Aaaaaa
A1. Алкены — ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n.
Физические свойства некоторых алкенов показаны в табл. 1. Первые три представителя гомологического ряда алкенов (этилен, пропилен и бутилен) — газы, начиная с C5H10 (амилен, или пентен-1) — жидкости, а с С18Н36 — твердые вещества. С увеличением молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены нормального строения кипят при более высокой температуре, чем их изомеры, имеющие изостроение. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления — наоборот.
Алкены плохо растворимы в воде (однако лучше, чем соответствующие алканы), но хорошо — в органических растворителях. Этилен и пропилен горят коптящим пламенем
Химические свойства алкенов
Для алкенов наиболее типичными являются реакции присоединения. В реакциях присоединения двойная связь выступает как донор электронов, поэтому для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения.
Реакции присоединения
1. Гидрирование (гидрогенизация – взаимодействие с водородом):
CnH2n + H2 t, Ni → CnH2n+2
2. Галогенирование (взаимодействие с галогенами):
CnH2n + Г2 → СnH2nГ2
Это качественная реакция алкенов – бромная вода Br2 (бурая жидкость) обесцвечивается.
3. Гидрогалогенирование* (взаимодействие с галогенводородами):
4. Гидратация* (присоединение молекул воды):
CH2=CH2 + H2O t,H3PO4→ CH3-CH2-OH (этанол – этиловый спирт)
5. Реакции полимеризации:
nCH2=CH2 t, p, kat-TiCl4, Al(C2H5)3 → (-CH2-CH2-)n
мономер - этилен полимер – полиэтилен
В природе алкены практически не встречаются. Простейший представитель этого класса органических соединений — этилен (C2H4) — является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.
Получение алкенов
Основные способы получения алкенов:
— дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей
CH3-CH2-CHBr-CH3 + KOH = CH3-CH = CH-CH3 + KBr + H2O
— дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов
CH3-CHCl-CHCl-CH3 + Zn = ZnCl2 + CH3-CH = CH-CH3
— дегидратация спиртов при их нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании паров спирта над катализатором
CH3-CH(OH)- CH3 = CH3-CH = CH2 + H2O
— дегидрирование алканов при нагревании (500 С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)
CH3-CH2 — CH3 = CH3-CH = CH2 + H2
Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, каучуков, пленок) и других органических веществ.
Алкены широко используются в промышленности в качестве исходных веществ для получения растворителей (спирты, дихлорэтан, эфиры гликолей и пр.), полимеров (полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен и др.), а также многих других важнейших продуктов.
2.ЦИКЛОАЛКАНЫ
2. Циклоалканы - предельные углеводороды, состав которых выражается формулой CnH2n. В состав молекул циклоалканов входят замкнутые углеродные цепи
Физические свойства циклоалканов
Низшие циклоалканы (С3-С4) – газообразные вещества, средние (С5-С11) – жидкости, а высшие (> C12) – твердые вещества. Циклоалканы практически нерастворимы в воде. С ростом молекулярной массы, температура плавления циклоалканов увеличивается.
Химические свойства циклоалканов
Для малых циклоалканов (С3-С4) характерны реакции присоединения, протекающие по радикальному механизму, в результате чего может происходить даже разрыв цикла. К таким реакциям относят галогенирование, которое проводят под действием УФ-излучения и при нагревании. Температура нагрева влияет на характер продуктов реакции присоединения хлора, присоединение брома, вне зависимости от внешних факторов протекает с разрывом цикла:
C3H6 + Cl2 → C2H5-Cl + HCl (t < 100 C);
C3H6 + Cl2 → Cl-CH2-CH2-CH2-Cl + H2↑ (t > 100 C).
Для малых циклов характерны реакции гидрирования, в результате которых образуются алканы. Условием протекания реакции служит нагрев и присутствие катализатора – никеля или платины:
C4H8 + H2 → CH3-(CH2)2-CH3.
Для циклоалканов среднего размера (С5-С6) характерны реакции замещения, протекающие по радикальному механизму, например, галогенирование. В этом случае получают моногалогенпроизводные циклоалканов. Однако, можно получить и полигалогенпроизводные циклоалканов:
C5H10 + Br2 → C5H9-Br + HBr;
C6H12 + Br2 → C6H11-Br + HBr;
C6H12 + 6Cl2 → C6H6Cl6 + 6HCl.
Окисление циклоалканов приводит к образованию двухосновных карбоновых кислот, циклических спиртов или циклических кетонов:
Для циклоалканов характерны реакции изомеризации:
С3Н5-СН3 ↔ С4Н8;
С3Н5-СН2 – OH ↔ C4H6 + H2O (kat = H2SO4).
Реакция дегидрирования циклогексана и его производных – один из способов получения бензола и его гомологов (реакция протекает при нагревании и в присутствии катализатора – платины):
Получение циклоалканов
Низшие циклоалканы получают путем их синтеза из дигалогенпроизводных алканов:
Средние циклоалканы получают следующим способом:
Br-(CH2)4-Br + 2LiHg = C4H8 + 2LiBr + Hg;
Br-(CH2)5-Br + 2LiHg = C5H10 + 2LiBr + Hg;
Циклоалканы с 5-ю и более атомами углерода можно получить пиролизом кальциевых или натриевых солей двухосновных карбоновых кислот (метод Ружичка). Циклогексан и его производные получают из нефти или по реакции гидрирования бензола и его гомологов
. Циклоалканы входят в состав нефти, смол деревьев, сильнейших растительных ядов, витаминов группы «Д», гормонов, желчных кислот.
Применение
Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.
3. Изомерия.
Циклоалканы. Структурная изомеpия
1. Изомерия углеродного скелета:
а) кольца
б) боковых цепей
2. Изомерия положения заместителей в кольце:
3. Межклассовая изомерия с алкенами:
Алкены. Структурная изомерия алкенов
1. Изомерия углеродного скелета (начиная с С4Н8):
2. Изомерия положения двойной связи (начиная с С4Н8):
3. Межклассовая изомерия с циклоалканами, начиная с С3Н6:
Изомерии алканов:
1. нормальный бутан или н-бутан (СН3-СН2-СН2-СН3) и 2-метилпропан (СН3-СН(СН3)-СН3);
2. н-пентан (СН3-СН2-СН2-СН2-СН3), 2-метилбутан (СН3-СН2-СН(СН3)-СН3), 2,2-диметилпропан (СН3-С(СН3)2-СН3);
3. н-гексан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилпентан (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-метилпентан (CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3), 2,3-диметилбутан (CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3), 2,2-диметилбутан (CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Изомерия алкадиенов
Структурная изомерия
4. Номенклатура
Алкены.
Алкены простого строения часто называют, заменяя суффикс -ан в алканах на -илен: этан — этилен, пропан — пропилен и т.д.
По систематической номенклатуре названия этиленовых углеводородов производят заменой суффикса -ан в соответствующих алканах на суффикс -ен (алкан — алкен, этан — этен, пропан — пропен и т.д.). Выбор главной цепи и порядок названия тот же, что и для алканов. Однако в состав цепи должна обязательно входить двойная связь. Нумерацию цепи начинают с того конца, к которому ближе расположена эта связь. Например:
Номенклатура циклоалканов
По современной международной заместительной номенклатуре названия циклоалканов образуют прибавлением приставки «цикло» к названиям соответствующих углеводородов алифатического ряда (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т.д.)
При наличии в молекуле циклоалкана двух и более заместителей, их положение нумеруют таким образом, чтобы сумма номеров была наименьшей. При этом наименьший номер получает младший заместитель
1,3-диметилциклогексан. 1-метил-2-этилциклопентан
Номенклатура алканов
1. Свою номенклатуру имеют радикалы (углеводородные радикалы)
Алкан
- ан
СnH2n+2 Радикал (R)
- ил
СnH2n+1
ФОРМУЛА НАЗВАНИЕ ФОРМУЛА НАЗВАНИЕ
метан
метил
этан этил
пропан пропил
изопропил
(втор-пропил)
бутан н - бутил
втор-бутил
изобутан
(2 – метилпропан) изобутил
(перв-изобутил)
трет-бутил
неопентан
(2,2-диметилпропан) нео-пентил
Правила систематической номенклатуры:
1. В формуле молекулы алкана выбираем главную цепь — самую длинную.
2. Затем эту цепь нумеруем с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). (Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими) Заместители перечисляем по алфавиту.
3. Называем углеводород: вначале указываем (цифрой) место расположения заместителя, затем называем этот заместитель (радикал), а в конце добавляем название главной (самой длинной) цепи.
Таким образом, углеводород может быть назван: 2 - метил - 4 - этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).
Номенклатура алкадиенов
Местоположение двойных связей указывается в конце названия, а заместителей – в начале названия.
Для бутадиена-1,3 существует тривиальное название дивинил, потому что его молекулу можно представить состоящую из двух непредельных радикалов – винилов. А приставка ди означает два – два винила.
5 АЛКАНЫ
1. Алканы – это алифатические (ациклические), насыщенные углеводороды, в которых все валентности атомов углерода, не затраченные на образование простых С – С связей, насыщены атомами водорода.
2. Общая формула алканов – СnH2n+2
Физические свойства
В обычных условиях
С1- С4 – газы
С5- С15 – жидкие
С16 – твёрдые
Температуры плавления и кипения алканов, их плотности увеличиваются в гомологическом ряду с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями. Физические свойства некоторых алканов представлены в таблице.
Химические свойства алканов
1. Реакции замещения.
а) Галогенирование
CH4 + Cl2 hν → CH3Cl + HCl (1 стадия) ;
метан хлорметан CH3Cl + Cl2 hν → CH2Cl2 + HCl (2 стадия);
дихлорметан
СH2Cl2 + Cl2 hν → CHCl3 + HCl (3 стадия);
трихлорметан
CHCl3 + Cl2 hν → CCl4 + HCl (4 стадия).
тетрахлорметан
2. Реакции отщепления (дегидрирование)
а) CnH2n+2 t˚С, Ni или Pd → CnH2n + H2
б) При нагревании до 1500 С происходит образование ацетилена и водорода:
2CH4 1500°С → C2H2 + 3H2
3. Реакции перегруппировки (изомеризация)
н-алкан AlCl3, t°С → изоалкан
4. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем)
CnH2n+2 + O2 t°С → nCO2 + (n+1)H2O
Помните! Смесь метана с воздухом и кислородом взрывоопасна
V(CH4) : V(O2) = 1: 2
V(CH4) : V(воздуха) = 1 : 10
5. Реакции разложения
а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:
C10H22 t°С → C5H12 + C5H10
алкан алкен
б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи,
продукты – С и Н2:
СH4 1000°С → C + 2H2
в) Конверсия метана с образованием синтез – газа (СО + Н2)
CH4 + H2O 800˚C, Ni → СО + 3Н2
Получение и применение алканов
В лаборатории
1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑
2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):
R-Г + 2Na + Г-R1 → R-R1 + 2NaГ
(R- это радикал; Г- это галоген)
a) CH3-Cl + 2Na + Cl-CH3 → CH3-CH3 + 2NaCl
или
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
б) CH3-I + 2Na + I-C2H5 → CH3-C2H5 + 2NaI
или
CH3I + 2Na + C2H5I → C3H8 + 2NaI
3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:
R-COONa + NaOH -t ˚С→ R-H + Na2CO3
a) CH3-COONa + NaOH -t ˚С→ CH4 + Na2CO3
(ацетат натрия+ едкий натр=(метан+карбонат натрия)
б) C2H5-COONa + NaOH -t ˚С→ C2H6 + Na2CO3
этилат натрия этан
4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:
a) CnH2n + H2 -t,kat,p → CnH2n+2
алкен
C2H4 + H2 -300°C,Ni → C2H6
b) CnH2n-2 + 2H2 - t,kat→ CnH2n+2
алкин
C2H2 + 2H2 - t,kat→ C2H6
5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот - реакция КОЛЬБЕ
Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия
H2O, CH3COONa ↔ Na+ + CH3COO-
Применение
1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.
2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит
3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках
4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.
5. Метан используется для производства шин и краски
6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.
Главным источником алканов (а также других углеводородов) являются нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.
А так же, в принципе его главное нахождение в природе-это топливо
5. АЛКАДИЕНЫ
1. Алкадиены – алифатически (ациклические), непредельные (ненасыщенные) углеводороды, с двумя двойными связями в цепи.
2. Общая формула – CnH2n-2
Физические свойства алкадиенов
Низшие диены — бесцветные легкокипящие жидкости. 1,3-Бутадиен и аллен (1,2 — пропадиен) — легко сжижающиеся газы, обладающие неприятным запахом. Высшие диены представляют собой твердые вещества.
Химические свойства алкадиенов
Для алкадиенов характерны реакции, протекающие по механизмам электрофильного и радикального присоединения, причем, наиболее реакционноспособными являются сопряженные алкадиены.
Галогенирование. При присоединении к алкадиенам хлора или брома образуются тетрагалогеноалканы, причем, возможно образование продуктов как 1,2-, так и 1,4- присоединения. Соотношение продуктов зависит от условий проведения реакции: типа растворителя и температуры.
CH2 = CH-CH = CH2 + Br2 (гексан) → CH2(Br)-CH(Br)-CH = CH2 + CH2(Br)-CH = CH-CH2-Br
Гидрогалогенирование протекает подобно галогенированию, т.е. с образованием смеси продуктов 1,2 – и 1,4 – присоединения. Соотношение продуктов в основном зависит от температуры, так, при высоких температурах преобладают продукты 1,2 – присоединения, а при низких — 1,4 – присоединения.
CH2 = CH-CH = CH2 +HBr → CH3-CH(Br)-CH = CH2 + CH3-CH = CH-CH2-Br
Реакция гидрогалогенирования может протекать в водной или спиртовой среде, в присутствии хлорида лития или в среде CHal4, где Hal – галоген.
Реакции циклоприсоединения (диеновый синтез). В таких реакциях участвуют два компонента – диен и ненасыщенное соединение – диенофил. При этом образуется замещенный шестичленный цикл. Классический пример реакции диенового синтеза – реакция взаимодействия бутадиена – 1,3 с малеиновым ангидридом:
Гидрирование алкадиенов происходит в условиях жидкого аммиака и приводит к образованию смеси продуктов 1,2 – и 1,4 – присоединения:
CH2 = CH-CH = CH2 + H2 → CH3-CH2-CH = CH2 + CH3-CH = CH-CH3.
Реакции изомеризации алкадиенов протекают в щелочной среде при нагревании и в присутствии катализатора – оксида алюминия:
R-CH = C = C-CH-R → RC≡C-CH2-R.
Полимеризация алкадиенов может протекать как 1,2 – или 1,4 – присоединение:
nCH2 = CH-CH = CH2 → (-CH2-CH = CH-CH2-)n
Получение алкадиенов
Основные способы получения алкадиенов – дегидрирование алканов (1), реакция Лебедева (2), дегидратация гликолей (3), дегалагенирование дигалогенпроизводных (4) алкенов и реакции перегруппировки (5):
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH2 = CH-CH = CH2 (1);
2C2H5OH → CH2 = CH-CH = CH2 + 2H2O + H2(2);
CH3-CH(OH)-CH2-CH2-OH → CH2 = CH-CH = CH2+ 2H2O (3);
СH2 = C(Br)-CH2-Br + Zn → CH2 = C = CH2 + ZnBr2 (4);
HC≡C-CH(CH3)-CH3 + NaOH → CH2 = C = CH(CH3)-CH3 (5).
Основная сфера использования диенов и их производных – это производство каучука