Алканите са наситени въглеводороди. В своите молекули атомите имат единични връзки. Структурата се определя от формулата CnH2n+2. Нека разгледаме алканите: Химични свойства, видове, приложение.

В структурата на въглерода има четири орбити, в които се въртят атомите. Орбиталите имат еднаква форма и енергия.

Забележка!Ъглите между тях са 109 градуса и 28 минути, те са насочени към върховете на тетраедъра.

Единичната въглеродна връзка позволява на молекулите на алкана да се въртят свободно, карайки структурите да приемат различни форми, образувайки върхове при въглеродните атоми.

Всички алканови съединения се разделят на две основни групи:

1. Алифатни въглеводороди. Такива структури имат линейна връзка. Общата формула изглежда така: CnH2n+2. Стойността на n е равна на или повече от един, означава броя на въглеродните атоми.
2. Циклоалкани с циклична структура. Химичните свойства на цикличните алкани се различават значително от свойствата на линейните съединения. Формулата на циклоалканите ги прави до известна степен подобни на въглеводородите, които имат тройна атомна връзка, т.е. алкини.

Видове алкани

Има няколко вида алканови съединения, всяко от които има своя собствена формула, структура, химични свойства и алкилов заместител. Таблицата съдържа хомоложни серии

Име на алкани

Общата формула на наситените въглеводороди е CnH2n+2. Чрез промяна на стойността на n се получава съединение с проста междуатомна връзка.

Полезно видео: алкани - молекулярна структура, физични свойства

Видове алкани, варианти на реакция

В естествени условия алканите са химически инертни съединения. Въглеводородите не реагират при контакт с концентрат на азотна и сярна киселина, алкали и калиев перманганат.

Единичните молекулни връзки определят реакциите, характерни за алканите. Алканните вериги се характеризират с неполярни и слабо поляризуеми връзки. Малко по-дълъг е от S-N.

Обща формула на алкани

Реакция на заместване

Парафиновите вещества се характеризират с незначителна химична активност. Това се обяснява с повишената здравина на верижната връзка, която не е лесно да се счупи. За разрушаването се използва хомологичен механизъм, в който участват свободните радикали.

За алканите реакциите на заместване са по-естествени. Те не реагират на водни молекули и заредени йони. По време на заместването водородните частици се заменят с халоген и други активни елементи. Сред тези процеси са халогениране, нитридиране и сулфохлориране. Такива реакции се използват за образуване на алканови производни.

Заместването на свободните радикали протича в три основни етапа:

1. Появата на верига, на базата на която се създават свободни радикали. Топлината и ултравиолетовата светлина се използват като катализатори.
2. Развитие на верига, в структурата на която възникват взаимодействия на активни и неактивни частици. Така се образуват молекулите и радикалните частици.
3. Накрая веригата се къса. Активните елементи създават нови комбинации или изчезват напълно. Верижната реакция приключва.

Халогениране

Процесът се извършва според радикалния тип. Халогенирането се извършва под въздействието на ултравиолетово лъчение и термично нагряване на въглеводородна и халогенна смес.

Целият процес следва правилото на Марковников. Неговата същност се състои в това, че водородният атом, принадлежащ на хидрогенирания въглерод, е първият, който претърпява халогениране. Процесът започва с третичен атом и завършва с първичен въглерод.

Сулфохлориране

Друго име е реакцията на Рийд. Осъществява се по метода на свободнорадикалното заместване. Така алканите реагират на комбинацията от серен диоксид и хлор под въздействието на ултравиолетово лъчение.

Реакцията започва със задействане на верижен механизъм. По това време два радикала се освобождават от хлора. Действието на единия е насочено към алкана, което води до образуването на молекула хлороводород и алкилов елемент. Друг радикал се комбинира със серен диоксид, създавайки сложна комбинация. За да се постигне равновесие, един хлорен атом се отстранява от друга молекула. Резултатът е алкан сулфонил хлорид. Това вещество се използва за производство на повърхностно активни вещества.

Сулфохлориране

Нитриране

Процесът на нитриране включва комбинирането на наситени въглероди с газообразен четиривалентен азотен оксид и азотна киселина, доведени до 10% разтвор. За да се осъществи реакцията, ще е необходимо ниско нивоналягане и висока температура, приблизително 104 градуса. В резултат на нитриране се получават нитроалкани.

Разделяне

Реакциите на дехидрогениране се извършват чрез разделяне на атоми. Молекулярната частица на метана се разлага напълно под въздействието на температурата.

Дехидрогениране

Ако водородният атом се отдели от въглеродната решетка на парафина (с изключение на метана), се образуват ненаситени съединения. Тези реакции се провеждат при условия на значителни температурни условия (400-600 градуса). Използват се и различни метални катализатори.

Алканите се получават чрез хидрогениране наситени въглеводороди.

Процес на разлагане

Под въздействието на температурите по време на алкановите реакции молекулните връзки могат да се разкъсат и да се освободят активни радикали. Тези процеси са известни като пиролиза и крекинг.

Когато реакционният компонент се нагрее до 500 градуса, молекулите започват да се разлагат и на тяхно място се образуват сложни радикални алкилови смеси. Алканите и алкените се получават индустриално по този начин.

Окисляване

Това химична реакция, базиран на даряването на електрони. Парафините се характеризират с автоокисление. Процесът използва окисление на наситени въглеводороди от свободни радикали. Алкановите съединения в течно състояние се превръщат в хидропероксид. Първо, парафинът реагира с кислорода. Образуват се активни радикали. След това алкиловите видове реагират с втора кислородна молекула. Образува се пероксиден радикал, който впоследствие взаимодейства с молекулата на алкана. В резултат на процеса се отделя хидропероксид.

Реакция на окисляване на алкани

Приложения на алкани

Въглеродните съединения имат широко приложениев почти всички основни области на човешкия живот. Някои видове съединения са незаменими за определени индустрии и комфортното съществуване на съвременния човек.

Газообразните алкани са в основата на ценни горива. Основният компонент на повечето газове е метанът.

Метанът има способността да създава и освобождава големи количества топлина. Поради това се използва в значителни количества в промишлеността и за битова консумация. При смесване на бутан и пропан се получава добро битово гориво.

Метанът се използва при производството на следните продукти:

• метанол;
• разтворители;
• фреон;
• мастило;
• гориво;
• синтез газ;
• ацетилен;
• формалдехид;
• мравчена киселина;
• пластмаса.

Приложение на метан

Течните въглеводороди са предназначени за създаване на гориво за двигатели и ракети и разтворители.

Висшите въглеводороди, където броят на въглеродните атоми надвишава 20, участват в производството на смазочни материали, бои и лакове, сапуни и детергенти.

Комбинация от мастни въглеводороди с по-малко от 15 Н атома е вазелиново масло. Тази безвкусна прозрачна течност се използва в козметиката, при създаването на парфюми и за медицински цели.

Вазелинът е резултат от комбинация от твърди и мастни алкани с по-малко от 25 въглеродни атома, участващи в създаването на медицински мехлеми.

Парафинът, получен чрез комбиниране на твърди алкани, е твърда маса без вкус, бялои без аромат. Веществото се използва за производство на свещи, импрегниращо вещество за опаковъчна хартия и кибрит. Парафинът е популярен и за топлинни процедури в козметологията и медицината.

Забележка!Смесите от алкани се използват и за производство на синтетични влакна, пластмаси, детергенти и каучук.

Халогенираните алканови съединения служат като разтворители, хладилни агенти, а също и като основно вещество за по-нататъшен синтез.

Полезно видео: алкани - химични свойства

Заключение

Алканите са ациклични въглеводородни съединения с линейна или разклонена структура. Между атомите се установява единична връзка, която не може да бъде разкъсана. Реакции на алкани, базирани на заместване на молекули, характерни за този тип съединения. Хомоложната серия има обща структурна формула CnH2n+2. Въглеводородите принадлежат към наситения клас, тъй като съдържат максимално допустимия брой водородни атоми.

Във връзка с

АЛКАНИ (наситени въглеводороди, парафини)

• Алканите са алифатни (ациклични) наситени въглеводороди, в които въглеродните атоми са свързани заедно чрез прости (единични) връзки в прави или разклонени вериги.

Алкани– наименованието на наситените въглеводороди според международната номенклатура.
Парафини– исторически установено име, отразяващо свойствата на тези съединения (от лат. parrum affinis– с малък афинитет, ниска активност).
Лимит, или наситен, тези въглеводороди са наречени поради пълното насищане на въглеродната верига с водородни атоми.

Най-простите представители на алканите:

Модели на молекули:

Когато се сравняват тези съединения, става ясно, че те се различават едно от друго по група -CH 2 - (метилен). Добавяне на друга група към пропан -CH 2 -, получаваме бутан C 4 H 10, след това алкани C 5 H 12, C 6 H 14и т.н.

Сега можем да изведем общата формула на алканите. Броят на въглеродните атоми в серията от алкани се приема за н , тогава броят на водородните атоми ще бъде 2n+2 . Следователно съставът на алканите съответства на общата формула C n H 2n+2.
Затова често се използва следното определение:

Алкани- въглеводороди, чийто състав се изразява с общата формула C n H 2n+2, Където н – брой въглеродни атоми.

Строеж на алкани

Химическа структура(редът на свързване на атомите в молекулите) на най-простите алкани - метан, етан и пропан - са показани чрез техните структурни формули, дадени в раздел 2. От тези формули става ясно, че има два вида алкани химически връзки:

S–SИ S–H.

C–C връзката е ковалентна неполярна. C–H връзката е ковалентна, слабо полярна, т.к въглеродът и водородът са близки по електроотрицателност (2,5 за въглерод и 2,1 за водород). Образуването на ковалентни връзки в алкани поради споделени електронни двойки от въглеродни и водородни атоми може да се покаже с помощта на електронни формули:

Електронни и структурни формули отразяват химическа структура, но не дават представа за пространствена структура на молекулите, което значително влияе върху свойствата на веществото.

Пространствена структура, т.е. взаимно споразумениеатоми на една молекула в пространството зависи от ориентацията на атомните орбитали (АО) на тези атоми. Във въглеводороди Главна роляПространствената ориентация на въглеродните атомни орбитали играе роля, тъй като сферичният 1s-AO на водородния атом няма специфична ориентация.

Пространствено разположениеАО на въглерода от своя страна зависи от вида на неговата хибридизация (част I, раздел 4.3). Наситеният въглероден атом в алканите е свързан с четири други атома. Следователно състоянието му съответства на sp 3 хибридизация (част I, раздел 4.3.1). В този случай всеки от четирите sp 3 -хибридни въглеродни АО участва в аксиално (σ-) припокриване с s-AO на водород или с sp 3 -AO на друг въглероден атом, образувайки σ -С-Н връзкиили S-S.

Четирите σ-връзки на въглерода са насочени в пространството под ъгъл 109 около 28", което съответства на най-малкото отблъскване на електрони. Следователно молекулата на най-простия представител на алканите - метан CH4 - има формата на тетраедър, в центъра на който има въглероден атом, а във върховете има водородни атоми:

Ъгъл на свързване N-C-H е равно 109 o 28". Пространствената структура на метана може да бъде показана с помощта на обемни (мащаб) и модели с топка и пръчка.

За запис е удобно да се използва пространствена (стереохимична) формула.

В молекулата на следващия хомолог - етан C 2 H 6 - два тетраедрични sp 3 въглеродни атома образуват по-сложна пространствена структура:

Молекулите на алканите, съдържащи повече от 2 въглеродни атома, се характеризират с извити форми. Това може да се покаже с пример н-бутан (VRML модел) или н-пентан:

Изомерия на алкани

• Изомерията е явлението на съществуването на съединения, които имат еднакъв състав (еднакъв молекулярна формула), но различна структура. Такива връзки се наричат изомери.

Разликите в реда, в който атомите се комбинират в молекулите (т.е. химичната структура) водят до структурна изомерия. Структурата на структурните изомери се отразява чрез структурни формули. В редицата на алканите структурна изомериясе проявява, когато веригата съдържа 4 или повече въглеродни атома, т.е. започвайки с бутан C4H10.
Ако в молекули същия състави една и съща химическа структура са възможни различни относителни позиции на атомите в пространството, тогава се наблюдава пространствена изомерия (стереоизомерия). В този случай използването на структурни формули не е достатъчно и трябва да се използват молекулярни модели или специални формули - стереохимични (пространствени) или проекционни.

Алканите, като се започне с етан H 3 C–CH 3, съществуват в различни пространствени форми ( конформации), причинени от вътрешномолекулно въртене по C–C σ връзки, и показват т.нар. ротационна (конформационна) изомерия.

Освен това, ако една молекула съдържа въглероден атом, свързан с 4 различни заместителя, е възможен друг тип пространствена изомерия, когато два стереоизомера се отнасят един към друг като обект и негов огледален образ (подобно на това как лява ръкасе отнася за дясната). Такива различия в структурата на молекулите се наричат оптична изомерия.

Структурна изомерия на алкани

• Структурните изомери са съединения с еднакъв състав, които се различават по реда на свързване на атомите, т.е. химическа структурамолекули

Причината за проявата на структурна изомерия в серията алкани е способността на въглеродните атоми да образуват вериги с различна структура изомерия на въглероден скелет.

Например, алкан със състав C4H10 може да съществува във формата двеструктурни изомери:

и алкан C 5 H 12 - във формата триструктурни изомери, различаващи се в структурата на въглеродната верига:

С увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулите се увеличават възможностите за разклоняване на веригата, т.е. броят на изомерите нараства с броя на въглеродните атоми.

Структурните изомери се различават физични свойства. Алканите с разклонена структура, поради по-малкото опаковане на молекулите и съответно по-малките междумолекулни взаимодействия, кипят при по-ниска температура от техните неразклонени изомери.

При извеждане на структурните формули на изомерите се използват следните техники.

Алканите са наситени въглеводороди, в молекулите на които всички въглеродни атоми са заети чрез прости връзки от водородни атоми. Следователно хомолозите от серията метан се характеризират със структурна изомерия на алкани.

Изомерия на въглероден скелет

Хомолозите с четири или повече въглеродни атома се характеризират със структурен изомеризъм, дължащ се на промени във въглеродния скелет. Метиловите групи -СН2 могат да се прикрепят към всеки въглерод от веригата, образувайки нови вещества. Колкото повече въглеродни атоми във веригата, толкова повече изомери хомолози могат да образуват. Теоретичният брой хомолози се изчислява математически.

Ориз. 1. Приблизителен брой изомери на хомолози на метан.

В допълнение към метиловите групи, дългите въглеродни вериги могат да бъдат прикрепени към въглеродни атоми, образувайки сложни разклонени вещества.

Примери за изомерия на алкани:

• нормален бутан или n-бутан (CH3-CH2-CH2-CH3) и 2-метилпропан (CH3-CH(CH3)-CH3);
• n-пентан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилбутан (CH3-CH2-CH(CH3)-CH3), 2,2-диметилпропан (CH3-C (CH3)2-CH3);
• n-хексан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилпентан (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-метилпентан ( CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3), 2,3-диметилбутан (CH 3 -CH(CH 3)-CH(CH 3)-CH 3), 2,2-диметилбутан ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).

Ориз. 2. Примери за структурни изомери.

Разклонените изомери се различават от линейните молекули по физични свойства. Разклонените алкани се топят и кипят при по-ниски температури от техните линейни двойници.

Номенклатура

Международната номенклатура на IUPAC е установила правила за именуване на разклонени вериги. За да назовем структурен изомер:

• намерете най-дългата верига и я назовете;
• номерирайте въглеродните атоми, като започнете от края с най-много заместители;
• посочете броя на еднаквите заместители, като използвате цифрови префикси;
• дайте имена на заместниците.

Името се състои от четири части, следващи една след друга:

• числа, обозначаващи атомите на веригата, които имат заместители;
• цифрови префикси;
• име на заместника;
• име на главната верига.

Например в молекулата CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 основната верига има пет въглеродни атома. Значи това е пентан. Десният край има повече разклонения, така че номерирането на атомите започва от тук. В този случай вторият атом има два еднакви заместителя, което също се отразява в името. Оказва се, че това вещество се нарича 2,2,4-триметилпентан.

Различните заместители (метил, етил, пропил) са изброени в името по азбучен ред: 4,4-диметил-3-етилхептан, 3-метил-3-етилоктан.

Обикновено се използват цифрови префикси от две до четири: ди- (две), три- (три), тетра- (четири).

Какво научихме?

Алканите се характеризират със структурна изомерия. Структурните изомери са характерни за всички хомолози, като се започне от бутана. При структурната изомерия заместителите се свързват с въглеродни атоми във въглеродната верига, образувайки сложни разклонени вериги. Името на изомера се състои от имената на основната верига, заместителите, словесното обозначение на броя на заместителите и цифровото обозначение на въглеродните атоми, към които са прикрепени заместителите.

Алканите са ациклични въглеводороди с линейна или разклонена структура, съдържащи само прости връзкии образуване на хомоложна серия с обща формула CnH2n+2 (CH4, C2C6, ...). Алканите се наричат ​​още парафини. Всеки въглероден атом в молекулата на алкан има максимален брой други атоми, свързани с него, тоест четири, поради което такива въглеводороди се наричат ​​наситени.

Връзки

Електронната конфигурация на въглероден атом с атомен номер 6, 1s 2 2s 2 2p 2, не може да образува четири връзки, а само две, така че тук е настъпила sp 3 хибридизация, тоест преразпределението на четири електрона от два различни енергийни ниваза един. Електронните връзки, образувани между въглерод (от sp 3 орбитала) и водород (от s орбитала), образуват много силна σ връзка. Поради силата на връзката, наситените въглеводороди имат ниска реактивност.

Геометрия

Наличието на четири орбитали на въглероден атом създава формата на правилен тетраедър и всички ъгли между орбиталите са 109°28". Дължината на връзката между въглеродните и водородните атоми е 0,109 nm, между два въглеродни атома - 0,154 nm.

Реакции

Атомите в молекулите на алканите са свързани чрез силна σ връзка. В реакция C-C връзкии C-H са еднакво вероятно да се разпаднат, за да образуват ново съединение, така че реакцията винаги води до сложна смес от продукти. При нормални условия алканите не реагират с киселини, основи или силни окислители.

Когато връзката е скъсана в алкани, са възможни два сценария: скъсване на връзката с образуването на два радикала, A: B → A + B. Такова скъсване се нарича хомолитично (homo - идентично). В друг случай възниква празнина с образуването на йони, когато обща двойка електрони отива към един от атомите: A: B → A + : B, такава празнина се нарича хетеролитична. Видовете реакции на алканите се наричат ​​съответно: хомолитични и хетеролитични реакции.

На този моментИма два вида реакции на алкани, при които С-С връзките не се разкъсват - халогениране и нитриране. По-долу са дадени примери за метанови реакции.

Халогениране

Реакцията на халогениране протича при температура 300-400°C или под въздействието на ултравиолетови лъчи. По време на реакцията се образуват халогенирани алкани. Най-честите реакции са с хром и бром; реакциите с флуор са опасни поради възможността от експлозия; реакциите с йод не възникват.

Процесът на халогениране се състои от три етапа: иницииране, разпространение на веригата и прекратяване на веригата.

1. Иницииране - хомолитично разцепване на халоген на два радикала:
Cl 2 → 2Cl (излагане на светлинна енергия, hν)

2. Развитие на верига - свободните радикали взаимодействат с молекулите и са възможни две реакции:
(1) Cl + CH 4 → HCl + CH 3
(2) Cl + CH 4 → CH 3 Cl + H
Енергията на атомарния водород е много по-висока от тази на метиловия радикал CH3, така че реакция (2) не протича.

3. Прекратяване на веригата - радикалите реагират помежду си и образуват продукти:
Cl + Cl → Cl 2
CH 3 + CH 3 → 2CH 3
CH 3 + Cl → CH 3 Cl

Изгаряне

Основната употреба на алкани е гориво, така че реакцията на горене може да се нарече най-популярната за наситени въглеводороди. При реакцията на горене алканите се превръщат във вода и въглероден двуокис. Реакцията на горене е екзотермична и изисква голямо количествоенергия, като искра или огън. Обща реакция на горене на алкани:

R + O 2 → CO 2 + H 2 O + топлина
2C n H 2n+2 + (3n+1)O 2 → 2nCO 2 + (2n+2)H 2 O + топлина

Реакция на изгаряне на метан

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 212 kcal/mol

Нитриране

При температура от 140 ° C, с повишаване на налягането, алканите реагират с азотна киселина, водородният атом се заменя с остатък от азотна киселина NO 2, реакционните продукти се наричат ​​нитро съединения:

CH 4 + HO-NO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O (140°C, p)

Синтез

Синтез на Вюрц

През 1855 г. Адолф Вурц открива, че реакцията на метален натрий с халоалкан произвежда натриева сол:

2CH 3 I + 2Na → 2Na + I - + CH 3 CH 3

Халоалкановите свободни радикали реагират един с друг, за да образуват по-дълги съединения. Общо уравнениереакцията има формата:

Редукция на халоалкил

Повечето халоалкили реагират с цинкови и водородни катиони (или киселина на Brønsted-Lowry), за да образуват алкани. При такава реакция цинкът е редуциращ агент и позволява халогенът да бъде заменен с водород:

2C 4 H 9 Br (2-бромобутан) + H + (киселина) + Zn → 2C 4 H 10 (бутан) + ZnBr 2

Реактиви на Grinyard

Реактивите на Grinyard са органични съединения, които съдържат връзка метал-въглерод. Такива реагенти се образуват в резултат на реакцията на алкил хало с магнезий в разтвор на диетилов етер:

R-X + Mg → RMgX (в разтвор на диетилов етер)

Реакцията протича и с алкилхлориди, бромиди и йодиди. По време на хидролиза реактивите на Grinyard се превръщат в алкани:

CH 3 MgI + H 2 O → CH 4 + HO-Mg-I
C 2 H 5 MgBr + H 2 O → C 2 H 6 + HO-Mg-Br

Получаване и използване

Алканите се получават или чрез синтез, или от естествени източници(природен газ, нефт, въглища). Използването на наситени въглеводороди е много широко; алканите се използват като газ, бензин, дизелово гориво и ракетно гориво. Вазелинът, разтворителите и парафинът също са заслуга на алканите.

Свойства на алканите

sp 3 хибридизацията прави алканите най-малко полярните от всички органични съединения, от което следва, че те са слабо разтворими в полярни разтвори, така че точките на кипене и топене ще зависят главно само от молекулното тегло средно, точката на кипене на наситените въглеводороди се увеличава с 25-30 градуса за всеки въглероден атом след пентана; . Разклонените алкани имат повече ниска температуракипене, защото по-разклонените молекули имат по-малка повърхност, така че междумолекулни връзкипо-слаби и се сваряват по-рано.

Вискозитетът на дадено вещество зависи от размера на молекулата, така че колкото повече въглеродни атоми има в молекулата, толкова по-голяма е тя и толкова по-голяма е вероятността за взаимодействие между молекулите и, в резултат на това, толкова по-голям е вискозитетът. Алканите с въглеродни числа в диапазона от 20 до 35 са основните компоненти на смазочните материали.

Номенклатура

Името на алканите се състои от две части: префиксът показва броя на въглеродните атоми, а към него е прикрепен суфиксът -ан, което означава вида на съединението, т.е. алкан

Брой въглеродни атоми	Име	Структурна формула
1	Метан	СH4
2	Етан	СН 3 -СН 3
3	Пропан	СН3-СН2-СН3
4	Бутан	CH3-(CH2)2-CH3
5	Пентан	CH3-(CH2)3-CH3
6	хексан	CH3-(CH2)4-CH3
7	Хептан	CH3-(CH2)5-CH3
8	Октаново число	CH3-(CH2)6-CH3
9	Нонан	CH3-(CH2)7-CH3
10	Дийн	CH3-(CH2)8-CH3
11	Ундекан	CH3-(CH2)9-CH3
12	Додекан	CH3-(CH2)10-CH3
13	Тридекан	CH3-(CH2)11-CH3
14	Тетрадекан	CH3-(CH2)12-CH3
15	Пентадекан	CH3-(CH2)13-CH3
16	хексадекан	CH3-(CH2)14-CH3
17	Хептадекан	CH3-(CH2)15-CH3
18	Октадекан	CH3-(CH2)16-CH3
19	Нонадекан	CH3-(CH2)17-CH3
20	Ейкосан	CH3-(CH2)18-CH3
Маса 1.Номенклатура на алкани

Алканите или алифатните наситени въглеводороди са съединения с отворена (нециклична) верига, в чиито молекули въглеродните атоми са свързани помежду си чрез σ връзка. Въглеродният атом в алканите е в състояние на sp3 хибридизация.

Алканите образуват хомоложна серия, в която всеки член се различава с константа структурна единица-CH2-, което се нарича хомоложна разлика. Най-простият представител е метанът CH4.

• Обща формула на алкани: C n H 2n+2

ИзомерияЗапочвайки от бутан C 4 H 10, алканите се характеризират със структурна изомерия. Броят на структурните изомери се увеличава с броя на въглеродните атоми в молекулата на алкана. Така за пентан C 5 H 12 са известни три изомера, за октан C 8 H 18 - 18, за декан C 10 H 22 - 75.

За алканите, в допълнение към структурната изомерия, има конформационна изомерия и, започвайки с хептан, енантиомерия:

Номенклатура на IUPACВ имената на алкани се използват префикси н-, второ-, ISO, трет-, нео:

• н-означава нормална (некорозирала) структура на въглеводородната верига;
• второ-важи само за рециклиран бутил;
• трет-означава алкил с третична структура;
• ISOразклонения в края на веригата;
• неоизползван за алкил с кватернерен въглероден атом.

Префикси ISOИ неосе пишат заедно и н-, второ-, трет-с тире

Номенклатурата на разклонените алкани се основава на следните основни правила:

• За да се конструира име, се избира дълга верига от въглеродни атоми и се номерира с арабски цифри (локанти), като се започне от края, по-близо до който се намира заместителят, например:

• Ако една и съща алкилова група се среща повече от веднъж, тогава пред нея в името се поставят умножителни префикси ди-(пред гласна ди-), три-, тетра-и т.н. и означете всеки алкил отделно с номер, например:

Трябва да се отбележи, че за сложни остатъци (групи), умножаващи префикси като бис-, трис-, тетракис-друго.

• Ако страничните разклонения на главната верига съдържат различни алкилови заместители, тогава те се пренареждат по азбучен ред (с умножаващи се префикси ди-, тетра-и т.н., както и префикси н-, второ-, трет-не се вземат предвид), например:

• Ако са възможни две или повече опции за най-дългата верига, изберете тази, която има максимален брой странични разклонения.
• Имената на сложните алкилови групи се конструират съгласно същите принципи като имената на алканите, но номерирането на алкиловата верига винаги е автономно и започва с въглеродния атом със свободна валентност, например:

• Когато се използва в името на такава група, то се поставя в скоби и в азбучен редПървата буква на цялото име се взема предвид:

Методи за промишлено извличане 1. Екстракция на газ алкани.Природният газ се състои главно от метан и малки примеси от етан, пропан и бутан. Газът под налягане при ниски температури се разделя на подходящи фракции.

2. Извличане на алкани от нефт.Суровият нефт се пречиства и обработва (дестилация, фракциониране, крекинг). От преработени продукти се получават смеси или отделни съединения.

3. Хидрогениране на въглища (метод на Ф. Бергиус, 1925 г.).Каменните или кафяви въглища в автоклави при 30 MPa в присъствието на катализатори (оксиди и сулфиди на Fe, Mo, W, Ni) във въглеводородна среда се хидрогенират и превръщат в алкани, така нареченото моторно гориво:

nC + (n+1)H 2 = C n H 2n+2

4. Оксосинтеза на алкани (метод на Ф. Фишер - Г. Тропш, 1922 г.).Използвайки метода на Фишер-Тропш, алканите се получават от синтезен газ. Синтезният газ е смес от CO и H 2 с различни съотношения. Получава се от метан чрез една от реакциите, протичащи при 800-900°C в присъствието на никелов оксид NiO, нанесен върху Al 2 O 3:

CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2

CH 4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2

2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

Алканите се получават чрез реакцията (температура около 300°C, Fe-Co катализатор):

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O

Получената смес от въглеводороди, състояща се главно от алкани със структура (n = 12-18), се нарича "синтин".

5. Суха дестилация.Алканите се получават в относително малки количества чрез суха дестилация или нагряване на въглища, шисти, дърво и торф без достъп на въздух. Приблизителният състав на получената смес е 60% водород, 25% метан и 3-5% етилен.

Лабораторни методи за екстракция 1. Получаване от халоалкили

1.1. Реакция с метален натрий (Wurz, 1855).Реакцията се състои от взаимодействие на алкален метал с халоалкил и се използва за синтеза на по-високи симетрични алкани:

2CH 3 -I + 2Na ⇄ CH 3 -CH 3 + 2NaI

Ако в реакцията участват два различни халоалкила, се образува смес от алкани:

3CH 3 -I + 3CH 3 CH 2 -I + 6Na → CH 3 -CH 3 + CH 3 CH 2 CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 6NaI

1.2 Взаимодействие с литиеви диалкил купрати.Методът (понякога наричан реакция на E. Core - H. House) включва взаимодействието на реактивни литиеви диалкил купрати R 2 CuLi с халоалкили. Първо, металният литий реагира с халоалкан в етерна среда. След това съответният алкиллитий реагира с меден (I) халид, за да образува разтворим литиев диалкил купрат:

CH 3 Cl + 2Li → CH 3 Li + LiCl

2CH 3 Li + CuI → (CH 3 ) 2 CuLi + LiI

Когато такъв литиев диалкил купрат реагира със съответния халоалкил, се образува крайното съединение:

(CH 3 ) 2 CuLi + 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -I → 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -CH 3 + LiI + CuI

Методът дава възможност да се постигне добив на алкани от почти 100% при използване на първични халоалкили. При тяхната вторична или третична структура добивът е 30-55%. Природата на алкиловия компонент в литиевия диалкил купрат има малък ефект върху добива на алкана.

1.3 Редукция на халоалкили.Възможно е да се редуцират халоалкили с каталитично възбуден молекулярен водород, атомен водород, йод и др.:

CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (Pd катализатор)

CH 3 CH 2 I + 2H → CH 3 CH 3 + HI

CH 3 I + HI → CH 4 + I 2

Методът няма препаративна стойност, често се използва силен редуциращ агент - йод.

2. Приготвяне от соли карбоксилни киселини.
2.1 Електролиза на соли (Колбе, 1849).Реакцията на Колбе включва електролиза водни разтворисоли на карбоксилни киселини:

R-COONa ⇄ R-COO - + Na +

На анода анионът на карбоксилната киселина се окислява, образувайки свободен радикал и лесно се декарбоксилира или елиминира от CO 2 . Алкилните радикали се превръщат допълнително в алкани поради рекомбинация:

R-COO - → R-COO . + д -

R-COO. →Р. +CO2

Р. +Р. → R-R

Препаративният метод на Колбе се счита за ефективен при наличието на съответните карбоксилни киселини и невъзможността да се използват други методи за синтез.

2.2 Сливане на соли на карбоксилни киселини с алкали.соли алкални металиКогато карбоксилните киселини се комбинират с алкали, те образуват алкани:

CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3

3. Редукция на кислородсъдържащи съединения(алкохоли, кетони, карбоксилни киселини) . Редуциращите агенти са гореспоменатите съединения. Най-често се използва йодна вода, която е способна да редуцира дори кетони: Първите четири представителя на алкани от метан до бутан (C 1 -C 4) са газове, от пентан до пентадекан (C 5 -C 15 - течности, от хексадекан (C 16) - твърди вещества. Увеличаването им молекулни теглаводи до повишаване на точките на кипене и топене, като алканите с разклонена верига кипят при по-ниска температура от нормалните алкани. Това се обяснява с по-ниското ван дер ваалсово взаимодействие между молекулите на разклонените въглеводороди в течно състояние. Температурата на топене на четните хомолози е по-висока в сравнение с температурата съответно на нечетните.

Алканите са много по-леки от водата, неполярни и трудно се поляризират, но са разтворими в повечето неполярни разтворители, поради което самите те могат да бъдат разтворител на много органични съединения.