Строение и химические свойства алканов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Алканы

1.1 Строение молекулы и химическая формула

1.2 Изомерия и номенклатура

1.3 Получение

1.4 Физические свойства

1.5 Химические свойства

1.6 Применение

2. Циклоалканы

2.1 Строение молекулы и химическая формула

2.2 Изомерия и номенклатура

2.3 Получение

2.4 Физические свойства

2.5 Химические свойства

2.6 Применение

3. Алкины

3.1 Строение молекулы и химическая формула

3.2 Изомерия и номенклатура

3.3 Получение

3.4 Физические свойства

3.5 Химические свойства

3.6 Применение

Список литературы



Введение

Органическая химия изучает соединения, основу которых составляют атомы углерода, связанные между собой и многими элементами периодической системы простыми и кратными связями, способные образовывать линейные и разветвленные цепи, циклы, полициклы и др. Многообразие органических соединений во многом обусловлено изомерией - способностью некоторых соединений при одинаковом составе и массе различаться пространственным строением, физическими и химическими свойствами. Важное место в органической химии занимает номенклатура , позволяющая каждому соединению дать только ему присущее название, а по названию написать его структурное изображение (формулу). В основу номенклатуры органических соединений положены номенклатурные правила IUPAC - Международного союза по чистой и прикладной химии. Современная органическая химия располагает сведениями о 10 млн органических соединений, количество которых ежегодно увеличивается на 250-300 тыс. наименований. Такое огромное количество органических веществ относится к сравнительно небольшому числу классов органических соединений, содержащих те или иные функциональные группы. Наличие этих функциональных групп и предопределяет характерные химические свойства данного класса соединений. Органические соединения описывают с помощью молекулярных формул, представляющих собой линейную запись символов элементов в определенной последовательности с указанием числа атомов посредством численного индекса справа внизу. Структурная формула определяет последовательность атомов в молекуле с учетом структурной изомерии (скелетной, положения, цепь-цикл, функциональной). Скелетная изомерия отражает строение углеводородной цепи (скелета). Изомерия положения отражает расположение кратной связи или функциональной группы. Изомерия цепь-цикл отражает образование изомеров в ненасыщенных углеводородах в результате образования моноциклических углеводородов. Эти виды изомерии относятся к пространственной изомерии, обусловленной разрывом и образованием такой же химической связи в другом месте молекулы (статическая стереохимия).



1. Алканы

Алканы, или парафины -- алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) s-связью.

Оставшиеся валентности углеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные (насыщенные) углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.

1.1 Строение молекулы и химическая формула

Простейшим представителем и родоначальником предельных углеводородов является метан СН4. Строение молекулы метана можно выразить структурной (I) или электронной (II) формулой:

H | H--C--H | H (I)	H .. H :C : H .. H (II)

1.2 Изомерия и номенклатура

Номенклатура. Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса -ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда -- метаном).

Общее (родовое) название предельных углеводородов -- алканы. Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:

В формуле молекулы алкана выбирают главную цепь -- самую длинную.

H3C--CH--CH2--CH--CH2--CH3 -------- | ----------- | CH3 ¦ CH2--CH2--CH3 ---------------------

Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими. Заместители перечисляют по алфавиту.

1 2 3 4 H3C--CH--CH2--CH--CH2--CH3 | 5 | 6 7 CH3 CH2--CH2--CH3

Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают (цифрой) место расположения заместителя, затем называют этот заместитель (радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи. Таким образом, углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным, которое ставят перед названием этих заместителей. Приставки ди-, три-, тетра- и т.д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.

Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия: изобутан, изопентан, неопентад.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода -- метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

CH3 | H3C--C--CH3 | CH3	C2H5 | H3C--CH--CH--CH3 | CH3
тетраметилметан (2,2-диметилпропан)	метилэтилизопропилметан (2,3-диметилпентан)

Свою номенклатуру имеют и радикалы (углеводородные радикалы). Одновалентные радикалы называют алкилами и обозначают буквой R или Alk. Их общая формула CnH2n + 1. Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан -- метил, этан -- этил, пропан -- пропил и т.д.). Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение -- радикал метилен ==СН2). Трехвалентные радикалы имеют суффикс -илидин (исключение -- радикал метин єєСН).

Изомерия.

Для алканов характерен самый простой вид изомерии -- структурная изомерия.

В молекулах метана, этана и пропана может быть только один порядок соединения атомов.

Если в молекуле алкана содержится более трех углеродных атомов, то порядок их соединения может быть различным -- появляется возможность изомерии. Например, для углеводорода С4Н10 возможны две структуры:



H H H H | | | | H--C--C--С--С--H | | | | H H H H	H H H | | | H--C--C--С--H | | | H | H H--C--H | H
н-бутан (н-C4H10)	изобутан (изо-С4Н10)

Один из этих изомеров (н-бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой -- изобутан -- разветвленную (изостроение). Таким образом, молекулы бутана и изобутана, имея одинаковый состав, различаются между собой химическим строением, т.е. они являются структурными изомерами. Изомеры обладают сходными химическими свойствами и различными -- физическими.

Атомы углерода в алканах могут различаться по характеру своего соединения с другими углеродными атомами. Атом углерода, связанный только с одним углеродным атомом, называется первичным, с двумя -- вторичным, с тремя -- третичным и, наконец, с четырьмя -- четвертичным.

Здесь первичные углеродные атомы обведены кружком, вторичный -- квадратом, третичный -- треугольником, четвертичный -- пунктирным кружком.

Такое деление имеет большое значение, так как водородные атомы при первичном, вторичном и третичном углеродных атомах обладают различной реакционной способностью.

1.3 Получение

Для получения алканов используют в основном природные источники. Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы -- из нефти. Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск (озокерит) -- разновидность твердого природного битума.

Многие предельные углеводороды можно получать методом гидрирования углей:

500 °С

nC + 2nН2 ® СnН2n + 2

оксиды железа

Так как при этом из твердого угля образуется смесь жидких продуктов, процесс называется сжижением угля.

С этой же целью используют смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ) в присутствии катализатора (кобальта или никеля):

200 °С

nCО + (2n + 1)Н2 ® СnН2n + 2 + n Н2О

Образующиеся алканы находят применение в качестве моторного топлива (синтетический бензин -- "синтин").

Для получения алканов часто применяют лабораторные методы - органический синтез.

1. Гидрирование этиленовых и ацетиленовых углеводородов в присутствии катализатора (Pt, Pd, Ni):

Pt Pt

H2C==CH2 + H2 ® H3C--CH3 H--C C--H + 2H2 ® H3C--CH3

этилен этан ацетилен этан



2. Действие металлического натрия на галогенопроизводные алканов (галогеналкилы) -- реакция французского химика А.Вюрца:

Н3С--I + 2Na + I--СН3 ® Н3С--СН3 + 2NaI

йодистый метил

Этот синтез служит для получения алканов из однородных галогеналкилов. Если в реакцию вводят два различных галогеналкила, то образуется не один продукт, а их смесь. Например:

Н3С--I + 2Na + I--С2Н5 ® Н3С--С2Н5 + 2NaI

пропан

Н5С2--I + 2Na + I--С2Н5 ® Н5С2--С2Н5 + 2NaI

Бутан

3. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами:

Н3С--СOONa + NaOH ® СН4 + Na2CО3

4. Восстановление галогенопроизводных:

Pt

Н3С--С1 + Н2 ® CH4 + НС1

хлористый метил

1.4 Физические свойства

Физические свойства. Первые четыре члена гомологического ряда метана -- газообразные вещества, начиная с пентана -- жидкости, а углеводороды с числом углеродных атомов 16 и выше -- твердые вещества (при обычной температуре). Температура кипения алканов с разветвленной цепью ниже, чем соединений нормального строения (табл. 1).

Алканы -- неполярные соединения и трудно поляризуемые. Они легче воды и в ней практически не растворяются. Не растворяются также в других растворителях с высокой полярностью. Жидкие алканы -- хорошие растворители для многих органических веществ.

Метан и этан, а также высшие алканы не имеют запаха, но среди других легколетучих низших углеводородов встречаются соединения, обладающие слабым запахом.

Алканы -- горючие вещества. Метан горит бесцветным пламенем.

Таблица 1. Физические свойства алканов

Название	Формула	tпл °С	tкип °С	d204
Метан	СН4	-182,5	-161,5	0,4150 (при -164 °С)
Этан	С2Н6	-182,8	-88,6	0,5610 (при -100 °С)
Пропан	С3Н8	-187,7	-42	0,5853 (при -44,5 °С)
Бутан	С4Н10	-138,3	-0,5	0,6000 (при 0°С)
Пентан	C5H12	-129,7	+36,1	0,6262
Гексан	С6Н14	-95,3	68,7	0,6594
Гептан	С7H16	-90,6	98,4	0,6838
Октан	C8H18	-56,8	124,7	0,7025
Нонан	С9Н20	-53,7	150,8	0,7176
Декан	C10H22	-29,6	174,0	0,7300
Пентадекан	C15H32	+10	270,6	0,7683
Эйкозан	С20Н42	36,8	342,7	0,7780 (при 37 °С)
Пентакозан	C25H52	53,7	400	0,8012
Триаконтан	С30Н62	66,1	457	0,8097

1.5 Химические свойства

В алканах все атомы связаны между собой прочными (s-связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. При обычных условиях они проявляют высокую химическую устойчивость. По этой причине алканы в свое время получили название парафинов (от лат. parum affinis -- мало деятельный, мало сродства).

Основные химические превращения алканов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (при нагревании или облучении УФ-светом). При этом может произойти или разрыв связи С--Н с последующим замещением атома водорода на другой атом или группу атомов, или же разрыв молекулы по связи С--С. Несмотря на то что энергии этих связей равны соответственно 415-420 (для первичных углеродных атомов) и 350 кДж/моль, разрыв предпочтительнее идет по связи С--Н. Это связано с тем, что связь С--Н более доступна для реагента.

Поскольку алканы -- соединения неполярные, то при разрыве связей образуются главным образом не ионы, а радикалы, т.е. этот процесс идет по гомолитическому механизму.

Таким образом, для алканов различают два основных типа химических реакций:

реакции замещения водорода (с разрывом связи С--Н);

реакции расщепления (с разрывом связей С--С и С--Н).

Реакции замещения

В этих реакциях замещение водорода легче происходит при третичном углеродном атоме, труднее -- при вторичном и совсем плохо -- при первичном.

1. Галогепирование (замещение галогеном) - важнейшая реакция алканов. Она протекает при освещении УФ-светом или в темноте при сильном нагревании, а также в присутствии катализаторов. Сравнительно легко алканы вступают в реакцию замещения с хлором и бромом, очень трудно -- с иодом. С фтором реакция протекает со взрывом (поэтому обычно фтор разбавляют азотом или используют растворители). В результате замещения водорода галогеном образуются галогено-производные алканов. Например, хлорирование метана протекает с последовательным замещением в его молекуле всех атомов водорода на хлор:

СН4 + Cl2 ® СН3С1+ НС1

хлорметан

СН3С1 + Cl2 ® СН2С12 + НС1

дихлорметан

СН2С12 + Cl2 ® СНС13+ НС1

трихлорметан

СНС13 + Cl2 ® СС14 + НС1

Тетрахлорметан

Реакция галогенирования имеет цепной свободно-радикальный характер (Н.Н.Семенов). На первой стадии этого процесса под влиянием УФ-облучения (или высокой температуры) происходит распад молекулы хлора на два свободных радикала. Такой процесс называется инициированием:

Сl : Сl ® С1Ч + С1Ч

Затем начинается рост цепи. Свободный радикал взаимодействует с молекулой метана:

СН4 + С1Ч ® СН3Ч + НС1

СН3Ч + Cl2 ® СН3Сl + С1Ч и т.д.

Эта реакция обрывается, если исчезнут свободные радикалы. Поэтому обрыв цепи часто связан с взаимодействием свободных радикалов друг с другом:



СН3Ч + СН3Ч ® Н3С:СН3

этан

С1Ч + С1Ч ® С1:С1

хлор

СН3Ч + С1Ч ® СН3:С1

Хлорметан

2. Нитрование (замещение нитрогруппой NO2). Впервые эту реакцию открыл русский ученый М.И.Коновалов в 1888 г. (с тех пор она названа его именем). Алканы взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой при нагревании, образуя нитропроизводные алканов:

Н3С--СН2--СН3 + HNO3 ® Н3С--СН--СН3 + H2O

NO2

2-нитропропан

В промышленности реакцию нитрования проводят, нагревая алканы с парами азотной кислоты при 250--500 °С и давлении (парофазное нитрование). Реакция нитрования, как и галогенирования, идет по цепному радикальному механизму. Нитрующим агентом является радикалоподобный оксид азота NO2, который, взаимодействуя с алканом, образует свободный радикал -- алкил RЧ:

R--H + NO2Ч ® RЧ + HNO2

Взаимодействие этих радикалов приводит к образованию нитросоединений:

RЧ + NO2Ч ® R--NO2



3. Сульфирование. Дымящая серная кислота (содержащая растворенный в ней SO3) с высшими алканами дает сульфокислоты. Например:

С17Н36 + H2SO4 ® С17Н35SО3Н + Н2O

гептадекан гептадецил- сульфокислота

В результате таких реакций атом водорода в молекуле алкана замещается на сульфогруппу - SO3Н.

Соли сульфокислот (алкилсульфонаты) с C12-18 широко используются в качестве моющих средств. Эти соли можно получить и реакцией сульфохлорирования -- действием на алканы смесью диоксида серы и хлора:

С10Н22 + SO2 + Cl2 ® C10H21SO2Cl + HC1

Декан сульфохлорид декана

При взаимодействии сульфохлорида со щелочью образуется алкилсульфонат:

C10H21SO2Cl + 2NaOH ® C10H21SO3Na + NaCI + H2O

Реакции расщепления протекают при нагревании (в присутствии катализаторов или без них).

1. Отщепление водорода {дегидрирование). При нагревании алканов присутствии катализатора (СrО3) происходит отщепление атомов водорода с образованием непредельных углеводородов:

Н3С--СН2--СН3 ® Н2С==СН--СН3

пропан -H2 пропилен

2. Термическое разложение (разрыв связей С--С и С--Н). Известно, что алканы устойчивы только при сравнительно невысоких температурах. При нагревании алканов до 500 ° С и выше, (без катализаторов или в их присутствии) они разлагаются с разрывом связей С--С и С--Н. В результате происходит образование более простых углеводородов -- предельных и непредельных. Этот процесс называют крекингом.

3. Изомеризация. При этой реакции неразветвленная углеродная цепь превращается в разветвленную. Это сопровождается разрывом связей С--С:

Процесс изомеризации проходит при нагревании в присутствии катализатора (А1С13). В эту реакцию вступают только те алканы, которые в углеродной цепи содержат не менее четырех углеродных атомов.

Реакции окисления химический алкан парафин углеводород

При обычных условиях алканы устойчивы к действию даже сильных окислителей (КМnO4, К2СrO4 и др.). Поэтому при добавлении к алканам водного раствора перманганата калия окраска раствора не меняется. Однако при каталитическом окислении (в присутствии солей марганца) и одновременном нагревании происходит окисление алканов (особенно высших) с образование многих кислородсодержащих веществ (спиртов, кетонов, карбоновых кислот и др.).

Основным способом переработки метана является его конверсия окисление водяным паром, кислородом или оксидом углерода (IV) присутствии катализатора и при высокой температуре:

СН4 + H2O ® CO + 3H2

CH4 + 1/2O2 ® CO + 2H2

CH4 + CO2 ® 2CO + 2H2

В результате этих реакций образуется синтез-газ (водяной газ) -- ценное сырье для получения многих органических соединений (углеводородов, метилового и других спиртов и т.д.).

На воздухе алканы горят с образованием оксида углерода (IV) и воды. Например:

СН4 + 2O2 ® СO2 + 2Н2O

При этом выделяется значительное количество теплоты.

1.6 Применение

Метан СН4 является главной составной частью природных (до 98 %) и попутных газов. В значительных количествах он присутствует в газах нефтепереработки. Метан используют в основном в качестве дешевого топлива в промышленности и быту.

Метан -- бесцветный газ, без запаха. Для обнаружения его утечки в газопроводах используют некоторые сильно пахнущие вещества (одоранты), например низшие тиоспирты. В смеси с воздухом метан взрывоопасен.

Метан является ценным сырьем для химической промышленности. Из него получают ацетилен, галогенопроизводные, метанол, формальдегид и другие вещества. Метан служит для производства синтез-газа, газовой сажи:

СН4 + O2 ® С + 2Н2O

Этан С2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и пентан C5H12 применяют для получения соответственно этилена, пропилена, дивинила и изопрена. Пропан в смеси с бутаном используют в качестве топлива (бытовой сжиженный газ, транспортируемый в баллонах).

Изооктан C8H18 (2,2,4-триметилпентан) -- ценная составная часть высококачественного горючего (бензина) для двигателей внутреннего сгорания:

Моторное топливо должно обладать максимальной устойчивостью к детонации. В двигателях внутреннего сгорания детонация вызывается преждевременным воспламенением горючей смеси. Наименее детонируют разветвленные углеводороды, например такие, как изооктан. Его стойкость к детонации принята за 100 (н-гептан, наоборот, за 0). Поэтому качество бензинов характеризуют "октановым числом" (например, 76; 93 и др.). Для повышения детонационной стойкости бензина к нему добавляют антидетонаторы (тетраэтилсвинец и др.).

Средние члены гомологического ряда метана (C7 - C17) используют как растворители и моторное топливо.

Высшие алканы (C18 - С44) применяют для производства высших кислот и спиртов, синтетических жиров, смазочных масел, пластификаторов и непредельных соединений.



2. Циклоалканы

Циклоалканы - это циклические углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей.

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.

2.1 Строение молекулы и химическая формула

Общая формула гомологического ряда циклоалканов С₂Н_2n. Точно такой же формулой описывается гомологический ряд алкенов, из чего следует, что каждому циклоалкану изомерен соответствующий алкен -- это приме так называемой “межклассовой” изомерии.

Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водорода.

2.2 Изомерия и номенклатура

Для циклоалканов как и для всех классов органических соединений, характерна изомерия углеродного скелета (1. Структурная изомерия). Для циклоалканов характерна структурная изомерия связанная с размером цикла, со взаимным расположением заместителей в кольце, со строением заместителя. (например, 1,1- и 1,2-диметилбутан).

Для циклоалканов характерен еще один вид изомерии -- пространственная изомерия, связанная с различным расположением заместителей относительно плоскости цикла. При их расположении по одну сторону от плоскости цикла получается цис-изомер, по разные стороны -- транс-изомер.

Названия циклоалканов образуют добавлением префикса цикло- к названию соответствующего неразветвленного предельного углеводорода с тем же числом углеродных атомов :

циклопропан	циклобутан	циклопентан

Заместители нумеруются в соответствии с их положением в цикле таким образом, чтобы сумма номеров была минимальной:

1, 4-диметилциклогексан	1-метил-3-этилциклопентан, а не 1-метил-4-этилциклопентан

2.3 Получение

Общим способом получения циклоалканов является действие металлов на дигалогенопро-изводные алканов:



Соединения ряда циклогексана получают гидрированием ароматических углеводородов, например:

2.4 Физические свойства

Первые два члена этого ряда -- газы, С₅--С₁₆ -- жидкости, начиная с С₁₇ и выше -- твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов несколько выше, чем у алканов при одинаковом числе атомов углерода.

2.5 Химические свойства

В строении циклоалканов имеется ряд особенностей, определяющих их химические свойства. Малые циклы (особенно циклопропан) неустойчивы и способны к разрыву, поэтому они склонны к реакциям присоединения, напоминая ненасыщенные соединения. Так, циклопропан присоединяет бром с разрывом цикла, образуя 1,3-дибромпропан (реакция идет труднее, чем с пропеном):

Обычные циклы очень устойчивы и вступают только в реакции замещения, подобно алканам:



2.6 Применение

Циклоалканы широко распространены в природе, они входят в состав нефти. В нефтехимической промышленности нафтены являются источником получения ароматических углеводородов путем каталитического крекинга. Так же Смолы деревьев построены на циклоалканах, циклоалканы входят в состав восточных благовоний, мускус камфора амбра мятные лимонные масла, и т.д. Они находят применение в разных областях народного хозяйства. Так, циклопентан используется в разных синтезах и как добавка к моторному топливу для повышения качества. Циклогексан используется для синтеза полупродуктов при производстве синтетических волокон найлона и капрона. Так же они содержаться в сильнейших растительных ядах, которые опасны для человека, зафиксировано примерно 100 тыс. смертей. Так же интересно то, что холестерин родоначальник ациклических веществ, он содержит циклопентановый блок. Циклоалканы не обошли стороной витамины, например витамины группы «Д», а он в свою очередь является ключевым фактором, определяющим всасывание кальция. Циклоалканы присутствуют в незаменимых гормонах, без которых человеку не выжить, в желчных кислотах, и в половых гормонах - тестостерон, -- основной мужской половой гормон, без которого невозможно размножение. Вообщем роль циклоалканов в жизни человека огромна, она может быть полезна и может быть опасна, и можно еще очень долго перечислять, где и для чего он используется.



3. Алкины

Алкины -- алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна тройная связь.

Углеводороды ряда ацетилена являются еще более непредельными соединениями, чем соответствующие им алкены (с тем же числом углеродных атомов). Это видно из сравнения числа атомов водорода в ряду:

С2Н6 C2H4 С2H2

этан этилен ацетилен

(этен) (этин)

Алкины образуют свой гомологический ряд с общей формулой, как и у диеновых углеводородов СnH2n-2

3.1 Строение молекулы и химическая формула

Первым и основным представителем гомологического ряда алкинов является ацетилен (этин) С2Н2. Строение его молекулы выражается формулами:

Н--СєС--Н или Н:С:::С:Н

структурная электронная

По названию первого представителя этого ряда -- ацетилена -- эти непредельные углеводороды называют ацетиленовыми.

В алкинах атомы углерода находятся в третьем валентном состоянии (sp-гибридизация). В этом случае между углеродными атомами возникает тройная связь, состоящая из одной s- и двух p-связей. Длина тройной связи равна 0,12 нм, а энергия ее образования составляет 830 кДж/моль.

3.2 Изомерия и номенклатура

Номенклатура. По систематической номенклатуре ацетиленовые углеводороды называют, заменяя в алканах суффикс -ан на суффикс -ин. В состав главной цепи обязательно включают тройную связь, которая определяет начало нумерации. Если молекула содержит одновременно и двойную, и тройную связи, то предпочтение в нумерации отдают двойной связи:

СН3

Н--СєС--СН2--СН3 Н3С--СєС--СН3 Н2С=С--СН2--СєСН

бутин-1 бутин-2 2-метилпентен-1-ин-4

(этилацетилен) (диметилацетилен)

По рациональной номенклатуре алкиновые соединения называют, как производные ацетилена.

Непредельные (алкиновые) радикалы имеют тривиальные или систематические названия:

Н--СєС-- - этинил;

НСєС--СН2-- -пропаргил

Изомерия. Изомерия алкиновых углеводородов (как и алкеновых) определяется строением цепи и положением в ней кратной (тройной) связи:

Н--СєС--СН--СН3 Н--СєС--СН2--СН2--СН3 Н3С--С=С--СН2--СН3

СН3

3-метилбутин-1 пентин-1 пентин-2



3.3 Получение

Ацетилен в промышленности и в лаборатории можно получать следующими способами:

1. Высокотемпературным разложением (крекинг) природного газа -- метана:

2СН4 1500°C® НСєСН + 3Н2

или этана:

С2Н6 1200°C® НСєСН + 2Н2

2. Разложением водой карбида кальция СаС2, который получают спеканием негашеной извести СаО с коксом:

СаО + 3C 2500°C® CaC2 + CO

СаС2 + 2Н2O ® НСєСН + Са(ОН)2

3. В лаборатории производные ацитилена можно синтезировать из дигалогенопроизводных, содержащих два атома галогена при одном или соседних углеродных атомах, действием спиртового раствора щелочи:

Вr

|

Н3С--СН--СН--СН3 + 2КОН ® Н3С--СєС--СН3 + 2KBr + 2Н2О

|

Br

2,3-дибромбутан бутин-2

(диметилацетилен)

3.4 Физические свойства

Ацетиленовые углеводороды, содержащие в молекуле от двух до четырех углеродных атомов (при обычных условиях), -- газы, начиная с C5H8 -- жидкости, а высшие алкины (с С16Н30 и выше) -- твердые вещества. Физические свойства некоторых алкинов показаны в табл. 1.

Таблица 1. Физические свойства некоторых алкинов

Название	Формула	t пл,°С	t кип,°С	d204
Ацетилен (этан)	HCєCH	- 81,8	-84,0	0,6181*
Метилацетилен (пропин)	НСєС--СН3	-101,5	-23,2	0,7062**
Этилацетилен (бутин-1)	НСєС--С2Н5	-125,7	+8,1	0,6784
симм-Диметилацетилен (бутин-2)	Н3C--CєС--CH3	-32,3	+27,0	0,6510
Пропилацетилен (пентин-1)	НСєС-- (СН2)2--СН3	-90,0	+40,2	0,6900
Метилэтилацетилен (пентин-2)	Н3С--СєС--С2Н5	-101,0	+56,1	0,7107
Бутилацетилен (гексин-1)	НСєС-- (СН2)3--СН3	-131,9	+71,3	0,7155

*При температуре -32 °С,

**При температуре- 50 °С.

3.5 Химические свойства

Химические свойства алкинов определяются тройной связью, особенностями ее строения. Алкины способны вступать в реакции присоединения, замещения, полимеризации и окисления.

Реакции присоединения. Будучи непредельными соединениями, алкины вступают в первую очередь в реакции присоединения. Эти реакции протекают ступенчато: с присоединением одной молекулы реагента тройная связь вначале переходит в двойную, а затем, по мере дальнейшего присоединения, -- в одинарную. Казалось бы, алкины, обладая двумя p-связями, гораздо активнее должны вступать в реакции электрофильного присоединения. Но это не совсем так. Углеродные атомы в молекулах алкинов расположены ближе друг к другу, чем в алкенах, и обладают большей электроотрицательностью. Это связано с тем, что электроотрицательность атома углерода зависит от его валентного состояния. Поэтому p-электроны, находясь ближе к ядрам углерода, проявляют несколько меньшую активность в реакциях электрофильного присоединения. Кроме того, сказывается, близость положительно заряженных ядер атомов, способных отталкивать приближающиеся электрофильные реагенты (катионы). В то же время алкины могут вступать в реакции нуклеофильиого присоединения (со спиртами, аммиаком и др.).

1. Гидрирование. Реакция протекает в тех же условиях, что и в случае алкенов (катализаторы Pt, Pd, Ni). При восстановлении алкинов вначале образуются алкены, а затем -- алканы:

H2 H2

HCєCH --® H2C=CH2 --® H3C--CH3

ацетилен этилен этан

2. Галогенирование. Эта реакция протекает с меньшей скоростью, чем в ряду этиленовых углеводородов. Реакция также проходит сту пенчато:

Br2 Br2

HCєCH --® CHBr=CHBr --® CHBr2--CHBr2

1,2-дибромэтан 1,1,2,2-тетрабромэтан

3. Гидрогалогенирование. Реакции присоединения галогеноводородов, как и галогенов, идут в основном по механизму электрофильного присоединения:



HCl

HCєCH + HCl --® H2C=CHCl --® H3C--CHCl2

хлорэтен 1,1-дихлорэтан

(хлористый винил)

Вторая молекула галогеноводорода присоединяется в соответствии с правилом Марковникова.

4. Присоединение воды (реакция М.Г.Кучерова,. 1881). Катализатор -- соль ртути:

HgSO4

HCєCH + HOH ----® H2C=CH--OH ® H3C--C=O

Неустойчивое промежуточное соединение -- виниловый спирт -- перегруппировывается в уксусный альдегид.

5. Присоединение синильной кислоты:

НСєСН + HCN кат.® H2C=CH--CN

акрилонитрил

Акрилонитрил -- ценный продукт. Он используется в качестве мономера для получения синтетического волокна -- нитрон.

6. Присоединение спирта. В результате этой реакции образуются простые виниловые эфиры (реакция А. Е.Фаворского):

НСєСН + HO--C2H5 KOH® H2C=CH--O--C2H5

этилвиниловый эфир

Присоединение спиртов в присутствии алкоголятов -- типичная реакция нуклеофильного присоединения.

Реакции замещения. Водородные атомы в ацетилене способны замещаться на металлы (реакция металлирования). В результате образуются металлические производные ацетилена -- ацетилениды. Такую способность ацетилена можно объяснить следующим образом. Углеродные атомы ацетилена, находясь в состоянии sp-гибридизации, отличаются, как известно, повышенной электроотрицательностью (по сравнению с углеродами в других гибридных состояниях). Поэтому электронная плотность связи С--H несколько смещена в сторону углерода и атом водорода приобретает некоторую подвижность:

d+ d- d- d+

H ® CєC ¬ H

Но эта "подвижность", конечно, несравнима со "свободой" протона в настоящих кислотах: соляная кислота, например, почти в 1033 раз сильнее по кислотности, чем ацетилен. Но и такая подвижность водорода достаточна, чтобы произошла его замена на металл в щелочной средe. Так, при действии на ацетилен аммиачного раствора оксида серебра образуется ацетиленид серебра:

HCєCH + 2[Ag(NH3)2]OH ® Ag--CєC--Ag + 4NH3 + 2H2O

ацетиленид серебра

С ацетиленидами в сухом виде следует обращаться очень осторожно: они крайне взрывоопасны.

Реакция изомеризации. Ацетиленовые углеводороды, как алканы и алкены, способны к изомеризации с перемещением тройной связи:

Н3С--СН2--СєСН Na(спирт р-р)® Н3С--СєС--СН3

бутин-1 бутин-2

Реакции полимеризации. Ацетилен в зависимости от условий реакции способен образовывать различные продукты полимеризации -- линейные или циклические:

Cu2Cl2

НСєСН + НСєСН --®НСєСН--CН=CH2

80°C

винилацетилен

(бутен-1-ин-3)

Эти вещества представляют большой интерес. Например, при присоединении к винилацетилену хлороводорода образуется хлоропрен, который в качестве мономера используется в производстве хлоропренового каучука:

Н2С=СН--CєCH + 2HCl ® Н2С=С--СН==СН2

|

С1

винилацетилен хлоропрен

Реакция окисления. Ацетилены легко окисляются. При этом происходит разрыв молекулы по месту тройной связи. Если ацетилен пропускать через окислитель (водный раствор перманганата калия), то раствор быстро обесцвечивается. Эта реакция является качественной на кратные (двойные и тройные) связи:

3НСєСН + 10KMnO4 + 2H2O ® 6CO2 + 10КОН + 10MnO2

При полном сгорании ацетилена на воздухе образуются два продукта оксид углерода (IV) и вода:

2НСєСН + 5O2 ® 4СO2 + 2Н2O

При неполном сгорании образуется углерод (сажа):

НСєСН + O2 ® С + СО + Н2О

3.6 Применение

Ацетилен (этин) НСєСН -- бесцветный газ, без запаха (технический ацетилен имеет неприятный запах, что объясняется присутствием различных примесей). Ацетилен мало растворим в воде, хорошо -- в ацетоне. На воздухе горит сильно коптящим пламенем [ высокое (в процентах) содержание углерода в молекуле]. При горении в кислороде ацетилен создает высокотемпературное пламя (до 3000 °С). Это используется для сварки и резки металлов. Смеси ацетилена с кислородом или воздухом взрывоопасны, поэтому ацетилен хранят и транспортируют в специальных баллонах (маркировка: белый баллон с красной надписью "Ацетилен"). Этот баллон заполняют пористым материалом, который пропитывают ацетоном.

Ацетилен -- ценный продукт для химической промышленности. Из него получают синтетический каучук, уксусный альдегид и уксусную кислоту, этиловый спирт и многие другие вещества.

Винилацетилен (бутен-1-ин-3) НСєC--СН=CН2 -- газ с неприятным запахом. При восстановлении образует бутадиен-1,3, а при присоединении хлороводорода -- 2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен).



Список литературы

1. Скворцов А.В., Удалова Т.А. Сборник лабораторных работ по органической химии - Новосибирск. НГТУ. 2006.

2. Нейланд О.Я. Органическая химия: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа , 1999

3. Шабаров Ю.С. Органическая химия: В 2-х кн; Учебник для вузов.- 2-е изд.- М.: Химия, 1996

4. Химическая энциклопедия: в 5 т. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1988-1998.

5. Реутов О.И., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия: в 2 т. - М.: Изд.МГУ, 1999.

6. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. Учебное пособие для вузов. - М.: Высш.шк.,2001

7. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н.Органическая химия - М.:Мастерство,2003

8. Левитина Т.П. Справочник по органической химии: Учебное пособие. - СПб: «Паритет», 2002. - 448с.

9. “ Полимерные материалы. Справочник”. Л., Наука, 1982.

10. Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии.- М.: Высшая школа, 2004.

http://chemistry.narod.ru/

Размещено на Allbest.ru