Химические свойства алканов

Тривиальное (историческое) название алканов — «пара­фины» — означает «не имеющие сродства». Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность ал­канов обусловлена очень малой полярностью связей С—С и С—Н в их молекулах вследствие почти одинаковой элек­троотрицательности атомов углерода и водорода.

Для алканов наиболее характерны реакции замещения. В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление ковалентных связей, т. е. они осуществляются по свободнорадикальному (цепному) механизму.

I. Реакции замещения (разрыв связей С—Н)

RH + XY → RX + HY

алкан реагент производное

алкана

1) Галогенирование — замещение атомов водорода атомами галогенов.

Примером этого типа реакций является хлорирова­ние метана:

По своему механизму эти реакции представляют собой свободнорадикальные цепные реакции. Они начинаются стадией инициирования (зарождения цепи), в ходе которой под действием УФ-излучения (hν) происходит распад молекулы С12 на два свободных радикала:

Затем происходит рост цепи (имеется в виду цепь превращений):

Далее многократно повторяются превращения (2) и (3).

В случае столкновения двух радикалов может проис­ходить обрыв цепи:

Cl + CH3 → CH3– Cl (6)

Высшие разветвленные алканы также подвергаются галогенированию.При этом атомы галогенов замеща­ют, прежде всего, атомы водорода у третичных ато­мов углерода, затем — у вторичных и в последнюю оче­редь— у первичных. Это общее правило, справедливое и для других реакций замещения.

Алканы очень активно реагируют с фтором. Реакция идет со взрывом:

Kat.

СН4 + 4F2 → CF4 + 4HF

тетрафторметан

В действительности образуется смесь фторпроизводных.

2)Нитрование — замещение атомов водорода нитрогруппой -N02. Нитрующий агент — азотная кислота HN03 (HO-N02).

R–H + HO-N02→ R– H + H2O

Обычно нитрование алканов осуществляется разбавленной HN03 при температуре около 140°С. Этот способ нитрования был открыт русским химиком М. И. Коно­валовым в 1888г. и вошел в органическую химию как «реакция Коновалова».Это первая из так называемых именных реакций, с которыми мы будем знакомиться при изучении органической химии. Пример нитрования:

Общее название продуктов нитрования алканов — нитроалканы.

В основе названия нитро- или галогеналкана лежит на­звание самой длинной неразветвленной цепи. Заместители перечисляют в алфавитном порядке. Атомы «С» нумеруют так, чтобы заместитель, который пишется первым, имел меньший номер.

СН3

1 2 3 4 4 3 2׀ 1

СН3–СН–СН2–СН3 СН3–СН–СН–СН3

׀ ׀

NO2 NO2

2-Нитробутан 2-Метил-З-нитробутан

5 4 3 2 1

СН3– СН– СН2– СН– СН3

׀ ׀

Cl СН3

2-Метил-4-хлорпентан

3. Сульфирование (замещение атома водорода cульфо-группой-S03H с образованием алкансульфокислот RS03H). Сульфирующий реагент — серная кислота H2S04 (HO-SO3H).

R–H + HO–SO3H → R–S03H + H2O

Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной H2S04 при небольшом нагревании.

К названию соответствующего алкана нужно прибавить приставку «сульфо-» или окончание «сульфокислота» с указанием положения сульфогруппы:

1 CH3

3 2 1 4 3 2 ׀

CH3–CH2–CH2–S03H CH3–CH2–CH–S03H

1-Сульфопропан Бутан-2-сульфокислота

II. Реакции окисления

При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (КМп04, К2Сг207).

1.Окисление кислородом воздуха при высоких температу­рах (горение):

а) полное окисление (избыток 02) с образованием углекислого газа и воды. Алканы горят на воздухе с выделением большого количества тепла. Поэтому природный газ, главным ком­понентом которого является метан СН4, используется в быту и в промышленности в качестве высококалорийно­го топлива:

-4 T +4

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

б) неполное окисление (недостаток 02):

-4 T +4

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

-4 T 0

CH4 + O2 → C + 2H2O

2. Окисление кислородом воздуха при невысоких темпера­турах в присутствии катализаторов (неполное каталитичес­кое окисление).

O

В результате могут образоваться альдегиды R— С ,

H

кетоны R—С — R , спирты ROH, карбоновые кислоты RCOOH.

O

Неполное окисление может происходить без раз­рыва углеродной цепи (число атомов «С» в молекуле про­дукта реакции равно числу атомов «С» в молекуле исход­ного алкана) и с разрывом углеродной цепи (число атомов «С» в молекуле продукта реакции меньше, чем в молекуле исходного алкана).

Например, при каталитическом окислении метана в за­висимости от природы катализатора и условий проведения реакции могут образоваться следующие продукты:

Метановая кислота

О О

KMnO4

CH3–CH2–CH3 –––→ CH3– C + HC + CO2

T4 OH OH

III. Реакции дегидрирования и дегидроциклизации.

При дегидрировании простейшего алкана - метана - взависимости от условий образуются либо свободный углерод (в виде сажи), либо простейший алкин — этин:

1200°C

CH4 → C + 2H2

1000°C

2CH4 → HC CH + 3H2

этин (ацетилен)

При дегидрировании гомологов метана в присутствии катализаторов образуются алкены; например:

T

СН3–СН2–СН2–СН3 → СН3–СН=СН–СН3 + H2

Cr2 O3

Дегидрирование алканов с n ≥ 6 при определенных условиях может сопровождаться циклизацией с образо­ванием ароматических УВ (бензола и его гомологов):

IV. Реакции крекинга алканов

Крекинг (англ. cracking — расщепление) — это разрыв связей С—С в молекулах алканов с длинными углеродными цепями, в результате которого образуются алканы и алкены с меньшим числом атомов углерода.

Основные процессы при крекинге – дегидрирование (отщепление атомов водорода с образованием Н2) и разрыв углеродной цепи. Одновременно происходит изомеризация и циклизация.

При высокой температуре (350—700°С) с участием катализаторов или без них алканы с достаточно боль­шим числом атомов углерода в молекулах расщепляют­ся на более простые УВ (предельные и непредельные), например:

С18Н38 → С10Н22 + С8Н16

предельный непредельный

УВ УВ

При температуре выше 1000°С все предельные углеводороды распадаются на углерод и водород. Этот процесс используется как дешевый метод получения водорода и сажи.

1000°C

С3Н8 → 3С + 4Н2

V. Изомеризация

Изомеризация – превращение одного изомера в другой изомер; например:

Т, кат.

CH3–(CH2)3–CH3 → СН3–СН–СН2–СН3

н-пентан ׀

СН3 изопентан

Получение алканов

Получение метана

1.В промышленности:

а) из природного газа;

б) синтез из оксида углерода(II) и водорода:

Ni, 300°C

СО + 3Н2 → CH4 + H2O

2.В лаборатории:

а) гидролиз карбида алюминия

Al4C3 + 12H2O → 3CH4 ↑ + 4Al(OH)3;

б) сплавление солей уксусной кислоты со щелочами

3 СООNa + NaO H → CH4↑ + Na2CO3

Получение гомологов метана

1. В промышленности:

а) из природного сырья (нефть, газ, горный воск);

б) синтез из оксида углерода(II) и водорода

300°C

nCO + (2n +1)H2 → CnH2n+2 + nH2O

Fe

2. В лаборатории:

a) каталитическое гидрирование (+Н2 ) непредельных УВ

Pt

СnН2n + Н2 → CnH2n+2

Алкен (Ni, 1500C) Алкан

б) взаимодействие галогеналканов с натрием (реакция А. Вюрца).

Происходит димеризация углеродной цепи исходного галогеналкана, образуется алкан с четным числом атомов углерода в цепи:

t°

2R-Br + 2Na → R-R +2NaBr

2CH3-Br + 2Na → CH3- CH3 + 2NaBr

Если в реакции участвуют разные галогеналканы, то образуется смесь алканов.

Применение

Метан –основная составляющая часть природных и попутных газов – широко используется в качестве промышленного и бытового газа. Химически перерабатывается в ацетилен, сажу, фторо- и хлоропроизводные и т. д., что представлено ниже в схеме:

Этан, пропан, бутан и пентан используются в технике для получения соответственно этилена, пропилена, дивинила (СН2=СН–СН=СН2; бутадиен-1,3) и изопрена (СН2=С–СН=СН2; 2-метилбутадиен-1,3).

׀

3

Смесь пропана и бутана используется в качестве топлива (бытовой сжиженный газ). В последнее время значительные количества бутана используются для получения уксусной кислоты (окислением).

Жидкие УВ используются как моторное топливо.

Наши рекомендации