АЛКАНЫ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ 1

АЛКАНЫ. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ. 1

Алканы Алканами называются насыщенные углеводороды, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода, связанных между собой только -связями. 2

- АЛКАНЫ ОТНОСЯТСЯ К АЛИФАТИЧЕСКИМ (НЕЦИКЛИЧЕСКИМ) УГЛЕВОДОРОДАМ углеводородам, в молекулах которых углеродные атомы связаны в открытые (незамкнутые) цепи. 3

Алканы H H C H H метан 4

Алканы. Атом углерода в sp 3 -гибридном состоянии 5

Алканы Гомологический ряд метана и т. д. ОБЩАЯ ФОРМУЛА АЛКАНОВ Сn. Н 2 n+2 6

Гомологический ряд • Гомологический ряд – группа родственных органических соединений, отвечающих одной общей формуле и содержащих общие структурные элементы, но отличающихся между собой на одну или несколько –СН 2 -групп. 7

Алканы. Номенклатура. Названия нормальных алканов по заместительной номенклатуре Углеводород (алкан) Формула Название CH 4 метан CH 3 этан Радикал (алкил) Формула Название CH 3— метил CH 3 CH 2— этил CH 3 CH 2 CH 3(CH 2)3 CH 3(CH 2)4 CH 3(CH 2)5 CH 3(CH 2)6 CH 3(CH 2)7 CH 3 пропан бутан пентан гексан гептан октан нонан CH 3 CH 2— CH 3(CH 2)2 CH 2— CH 3(CH 2)3 CH 2— CH 3(CH 2)4 CH 2— CH 3(CH 2)5 CH 2— CH 3(CH 2)6 CH 2— CH 3(CH 2)7 CH 2— н-пропил н-бутил н-пентил н-гексил н-гептил н-октил н-нонил CH 3(CH 2)8 CH 3 декан CH 3(CH 2)8 CH 2— н-децил 8

Алканы. Номенклатура Первичный Вторичный 2, 2, 4 -триметилпентан Третичный Четвертичный 9

Названия разветвленных радикалов Радикал Название изопропил изобутил трет-бутил втор-бутил 10

Алканы. Номенклатура Систематическая номенклатура ИЮПАК 1) определяют самую длинную цепь атомов углерода, которая определяет основу названия; 2) нумеруют главную цепь с того конца, ближе к которому находится заместитель (углеводородный радикал); 3) Строят название, указывая положение каждого из заместитетей и перечисляя заместители по алфавиту. Используют приставки ди-, три-, тетра- для указания положения нескольких одинаковых заместителей. 11

Алканы. Номенклатура 3, 5 -диметил-3 -этилоктан 12

Алканы. Номенклатура Рациональная номенклатура тетраметилметан (2, 2 -диметилпропан) 13

Алканы. Структурная изомерия С 5 Н 12 пентан Ткип= 36 С 2 -метилбутан Ткип= 28 С 2, 2 -диметилпропан Ткип= 9. 5 С 14

Число изомеров в ряду алканов быстро увеличивается с увеличением количества атомов углерода Название Формула Число изомеров Формула Название Число изомеров CH 4 метан 1 C 11 H 24 ундекан 159 C 2 H 6 этан 1 C 12 H 26 додекан 355 C 3 H 8 пропан 1 C 13 H 28 тридекан 802 C 4 H 10 бутан 2 C 14 H 30 тетрадекан 1 858 C 5 H 12 пентан 3 C 15 H 32 пентадекан 4 347 C 6 H 14 гексан 5 C 20 H 42 эйкозан C 7 H 16 гептан 9 C 25 H 52 пентакозан 36 797 588 C 8 H 18 октан 18 C 30 H 62 триаконтан 4 111 846 763 C 9 H 20 нонан 35 C 40 H 82 тетраконтан C 10 H 22 декан 75 366 319 62 491 178 805 831 15

Алканы. Физические свойства Название Структурная формула Tпл, С Tкип, С Метан CH 4 – 183 – 162 Этан CH 3 – 172 – 89 Пропан CH 3 CH 2 CH 3 – 188 – 42 Бутан CH 3(CH 2)2 CH 3 – 138 – 0, 5 Пентан CH 3(CH 2)3 CH 3 – 130 36 2 -Метилбутан (изопентан) (CH 3)2 CHCH 3 – 160 28 2, 2 -Диметилпропан, (неопентан) (CH 3)4 C – 20 10 Гексан CH 3(CH 2)4 CH 3 – 95 69 Гептан CH 3(CH 2)5 CH 3 – 91 98 Октан CH 3(CH 2)6 CH 3 – 57 126 Нонан CH 3(CH 2)7 CH 3 – 54 151 Декан CH 3(CH 2)8 CH 3 – 30 174 Пентадекан CH 3(CH 2)13 CH 3 10 270 Эйкозан CH 3(CH 2)18 CH 3 37 343 16

Алканы. Физические свойства Зависимость температуры кипения от числа атомов углерода в молекуле алкана 17

ГЛАВНЫЕ ИСТОЧНИКИ АЛКАНОВ: НЕФТЬ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ 18

Алканы. Переработка нефти Перегонка – важнейший метод разделения жидких смесей на составные компоненты, который основан на частичном испарении исходной смеси с последующей конденсацией образующихся паров. В основе всякой перегонки лежит закон фазового равновесия в системе жидкость-пар, открытый Д. П. Коноваловым: «пар обогащен тем компонентом, прибавление которого к жидкости понижает ее температуру кипения» . 19

Перегонка • Таким образом, пар, образующийся из кипящей смеси двух веществ, всегда содержит оба компонента, но обогащен более летучим из них. При полной конденсации такого пара образуется жидкость с тем же составом, что и пар. При вторичной перегонке этой жидкости вначале образуется пар, еще более обогащенный легкокипящим компонентом. Ректификация, как тип дробной перегонки, преследует цель объединить в одном приборе (ректификационной колонне) в одну операцию последовательный ряд отдельных процессов перегонки (ряд фазовых равновесий) с максимальным обогащением пара низкокипящим компонентом. Так последовательно отбираются фракции с все более высокой температурой кипения (газовая фракция, бензин, керосин, дизельное 20 топливо).

Перегонка • Главным природным источником предельных углеводородов является нефть. Все нефти при перегонке разделяются на следующие фракции: • Газовая фракция (т. кип. до 40 ºС) • Бензин авиационный (т. кип. 40 -180 ºС) • Реактивное топливо (т. кип. 150 -280 ºС) • Керосин тракторный (т. кип. 110 -300 ºС) • Дизельное топливо (т. кип. 200 -330 ºС) • Смазочные масла (т. кип. 340 -400 ºС) • Парафин (т. кип. 320 -500 ºС) • Остаток после перегонки (асфальт или гудрон) 21

Алканы. Способы получения Получение из ненасыщенных углеводородов (каталитическое гидрирование ненасыщенных соединений) Получение из галогенопроизводных реакцией Вюрца 22

Алканы. Способы получения Реакция Шарля Адольфа Вюрца (1817 -1884) открыта в 1854 – получение углеводородов взаимодействием алкилгалогенидов (преимущественно бромидов) с металлическим натрием. При использовании разных алкилгалогенидов образуется смесь углеводородов. 23

Алканы. Способы получения Получение из солей карбоновых кислот путем пиролиза Электролиз солей щелочных металлов и карбоновых кислот (реакция Кольбе) – электрохимическое окисление солей карбоновых кислот, сопровождающееся декарбоксилированием 24

Алканы. Химические свойства АЛКАНАМ ХАРАКТЕРНЫ РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ. 25

26

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОЛЬНОГО СООТНОШЕНИЯ МЕТАНА И ХЛОРА МОЖНО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ЗАМЕСТИТЬ ОТ ОДНОГО ДО ЧЕТЫРЕХ АТОМОВ ВОДОРОДА 27

РЕАКЦИЯ ПРОТЕКАЕТ ПО РАДИКАЛЬНОМУ МЕХАНИЗМУ. СВЯЗИ РВУТСЯ ПО ГОМОЛИТИЧЕСКОМУ ПУТИ, А ОБРАЗУЮТСЯ ПО ОБМЕННОМУ МЕХАНИЗМУ. В КАЧЕСТВЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВЫСТУПАЮТ НЕЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ С ТРЕХВАЛЕНТНЫМ УГЛЕРОДОМ – СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ. 28

29

30

31

• Подобные реакции представляют собой цепь последовательных превращений и поэтому называются цепными. Для метана СН 4 число превращений RH в RCl на один радикал Cl● равно 106, вследствие чего при солнечном освещении реакция может протекать со взрывом. 32

Алканы. Химические свойства Галогенирование (Характеристика реакции) ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОДВЕРГАЮТСЯ ЗАМЕЩЕНИЮ ТРЕТИЧНЫЕ АТОМЫ ВОДОРОДА, МЕНЕЕ АКТИВНЫ ВТОРИЧНЫЕ, ЕЩЕ МЕНЕЕ - ПЕРВИЧНЫЕ. 33

Алканы. Химические свойства Галогенирование (Характеристика реакции) Реакционная способность в ряду галогенов уменьшается в ряду: F 2 > Cl 2 > Br 2 >> I 2 В этом же ряду падает селективность процесса. Принцип: ЧЕМ БОЛЕЕ АКТИВЕН РЕАГЕНТ, ТЕМ ОН МЕНЕЕ СЕЛЕКТИВЕН, 34

• РЕАКЦИЯ БРОМИРОВАНИЯ СЕЛЕКТИВНА. – • ПРОЦЕСС ХЛОРИРОВАНИЯ – МАЛОСЕЛЕКТИВЕН, ПРИ ХЛОРИРОВАНИИ ОБЫЧНО ОБРАЗУЕТСЯ СМЕСЬ ВСЕХ ВОЗМОЖНЫХ МОНОХЛОРПРОИЗВОДНЫХ. 35

36

ЭНЕРГИЯ ГОМОЛИТИЧЕСКОГО РАЗРЫВА СВЯЗИ С-Н R: H 380 к. Дж/моль = 400 к. Дж/моль . R + . H 420 к. Дж/моль 435 к. Дж/моль 37

Свободные радикалы Ряд стабильности алкильных радикалов: • ТРЕТИЧНЫЕ > ВТОРИЧНЫЕ > ПЕРВИЧНЫЕ 38

Алканы. Химические свойства Сульфохлорирование RH + SO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + HCl алкан алкилсульфохлорид Сульфонилхлориды – хлорангидриды сульфокислот RSO 2 OH, при взаимодействии со щелочью дают натриевые соли RSO 3 Na (сульфонаты), входящие в состав моющих средств. RSO 2 Cl + 2 Na. OH C 10 H 21 SO 3 Na + Na. Cl + H 2 O алкилсульфонат 39

Алканы. Химические свойства Нитрование CH 3 CH 2 CH 3 + HNO 3 140°C CH 3 CH 2 CH 3 + H 2 O NO 2 3 -метилпентан 3 -метил-3 -нитропентан Реакция М. И. Коновалова (1858 -1906). Открыта (опубликована) в 1893 г. Заключается в нитровании алканов и циклоалканов разбавленной азотной кислотой. Классический пример – получение 2 -нитрогексана с выходом 63% нитрованием н-гексана при 140 ºС азотной кислотой 40 плотностью 1. 075 (13% массовых).

Алканы. Химические свойства Окисление В промышленности окисление бутана кислородом в жидкой фазе в присутствии катализатора используют при получении уксусной кислоты. 41

Алканы. Химические свойства Изомеризация – перестройка углеродного скелета под действием высокой температуры либо катализатора (Al. Cl 3 , 100 ºC). В промышленности используется для повышения октанового числа бензина. CH 3 H 3 C CH CH 2 CH 3 H 3 C CH 2 CH 3 н-пентан 2 -метилбутан CH 3 H 3 C C CH 3 2, 2 -диметилпропан 42

Алканы. Химические свойства Пиролиз метана при 1400 -1500 ºС с одновременным частичным окислением его кислородом приводит к образованию «синтез-газа» (смесь СО и Н 2 ) и ацетилена. В этом процессе протекают две основные реакции: 2 CH 4 + O 2 2 CO + 4 H 2 2 CH 4 НC≡СН + 3 H 2 43

Алканы. Химические свойства Крекинг алканов – высокотемпературная переработка нефтяного сырья с целью получения продуктов с меньшей молекулярной массой Используется для получения простейших алкенов (этилен, пропилен) и бензина из керосина и дизельного топлива 44

КРЕКИНГ И ПИРОЛИЗ • Суммарный процесс пиролиза описывает схема из двух параллельных реакций. В результате образуются продукты с меньшей молекулярной массой, содержащие значительное количество алкенов. 45

Пиролиз • Первичная реакция при пиролизе – разрыв связи С-С с образованием двух радикалов. Основные реакции и продукты показаны на примере пиролиза бутана. 46

47