Учебное пособие: Предельные углеводороды
Предельные углеводороды
Алканами называются предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только простые связи С-С. Общая формула алканов - СnН2n+2. Названия простейших алканов сложились исторически, для остальных - производятся от греческих числительных добавлением суффикса - ан.
|
СН4 |
метан |
С5Н10 |
пентан |
С9Н20 |
нонан |
|
С2Н6 |
этан |
С6Н12 |
гексан |
С10Н22 |
декан |
|
С3Н8 |
пропан |
С7Н16 |
гептан |
С11Н24 |
ундекан |
|
С4Н10 |
бутан |
С8Н18 |
октан |
С12Н26 |
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 С16Н34 - 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® CnH2n+2 + nН20
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.
CH3¾CH3 + Cl2 ¾® CH3¾CH2¾Cl + 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® CH3¾CH2¾NO2 + Н2O
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 CnH2n, 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 – СnН2n.
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 содержат две двойные связи, называют диенами (более двух - полценами). Общая формула гомологического ряда диенов CnH2n-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; p Cопряжение:
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 - СnН2n-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 С6Н6. 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
CH3¾CH2¾Cl + Mg ¾® CH3¾CH2¾MgCl
Дегидрогалогенирование:
NaOH
CH3¾CH2Cl¾СH2¾CH3 ¾® CH3¾CH=CH¾CH3
Спирт
| Природные источники углеводородов | |
|
МОСКОВСКИЙ КОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ ЮГО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ Средняя общеобразовательная школа №506 с углубленным изучением экономики Глава 1 ... Такие алканы и алкены обычно имеют от двух до четырех атомов углерода. В некоторых случаях в реакционную систему вводят водород, чтобы предотвратить полное разложение алкана до углерода и поддержать активность катализатора. |
Раздел: Рефераты по химии Тип: реферат |
| Органическая химия | |
|
Контрольная работа №1 1 Приведите проекционные формулы оптических изомеров соединений Определите, число изомеров и укажите, какие из них являются ... 7 Установите строение углеводорода С6Н10, если известно, что он обесцвечивает бромную воду, образует красный осадок с аммиачным раствором оксида меди (I), а в результате ... Замещение проходит по положению 2, если оно занято, замещаются атомы у третьего атома углерода |
Раздел: Рефераты по химии Тип: контрольная работа |
| Органическая химия | |
|
1. Определение понятия "Органическая химия" Из всего многообразия химических соединений большая часть (свыше четырех миллионов) содержит углерод ... Нециклические углеводороды могут иметь не-разветвленную цепь углеродных атомов (молекулы нормального строения) и разветвлённую (молекулы изостроения), В зависимости от типа связей ... Бензол занимает промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами, т.к. вступает в реакцию замещения (протекает легко) и присоединения (протекает трудно). |
Раздел: Рефераты по химии Тип: учебное пособие |
| Система контрольных и зачетных работ по химии для учащихся 10-12 ... | |
|
Ульяновский институт повышения квалификации и переподготовки работников образования Кафедра естествознания Выпускная работа слушателя курсов повышения ... а) простое вещество б) сложное вещество класса алкенов в) смесь углеводородов, основу которой составляют алканы линейного и разветвленного строенияг) смесь алкенов. 3. Определите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором 0,857 и относительная плотность по водороду равна 21. |
Раздел: Рефераты по педагогике Тип: дипломная работа |
| Формирование основных понятий о высокомолекулярных веществах в курсе ... | |
|
"Формирование основных понятий о ВМС в курсе средней школы с экологической составляющей" СОДЕРЖАНИЕ Содержание Глава 1. МЕСТО СИНТЕТИЧЕСКИХ ... В органической химии различают предельные углеводороды (алканы), непредельные (алкены, алкадиены и алкины) и ароматические углеводороды. Общая формула углеводородов, содержащих одну двойную связь (алкенов) - CnH2n. |
Раздел: Рефераты по педагогике Тип: курсовая работа |