Struktur von Alkanen

Alkane sind Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verbunden sind und die der allgemeinen Formel entsprechen C n H 2n+2. In Alkanmolekülen befinden sich alle Kohlenstoffatome im Zustand sp 3 -Hybridisierung.

Das bedeutet, dass alle vier Hybridorbitale des Kohlenstoffatoms in Form und Energie identisch sind und auf die Ecken einer gleichseitigen dreieckigen Pyramide gerichtet sind – Tetraeder. Die Winkel zwischen den Orbitalen betragen 109° 28′. Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation möglich, und Alkanmoleküle können eine Vielzahl von Formen annehmen, wobei die Winkel an den Kohlenstoffatomen nahezu tetraedrisch sind (109° 28′), beispielsweise im n-Pentanmolekül.

Besonders erwähnenswert sind die Bindungen in Alkanmolekülen. Alle Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe sind einfach. Die Überlappung erfolgt entlang der Achse, die die Atomkerne verbindet, d.h. es σ-Bindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind unpolar und schlecht polarisierbar. Die Länge der C-C-Bindung in Alkanen beträgt 0,154 nm (1,54 · 10 · 10 m). C-H-Bindungen sind etwas kürzer. Die Elektronendichte ist leicht in Richtung des elektronegativeren Kohlenstoffatoms, also der C-H-Bindung, verschoben schwach polar.

Homologe Reihe von Methan

Homologe- Stoffe, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich in unterscheiden eine oder mehrere CH-Gruppen 2 .

Gesättigte Kohlenwasserstoffe bilden die homologe Reihe von Methan.

Isomerie und Nomenklatur von Alkanen

Alkane zeichnen sich durch die sogenannten aus Strukturisomerie. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Butan.

Betrachten wir die grundlegende Nomenklatur für Alkane genauer IUPAC.

1. Auswahl des Hauptstromkreises. Die Namensbildung eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette – der längsten Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül, die sozusagen seine Grundlage bildet.

2. Nummerierung der Hauptkettenatome. Den Atomen der Hauptkette werden Nummern zugeordnet. Die Nummerierung der Atome der Hauptkette beginnt an dem Ende, dem der Substituent am nächsten ist (Strukturen A, B). Befinden sich die Substituenten in gleichem Abstand vom Kettenende, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sich mehr davon befinden (Struktur B). Befinden sich unterschiedliche Substituenten in gleichem Abstand von den Enden der Kette, beginnt die Nummerierung an dem Ende, dem der ältere Substituent am nächsten liegt (Struktur D). Der Rang von Kohlenwasserstoffsubstituenten wird durch die Reihenfolge bestimmt, in der der Buchstabe, mit dem ihr Name beginnt, im Alphabet erscheint: Methyl (-CH 3), dann Propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), Ethyl (-CH 2). -CH 3 ) usw.

Bitte beachten Sie, dass der Name des Substituenten durch Ersetzen des Suffixes -ane durch das Suffix -yl im Namen des entsprechenden Alkans gebildet wird.

3. Bildung des Namens. Am Anfang des Namens stehen Zahlen – die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Wenn an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden sind, wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal durch ein Komma getrennt wiederholt (2,2-). Nach der Zahl gibt ein Bindestrich die Anzahl der Substituenten (di – zwei, drei – drei, tetra – vier, penta – fünf) und den Namen des Substituenten (Methyl, Ethyl, Propyl) an. Dann, ohne Leerzeichen oder Bindestriche, der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet – ein Mitglied der homologen Reihe von Methan (Methan, Ethan, Propan usw.).

Die Namen der Stoffe, deren Strukturformeln oben angegeben sind, lauten wie folgt:

Struktur A: 2-Methylpropan;

Struktur B: 3-Ethylhexan;

Struktur B: 2,2,4-Trimethylpentan;

Struktur D: 2-Methyl-4-ethylhexan.

Fehlen gesättigter Kohlenwasserstoffe in Molekülen polare Bindungen führt zu ihnen schlecht wasserlöslich, interagieren nicht mit geladenen Teilchen (Ionen). Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind solche mit freie Radikale.

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste davon ist Methan – ein farbloses, geschmacks- und geruchloses Gas (der Geruch von „Gas“, bei dessen Wahrnehmung man 04 nennen muss, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt – schwefelhaltigen Verbindungen, die speziell dem im Haushalt verwendeten Methan zugesetzt werden und Industriegasgeräte, damit Personen, die sich in der Nähe befinden, das Leck anhand des Geruchs erkennen können).

Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung aus MIT 5 N 12 Zu MIT 15 N 32 - Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen mit zunehmender Länge der Kohlenstoffkette allmählich an. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich; flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Substitutionsreaktionen.

Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind Substitution freier Radikale, bei dem ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine Gruppe ersetzt wird.

Stellen wir die charakteristischen Gleichungen vor Halogenierungsreaktionen:

Bei einem Überschuss an Halogen kann die Chlorierung noch weiter gehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor:

Die dabei entstehenden Stoffe werden häufig als Lösungsmittel und Ausgangsstoffe in organischen Synthesen verwendet.

Dehydrierungsreaktion(Wasserstoffabstraktion).

Wenn Alkane bei hohen Temperaturen (400–600 °C) über einen Katalysator (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) geleitet werden, wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und a Alken:

Reaktionen, die mit der Zerstörung der Kohlenstoffkette einhergehen. Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe brennen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren.

1. Verbrennung gesättigter Kohlenwasserstoffe ist eine exotherme Reaktion freier Radikale, die bei der Verwendung von Alkanen als Kraftstoff sehr wichtig ist:

Im Allgemeinen kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:

2. Thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen.

Der Ablauf erfolgt gem Mechanismus freier Radikale. Eine Temperaturerhöhung führt zur homolytischen Spaltung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale.

Diese Radikale interagieren miteinander und tauschen ein Wasserstoffatom aus, um ein Molekül zu bilden Alkan- und Alkenmolekül:

Dem industriellen Prozess liegen thermische Zersetzungsreaktionen zugrunde – Cracken von Kohlenwasserstoffen. Dieser Prozess ist der wichtigste Schritt der Ölraffinierung.

3. Pyrolyse. Wenn Methan auf eine Temperatur von 1000 °C erhitzt wird, Methanpyrolyse- Zersetzung in einfache Stoffe:

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 1500 °C erfolgt die Bildung von Acetylen:

4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtes Kohlenstoffgerüst:

5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette cyclisieren in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten:

Alkane gehen Reaktionen ein, die über den Mechanismus freier Radikale ablaufen, da sich alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung befinden. Die Moleküle dieser Substanzen werden aus kovalenten unpolaren C-C-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren C-H-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie enthalten keine Bereiche mit erhöhter oder verringerter Elektronendichte, also leicht polarisierbare Bindungen, also solche Bindungen, bei denen sich die Elektronendichte unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Ionenfelder) verschieben kann. Folglich reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, da die Bindungen in Alkanmolekülen nicht durch den heterolytischen Mechanismus aufgebrochen werden.

Struktur von Alkanen

Die chemische Struktur (die Reihenfolge der Verbindungen von Atomen in Molekülen) der einfachsten Alkane – Methan, Ethan und Propan – wird durch ihre in Abschnitt 2 angegebenen Strukturformeln dargestellt. Aus diesen Formeln geht klar hervor, dass es zwei Arten chemischer Bindungen gibt Alkane:

S–S und S–N.

Die CC-Bindung ist kovalent unpolar. Die CH-Bindung ist kovalent, schwach polar, weil Kohlenstoff und Wasserstoff liegen in der Elektronegativität nahe beieinander (2,5 für Kohlenstoff und 2,1 für Wasserstoff). Die Bildung kovalenter Bindungen in Alkanen aufgrund gemeinsamer Elektronenpaare von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen kann mithilfe elektronischer Formeln dargestellt werden:

Elektronische und Strukturformeln spiegeln die chemische Struktur wider, geben jedoch keine Vorstellung von der räumlichen Struktur von Molekülen, die die Eigenschaften des Stoffes maßgeblich beeinflusst.

Raumstruktur, d.h. Die relative Anordnung der Atome eines Moleküls im Raum hängt von der Richtung der Atomorbitale (AO) dieser Atome ab. Bei Kohlenwasserstoffen spielt die räumliche Orientierung der Atomorbitale des Kohlenstoffs die Hauptrolle, da dem sphärischen 1s-AO des Wasserstoffatoms eine spezifische Orientierung fehlt.

Die räumliche Anordnung von Kohlenstoff-AO wiederum hängt von der Art seiner Hybridisierung ab (Teil I, Abschnitt 4.3). Das gesättigte Kohlenstoffatom in Alkanen ist an vier weitere Atome gebunden. Daher entspricht sein Zustand der sp3-Hybridisierung (Teil I, Abschnitt 4.3.1). In diesem Fall nimmt jedes der vier sp3-Hybrid-Kohlenstoff-AOs an einer axialen (σ-)Überlappung mit dem s-AO von Wasserstoff oder mit dem sp3-AO eines anderen Kohlenstoffatoms teil und bildet σ-CH- oder C-C-Bindungen.

Die vier σ-Bindungen des Kohlenstoffs sind im Raum in einem Winkel von 109°28" ausgerichtet, was der geringsten Abstoßung der Elektronen entspricht. Daher hat das Molekül des einfachsten Vertreters der Alkane – Methan CH4 – die Form eines Tetraeders, in der Mitte befindet sich ein Kohlenstoffatom und an den Spitzen befinden sich Wasserstoffatome:

Der H-C-H-Bindungswinkel beträgt 109°28". Die räumliche Struktur von Methan kann mithilfe volumetrischer (Maßstabs-) und Kugel-Stab-Modelle dargestellt werden.

Für die Aufzeichnung ist es zweckmäßig, eine räumliche (stereochemische) Formel zu verwenden.

Im Molekül des nächsten Homologen, Ethan C2H6, bilden zwei tetraedrische sp3-Kohlenstoffatome eine komplexere räumliche Struktur:

Alkanmoleküle mit mehr als 2 Kohlenstoffatomen zeichnen sich durch gekrümmte Formen aus. Dies lässt sich am Beispiel von n-Butan (VRML-Modell) oder n-Pentan zeigen:

Isomerie von Alkanen

Unter Isomerie versteht man das Phänomen der Existenz von Verbindungen gleicher Zusammensetzung (gleicher Summenformel), aber unterschiedlicher Struktur. Solche Verbindungen heißen Isomere.

Unterschiede in der Reihenfolge, in der Atome in Molekülen kombiniert sind (d. h. in der chemischen Struktur), führen dazu Strukturisomerie. Die Struktur von Strukturisomeren wird durch Strukturformeln widergespiegelt. In der Reihe der Alkane manifestiert sich Strukturisomerie, wenn die Kette 4 oder mehr Kohlenstoffatome enthält, d.h. beginnend mit Butan C 4 H 10. Wenn in Molekülen gleicher Zusammensetzung und gleicher chemischer Struktur unterschiedliche relative Positionen der Atome im Raum möglich sind, dann beobachten wir räumliche Isomerie (Stereoisomerie). In diesem Fall reicht die Verwendung von Strukturformeln nicht aus und es sollten molekulare Modelle oder spezielle Formeln – stereochemisch (räumlich) oder Projektion – verwendet werden.

Alkane, beginnend mit Ethan H 3 C–CH 3, existieren in verschiedenen räumlichen Formen ( Konformationen), verursacht durch intramolekulare Rotation entlang C-C-σ-Bindungen, und weisen das sogenannte auf Rotationsisomerie (Konformations-Isomerie)..

Wenn ein Molekül außerdem ein Kohlenstoffatom enthält, das an vier verschiedene Substituenten gebunden ist, ist eine andere Art der räumlichen Isomerie möglich, bei der zwei Stereoisomere sich wie ein Objekt und sein Spiegelbild zueinander verhalten (ähnlich wie die linke Hand sich auf die rechte bezieht). . Solche Unterschiede in der Struktur von Molekülen nennt man optische Isomerie.

. Strukturisomerie von Alkanen

Strukturisomere sind Verbindungen gleicher Zusammensetzung, die sich in der Bindungsreihenfolge der Atome unterscheiden, d.h. chemische Struktur von Molekülen.

Der Grund für die Manifestation der Strukturisomerie in der Reihe der Alkane ist die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, Ketten unterschiedlicher Struktur zu bilden Isomerie des Kohlenstoffgerüsts.

Beispielsweise kann ein Alkan der Zusammensetzung C 4 H 10 in der Form vorliegen zwei Strukturisomere:

und Alkan C 5 H 12 - in der Form drei Strukturisomere, die sich in der Struktur der Kohlenstoffkette unterscheiden:

Mit zunehmender Anzahl an Kohlenstoffatomen in den Molekülen nehmen die Möglichkeiten zur Kettenverzweigung zu, d.h. Die Zahl der Isomere nimmt mit der Zahl der Kohlenstoffatome zu.

Strukturisomere unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften. Alkane mit verzweigter Struktur sieden aufgrund der weniger dichten Molekülpackung und dementsprechend geringeren intermolekularen Wechselwirkungen bei einer niedrigeren Temperatur als ihre unverzweigten Isomere.

Techniken zur Konstruktion von Strukturformeln von Isomeren

Schauen wir uns das Beispiel eines Alkans an MIT 6 N 14 .

1. Zunächst stellen wir das lineare Isomermolekül (sein Kohlenstoffgerüst) dar.

2. Dann verkürzen wir die Kette um 1 Kohlenstoffatom und hängen dieses Atom als Zweig an ein beliebiges Kohlenstoffatom der Kette an, mit Ausnahme extremer Positionen:

(2) oder (3)

Wenn Sie ein Kohlenstoffatom an einer der Extrempositionen anbringen, ändert sich die chemische Struktur der Kette nicht:

Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass es keine Wiederholungen gibt. Somit ist die Struktur identisch mit Struktur (2).

3. Wenn alle Positionen der Hauptkette erschöpft sind, verkürzen wir die Kette um ein weiteres Kohlenstoffatom:

Jetzt befinden sich in den Seitenzweigen 2 Kohlenstoffatome. Dabei sind folgende Atomkombinationen möglich:

Ein Seitensubstituent kann aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Kohlenstoffatomen bestehen, aber für Hexan gibt es keine Isomere mit solchen Seitenzweigen und die Struktur ist identisch mit Struktur (3).

Der Nebensubstituent - C-C - kann nur in einer Kette mit mindestens 5 Kohlenstoffatomen platziert werden und kann nur an das 3. und weitere Atom vom Ende der Kette gebunden werden.

4. Nach dem Aufbau des Kohlenstoffgerüsts des Isomers ist es notwendig, alle Kohlenstoffatome im Molekül durch Wasserstoffbrückenbindungen zu ergänzen, da Kohlenstoff vierwertig ist.

Also die Zusammensetzung MIT 6 N 14 entspricht 5 Isomeren: 1) 2) 3) 4) 5)

Bei der Reformierung unterliegen Alkane einer Isomerisierung, Dehydrocyclisierung und Hydrocracken.

Die Isomerisierung von Alkanen erfolgt über den Carbokation-Mechanismus unter Bildung leicht verzweigter Isomere, die unter Reformierungsbedingungen thermodynamisch am stabilsten sind. Die Isomerisierungsgeschwindigkeit nimmt mit steigendem Molekulargewicht des Alkans zu.

Die Dehydrocyclisierung ist eine der wichtigsten Reformierungsreaktionen, bei der Alkane in Arene umgewandelt werden:

Die Dehydrocyclisierung erfolgt unter Wärmeaufnahme (ca. 250 kJ/mol), daher steigt die Gleichgewichtskonstante der Reaktion mit steigender Temperatur. Der Druck verschiebt das Gleichgewicht der Reaktion nach links, also in Richtung der Hydrierung von Arenen. Um Koksablagerungen auf dem Katalysator zu reduzieren, wird der Prozess jedoch in der Praxis unter erhöhtem Wasserstoffdruck durchgeführt. Bei einer Temperatur von 500 °C und einem Wasserstoffdruck von 1,5–1,7 MPa beträgt der Gleichgewichtsgrad der Umwandlung von n-Heptan zu Toluol 95 %.

Der Mechanismus der Aromatisierung von Alkanen ist nicht vollständig geklärt. Folgende Wege sind möglich:

Dehydrierung von Alkanen auf Platin zu Trien mit anschließender Cyclisierung auf Platin oder Aluminiumoxid:

C5-Cyclisierung an Platin über einen cyclischen Übergangskomplex

Dehydrierung von Alkanen zu Alkenen an Platin und Cyclisierung von Alkenen an Aluminiumoxid, ebenfalls unter Bildung eines Fünfrings. Die Reaktion verläuft nach einem konzertierten Mechanismus, der die Protonierung der Doppelbindung durch die Säurestelle und die gleichzeitige Abstraktion eines Protons von einem Kohlenstoffatom in der Kette beinhaltet:

Die resultierenden fünfgliedrigen Ringe werden an sauren Stellen zu sechsgliedrigen Ringen isomerisiert und dann am Metall zu Arenen dehydriert.

Experimentelle Daten deuten darauf hin, dass die Aromatisierung in alle betrachteten Richtungen erfolgt.

Wenn das ursprüngliche Alkan weniger als sechs Kohlenstoffatome in der Hauptkette enthält, geht der Aromatisierung eine Isomerisierung des Alkans mit Verlängerung der Hauptkette voraus. Die Aromatisierungsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Alkankettenlänge zu. Alkane mit zehn oder mehr Kohlenstoffatomen bilden Arene mit kondensierten Ringen. Arenen mit ausreichend langen Seitenketten können zusätzliche Schleifen absolvieren:

Durch die Dehydrocyclisierung von Alkanen entstehen Homologe von Benzol und Naphthalin mit dem maximalen Gehalt an Methylsubstituenten im Kern, der durch die Struktur des ursprünglichen Alkans ermöglicht wird.

Beim Hydrocracken von Alkanen entstehen niedermolekulare Verbindungen:

Die Rolle des Hydrocrackens im Reformierungsprozess ist nicht klar. Einerseits führt eine Abnahme des Molekulargewichts von Alkanen zu einer Erhöhung der Oktanzahl, andererseits entsteht durch das Hydrocracken eine erhebliche Menge gasförmiger Produkte, was die Benzinausbeute verringert. Daher sollte die Rolle des Hydrocrackens begrenzt sein. Nachfolgend sind die Ergebnisse der Reformierung von n-Hexan in Abhängigkeit von der Temperatur bei 0,7 MPa und der volumetrischen Zufuhrrate von 2 h-1 aufgeführt:

4740С5000С5250СUmwandlungsgrad, %80.286.690,4 Ausbeute pro umgewandeltem Alkan, % (mol.) Arene (Benzol) 16.624.127,4 Isomerisierungsprodukte 58.036.923,4 Hydrocrackprodukte 25.038.049,0

Um die Rolle des Hydrocrackens zu verringern, empfiehlt es sich, den Prozess bei möglichst niedrigem Druck durchzuführen, was gleichzeitig zu einer Erhöhung der Gleichgewichtsausbeute an Arenen führt. Ergebnisse der n-Nonan-Reformierung bei einer Temperatur von 510 °C, einer Raumgeschwindigkeit von 1,5 h-1 und verschiedenen Drücken (in % des ursprünglichen Nonans):

0,7 MPa2,1 MPaC1-C410.521,5Nicht aromatisch C5 und höher19.020,0Arenen: C6 C7 C8 C9 1,6 3,1 6,2 54,6 2,0 5,8 10,1 36,4

Umwandlung von Cycloalkanen

Unter Reformierungsbedingungen unterliegen Cycloalkane auch einer Isomerisierung, einer Dehydrierung zu Arenen und einem Hydrocracken.

Sechsgliedrige Cycloalkane isomerisieren durch den Carbokation-Mechanismus zu fünfgliedrigen:

Die Selektivität der Umwandlung von Cyclohexan zu Methylcyclopentan und Benzol wird letztlich durch das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten bestimmt und hängt von der Aktivität der Katalysatorkomponenten ab. Die Isomerisierung erfolgt an sauren Stellen gemäß dem Carbokation-Mechanismus, daher steigt mit hoher Acidität des Katalysators die Ausbeute an Methylcyclopentan. Die Dehydrierung findet an der Metallkomponente des Katalysators statt und mit zunehmender Aktivität des Metalls nimmt die Geschwindigkeit der Benzolbildung zu. Die Adsorption eines sechsgliedrigen Cycloalkans an einem Metall kann entweder mit der gleichzeitigen Dissoziation von sechs C-H-Bindungen oder der sequenziellen schnellen Eliminierung von Wasserstoffatomen einhergehen:

Die Reaktion ist endotherm, daher steigt mit steigender Temperatur die Gleichgewichtsausbeute an Arenen.

Bicyclische sechsgliedrige Cycloalkane dehydrieren genauso leicht wie monocyclische und bilden Naphthalinderivate.

Das Hydrocracken von sechsgliedrigen Cycloalkanen erfolgt in geringem Umfang nach dem für Alkane beschriebenen Schema. Unter Reformierungsbedingungen ist die Geschwindigkeit der Dehydrierung von sechsgliedrigen Cycloalkanen zu Arenen deutlich höher als die Geschwindigkeit anderer Reaktionen (Isomerisierung zu fünfgliedrigen und Hydrocracken). Daher beträgt die Selektivität der Umwandlung von Cycloalkanen in Arene nahezu 100 %.

Fünfgliedrige substituierte Cycloalkane gehen unter Reformierungsbedingungen folgende Reaktionen ein:

Isomerisierung nach Position der Substituenten (über intermediäre Carbokationen):

Dehydroisomerisierung:

Die erste Reaktion findet an den sauren Stellen des Katalysators statt, die zweite an den Metallstellen. Die Benzolausbeute steigt mit steigender Temperatur und sinkendem Druck. Bei einer Temperatur von 500 °C führt ein Druckabfall von 3,6 auf 1,5 MPa zu einer Steigerung der Benzolausbeute von 45 auf 90 % (Gew.). Eine Dehydrierung von Cyclopentan zu Cyclopenten und Cyclopentadien findet praktisch nicht statt, da die Geschwindigkeit dieser Reaktion viel geringer ist als die Geschwindigkeit der Dehydroisomerisierung. Cyclopentadien wird stark am Metall adsorbiert und vergiftet den Katalysator.

Ringöffnung (Hydrocracken):

Die relative Hydrogenolysegeschwindigkeit verschiedener C-C-Bindungen hängt von der Struktur des Ausgangskohlenwasserstoffs, den Eigenschaften des Katalysators und den Reaktionsbedingungen ab. An einem frischen Aluminiumoxid-Platin-Katalysator findet die Hydrogenolyse von Platin statt, und das Verhältnis der Produkte in den Reaktionen (1), (2) und (3) beträgt 2,4:2,1:1. Unter den Prozessbedingungen kommt es zu einer teilweisen Desaktivierung von Platin und die Hydrogenolyse schreitet an sauren Stellen gemäß dem Carbokation-Mechanismus weiter fort:

Das Hauptprodukt der Reaktion ist n-Hexan.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der Dehydroisomerisierung von Methylcyclopentanen ist höher als die der Isomerisierung und des Hydrocrackens, sodass die Benzolausbeute bei der Reformierung von Methylcyclopentan 60–70 % erreicht.

Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verbunden sind und die der allgemeinen Formel C n H 2 n +2 entsprechen.
In Alkanmolekülen befinden sich alle Kohlenstoffatome im Zustand der sp 3 -Hybridisierung. Das bedeutet, dass alle vier Hybridorbitale des Kohlenstoffatoms in Form und Energie identisch sind und auf die Ecken einer gleichseitigen dreieckigen Pyramide – eines Tetraeders – gerichtet sind. Die Winkel zwischen den Orbitalen betragen 109° 28′.

Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation möglich, und Alkanmoleküle können eine Vielzahl von Formen annehmen, wobei die Winkel an den Kohlenstoffatomen im Molekül beispielsweise nahezu tetraedrisch sind (109° 28′). N-Pentan.

Besonders erwähnenswert sind die Bindungen in Alkanmolekülen. Alle Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe sind einfach. Die Überlappung erfolgt entlang der Achse,
verbinden die Atomkerne, d. h. es handelt sich um σ-Bindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind unpolar und schlecht polarisierbar. Die Länge der C-C-Bindung in Alkanen beträgt 0,154 nm (1,54 · 10 - 10 m). C-H-Bindungen sind etwas kürzer. Die Elektronendichte ist leicht zum elektronegativeren Kohlenstoffatom hin verschoben, d. h. die C-H-Bindung ist schwach polar.

Das Fehlen polarer Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe führt dazu, dass diese in Wasser schlecht löslich sind und nicht mit geladenen Teilchen (Ionen) interagieren. Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind solche, an denen freie Radikale beteiligt sind.

Homologe Reihe von Methan

Homologe- Stoffe, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich durch eine oder mehrere CH 2 -Gruppen unterscheiden.

Isomerie und Nomenklatur

Alkane zeichnen sich durch die sogenannte Strukturisomerie aus. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Butan.

Nomenklatur-Grundlagen

1. Auswahl des Hauptstromkreises. Die Namensbildung eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette – der längsten Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül, die sozusagen seine Grundlage bildet.
2. Nummerierung der Atome der Hauptkette. Den Atomen der Hauptkette werden Nummern zugeordnet. Die Nummerierung der Atome der Hauptkette beginnt an dem Ende, dem der Substituent am nächsten liegt (Strukturen A, B). Befinden sich die Substituenten in gleichem Abstand vom Kettenende, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sich mehr davon befinden (Struktur B). Befinden sich unterschiedliche Substituenten in gleichem Abstand von den Enden der Kette, beginnt die Nummerierung an dem Ende, dem der ältere Substituent am nächsten liegt (Struktur D). Der Rang von Kohlenwasserstoffsubstituenten wird durch die Reihenfolge bestimmt, in der der Buchstabe, mit dem ihr Name beginnt, im Alphabet erscheint: Methyl (-CH 3), dann Ethyl (-CH 2 -CH 3), Propyl (-CH 2 -CH 2). -CH 3 ) usw.
Bitte beachten Sie, dass der Name des Substituenten durch Ersetzen des Suffixes -an durch das Suffix - gebildet wird. Schlick im Namen des entsprechenden Alkans.
3. Bildung des Namens. Am Anfang des Namens stehen Zahlen – die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Wenn an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden sind, wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal durch ein Komma getrennt wiederholt (2,2-). Nach der Zahl wird die Zahl der Substituenten mit einem Bindestrich angegeben ( di- zwei, drei- drei, Tetra- vier, Penta- fünf) und der Name des Substituenten (Methyl, Ethyl, Propyl). Dann, ohne Leerzeichen oder Bindestriche, der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet – ein Mitglied der homologen Reihe von Methan ( Methan CH 4, Ethan C 2 H 6, Propan C 3 H 8, C 4 H 10, Pentan C 5 H 12, Hexan C 6 H 14, Heptan C 7 H 16, Oktan C 8 H 18, Nonan S 9 H 20, Dean C 10 H 22).

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste davon ist Methan – ein farb-, geschmacks- und geruchloses Gas (der Geruch von „Gas“, bei dessen Wahrnehmung Sie 04 nennen müssen, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt – schwefelhaltigen Verbindungen, die speziell dem im Haushalt verwendeten Methan zugesetzt werden und Industriegasgeräte, damit Menschen in ihrer Nähe das Leck am Geruch erkennen können).
Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung C 4 H 12 bis C 15 H 32 sind Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen mit zunehmender Länge der Kohlenstoffkette allmählich an. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich; flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Substitutionsreaktionen.
Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind Substitutionsreaktionen freier Radikale, bei denen ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine Gruppe ersetzt wird. Stellen wir die Gleichungen charakteristischer Reaktionen vor Halogenierung:


Bei überschüssigem Halogen kann die Chlorierung weitergehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor:

Die dabei entstehenden Stoffe werden häufig als Lösungsmittel und Ausgangsstoffe in organischen Synthesen verwendet.
Dehydrierungsreaktion(Wasserstoffabstraktion).
Beim Leiten von Alkanen über einen Katalysator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) bei hohen Temperaturen (400-600 °C) wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und ein Alken gebildet:


Reaktionen, die mit der Zerstörung der Kohlenstoffkette einhergehen.
Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe verbrennen zu Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren.
1. Verbrennung gesättigter Kohlenwasserstoffe ist eine exotherme Reaktion freier Radikale, die bei der Verwendung von Alkanen als Kraftstoff sehr wichtig ist:

Im Allgemeinen kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:

2. Thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen.

Der Prozess erfolgt über einen Mechanismus freier Radikale. Eine Temperaturerhöhung führt zur homolytischen Spaltung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale.

Diese Radikale interagieren miteinander und tauschen ein Wasserstoffatom aus, um ein Alkanmolekül und ein Alkenmolekül zu bilden:

Dem industriellen Prozess der Kohlenwasserstoffspaltung liegen thermische Zersetzungsreaktionen zugrunde. Dieser Prozess ist der wichtigste Schritt der Ölraffinierung.

3. Pyrolyse. Wenn Methan auf eine Temperatur von 1000 °C erhitzt wird, beginnt die Methanpyrolyse – die Zersetzung in einfache Stoffe:

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 1500 °C ist die Bildung von Acetylen möglich:

4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst:

5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette cyclisieren in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten:

Alkane gehen Reaktionen ein, die nach dem Mechanismus freier Radikale ablaufen, da sich alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung befinden. Die Moleküle dieser Substanzen werden aus kovalenten unpolaren C-C-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren C-H-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie enthalten keine Bereiche mit erhöhter oder verringerter Elektronendichte, also leicht polarisierbare Bindungen, also solche Bindungen, bei denen sich die Elektronendichte unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Ionenfelder) verschieben kann. Folglich reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, da die Bindungen in Alkanmolekülen nicht durch den heterolytischen Mechanismus aufgebrochen werden.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Alkane (Paraffine) sind nichtzyklische Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen alle Kohlenstoffatome nur durch Einfachbindungen verbunden sind. Mit anderen Worten: In Alkanmolekülen gibt es keine Mehrfachbindungen – Doppel- oder Dreifachbindungen. Tatsächlich sind Alkane Kohlenwasserstoffe mit der größtmöglichen Anzahl an Wasserstoffatomen und werden daher als limitierend (gesättigt) bezeichnet.

Aufgrund der Sättigung können Alkane keine Additionsreaktionen eingehen.

Da Kohlenstoff- und Wasserstoffatome eine relativ ähnliche Elektronegativität aufweisen, führt dies dazu, dass die C-H-Bindungen in ihren Molekülen extrem niedrigpolar sind. In dieser Hinsicht sind für Alkane Reaktionen typischer, die über den radikalischen Substitutionsmechanismus ablaufen, der mit dem Symbol S R bezeichnet wird.

1. Substitutionsreaktionen

Bei Reaktionen dieser Art werden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufgebrochen

RH + XY → RX + HY

Halogenierung

Alkane reagieren mit Halogenen (Chlor und Brom), wenn sie ultraviolettem Licht oder starker Hitze ausgesetzt werden. Dabei entsteht eine Mischung aus Halogenderivaten mit unterschiedlichem Substitutionsgrad der Wasserstoffatome – Mono-, Ditri- usw. Halogensubstituierte Alkane.

Am Beispiel von Methan sieht das so aus:

Durch Veränderung des Halogen/Methan-Verhältnisses im Reaktionsgemisch kann sichergestellt werden, dass in der Zusammensetzung der Produkte ein bestimmtes Halogenderivat des Methans überwiegt.

Reaktionsmechanismus

Analysieren wir den Mechanismus der Substitutionsreaktion freier Radikale am Beispiel der Wechselwirkung von Methan und Chlor. Es besteht aus drei Phasen:

1. Initiierung (oder Kettenkeimbildung) ist der Prozess der Bildung freier Radikale unter dem Einfluss externer Energie – Bestrahlung mit UV-Licht oder Erhitzen. In diesem Stadium erfährt das Chlormolekül eine homolytische Spaltung der Cl-Cl-Bindung unter Bildung freier Radikale:

Freie Radikale sind, wie aus der obigen Abbildung ersichtlich, Atome oder Atomgruppen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen (Cl, H, CH 3, CH 2 usw.);

2. Kettenentwicklung

In dieser Phase kommt es zur Wechselwirkung aktiver freier Radikale mit inaktiven Molekülen. Dabei entstehen neue Radikale. Insbesondere wenn Chlorradikale auf Alkanmoleküle einwirken, entstehen ein Alkylradikal und Chlorwasserstoff. Das Alkylradikal wiederum bildet bei der Kollision mit Chlormolekülen ein Chlorderivat und ein neues Chlorradikal:

3) Unterbrechung (Tod) des Stromkreises:

Entsteht durch die Rekombination zweier Radikale miteinander zu inaktiven Molekülen:

2. Oxidationsreaktionen

Unter normalen Bedingungen sind Alkane gegenüber starken Oxidationsmitteln wie konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure, Kaliumpermanganat und Dichromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7) inert.

Verbrennung in Sauerstoff

A) vollständige Verbrennung mit überschüssigem Sauerstoff. Führt zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

B) unvollständige Verbrennung aufgrund von Sauerstoffmangel:

2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O

Katalytische Oxidation mit Sauerstoff

Durch Erhitzen von Alkanen mit Sauerstoff (~200 °C) in Gegenwart von Katalysatoren kann aus ihnen eine Vielzahl organischer Produkte gewonnen werden: Aldehyde, Ketone, Alkohole, Carbonsäuren.

Beispielsweise kann Methan je nach Art des Katalysators zu Methylalkohol, Formaldehyd oder Ameisensäure oxidiert werden:

3. Thermische Umwandlungen von Alkanen

Knacken

Cracken (aus dem Englischen zu crack – zu reißen) ist ein bei hohen Temperaturen ablaufender chemischer Prozess, bei dem das Kohlenstoffgerüst von Alkanmolekülen unter Bildung von Alkenmolekülen und Alkanen mit geringerem Molekulargewicht im Vergleich zu den ursprünglichen Alkanen zerfällt . Zum Beispiel:

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

Das Cracken kann thermisch oder katalytisch erfolgen. Beim katalytischen Cracken werden dank der Verwendung von Katalysatoren im Vergleich zum thermischen Cracken deutlich niedrigere Temperaturen verwendet.

Dehydrierung

Die Abspaltung von Wasserstoff erfolgt durch Spaltung von C-H-Bindungen; in Gegenwart von Katalysatoren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Bei der Dehydrierung von Methan entsteht Acetylen:

2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2

Beim Erhitzen von Methan auf 1200 °C zerfällt es in einfache Stoffe:

CH 4 → C + 2H 2

Bei der Dehydrierung der restlichen Alkane entstehen Alkene:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2

Beim Dehydrieren N Es entstehen -Butan, Buten-1 und Buten-2 (letzteres in der Form cis- Und Trance-Isomere):

Dehydrocyclisierung

Isomerisierung

Chemische Eigenschaften von Cycloalkanen

Die chemischen Eigenschaften von Cycloalkanen mit mehr als vier Kohlenstoffatomen in ihren Ringen sind im Allgemeinen nahezu identisch mit den Eigenschaften von Alkanen. Kurioserweise zeichnen sich Cyclopropan und Cyclobutan durch Additionsreaktionen aus. Dies liegt an der hohen Spannung innerhalb des Kreislaufs, die dazu führt, dass diese Zyklen dazu neigen, zu brechen. Cyclopropan und Cyclobutan fügen also leicht Brom, Wasserstoff oder Chlorwasserstoff hinzu:

Chemische Eigenschaften von Alkenen

1. Additionsreaktionen

Da die Doppelbindung in Alkenmolekülen aus einer starken Sigma- und einer schwachen Pi-Bindung besteht, handelt es sich um recht aktive Verbindungen, die leicht Additionsreaktionen eingehen. Alkene reagieren oft schon unter milden Bedingungen – in der Kälte, in wässrigen Lösungen und organischen Lösungsmitteln.

Hydrierung von Alkenen

Alkene sind in der Lage, in Gegenwart von Katalysatoren (Platin, Palladium, Nickel) Wasserstoff zu addieren:

CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3

Die Hydrierung von Alkenen gelingt auch bei Normaldruck und leichter Erwärmung problemlos. Eine interessante Tatsache ist, dass für die Dehydrierung von Alkanen zu Alkenen dieselben Katalysatoren verwendet werden können, nur dass der Dehydrierungsprozess bei einer höheren Temperatur und einem niedrigeren Druck stattfindet.

Halogenierung

Alkene gehen sowohl in wässriger Lösung als auch in organischen Lösungsmitteln leicht Additionsreaktionen mit Brom ein. Durch die Wechselwirkung verlieren zunächst gelbe Bromlösungen ihre Farbe, d.h. verfärben.

CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br

Hydrohalogenierung

Wie leicht zu erkennen ist, sollte die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Molekül eines unsymmetrischen Alkens theoretisch zu einer Mischung zweier Isomere führen. Wenn beispielsweise Bromwasserstoff zu Propen addiert wird, sollten die folgenden Produkte erhalten werden:

Ohne bestimmte Bedingungen (z. B. das Vorhandensein von Peroxiden in der Reaktionsmischung) erfolgt die Zugabe eines Halogenwasserstoffmoleküls jedoch streng selektiv gemäß der Markownikow-Regel:

Die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Alken erfolgt auf die Weise, dass ein Wasserstoff an ein Kohlenstoffatom mit einer größeren Anzahl an Wasserstoffatomen (stärker hydriert) und ein Halogen an ein Kohlenstoffatom mit einer geringeren Anzahl an Wasserstoffatomen angelagert wird Atome (weniger hydriert).

Flüssigkeitszufuhr

Diese Reaktion führt zur Bildung von Alkoholen und verläuft ebenfalls nach der Markownikow-Regel:

Wie Sie leicht erraten können, ist die Bildung eines primären Alkohols aufgrund der Tatsache, dass die Addition von Wasser an ein Alkenmolekül nach der Markownikow-Regel erfolgt, nur im Fall der Hydratisierung von Ethylen möglich:

CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

Durch diese Reaktion wird der Großteil des Ethylalkohols in der Großindustrie hergestellt.

Polymerisation

Ein spezieller Fall einer Additionsreaktion ist die Polymerisationsreaktion, die im Gegensatz zur Halogenierung, Hydrohalogenierung und Hydratation über den Mechanismus freier Radikale abläuft:

Oxidationsreaktionen

Wie alle anderen Kohlenwasserstoffe verbrennen Alkene leicht in Sauerstoff und bilden Kohlendioxid und Wasser. Die Gleichung für die Verbrennung von Alkenen im Sauerstoffüberschuss hat die Form:

C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O

Im Gegensatz zu Alkanen werden Alkene leicht oxidiert. Wenn Alkene einer wässrigen Lösung von KMnO 4 ausgesetzt werden, kommt es zu einer Verfärbung, die eine qualitative Reaktion auf Doppel- und Dreifach-CC-Bindungen in Molekülen organischer Substanzen darstellt.

Die Oxidation von Alkenen mit Kaliumpermanganat in neutraler oder leicht alkalischer Lösung führt zur Bildung von Diolen (zweiwertigen Alkoholen):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (Kühlung)

In einer sauren Umgebung wird die Doppelbindung vollständig aufgebrochen und die Kohlenstoffatome, die die Doppelbindung gebildet haben, werden in Carboxylgruppen umgewandelt:

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 (Heizung)

Befindet sich die C=C-Doppelbindung am Ende des Alkenmoleküls, entsteht Kohlendioxid als Produkt der Oxidation des äußersten Kohlenstoffatoms an der Doppelbindung. Dies liegt daran, dass das Zwischenoxidationsprodukt Ameisensäure in einem Überschuss an Oxidationsmittel leicht selbst oxidiert:

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 (Heizung)

Bei der Oxidation von Alkenen, bei denen das C-Atom an der Doppelbindung zwei Kohlenwasserstoffsubstituenten enthält, entsteht ein Keton. Beispielsweise entstehen bei der Oxidation von 2-Methylbuten-2 Aceton und Essigsäure.

Zur Strukturaufklärung dient die Oxidation von Alkenen, bei der das Kohlenstoffgerüst an der Doppelbindung aufgebrochen wird.

Chemische Eigenschaften von Alkadienen

Additionsreaktionen

Zum Beispiel der Zusatz von Halogenen:

Bromwasser verfärbt sich.

Unter normalen Bedingungen erfolgt die Addition von Halogenatomen an den Enden des 1,3-Butadienmoleküls, während die π-Bindungen aufgebrochen werden, Bromatome an die äußersten Kohlenstoffatome addiert werden und die freien Valenzen eine neue π-Bindung bilden . Es kommt also zu einer „Bewegung“ der Doppelbindung. Bei einem Überschuss an Brom kann an der Stelle der gebildeten Doppelbindung ein weiteres Molekül angelagert werden.

Polymerisationsreaktionen

Chemische Eigenschaften von Alkinen

Alkine sind ungesättigte (ungesättigte) Kohlenwasserstoffe und daher in der Lage, Additionsreaktionen einzugehen. Unter den Additionsreaktionen für Alkine ist die elektrophile Addition die häufigste.

Halogenierung

Da die Dreifachbindung von Alkinmolekülen aus einer stärkeren Sigma-Bindung und zwei schwächeren Pi-Bindungen besteht, sind sie in der Lage, entweder ein oder zwei Halogenmoleküle zu binden. Die Addition von zwei Halogenmolekülen durch ein Alkinmolekül erfolgt über einen elektrophilen Mechanismus nacheinander in zwei Stufen:

Hydrohalogenierung

Die Addition von Halogenwasserstoffmolekülen erfolgt ebenfalls über einen elektrophilen Mechanismus und in zwei Stufen. In beiden Phasen verläuft der Beitritt gemäß Markownikows Regel:

Flüssigkeitszufuhr

Die Addition von Wasser an Alkine erfolgt in Gegenwart von Ruti-Salzen in einem sauren Medium und wird als Kucherov-Reaktion bezeichnet.

Durch die Hydratation entsteht durch die Zugabe von Wasser zu Acetylen Acetaldehyd (essigsäurehaltiger Aldehyd):

Bei Acetylenhomologen führt die Zugabe von Wasser zur Bildung von Ketonen:

Hydrierung von Alkinen

Alkine reagieren mit Wasserstoff in zwei Schritten. Als Katalysatoren werden Metalle wie Platin, Palladium und Nickel verwendet:

Trimerisierung von Alkinen

Wenn Acetylen bei hoher Temperatur über Aktivkohle geleitet wird, entsteht daraus ein Gemisch verschiedener Produkte, von denen das wichtigste Benzol ist, ein Produkt der Acetylentrimerisierung:

Dimerisierung von Alkinen

Auch Acetylen unterliegt einer Dimerisierungsreaktion. Der Prozess findet in Gegenwart von Kupfersalzen als Katalysatoren statt:

Alkinoxidation

Alkine verbrennen in Sauerstoff:

C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O

Reaktion von Alkinen mit Basen

Alkine mit einem dreifachen C≡C am Ende des Moleküls sind im Gegensatz zu anderen Alkinen in der Lage, Reaktionen einzugehen, bei denen das Wasserstoffatom an der Dreifachbindung durch ein Metall ersetzt wird. Beispielsweise reagiert Acetylen mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,

und auch mit einer Ammoniaklösung von Silberoxid, wodurch unlösliche salzartige Substanzen namens Acetylenide entstehen:

Dank dieser Reaktion ist es möglich, Alkine mit einer terminalen Dreifachbindung zu erkennen und ein solches Alkin aus einer Mischung mit anderen Alkinen zu isolieren.

Es ist zu beachten, dass es sich bei allen Silber- und Kupferacetyleniden um explosive Stoffe handelt.

Acetylenide können mit Halogenderivaten reagieren, was bei der Synthese komplexerer organischer Verbindungen mit einer Dreifachbindung verwendet wird:

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

Chemische Eigenschaften aromatischer Kohlenwasserstoffe

Die aromatische Natur der Bindung beeinflusst die chemischen Eigenschaften von Benzolen und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen.

Das einheitliche 6pi-Elektronensystem ist viel stabiler als gewöhnliche Pi-Bindungen. Daher sind für aromatische Kohlenwasserstoffe eher Substitutionsreaktionen als Additionsreaktionen typisch. Arene durchlaufen Substitutionsreaktionen über einen elektrophilen Mechanismus.

Substitutionsreaktionen

Halogenierung

Nitrierung

Die Nitrierungsreaktion verläuft am besten unter dem Einfluss nicht reiner Salpetersäure, sondern ihrer Mischung mit konzentrierter Schwefelsäure, der sogenannten Nitrierungsmischung:

Alkylierung

Eine Reaktion, bei der eines der Wasserstoffatome am aromatischen Ring durch ein Kohlenwasserstoffradikal ersetzt wird:

Anstelle von halogenierten Alkanen können auch Alkene verwendet werden. Als Katalysatoren können Aluminiumhalogenide, Eisenhalogenide oder anorganische Säuren verwendet werden.<

Additionsreaktionen

Hydrierung

Chlorzugabe

Läuft bei intensiver Bestrahlung mit ultraviolettem Licht über einen radikalischen Mechanismus ab:

Eine ähnliche Reaktion kann nur mit Chlor ablaufen.

Oxidationsreaktionen

Verbrennung

2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q

Unvollständige Oxidation

Der Benzolring ist beständig gegen Oxidationsmittel wie KMnO 4 und K 2 Cr 2 O 7 . Es erfolgt keine Reaktion.

Substituenten am Benzolring werden in zwei Typen unterteilt:

Betrachten wir die chemischen Eigenschaften von Benzolhomologen am Beispiel von Toluol.

Chemische Eigenschaften von Toluol

Halogenierung

Man kann davon ausgehen, dass das Toluolmolekül aus Fragmenten von Benzol- und Methanmolekülen besteht. Daher ist es logisch anzunehmen, dass die chemischen Eigenschaften von Toluol in gewissem Maße die chemischen Eigenschaften dieser beiden Substanzen getrennt betrachtet kombinieren sollten. Dies wird häufig bei der Halogenierung beobachtet. Wir wissen bereits, dass Benzol über einen elektrophilen Mechanismus eine Substitutionsreaktion mit Chlor eingeht, und um diese Reaktion durchzuführen, ist die Verwendung von Katalysatoren (Aluminium- oder Eisenhalogenide) erforderlich. Gleichzeitig ist Methan auch in der Lage, mit Chlor zu reagieren, allerdings über einen Radikalmechanismus, der eine Bestrahlung der anfänglichen Reaktionsmischung mit UV-Licht erfordert. Toluol kann abhängig von den Bedingungen, unter denen es der Chlorierung unterzogen wird, entweder Produkte der Substitution von Wasserstoffatomen im Benzolring ergeben – hierfür müssen die gleichen Bedingungen wie für die Chlorierung von Benzol verwendet werden, oder Produkte der Substitution von Wasserstoff Atome im Methylradikal, wenn ja, wie Chlor unter ultravioletter Strahlung auf Methan wirkt:

Wie Sie sehen können, führte die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von Aluminiumchlorid zu zwei verschiedenen Produkten – ortho- und para-Chlortoluol. Dies liegt daran, dass es sich beim Methylrest um einen Substituenten erster Art handelt.

Wird die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von AlCl 3 im Überschuss an Chlor durchgeführt, ist die Bildung von trichlorsubstituiertem Toluol möglich:

Wenn Toluol im Licht bei einem höheren Chlor/Toluol-Verhältnis chloriert wird, kann auf ähnliche Weise Dichlormethylbenzol oder Trichlormethylbenzol erhalten werden:

Nitrierung

Der Ersatz von Wasserstoffatomen durch eine Nitrogruppe bei der Nitrierung von Toluol mit einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure führt zu Substitutionsprodukten im aromatischen Ring und nicht im Methylradikal:

Alkylierung

Wie bereits erwähnt, handelt es sich beim Methylradikal um ein Orientierungsmittel erster Art, daher führt seine Alkylierung nach Friedel-Crafts zu den Substitutionsprodukten in ortho- und para-Position:

Additionsreaktionen

Toluol kann mit Metallkatalysatoren (Pt, Pd, Ni) zu Methylcyclohexan hydriert werden:

C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

Unvollständige Oxidation

Wenn die Seitenkette einem Oxidationsmittel wie einer wässrigen Lösung von Kaliumpermanganat ausgesetzt wird, wird sie oxidiert. Der aromatische Kern kann unter solchen Bedingungen nicht oxidieren. In diesem Fall entsteht je nach pH-Wert der Lösung entweder eine Carbonsäure oder deren Salz.