Cei mai simpli compuși organici sunt hidrocarburi, constând din carbon și hidrogen. În funcție de natura legăturilor chimice din hidrocarburi și de raportul dintre carbon și hidrogen, acestea se împart în saturate și nesaturate (alchene, alchine etc.)

Limită hidrocarburile (alcani, hidrocarburi metanice) sunt compuși ai carbonului cu hidrogen, în moleculele cărora fiecare atom de carbon cheltuiește nu mai mult de o valență în combinarea cu orice alt atom învecinat, iar toate valențele care nu sunt cheltuite pentru combinarea cu carbonul sunt saturate cu hidrogen. Toți atomii de carbon din alcani sunt în starea sp 3. Hidrocarburile saturate formează o serie omoloagă caracterizată prin formula generală CU n N 2n+2. Strămoșul acestei serii este metanul.

Izomerie. Nomenclatură.

Alcanii cu n=1,2,3 pot exista doar ca un izomer

Pornind de la n=4, apare fenomenul de izomerie structurală.

Numărul de izomeri structurali ai alcanilor crește rapid odată cu creșterea numărului de atomi de carbon, de exemplu, pentanul are 3 izomeri, heptanul are 9 etc.

Numărul de izomeri ai alcanilor crește, de asemenea, datorită posibililor stereoizomeri. Începând de la C 7 H 16 este posibilă existența unor molecule chirale, care formează doi enantiomeri.

Nomenclatura alcanilor.

Nomenclatura dominantă este nomenclatura IUPAC. În același timp, conține elemente de nume banale. Astfel, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani au denumiri banale.

CH 4 - metan

C2H6 - etan

C3H8 - propan

C4H10-butan.

Numele omologilor rămași sunt derivate din numere grecești latine. Astfel, pentru următorii membri ai unei serii de structuri normale (neramificate), se folosesc denumirile:

C 5 H 12 - pentan, C 6 H 14 - hexan, C 7 H 18 - heptan,

C 14 H 30 - tetradecan, C 15 H 32 - pentadecan etc.

Reguli de bază IUPAC pentru alcanii ramificați

a) alegeți cel mai lung lanț neramificat, al cărui nume formează baza (rădăcina). La această tulpină se adaugă sufixul „an”.

b) numerotați acest lanț conform principiului celor mai mici locanți,

c) substituentul este indicat sub formă de prefixe în ordine alfabetică indicând locația. Dacă există mai mulți substituenți identici în structura originală, atunci numărul lor este indicat cu cifre grecești.

În funcție de numărul de alți atomi de carbon de care atomul de carbon în cauză este legat direct, există atomi de carbon primari, secundari, terțiari și cuaternari.

Grupările alchil sau radicalii alchil apar ca substituenți în alcanii ramificati, care sunt considerați ca rezultat al eliminării unui atom de hidrogen din molecula de alcan.

Denumirea grupărilor alchil se formează din numele alcanilor corespunzători prin înlocuirea ultimului sufix „an” cu sufixul „yl”.

CH3 - metil

CH3CH2-etil

CH 3 CH 2 CH 2 - tăiat

Pentru a denumi grupările alchil ramificate, se folosește și numerotarea lanțului:

Pornind de la etan, alcanii sunt capabili să formeze conformeri care corespund unei conformații inhibate. Posibilitatea trecerii de la o conformatie inhibata la alta printr-una eclipsata este determinata de bariera de rotatie. Determinarea structurii, compoziției conformerelor și a barierelor de rotație sunt sarcinile analizei conformaționale. Metode de obţinere a alcanilor.

1. Distilarea fracționată a gazelor naturale sau a fracțiunii de petrol din benzină.În acest fel, pot fi izolați alcani individuali de până la 11 atomi de carbon.

2. Hidrogenarea cărbunelui. Procesul se desfășoară în prezența catalizatorilor (oxizi și sulfuri de molibden, wolfram, nichel) la 450-470 o C și presiuni de până la 30 MPa. Cărbunele și catalizatorul sunt măcinați în pulbere și hidrogenați în formă în suspensie, hidrogen borat prin suspensie. Amestecurile rezultate de alcani și cicloalcani sunt folosite ca combustibil pentru motor.

3. Hidrogenarea CO și CO 2 .

CO + H 2  alcani

CO 2 + H 2  alcani

Co, Fe și alte elemente d sunt utilizate ca catalizatori pentru aceste reacții.

4.Hidrogenarea alchenelor și alchinelor.

5.Sinteza organometalice.

A). Sinteza Wurtz.

2RHal + 2Na  R R + 2NaHal

Această sinteză este de puțin folos dacă sunt utilizați doi haloalcani diferiți ca reactivi organici.

b). Protoliza reactivilor Grignard.

R Hal + Mg  RMgHal

RMgHal + HOH  RH + Mg(OH)Hal

V). Interacțiunea dialchil cupraților de litiu (LiR2Cu) cu halogenuri de alchil

LiR 2 Cu + R X  R R + RCu + LiX

Dialchilcuprații de litiu înșiși sunt produși într-un proces în două etape

2R Li + CuI  LiR 2 Cu + LiI

6. Electroliza sărurilor acizilor carboxilici (sinteza Kolbe).

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

7. Fuziunea sărurilor acizilor carboxilici cu alcalii.

Reacția este utilizată pentru sinteza alcanilor inferiori.

8.Hidrogenoliza compușilor carbonilici și a haloalcanilor.

A). Compuși carbonilici. Sinteza Clemmens.

b). Haloalcani. Hidrogenoliza catalitică.

Ni, Pt, Pd sunt utilizați ca catalizatori.

c) Haloalcani. Recuperarea reactivului.

RHal + 2HI  RH + HHal + I 2

Proprietățile chimice ale alcanilor.

Toate legăturile din alcani sunt cu polare scăzută, motiv pentru care sunt caracterizate prin reacții radicale. Absența legăturilor pi face imposibile reacțiile de adiție. Alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție, eliminare și combustie.

Mecanismul reacției de halogenare:

Halogenare

Halogenarea alcanilor are loc printr-un mecanism radical. Pentru a iniția reacția, amestecul de alcan și halogen trebuie iradiat cu lumină UV sau încălzit. Clorurarea metanului nu se oprește în stadiul de obținere a clorurii de metil (dacă se iau cantități echimolare de clor și metan), ci duce la formarea tuturor produșilor de substituție posibili, de la clorura de metil la tetraclorura de carbon. Clorarea altor alcani are ca rezultat un amestec de produse de substituție a hidrogenului la diferiți atomi de carbon. Raportul dintre produsele de clorinare depinde de temperatură. Viteza de clorurare a atomilor primari, secundari si tertiari depinde de temperatura; la temperaturi scazute rata scade in ordinea: tertiar, secundar, primar. Pe măsură ce temperatura crește, diferența dintre viteze scade până când acestea devin aceleași. Pe lângă factorul cinetic, distribuția produselor de clorinare este influențată de un factor statistic: probabilitatea ca clorul să atace un atom de carbon terțiar este de 3 ori mai mică decât cel primar și de două ori mai mică decât cel secundar. Astfel, clorurarea alcanilor este o reacție nestereoselectivă, cu excepția cazurilor în care este posibil un singur produs de monoclorurare.

Halogenarea este una dintre reacțiile de substituție. Halogenarea alcanilor respectă regula lui Markovnik (regula lui Markovnikov) - atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat este halogenat primul. Halogenarea alcanilor are loc în etape - nu mai mult de un atom de hidrogen este halogenat într-o etapă.

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

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan)

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

CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetraclorura de carbon).

Sub influența luminii, o moleculă de clor se descompune în atomi, apoi atacă moleculele de metan, rupându-le atomul de hidrogen, în urma cărora se formează radicali metil CH 3, care se ciocnesc cu moleculele de clor, distrugându-le și formând noi radicali. .

Nitrare (reacția Konovalov)

Alcanii reacţionează cu o soluţie 10% de acid azotic sau oxid de azot N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140° şi presiune joasă pentru a forma derivaţi nitro. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov.

RH + HNO3 = RNO2 + H2O

adică, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu restul de NO 2 (grupa nitro) și se eliberează apă.

Caracteristicile structurale ale izomerilor afectează puternic cursul acestei reacții, deoarece cel mai ușor duce la înlocuirea atomului de hidrogen din reziduul SI (prezent doar la unii izomeri) cu o grupare nitro; este mai puțin ușor să înlocuiți hidrogenul în gruparea CH2 şi chiar mai dificilă în restul CH3.

Parafinele sunt destul de ușor nitrate în fază gazoasă la 150-475°C cu dioxid de azot sau vapori de acid azotic; în acest caz, se întâmplă parțial. oxidare. Nitrarea metanului produce aproape exclusiv nitrometan:

Toate datele disponibile indică un mecanism de radicali liberi. Ca rezultat al reacției, se formează amestecuri de produse. Acidul azotic la temperaturi obișnuite nu are aproape niciun efect asupra hidrocarburilor de parafină. Când este încălzit, acționează în principal ca un agent oxidant. Cu toate acestea, după cum a constatat M.I. Konovalov (1889), atunci când este încălzit, acidul azotic acționează parțial într-o manieră „nitrativă”; Reacția de nitrare cu acid azotic slab are loc în special când este încălzită și sub presiune ridicată. Reacția de nitrare este exprimată prin ecuație.

Omologii care urmează metanului dau un amestec de diferite nitroparafine datorită clivajului însoțitor. Când etanul este nitrat, se obţin nitroetan CH3-CH2-NO2 şi nitroetan CH3-NO2. Din propan se formează un amestec de nitroparafine:

Nitrarea parafinelor în fază gazoasă se realizează acum la scară industrială.

Sulfclorurare:

O reacție practic importantă este sulfoclorurarea alcanilor. Când un alcan reacţionează cu clorul şi dioxidul de sulf în timpul iradierii, hidrogenul este înlocuit cu o grupare clorosulfonil:

Etapele acestei reacții sunt:

CI +R:H→R +HCI

R+SO2 →RSO2

RSO2 + CI:CI→RS02CI+CI

Clorurile de alcansulfonil sunt ușor hidrolizate la alcansulfoxilost (RSO 2 OH), ale căror săruri de sodiu (RSO 3¯ Na + - alcansulfonat de sodiu) prezintă proprietăți similare săpunurilor și sunt utilizate ca detergenți.

Fiecare clasă de compuși chimici este capabilă să prezinte proprietăți determinate de structura lor electronică. Alcanii se caracterizează prin reacții de substituție, eliminare sau oxidare a moleculelor. Toate au propriile lor caracteristici, care vor fi discutate în continuare.

Ce sunt alcanii

Aceștia sunt compuși de hidrocarburi saturate numiți parafine. Moleculele lor constau numai din atomi de carbon și hidrogen, au un lanț aciclic liniar sau ramificat, în care există doar compuși unici. Având în vedere caracteristicile clasei, este posibil să se calculeze ce reacții sunt caracteristice alcanilor. Ei respectă formula pentru întreaga clasă: H 2n+2 C n.

Structura chimică

Molecula de parafină conține atomi de carbon care prezintă hibridizare sp 3. Toți cei patru orbiti de valență au aceeași formă, energie și direcție în spațiu. Unghiul dintre nivelurile de energie este de 109° și 28".

Prezența legăturilor simple în molecule determină care reacții sunt caracteristice alcanilor. Ele conțin σ-compuși. Legătura dintre atomi de carbon este nepolară și slab polarizabilă, puțin mai lungă decât în ​​C−H. Există, de asemenea, o schimbare a densității electronilor către atomul de carbon, ca fiind cel mai electronegativ. Ca rezultat, compusul C−H este caracterizat de polaritate scăzută.

Reacții de substituție

Substanțele din clasa parafinelor au activitate chimică slabă. Acest lucru poate fi explicat prin puterea legăturilor dintre C-C și C-H, care sunt greu de rupere din cauza nepolarității. Distrugerea lor se bazează pe un mecanism omolitic, la care participă radicalii de tip liber. Acesta este motivul pentru care alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție. Astfel de substanțe nu sunt capabile să interacționeze cu moleculele de apă sau cu ionii purtători de sarcină.

Sunt considerate substituții cu radicali liberi, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu elemente de halogen sau alte grupări active. Astfel de reacții includ procese asociate cu halogenare, sulfoclorurare și nitrare. Rezultatul lor este producerea de derivați alcani.

Mecanismul reacțiilor de substituție a radicalilor liberi se bazează pe trei etape principale:

1. Procesul începe cu inițierea sau nuclearea unui lanț, în urma căruia se formează radicali liberi. Catalizatorii sunt surse de lumină ultravioletă și căldură.
2. Apoi se dezvoltă un lanț în care au loc interacțiuni secvențiale ale particulelor active cu moleculele inactive. Ele sunt transformate în molecule și, respectiv, radicali.
3. Etapa finală va fi ruperea lanțului. Se observă recombinarea sau dispariția particulelor active. Acest lucru oprește dezvoltarea reacției în lanț.

Proces de halogenare

Se bazează pe un mecanism de tip radical. Reacția de halogenare a alcanilor are loc la iradierea cu lumină ultravioletă și încălzirea unui amestec de halogeni și hidrocarburi.

Toate etapele procesului respectă regula exprimată de Markovnikov. Indică faptul că este înlocuit cu un halogen, care aparține în primul rând carbonului hidrogenat în sine. Halogenarea are loc în următoarea succesiune: de la atomul terțiar la carbonul primar.

Procesul funcționează mai bine pentru moleculele de alcani cu un lanț de carbon lung. Acest lucru se datorează unei scăderi a energiei ionizante într-o direcție dată; un electron este mai ușor separat dintr-o substanță.

Un exemplu este clorurarea unei molecule de metan. Acțiunea radiațiilor ultraviolete duce la descompunerea clorului în particule radicale care atacă alcanul. Se extrage hidrogenul atomic și se formează H3C sau un radical metil. O astfel de particulă, la rândul său, atacă clorul molecular, ducând la distrugerea structurii sale și la formarea unui nou reactiv chimic.

În fiecare etapă a procesului, este înlocuit doar un atom de hidrogen. Reacția de halogenare a alcanilor duce la formarea treptată a moleculelor de clormetan, diclormetan, triclormetan și tetraclormetan.

Schematic procesul arată astfel:

H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCI,

H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCI,

H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCI,

HCCl3 + CI:CI → CCl4 + HCI.

Spre deosebire de clorurarea unei molecule de metan, efectuarea unui astfel de proces cu alcani se caracterizează prin producerea de substanțe în care înlocuirea hidrogenului are loc nu la un atom de carbon, ci la mai mulți. Relația lor cantitativă este legată de indicatorii de temperatură. În condiții de frig, se observă o scădere a ratei de formare a derivaților cu structuri terțiare, secundare și primare.

Odată cu creșterea temperaturii, rata de formare a unor astfel de compuși se nivelează. Procesul de halogenare este influențat de un factor static, care indică o probabilitate diferită ca un radical să se ciocnească cu un atom de carbon.

Procesul de halogenare cu iod nu are loc în condiții normale. Este necesar să se creeze condiții speciale. Când metanul este expus la acest halogen, apare iodură de hidrogen. Este afectat de iodură de metil, în urma căreia se eliberează reactivii inițiali: metan și iod. Această reacție este considerată reversibilă.

Reacția Wurtz pentru alcani

Este o metodă de producție cu o structură simetrică. Ca reactanți se folosesc sodiu metal, bromurile de alchil sau clorurile de alchil. Când reacţionează, produc halogenură de sodiu şi un lanţ hidrocarburic lărgit, care este suma a doi radicali de hidrocarburi. Schematic, sinteza arată astfel: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.

Reacția Wurtz pentru alcani este posibilă numai dacă halogenii din moleculele lor sunt localizați la atomul de carbon primar. De exemplu, CH3-CH2-CH2Br.

Dacă în proces este implicat un amestec de halohidrocarburi de doi compuși, atunci când lanțurile lor se condensează, se formează trei produse diferite. Un exemplu de astfel de reacție a alcanilor este interacțiunea sodiului cu clormetanul și cloretanul. Rezultatul este un amestec care conține butan, propan și etan.

Pe lângă sodiu, pot fi folosite și alte metale alcaline, care includ litiu sau potasiu.

Procesul de sulfoclorurare

Se mai numește și reacția Reed. Se procedează conform principiului substituției radicalilor liberi. tipul de reacție al alcanilor la acțiunea unui amestec de dioxid de sulf și clor molecular în prezența radiațiilor ultraviolete.

Procesul începe cu inițierea unui mecanism în lanț în care sunt produși doi radicali din clor. Unul dintre ele atacă alcanul, ceea ce duce la formarea unei specii de alchil și a unei molecule de clorură de hidrogen. Dioxidul de sulf se atașează de radicalul de hidrocarbură pentru a forma o particulă complexă. Pentru a se stabiliza, un atom de clor este captat dintr-o altă moleculă. Substanța finală este clorura de alcan sulfonil; este utilizată în sinteza agenților tensioactivi.

Schematic procesul arată astfel:

ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl,

HR + ∙Cl → R∙ + HCl,

R∙ + OSO → ∙RSO 2 ,

∙RSO 2 + ClCl → RSO 2 Cl + ∙Cl.

Procese asociate cu nitrarea

Alcanii reacţionează cu acidul azotic sub formă de soluţie de 10%, precum şi cu oxidul de azot tetravalent în stare gazoasă. Condițiile pentru apariția sa sunt temperaturi ridicate (aproximativ 140 °C) și presiuni scăzute. Ieșirea produce nitroalcani.

Acest proces de tip radical liber a fost numit după omul de știință Konovalov, care a descoperit sinteza nitrației: CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O.

Mecanism de clivaj

Alcanii sunt caracterizați prin reacții de dehidrogenare și cracare. Molecula de metan suferă o descompunere termică completă.

Mecanismul principal al reacțiilor de mai sus este extracția atomilor din alcani.

Procesul de dehidrogenare

Când atomii de hidrogen sunt separați din scheletul de carbon al parafinelor, cu excepția metanului, se obțin compuși nesaturați. Astfel de reacții chimice ale alcanilor au loc în condiții de temperatură ridicată (de la 400 la 600 ° C) și sub influența acceleratorilor sub formă de platină, nichel și aluminiu.

Dacă în reacție sunt implicate molecule de propan sau etan, atunci produsele sale vor fi propenă sau etenă cu o dublă legătură.

Dehidrogenarea unui schelet cu patru sau cinci atomi de carbon produce compuși dienici. Butadiena-1,3 și butadiena-1,2 sunt formate din butan.

Dacă reacția conține substanțe cu 6 sau mai mulți atomi de carbon, se formează benzen. Are un inel aromatic cu trei legături duble.

Proces asociat cu descompunerea

La temperaturi ridicate, pot apărea reacții ale alcanilor cu ruperea legăturilor de carbon și formarea de particule active de tip radical. Astfel de procese se numesc cracare sau piroliză.

Încălzirea reactanților la temperaturi care depășesc 500 °C duce la descompunerea moleculelor lor, în timpul căreia se formează amestecuri complexe de radicali de tip alchil.

Efectuarea pirolizei alcanilor cu lanțuri lungi de carbon sub încălzire puternică este asociată cu producerea de compuși saturați și nesaturați. Se numește fisurare termică. Acest proces a fost folosit până la mijlocul secolului al XX-lea.

Dezavantajul a fost producerea de hidrocarburi cu un număr octanic scăzut (nu mai mult de 65), așa că a fost înlocuit.Procesul are loc în condiții de temperatură care sunt sub 440 ° C și valori de presiune mai mici de 15 atmosfere, în prezența a unui accelerator de aluminosilicat cu eliberare de alcani cu structură ramificată. Un exemplu este piroliza metanului: 2CH 4 → t ° C 2 H 2 + 3H 2. În timpul acestei reacții, se formează acetilenă și hidrogen molecular.

Molecula de metan poate suferi conversie. Această reacție necesită apă și un catalizator de nichel. Rezultatul este un amestec de monoxid de carbon și hidrogen.

Procese oxidative

Reacțiile chimice caracteristice alcanilor implică pierderea de electroni.

Există autooxidarea parafinelor. Implica mecanismul radicalilor liberi de oxidare a hidrocarburilor saturate. În timpul reacției, din faza lichidă a alcanilor se obțin hidroperoxizi. În stadiul inițial, molecula de parafină interacționează cu oxigenul, rezultând eliberarea de radicali activi. Apoi, o altă moleculă de O 2 interacționează cu particula de alchil, rezultând ∙ROO. O moleculă de alcan intră în contact cu radicalul peroxid al acidului gras, după care se eliberează hidroperoxid. Un exemplu este auto-oxidarea etanului:

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.

Alcanii se caracterizează prin reacții de ardere, care se numără printre principalele proprietăți chimice la determinarea lor în compoziția combustibilului. Sunt de natură oxidativă cu eliberare de căldură: 2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 + 6H 2 O.

Dacă în proces se observă o cantitate mică de oxigen, atunci produsul final poate fi cărbune sau oxid bivalent de carbon, care este determinat de concentrația de O2.

Când alcanii sunt oxidați sub influența substanțelor catalitice și încălziți la 200 °C, se obțin molecule de alcool, aldehidă sau acid carboxilic.

Exemplu de etan:

C2H6 + O2 → C2H5OH (etanol),

C 2 H 6 + O 2 → CH 3 CHO + H 2 O (etanal și apă),

2C 2 H 6 + 3O 2 → 2CH 3 COOH + 2H 2 O (acid etanoic și apă).

Alcanii pot fi oxidați atunci când sunt expuși la peroxizi ciclici cu trei membri. Acestea includ dimetildioxiranul. Rezultatul oxidării parafinelor este o moleculă de alcool.

Reprezentanții parafinelor nu reacționează la KMnO 4 sau permanganatul de potasiu, precum și la

Izomerizarea

Pentru alcani, tipul de reacție este caracterizat prin substituție cu un mecanism electrofil. Aceasta include izomerizarea lanțului de carbon. Acest proces este catalizat de clorura de aluminiu, care interacționează cu parafina saturată. Un exemplu este izomerizarea unei molecule de butan, care devine 2-metilpropan: C 4 H 10 → C 3 H 7 CH 3.

Procesul de aromatizare

Substanțele saturate care conțin șase sau mai mulți atomi de carbon în lanțul principal de carbon sunt capabile de dehidrociclizare. Această reacție nu este tipică pentru molecule scurte. Rezultatul este întotdeauna un inel cu șase atomi sub formă de ciclohexan și derivații săi.

În prezența acceleratorilor de reacție, are loc o dehidrogenare ulterioară și transformarea într-un inel benzenic mai stabil. Hidrocarburile aciclice sunt transformate în compuși aromatici sau arene. Un exemplu este dehidrociclizarea hexanului:

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

C6H12 → C6H6 + 3H2 (benzen).

Hidrocarburile saturate sunt compuși care sunt molecule formate din atomi de carbon în stare de hibridizare sp 3. Ele sunt conectate între ele exclusiv prin legături sigma covalente. Denumirea de hidrocarburi „saturate” sau „saturate” provine de la faptul că acești compuși nu au capacitatea de a atașa niciun atom. Sunt extreme, complet saturate. Excepția sunt cicloalcanii.

Ce sunt alcanii?

Alcanii sunt hidrocarburi saturate, iar lanțul lor de carbon este deschis și constă din atomi de carbon legați între ei folosind legături simple. Nu conține alte legături (adică duble, ca alchene, sau triple, ca alchilii). Alcanii sunt numiți și parafine. Ei au primit această denumire deoarece parafinele binecunoscute sunt un amestec predominant al acestor hidrocarburi saturate C 18 -C 35 cu o inerție deosebită.

Informații generale despre alcani și radicalii lor

Formula lor: C n P 2 n +2, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară se calculează folosind formula: M = 14n + 2. Trăsătură caracteristică: terminațiile din numele lor sunt „-an”. Reziduurile moleculelor lor, care se formează ca urmare a înlocuirii atomilor de hidrogen cu alți atomi, se numesc radicali alifatici sau alchili. Sunt desemnați prin litera R. Formula generală a radicalilor alifatici monovalenți: C n P 2 n +1, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară a radicalilor alifatici se calculează cu formula: M = 14n + 1. O trăsătură caracteristică a radicalilor alifatici: terminațiile în numele „- nămol”. Moleculele de alcan au propriile lor caracteristici structurale:

• Legătura C-C este caracterizată printr-o lungime de 0,154 nm;
• Legătura C-H este caracterizată printr-o lungime de 0,109 nm;
• unghiul de legătură (unghiul dintre legăturile carbon-carbon) este de 109 grade și 28 de minute.

Alcanii încep seria omoloage: metan, etan, propan, butan și așa mai departe.

Proprietățile fizice ale alcanilor

Alcanii sunt substanțe incolore și insolubile în apă. Temperatura la care alcanii încep să se topească și temperatura la care fierb cresc în funcție de creșterea greutății moleculare și a lungimii lanțului de hidrocarburi. De la alcanii mai puțin ramificați la mai ramificați, punctele de fierbere și de topire scad. Alcanii gazoși pot arde cu o flacără albastru pal sau incolor și pot produce destul de multă căldură. CH 4 -C 4 H 10 sunt gaze care, de asemenea, nu au miros. C 5 H 12 - C 15 H 32 sunt lichide care au un miros specific. C 15 H 32 și așa mai departe sunt solide care sunt, de asemenea, inodore.

Proprietățile chimice ale alcanilor

Acești compuși sunt inactivi din punct de vedere chimic, ceea ce poate fi explicat prin rezistența legăturilor sigma greu de rupere - C-C și C-H. De asemenea, merită luat în considerare faptul că legăturile C-C sunt nepolare, iar legăturile C-H sunt polare scăzute. Acestea sunt tipuri de legături cu polarizare scăzută aparținând tipului sigma și, în consecință, este cel mai probabil să fie rupte printr-un mecanism omolitic, în urma căruia se vor forma radicali. Astfel, proprietățile chimice ale alcanilor sunt limitate în principal la reacțiile de substituție radicală.

Reacții de nitrare

Alcanii reacţionează numai cu acidul azotic cu o concentraţie de 10% sau cu oxidul de azot tetravalent în mediu gazos la o temperatură de 140°C. Reacția de nitrare a alcanilor se numește reacția Konovalov. Ca urmare, se formează compuși nitro și apă: CH 4 + acid azotic (diluat) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + apă.

Reacții de ardere

Hidrocarburile saturate sunt foarte des folosite drept combustibil, ceea ce se justifică prin capacitatea lor de a arde: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.

Reacții de oxidare

Proprietățile chimice ale alcanilor includ și capacitatea lor de a se oxida. În funcție de condițiile care însoțesc reacția și de modul în care acestea sunt modificate, din aceeași substanță se pot obține diferiți produse finite. Oxidarea ușoară a metanului cu oxigen în prezența unui catalizator care accelerează reacția și la o temperatură de aproximativ 200 ° C poate duce la următoarele substanțe:

1) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2CH 3 OH (alcool - metanol).

2) CH 4 (oxidare cu oxigen) = CH 2 O (aldehidă - metanal sau formaldehidă) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2HCOOH (acid carboxilic - metan sau formic) + 2H 2 O.

De asemenea, oxidarea alcanilor poate fi realizată într-un mediu gazos sau lichid cu aer. Astfel de reacții duc la formarea de alcooli grași superiori și acizii corespunzători.

Relația cu căldura

La temperaturi care nu depășesc +150-250°C, întotdeauna în prezența unui catalizator, are loc o rearanjare structurală a substanțelor organice, care constă într-o modificare a ordinii de conectare a atomilor. Acest proces se numește izomerizare, iar substanțele rezultate în urma reacției se numesc izomeri. Astfel, din butan normal se obține izomerul acestuia - izobutan. La temperaturi de 300-600°C și prezența unui catalizator, legăturile C-H sunt rupte cu formarea de molecule de hidrogen (reacții de dehidrogenare), molecule de hidrogen cu închiderea lanțului de carbon într-un ciclu (reacții de ciclizare sau aromatizare a alcanilor) :

1) 2CH4 = C2H4 (etenă) + 2H2.

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

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

Reacții de halogenare

Astfel de reacții presupun introducerea de halogeni (atomii lor) în molecula unei substanțe organice, având ca rezultat formarea unei legături C-halogen. Când alcanii reacţionează cu halogenii, se formează derivaţi de halogen. Această reacție are caracteristici specifice. Se procedează după un mecanism radical, iar pentru a-l iniția este necesar să expunem amestecul de halogeni și alcani la radiații ultraviolete sau pur și simplu să-l încălzim. Proprietățile alcanilor permit reacției de halogenare să continue până când se obține înlocuirea completă cu atomi de halogen. Adică, clorurarea metanului nu se va încheia într-o singură etapă și producția de clorură de metil. Reacția va merge mai departe, se vor forma toți produșii de substituție posibili, începând cu clormetan și terminând cu tetraclorura de carbon. Expunerea altor alcani la clor în aceste condiții va avea ca rezultat formarea diferiților produși care rezultă din înlocuirea hidrogenului la diferiți atomi de carbon. Temperatura la care are loc reacția va determina raportul dintre produsele finali și viteza de formare a acestora. Cu cât lanțul de hidrocarburi al alcanului este mai lung, cu atât reacția va fi mai ușoară. În timpul halogenării, atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat (terțiar) va fi înlocuit mai întâi. Cel primar va reacționa după toate celelalte. Reacția de halogenare va avea loc în etape. În prima etapă, doar un atom de hidrogen este înlocuit. Alcanii nu interacționează cu soluțiile de halogen (apa cu clor și brom).

Reacții de sulfoclorurare

Proprietățile chimice ale alcanilor sunt completate și de reacția de sulfoclorurare (numită reacție Reed). Când sunt expuși la radiații ultraviolete, alcanii sunt capabili să reacționeze cu un amestec de clor și dioxid de sulf. Ca rezultat, se formează acid clorhidric, precum și un radical alchil, care adaugă dioxid de sulf. Rezultă un compus complex care devine stabil datorită captării unui atom de clor și distrugerii moleculei următoare: R-H + SO 2 + Cl 2 + radiația ultravioletă = R-SO 2 Cl + HCl. Clorurile de sulfonil formate ca rezultat al reacției sunt utilizate pe scară largă în producerea de agenți tensioactivi.

Pagina 1
Proprietățile chimice ale alcanilor.

Toate legăturile din alcani sunt cu polare scăzută, motiv pentru care sunt caracterizate prin reacții radicale. Absența legăturilor pi face imposibile reacțiile de adiție. Alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție, eliminare și combustie.

Tipul și numele reacției	Exemplu
1. Reacții de substituție
A) cu halogeni(Cu clorCl 2 -in lumina, Br 2 - la încălzire) reacţia se supune Regula lui Markovnik (Regulile lui Markovnikov ) - în primul rând un halogenînlocuiește hidrogenul încel putin hidrogenat nou atom de carbon. Reacţie are loc în etape – într-o singură etapăînlocuit nu mai mult de un atom de hidrogen. Iodul reacționează cel mai greu și, în plus, reacția nu se finalizează, deoarece, de exemplu, atunci când metanul reacționează cu iodul, se formează iodură de hidrogen, care reacționează cu iodură de metil pentru a forma metan și iod (reacție reversibilă):	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clormetan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclormetan) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetraclorura de carbon).
B) Nitrare (reacția Konovalov) Alcanii reacţionează cu acid azotic 10% sau oxid nitric N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140° şi presiune joasă cu formarea nitroderivaţilor. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov. DESPRE dina atomilor de hidrogen este înlocuită cu un rest NO 2 (grupul nitro) și se eliberează apă
2. Reacții de eliminare
A) dehidrogenare– eliminarea hidrogenului. Condiții de reacție: catalizator – platină și temperatură.	CH3 - CH3 → CH2 = CH2 + H2
B) fisurare procesul de descompunere termică a hidrocarburilor, care se bazează pe reacțiile de scindare a lanțului de carbon al moleculelor mari pentru a forma compuși cu un lanț mai scurt. La o temperatură de 450–700 o C alcanii se descompun din cauza clivajului legăturii S–S (conexiuni mai puternice SH se păstrează la această temperatură) și se formează alcani și alchene cu un număr mai mic de atomi de carbon	C6H14C2H6 + C4H8
B) descompunere termică completă	CH4C + 2H2
3. Reacții de oxidare
a) reacția de ardere Când sunt aprinși (t = 600 o C), alcanii reacționează cu oxigenul și sunt oxidați în dioxid de carbon și apă.	C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q
B) Oxidarea catalitică-la o temperatură relativ scăzută și cu utilizarea catalizatorilor, este însoțită de ruperea doar a unei părți a legăturilor C–C aproximativ în mijlocul moleculei și C–H și este folosită pentru obținerea de produse valoroase: acizi carboxilici, cetone. , aldehide, alcooli.	De exemplu, cu oxidarea incompletă a butanului (clivarea legăturii C 2 – C 3), se obține acid acetic
4. Reacții de izomerizare nu sunt tipice pentru toți alcanii. Se atrage atenția asupra posibilității de conversie a unor izomeri în alții și prezența catalizatorilor.	C4H10C4H10
5.. Alcani cu un lanț principal de 6 sau mai mulți atomi de carbon reacționează de asemeneadehidrociclizare dar formează întotdeauna un inel cu 6 atomi (ciclohexan și derivații săi). În condiții de reacție, acest ciclu suferă o dehidrogenare suplimentară și se transformă în inelul benzenic mai stabil din punct de vedere energetic al unei hidrocarburi aromatice (arenă).

1. 
   Alcanii se obțin în cantități mari din gaze naturale și petrol.
2. 
   Din substanțe simple aflate într-o descărcare electrică:
3. 
   Hidroliza carburii de aluminiu
4. 
   Încălzirea monohaloalcanilor cu sodiu metalic (reacția Wurtz)
   Dacă haloalcanii sunt diferiți, rezultatul va fi un amestec de trei produse:
5. 
   Decarboxilarea. Fuziunea acetatului de sodiu cu alcalii. Alcanul produs astfel va avea un atom de carbon mai puțin.
6. 
   Hidroliza reactivului Grignard:
7. 
   Alcanii cu structură simetrică pot fi obținuți prin electroliza sărurilor acizilor carboxilici. (reacția Kolb)

Ar fi util să începem cu o definiție a conceptului de alcani. Acestea sunt saturate sau saturate.Putem spune de asemenea că sunt atomi de carbon în care legătura atomilor de C se realizează prin legături simple. Formula generală este: CnH₂n+ 2.

Se știe că raportul dintre numărul de atomi de H și C din moleculele lor este maxim în comparație cu alte clase. Datorită faptului că toate valențele sunt ocupate fie de C, fie de H, proprietățile chimice ale alcanilor nu sunt exprimate clar, așa că al doilea lor nume este expresia hidrocarburi saturate sau saturate.

Există, de asemenea, un nume mai vechi care reflectă cel mai bine inerția lor chimică relativă - parafine, care înseamnă „fără afinitate”.

Deci, subiectul conversației noastre de astăzi este: „Alcani: serie omologică, nomenclatură, structură, izomerie”. De asemenea, vor fi prezentate date privind proprietățile fizice ale acestora.

Alcani: structura, nomenclatura

În ei, atomii de C sunt într-o stare numită hibridizare sp3. În acest sens, molecula de alcan poate fi demonstrată ca un set de structuri C tetraedrice care sunt conectate nu numai între ele, ci și cu H.

Între atomii C și H există legături s puternice, cu polare foarte scăzută. Atomii se rotesc mereu în jurul legăturilor simple, motiv pentru care moleculele de alcan iau forme variate, iar lungimea legăturii și unghiul dintre ele sunt valori constante. Formele care se transformă unele în altele datorită rotației moleculei în jurul legăturilor σ se numesc de obicei conformații.

În procesul de extracție a unui atom de H din molecula în cauză se formează specii 1-valente numite radicali hidrocarburi. Ele apar ca urmare nu numai, ci și a compușilor anorganici. Dacă scădeți 2 atomi de hidrogen dintr-o moleculă de hidrocarbură saturată, obțineți radicali 2-valenti.

Astfel, nomenclatura alcanilor poate fi:

• radial (versiunea veche);
• substituție (internațională, sistematică). A fost propus de IUPAC.

Caracteristicile nomenclaturii radiale

În primul caz, nomenclatura alcanilor este caracterizată după cum urmează:

1. Considerarea hidrocarburilor ca derivați ai metanului, în care 1 sau mai mulți atomi de H sunt înlocuiți cu radicali.
2. Grad ridicat de confort în cazul conexiunilor nu foarte complexe.

Caracteristicile nomenclaturii de substituție

Nomenclatura substitutivă a alcanilor are următoarele caracteristici:

1. Baza denumirii este 1 lanț de carbon, în timp ce fragmentele moleculare rămase sunt considerate substituenți.
2. Dacă există mai mulți radicali identici, numărul este indicat înaintea numelui lor (strict în cuvinte), iar numerele radicale sunt separate prin virgulă.

Chimie: nomenclatura alcanilor

Pentru comoditate, informațiile sunt prezentate sub formă de tabel.

Nomenclatura de mai sus a alcanilor include nume care s-au dezvoltat istoric (primii 4 membri ai seriei de hidrocarburi saturate).

Numele alcanilor neexpandați cu 5 sau mai mulți atomi de C sunt derivate din numere grecești care reflectă numărul dat de atomi C. Astfel, sufixul -an indică faptul că substanța provine dintr-o serie de compuși saturați.

La alcătuirea denumirilor de alcani desfășurați, lanțul principal este cel care conține numărul maxim de atomi C. Este numerotat astfel încât substituenții să aibă cel mai mic număr. În cazul a două sau mai multe lanțuri de aceeași lungime, cel principal devine cel care conține cel mai mare număr de substituenți.

Izomeria alcanilor

Hidrocarbura de bază a seriei lor este metanul CH₄. Cu fiecare reprezentant ulterior al seriei de metan, se observă o diferență față de cel precedent în grupul metilen - CH₂. Acest model poate fi urmărit în întreaga serie de alcani.

Omul de știință german Schiel a înaintat o propunere de a numi această serie omologică. Tradus din greacă înseamnă „asemănător, asemănător”.

Astfel, o serie omoloagă este un set de compuși organici înrudiți care au aceeași structură și proprietăți chimice similare. Omologuli sunt membri ai unei serii date. Diferența omologă este o grupare de metilen în care diferă 2 omologi vecini.

După cum sa menționat mai devreme, compoziția oricărei hidrocarburi saturate poate fi exprimată folosind formula generală CnH₂n + 2. Astfel, următorul membru al seriei omoloage după metan este etan - C₂H₆. Pentru a-și transforma structura din metan, este necesar să înlocuiți 1 atom de H cu CH₃ (figura de mai jos).

Structura fiecărui omolog ulterior poate fi dedusă din cel precedent în același mod. Ca rezultat, propanul se formează din etan - C₃H₈.

Ce sunt izomerii?

Acestea sunt substanțe care au o compoziție moleculară calitativă și cantitativă identică (formulă moleculară identică), dar o structură chimică diferită și, de asemenea, au proprietăți chimice diferite.

Hidrocarburile discutate mai sus diferă într-un astfel de parametru precum punctul de fierbere: -0,5° - butan, -10° - izobutan. Acest tip de izomerie se numește izomerie cu schelet de carbon; aparține tipului structural.

Numărul de izomeri structurali crește rapid pe măsură ce crește numărul de atomi de carbon. Astfel, C₁₀H₂₂ va corespunde la 75 de izomeri (fără incluzând cei spațiali), iar pentru C₁₅H₃₂ sunt deja cunoscuți 4347 izomeri, pentru C₂₀H₄₂ - 366.319.

Deci, a devenit deja clar ce sunt alcanii, seria omoloagă, izomeria, nomenclatura. Acum merită să trecem la regulile de compilare a numelor conform IUPAC.

Nomenclatura IUPAC: reguli de formare a numelor

În primul rând, este necesar să se găsească în structura hidrocarburii lanțul de carbon care este cel mai lung și conține numărul maxim de substituenți. Apoi trebuie să numerotați atomii de C ai lanțului, începând de la capătul de care este cel mai apropiat substituentul.

În al doilea rând, baza este numele unei hidrocarburi saturate neramificate, care, din punct de vedere al numărului de atomi de C, corespunde catenei principale.

În al treilea rând, înaintea bazei este necesar să se indice numerele locanților lângă care sunt localizați substituenții. Numele substituenților sunt scrise după ei cu o cratimă.

În al patrulea rând, în cazul prezenței substituenților identici la diferiți atomi de C, locanții sunt combinați, iar înaintea numelui apare un prefix de multiplicare: di - pentru doi substituenți identici, trei - pentru trei, tetra - patru, penta - pentru cinci , etc. Numerele trebuie separate între ele printr-o virgulă, iar de cuvinte printr-o cratimă.

Dacă același atom de C conține doi substituenți deodată, locantul este de asemenea scris de două ori.

Conform acestor reguli, se formează nomenclatura internațională a alcanilor.

proiecții Newman

Acest om de știință american a propus formule speciale de proiecție pentru demonstrarea grafică a conformațiilor - proiecțiile Newman. Acestea corespund formelor A și B și sunt prezentate în figura de mai jos.

În primul caz, aceasta este o conformație A-oclusă, iar în al doilea, este o conformație B-inhibată. In pozitia A, atomii de H sunt situati la o distanta minima unul de altul. Această formă corespunde cu cea mai mare valoare energetică, datorită faptului că respingerea dintre ele este cea mai mare. Aceasta este o stare nefavorabilă din punct de vedere energetic, în urma căreia molecula tinde să o părăsească și să se deplaseze într-o poziție mai stabilă B. Aici atomii de H sunt cât mai îndepărtați unul de celălalt. Astfel, diferența de energie dintre aceste poziții este de 12 kJ/mol, din cauza căreia rotația liberă în jurul axei din molecula de etan, care leagă grupările metil, este neuniformă. După ce a intrat într-o poziție favorabilă din punct de vedere energetic, molecula rămâne acolo, cu alte cuvinte, „încetinește”. De aceea se numește inhibat. Rezultatul este că 10 mii de molecule de etan sunt în forma inhibată de conformație la temperatura camerei. Doar unul are o formă diferită - ascunsă.

Obținerea hidrocarburilor saturate

Din articol a devenit deja cunoscut că aceștia sunt alcani (structura și nomenclatura lor au fost descrise în detaliu mai devreme). Ar fi util să luăm în considerare modalități de obținere a acestora. Ele sunt eliberate din surse naturale, cum ar fi petrolul, naturalul și cărbunele. Se folosesc și metode sintetice. De exemplu, H₂ 2H₂:

1. Procesul de hidrogenare CnH₂n (alchene)→ CnH₂n+2 (alcani)← CnH₂n-2 (alchine).
2. Dintr-un amestec de monoxid de C și H - gaz de sinteză: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
3. Din acizi carboxilici (sărurile lor): electroliza la anod, la catod:

• Electroliza Kolbe: 2RCOONa+2H2O→R-R+2CO2+H2+2NaOH;
• Reacția Dumas (aliaj cu alcalii): CH₃COONa+NaOH (t)→CH₄+Na₂CO₃.

1. Cracarea uleiului: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH2m+2+ Cn-mH2(n-m).
2. Gazeificarea combustibilului (solid): C+2H₂→CH₄.
3. Sinteza alcanilor complecși (derivați de halogen) care au mai puțini atomi de C: 2CH₃Cl (clormetan) +2Na →CH₃- CH₃ (etan) +2NaCl.
4. Descompunerea metanurilor (carburi metalice) prin apă: Al₄C₃+12H₂O→4Al(OH₃)↓+3CH₄.

Proprietățile fizice ale hidrocarburilor saturate

Pentru comoditate, datele sunt grupate într-un tabel.

Concluzie

Articolul a examinat un astfel de concept precum alcanii (structură, nomenclatură, izomerie, serie omoloagă etc.). Se spune puțin despre caracteristicile nomenclaturilor radiale și substitutive. Sunt descrise metode de obţinere a alcanilor.

În plus, articolul enumeră în detaliu întreaga nomenclatură a alcanilor (testul vă poate ajuta să asimilați informațiile primite).