Предельные углеводороды (алканы).

Алканами называются углеводородные соединения, состав которых выражается общей формулой C_nH_2n+2, где n – число атомов углерода. Они также называются парафинами. В молекулах алканов атомы углерода связаны одинарной связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Для предельных углеводородов является характерным окончание -ан. Метан – декан.

Когда речь идет о неразветвленных алканах к названию обычно добавляют приставку (н- – нормальный), например – бутан. При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются так называемые углеводородные радикалы (R). Названия радикалов происходят от названия соответствующих алканов с заменой окончания -ан на -ил. Метил – децил.

Для построения названий разветвленных углеводородов основой служит самая длинная углеводородная цепь, а все другие фрагменты рассматриваются как заместители. Главную цепь выбирают так, чтобы число боковых радикалов было минимальным. Атомы цепи нумеруют таким образом, чтобы сумма цифр радикалов, расположенных в боковых цепях, была минимальной. При названии углеводорода сначала называют номера углеродных атомов главной цепи, начиная с номеров простейших радикалов. Затем называют сам углеводород, которому соответствует самая длинная цепь. Если в молекуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывают их количество прописью, а номера радикалов (цифрами) разделяют запятыми.

Например, гексан имеет 5 изомеров.

А вот более сложный пример: 2,3,5-триметил-5-этилгептан (15), а не 3,5,6-триметил-3-этилгептан (17).

Атом углерода, который связан только с одним атомом углерода, называется первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным. Так, в последнем примере, в главной цепи 1 и 7 атомы С – первичные; 4 и 6 – вторичные; 2 и 3 – третичные, а 5 – четвертичный.

Получение алканов. Метан, этан и пропан входят в состав природного газа, в основном это метан. В природе метан образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха. Именно поэтому он выделяется в воздух из каменноугольных пластов в шахтах и рудниках. Для получения синтетического бензина применяют реакцию оксида углерода(II) с водородом в присутствии соединений кобальта и при повышенном давлении. Химические свойства.

Применение алканов. В первую очередь в качестве топлива метан – природный газ. Основной компонент бензина – 2,2,4-триметилпентан (изооктан – характеризует октановое число бензина: если его 100%, то октановое число равно 100). Дизельное топливо характеризуется цетановым числом. Цетановое число 100 отвечает чистому цетану (гексадекану – С₁₆Н₃₄), а цетановое число 15 – чистому 2,3,4,5,6,7,8-гептаметилнонану. Бензиновый и дизельный двигатели работают по противоположным принципам. В бензиновом двигателе внутреннего сгорания топливо вводится мгновенно в период, предшествующий рабочему ходу и поэтому используются углеводороды с более разветвленной и короткой цепью, которые имеют слабую детонацию. Если взять неразветвленный н-гептан, то он детонирует очень сильно и его октановое число равно 0. Таким образом, бензин АИ-95 должен соответствовать смеси 95% изооктана (2,2,4-триметипентана) и 5% н-гептана.

Наоборот, в дизельном двигателе топливо разбрызгивается во время рабочего хода поршня и воспламеняется в момент поступления в цилиндр, поэтому для дизельного двигателя нужны углеводороды с более длинной и неразветвленной цепью. На нефтеперерабатывающих предприятиях содержание разветвленных углеводородов и укорачивание цепи углеводородов повышают путем их нагревания в присутствии катализатора. При этом от неразветвленных молекул отщепляются различного размера радикалы, которые затем присоединяются в других местах различных молекул, образуя разветвления.

Большое промышленное значение имеет окисление алканов с числом углеродных атомов 20-25 (парафин) в различные жирные кислоты, которые используются в производстве мыла, синтетических моющих средств, смазочных материалов, лаков, эмалей и красок.

Лекция 22.

Непредельные углеводороды.

Непредельными называются углеводороды, в молекулах которых между некоторыми атомами углерода присутствует двойная или тройная связь. Их также называют ненасыщенными углеводородами, поскольку в их состав входит меньше атомов водорода, чем в аналогичных алканах.

Алкены.

Алкены – углеводороды, содержащие двойную связь. Формула C_nH_2n.

При названии углеводородов с двойной связью добавляется окончание -ен вместо -ан в алканах. Гомологический ряд непредельных углеводородов, содержащих в своем составе двойную связь, начинается с этена (Н₂С=СН₂). Он также называется этиленом. Название алкенов производят от названий предельных углеводородов с указанием номера атома углерода при двойной связи. Главная цепь должна включать в себя двойную связь и нумероваться с того конца, к которому двойная связь ближе. Например: бутен-1, бутен-2, 2-метилпропен-1.

Получение алкенов. В промышленных условиях этен и его гомологи выделяют из газов крекинга нефти. Также их получают дегидрированием соответствующих предельных углеводородов. СН₃–СН₃ → СН₂=СН₂ + Н₂.

Все алкены склонны к реакциям присоединения по двойной связи. Рассмотрим некоторые примеры.

1. Присоединение водорода. Эта реакция протекает в присутствии катализатора (мелко раздробленной платины, никеля или палладия) при комнатной температуре С₂Н₄ + Н₂ = СН₃-СН₃. Присоединение водорода к веществу называется реакцией гидрирования.

2. Присоединение галогенов. Протекает при обычных условиях. Реакция присоединения брома служит качественной реакцией на непредельные углеводороды.

3. Присоединение галогеноводородов. Происходит по правилу В.В. Марковникова: атом водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а атом галогена – к менее гидрированному. Например: СН₃–СН=СН₂ + НBr → СН₃–СН(Br)–СН₃.

4. Присоединение воды (реакция гидратации). Протекает в присутствии катализатора – серной кислоты: СН₂=СН₂ + Н₂О → СН₃–СН₂ОН.

Применение алкенов. Этен применяется для получения этилового спирта, полиэтилена, полипропилена и других полимеров. При введении его в воздух теплиц он ускоряет созревание плодов (помидоров, цитрусовых). Алкены используются также как химическое сырье для синтеза органических веществ.

Диеновые углеводороды.

Углеводороды, содержащие в углеродной цепи две двойные связи, называются диеновыми. Их состав выражается общей формулой C_nH_2n-2. Названия алкадиенов производят от предельных углеводородов, добавляя окончание –диен. Цифрами указывается положение двойных связей в цепи. Например: СН₂=СН–СН=СН₂ – бутадиен-1,3; СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ – 2-метилбутадиен-1,3.

По химическим свойствам алкадиены аналогичны алкенам – для них также характерны реакции присоединения.

Наибольшее применение имеют алкадиены, в молекулах которых двойные связи разделены простой связью – бутадиен-1,3 (дивинил) и 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен). Данные диены используются для получения различных полимерных соединений, например ПВХ (поливинилхлорид) – пластмассовая посуда, водопроводные трубы; АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) самоклеящаяся пленка на мебель. Полиизопрен – это каучук, сырье для получения резины.

Алкины.

Алкины – это общее название ацетиленовых углеводородов, содержащих в углеводородном ряду тройную связь. Гомологический ряд ацетилена выражается формулой C_nH_2n-2, аналогично диеновым углеводородам. Названия алкинов производится от названия предельных углеводородов, заменяя окончание -ан на -ин. Главную цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена тройная связь, положение которой обозначается цифрой. Например, бутин-1, бутин-2, 4-метилпентин-1, 1,4-диметилпентин-1.

Свойства. Ацетилен или этин – бесцветный газ, легче воздуха. По химическим свойствам этин аналогичен этену, для него также характерны реакции присоединения. Реакции присоединения алкинов протекают аналогично реакциям алкенов. Но они протекают в две стадии: на первой стадии происходит присоединение по месту одной p-связи с образованием производных алкенов; на второй стадии разрывается вторая p-связь с образованием предельных углеводородов (привести характерный пример). Таким образом, при гидрировании ацетилена сначала образуется этен, затем этан.

Присоединение галогеноводородов осуществляется по правилу Марковникова. Присоединение воды протекает в присутствии солей ртути(II) – обычно Hg(NO₃)₂ по реакции М.Г. Кучерова: СН=СН + НОН → СН₃–СНО (уксусный альдегид). В промышленности при восстановлении уксусного альдегида водородом получается этиловый спирт, а при окислении – уксусная кислота (схемы уравнений реакций).

Под влиянием тройной связи водород в молекуле ацетилена становится очень подвижным, то есть приобретает кислотные свойства (объяснить электронными эффектами – нарисовать). Соответственно он может замещаться катионами металлов, образуя ацетилиниды серебра или меди, которые взрываются от удара. Однако карбид кальция является очень устойчивым соединением и используется для получения ацетилена. Последний получается при взаимодействии карбида кальция с водой по уравнению: СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂.

Применение. Алкины служат исходным сырьем для проведения различных органических синтезов. Уксусной кислоты, синтетических смол и каучуков. Сам ацетилен используют в больших количествах для автогенной сварки металлов, поскольку при сгорании ацетилена в смеси с кислородом температура достигает 3500 ⁰С. в то же время смеси ацетилена с воздухом и кислородом очень взрывоопасны и взрываются от искры.