5. Строение
Алканы – углеводороды, в молекулах которых атомы
связаны одинарными связями и которые соответствует
общей формуле CnH2n+2.
В молекулах алканов все атомы
углеводорода находятся в
состоянии sp³-гибридизации . Все
четыре гибридные орбитали
атома углерода одинаковы по
форме, энергии и направлены в
углы равносторонней
треугольной пирамиды- тетраэдр.
Углы между орбиталями равны
109 28 .
6. Строение
Вокруг одинарной углерод-
углеродной связи возможно
практически свободное
вращение, и молекулы
алканов могут приобретать
самую разнообразную форму.
В развернутом состоянии
такие молекулы имеют
зигзагообразную форму с
углами при атомах углерода,
близкими к тетраэдрическому
(109 28 ), например в
молекуле Н-пентана.
7.
8. Строение
Все связи в молекулах алканов одинарные. Перекрывание
происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т.е это σ-связи.
Длина C-C –связи в алканах
равно 0,154 нм (1,54·10¯ ³ м).
Длина C-H несколько короче.
Электронная плотность немного
смещена в сторону более
электроотрицательного атома
углерода, т.е связь C-H является
слабополярной.
9. Гомологический ряд алканов
Гомологи- эта вещества, сходные по строению и свойствам и
отличающиеся на одну или более групп CH2 . Предельные
углеводороды составляют гомологический ряд метана.
11. Для алканов характерна структурная изомерия. Структурные изомеры
отличаются друг от друга строением углеродного скелета.
Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры –
бутан.
Изомерия и номенклатура
CH3 – CH2 – CH2 –CH3
н- бутан
CH3 – CH– CH3
CH3
Изобутан
(2-метилпропан)
12. Изомерия и номенклатура
Основы номенклатуры ИЮПАК.
1. Выбор главной цепи
Определение главной цепи –самой длинной цепочки атомов
углерода в молекуле, которая является ее основой.
2. Нумерация атомов главной цепи
Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов
главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит
заместитель (Структуры А, Б). Старшинство углеводородных
заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в
алфавите буква, с которой начинается их название: метил,
пропил, этил и тд.
3. Формирование названия.
В начале названия указывают цифра – номера атомов углерода,
при которых находятся заместители. После номера через дефис
указывают количество заместителей.
13. Ди – два
Три - три
Тетра – четыре
Пента – пять
Главная цепь называется как углеводород –член гомологического ряда
метана (метан, этан, пропан и тд).
Примеры:
1.Структура А 2-метилбутан
2. Структура Б 3-метилгексан
Изомерия и номенклатура
1. CH3 – CH – CH2 –CH3
CH3
2. CH3 – CH – CH2 –CH2 - CH3
CH2
CH3
14. Получение
1. Выделение углеводородов из природного сырья.
Источниками предельных углеводородов, являются нефть и
природный газ. Основной компонент природного газа – простейший
углеводород метан.
2. Изомеризация.
Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при
нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без
изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеризации. В
этих реакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не
менее 4-х углеродных атомов.. Например, изомеризация н-пентана в
изопентан (2-метилбутан) происходит при 100 С в присутствии
катализатора хлорида алюминия:
15. Получение
3. Гидрирование (присоединение водорода)
Алкены взаимодействуют с водородом при нагревании и повышенном
давлении в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni и др.) с образованием
алканов:
Присоединение водорода к атомам углерода в алкенах приводит к
понижению степени их окисления:
Поэтому гидрирование алкенов относят к реакциям восстановления.
Эта реакция используется в промышленности для получения
высокооктанового топлива.
16. Физические свойства
Первые четыре представители гомологического ряда метана – газы.
Простейший из них –метан – газ без цвета и запаха. Углеводороды
состава от C5H12 до C5H32 – жидкости, более тяжелые углеводороды –
твердые вещества. Температуры кипения и плавления алканов
постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеводородной
цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие
углеводороды являются органическими растворителями.
17. Химические свойства
Реакция замещения
Галогенирование – реакция замещения одного или более атомов
водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют
галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция
алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.
Хлорирование метана:
При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и
приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х
атомов водорода:
18. Химические свойства
Обычно механизм реакции свободнорадикального замещения
представляют тремя основными стадиями.
1. Инициирование ( зарождения цепи, образование свободных
радикалов под действием источника энергии – ультрафиолетового
света, нагревания).
2. Развитие цепи (цепь последовательных взаимодействий
свободных радикалов и неактивных молекул, в результате которых
образуются новые радикалы и новые молекулы).
3. Обрыв цепи (объединение свободных радикалов в неактивные
молекулы (рекомбинация), « гибель» радикалов, прекращение
развития цепи реакций)
19. Применение
Предельные углеводороды находят широкое применение в самых
разнообразных сферах жизни и деятельности человека.
Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются
в качестве ценного топлива.
Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и
ракетных топливах и используются в качестве растворителей.
Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов
углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса,
используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.
Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с
числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления
мазей, используемых в медицине.
20. Парафин - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и
упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине. Служит
сырьѐм при получении органических кислот и спиртов, моющих
средств и поверхностно-активных веществ.
Нормальные предельные углеводороды средней молекулярноймассы
используются как питательный субстрат в микробиологическом
синтезе белка из нефти.
Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые
используются как растворители, хладоагенты и сырье для
дальнейших синтезов.
В современной 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.
Применение
21. Строение
Циклоалканы- это циклические углеводороды, не содержащие в
молекуле кратных связей и соответствующие общей формуле CnH2n.
По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых мы
рассмотрим малые (С3, С4) и обычные (С5—С7) циклы.
Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки цикло- к
названию алкана с соответствующим числом атомов углерода.
Нумерацию в цикле производят таким образом, чтобы заместители
получили наименьшие номера.
22. Строение
Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp3-
гибридизации и образует четыре s-связи С-С и С-Н. Углы между
связями зависят от размера цикла. В простейших циклах С3 и С4 углы
между связями С-С сильно отличаются от гетраэдрического угла
109,5 , что создает в молекулах напря-жение и обеспечивает их
высокую реакционную способность. Свободное вращение вокруг
связей С-С, образующих цикл, невозможно.
23. Изомерия и номенклатура
Для циклоалканов как и для всех классов органических
соединений, характерна изомерия углеродного скелета (структурная
изомерия). Структурная изомерия для циклоалканов, во-первых,
обусловлена размером цикла. Так, существует два циклоалкана
формулы С4Н8: циклобутан и метилциклопропан. Во-вторых, такая
изомерия обусловливается положением заместителей в цикле
(например, 1,1 и 1,2-диметилбутан).
Отсутствие свободного вращения вокруг связей С-С в цикле
создает предпосылки для существования пространственных
изомеров у некоторых замещенных циклоалканов. Например, в
молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН3 могут
находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или
по разные стороны (транс-изомер):
24. Изомерия и номенклатура
По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых
мы рассмотрим малые (С3, С4) и обычные (С5-С7) циклы.
Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки
цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов
углерода. Нумерацию в цикле производят таким образом, чтобы
заместители получили наименьшие номера.
Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в
сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и
опуская символы атомов углерода и водорода.
25. Получение
Основной способ получения циклоалканов - отщепление двух атомов
галогена от дигалогеналканов:
При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов
образуются циклогексан или его производные:
t°,P,Ni
C6H6 + 3H2 → C6H12
26. Физические свойства
При обычных условиях первые два члена ряда (С3 - С4) — газы, (С5 -
С16) — жидкости, начиная с C17 — твердые вещества. Температуры
кипения и плавления цик-лоалканов выше, чем у соответствующих
алканов.
27. Химические свойства
По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно
различаются между собою. Циклопропан и циклобутан склонны к
реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами.
Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению
близки к алканам, так как вступают в реакции замещения.
Так, например, циклопропан и циклобутан способны присоединять
бром (хотя реакция и идет труднее, чем с пропеном или бутеном):
28. Химические свойства
Циклопропан, циклобутан и даже циклопентан могут присоединять
водород, давая соответствующие нормальные алканы.
Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого
катализатора:
В реакцию присоединения с галогеноводородами опять же вступают
только малые циклы. Присоединение к гомологам циклопропана
происходит по правилу Марковникова:
29. Химические свойства
Реакции замещения. Обычные циклы (С6 и выше) устойчивы и
вступают только в реакции радикального замещения подобно
алканам:
t
С6Н12 + Вr2 → С6Н11Вr + НВr.
Дегидрирование циклогексана в присутствии никелевого
катализатора приводит к образованию бензола:
t Ni
C6H12 → C6H6 + 3H2.
30. Химические свойства
При действии сильных окислителей (например, 50%-ной азотной
кислоты) на циклогексан в присутствии катализатора образуется
адипиновая (гександиовая) кислота:
