала получили реактив Гриньяра, а потом использовали его для синтеза. Однако можно записать получение реактива Гриньяра и сам синтез в одну реакцию, как показано на примерах ниже. Синтез Кольбе В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов. Разложение карбида алюминия В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия. Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3 Гидрированием ненасыщенных углеводородов CH3-CH=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH2-CH3 CH2=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH3 Химические свойства алканов Алканы - насыщенные углеводороды, не вступают в реакции гидрирования (присоединения водорода), гидратации (присоединения воды). Для алканов характерны реакции замещения, а не присоединения. Галогенирование Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода, чуть труднее - у вторичного и значительно труднее - у первичного. Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы, которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода. Нитрование (реакция Коновалова) Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму. CH3-CH3 + HNO3(разб.) → CH3-CH2-NO2 + H2O Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту - HNO3 - можно представить как HO-NO2. Окисление Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды. С3H8 + O2 → CO2 + H2O В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты. CH4 + O2 → CH3-OH (метанол) Пиролиз Пиролиз (греч. πῦρ - огонь + λύσις - разложение) - термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное отличие пиролиза от горения - в отсутствии кислорода. CH4 → (t > 1000°С) C + H2 CH4 → (t = 1500-1600°С) CH≡CH + H2↑ CH4 → (t = 1200°С, кат.) CH2=CH2 + H2↑ C2H6 → (t = 1200°С, кат.) CH2=CH2 + H2↑ Изомеризация В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl3. Крекинг Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их химическое свойство. C8H18 → (t) C4H10 + C4H8 C14H30 → (t) C7H14 + C7H16
