Alcani: structură, nomenclatură, izomerie. Alcani - definiție, structură, proprietăți fizice și chimice

Hidrocarburile saturate sunt compuși care sunt molecule formate din atomi de carbon în stare de hibridizare sp 3. Ele sunt conectate între ele exclusiv prin legături sigma covalente. Denumirea de hidrocarburi „saturate” sau „saturate” provine de la faptul că acești compuși nu au capacitatea de a atașa niciun atom. Sunt extreme, complet saturate. Excepția sunt cicloalcanii.

Ce sunt alcanii?

Alcanii sunt hidrocarburi saturate, iar lanțul lor de carbon este deschis și constă din atomi de carbon legați între ei folosind legături simple. Nu conține alte legături (adică duble, ca alchene, sau triple, ca alchilii). Alcanii sunt numiți și parafine. Ei au primit această denumire deoarece parafinele binecunoscute sunt un amestec predominant al acestor hidrocarburi saturate C 18 -C 35 cu o inerție deosebită.

Informații generale despre alcani și radicalii lor

Formula lor: C n P 2 n +2, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară se calculează cu formula: M = 14n + 2. Caracteristică: Terminațiile din numele lor sunt „-an”. Reziduurile moleculelor lor, care se formează ca urmare a înlocuirii atomilor de hidrogen cu alți atomi, se numesc radicali alifatici sau alchili. Sunt desemnați prin litera R. Formula generală a radicalilor alifatici monovalenți: C n P 2 n +1, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară a radicalilor alifatici se calculează cu formula: M = 14n + 1. O trăsătură caracteristică a radicalilor alifatici: terminațiile în numele „- nămol”. Moleculele de alcan au propriile lor caracteristici structurale:

Legătura C-C este caracterizată printr-o lungime de 0,154 nm;
Legătura C-H este caracterizată printr-o lungime de 0,109 nm;
unghiul de legătură (unghiul dintre legăturile carbon-carbon) este de 109 grade și 28 de minute.

Alcanii încep seria omoloage: metan, etan, propan, butan și așa mai departe.

Proprietățile fizice ale alcanilor

Alcanii sunt substanțe incolore și insolubile în apă. Temperatura la care alcanii încep să se topească și temperatura la care fierb cresc în funcție de creșterea greutății moleculare și a lungimii lanțului de hidrocarburi. De la alcanii mai puțin ramificați la mai ramificați, punctele de fierbere și de topire scad. Alcanii gazoși pot arde cu o flacără albastru pal sau incolor și pot produce destul de multă căldură. CH 4 -C 4 H 10 sunt gaze care, de asemenea, nu au miros. C 5 H 12 - C 15 H 32 sunt lichide care au un miros specific. C 15 N 32 și așa mai departe - asta este solide, care sunt, de asemenea, inodore.

Proprietățile chimice ale alcanilor

Acești compuși sunt inactivi din punct de vedere chimic, ceea ce poate fi explicat prin rezistența legăturilor sigma greu de rupere - C-C și C-H. De asemenea, merită luat în considerare faptul că legăturile C-C sunt nepolare, iar legăturile C-H sunt polare scăzute. Acestea sunt tipuri de legături cu polarizare scăzută aparținând tipului sigma și, în consecință, este cel mai probabil să fie rupte printr-un mecanism omolitic, în urma căruia se vor forma radicali. Prin urmare, Proprietăți chimice alcanii sunt limitați în principal la reacții de substituție radicală.

Reacții de nitrare

Alcanii reacţionează numai cu acidul azotic cu o concentraţie de 10% sau cu oxidul de azot tetravalent în mediu gazos la o temperatură de 140°C. Reacția de nitrare a alcanilor se numește reacția Konovalov. Ca urmare, se formează compuși nitro și apă: CH 4 + acid azotic (diluat) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + apă.

Reacții de ardere

Hidrocarburile saturate sunt foarte des folosite drept combustibil, ceea ce se justifică prin capacitatea lor de a arde: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.

Reacții de oxidare

Proprietățile chimice ale alcanilor includ și capacitatea lor de a se oxida. În funcție de condițiile care însoțesc reacția și de modul în care acestea sunt modificate, din aceeași substanță se pot obține diferiți produse finite. Oxidarea ușoară a metanului cu oxigen în prezența unui catalizator care accelerează reacția și la o temperatură de aproximativ 200 ° C poate duce la următoarele substanțe:

1) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2CH 3 OH (alcool - metanol).

2) CH 4 (oxidare cu oxigen) = CH 2 O (aldehidă - metanal sau formaldehidă) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2HCOOH (acid carboxilic - metan sau formic) + 2H 2 O.

De asemenea, oxidarea alcanilor poate fi realizată într-un mediu gazos sau lichid cu aer. Astfel de reacții duc la formarea de alcooli grași superiori și acizii corespunzători.

Relația cu căldura

La temperaturi care nu depășesc +150-250°C, întotdeauna în prezența unui catalizator, are loc o rearanjare structurală a substanțelor organice, care constă într-o modificare a ordinii conexiunii atomilor. Acest proces se numește izomerizare, iar substanțele rezultate în urma reacției se numesc izomeri. Astfel, din butan normal se obține izomerul acestuia - izobutan. La temperaturi de 300-600°C și prezența unui catalizator are loc ruptura legături C-H cu formarea de molecule de hidrogen (reacții de dehidrogenare), molecule de hidrogen cu închiderea lanțului de carbon într-un ciclu (reacții de ciclizare sau aromatizare a alcanilor):

1) 2CH4 = C2H4 (etenă) + 2H2.

2) 2CH4 = C2H2 (etina) + 3H2.

3) C7H16 (heptan normal) = C6H5 - CH3 (toluen) + 4H2.

Reacții de halogenare

Astfel de reacții presupun introducerea de halogeni (atomii lor) în molecula unei substanțe organice, având ca rezultat formarea unei legături C-halogen. Când alcanii reacţionează cu halogenii, se formează derivaţi de halogen. Această reacție are caracteristici specifice. Se procedează după un mecanism radical, iar pentru a-l iniția este necesar să se expună amestecul de halogeni și alcani la radiații ultraviolete sau pur și simplu să-l încălzească. Proprietățile alcanilor permit reacției de halogenare să continue până când se obține înlocuirea completă cu atomi de halogen. Adică, clorurarea metanului nu se va încheia într-o singură etapă și producția de clorură de metil. Reacția va merge mai departe, totul se va forma produse posibile substituții, începând cu clormetan și terminând cu tetraclorura de carbon. Expunerea altor alcani la clor în aceste condiții va duce la formare diverse produse, obținut prin înlocuirea hidrogenului la diverși atomi de carbon. Temperatura la care are loc reacția va determina raportul dintre produsele finali și viteza de formare a acestora. Cu cât lanțul de hidrocarburi al alcanului este mai lung, cu atât reacția va fi mai ușoară. În timpul halogenării, atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat (terțiar) va fi înlocuit mai întâi. Cel primar va reacționa după toate celelalte. Reacția de halogenare va avea loc în etape. În prima etapă, doar un atom de hidrogen este înlocuit. Alcanii nu interacționează cu soluțiile de halogen (apa cu clor și brom).

Reacții de sulfoclorurare

Proprietățile chimice ale alcanilor sunt completate și de reacția de sulfoclorurare (numită reacție Reed). Când sunt expuși la radiații ultraviolete, alcanii sunt capabili să reacționeze cu un amestec de clor și dioxid de sulf. Ca rezultat, se formează acid clorhidric, precum și un radical alchil, care adaugă dioxid de sulf. Rezultatul este un compus complex care devine stabil datorită captării unui atom de clor și distrugerii moleculei următoare: R-H + SO 2 + Cl 2 + radiații ultraviolete= R-S02CI + HCI. Clorurile de sulfonil formate ca rezultat al reacției sunt utilizate pe scară largă în producerea de agenți tensioactivi.

I. ALCANI (hidrocarburi saturate, parafine)

Alcanii sunt hidrocarburi saturate alifatice (aciclice) în care atomii de carbon sunt legați între ei prin legături simple (single) în lanțuri drepte sau ramificate.

Alcani– denumirea hidrocarburilor saturate conform nomenclaturii internaționale.
Parafine– un nume stabilit istoric care reflectă proprietățile acestor compuși (din lat. parrum affinis– având afinitate mică, activitate scăzută).
Limită, sau saturate, aceste hidrocarburi sunt denumite datorită saturației complete a lanțului de carbon cu atomi de hidrogen.

Cei mai simpli reprezentanți ai alcanilor:

Când comparăm acești compuși, este clar că ei diferă unul de celălalt printr-un grup -CH2 - (metilen). Adăugarea unui alt grup la propan -CH2 -, primim butan C4H10, apoi alcani C5H12, C6H14 etc.

Acum putem deriva formula generală a alcanilor. Se consideră că numărul de atomi de carbon din seria alcanilor este n , atunci numărul de atomi de hidrogen va fi 2n+2 . Prin urmare, compoziția alcanilor corespunde formulei generale CnH2n+2.
Prin urmare, este adesea folosită următoarea definiție:

Alcani- hidrocarburi, a căror compoziție este exprimată prin formula generală CnH2n+2, Unde n – numărul de atomi de carbon.

II. Structura alcanilor

Structura chimică(ordinea de conectare a atomilor în molecule) alcanilor cei mai simpli - metanul, etanul și propanul - sunt arătate prin formulele lor structurale. Din aceste formule este clar că există două tipuri de legături chimice în alcani:
S–SȘi SH.
Legătura C-C este covalentă nepolară. Legătura C–H este covalentă, slab polară, deoarece carbonul și hidrogenul sunt apropiate ca electronegativitate (2,5 pentru carbon și 2,1 pentru hidrogen). Formarea legăturilor covalente în alcani datorită perechilor de electroni împărtășiți de atomi de carbon și hidrogen poate fi demonstrată folosind formule electronice:

Formulele electronice și structurale reflectă structura chimica, dar nu da o idee despre structura spațială a moleculelor, care afectează în mod semnificativ proprietățile substanței.
Structura spațială, adică aranjarea relativă a atomilor unei molecule în spațiu depinde de direcția orbitalilor atomici (AO) ai acestor atomi. În hidrocarburi, rolul principal îl joacă orientarea spațială a orbitalilor atomici ai carbonului, deoarece 1s-AO sferic al atomului de hidrogen îi lipsește o orientare specifică.
Aranjamentul spațial al carbonului AO, la rândul său, depinde de tipul hibridizării sale. Atomul de carbon saturat din alcani este legat de alți patru atomi. Prin urmare, starea sa corespunde hibridizării sp 3. În acest caz, fiecare dintre cele patru AO de carbon hibrid sp 3 participă la suprapunerea axială (σ-) cu s-AO al hidrogenului sau cu sp 3 -AO al altui atom de carbon, formând legături σ-CH sau C-C.

Cele patru legături σ ale carbonului sunt direcționate în spațiu la un unghi de 109 aproximativ 28", ceea ce corespunde cu cea mai mică respingere a electronilor. Prin urmare, molecula celui mai simplu reprezentant al alcanilor - metanul CH4 - are forma unui tetraedru, în centrul căruia se află un atom de carbon, iar la vârfuri sunt atomi de hidrogen:

Unghiul de legătură N-C-H este egal 109 sau 28". Structura spațială a metanului poate fi prezentată folosind modele volumetrice (la scară) și modele cu bile și baston.

Pentru înregistrare, este convenabil să utilizați o formulă spațială (stereochimică).

În molecula următorului omolog - etan C 2 H 6 - două tetraedrice sp 3 atomi de carbon formează o structură spațială mai complexă:

2. Dacă moleculele au aceeași compoziție și aceeași structura chimica sunt posibile diferite poziții relative ale atomilor în spațiu, apoi se observă izomerie spațială (stereoizomerie). În acest caz, utilizarea formulelor structurale nu este suficientă și ar trebui folosite modele moleculare sau formule speciale - stereochimice (spațiale) sau de proiecție.
Alcanii, începând cu etan H 3 C–CH 3, există în diferite forme spațiale ( conformaţiilor), cauzată de rotația intramoleculară de-a lungul legăturilor C–C σ și prezintă așa-numita izomerie rotațională (conformațională)..
Izomerii de rotație ai unei molecule sunt stările sale inegale din punct de vedere energetic. Interconversia lor are loc rapid și constant ca urmare a mișcării termice. Prin urmare, izomerii rotativi nu pot fi izolați individual, dar existența lor a fost dovedită prin metode fizice. Unele conformații sunt mai stabile (favorabile energetic) și molecula rămâne mai mult în astfel de stări perioadă lungă de timp.

3. În plus, dacă o moleculă conține un atom de carbon legat de 4 substituenți diferiți, este posibil un alt tip de izomerie spațială -izomerie optică.
De exemplu:

atunci este posibilă existența a doi compuși cu aceeași formulă structurală, dar diferiți ca structură spațială. Moleculele unor astfel de compuși se raportează între ele ca obiect și imaginea în oglindă și sunt izomeri spațiali.
Acest tip de izomerie se numește optică; izomerii se numesc izomeri optici sau antipozi optici:

Moleculele de izomeri optici sunt incompatibile în spațiu (atât stânga, cât și mana dreapta), le lipsește un plan de simetrie.
Prin urmare,
Izomerii optici au aceleași proprietăți fizice și chimice, dar diferă în relația lor cu lumina polarizată. Astfel de izomeri au activitate optică (unul dintre ei rotește planul luminii polarizate spre stânga, iar celălalt cu același unghi spre dreapta). Diferențele de proprietăți chimice se observă numai în reacțiile cu reactivi optic activi.
Izomeria optică se manifestă în substanțe organice de diferite clase și joacă un rol foarte important rol importantîn chimia compuşilor naturali.

Hidrocarburile sunt cei mai simpli compuși organici. Sunt formați din carbon și hidrogen. Compușii acestor două elemente se numesc hidrocarburi saturate sau alcani. Compoziția lor este exprimată prin formula CnH2n+2, comună alcanilor, unde n este numărul de atomi de carbon.

Alcani - denumirea internațională pentru acești compuși. Acești compuși sunt numiți și parafine și hidrocarburi saturate. Legăturile din moleculele de alcani sunt simple (sau simple). Valențele rămase sunt saturate cu atomi de hidrogen. Toți alcanii sunt saturati cu hidrogen până la limită, atomii săi sunt într-o stare de hibridizare sp3.

Serii omoloage de hidrocarburi saturate

Prima din seria omoloagă de hidrocarburi saturate este metanul. Formula sa este CH4. Desinența -an în numele hidrocarburilor saturate este semn distinctiv. În plus, în conformitate cu formula dată, etan - C2H6, propan - C3H8, butan - C4H10 sunt situate în seria omologică.

Din alcanul cinciîn seria omoloagă, denumirile compuşilor se formează astfel: un număr grecesc care indică numărul de atomi de hidrocarburi din moleculă + desinenţa -an. Deci, în greacă, numărul 5 este pende, deci după butan vine pentanul - C5H12. Urmează hexanul C6H14. heptan - C7H16, octan - C8H18, nonan - C9H20, decan - C10H22 etc.

Proprietăți fizice alcanii se modifică vizibil în seria omoloagă: punctele de topire și de fierbere cresc, iar densitatea crește. Metan, etan, propan, butan la conditii normale, adică la o temperatură de aproximativ 22 de grade Celsius, sunt gaze, de la pentan la hexadecan inclusiv - lichide, din heptadecan - solide. Începând cu butan, alcanii au izomeri.

Există tabele care arată modificări ale seriei omoloage de alcani, care reflectă în mod clar proprietățile lor fizice.

Nomenclatura hidrocarburilor saturate, derivații acestora

Dacă un atom de hidrogen este extras dintr-o moleculă de hidrocarbură, se formează particule monovalente, care se numesc radicali (R). Numele radicalului este dat de hidrocarbura din care este produs acest radical, iar terminația -an se schimbă în terminația -yl. De exemplu, din metan, atunci când un atom de hidrogen este îndepărtat, se formează un radical metil, din etan - etil, din propan - propil etc.

Radicalii sunt formați și din compuși anorganici. De exemplu, prin îndepărtarea grupării hidroxil OH din acidul azotic, puteți obține un radical monovalent -NO2, care se numește grupare nitro.

Când este separat de o moleculă alcan a doi atomi de hidrogen, se formează radicali divalenți, ale căror denumiri sunt, de asemenea, formate din numele hidrocarburilor corespunzătoare, dar finalul se schimbă în:

ylen, dacă atomii de hidrogen sunt îndepărtați dintr-un atom de carbon,
ylenă, în cazul în care doi atomi de hidrogen sunt rupți din doi atomi de carbon adiacenți.

Alcani: proprietăți chimice

Să luăm în considerare reacțiile caracteristice alcanilor. Toți alcanii au proprietăți chimice comune. Aceste substanțe sunt inactive.

Toate reacțiile cunoscute care implică hidrocarburi sunt împărțite în două tipuri:

clivajul legăturii C-H (un exemplu este o reacție de substituție);
ruperea legăturii C-C (fisurare, formare de piese separate).

Radicalii sunt foarte activi în momentul formării. Ele singure există pentru o fracțiune de secundă. Radicalii reacționează cu ușurință între ei. Electronii lor nepereche formează o nouă legătură covalentă. Exemplu: CH3 + CH3 → C2H6

Radicalii reacţionează uşor cu molecule de substanţe organice. Fie se atașează de ele, fie scot din ele un atom cu un electron nepereche, în urma căruia apar noi radicali, care, la rândul lor, pot reacționa cu alte molecule. Cu o astfel de reacție în lanț se obțin macromolecule care încetează să crească numai atunci când lanțul se rupe (exemplu: combinația a doi radicali)

Reacțiile radicalilor liberi explică multe procese chimice importante, cum ar fi:

Explozii;
Oxidare;
Cracarea petrolului;
Polimerizarea compușilor nesaturați.

Detalii pot fi luate în considerare proprietățile chimice hidrocarburi saturate folosind metanul ca exemplu. Mai sus am luat în considerare deja structura unei molecule de alcan. Atomii de carbon din molecula de metan sunt într-o stare de hibridizare sp3 și se formează o legătură destul de puternică. Metanul este un gaz cu miros și culoare. Este mai ușor decât aerul. Puțin solubil în apă.

Alcanii pot arde. Metanul arde cu o flacără palidă albăstruie. În acest caz, rezultatul reacției va fi monoxid de carbon și apă. Atunci când sunt amestecate cu aer, precum și într-un amestec cu oxigen, mai ales dacă raportul de volum este de 1:2, aceste hidrocarburi formează amestecuri explozive, ceea ce o face extrem de periculoasă pentru utilizarea în viața de zi cu zi și în mine. Dacă metanul nu arde complet, se formează funingine. În industrie, așa se obține.

Formaldehida și alcoolul metilic se obțin din metan prin oxidarea acestuia în prezența catalizatorilor. Dacă metanul este încălzit puternic, se descompune după formula CH4 → C + 2H2

Dezintegrarea metanului poate fi efectuat la produsul intermediar în cuptoare special echipate. Produsul intermediar va fi acetilena. Formula reacției este 2CH4 → C2H2 + 3H2. Separarea acetilenei de metan reduce costurile de producție cu aproape jumătate.

Hidrogenul este, de asemenea, produs din metan prin transformarea metanului cu vapori de apă. Reacțiile de substituție sunt caracteristice metanului. Astfel, la temperaturi obișnuite, la lumină, halogenii (Cl, Br) înlocuiesc hidrogenul din molecula de metan în etape. În acest fel, se formează substanțe numite derivați de halogen. Atomi de clor Prin înlocuirea atomilor de hidrogen într-o moleculă de hidrocarbură, aceștia formează un amestec de diferiți compuși.

Acest amestec conține clormetan (CH3Cl sau clorură de metil), diclormetan (CH2Cl2 sau clorură de metilen), triclormetan (CHCl3 sau cloroform), tetraclorură de carbon (CCl4 sau tetraclorura de carbon).

Oricare dintre acești compuși poate fi izolat din amestec. În producție, cloroformul și tetraclorura de carbon sunt de mare importanță, datorită faptului că sunt solvenți ai compușilor organici (grăsimi, rășini, cauciuc). Derivații de halogen metan sunt formați printr-un mecanism de radical liber în lanț.

Lumina afectează moleculele de clor ca urmare se destramăîn radicali anorganici care extrag un atom de hidrogen cu un electron din molecula de metan. Aceasta produce HCI și metil. Metilul reacționează cu o moleculă de clor, rezultând un derivat de halogen și un radical de clor. Radicalul de clor continuă apoi reacția în lanț.

La temperaturi obișnuite, metanul este suficient de rezistent la alcalii, acizi și mulți agenți oxidanți. Excepția este acidul azotic. În reacție cu acesta, se formează nitrometan și apă.

Reacțiile de adiție nu sunt tipice pentru metan, deoarece toate valențele din molecula sa sunt saturate.

Reacțiile la care participă hidrocarburile pot avea loc nu numai cu clivajul legăturii C-H, ci și cu clivajul legăturii C-C. Astfel de transformări apar atunci când există temperaturi mari si catalizatori. Aceste reacții includ dehidrogenarea și cracarea.

Din hidrocarburi saturate, acizii se obțin prin oxidare - acid acetic (din butan), acid gras(din parafină).

Producția de metan

Metanul în natură distribuite destul de larg. Este componenta principală a celor mai multe gaze naturale și artificiale inflamabile. Este eliberat din straturile de cărbune din mine, din fundul mlaștinilor. Gaze naturale (ceea ce este foarte vizibil în gazele asociate campuri petroliere) conțin nu numai metan, ci și alți alcani. Utilizările acestor substanțe sunt variate. Sunt folosiți ca combustibil în diverse industrii, medicină și tehnologie.

În condiții de laborator, acest gaz este eliberat prin încălzirea unui amestec de acetat de sodiu + hidroxid de sodiu, precum și prin reacția dintre carbura de aluminiu și apă. Metanul se obține și din substanțe simple. Pentru aceasta, condiții prealabile sunt de încălzire și catalizator. Producerea metanului prin sinteză pe bază de vapori de apă este de importanță industrială.

Metanul și omologii săi pot fi obținuți prin calcinarea sărurilor acizilor organici corespunzători cu alcalii. O altă metodă de producere a alcanilor este reacția Wurtz, în care derivații monohalogenați sunt încălziți cu sodiu metalic.

Proprietăți chimice. Proprietățile fizice ale alcanilor

Proprietățile fizice ale alcanilor

În condiții normale, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C 1 - C 4) sunt gaze. Alcanii normali de la pentan la heptadecan (C 5 - C 17) sunt lichizi, începând de la C 18 și mai sus sunt solide. Pe măsură ce numărul de atomi de carbon din lanț crește, de ex. Pe măsură ce greutatea moleculară relativă crește, punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc.

Cu același număr de atomi de carbon în moleculă, alcanii cu structură ramificată au mai mulți temperaturi scăzute punctul de fierbere decât alcanii normali.

Alcanii sunt practic insolubili în apă, deoarece moleculele lor sunt cu polaritate scăzută și nu interacționează cu moleculele de apă. Alcanii lichizi se amestecă ușor între ei. Se dizolvă bine în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzenul, tetraclorura de carbon etc.

Structura

Molecula celui mai simplu alcan - metanul - are forma unui tetraedru regulat, în centrul căruia se află un atom de carbon, iar la vârfuri se află atomi de hidrogen. Unghiurile dintre axele legăturilor C-H sunt de 109°28" (Fig. 29).

În moleculele altor hidrocarburi saturate, unghiurile dintre legături (atât C-H, cât și C-C) au aceeași semnificație. Pentru a descrie forma moleculelor se folosește conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici(vezi Partea I, §6).

În alcani, toți atomii de carbon sunt în stare sp 3 - hibridizare (Fig. 30).

Astfel, atomii de carbon din lanțul de carbon nu sunt în linie dreaptă. Distanța dintre atomii de carbon vecini (între nucleele atomilor) este strict fixată - aceasta este lungimea legăturii chimice(0,154 nm). Distanța C 1 - C 3, C 2 - C 4 etc. (prin un atom) sunt de asemenea constante, deoarece unghiul dintre legături este constant - unghi de legătură.

Distanțele dintre atomii de carbon mai îndepărtați se pot modifica (în anumite limite) ca urmare a rotației în jurul legăturilor S. Această rotație nu perturbă suprapunerea orbitalilor care formează legătura s, deoarece această legătură are simetrie axială.

Diferite forme spațiale ale unei molecule formate prin rotația grupurilor de atomi în jurul legăturilor S se numesc conformaţiilor(Fig. 31).

Conformațiile diferă ca energie, dar această diferență este mică (12-15 kJ/mol). Conformatiilor alcanilor in care atomii sunt situati cat mai indepartati unul de altul sunt mai stabile (repulsie a invelisurilor de electroni). Trecerea de la o conformație la alta se realizează datorită energiei mișcării termice. Pentru a descrie conformația, sunt folosite formule spațiale speciale (formulele lui Newman).

Nu fi confuz!

Este necesar să se facă distincția între conceptele conformație și configurație.

Diferitele conformații se pot transforma unele în altele fără a rupe legăturile chimice. Pentru a transforma o moleculă cu o configurație într-o moleculă cu altă configurație necesită ruperea legăturilor chimice.

De patru tipuri izomerie Alcanii sunt caracterizați prin două: izomeria scheletului de carbon și izomeria optică (vezi partea

Legături chimiceîn alcani, ruperea și formarea lor determină proprietățile chimice ale alcanilor. Legăturile C-C și C-H sunt covalente, simple (legături s), practic nepolare, destul de puternice, prin urmare:

1) alcanii intră cel mai adesea în reacții care implică scindarea hemolitică a legăturilor;

2) în comparație cu compușii organici din alte clase, alcanii au reactivitate scăzută (pentru aceasta se numesc parafine- „lipsit de proprietăți”). Astfel, alcanii sunt rezistenți la acțiune solutii apoase acizi, alcaline și agenți de oxidare (de exemplu, permanganat de potasiu) chiar și la fierbere.

Alcanii nu reacţionează cu adăugarea altor molecule la ei, deoarece Alcanii nu au legături multiple în moleculele lor.

Alcanii se descompun sub încălzire puternică în prezența catalizatorilor sub formă de platină sau nichel, iar hidrogenul este eliminat din alcani.

Alcanii pot suferi reacții de izomerizare. Reacția lor tipică este reacție de substituție, procedând printr-un mecanism radical.

Proprietăți chimice

Reacții de deplasare radicală

Ca exemplu, luați în considerare interacțiunea alcanilor cu halogenii. Fluorul reacționează foarte energic (de obicei cu o explozie) - în acest caz toate C-H și Conexiuni S-Sși, ca rezultat, se formează compușii CF4 și HF. Reacția nu are nicio semnificație practică. Iodul nu interacționează cu alcanii. Reacțiile cu clorul sau bromul apar fie cu lumină, fie cu căldură puternică; în acest caz, are loc formarea de alcani substituiți de mono până la polihalogen, de exemplu:

CH3-CH3+Cl2® hv CH3-CH2-Cl+HCI

Formarea derivaților de halogen metan are loc printr-un lanț radical liber mecanism. Sub influența luminii, moleculele de clor se descompun în radicali anorganici:

Radical anorganic Cl. extrage un atom de hidrogen cu un electron dintr-o moleculă de metan, formând HC1 și radicalul liber CH3

Radical liber interacționează cu molecula de clor Cl 2, formând un derivat de halogen și un radical de clor.

Reacția de oxidare începe cu extragerea unui atom de hidrogen de către o moleculă de oxigen (care este un diradical) și apoi continuă ca o moleculă ramificată. reacție în lanț. Numărul de radicali crește în timpul reacției. Procesul este însoțit

evidenţierea cantitate mare căldură, nu numai legăturile C-H sunt rupte, ci și legăturile C-C, astfel încât ca rezultat se formează monoxid de carbon (IV) și apă. Reacția poate avea loc ca ardere sau poate duce la o explozie.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O

La temperaturi obișnuite, reacția de oxidare nu are loc; poate fi iniţiat fie prin aprindere, fie prin descărcare electrică.

Cu o încălzire puternică (peste 1000°C), alcanii se descompun complet în carbon și hidrogen. Această reacție se numește piroliza.

CH4® 1200°C+2H2

Prin oxidarea ușoară a alcanilor, în special a metanului, cu oxigenul atmosferic în prezența diferiților catalizatori, se poate obține alcool metilic, formaldehidă și acid formic.

Dacă metanul este trecut printr-o zonă încălzită foarte repede și apoi imediat răcit cu apă, rezultatul este acetilena.

Această reacție stă la baza unei sinteze industriale numite cracare(descompunere incompletă) a metanului.

Cracarea omologilor de metan se realizează la o temperatură mai scăzută (aproximativ 600°C). De exemplu, cracarea propanului include următoarele etape:

Deci, cracarea alcanilor duce la formarea unui amestec de alcani și alchene cu greutate moleculară mai mică.

Încălzirea alcanilor la 300-350°C (cracarea nu a avut loc încă) în prezența unui catalizator (Pt sau Ni) duce la dehidrogenare- eliminarea hidrogenului.

Când acidul azotic diluat acționează asupra alcanilor la 140°C și presiune joasă, are loc o reacție radicală:

CH3-CH3 + HNO3®CH3-CH2-NO2 + H2O Izomerizarea

În anumite condiții, alcani structura normala poate fi transformat în alcani cu lanț ramificat.

Prepararea alcanilor

Să luăm în considerare producția de alcani folosind exemplul producției de metan. Metanul este larg răspândit în natură. Este componenta principală a multor gaze inflamabile, atât naturale (90-98%), cât și artificiale, eliberate în timpul distilării uscate a lemnului, turbei, cărbunelui, precum și în timpul cracării petrolului. Gazele naturale, în special gazele asociate câmpurile petroliere, pe lângă metan, conțin etan, propan, butan și pentan.

Metanul este eliberat din fundul mlaștinilor și din straturile de cărbune din mine, unde se formează în timpul descompunerii lente a resturilor vegetale fără acces la aer. Prin urmare, metanul este adesea numit gaz de mlaștină sau grindă.

În laborator, metanul este produs prin încălzirea unui amestec de acetat de sodiu și hidroxid de sodiu:

CH3COONa+NaOH® 200 ° Na2CO3 + CH4

sau când carbura de aluminiu interacționează cu apa: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4

În acest din urmă caz, metanul se dovedește a fi foarte pur.

Metanul poate fi produs din substanțe simple prin încălzire în prezența unui catalizator:

C+2H2 ® Ni CH 4 8 tot prin sinteză pe bază de apă gazoasă

CO+3H2® Ni CH4 +H2O

Această metodă este de importanță industrială. Cu toate acestea, se folosește de obicei metanul din gazele naturale sau gazele formate în timpul cocsării. cărbuni tariși în rafinarea petrolului.

Omologuri metanului, ca și metanul, se obțin în condiții de laborator prin calcinarea sărurilor acizilor organici corespunzători cu alcalii. O altă metodă este reacția Wurtz, adică. încălzirea derivaților monohalogen cu sodiu metalic, de exemplu:

C2H5Br+2Na+BrC2H6® C2H5-C2H5+2NaBr

În tehnologie, sinteza este folosită pentru a produce benzină tehnică (un amestec de hidrocarburi care conține 6-10 atomi de carbon).

din monoxid de carbon (II) și hidrogen în prezența unui catalizator (compus de cobalt) și la tensiune arterială crescută. Proces

poate fi exprimat prin ecuație

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

I Deci, principalele surse de alcani sunt gazele naturale și petrolul. Cu toate acestea, unele hidrocarburi saturate sunt sintetizate din alți compuși.

Aplicații ale alcanilor

Majoritatea alcanilor sunt folosiți drept combustibil. Crapatura si

Dehidrogenarea lor duce la hidrocarburi nesaturate, care

din care se obţin multe alte substanţe organice.

Metanul este cea mai mare parte a gazelor naturale (60-99%). Parte

gazele naturale includ propanul și butanul. Hidrocarburi lichide

folosit ca combustibil în motoarele cu ardere internă, mașini, avioane etc. Un amestec purificat de lichid

iar alcanii solizi formează vaselina. Alcanii superiori sunt

materii prime pentru producerea de materiale sintetice detergenti. Alcanii obținuți prin izomerizare sunt utilizați în producția de benzină și cauciuc de înaltă calitate. Mai jos este o diagramă a utilizării metanului

Cicloalcani

Structura

Cicloalcanii sunt hidrocarburi saturate ale căror molecule conțin un inel închis de atomi de carbon.

Cicloalcanii (cicloparafinele) formează o serie omoloagă cu formula generală C n H 2 n, în care primul membru este

ciclopropan C3H6, deoarece Pentru a forma un inel, trebuie să fie prezenți cel puțin trei atomi de carbon.

Cicloalcanii au mai multe denumiri: cicloparafine, naftene, ciclani, polimetilene. Exemple de conexiuni:

Formula CnH2n este caracteristică cicloparafinelor și exact aceeași formulă descrie seria omoloagă de alchene (hidrocarburi nesaturate având o legătură multiplă). Din aceasta putem concluziona că fiecare cicloalcan este izomer cu o alchenă corespunzătoare - acesta este un exemplu de izomerie „interclasă”.

Cicloalcanii sunt împărțiți într-un număr de grupuri în funcție de dimensiunea inelului, dintre care vom lua în considerare două: cicluri mici (C 3, C 4) și obișnuite (C 5 -C 7).

Denumirile cicloalcanilor sunt construite prin adăugarea prefixului ciclo- la numele alcanului cu numărul corespunzător de atomi de carbon. Numerotarea în ciclu este efectuată astfel încât substituenții să primească cele mai mici numere.

Formule structurale cicloalcanii se scriu de obicei în formă prescurtată folosind formă geometrică ciclu și omițând simbolurile pentru atomii de carbon și hidrogen. De exemplu:

Izomeria structurală a cicloalcanilor este determinată de mărimea inelului (ciclobutanul și metilciclopropanul sunt izomeri) și de poziția substituenților în inel (de exemplu, 1,1- și 1,2-dimetilbutan), precum și de structura lor. .

Izomeria spațială este, de asemenea, caracteristică cicloalcanilor, deoarece este asociat cu diferite aranjamente ale substituenților în raport cu planul inelar. Când substituenții sunt localizați pe o parte a planului inelar, se obțin izomeri cis, conform laturi diferite- izomeri trans.

Cei mai simpli compuși organici sunt hidrocarburi, constând din carbon și hidrogen. În funcție de natura legăturilor chimice din hidrocarburi și de raportul dintre carbon și hidrogen, acestea se împart în saturate și nesaturate (alchene, alchine etc.)

Limită hidrocarburile (alcani, hidrocarburi metanice) sunt compuși ai carbonului cu hidrogen, în moleculele cărora fiecare atom de carbon cheltuiește nu mai mult de o valență în combinarea cu orice alt atom învecinat, iar toate valențele care nu sunt cheltuite pentru combinarea cu carbonul sunt saturate cu hidrogen. Toți atomii de carbon din alcani sunt în starea sp 3. Hidrocarburile saturate formează o serie omoloagă caracterizată prin formula generală CU n N 2n+2. Strămoșul acestei serii este metanul.

Izomerie. Nomenclatură.

Alcanii cu n=1,2,3 pot exista doar ca un izomer

Pornind de la n=4, apare fenomenul de izomerie structurală.

Numărul de izomeri structurali ai alcanilor crește rapid odată cu creșterea numărului de atomi de carbon, de exemplu, pentanul are 3 izomeri, heptanul are 9 etc.

Numărul de izomeri ai alcanilor crește, de asemenea, datorită posibililor stereoizomeri. Începând de la C 7 H 16 este posibilă existența unor molecule chirale, care formează doi enantiomeri.

Nomenclatura alcanilor.

Nomenclatura dominantă este nomenclatura IUPAC. În același timp, conține elemente de nume banale. Astfel, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani au denumiri banale.

CH 4 - metan

C2H6 - etan

C3H8 - propan

C4H10-butan.

Numele omologilor rămași sunt derivate din numere grecești latine. Astfel, pentru următorii membri ai unei serii de structuri normale (neramificate), sunt folosite denumirile:

C 5 H 12 - pentan, C 6 H 14 - hexan, C 7 H 18 - heptan,

C 14 H 30 - tetradecan, C 15 H 32 - pentadecan etc.

Reguli de bază IUPAC pentru alcanii ramificați

a) alegeți cel mai lung lanț neramificat, al cărui nume formează baza (rădăcina). La această tulpină se adaugă sufixul „an”.

b) numerotați acest lanț conform principiului celor mai mici locanți,

c) substituentul este indicat sub formă de prefixe în ordine alfabetică indicând locația. Dacă există mai mulți substituenți identici în structura originală, atunci numărul lor este indicat cu cifre grecești.

În funcție de numărul de alți atomi de carbon de care atomul de carbon în cauză este legat direct, există atomi de carbon primari, secundari, terțiari și cuaternari.

Grupările alchil sau radicalii alchil apar ca substituenți în alcanii ramificati, care sunt considerați ca rezultat al eliminării unui atom de hidrogen din molecula de alcan.

Denumirea grupărilor alchil se formează din numele alcanilor corespunzători prin înlocuirea ultimului sufix „an” cu sufixul „yl”.

CH3 - metil

CH3CH2-etil

CH 3 CH 2 CH 2 - tăiat

Pentru a denumi grupările alchil ramificate, se folosește și numerotarea lanțului:

Pornind de la etan, alcanii sunt capabili să formeze conformeri care corespund unei conformații inhibate. Posibilitatea trecerii de la o conformatie inhibata la alta printr-una eclipsata este determinata de bariera de rotatie. Determinarea structurii, compoziției conformerelor și a barierelor de rotație sunt sarcinile analizei conformaționale. Metode de obţinere a alcanilor.

1. Distilarea fracționată a gazelor naturale sau a fracțiunii de petrol din benzină.În acest fel, pot fi izolați alcani individuali de până la 11 atomi de carbon.

2. Hidrogenarea cărbunelui. Procesul se desfășoară în prezența catalizatorilor (oxizi și sulfuri de molibden, wolfram, nichel) la 450-470 o C și presiuni de până la 30 MPa. Cărbunele și catalizatorul sunt măcinați în pulbere și hidrogenați în formă în suspensie, hidrogen borat prin suspensie. Amestecurile rezultate de alcani și cicloalcani sunt folosite ca combustibil pentru motor.

3. Hidrogenarea CO și CO 2 .

CO + H 2  alcani

CO 2 + H 2  alcani

Co, Fe și alte elemente d sunt utilizate ca catalizatori pentru aceste reacții.

4.Hidrogenarea alchenelor și alchinelor.

5.Sinteza organometalice.

A). Sinteza Wurtz.

2RHal + 2Na  R R + 2NaHal

Această sinteză este de puțin folos dacă sunt utilizați doi haloalcani diferiți ca reactivi organici.

b). Protoliza reactivilor Grignard.

R Hal + Mg  RMgHal

RMgHal + HOH  RH + Mg(OH)Hal

V). Interacțiunea dialchil cupraților de litiu (LiR2Cu) cu halogenuri de alchil

LiR 2 Cu + R X  R R + RCu + LiX

Dialchilcuprații de litiu înșiși sunt produși într-un proces în două etape

2R Li + CuI  LiR 2 Cu + LiI

6. Electroliza sărurilor acizilor carboxilici (sinteza Kolbe).

2RCOONa + 2H 2 O  R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2

7. Fuziunea sărurilor acizilor carboxilici cu alcalii.

Reacția este utilizată pentru sinteza alcanilor inferiori.

8.Hidrogenoliza compușilor carbonilici și a haloalcanilor.

A). Compuși carbonilici. Sinteza Clemmens.

b). Haloalcani. Hidrogenoliza catalitică.

Ni, Pt, Pd sunt utilizați ca catalizatori.

c) Haloalcani. Recuperarea reactivului.

RHal + 2HI  RH + HHal + I 2

Proprietățile chimice ale alcanilor.

Toate legăturile din alcani sunt cu polare scăzută, motiv pentru care sunt caracterizate prin reacții radicale. Absența legăturilor pi face imposibile reacțiile de adiție. Alcanii sunt caracterizați prin reacții de substituție, eliminare și combustie.

Tipul și numele reacției
1. Reacții de substituție
A) cu halogeni(Cu clorCl 2 -in lumina, Br 2 - la încălzire) reacţia se supune Regula lui Markovnik (Regulile lui Markovnikov) - în primul rând, un halogen înlocuiește hidrogenul la cel mai puțin atom de carbon hidrogenat. Reacția are loc în etape - nu se înlocuiește mai mult de un atom de hidrogen într-o etapă. Iodul reacționează cel mai greu și, în plus, reacția nu se finalizează, deoarece, de exemplu, atunci când metanul reacționează cu iodul, se formează iodură de hidrogen, care reacționează cu iodură de metil pentru a forma metan și iod (reacție reversibilă):	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clormetan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclormetan) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetraclorura de carbon).
B) Nitrare (reacția Konovalov) Alcanii reacţionează cu o soluţie 10% de acid azotic sau oxid de azot N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140° şi presiune joasă pentru a forma derivaţi nitro. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov. Unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu reziduul de NO 2 (grupa nitro) și se eliberează apă
2. Reacții de eliminare
A) dehidrogenare– eliminarea hidrogenului. Condiții de reacție: catalizator – platină și temperatură.	CH3 - CH3 → CH2 = CH2 + H2
B) fisurare procesul de descompunere termică a hidrocarburilor, care se bazează pe reacțiile de scindare a lanțului de carbon al moleculelor mari pentru a forma compuși cu un lanț mai scurt. La o temperatură de 450–700 o C, alcanii se descompun datorită clivajului legăturilor C–C (legăturile C–H mai puternice sunt reținute la această temperatură) și se formează alcani și alchene cu un număr mai mic de atomi de carbon	C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8
B) descompunere termică completă	CH4C + 2H2
3. Reacții de oxidare
a) reacția de ardere Când sunt aprinși (t = 600 o C), alcanii reacționează cu oxigenul și sunt oxidați în dioxid de carbon și apă.	C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q
B) Oxidarea catalitică- la o temperatură relativ scăzută și cu utilizarea catalizatorilor, este însoțită de ruperea doar a unei părți a legăturilor C–C aproximativ în mijlocul moleculei și C–H și este utilizată pentru obținerea de produse valoroase: acizi carboxilici, cetone, aldehide, alcooli.	De exemplu, cu oxidarea incompletă a butanului (clivarea legăturii C 2 – C 3) se obține acid acetic
4. Reacții de izomerizare nu sunt tipice pentru toți alcanii. Se atrage atenția asupra posibilității de conversie a unor izomeri în alții și prezența catalizatorilor.	C4H10C4H10
5.. Alcani cu un lanț principal de 6 sau mai mulți atomi de carbon reacționează de asemenea dehidrociclizare dar formează întotdeauna un inel cu 6 atomi (ciclohexan și derivații săi). În condiții de reacție, acest ciclu suferă o dehidrogenare suplimentară și se transformă în inelul benzenic mai stabil din punct de vedere energetic al unei hidrocarburi aromatice (arenă).

Mecanismul reacției de halogenare:

Halogenare

Halogenarea alcanilor are loc printr-un mecanism radical. Pentru a iniția reacția, amestecul de alcan și halogen trebuie iradiat cu lumină UV sau încălzit. Clorurarea metanului nu se oprește în stadiul de obținere a clorurii de metil (dacă se iau cantități echimolare de clor și metan), ci duce la formarea tuturor produșilor de substituție posibili, de la clorura de metil la tetraclorura de carbon. Clorarea altor alcani are ca rezultat un amestec de produse de substituție a hidrogenului la diferiți atomi de carbon. Raportul dintre produsele de clorinare depinde de temperatură. Viteza de clorurare a atomilor primari, secundari si tertiari depinde de temperatura; la temperaturi scazute rata scade in ordinea: tertiar, secundar, primar. Pe măsură ce temperatura crește, diferența dintre viteze scade până când acestea devin aceleași. Pe lângă factorul cinetic, distribuția produselor de clorinare este influențată de un factor statistic: probabilitatea ca clorul să atace un atom de carbon terțiar este de 3 ori mai mică decât cel primar și de două ori mai mică decât cel secundar. Astfel, clorurarea alcanilor este o reacție nestereoselectivă, cu excepția cazurilor în care este posibil un singur produs de monoclorurare.

Halogenarea este una dintre reacțiile de substituție. Halogenarea alcanilor respectă regula lui Markovnik (regula lui Markovnikov) - atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat este halogenat primul. Halogenarea alcanilor are loc în etape - nu mai mult de un atom de hidrogen este halogenat într-o etapă.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clormetan)

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCI (diclormetan)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclormetan)

CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetraclorura de carbon).

Sub influența luminii, o moleculă de clor se descompune în atomi, apoi atacă moleculele de metan, rupându-le atomul de hidrogen, în urma cărora se formează radicali metil CH 3, care se ciocnesc cu moleculele de clor, distrugându-le și formând noi radicali. .

Nitrare (reacția Konovalov)

Alcanii reacţionează cu o soluţie 10% de acid azotic sau oxid de azot N 2 O 4 în fază gazoasă la o temperatură de 140° şi presiune joasă pentru a forma derivaţi nitro. Reacția se supune și regulii lui Markovnikov.

RH + HNO3 = RNO2 + H2O

adică, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu restul de NO 2 (grupa nitro) și se eliberează apă.

Caracteristicile structurale ale izomerilor afectează puternic cursul acestei reacții, deoarece cel mai ușor duce la înlocuirea atomului de hidrogen din reziduul SI (prezent doar la unii izomeri) cu o grupare nitro; este mai puțin ușor să înlocuiți hidrogenul în gruparea CH2 şi chiar mai dificilă în restul CH3.

Parafinele sunt destul de ușor nitrate în fază gazoasă la 150-475°C cu dioxid de azot sau vapori de acid azotic; în acest caz, se întâmplă parțial. oxidare. Nitrarea metanului produce aproape exclusiv nitrometan:

Toate datele disponibile indică un mecanism de radicali liberi. Ca rezultat al reacției, se formează amestecuri de produse. Acidul azotic la temperaturi obișnuite nu are aproape niciun efect asupra hidrocarburilor de parafină. Când este încălzit, acționează în principal ca un agent oxidant. Cu toate acestea, după cum a constatat M.I. Konovalov (1889), atunci când este încălzit, acidul azotic acționează parțial într-o manieră „nitrativă”; Reacția de nitrare cu acid azotic slab are loc în special când este încălzită și sub presiune ridicată. Reacția de nitrare este exprimată prin ecuație.

Omologii care urmează metanului dau un amestec de diferite nitroparafine datorită clivajului însoțitor. Când etanul este nitrat, se obţin nitroetan CH3-CH2-NO2 şi nitroetan CH3-NO2. Din propan se formează un amestec de nitroparafine:

Nitrarea parafinelor în fază gazoasă se realizează acum la scară industrială.

Sulfclorurare:

O reacție practic importantă este sulfoclorurarea alcanilor. Când un alcan reacţionează cu clorul şi dioxidul de sulf în timpul iradierii, hidrogenul este înlocuit cu o grupare clorosulfonil:

Etapele acestei reacții sunt:

CI +R:H→R +HCI

R+SO2 →RSO2

RSO2 + CI:CI→RS02CI+CI

Clorurile de alcansulfonil sunt ușor hidrolizate la alcansulfoxilost (RSO 2 OH), ale căror săruri de sodiu (RSO 3¯ Na + - alcansulfonat de sodiu) prezintă proprietăți similare săpunurilor și sunt utilizate ca detergenți.