Struktura alkana
Alkani su ugljikovodici u čijim su molekulama atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju općoj formuli C n H 2n+2. U molekulima alkana, svi atomi ugljika su u stanju sp 3 -hibridizacija.
To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene su prema uglovima jednakostranične trokutaste piramide - tetraedar. Uglovi između orbitala su 109° 28′. Gotovo slobodna rotacija je moguća oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekuli alkana mogu poprimiti širok raspon oblika s uglovima kod atoma ugljika blizu tetraedarskog (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentana.
Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulima alkana. Sve veze u molekulima zasićenih ugljovodonika su jednostruke. Preklapanje se dešava duž ose koja povezuje jezgra atoma, tj σ obveznice. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo polarizabilne. Dužina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je blago pomjerena prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarni.
Homologni niz metana
Homolozi- tvari koje su slične po strukturi i svojstvima i razlikuju se po jedna ili više CH grupa 2 .
Zasićeni ugljovodonicičine homologni niz metana.
Izomerizam i nomenklatura alkana
Alkane karakteriše tzv strukturni izomerizam. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljičnog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan.
Razmotrimo detaljnije osnovnu nomenklaturu za alkane IUPAC.
1. Izbor glavnog kola. Formiranje imena ugljikovodika počinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca atoma ugljika u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.
2. Numeracija atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeracija atoma glavnog lanca počinje od kraja kojem je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, onda numerisanje počinje od kraja na kojem ih ima više (struktura B). Ako se različiti supstituenti nalaze na jednakim udaljenostima od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojem je stariji najbliži (struktura D). Starost ugljikovodičnih supstituenata određuje se redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihovo ime: metil (-CH 3), zatim propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etil (-CH 2 -CH 3) itd.
Imajte na umu da se naziv supstituenta formira zamjenom sufiksa -ane sa sufiksom -yl u nazivu odgovarajućeg alkana.
3. Formiranje imena. Na početku naziva su naznačeni brojevi - brojevi atoma ugljika na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na datom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, crtica označava broj supstituenata (di - dva, tri - tri, tetra - četiri, penta - pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac naziva se ugljovodonik - član homolognog niza metana (metan, etan, propan itd.).
Nazivi supstanci čije su strukturne formule gore navedene su kako slijedi:
Struktura A: 2-metilpropan;
Struktura B: 3-etilheksan;
Struktura B: 2,2,4-trimetilpentan;
Struktura D: 2-metil 4-etilheksan.
Odsustvo zasićenih ugljovodonika u molekulima polarne veze vodi do njih slabo rastvorljiv u vodi, ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (jonima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodni radikali.
Fizička svojstva alkana
Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su gasovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "gasa", nakon što morate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju metanu koji se koristi u domaćinstvu i industrijskih plinskih uređaja kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mogli prepoznati curenje po mirisu).
Ugljovodonici sastava iz WITH 5 N 12 to WITH 15 N 32 - tečnosti; Teži ugljovodonici su čvrste materije. Tačke ključanja i topljenja alkana postepeno se povećavaju sa povećanjem dužine ugljičnog lanca. Svi ugljovodonici su slabo rastvorljivi u vodi tečni ugljovodonici su uobičajeni organski rastvarači.
Hemijska svojstva alkana
Reakcije supstitucije.
Najkarakterističnije reakcije za alkane su supstitucija slobodnih radikala, pri čemu se atom vodonika zamjenjuje atomom halogena ili nekom grupom.
Predstavimo karakteristične jednačine reakcije halogeniranja:
U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika hlorom:
Dobivene supstance se široko koriste kao rastvarači i polazni materijali u organskim sintezama.
Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodonika).
Kada se alkani prođu preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), eliminiše se molekul vodonika i alkene:
Reakcije praćene uništavanjem ugljičnog lanca. Svi zasićeni ugljovodonici gore sa stvaranjem ugljičnog dioksida i vode. Plinoviti ugljovodonici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.
1. Sagorijevanje zasićenih ugljovodonika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se alkani koriste kao gorivo:
Općenito, reakcija sagorijevanja alkana može se zapisati na sljedeći način:
2. Termičko cijepanje ugljovodonika.
Proces se odvija prema mehanizam slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.
Ovi radikali stupaju u interakciju jedni s drugima, razmjenjujući atom vodika, kako bi formirali molekul molekula alkana i alkena:
Reakcije termičke razgradnje su u osnovi industrijskog procesa - kreking ugljovodonika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.
3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, piroliza metana- razlaganje na jednostavne supstance:
Kada se zagrije na temperaturu od 1500 °C dolazi do stvaranja acetilen:
4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljovodonici zagrijavaju katalizatorom izomerizacije (aluminij hlorid), tvari s razgranati karbonski skelet:
5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora i formiraju benzen i njegove derivate:
Alkani ulaze u reakcije koje se odvijaju mehanizmom slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulima alkana u stanju sp 3 hibridizacije. Molekuli ovih supstanci su izgrađeni pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodonik) veza. Ne sadrže oblasti sa povećanom ili smanjenom elektronskom gustoćom, lako polarizabilne veze, odnosno takve veze u kojima se elektronska gustina može pomerati pod uticajem spoljašnjih faktora (elektrostatička polja jona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, jer veze u molekulima alkana nisu prekinute heterolitičkim mehanizmom.
Struktura alkana
Hemijska struktura (redoslijed povezanosti atoma u molekulima) najjednostavnijih alkana - metana, etana i propana - prikazana je njihovim strukturnim formulama datim u odjeljku 2. Iz ovih formula je jasno da postoje dvije vrste hemijskih veza u alkani:
S–S i S–N.
C–C veza je kovalentna nepolarna. C–H veza je kovalentna, slabo polarna, jer ugljik i vodonik su blizu elektronegativnosti (2,5 za ugljik i 2,1 za vodonik). Formiranje kovalentnih veza u alkanima zbog zajedničkih elektronskih parova atoma ugljika i vodika može se prikazati pomoću elektronskih formula:
Elektronske i strukturne formule odražavaju kemijsku strukturu, ali ne daju ideju o prostornoj strukturi molekula, što značajno utječe na svojstva tvari.
Prostorna struktura, tj. relativni raspored atoma molekula u prostoru ovisi o smjeru atomskih orbitala (AO) ovih atoma. Kod ugljikovodika glavnu ulogu igra prostorna orijentacija atomskih orbitala ugljika, budući da sferni 1s-AO atoma vodika nema specifičnu orijentaciju.
Prostorni raspored ugljenika AO, zauzvrat, zavisi od vrste njegove hibridizacije (Dio I, Odeljak 4.3). Zasićeni atom ugljika u alkanima je vezan za četiri druga atoma. Prema tome, njegovo stanje odgovara sp3 hibridizaciji (Dio I, odeljak 4.3.1). U ovom slučaju, svaki od četiri sp3-hibridna ugljikova AO sudjeluje u aksijalnom (σ-) preklapanju sa s-AO vodonika ili sa sp3-AO drugog atoma ugljika, formirajući σ-CH ili C-C veze.
Četiri σ-veze ugljika su usmjerene u prostoru pod uglom od 109°28", što odgovara najmanjem odbijanju elektrona. Stoga molekula najjednostavnijeg predstavnika alkana - metana CH4 - ima oblik tetraedra, u čijem se središtu nalazi atom ugljika, a na vrhovima su atomi vodika:
Ugao veze H-C-H je 109°28". Prostorna struktura metana može se prikazati pomoću volumetrijskih (skala) i modela kugle i štapa.
Za snimanje je zgodno koristiti prostornu (stereohemijsku) formulu.
U molekuli sljedećeg homologa, etana C2H6, dva tetraedarska sp3 ugljikova atoma formiraju složeniju prostornu strukturu:
Molekule alkana koje sadrže više od 2 atoma ugljika karakteriziraju zakrivljeni oblici. To se može prikazati na primjeru n-butana (VRML model) ili n-pentana:
Izomerizam alkana
Izomerizam je fenomen postojanja spojeva koji imaju isti sastav (istu molekularnu formulu), ali različite strukture. Takve veze se nazivaju izomeri.
Razlike u redosledu u kome su atomi kombinovani u molekulima (tj. u hemijskoj strukturi) dovode do strukturni izomerizam. Struktura strukturnih izomera se ogleda u strukturnim formulama. U nizu alkana, strukturna izomerija se manifestuje kada lanac sadrži 4 ili više atoma ugljika, tj. počevši od butana C 4 H 10. Ako su u molekulima istog sastava i iste hemijske strukture mogući različiti relativni položaji atoma u prostoru, onda opažamo prostorni izomerizam (stereoizomerizam). U ovom slučaju upotreba strukturnih formula nije dovoljna i treba koristiti molekularne modele ili posebne formule - stereohemijske (prostorne) ili projekcijske.
Alkani, počevši od etana H 3 C–CH 3, postoje u različitim prostornim oblicima ( konformacije), uzrokovane unutarmolekulskom rotacijom duž C–C σ veza, i pokazuju tzv. rotacioni (konformacioni) izomerizam.
Osim toga, ako molekula sadrži atom ugljika vezan za 4 različita supstituenta, moguć je drugi tip prostornog izomerizma, kada se dva stereoizomera odnose jedan prema drugom kao objekt i njegova zrcalna slika (slično kako se lijeva ruka odnosi na desnu) . Takve razlike u strukturi molekula nazivaju se optički izomerizam.
. Strukturni izomerizam alkana
Strukturni izomeri su spojevi istog sastava koji se razlikuju po redoslijedu vezanja atoma, tj. hemijska struktura molekula.
Razlog za ispoljavanje strukturne izomerije u nizu alkana je sposobnost atoma ugljika da formiraju lance različitih struktura izomerija ugljeničnog skeleta.
Na primjer, alkan sastava C 4 H 10 može postojati u obliku dva strukturni izomeri:
i alkan C 5 H 12 - u obliku tri strukturni izomeri, koji se razlikuju po strukturi ugljičnog lanca:
Sa povećanjem broja atoma ugljika u molekulima povećavaju se mogućnosti grananja lanca, tj. broj izomera raste sa brojem atoma ugljika.
Strukturni izomeri se razlikuju po fizičkim svojstvima. Alkani razgranate strukture, zbog manje gustog pakiranja molekula i, shodno tome, manjih međumolekulskih interakcija, ključaju na nižoj temperaturi od njihovih nerazgranatih izomera.
Tehnike konstruisanja strukturnih formula izomera
Pogledajmo primjer alkana WITH 6 N 14 .
1. Prvo, prikazujemo molekulu linearnog izomera (njegov ugljični kostur)
2. Zatim skraćujemo lanac za 1 atom ugljika i vežemo ovaj atom na bilo koji atom ugljika u lancu kao granu od njega, isključujući ekstremne položaje:
(2) ili (3)
Ako atom ugljika pričvrstite na jedan od ekstremnih položaja, kemijska struktura lanca se ne mijenja:
Osim toga, morate osigurati da nema ponavljanja. Dakle, struktura je identična strukturi (2).
3. Kada su sve pozicije glavnog lanca iscrpljene, skraćujemo lanac za još 1 atom ugljika:
Sada će biti 2 atoma ugljika u bočnim granama. Ovdje su moguće sljedeće kombinacije atoma:
Bočni supstituent može se sastojati od 2 ili više atoma ugljika povezanih u seriju, ali za heksan ne postoje izomeri sa takvim bočnim granama, a struktura je identična strukturi (3).
Bočni supstituent - C-C može se staviti samo u lanac koji sadrži najmanje 5 atoma ugljika i može se vezati samo za 3. i dalji atom s kraja lanca.
4. Nakon konstruisanja ugljičnog skeleta izomera, potrebno je sve atome ugljika u molekuli dopuniti vodikovim vezama, s obzirom da je ugljik četverovalentan.
Dakle, kompozicija WITH 6
N 14
odgovara 5 izomera: 1) 2) 
3) 
4) 
5) 
Prilikom reformiranja, alkani prolaze kroz izomerizaciju, dehidrociklizaciju i hidrokreking.
Izomerizacija alkana se odvija karbokatacionim mehanizmom uz formiranje blago razgranatih izomera, koji su termodinamički najstabilniji u uslovima reformiranja. Brzina izomerizacije raste sa povećanjem molekularne težine alkana.
Dehidrociklizacija je jedna od najvažnijih reformskih reakcija, koja se sastoji od pretvaranja alkana u arene:
Dehidrociklizacija se javlja apsorpcijom toplote (oko 250 kJ/mol), pa se konstanta ravnoteže reakcije povećava sa porastom temperature. Pritisak pomiče ravnotežu reakcije ulijevo, odnosno prema hidrogenaciji arena. Međutim, u praksi, da bi se smanjile naslage koksa na katalizatoru, proces se provodi pod povećanim pritiskom vodika. Na temperaturi od 500 °C pod pritiskom vodonika od 1,5-1,7 MPa, ravnotežni stepen konverzije n-heptana u toluen je 95%.
Mehanizam aromatizacije alkana nije potpuno jasan. Mogući su sljedeći putevi:
Dehidrogenacija alkana na platini u trien praćena ciklizacijom na platini ili glinici:
C5 ciklizacija na platini putem cikličkog prijelaznog kompleksa
Dehidrogenacija alkana u alkene na platini i ciklizacija alkena na aluminijum oksidu takođe sa formiranjem petočlanog prstena. Reakcija se odvija usklađenim mehanizmom koji uključuje protonaciju dvostruke veze na kiselinskom mjestu i istovremenu apstrakciju protona od atoma ugljika u lancu:
Rezultirajući petočlani prstenovi se izomeriziraju na kiselim mjestima u šesteročlane, a zatim dehidrogeniraju na metalu u arene.
Eksperimentalni podaci pokazuju da se aromatizacija odvija u svim razmatranim smjerovima.
Ako izvorni alkan sadrži manje od šest atoma ugljika u glavnom lancu, tada aromatizaciji prethodi izomerizacija alkana sa produženjem glavnog lanca. Brzina aromatizacije raste sa povećanjem dužine alkanskog lanca. Alkani koji sadrže deset ili više atoma ugljika formiraju arene sa spojenim prstenovima. Arene s dovoljno dugim bočnim lancima mogu završiti dodatne petlje:
Kao rezultat dehidrociklizacije alkana nastaju homolozi benzena i naftalena sa maksimalnim sadržajem metilnih supstituenata u jezgri, što dozvoljava struktura izvornog alkana.
Hidrokrekiranje alkana dovodi do stvaranja jedinjenja niske molekularne težine:
Uloga hidrokrekinga u procesu reformiranja nije jasna. S jedne strane, smanjenje molekularne mase alkana dovodi do povećanja oktanskog broja, a s druge strane, kao rezultat hidrokrekinga, nastaje značajna količina plinovitih proizvoda, što smanjuje prinos benzina. Stoga bi uloga hidrokrekinga trebala biti ograničena. Ispod su rezultati reformisanja n-heksana u zavisnosti od temperature na 0,7 MPa i zapreminskog protoka od 2 h-1:
4740S5000S5250Sstepen konverzije, %80,286,690,4 Prinos po pretvorenom alkanu, % (mol.) Areni (benzen) 16,624,127,4 Proizvodi izomerizacije 58,036,923,4 Hidrokreking proizvodi 204,09
Da bi se smanjila uloga hidrokrekinga, preporučljivo je da se proces provodi na što nižem pritisku, što istovremeno dovodi do povećanja ravnotežnog prinosa arena. Rezultati reformiranja n-nonana na temperaturi od 510 °C, prostornoj brzini od 1,5 h-1 i različitim pritiscima (u % originalnog nonana):
0,7 MPa2.1 MPaC1-C410.521.5Nearomatične C5 i više od 19.020.0 Arene: C6 C7 C8 C9 1,6 3,1 6,2 54,6 2,0 5,8 10,1 36,4
Konverzija cikloalkana
U uslovima reformisanja, cikloalkani takođe prolaze kroz izomerizaciju, dehidrogenaciju u arene i hidrokreking.
Šestočlani cikloalkani se izomeriziraju u petočlane mehanizmom karbokacije:
Selektivnost konverzije cikloheksana u metilciklopentan i benzen u konačnici je određena omjerom brzina reakcije i ovisi o aktivnosti komponenti katalizatora. Izomerizacija se događa na kiselim mjestima prema mehanizmu karbokacije, stoga će se s visokom kiselošću katalizatora povećati prinos metilciklopentana. Dehidrogenacija se događa na metalnoj komponenti katalizatora, a kako se aktivnost metala povećava, brzina stvaranja benzena će se povećati. Adsorpcija šestočlanog cikloalkana na metalu može biti praćena ili istovremenom disocijacijom šest C-H veza ili uzastopnom brzom eliminacijom atoma vodika:
Reakcija je endotermna, pa se s povećanjem temperature povećava ravnotežni prinos arena.
Biciklični šestočlani cikloalkani se dehidrogeniraju jednako lako kao i monociklični, formirajući derivate naftalena.
Hidrokrekiranje šestočlanih cikloalkana odvija se u maloj mjeri prema shemi opisanoj za alkane. U uslovima reformiranja, brzina dehidrogenacije šestočlanih cikloalkana u arene je značajno veća od brzine drugih reakcija (izomerizacija u petočlane i hidrokreking). Stoga je selektivnost konverzije cikloalkana u arene skoro 100%.
Petočlani supstituisani cikloalkani prolaze kroz sledeće reakcije u uslovima reformisanja:
Izomerizacija po položaju supstituenata (preko srednjih karbokationa):
dehidroizomerizacija:
Prva reakcija se događa na kiselim mjestima katalizatora, druga - na metalnim mjestima. Prinos benzena raste sa povećanjem temperature i smanjenjem pritiska. Na temperaturi od 500 °C, smanjenje pritiska sa 3,6 na 1,5 MPa dovodi do povećanja prinosa benzena od 45 do 90% (tež.). Dehidrogenacija ciklopentana u ciklopenten i ciklopentadien praktički se ne događa, jer je brzina ove reakcije mnogo niža od brzine dehidroizomerizacije. Ciklopentadien se snažno adsorbuje na metal i truje katalizator.
Otvaranje prstena (hidrokreking):
Relativna brzina hidrogenolize različitih C-C veza zavisi od strukture početnog ugljovodonika, svojstava katalizatora i uslova reakcije. Na svježem aluminij-platinum katalizatoru dolazi do hidrogenolize na platini, a omjer proizvoda u reakcijama (1), (2) i (3) je 2,4:2,1:1. U uvjetima procesa dolazi do djelomične deaktivacije platine, a hidrogenoliza se dalje odvija na kiselim mjestima prema mehanizmu karbokacije:
Glavni proizvod reakcije je n-heksan.
Brzina reakcije dehidroizomerizacije metilciklopentana je veća od one izomerizacije i hidrokrekinga, pa prinos benzena pri reformisanju metilciklopentana dostiže 60-70%.
Ugljovodonici u čijim su molekulima atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju opštoj formuli C n H 2 n +2.
U molekulima alkana, svi atomi ugljika su u stanju sp 3 hibridizacije. To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene su na uglove jednakostranične trokutne piramide - tetraedra. Uglovi između orbitala su 109° 28′.
Gotovo slobodna rotacija je moguća oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekule alkana mogu poprimiti širok raspon oblika sa uglovima kod atoma ugljika blizu tetraedarskog (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentan.
Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulima alkana. Sve veze u molekulima zasićenih ugljovodonika su jednostruke. Preklapanje se dešava duž ose,
povezuju jezgra atoma, odnosno to su σ veze. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo polarizabilne. Dužina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je malo pomjerena prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarna.
Odsustvo polarnih veza u molekulima zasićenih ugljikovodika dovodi do činjenice da su slabo topljivi u vodi i da ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (ionima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodne radikale.
Homologni niz metana
Homolozi- tvari koje su slične po strukturi i svojstvima i koje se razlikuju po jednoj ili više CH 2 grupa.
Izomerizam i nomenklatura
Alkane karakteriše takozvani strukturni izomerizam. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljičnog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan. 
Osnove nomenklature
1. Izbor glavnog kola. Formiranje imena ugljikovodika počinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca atoma ugljika u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.
2. Numeracija atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeracija atoma glavnog lanca počinje od kraja kojem je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, onda numerisanje počinje od kraja na kojem ih ima više (struktura B). Ako se različiti supstituenti nalaze na jednakim udaljenostima od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojem je stariji najbliži (struktura D). Starost ugljikovodičnih supstituenata određuje se redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihovo ime: metil (-CH 3), zatim etil (-CH 2 -CH 3), propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3) itd.
Imajte na umu da se naziv supstituenta formira zamjenom sufiksa -an sufiksom - mulj u ime odgovarajućeg alkana.
3. Formiranje imena. Na početku naziva su naznačeni brojevi - brojevi atoma ugljika na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na datom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, broj supstituenata je označen crticom ( di- dva, tri- tri, tetra- četiri, penta- pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac se naziva ugljovodonik - član homolognog niza metana ( metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan S 9 H 20, dekan C 10 H 22).
Fizička svojstva alkana
Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su gasovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "gasa", nakon što morate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju metanu koji se koristi u domaćinstvu i industrijskih plinskih uređaja kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mogli prepoznati curenje po mirisu).
Ugljovodonici sastava od C 4 H 12 do C 15 H 32 su tečnosti; Teži ugljovodonici su čvrste materije. Tačke ključanja i topljenja alkana postepeno se povećavaju sa povećanjem dužine ugljičnog lanca. Svi ugljovodonici su slabo rastvorljivi u vodi tečni ugljovodonici su uobičajeni organski rastvarači.
Hemijska svojstva alkana
Reakcije supstitucije.
Najkarakterističnije reakcije za alkane su reakcije supstitucije slobodnih radikala, tokom kojih se atom vodika zamjenjuje atomom halogena ili nekom grupom. Predstavimo jednadžbe karakterističnih reakcija halogeniranje: 
U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika klorom: 
Dobivene supstance se široko koriste kao rastvarači i polazni materijali u organskim sintezama.
Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodonika).
Kada se alkani prođu preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), eliminiše se molekul vodonika i formira se alken:
Reakcije praćene uništavanjem ugljičnog lanca.
Svi zasićeni ugljovodonici sagorevaju i formiraju ugljični dioksid i vodu. Plinoviti ugljovodonici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.
1. Sagorijevanje zasićenih ugljovodonika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se alkani koriste kao gorivo:
Općenito, reakcija sagorijevanja alkana može se zapisati na sljedeći način:
2. Termičko cijepanje ugljovodonika.
Proces se odvija putem mehanizma slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.
Ovi radikali međusobno djeluju, razmjenjujući atom vodika, kako bi formirali molekulu alkana i molekulu alkena:
Reakcije termičke razgradnje su u osnovi industrijskog procesa krekiranja ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.
3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, počinje piroliza metana - razlaganje na jednostavne tvari: 
Kada se zagrije na temperaturu od 1500 °C, moguće je stvaranje acetilena:
4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju katalizatorom izomerizacije (aluminij klorid), nastaju tvari s razgranatim ugljičnim skeletom: 
5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora i formiraju benzen i njegove derivate: 
Alkani ulaze u reakcije koje se odvijaju mehanizmom slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulima alkana u stanju sp 3 hibridizacije. Molekuli ovih supstanci su izgrađeni pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodonik) veza. Ne sadrže područja sa povećanom ili smanjenom elektronskom gustinom, niti lako polarizabilne veze, odnosno takve veze u kojima se elektronska gustina može pomerati pod uticajem spoljašnjih faktora (elektrostatička polja jona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, jer veze u molekulima alkana nisu prekinute heterolitičkim mehanizmom. 
Hemijska svojstva alkana
Alkani (parafini) su neciklični ugljikovodici u čijim su molekulima svi atomi ugljika povezani samo jednostrukim vezama. Drugim riječima, u molekulima alkana nema višestrukih - dvostrukih ili trostrukih veza. Zapravo, alkani su ugljikovodici koji sadrže najveći mogući broj atoma vodika, pa se stoga nazivaju ograničavajućim (zasićenim).
Zbog zasićenja, alkani ne mogu biti podvrgnuti reakcijama adicije.
Budući da atomi ugljika i vodika imaju prilično blisku elektronegativnost, to dovodi do činjenice da su C-H veze u njihovim molekulima izuzetno niskopolarne. U tom smislu, za alkane su tipičnije reakcije koje se odvijaju kroz mehanizam radikalne supstitucije, označene simbolom S R.
1. Reakcije supstitucije
U reakcijama ovog tipa dolazi do prekida veze ugljik-vodik
RH + XY → RX + HY
Halogenacija
Alkani reagiraju s halogenima (hlorom i bromom) kada su izloženi ultraljubičastom svjetlu ili visokoj toplini. U ovom slučaju nastaje mješavina halogenih derivata s različitim stupnjevima supstitucije atoma vodika - mono-, ditri-, itd. halogen-supstituisani alkani.
Koristeći metan kao primjer, to izgleda ovako:
Promjenom omjera halogen/metan u reakcionoj smjesi moguće je osigurati da bilo koji specifični halogen derivat metana prevladava u sastavu proizvoda.
Mehanizam reakcije
Analizirajmo mehanizam reakcije supstitucije slobodnih radikala na primjeru interakcije metana i hlora. Sastoji se od tri faze:
- inicijacija (ili lančana nukleacija) je proces stvaranja slobodnih radikala pod uticajem vanjske energije – ozračivanjem UV svjetlom ili zagrijavanjem. U ovoj fazi, molekula hlora prolazi kroz homolitičko cepanje Cl-Cl veze sa stvaranjem slobodnih radikala:
Slobodni radikali, kao što se može vidjeti sa gornje slike, su atomi ili grupe atoma sa jednim ili više nesparenih elektrona (Cl, H, CH 3, CH 2, itd.);
2. Razvoj lanca
Ova faza uključuje interakciju aktivnih slobodnih radikala sa neaktivnim molekulima. U tom slučaju nastaju novi radikali. Konkretno, kada radikali hlora djeluju na molekule alkana, nastaju alkil radikal i klorovodik. Zauzvrat, alkil radikal, sudarajući se s molekulama hlora, formira derivat hlora i novi radikal hlora:
3) Puk (odumiranje) lanca:
Nastaje kao rezultat rekombinacije dva radikala jedan s drugim u neaktivne molekule:
2. Reakcije oksidacije
U normalnim uslovima, alkani su inertni prema takvim jakim oksidantima kao što su koncentrisana sumporna i azotna kiselina, kalijum permanganat i dihromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Sagorevanje u kiseoniku
A) potpuno sagorevanje sa viškom kiseonika. Dovodi do stvaranja ugljičnog dioksida i vode:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
B) nepotpuno sagorevanje zbog nedostatka kiseonika:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Katalitička oksidacija kisikom
Kao rezultat zagrijavanja alkana kisikom (~200 o C) u prisustvu katalizatora, iz njih se mogu dobiti široki rasponi organskih proizvoda: aldehidi, ketoni, alkoholi, karboksilne kiseline.
Na primjer, metan, ovisno o prirodi katalizatora, može se oksidirati u metil alkohol, formaldehid ili mravlju kiselinu:
3. Termičke transformacije alkana
Pucanje
Cracking (od engleskog to crack - trgati) je kemijski proces koji se odvija na visokim temperaturama, uslijed čega se ugljični kostur molekula alkana raspada uz nastanak molekula alkena i alkana niže molekularne težine u odnosu na originalne alkane. na primjer:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH=CH 2
Krekiranje može biti termičko ili katalitičko. Za izvođenje katalitičkog krekinga, zahvaljujući upotrebi katalizatora, koriste se znatno niže temperature u odnosu na termički kreking.
Dehidrogenacija
Eliminacija vodonika nastaje kao rezultat cijepanja C-H veza; izvode se u prisustvu katalizatora na povišenim temperaturama. Kada se metan dehidrogenira, nastaje acetilen:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Zagrijavanje metana na 1200 °C dovodi do njegovog razlaganja na jednostavne tvari:
CH 4 → C + 2H 2
Kada se preostali alkani dehidrogeniraju, nastaju alkeni:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Prilikom dehidrogeniranja n-nastaju butan, buten-1 i buten-2 (potonji u obliku cis- I trans-izomeri):
Dehidrociklizacija
Izomerizacija
Hemijska svojstva cikloalkana
Hemijska svojstva cikloalkana s više od četiri atoma ugljika u svojim prstenovima su, općenito, gotovo identična svojstvima alkana. Čudno je da ciklopropan i ciklobutan karakteriziraju reakcije adicije. To je zbog visoke napetosti unutar ciklusa, što dovodi do činjenice da ovi ciklusi imaju tendenciju prekida. Tako ciklopropan i ciklobutan lako dodaju brom, vodonik ili klorovodik:
Hemijska svojstva alkena
1. Reakcije sabiranja
Budući da se dvostruka veza u molekulima alkena sastoji od jedne jake sigma i jedne slabe pi veze, oni su prilično aktivni spojevi koji lako prolaze kroz reakcije adicije. Alkeni često prolaze kroz takve reakcije čak i u blagim uslovima - na hladnoći, u vodenim rastvorima i organskim rastvaračima.
Hidrogenacija alkena
Alkeni su sposobni da dodaju vodonik u prisustvu katalizatora (platina, paladijum, nikl):
CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Hidrogenacija alkena se odvija lako čak i pri normalnom pritisku i blagom zagrijavanju. Zanimljiva je činjenica da se isti katalizatori mogu koristiti za dehidrogenaciju alkana u alkene, samo što se proces dehidrogenacije odvija na višoj temperaturi i nižem pritisku.
Halogenacija
Alkeni lako prolaze kroz reakcije adicije sa bromom i u vodenom rastvoru i u organskim rastvaračima. Kao rezultat interakcije, prvobitno žute otopine broma gube boju, tj. obezbojeni.
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hidrohalogenacija
Kao što je lako vidjeti, dodavanje halogenovodonika molekuli nesimetričnog alkena bi, teoretski, trebalo dovesti do mješavine dva izomera. Na primjer, kada se bromovodonik doda propenu, trebali bi se dobiti sljedeći proizvodi:
Međutim, u nedostatku specifičnih uslova (na primjer, prisutnost peroksida u reakcijskoj smjesi), dodavanje molekule halogen vodika će se dogoditi striktno selektivno u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Dodavanje halogenvodika alkenu se događa na način da se atomu ugljika s većim brojem atoma vodika (više hidrogeniranim) dodaje vodik, a atomu ugljika s manjim brojem vodika dodaje se halogen. atomi (manje hidrogenirani).
Hidratacija
Ova reakcija dovodi do stvaranja alkohola, a također se odvija u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Kao što možete lako pretpostaviti, zbog činjenice da se dodavanje vode molekuli alkena odvija prema Markovnikovom pravilu, formiranje primarnog alkohola moguće je samo u slučaju hidratacije etilena:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
Upravo kroz ovu reakciju najveći dio etilnog alkohola se provodi u velikoj industriji.
Polimerizacija
Specifičan slučaj reakcije adicije je reakcija polimerizacije koja se, za razliku od halogenacije, hidrohalogenacije i hidratacije, odvija mehanizmom slobodnih radikala:
Reakcije oksidacije
Kao i svi drugi ugljikovodici, alkeni lako sagorevaju u kisiku i stvaraju ugljični dioksid i vodu. Jednačina za sagorijevanje alkena u višku kisika ima oblik:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Za razliku od alkana, alkeni se lako oksidiraju. Kada su alkeni izloženi vodenom rastvoru KMnO 4, dolazi do promene boje, što je kvalitativna reakcija na dvostruke i trostruke CC veze u molekulima organskih supstanci.
Oksidacija alkena kalijevim permanganatom u neutralnoj ili slabo alkalnoj otopini dovodi do stvaranja diola (dihidričnih alkohola):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (hlađenje)
U kiseloj sredini, dvostruka veza je potpuno prekinuta i atomi ugljika koji su formirali dvostruku vezu pretvaraju se u karboksilne grupe:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (zagrijavanje)
Ako se dvostruka C=C veza nalazi na kraju molekule alkena, tada nastaje ugljični dioksid kao produkt oksidacije najudaljenijeg atoma ugljika na dvostrukoj vezi. To je zbog činjenice da se međuprodukt oksidacije, mravlja kiselina, lako oksidira u višku oksidacijskog sredstva:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (grijanje)
Oksidacija alkena u kojoj C atom na dvostrukoj vezi sadrži dva ugljikovodična supstituenta proizvodi keton. Na primjer, oksidacija 2-metilbutena-2 proizvodi aceton i octenu kiselinu.
Oksidacija alkena, u kojoj se ugljični kostur razbije na dvostrukoj vezi, koristi se za određivanje njihove strukture.
Hemijska svojstva alkadiena
Reakcije sabiranja
Na primjer, dodavanje halogena:
Bromna voda postaje bezbojna.
U normalnim uvjetima, dodavanje atoma halogena događa se na krajevima molekule 1,3-butadiena, dok se π-veze prekidaju, atomi broma se dodaju najudaljenijim atomima ugljika, a slobodne valencije formiraju novu π-vezu . Tako dolazi do „kretanja“ dvostruke veze. Ako postoji višak broma, može se dodati još jedan molekul na mjesto formirane dvostruke veze.
Reakcije polimerizacije
Hemijska svojstva alkina
Alkini su nezasićeni (nezasićeni) ugljovodonici i stoga su sposobni da prolaze kroz reakcije adicije. Među reakcijama adicije za alkine, elektrofilna adicija je najčešća.
Halogenacija
Budući da se trostruka veza alkinskih molekula sastoji od jedne jače sigma veze i dvije slabije pi veze, one su u stanju da vežu jedan ili dva molekula halogena. Dodavanje dva molekula halogena jednoj molekuli alkina odvija se kroz elektrofilni mehanizam uzastopno u dva stupnja:
Hidrohalogenacija
Dodavanje molekula halogenovodonika također se odvija putem elektrofilnog mehanizma i to u dva stupnja. U obje faze, pristupanje se odvija u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Hidratacija
Dodavanje vode alkinima događa se u prisustvu ruti soli u kiseloj sredini i naziva se reakcija Kučerova.
Kao rezultat hidratacije, dodavanjem vode acetilenu nastaje acetaldehid (octeni aldehid):
Za homologe acetilena, dodavanje vode dovodi do stvaranja ketona:
Hidrogenacija alkina
Alkini reaguju sa vodonikom u dva koraka. Metali poput platine, paladijuma i nikla koriste se kao katalizatori:
Trimerizacija alkina
Kada se acetilen prebacuje preko aktivnog ugljena na visokoj temperaturi, iz njega nastaje mješavina raznih proizvoda, od kojih je glavni benzen, produkt trimerizacije acetilena:
Dimerizacija alkina
Acetilen također prolazi kroz reakciju dimerizacije. Proces se odvija u prisustvu soli bakra kao katalizatora:
Alkinska oksidacija
Alkini sagorevaju u kiseoniku:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O
Reakcija alkina sa bazama
Alkini sa trostrukim C≡C na kraju molekula, za razliku od drugih alkina, mogu da uđu u reakcije u kojima se atom vodonika na trostrukoj vezi zamenjuje metalom. Na primjer, acetilen reagira s natrijevim amidom u tekućem amonijaku:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,
a također i s otopinom srebrnog oksida amonijaka, tvoreći nerastvorljive tvari slične solima zvane acetilenidi:
Zahvaljujući ovoj reakciji moguće je prepoznati alkine sa terminalnom trostrukom vezom, kao i izolovati takav alkin iz mješavine s drugim alkinima.
Treba napomenuti da su svi acetilenidi srebra i bakra eksplozivne tvari.
Acetilenidi su sposobni da reaguju sa halogenim derivatima, što se koristi u sintezi složenijih organskih jedinjenja sa trostrukom vezom:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH 3 -C≡CNa + CH 3 Br → CH 3 -C≡C-CH 3 + NaBr
Hemijska svojstva aromatičnih ugljovodonika
Aromatična priroda veze utiče na hemijska svojstva benzena i drugih aromatičnih ugljovodonika.
Jedinstveni 6pi elektronski sistem je mnogo stabilniji od običnih pi veza. Stoga su reakcije supstitucije prije nego reakcije adicije tipičnije za aromatične ugljikovodike. Areni se podvrgavaju reakcijama supstitucije putem elektrofilnog mehanizma.
Reakcije supstitucije
Halogenacija
Nitracija
Reakcija nitriranja najbolje se odvija pod utjecajem ne čiste dušične kiseline, već njene mješavine s koncentriranom sumpornom kiselinom, tzv.
Alkilacija
Reakcija u kojoj je jedan od atoma vodika u aromatičnom prstenu zamijenjen ugljikovodičnim radikalom:
Alkeni se također mogu koristiti umjesto halogeniranih alkana. Kao katalizatori mogu se koristiti aluminijum halogenidi, feri halogenidi ili neorganske kiseline.<
Reakcije sabiranja
Hidrogenacija
Dodatak hlora
Nastavlja se preko radikalnog mehanizma nakon intenzivnog zračenja ultraljubičastom svjetlošću:
Slična reakcija se može dogoditi samo s hlorom.
Reakcije oksidacije
Sagorevanje
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Nepotpuna oksidacija
Benzenski prsten je otporan na oksidirajuća sredstva kao što su KMnO 4 i K 2 Cr 2 O 7 . Nema reakcije.
Supstituenti na benzenskom prstenu podijeljeni su u dvije vrste:
Razmotrimo hemijska svojstva homologa benzena koristeći toluen kao primjer.
Hemijska svojstva toluena
Halogenacija
Može se smatrati da se molekul toluena sastoji od fragmenata molekula benzena i metana. Stoga je logično pretpostaviti da bi hemijska svojstva toluena u određenoj mjeri trebala kombinovati hemijska svojstva ove dvije supstance odvojene. To je često ono što se uočava tokom njegovog halogeniranja. Već znamo da benzen prolazi reakciju supstitucije sa hlorom putem elektrofilnog mehanizma, a za izvođenje te reakcije potrebno je koristiti katalizatore (aluminijum ili feri halogenide). U isto vrijeme, metan također može reagirati sa hlorom, ali putem mehanizma slobodnih radikala, što zahtijeva zračenje početne reakcione smjese UV svjetlom. Toluen, u zavisnosti od uslova pod kojima je podvrgnut hloriranju, može dati ili proizvode supstitucije atoma vodika u benzenskom prstenu - za to morate koristiti iste uslove kao za hloriranje benzena, ili proizvode supstitucije vodika atomi u metil radikalu, ako jeste, kako klor djeluje na metan pod ultraljubičastim zračenjem:
Kao što možete vidjeti, hloriranje toluena u prisustvu aluminij hlorida dovelo je do dva različita proizvoda - orto- i para-klorotoluena. To je zbog činjenice da je metilni radikal supstituent prve vrste.
Ako se kloriranje toluena u prisustvu AlCl 3 vrši u višku klora, moguće je stvaranje trikloro supstituiranog toluena:
Slično, kada se toluen klorira na svjetlu pri većem omjeru hlor/toluen, može se dobiti diklorometilbenzen ili triklorometilbenzen:
Nitracija
Zamjena atoma vodika s nitro grupom tokom nitriranja toluena mješavinom koncentriranih dušičnih i sumpornih kiselina dovodi do supstitucijskih proizvoda u aromatičnom prstenu, a ne metil radikalu:
Alkilacija
Kao što je već spomenuto, metilni radikal je orijentaciono sredstvo prve vrste, pa njegova alkilacija prema Friedel-Craftsu dovodi do supstitucijskih proizvoda u orto i para pozicijama:
Reakcije sabiranja
Toluen se može hidrogenirati u metilcikloheksan pomoću metalnih katalizatora (Pt, Pd, Ni):
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
Nepotpuna oksidacija
Kada je izložen oksidirajućem agensu kao što je vodeni rastvor kalijum permanganata, bočni lanac prolazi kroz oksidaciju. Aromatično jezgro ne može oksidirati u takvim uvjetima. U tom slučaju, ovisno o pH otopine, formirat će se ili karboksilna kiselina ili njena sol.