Международная номенклатура (М.н.)

За основу берется самая длинная цепь углеродных атомов и нумеруется с того конца, к которому ближе разветвление (для алканов) или краткая связь (для алкенов и алкинов). Цифрой указывается место заместителя и называется заместитель. Называется углеводород, которому соответствует длинная цепь. Если углеводород непредельный, то в названии алкана окончание ан заменяется на ен (алкенов) и ин (алкинов) и цифрой указывается место (=) или (=) связи от начала цепи. Циклические углеводороды называются так же, только перед названием прибавляется приставка цикло-.

2.2 Рациональная номенклатура (Р.н.) любой углеводород рассматривают как производный от простейшего представителя соответствующего ряда, у которого один и более атомов водорода замещены на радикалы (R). Называются R-лы в алфавитном порядке и в конце пишется название простейшего представителя данного ряда. Ароматические углеводороды рассматриваются как производные бензола, в молекуле которого один или несколько атомов Н замещены на радикалы.

Два радикала относительно друг друга находятся в положениях:

орто-(1,2) мета-(1,3) пара-(1,4)

2.3 Алкильные радикалы, алкилы (R).Для составления названия по номенклатурам органических соединений используются алкильные радикалы (R), получаемые «отнятием» атома водорода от молекулы алкана. Название алкилов производится от названия алкана с заменой окончания ан на окончание ил.

-H

С_nH_2n+2 → С_nH_2n+1

алкан алкил

-H

-H

Например: СН₄ → СН₃ –; СН₃ –СН₃ → СН₃ –СН₂ –

метан метил этан этил

-H

СН₃ –СН₂ –СН₃ → СН₃ –СН₂ –СН₂ –

пропан пропил

СН₃ –СН –СН₃ или СН₃ –СН –

изопропил СН₃

СН₃–СН₂ –СН₂–СН₂ –

СН₃ –СН₂ –СН₂–СН₃первичный бутил

СН₃ –СН₂ –СН–СН₃

вторичный бутил

СН₃ –СН –СН₂ –

первичный изобутил

СН₃

СН₃ –СН –СН₃

СН3

СН₃

СН₃–С – третичный изобутил

или третбутил

СН₃

2.4 Вопросы для самоконтроля

1. Какие соединения называются углеводородами?
2. Правила названия по международной номенклатуре.
3. Правила названия по рациональной номенклатуре алканов, алкенов, алкинов, аренов.
4. Какие частицы называются радикалами?

2.5 Обучающее задание №1

Охарактеризуйте и назовите данное соединение по М.н.

СН₃ – СН – СН₂ – СН₃

СН₃

Решение: данное соединение алкан, предельное разветвленное. Выбираем длинную цепь:

СН₃ – СН – СН₂ – СН₃

Нумеруем с того конца, к которому ближе заместитель:

Указываем номер атома С, с которым связан заместитель (R), называем его и в конце названия пишем название алкана длинной цепи 2–метилбутан.

Обучающее задание №2.

Напишите структурную формулу: 2,2–диметил–5–этилгептана.

Решение:Данное соединение алкан, разветвленное. В основе длинной цепи лежит гептан, содержащий 7 атомов углерода, поэтому пишем углеродный скелет основной цепи:

Ко второму С атому приписываем два радикала СН₃ – (метил), а к 5^муС атому радикал СН₃ – СН₂ – (этил).

СН₃

С – С – С – С – С – С – С

СН₃ СН₂ – СН₃

В конце приписываем атомы Н помня, что атом
С четырехвалентен:

СН₃

СН₃ – С – СН₂ – СН₂ – СН – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₂ – СН₃

Обучающее задание №3.

Назовите углеводород по Р.н.

СН₃

СН₃ – СН – С – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₃

Решение: За основу берется простейший представитель алканов – метан, т.е. С атом, с которым больше всего связано радикалов, или у которого меньше находится атомов водорода и обводится в квадратик.

СН₃

СН₃ – СН – – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₃

Указываются радикалы в алфавитном порядке

СН₃ – СН – СН₃ – – СН₂ – СН₃

метилэтил

СН₃

изопропил

Если одинаковых R-лов несколько, то их количество указывается приставками 2-ди, 3-три, 4-тетра. В конце пишется метан.

изопропилдиметилэтилметан

Обучающее задание№4.

Напишите структурную формулу углеводорода вторбутилметилэтилметана, и назовите по М.н.

Решение: В начале пишите С атом (метан). В названии подсчитывается количество R-лов. Их три:

СН₃ – СН₂ – СН – ; СН₃ – ; СН₃ – СН₂ –

метил этил

СН₃

вторбутил

Эти радикалы подписываются к основе

Простейшие R-лы пишутся вниз для удобства составления названия алкана, по М.н.

Называем по М.н. 3,4–диметилгексан.

Обучающее задание №5.

Охарактеризуйте и назовите данное соединение по М.н. и Р.н.

СН₃ – С = СН – СН₂ – СН₂ СН₃

С₂Н₅

Решение: Данное соединение алкен, непредельное, разветвленное. Называем по М.н. Выбираем самую длинную цепь. Нумеруем с того конца к которому ближе (=) связь

Указываем место и название заместителя: 3–метил, т.к. в длинной цепи 7 атомов углерода называем ее – гептен и указываем цифрой место (=) связи от начала цепи (от 3^го С атома) называем: 3–метилгептен–3.

Называем по Р.н. За основу берется простейший представитель алкенов – этилен (СН₂ = СН₂), обводим его и называем R-лы в алфавитном порядке, их три: (СН₃ –) метил и
(СН₃ – СН₂ –) этил и пропил (СН₃ – СН₂ – СН₂ –) в конце пишется этилен. Положения радикалов уточняются приставками α, β, обозначающими углеродные атомы этилена.

α-метил, этил-β-пропилэтилен

Обучающее задание №6.

Назовите по М.н. и Р.н. и охарактеризуйте данное соединение:

СН₃

СН₃ – СН₂ – С – СН₂ – С ≡ СН

СН₃

Решение: Данное соединение относится к непредельным углеводородам – алкинам.

Называем по М.н. За основу берем самую длинную цепь, нумеруем с того конца, к которому ближе (≡) связь.

Указываем номер С атома, у которого стоят заместители (R-лы). В длинной цепи шесть С атомов, следовательно, это будет гексин, и цифрой указываем место (≡) связи (от 1^го С атома), называем: 4,4–диметилгексин–1.

Называем по Р.н. За основу берется простейший представитель алкинов – ацетилен (СН≡СН), обводим его и называем R. Так как в молекуле ацетилена всего два атома Н, которые могут быть замещены на R-лы, следовательно в данном соединении всего один R-л это первичный изогексил. Называем:

первичный изогексилацетилен

Обучающее задание №7.

Назовите данное соединение по М.н.

1,2–диметилциклопентан 1,1–диметилциклопропан

Обучающее задание№8.

Назовите соединение по Р.н. и М.н.

Решение:Данное соединение ароматическое, производное бензола, в молекуле которого 2 атома водорода замещены на радикалы (СН₃ –) метил и (С₂Н₅ –) этил, находящиеся в пара – положении (1,4). Указываем положение заместителей, называем их, в конце пишем слово бензол.

По М.н. 1–метил–4–этилбензол

По Р.н. n–метилэтилбензол

2.6 Контрольное задание 1

Какое из указанных соединений
1) предельное 2) непредельное 3) разветвленное 4) неразветвленное 5) циклическое 6) алкан 7) алкен 8) алкин 9) ароматическое (арен) Назовите указанные соединения	а) n – СН3 – С6Н4 – СН3 б) СН3 – С ≡ С – СН3 в) СН3   СН3 – С – СН2 – СН3 СН3 г) СН3 СН2 = СН – С – СН3 СН3 д) С6Н6 е) С6Н12 ж) СН3 – С6Н5

Контрольное задание 2

Каким соединениям соответствуют названия
1) СН3 СН3 – СН – СН – СН3 С2Н5   2) СН3 СН3 – СН2 – С – СН2 – СН3 СН3 3) СН3 – СН = С – СН3 С2Н5 4) СН3 СН3 – С – СН2 – С ≡ СН СН3 5) СН ≡ С – СН2 – СН – СН3 СН3 6) 7) СН3 –СН –СН – СН = СН2 СН3 СН3 8) 9) СН3 СН3 – СН – СН – СН3 СН3 10) С5Н10	А. 3,4–диметилпентен–1 Б. 2,3–диметилбутан В. циклопентан Г. м–ксилол (м–диметилбензол) Д. 2,3–диметилпентан Е. n–метилэтилбензол Ж. 3,3–диметилпентан З. 4–метилпентин–1 И. 4,4–диметилпентин – 1 К. 3–метилпентен–2

Глава 3. Алканы

Алканы – это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными d (сигма) связями.

Их также называют насыщенными, парафинами. углеводородами ряда метана. Опорная схема:

Гомологический ряд

СН₄ метан С₇Н₁₆ гептан

С₂Н₆ этан С₈Н₁₈ октан

С₃Н₈ пропан С₉Н₂₀ нонан

С₄Н₁₀ бутан С₁₀Н₂₂ декан

С₅Н₁₂ пентан С₁₁Н₂₄ ундекан

С₆Н₁₄ гексан С₁₂Н₂₆ додекан

Группа СН₂ называется гомологической разностью

3.2 Строение.Атом углерода в алканах находится в состоянии sp³ – гибридизации, при этом «смешивается» одна S – орбиталь и три р – орбитали, образуются четыре гибридизованные орбитали, называемые sp³ орбиталями.

S-орбиталь p-орбиталь sp³-гибридизованная

орбиталь

Рисунок 8.

sp³ орбитали располагаются относительно друг друга под тетраэдрическими углами. Валентный угол равен 109⁰28^’.

Рисунок 9.

Гибридизованные орбитали, перекрываясь с орбиталями других углеродных атомов или с орбиталями атомов водорода, образуют d-связь.

Рисунок 10.

Химическая связь, образованная перекрыванием электронных орбиталей, когда центры связанных атомов находятся на одной прямой,называется d-связью. Длина d-связи равна 0,154 нм.

3.3 Изомерия.Первых три члена гомологического ряда С₁ – С₃ изомеров не имеют. Рассмотрим С₄Н₁₀. Напишем углеродный скелет: С – С – С – С

Как еще можно расположить углеродные атомы?

Ответ: С – С – С , т.е. разветвленная цепь

С

Добавьте к каждому С атому атомы водорода, помня, что атом углерода 4-х–валентен.

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃; СН₃ – СН – СН₃

Чем обусловлена изомерия алканов? СН₃

Вывод. Изомерия алканов обусловлена строением углеродного скелета.

Для правильного написания изомеров более сложных алканов начинайте с написания углеродного скелета неразветвленной цепи. Например, напишите формулы изомеров состава С₅Н₁₂.

1) С – С –С–С–С Затем сокращаем эту цепь на один С

атом опуская его от 2-го С атома

2) С – С – С – С Если переставить его к следующему

С атому, то будет то же самое, т.к.

С считать атомы углерода можно с

любого конца.

Затем сокращаем длинную цепь С атомов еще на один углероный атом, получаем 3-ий изомер.

3) С У более сложных алканов

необходимо дальше сокращать цепь

С – С – С углеродных атомов.

С

В конце добавляем атомы водорода

1) СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃; 3) СН₃

2) СН₃ – СН – СН₂ – СН₃; СН₃ – С – СН₃

СН₃ СН₃

Напишите формулы всех возможных изомеров состава С₆Н₁₄. Проверьте, усвоили вы это понятие.

Как видно из предыдущих формул атомы углерода соединены с разным числом атомов углерода и водорода. Существует понятие, если С атом соединен непосредственно только с одним другим С атомом, то он называется первичным (I), если с 2-мя другими С атомами–вторичным(II),если с 3-мя – третичным (III).

Обозначается над С атомами римскими цифрами.

I II II III I

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН – СН₃

I

СН₃

3.4 Номенклатура.Первые четыре алкана имеют травиальные названия, т.е. исторически сложившиеся: метан, этан, пропан, бутан. Названия других алканов производится по двум номенклатурам.

Рациональная.Любой алкан по этой номенклатуре рассматривается, как производный от простейшего представителя – метана (СН₄) в молекуле которого один, два, три или все четыре атома Н замещены на радикалы. За СН₄ принимается тот С атом, в котором меньше всего атомов Н, например:

Этот С атом обводится в квадрат. От него отходят радикалы. Называются R–лы в алфавитном порядке. Если одинаковых R–лов несколько, то их количество указывается с помощью приставок: 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра к названию радикала. В конце названия пишется слово метан. Называем: диметилэтилметан.

Дается название по Р.н.: бутилметилэтилметан. Составляем структурную формулу. Вначале пишем С атом, который принимаем за метан.В названии считаем радикалы, их всего три, следовательно от С атома отходят три связи на радикалы.

Подписываем к этим связям R–лы. Сложные R–лы пишем горизонтально, а простые вниз или вверх.

Закрепление:Назовите по Р.н.

а) СН₃ – СН – СН – СН₃

СН₃ СН₃

б) СН₃ – СН – СН – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₂ – СН₃

СН₃ СН₃

в) СН₃ – С – С – СН₃

СН₃ СН₃

Напишите структурные формулы:

а) изопропилэтилметана;

б) третбутилдиметилэтилметана;

в) диметилдиэтилметана.

1) Чем отличаются друг от друга изомеры, гомологи?

2) Найдите среди написанных формул изомеры и гомологи:

СН₃ СН₃

а) СН₃ – С – СН₃; б) СН₃ – (СН₂)₃ –СН₃; в) СН₃–СН – СН₃

СН₃

г) СН₃ – СН – СН₂ – СН₃; д) СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃;

СН₃

СН₃

е) СН₃ – СН₂ – СН – СН₃

3) Какие частицы называются радикалами? Приведите пример. Напишите формулу любого первичного, вторичного и третичного радикала.

4) Чем обусловлена структурная изомерия алканов?

5) Какие С атомы называются первичными, вторичными, третичными.

6) Укажите в формуле эти С атомы СН₃–СН–СН–СН₂–СН₃

СН₃ СН₃

Международная номенклатура (JUPAK).В основе названия лежит название алкана самой длинной цепи атомов углерода. Эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе в этой цепи находятся R–лы.

или

С – С – С – С – С   С

5 4 3 2 1 1 2 3 4 5

С – С – С – С – С

С

Радикалы расположены выше или ниже основной цепи.

Затем указывают номер С атома, при котором находится радикал (2). Если одинаковых радикалов несколько, то перечисляют цифры, указывающие их положение через запятую
(2, 3).

5 4 3 2 1

С – С – С – С – С

С С

После перечисленных цифр пишутся приставки ди, три, тетра, а затем пишется название радикала и в конце - название алкана длинной цепи.

5 4 3 2 1

СН₃ – СН₂ – СН – СН – СН₃

СН₃ СН₃ 2, 3 – диметилпентан

Дано название, необходимо написать структурную формулу, например: 2, 2 – диметил – 3 – этилгептан

Необходимо начать писать формулу с основы, это гептан, в нем 7 углеродных атомов, следовательно пишется цепь из этих 7 С атомов, нумеруется слева неправо.

1 2 3 4 5 6 7

С – С – С – С – С – С – С

Затем в названии у 2-го С атома стоят два радикала – метила, а у 3-го – этил, подписываются.

СН₃

СН₃ – С – СН – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₂ – СН₃

Закрепление: Напишите структурные формулы и назовите:

1) 2, 3, 4 – триметилгексана назовите по Р.н.

2) изопропилметилметана по М.н.

3) назовите по 2-м номенклатурам

СН₃ – СН – СН – СН₂ – СН₃

СН₃ СН₂ – СН₂ – СН₃

3.5 Способы получения алканов.Главными источниками получения алканов в промышленности являются нефть и природный газ, из которых получают алканы индивидуально состава С₁ – С₂.

Способы получения алканов делятся на 3 группы:

Реакции, не сопровождающиеся изменением числа углеродных атомов в молекуле.

С_исх=С_кон

1) Гидрирование непредельных углеводородов

	Ni

СН₂ СН₂ + Н – Н ¾® СН₃ – СН₃

	Ni

СН СН + 2Н – Н ¾® СН₃ – СН₃

2) Восстановлением галогенопроизводных иодисто-водородной кислотой

СН₃J + HJ ¾® СН₄ + J₂

Закрепление: а) получите по этому способу 2 – метилбутан.

б) какое иодопроизводное необходимо взять, чтобы получить 2-метилбутан?

Реакции, сопровождающиеся усложнением углеродного скелета.

С_исх<С_кон

1) Реакция Вюрца. Сущность реакции заключается в действии металлического натрия на гологенопроизводные (алкилгалогениды).

СН₃ J

+ 2Na ¾® СН₃ – СН₃ + 2NaJ

CH₃ J

или 2СН₃J + 2Na ® СН₃ – СН₃ + 2NaJ

Если вступают в реакцию разные молекулы галогенопроизводных, то при этом получаются три продукта.

Например:

СН₃ J

+ 2Na ¾® СН₃ – СН₂ – СН₃ + 2NaJ

CН₃ – СН₂ J

Одновременно происходит образование веществ:

СН₃ J

+ 2Na ¾® СН₃ – СН₃ + 2NaJ

CH₃ J

СН₃ – СН₂ J

+ 2Na ¾® СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ + 2NaJ

СН₃ – СН₂ J

Закрепление: Получите по реакции Вюрца 2– метилпропан, подобрав галогенопроизводные. Сколько продуктов при этом получится?

2) Прямой синтез из элементов

	вольтовая дуга

С + 2Н₂ ¾¾¾® СН₄

	t0=4000C

кат.

8С + 9Н₂ ¾¾¾® С₈Н₁₈

t0, Ni

3) Каталитическое гидрирование (+Н₂) оксида углерода

nCO + (2n+1)H₂ ¾¾® C_nH_2n+2 + nH₂O

	t0, Ni

8CO + 17H₂ ¾¾® C₈H₁₈ + 8H₂O

По этим способам в промышленности получают синтетический бензин.

Реакции, сопровождающиеся уменьшением числа углеродных атомов в молекуле.

С_исх>С_кон

1) Крекинг. При температуре более 400⁰С происходит разрыв С С связи. При этом получаются более простые насыщенные и ненасыщенные углеводороды.

	t0 5000

СН₃ –СН₂ – СН₂ СН₂ – СН₃ ¾¾®СН₃–СН₂ –СН₃+СН₂=СН₂ алкан алкен

	t0

CH₃ –CH CH₂– CH₂ – CH₃® CH₃–CH₂–CH₃+CH₂=CH–CH₃

CH₃

При повышении температуры разрыв связи происходит ближе к концу:

t⁰ 600⁰

СН₃ – СН₂ – СН₂ СН₂ ¾¾®СН₃ –СН=СН₂ + СН₄

2) Сплавление солей одноосновных карбоновых кислот с щелочами.

Получите по этой реакции 2 – метилпропан. Какую соль необходимо взять, напишите. Вы должны догадаться, что написав формулу 2 – метилпропана, сообразите, что она должна быть увеличена на группу: – СООNа

Закрепление:

1) Всеми возможными способами получите: а) пропан;
б) 2, 2 – диметилпропан.

2) Какие галогенопроизводные необходимо взять, чтобы без побочных продуктов получить 2, 3 – диметилбутан по реакции Вюрца.

3) Какие из перечисленных ниже алкилгалогенидов необходимо использовать для получения:

а) бутана; б) пропана; в) 2 – метилбутана

1) СН₃J; 2)СН₃ – СН₂Сl; 3) СН₃ – СНJ – СН₃; 4) СН – СJ–СН₃

СН₃

4) Какое вещество получится при сплавлении натриевых солей следующих кислот:

О О

а) СН₃ –СН₂ – С б) СН₃ – СН –С

ОН ОН

СН₃

О

в) СН₃ – СН₂ – СН₂ – С

ОН

5) Установите формулу алкана, если плотность паров его по воздуху равна 2,483.

3.6 Физические свойства алканов.Алканы состава С₁ – С₄ – газообразные вещества, С₅ – С₁₅ – жидкости, С₁₆ и выше – твердые вещества. В гомологическом ряду алканов повышается t_кип, t_плавл., относительная плотность. Алканы с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем алканы нормального строения. Алканы нерастворимы в воде, растворяются в органических растворителях, спирте, эфире.

Алканы С₁ – С₂ – не имеют запаха.

Алканы С₃ – С₁₅ – имеют запах бензина, керосина.

Алканы с С₁₆ – не имеют запаха.

Табл. №2

Алкан	Формула	tпл	tкип	d420
Метан	CН4	-182,5	-161,5	0,4150
Этан	С2Н6	-182,8	- 88,6	0,5610
Пропан	С3Н8	-187,7	-42,0	0,5853
Бутан	С4Н10	-138,3	-0,5	0,600
Пентан	С5Н12	-129,7	+36,1	0,6262
Гексан	С6Н14	-95,3	+68,7	0,6594
Гептан	С7Н16	-90,6	+98,4	0,6838

3.7 Химические свойства.Алканы – неактивные вещества. За их пассивность русский химик М.И. Коновалов назвал их «химическими мертвецами». Их неактивность объясняется характером и прочностью связей С – Н (углерод-водородной) и С – С (углерод-углеродной). Прочность С – Н объясняется тем, что sp³ – орбиталь атома С подходит близко к ядру атома Н, т.к. в атоме водорода нет внутренних электронов, которые могли бы оттолкнуть электронное облако атома С.

	Н

Рисунок 11.

Прочность С – С связи обусловлена малым размером атома углерода и его тетраэдрической конфигурацией в состоянии sp³ – гибридизации. Это способствует максимальной концентрации электронного заряда между ядрами. На алканы не действуют при обычных температурах концентрированные сильные кислоты (H₂SO₄, HNO₃ и др.), расплавленные и концентрированные щелочи (NaOH, KOH и др.) сильные окислители (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др.) щелочные металлы (Na, K и др.). Поэтому металлы Na, K и другие щелочные металлы хранят в керосине. Они не выступают в реакции присоединения, в реакции гетеролитического разрыва связей. Для алканов возможен лишь гомолитический, радикальный разрыв связей С – С и С – Н и окисление частичное или полное.

Реакции замещения, разрыв С Н.

hn

Эти реакции протекают по радикальному цепному характеру. Рассмотрим механизм реакции на примере хлорирования СН₄. В обычных условиях если смешать метан с хлором, то реакция не протекает. Для протекания реакции необходим инициатор, т.е. нужны атомы хлора, которые образуются при действии света или нагревания.

Cl Cl ¾® 2Сl · (1)

Атом хлора отрывает водород от молекулы СН₄.

Н₃С : Н + Сl · ¾® CH₃ · + HCl (2)

Образуется радикал метил (СН₃ ·), который активно вступает в реакцию с молекулой Cl₂.

	hn

СН₃ · + Cl₂ ¾® CH₃Cl + Cl · (3)

хлористый

метил

Образуется хлористый метил и радикал Cl ·, который вновь реагирует с СН₄ и т.д., т.е. реакции (2) и (3) повторяются, происходит рост цепи до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи – уничтожение свободного радикала, т.е. радикалы взаимодействуя между собой образуют продукты реакции

Cl · + Cl · ® Cl₂ (4)

CH₃ · + ·CH₃ ® CH₃×CH₃ (5)

CH₃ · + Cl · ® CH₃Cl (6)

Реакции галогенирования

hn

СН₄ + Cl₂ ¾® CH₃Cl + HCl

хлористый метил

hn

СН₃Cl + Cl₂ ¾® CH₂Cl₂ + HCl

хлористый метилен

hn

CH₂Cl₂ + Cl₂ ¾® CHCl₃ + HCl

хлороформ

hn

СНCl₃ + Cl₂ ¾® CCl₄ + HCl

четыреххлористый

углерод

Эти реакции используются в промышленности для получения указанных продуктов. Алканы вступают в реакции галогенирования с Сl₂, Br₂, F_2. Фтор действует очень бурно и может разрушить органические молекулы. J₂ – в реакцию не вступает. Хлорирование других алканов происходит в соответствии с правилом В.В. Марк