Лекция 7: Предельные углеводороды

План лекции:

1. Общая классификация, гомологический ряд

2. Номенклатура и изомерия

3. Химические свойства

1. Общая классификация, гомологический ряд

Углеводороды — это органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, классифицирующиеся следующим образом:

Предельные углеводороды (алканы, насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения) – это углеводороды линейного или разветвленного строения, содержащие только простые (одинарные) связи. Предельными углеводородами являются алканы, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2. Простейшим представителем класса является метан (CH₄).

Гомологический ряд алканов (первые 10 членов)
Метан	CH4	CH4
Этан	CH3—CH3	C2H6
Пропан	CH3—CH2—CH3	C3H8
Бутан	CH3—CH2—CH2—CH3	C4H10
Пентан	CH3—CH2—CH2—CH2—CH3	C5H12
Гексан	CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3	C6H14
Гептан	CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3	C7H16
Октан	CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3	C8H18
Нонан	CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3	C9H20

2. Номенклатура и изомерия

Названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. По номенклатуре основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители. В этом случае выбирают наиболее длинную цепь углеродных атомов и атомы цепи нумеруют с того конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал. Затем называют: 1) номер углеродного атома, с которым связан радикал (начиная с простейшего радикала); 2) углеводород, которому соответствует длинная цепь. Если в формуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывают число прописью (ди-, три-, тетра- и т. д.), а номера радикалов разделяют запятыми. Вот как по этой номенклатуре следует назвать изомеры гексана:

3. Химические свойства

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные C-H и C-C связи относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С — Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму то есть с образованием радикалов.

3.1. Реакции радикального замещения

а) галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры, а галогенирование происходит тем легче, чем длиннее углеродная цепь н-алкана. Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно — за один этап замещается не более одного атома водорода:

1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (хлорметан)

2. CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl (дихлорметан)

3. CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl (трихлорметан)

4. CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl (тетрахлорметан).

б) нитрование – замещение атома водорода нитрогруппой – NO₂ c образованием нитроалканов; нитрующий реагент азотная кислота HNO₃. Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO₂ в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

СH₄ + HО-NO₂  → СН₃NO₂  + H₂O.

метан азотная нитрометан

кислота

Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

в) сульфирование (замещение атомов водорода сульфогруппой -SO₃Н с образованием алкансульфокислот RSO₃Н). Сульфирующий реагент – серная кислота Н₂SO₄ (НО─SO₃Н). Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной Н₂SO₄ при небольшом нагревании. Наиболее легко замещается атом водорода у третичного атома углерода:

3.2. Реакции окисления

а) окисление кислородом воздуха при высоких температурах (горение)

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O

б) окисление кислородом воздуха при невысоких температурах в присутствии катализаторов. В результате могут образоваться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты.

3.3. Термические превращения алканов

а) разложение происходит лишь под влиянием больших температур, что приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

CH₄ → C + 2H₂ (t > 1000 °C)

C₂H₆ → 2C + 3H₂

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ → СН₃ – СН₃ + СН₂ = СН₂

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ → СН₄ + СН₂ = СН₂– СН₃

б) дегидрирование – отщепление водорода; происходит в результате разрыва связей С ─ Н; осуществляется в присутствии катализатора при повышенных температурах с образованием алкена:

в) дегидроциклизация (ароматизация) - реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл. Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола и его производных: