Najjednostavniji organski spojevi su ugljikovodici, koji se sastoji od ugljika i vodika. Ovisno o prirodi kemijskih veza u ugljikovodicima i omjeru ugljika i vodika, dijele se na zasićene i nezasićene (alkeni, alkini i dr.)

Ograničiti ugljikovodici (alkani, metan ugljikovodici) su spojevi ugljika s vodikom, u čijim molekulama svaki atom ugljika ne troši više od jedne valencije na spajanje s bilo kojim drugim susjednim atomom, a sve valencije koje nisu potrošene na spajanje s ugljikom zasićene su vodikom. Svi atomi ugljika u alkanima su u sp3 stanju. Zasićeni ugljikovodici tvore homologni niz karakteriziran općom formulom S n N 2n+2. Predak ove serije je metan.

Izomerija. Nomenklatura.

Alkani s n=1,2,3 mogu postojati samo kao jedan izomer

Počevši od n=4 pojavljuje se fenomen strukturne izomerije.

Broj strukturnih izomera alkana brzo raste s povećanjem broja ugljikovih atoma, npr. pentan ima 3 izomera, heptan ima 9 itd.

Broj izomera alkana također raste zbog mogućih stereoizomera. Polazeći od C 7 H 16 moguće je postojanje kiralnih molekula koje tvore dva enantiomera.

Nomenklatura alkana.

Dominantna nomenklatura je IUPAC nomenklatura. Istodobno sadrži elemente trivijalnih naziva. Dakle, prva četiri člana homolognog niza alkana imaju trivijalna imena.

CH 4 - metan

C2H6 - etan

C3H8 - propan

C4H10 - butan.

Imena preostalih homologa potječu od grčkih latinskih brojeva. Tako se za sljedeće članove niza normalne (nerazgranate) strukture koriste nazivi:

C5H12 - pentan, C6H14 - heksan, C7H18 - heptan,

C 14 H 30 - tetradekan, C 15 H 32 - pentadekan, itd.

Osnovna IUPAC pravila za razgranate alkane

a) odaberite najduži nerazgranati lanac čije ime čini bazu (korijen). Sufiks "an" dodaje se ovoj osnovi.

b) numerirati ovaj lanac prema principu najmanjih lokanata,

c) supstituent je naznačen u obliku prefiksa abecednim redom koji označava mjesto. Ako postoji nekoliko identičnih supstituenata u izvornoj strukturi, tada je njihov broj označen grčkim brojevima.

Ovisno o broju ostalih ugljikovih atoma na koje je dotični ugljikov atom izravno vezan, razlikuju se primarni, sekundarni, tercijarni i kvaternarni ugljikov atom.

Alkilne skupine ili alkilni radikali pojavljuju se kao supstituenti u razgranatim alkanima, koji se smatraju rezultatom eliminacije jednog atoma vodika iz molekule alkana.

Naziv alkilnih skupina nastaje od imena odgovarajućih alkana zamjenom potonjeg sufiksa “an” sufiksom “yl”.

CH3 - metil

CH 3 CH 2 - etil

CH 3 CH 2 CH 2 - rez

Za imenovanje razgranatih alkilnih skupina također se koristi numeriranje lanaca:

Polazeći od etana, alkani mogu formirati konformere koji odgovaraju inhibiranoj konformaciji. Mogućnost prijelaza iz jedne inhibirane konformacije u drugu kroz pomračenu je određena rotacijskom barijerom. Određivanje strukture, sastava konformera i rotacijskih barijera zadaća je konformacijske analize. Metode dobivanja alkana.

1. Frakcijska destilacija prirodnog plina ili benzinske frakcije nafte. Na taj se način mogu izolirati pojedinačni alkani do 11 ugljikovih atoma.

2. Hidrogenizacija ugljena. Proces se provodi u prisutnosti katalizatora (oksidi i sulfidi molibdena, volframa, nikla) ​​pri 450-470 o C i tlaku do 30 MPa. Ugljen i katalizator se melju u prah i hidrogeniraju u suspendiranom obliku, boriranje vodika kroz suspenziju. Dobivene smjese alkana i cikloalkana koriste se kao motorno gorivo.

3. Hidrogeniranje CO i CO 2 .

CO + H 2  alkani

CO 2 + H 2  alkani

Co, Fe i drugi d-elementi koriste se kao katalizatori za ove reakcije.

4.Hidrogenacija alkena i alkina.

5.Organometalna sinteza.

A). Wurtz sinteza.

2RHal + 2Na  R R + 2NaHal

Ova sinteza je od male koristi ako se dva različita haloalkana koriste kao organski reagensi.

b). Protoliza Grignardovih reagensa.

R Hal + Mg  RMgHal

RMgHal + HOH  RH + Mg(OH)Hal

V). Interakcija litijevih dialkilnih kuprata (LiR 2 Cu) s alkilnim halidima

LiR 2 Cu + R X  R R + RCu + LiX

Sami litijevi dialkilkuprati proizvode se u dva koraka

2R Li + CuI  LiR 2 Cu + LiI

6. Elektroliza soli karboksilnih kiselina (Kolbeova sinteza).

2RCOONa + 2H 2 O  R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2

7. Taljenje soli karboksilnih kiselina s alkalijama.

Reakcija se koristi za sintezu nižih alkana.

8.Hidrogenoliza karbonilnih spojeva i haloalkana.

A). Karbonilni spojevi. Clemmensova sinteza.

b). Haloalkani. Katalitička hidrogenoliza.

Kao katalizatori koriste se Ni, Pt, Pd.

c) Haloalkani. Oporavak reagensa.

RHal + 2HI  RH + HHal + I 2

Kemijska svojstva alkana.

Sve veze u alkanima su niskopolarne, zbog čega ih karakteriziraju radikalne reakcije. Nedostatak pi veze onemogućuje reakcije adicije. Alkane karakteriziraju reakcije supstitucije, eliminacije i izgaranja.

Mehanizam reakcije halogeniranja:

Halogeniranje

Halogeniranje alkana odvija se putem radikalskog mehanizma. Da bi se započela reakcija, smjesa alkana i halogena mora se ozračiti UV svjetlom ili zagrijati. Kloriranje metana ne prestaje u fazi dobivanja metil klorida (ako se uzmu ekvimolarne količine klora i metana), već dolazi do stvaranja svih mogućih supstitucijskih produkata, od metil klorida do ugljikovog tetraklorida. Kloriranje drugih alkana rezultira mješavinom produkata supstitucije vodika na različitim atomima ugljika. Omjer produkata kloriranja ovisi o temperaturi. Brzina kloriranja primarnih, sekundarnih i tercijarnih atoma ovisi o temperaturi; pri niskim temperaturama brzina opada redom: tercijarni, sekundarni, primarni. Kako temperatura raste, razlika između brzina se smanjuje dok ne postanu jednake. Osim kinetičkog čimbenika, na raspodjelu produkata kloriranja utječe i statistički čimbenik: vjerojatnost da će klor napasti tercijarni atom ugljika je 3 puta manja od primarnog i dva puta manja od sekundarnog. Dakle, kloriranje alkana je nestereoselektivna reakcija, osim u slučajevima kada je moguć samo jedan produkt monokloriranja.

Halogeniranje je jedna od supstitucijskih reakcija. Halogeniranje alkana slijedi Markovnikovo pravilo (Markovnikovo pravilo) - najmanje hidrogenirani atom ugljika se prvi halogenira. Halogeniranje alkana odvija se u fazama - u jednoj fazi ne halogenira se više od jednog atoma vodika.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (klorometan)

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (diklormetan)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triklorometan)

CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (ugljikov tetraklorid).

Molekula klora se pod utjecajem svjetlosti raspada na atome, zatim oni napadaju molekule metana, otkidaju im atom vodika, pri čemu nastaju metilni radikali CH 3 koji se sudaraju s molekulama klora, uništavaju ih i stvaraju nove radikale. .

Nitriranje (Konovalovljeva reakcija)

Alkani reagiraju s 10%-tnom otopinom dušične kiseline ili dušikovog oksida N 2 O 4 u plinovitoj fazi pri temperaturi od 140° i niskom tlaku pri čemu nastaju nitro derivati. Reakcija također slijedi Markovnikovljevo pravilo.

RH + HNO3 = RNO2 + H2O

tj. jedan od vodikovih atoma zamijenjen je ostatkom NO 2 (nitro skupina) te se oslobađa voda.

Strukturne značajke izomera snažno utječu na tijek ove reakcije, jer ona najlakše dovodi do zamjene vodikovog atoma u SI ostatku (prisutnom samo u nekim izomerima) s nitro skupinom; teže je zamijeniti vodik u CH 2 skupini i još teže u CH 3 ostatku.

Parafini se prilično lako nitriraju u plinovitoj fazi na 150-475°C s dušikovim dioksidom ili parama dušične kiseline; u ovom slučaju, djelomično se događa. oksidacija. Nitriranje metana proizvodi gotovo isključivo nitrometan:

Svi dostupni podaci ukazuju na mehanizam slobodnih radikala. Kao rezultat reakcije nastaju smjese produkata. Dušična kiselina pri običnim temperaturama nema gotovo nikakav učinak na parafinske ugljikovodike. Kada se zagrijava, djeluje uglavnom kao oksidacijsko sredstvo. Međutim, kao što je M. I. Konovalov otkrio (1889), kada se zagrijava, dušična kiselina djeluje djelomično na "nitrirajući" način; Reakcija nitracije sa slabom dušičnom kiselinom posebno se dobro odvija pri zagrijavanju i pod povišenim tlakom. Reakcija nitriranja izražava se jednadžbom.

Homolozi nakon metana daju mješavinu raznih nitroparafina zbog popratnog cijepanja. Kada se etan nitrira, dobivaju se nitroetan CH 3 -CH 2 -NO 2 i nitrometan CH 3 -NO 2 . Iz propana nastaje smjesa nitroparafina:

Nitriranje parafina u plinovitoj fazi sada se provodi u industrijskim razmjerima.

Sulfakloriranje:

Praktično važna reakcija je sulfokloriranje alkana. Kada alkan reagira s klorom i sumpornim dioksidom tijekom zračenja, vodik se zamjenjuje klorosulfonilnom skupinom:

Faze ove reakcije su:

Cl +R:H→R +HCl

R+SO 2 →RSO 2

RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl

Alkansulfonil kloridi se lako hidroliziraju u alkansulfoksilost (RSO 2 OH), čije natrijeve soli (RSO 3¯ Na + - natrijev alkansulfonat) pokazuju svojstva slična sapunima i koriste se kao deterdženti.

Svaka klasa kemijskih spojeva može pokazati svojstva određena njihovom elektronskom strukturom. Alkane karakteriziraju reakcije supstitucije, eliminacije ili oksidacije molekula. Svi imaju svoje karakteristike, o kojima će se dalje raspravljati.

Što su alkani

To su zasićeni ugljikovodični spojevi koji se nazivaju parafini. Njihove se molekule sastoje samo od atoma ugljika i vodika, imaju linearni ili razgranati aciklički lanac, u kojem postoje samo pojedinačni spojevi. S obzirom na karakteristike klase, moguće je izračunati koje su reakcije karakteristične za alkane. Oni slijede formulu za cijeli razred: H 2n+2 C n.

Kemijska struktura

Molekula parafina sadrži atome ugljika koji pokazuju sp 3 hibridizaciju. Sve četiri valentne orbitale imaju isti oblik, energiju i smjer u prostoru. Kut između energetskih razina je 109° i 28".

Prisutnost jednostrukih veza u molekulama određuje koje su reakcije karakteristične za alkane. Sadrže σ-spojeve. Veza između ugljika je nepolarna i slabo polarizirajuća, nešto dulja nego u C−H. Dolazi i do pomaka elektronske gustoće prema atomu ugljika, kao najelektronegativnijem. Kao rezultat toga, spoj C−H karakterizira niska polarnost.

Supstitucijske reakcije

Tvari klase parafina imaju slabu kemijsku aktivnost. To se može objasniti snagom veza između C−C i C−H, koje se teško prekidaju zbog nepolarnosti. Njihova destrukcija temelji se na homolitičkom mehanizmu, u kojem sudjeluju slobodni radikali. Zbog toga su za alkane karakteristične reakcije supstitucije. Takve tvari ne mogu djelovati s molekulama vode ili ionima koji nose naboj.

Smatraju se supstitucijom slobodnih radikala, u kojoj su atomi vodika zamijenjeni halogenim elementima ili drugim aktivnim skupinama. Takve reakcije uključuju procese povezane s halogeniranjem, sulfokloriranjem i nitriranjem. Njihov rezultat je proizvodnja derivata alkana.

Mehanizam reakcija supstitucije slobodnih radikala temelji se na tri glavne faze:

1. Proces počinje inicijacijom ili nukleacijom lanca, uslijed čega nastaju slobodni radikali. Katalizatori su izvori ultraljubičastog svjetla i topline.
2. Zatim se razvija lanac u kojem se odvijaju sekvencijalne interakcije aktivnih čestica s neaktivnim molekulama. Pretvaraju se u molekule, odnosno radikale.
3. Posljednja faza bit će prekid lanca. Uočava se rekombinacija ili nestanak aktivnih čestica. Time se zaustavlja razvoj lančane reakcije.

Proces halogeniranja

Temelji se na mehanizmu radikalnog tipa. Reakcija halogeniranja alkana događa se nakon zračenja ultraljubičastim svjetlom i zagrijavanjem smjese halogena i ugljikovodika.

Sve faze procesa poštuju pravilo koje je izrazio Markovnikov. To ukazuje da se zamjenjuje halogenom, koji prvenstveno pripada samom hidrogeniranom ugljiku. Halogeniranje se odvija sljedećim redoslijedom: od tercijarnog atoma do primarnog ugljika.

Proces radi bolje za molekule alkana s dugim lancem ugljika. To je zbog smanjenja ionizacijske energije u određenom smjeru; elektron se lakše odvaja od tvari.

Primjer je kloriranje molekule metana. Djelovanje ultraljubičastog zračenja dovodi do razgradnje klora na radikalne čestice koje napadaju alkan. Atomski vodik se izdvaja i nastaje H 3 C ili metilni radikal. Takva čestica pak napada molekularni klor, što dovodi do razaranja njegove strukture i stvaranja novog kemijskog reagensa.

U svakoj fazi procesa zamjenjuje se samo jedan atom vodika. Reakcija halogeniranja alkana dovodi do postupnog stvaranja molekula klorometana, diklorometana, triklorometana i tetraklorometana.

Shematski proces izgleda ovako:

H 4 C + Cl: Cl → H 3 CCl + HCl,

H 3 CCl + Cl: Cl → H 2 CCl 2 + HCl,

H 2 CCl 2 + Cl: Cl → HCl 3 + HCl,

HCl 3 + Cl: Cl → CCl 4 + HCl.

Za razliku od kloriranja molekule metana, provođenje takvog procesa s drugim alkanima karakterizirano je proizvodnjom tvari u kojima se zamjena vodika ne događa na jednom atomu ugljika, već na nekoliko. Njihov kvantitativni odnos povezan je s pokazateljima temperature. U hladnim uvjetima opaža se smanjenje brzine stvaranja derivata s tercijarnom, sekundarnom i primarnom strukturom.

S porastom temperature, brzina stvaranja takvih spojeva se smanjuje. Na proces halogeniranja utječe statički faktor, koji ukazuje na različitu vjerojatnost sudara radikala s atomom ugljika.

Proces halogeniranja s jodom ne događa se u normalnim uvjetima. Potrebno je stvoriti posebne uvjete. Kada se metan izloži ovom halogenu, pojavljuje se jodovodik. Na njega djeluje metil jodid, pri čemu se oslobađaju početni reagensi: metan i jod. Ova se reakcija smatra reverzibilnom.

Wurtzova reakcija za alkane

To je način proizvodnje sa simetričnom strukturom. Kao reaktanti koriste se metalni natrij, alkil bromidi ili alkil kloridi. Kada reagiraju, proizvode natrijev halid i povećani ugljikovodični lanac, koji je zbroj dva ugljikovodična radikala. Shematski sinteza izgleda ovako: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.

Wurtz-ova reakcija za alkane moguća je samo ako su halogeni u njihovim molekulama smješteni na primarnom ugljikovom atomu. Na primjer, CH3-CH2-CH2Br.

Ako u procesu sudjeluje smjesa halougljikovodika dvaju spojeva, tada pri kondenzaciji njihovih lanaca nastaju tri različita produkta. Primjer takve reakcije alkana je interakcija natrija s klorometanom i kloroetanom. Izlaz je smjesa koja sadrži butan, propan i etan.

Osim natrija, mogu se koristiti i drugi alkalijski metali, koji uključuju litij ili kalij.

Postupak sulfokloriranja

Naziva se i Reedova reakcija. Odvija se po principu supstitucije slobodnih radikala. tip reakcije alkana na djelovanje smjese sumporovog dioksida i molekularnog klora u prisutnosti ultraljubičastog zračenja.

Proces počinje pokretanjem lančanog mehanizma u kojem se iz klora proizvode dva radikala. Jedan od njih napada alkan, što dovodi do stvaranja alkilne vrste i molekule klorovodika. Sumporni dioksid se veže za ugljikovodični radikal i tvori složenu česticu. Za stabilizaciju, jedan atom klora je zarobljen iz druge molekule. Konačna tvar je alkan sulfonil klorid; koristi se u sintezi surfaktanata.

Shematski proces izgleda ovako:

ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl,

HR + ∙Cl → R∙ + HCl,

R∙ + OSO → ∙RSO 2 ,

∙RSO 2 + ClCl → RSO 2 Cl + ∙Cl.

Procesi povezani s nitracijom

Alkani reagiraju s dušičnom kiselinom u obliku 10%-tne otopine, kao i s četverovalentnim dušikovim oksidom u plinovitom stanju. Uvjeti za njegovu pojavu su visoke temperature (oko 140 °C) i niski tlakovi. Izlaz proizvodi nitroalkane.

Ovaj proces tipa slobodnih radikala dobio je ime po znanstveniku Konovalovu, koji je otkrio sintezu nitracije: CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O.

Mehanizam cijepanja

Alkane karakteriziraju reakcije dehidrogenacije i krekiranja. Molekula metana prolazi kroz potpunu toplinsku razgradnju.

Glavni mehanizam gornjih reakcija je odvajanje atoma od alkana.

Proces dehidrogenacije

Kada se atomi vodika odvoje od ugljikovog skeleta parafina, s izuzetkom metana, dobivaju se nezasićeni spojevi. Takve kemijske reakcije alkana odvijaju se u uvjetima visoke temperature (od 400 do 600 °C) i pod utjecajem akceleratora u obliku platine, nikla i aluminija.

Ako su u reakciji uključene molekule propana ili etana, tada će njezini produkti biti propen ili eten s jednom dvostrukom vezom.

Dehidrogenacijom kostura od četiri ili pet ugljika nastaju dienski spojevi. Butadien-1,3 i butadien-1,2 nastaju iz butana.

Ako reakcija sadrži tvari sa 6 ili više ugljikovih atoma, nastaje benzen. Ima aromatski prsten s tri dvostruke veze.

Proces povezan s razgradnjom

Na visokim temperaturama može doći do reakcija alkana s kidanjem ugljikovih veza i stvaranjem aktivnih čestica radikalskog tipa. Takvi se procesi nazivaju krekiranje ili piroliza.

Zagrijavanje reaktanata na temperature veće od 500 °C dovodi do razgradnje njihovih molekula, pri čemu nastaju složene smjese radikala alkilnog tipa.

Provođenje pirolize alkana s dugim ugljikovim lancima pod jakim zagrijavanjem povezano je s proizvodnjom zasićenih i nezasićenih spojeva. Naziva se toplinskim krekiranjem. Ovaj se postupak koristio do sredine 20. stoljeća.

Nedostatak je bila proizvodnja ugljikovodika s niskim oktanskim brojem (ne većim od 65), pa je zamijenjen.Proces se odvija u temperaturnim uvjetima koji su ispod 440 °C i vrijednostima tlaka manjim od 15 atmosfera, u prisutnosti aluminosilikatnog akceleratora s oslobađanjem alkana koji imaju razgranatu strukturu. Primjer je piroliza metana: 2CH 4 → t ° C 2 H 2 + 3H 2. Tijekom te reakcije nastaju acetilen i molekularni vodik.

Molekula metana može doživjeti konverziju. Ova reakcija zahtijeva vodu i katalizator nikal. Izlaz je mješavina ugljičnog monoksida i vodika.

Oksidativni procesi

Kemijske reakcije karakteristične za alkane uključuju gubitak elektrona.

Postoji autooksidacija parafina. Uključuje slobodni radikalni mehanizam oksidacije zasićenih ugljikovodika. Tijekom reakcije iz tekuće faze alkana dobivaju se hidroperoksidi. U početnoj fazi, molekula parafina stupa u interakciju s kisikom, što rezultira oslobađanjem aktivnih radikala. Zatim, druga molekula O 2 stupa u interakciju s alkilnom česticom, što rezultira ∙ROO. Molekula alkana dolazi u kontakt s peroksidnim radikalom masne kiseline, nakon čega se oslobađa hidroperoksid. Primjer je autooksidacija etana:

C 2 H 6 + O 2 → ∙C 2 H 5 + HOO∙,

∙C 2 H 5 + O 2 → ∙OOC 2 H 5,

∙OOC 2 H 5 + C 2 H 6 → HOOC 2 H 5 + ∙C 2 H 5.

Alkane karakteriziraju reakcije izgaranja, koje su među glavnim kemijskim svojstvima pri određivanju u sastavu goriva. Oni su oksidativne prirode uz oslobađanje topline: 2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 + 6H 2 O.

Ako se u procesu uoči mala količina kisika, tada konačni produkt može biti ugljen ili ugljikov dvovalentni oksid, što je određeno koncentracijom O 2 .

Kada se alkani oksidiraju pod utjecajem katalitičkih tvari i zagrijavaju na 200 °C, dobivaju se molekule alkohola, aldehida ili karboksilne kiseline.

Primjer etana:

C 2 H 6 + O 2 → C 2 H 5 OH (etanol),

C 2 H 6 + O 2 → CH 3 CHO + H 2 O (etanal i voda),

2C 2 H 6 + 3O 2 → 2CH 3 COOH + 2H 2 O (etanska kiselina i voda).

Alkani se mogu oksidirati kada su izloženi tročlanim cikličkim peroksidima. To uključuje dimetildioksiran. Rezultat oksidacije parafina je molekula alkohola.

Predstavnici parafina ne reagiraju na KMnO 4 ili kalijev permanganat, kao ni na

Izomerizacija

Za alkane, tip reakcije karakterizira supstitucija s elektrofilnim mehanizmom. To uključuje izomerizaciju ugljikovog lanca. Ovaj proces katalizira aluminijev klorid, koji stupa u interakciju sa zasićenim parafinom. Primjer je izomerizacija molekule butana, koja postaje 2-metilpropan: C 4 H 10 → C 3 H 7 CH 3.

Proces aromatiziranja

Zasićene tvari koje sadrže šest ili više ugljikovih atoma u glavnom ugljikovom lancu sposobne su za dehidrociklizaciju. Ova reakcija nije tipična za kratke molekule. Rezultat je uvijek šesteročlani prsten u obliku cikloheksana i njegovih derivata.

U prisutnosti akceleratora reakcije odvija se daljnja dehidrogenacija i transformacija u stabilniji benzenski prsten. Aciklički ugljikovodici se pretvaraju u aromatske spojeve ili arene. Primjer je dehidrociklizacija heksana:

H 3 C−CH 2 − CH 2 − CH 2 − CH 2 − CH 3 → C 6 H 12 (cikloheksan),

C6H12 → C6H6 + 3H2 (benzen).

Zasićeni ugljikovodici su spojevi koji su molekule koje se sastoje od ugljikovih atoma u stanju sp 3 hibridizacije. Međusobno su povezani isključivo kovalentnim sigma vezama. Naziv "zasićeni" ili "zasićeni" ugljikovodici dolazi od činjenice da ovi spojevi nemaju sposobnost vezivanja atoma. Oni su ekstremni, potpuno zasićeni. Izuzetak su cikloalkani.

Što su alkani?

Alkani su zasićeni ugljikovodici, a njihov ugljikov lanac je otvoren i sastoji se od ugljikovih atoma međusobno povezanih jednostrukim vezama. Ne sadrži druge (to jest dvostruke, poput alkena ili trostruke, poput alkila) veze. Alkani se nazivaju i parafini. Dobili su ovo ime jer su dobro poznati parafini mješavina pretežno ovih zasićenih ugljikovodika C 18 -C 35 s posebnom inertnošću.

Općenito o alkanima i njihovim radikalima

Njihova formula: C n P 2 n +2, ovdje je n veći ili jednak 1. Molarna masa izračunava se pomoću formule: M = 14n + 2. Karakteristična značajka: završeci u njihovim imenima su "-an". Ostaci njihovih molekula, koji nastaju kao rezultat zamjene atoma vodika drugim atomima, nazivaju se alifatski radikali ili alkili. Označavaju se slovom R. Opća formula jednovalentnih alifatskih radikala: C n P 2 n +1, ovdje je n veći ili jednak 1. Molarna masa alifatskih radikala izračunava se formulom: M = 14n + 1. Karakteristična značajka alifatskih radikala: završeci u imenima "- mulj." Molekule alkana imaju svoje strukturne značajke:

• C-C vezu karakterizira duljina od 0,154 nm;
• C-H vezu karakterizira duljina od 0,109 nm;
• vezni kut (kut između veza ugljik-ugljik) je 109 stupnjeva i 28 minuta.

Alkani započinju homologni niz: metan, etan, propan, butan i tako dalje.

Fizikalna svojstva alkana

Alkani su tvari koje su bezbojne i netopljive u vodi. Temperatura na kojoj se alkani počinju taliti i temperatura na kojoj vrije povećavaju se u skladu s povećanjem molekulske mase i duljine lanca ugljikovodika. Od manje razgranatih prema više razgranatim alkanima, vrelište i talište se smanjuju. Plinoviti alkani mogu gorjeti blijedoplavim ili bezbojnim plamenom i proizvoditi dosta topline. CH 4 -C 4 H 10 su plinovi koji također nemaju miris. C 5 H 12 -C 15 H 32 su tekućine specifičnog mirisa. C 15 H 32 i tako dalje su krutine koje su također bez mirisa.

Kemijska svojstva alkana

Ovi spojevi su kemijski neaktivni, što se može objasniti snagom teško raskidivih sigma veza – C-C i C-H. Također je vrijedno uzeti u obzir da su C-C veze nepolarne, a C-H veze niskopolarne. To su niskopolarizirani tipovi veza koji pripadaju sigma tipu i prema tome najvjerojatnije će doći do kidanja homolitičkim mehanizmom, pri čemu će nastati radikali. Stoga su kemijska svojstva alkana uglavnom ograničena na reakcije supstitucije radikala.

Reakcije nitracije

Alkani reagiraju samo s dušičnom kiselinom koncentracije od 10% ili s četverovalentnim dušikovim oksidom u plinovitom okruženju pri temperaturi od 140°C. Reakcija nitriranja alkana naziva se Konovalova reakcija. Kao rezultat toga nastaju nitro spojevi i voda: CH 4 + dušična kiselina (razrijeđena) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + voda.

Reakcije izgaranja

Zasićeni ugljikovodici se vrlo često koriste kao gorivo, što je opravdano njihovom sposobnošću gorenja: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.

Reakcije oksidacije

Kemijska svojstva alkana također uključuju njihovu sposobnost oksidacije. Ovisno o tome koji uvjeti prate reakciju i kako se mijenjaju, iz iste tvari mogu se dobiti različiti krajnji produkti. Blaga oksidacija metana s kisikom u prisutnosti katalizatora koji ubrzava reakciju i temperature od oko 200 °C može rezultirati sljedećim tvarima:

1) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2CH 3 OH (alkohol - metanol).

2) CH 4 (oksidacija s kisikom) = CH 2 O (aldehid - metanal ili formaldehid) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2HCOOH (karboksilna kiselina - metan ili mravlja) + 2H 2 O.

Također, oksidacija alkana može se provesti u plinovitom ili tekućem mediju sa zrakom. Takve reakcije dovode do stvaranja viših masnih alkohola i odgovarajućih kiselina.

Odnos prema toplini

Na temperaturama ne višim od +150-250 ° C, uvijek u prisutnosti katalizatora, dolazi do strukturnog preuređivanja organskih tvari, što se sastoji od promjene redoslijeda povezivanja atoma. Taj se proces naziva izomerizacija, a tvari koje nastaju tom reakcijom nazivaju se izomeri. Tako se iz normalnog butana dobiva njegov izomer - izobutan. Na temperaturama od 300-600°C i prisutnosti katalizatora dolazi do kidanja C-H veza uz stvaranje molekula vodika (reakcije dehidrogenacije), molekula vodika uz zatvaranje ugljikovog lanca u ciklus (reakcije ciklizacije ili aromatizacije alkana) :

1) 2CH 4 = C 2 H 4 (eten) + 2H 2.

2) 2CH4 = C2H2 (etin) + 3H2.

3) C7H16 (normalni heptan) = C6H5 - CH3 (toluen) + 4H2.

Reakcije halogeniranja

Takve reakcije uključuju uvođenje halogena (njihovih atoma) u molekulu organske tvari, što rezultira stvaranjem C-halogene veze. Kada alkani reagiraju s halogenima, nastaju derivati ​​halogena. Ova reakcija ima svoje specifičnosti. Odvija se po radikalnom mehanizmu, a da bi se pokrenuo potrebno je smjesu halogena i alkana izložiti ultraljubičastom zračenju ili je jednostavno zagrijati. Svojstva alkana dopuštaju odvijanje reakcije halogeniranja dok se ne postigne potpuna zamjena s atomima halogena. Odnosno, kloriranje metana neće završiti u jednoj fazi i proizvodnji metil klorida. Reakcija će ići dalje, nastat će svi mogući produkti supstitucije, počevši od klorometana i završavajući s ugljikovim tetrakloridom. Izlaganje drugih alkana kloru pod ovim uvjetima rezultirat će stvaranjem različitih proizvoda koji nastaju supstitucijom vodika na različitim atomima ugljika. Temperatura na kojoj se odvija reakcija odredit će omjer konačnih proizvoda i brzinu njihovog stvaranja. Što je duži ugljikovodični lanac alkana, reakcija će biti lakša. Tijekom halogeniranja najprije će biti zamijenjen najmanje hidrogenirani (tercijarni) atom ugljika. Primarni će reagirati nakon svih ostalih. Reakcija halogeniranja odvijat će se u fazama. U prvoj fazi zamjenjuje se samo jedan atom vodika. Alkani ne stupaju u interakciju s otopinama halogena (klorna i bromna voda).

Reakcije sulfokloriranja

Kemijska svojstva alkana također se nadopunjuju reakcijom sulfokloriranja (zvanom Reedova reakcija). Kada su izloženi ultraljubičastom zračenju, alkani mogu reagirati s mješavinom klora i sumpornog dioksida. Kao rezultat nastaje klorovodik, kao i alkilni radikal, koji dodaje sumporni dioksid. Rezultat je složeni spoj koji postaje stabilan zbog hvatanja atoma klora i razaranja njegove sljedeće molekule: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultraljubičasto zračenje = R-SO 2 Cl + HCl. Sulfonil kloridi koji nastaju kao rezultat reakcije naširoko se koriste u proizvodnji površinski aktivnih tvari.

Stranica 1
Kemijska svojstva alkana.

Sve veze u alkanima su niskopolarne, zbog čega ih karakteriziraju radikalne reakcije. Nedostatak pi veze onemogućuje reakcije adicije. Alkane karakteriziraju reakcije supstitucije, eliminacije i izgaranja.

Vrsta i naziv reakcije	Primjer
1. Supstitucijske reakcije
A) s halogenima(S klorCl 2 - na svjetlu, Br 2 - kada se zagrije) reakcija se pokorava Markovnikovo pravilo (Markovnikova pravila ) - prvenstveno halogenzamjenjuje vodik unajmanje hidrogenizirani novi atom ugljika. Reakcija odvija se u fazama – u jednoj etapi zamijenio ne više od jednog atoma vodika. Najteže reagira jod, štoviše, reakcija ne ide do kraja, jer npr. kada metan reagira s jodom nastaje jodovodik, koji reagira s metil jodidom u metan i jod (reverzibilna reakcija):	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (klorometan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (diklormetan) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triklorometan) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (ugljikov tetraklorid).
B) Nitriranje (Konovalovljeva reakcija) Alkani reagiraju s 10% dušikovom kiselinom ili dušikovim oksidom N 2 O 4 u plinskoj fazi pri temperaturi od 140° i niskom tlaku uz stvaranje nitro derivata. Reakcija također slijedi Markovnikovljevo pravilo. OKO din vodikovih atoma zamijenjen je NO ostatkom 2 (nitro skupina) i oslobađa se voda
2. Reakcije eliminacije
A) dehidrogenacija– eliminacija vodika. Uvjeti reakcije: katalizator – platina i temperatura.	CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2
B) pucanje proces toplinske razgradnje ugljikovodika, koji se temelji na reakcijama cijepanja ugljikovog lanca velikih molekula u spojeve s kraćim lancem. Na temperaturi od 450–700 o K alkani se raspadaju zbog cijepanja veze S–J (jače veze S–H održavaju se na toj temperaturi) i nastaju alkani i alkeni s manjim brojem ugljikovih atoma	C6H14C2H6 + C4H8
B) potpuna toplinska razgradnja	CH4C + 2H2
3. Reakcije oksidacije
A) reakcija izgaranja Zapaljenjem (t = 600 o C) alkani reagiraju s kisikom, te se oksidiraju u ugljikov dioksid i vodu.	C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q
B) Katalitička oksidacija-na relativno niskoj temperaturi i uz upotrebu katalizatora, praćen je kidanjem samo dijela C–C veza otprilike u sredini molekule i C–H te se koristi za dobivanje vrijednih produkata: karboksilnih kiselina, ketona. , aldehidi, alkoholi.	Na primjer, nepotpunom oksidacijom butana (cijepanje C 2 – C 3 veze) dobiva se octena kiselina
4. Reakcije izomerizacije nisu tipični za sve alkane. Skreće se pozornost na mogućnost pretvorbe jednih izomera u druge i prisutnost katalizatora.	C 4 H 10 C 4 H 10
5.. Alkani s glavnim lancem od 6 ili više ugljikovih atoma također reagiratidehidrociklizacija ali uvijek tvore 6-člani prsten (cikloheksan i njegovi derivati). Pod uvjetima reakcije, ovaj ciklus prolazi kroz daljnju dehidrogenaciju i pretvara se u energetski stabilniji benzenski prsten aromatskog ugljikovodika (arena).

1. 
   Alkani se u velikim količinama dobivaju iz prirodnog plina i nafte.
2. 
   Od jednostavnih tvari u električnom pražnjenju:
3. 
   Hidroliza aluminijeva karbida
4. 
   Zagrijavanje monohaloalkana s metalnim natrijem (Wurtzova reakcija)
   Ako su haloalkani različiti, rezultat će biti mješavina tri proizvoda:
5. 
   Dekarboksilacija. Fuzija natrijevog acetata s alkalijom. Alkan proizveden na ovaj način imat će jedan atom ugljika manje.
6. 
   Hidroliza Grignardovog reagensa:
7. 
   Alkani simetrične strukture mogu se dobiti elektrolizom soli karboksilnih kiselina. (Kolbova reakcija)

Bilo bi korisno započeti s definicijom pojma alkana. To su zasićeni ili zasićeni.Možemo reći i da su to ugljici kod kojih se veza C atoma odvija jednostavnim vezama. Opća formula je: CnH₂n+ 2.

Poznato je da je omjer broja H i C atoma u njihovim molekulama maksimalan u usporedbi s drugim klasama. Zbog činjenice da su sve valencije zauzete ili C ili H, kemijska svojstva alkana nisu jasno izražena, pa je njihov drugi naziv sintagma zasićeni ili zasićeni ugljikovodici.

Postoji i stariji naziv koji najbolje odražava njihovu relativnu kemijsku inertnost - parafini, što znači "lišeni afiniteta".

Dakle, tema našeg današnjeg razgovora je: "Alkani: homologne serije, nomenklatura, struktura, izomerija." Prikazat će se i podaci o njihovim fizikalnim svojstvima.

Alkani: struktura, nomenklatura

U njima su C atomi u stanju koje se naziva sp3 hibridizacija. U tom smislu, molekula alkana može se prikazati kao skup tetraedarskih C struktura koje su povezane ne samo jedna s drugom, već i s H.

Između C i H atoma postoje jake, vrlo niskopolarne s-veze. Atomi se uvijek vrte oko jednostavnih veza, zbog čega molekule alkana poprimaju različite oblike, a duljina veze i kut između njih stalne su vrijednosti. Oblici koji se pretvaraju jedan u drugi zbog rotacije molekule oko σ veza obično se nazivaju konformacije.

U procesu apstrakcije H atoma iz dotične molekule nastaju 1-valentne vrste koje se nazivaju ugljikovodični radikali. Pojavljuju se kao rezultat ne samo već i anorganskih spojeva. Ako od molekule zasićenog ugljikovodika oduzmete 2 atoma vodika, dobit ćete 2-valentne radikale.

Dakle, nomenklatura alkana može biti:

• radijalna (stara verzija);
• supstitucija (međunarodna, sustavna). Predložio ga je IUPAC.

Značajke radijalne nomenklature

U prvom slučaju, nomenklatura alkana je karakterizirana kako slijedi:

1. Razmatranje ugljikovodika kao derivata metana, u kojem je 1 ili više H atoma zamijenjeno radikalima.
2. Visok stupanj pogodnosti u slučaju ne baš složenih veza.

Značajke supstitucijske nomenklature

Supstitucijska nomenklatura alkana ima sljedeće značajke:

1. Osnova za naziv je 1 ugljikov lanac, dok se ostali molekularni fragmenti smatraju supstituentima.
2. Ako postoji više identičnih radikala, broj se navodi ispred njihovog naziva (strogo riječima), a radikalni brojevi se odvajaju zarezima.

Kemija: nomenklatura alkana

Radi praktičnosti, podaci su prikazani u obliku tablice.

Gornja nomenklatura alkana uključuje imena koja su se razvila kroz povijest (prva 4 člana niza zasićenih ugljikovodika).

Nazivi neekspandiranih alkana s 5 ili više C atoma potječu od grčkih brojeva koji odražavaju zadani broj C atoma. Dakle, sufiks -an označava da je tvar iz niza zasićenih spojeva.

Pri sastavljanju naziva nenamotanih alkana glavni lanac je onaj koji sadrži najveći broj atoma C. Numerira se tako da supstituenti imaju najmanji broj. U slučaju dva ili više lanaca iste duljine, glavni postaje onaj koji sadrži najveći broj supstituenata.

Izomerija alkana

Osnovni ugljikovodik njihove serije je metan CH₄. Kod svakog sljedećeg predstavnika niza metana, razlika od prethodnog uočava se u metilenskoj skupini - CH₂. Ovaj obrazac se može pratiti kroz cijeli niz alkana.

Njemački znanstvenik Schiel iznio je prijedlog da se ovaj niz nazove homološkim. U prijevodu s grčkog znači "sličan, sličan".

Dakle, homologni niz je skup srodnih organskih spojeva koji imaju istu strukturu i slična kemijska svojstva. Homolozi su članovi određenog niza. Homologna razlika je metilenska skupina u kojoj se razlikuju 2 susjedna homologa.

Kao što je ranije spomenuto, sastav bilo kojeg zasićenog ugljikovodika može se izraziti općom formulom CnH₂n + 2. Dakle, sljedeći član homolognog niza nakon metana je etan - C₂H₆. Da bi se njegova struktura pretvorila iz metana, potrebno je zamijeniti 1 H atom sa CH3 (slika ispod).

Struktura svakog sljedećeg homologa može se zaključiti iz prethodnog na isti način. Kao rezultat, propan nastaje iz etana - C3H₈.

Što su izomeri?

To su tvari koje imaju identičan kvalitativni i kvantitativni molekularni sastav (identičnu molekularnu formulu), ali različitu kemijsku strukturu, a imaju i različita kemijska svojstva.

Gore razmotreni ugljikovodici razlikuju se po parametru kao što je vrelište: -0,5 ° - butan, -10 ° - izobutan. Ovaj tip izomerije naziva se izomerija ugljičnog skeleta i pripada strukturnom tipu.

Broj strukturnih izomera brzo raste kako se povećava broj ugljikovih atoma. Dakle, C₁₀H₂₂ će odgovarati 75 izomera (ne uključujući prostorne), a za C₁₅H3₃₂ već je poznato 4347 izomera, za C₂₀H₄₂ - 366.319.

Dakle, već je postalo jasno što su alkani, homologne serije, izomerija, nomenklatura. Sada je vrijedno prijeći na pravila za sastavljanje imena prema IUPAC-u.

IUPAC nomenklatura: pravila za tvorbu naziva

Najprije je u strukturi ugljikovodika potrebno pronaći onaj ugljikov lanac koji je najduži i sadrži najveći broj supstituenata. Zatim trebate numerirati C atome lanca, počevši od kraja kojemu je supstituent najbliži.

Drugo, baza je naziv nerazgranatog zasićenog ugljikovodika, koji po broju C atoma odgovara glavnom lancu.

Treće, prije baze potrebno je navesti brojeve lokanata blizu kojih se nalaze supstituenti. Imena supstituenata pišu se iza njih s crticom.

Četvrto, u slučaju prisutnosti identičnih supstituenata na različitim C atomima, lokanti se kombiniraju, a ispred naziva se pojavljuje prefiks množenja: di - za dva identična supstituenta, tri - za tri, tetra - četiri, penta - za pet , itd. Brojevi moraju biti međusobno odvojeni zarezom, a od riječi crticom.

Ako isti C atom sadrži dva supstituenta odjednom, lokant se također piše dva puta.

Prema tim pravilima formira se međunarodna nomenklatura alkana.

Newmanove projekcije

Ovaj američki znanstvenik predložio je posebne projekcijske formule za grafički prikaz konformacija - Newmanove projekcije. Oni odgovaraju oblicima A i B i prikazani su na donjoj slici.

U prvom slučaju radi se o A-okludiranoj konformaciji, au drugom o B-inhibiranoj konformaciji. U položaju A, atomi H nalaze se na minimalnoj udaljenosti jedan od drugog. Ovaj oblik odgovara najvećoj energetskoj vrijednosti, zbog činjenice da je odbojnost između njih najveća. To je energetski nepovoljno stanje, zbog čega molekula teži da ga napusti i premjesti se u stabilniju poziciju B. Ovdje su atomi H što je moguće udaljeniji jedan od drugog. Dakle, energetska razlika između ovih položaja iznosi 12 kJ/mol, zbog čega je slobodna rotacija oko osi u molekuli etana, koja povezuje metilne skupine, neravnomjerna. Nakon što uđe u energetski povoljan položaj, molekula se tu zadržava, drugim riječima, "usporava". Zato se zove inhibirana. Rezultat je da je 10 tisuća molekula etana u inhibiranom obliku konformacije na sobnoj temperaturi. Samo jedan ima drugačiji oblik – zatamnjen.

Dobivanje zasićenih ugljikovodika

Iz članka je već postalo poznato da su to alkani (njihova struktura i nomenklatura detaljno su opisani ranije). Bilo bi korisno razmotriti načine kako ih dobiti. Oslobađaju se iz prirodnih izvora kao što su nafta, prirodni i ugljen. Koriste se i sintetske metode. Na primjer, H₂ 2H₂:

1. Proces hidrogenacije CnH₂n (alkeni)→ CnH₂n+2 (alkani) ← CnH₂n-2 (alkini).
2. Iz smjese C i H monoksida - sintezni plin: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
3. Od karboksilnih kiselina (njihovih soli): elektroliza na anodi, na katodi:

• Kolbeova elektroliza: 2RCOONa+2H2O→R-R+2CO2+H2+2NaOH;
• Dumasova reakcija (legura s alkalijom): CH3COONa+NaOH (t)→CH4+Na₂CO3.

1. Krekiranje nafte: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH2(n-m).
2. Rasplinjavanje goriva (krutog): C+2H₂→CH4.
3. Sinteza složenih alkana (halogenih derivata) koji imaju manje C atoma: 2CH3Cl (klorometan) +2Na →CH3- CH3 (etan) +2NaCl.
4. Razgradnja metanida (metalnih karbida) vodom: Al₄C3+12H₂O→4Al(OH3)↓+3CH₄.

Fizikalna svojstva zasićenih ugljikovodika

Radi praktičnosti, podaci su grupirani u tablicu.

Zaključak

U članku je ispitan takav koncept kao što su alkani (struktura, nomenklatura, izomerija, homologne serije itd.). Malo je rečeno o značajkama radijalnih i supstitucijskih nomenklatura. Opisane su metode dobivanja alkana.

Osim toga, u članku je detaljno navedena cijela nomenklatura alkana (test vam može pomoći u asimilaciji primljenih informacija).