Предельные углеводороды (алканы)

Углеводороды — простейшие органические соединения, состоящие из двух элементов: углерода и водорода.

Предельными углеводородами, или а л к а-н а м и (международное название), называются соединения, состав которых выражается общей формулой С_nН₂_n₌₂, где п — число атомов атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы называют также насыщенными углеводородами или парафинам. * Термин «парафины» означает «имеющие малое сродство».

Первым членом гомологического ряда алканов является метан СН₄. Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следуют этан С₂Н_в) пропан С₃Н₈₎ бутан C₄H₁₀. Начиная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окончания -ан.Это пентан С₅Н₁₂, гексан C₆H₁₄, гептан C₇H₁₆, октан C₈H₁₈, нонан С₉Н₂₀, декан С₁₀Н₂₂ и т. д.

В гомологическом ряду наблюдается постепенное изменение физических свойств углеводородов: повышаются температуры кипения и плавления, возрастает плотность. При обычных условиях (температура ~22 °С) первые четыре ряда (метан, этан, пропан, бутан) — газы, C₅H₁₂ до С₁₆H₃₄ — жидкости, а с С₁₇Н₃₆ — твердые вещества.

Алканы начиная с четвертого члена ряда (бутана) имеют изомеры.

Все алканы насыщены водородом до предела (максимально). Их атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации, а значит, имеют простые (одинарные) связи.

Номенклатура алканов и их производных

СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ н-бутан (нормальный бутан)

Названия первых десяти членов ряда предельных углеводородов уже даны. Чтобы подчеркнуть, что алкан имеет неразветвленную углеродную цепь, часто к названию добавляют слово нормальный (н-), например:

СНз — СН₂ — СНд — СН₂—СНд — СН₂ —

н-гептан (нормальный гептан)

При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются одновалентные частицы, называемые углеводородными радикалами (сокращенно обозначают буквой R). Названия одновалентных радикалов производятся от названий соответствующих углеводородов с заменой окончания -ан на -ил.

Радикалы образуются не только органическими, но и неорганическими соединениями. Так, если от азотной кислоты отнять группу ОН, то получится одновалентный радикал — NO₂, называемый нитрогруппой и т. д.

При отнятии от молекулы углеводорода двух атомов водорода получаются двухвалентные радикалы. Их названия также производятся из названий соответствующих предельных углеводородов с заменой окончания -ан на -илиден (если атомы водорода оторваны от одного атома углерода) или -илен (если атомы водорода оторваны от двух соседних атомов углерода). Радикал СН₂= имеет название метилен.

Названия радикалов используют в номенклатуре многих производных углеводородов. Например: СН₃1 — йодистый метил, С₄Н₉С1 — хлористый бутил, СН₂С1₂ — хлористый метилен, С₂Н₄Вг₂ — бромистый этилен (если атомы брома связаны с разными атомами углерода) или бромистый этилиден (если атомы брома связаны с одним атомом углерода).

Химические свойства алканов

Химические превращения алканов могут происходить либо за счет разрыва цепи углеродных атомов, либо за счет отрыва атомов водорода с последующим замещением их другими атомами или группами. Поэтому для предельных углеводородов характерны реакции замещения и расщепления.

Хлорирование

Хлорирование метана обычно идет с образованием смеси продуктов:

СН₄+ Cl₂ ® СН₃Cl + HCl

СН₃Cl + Cl₂ ® СН₂Cl₂ + HCl

СН₂Cl₂+ Cl₂ ® СНCl₃ + HCl

СН₃Cl + Cl₂ ® СCl₄ + HCl

Соотношение скоростей замещения хлором водорода при первичном, вторичном, третичном углероде при температуре ниже 100° С — примерно 1,0 : 3,8 : 5,0.

Бромирование алканов протекает значительно хуже, чем хло рирование, но по тому же радикально-цепному механизму. Соотношение скоростей реакции бромирования при 127 °С по третичному, вторичному, первичному атомам углерода равно 1600 : 82 : 1. Можно утверждать, что бромирование алканов практически нацело идет по третичному атому углерода.

Фторированиеалканов осуществить прямым действ невозможно, так как процесс идет со взрывом, его невозможно регулировать. Обычно фторирование алканов осуществляют более мягкими фторирующими агентами, такими, как смесь CoF₂ и F₂.

Моно- и полизамещенные галогеналканы широко используют в качестве растворителей (хлороформ, дихлорэтан, четыреххлористый углерод и др.) в органических синтезах.

Нитрование

Важной реакцией, имеющей промышленное применение, является нитрование алканов. Реакцию проводят или в жидкой, или в газовой фазе. В первом случае в качестве нитрующего агента используют разбавленную азотная кислота (способ М. И. Коновалова) при температуре 140-150 °С и давлении (автоклавирование). В то время как концентрированная HNO₃ в нормальных условиях не действует на алканы, а при нагревании обычно действует как окислитель. Газофазное нитрование (по X. Хассу, 1930 г.) в промышленности осуществляют тетраоксидом азота или парами аз ной кислоты при 450—475 °С непрерывным методом в аппарате трубчатого типа. В результате образуется смесь нитроалканов, как при высоких температурах одновременно идет разрыв С – связей. Разделение осуществляют фракционной перегонкой.

Нитроалканы используют в качестве растворителей и органических синтезов.

Показано, что реакция нитрования алканов является цепной и идет по схеме:

СН₃– СН₂– СН₂– СН₂– СН₃ + НNO₃ ® СН₃– СН₂– СН₂– СН– СН₃ + H₂O