Strukturen til alkaner

Alkaner er hydrokarboner i hvis molekyler atomene er koblet sammen med enkeltbindinger og som tilsvarer den generelle formelen CnH2n+2. I alkanmolekyler er alle karbonatomer i tilstanden sp 3 hybridisering.

Dette betyr at alle fire hybridorbitalene til karbonatomet er like i form, energi og rettet mot hjørnene av en likesidet trekantet pyramide - tetraeder. Vinklene mellom orbitalene er 109° 28'. Nesten fri rotasjon er mulig rundt en enkelt karbon-karbonbinding, og alkanmolekyler kan anta en lang rekke former med vinkler ved karbonatomer nær tetraedriske (109° 28'), for eksempel i n-pentanmolekylet.

Det er spesielt verdt å huske bindingene i molekylene til alkaner. Alle bindinger i molekylene til mettede hydrokarboner er enkeltstående. Overlappingen skjer langs aksen som forbinder atomkjernene, dvs. denne σ-bindinger. Karbon-karbonbindinger er ikke-polare og dårlig polariserbare. Lengden på C-C-bindingen i alkaner er 0,154 nm (1,54 10 10 m). CH-bindinger er noe kortere. Elektrontettheten er litt forskjøvet mot det mer elektronegative karbonatomet, dvs. CH-bindingen er svakt polar.

Homolog serie av metan

homologer Stoffer som er like i struktur og egenskaper, men som er forskjellige i en eller flere CH-grupper 2 .

Begrens hydrokarboner utgjør den homologe serien av metan.

Isomerisme og nomenklatur av alkaner

Alkaner er preget av den såkalte strukturell isomerisme. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Den enkleste alkanen, som er preget av strukturelle isomerer, er butan.

La oss vurdere mer detaljert for alkaner det grunnleggende om nomenklatur IUPAC.

1. Hovedkretsvalg. Dannelsen av navnet på et hydrokarbon begynner med definisjonen av hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i et molekyl, som så å si er grunnlaget.

2. Atomnummerering av hovedkjeden. Atomene i hovedkjeden er tildelt tall. Nummereringen av atomene i hovedkjeden starter fra enden nærmest substituenten (strukturene A, B). Hvis substituentene er i lik avstand fra enden av kjeden, starter nummereringen fra den enden der det er flere av dem (struktur B). Hvis forskjellige substituenter er i lik avstand fra endene av kjeden, starter nummereringen fra den enden som den eldre er nærmere (struktur D). Ansienniteten til hydrokarbonsubstituenter bestemmes av rekkefølgen som bokstaven som navnet deres begynner med følger i alfabetet: metyl (-CH 3), deretter propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etyl (-CH 2 -CH 3 ) osv.

Legg merke til at navnet på substituenten dannes ved å erstatte suffikset -an med suffikset -yl i navnet til den tilsvarende alkanen.

3. Navnedannelse. Tall er angitt i begynnelsen av navnet - antallet karbonatomer som substituentene er plassert på. Hvis det er flere substituenter ved et gitt atom, blir det tilsvarende tallet i navnet gjentatt to ganger atskilt med komma (2,2-). Etter tallet angir en bindestrek antall substituenter (di - to, tre - tre, tetra - fire, penta - fem) og navnet på substituenten (metyl, etyl, propyl). Deretter uten mellomrom og bindestrek - navnet på hovedkjeden. Hovedkjeden kalles som et hydrokarbon - et medlem av den homologe serien av metan (metan, etan, propan, etc.).

Navnene på stoffene hvis strukturformler er gitt ovenfor er som følger:

Struktur A: 2-metylpropan;

Struktur B: 3-etylheksan;

Struktur B: 2,2,4-trimetylpentan;

Struktur D: 2-metyl-4-etylheksan.

Fravær av mettede hydrokarboner i molekyler polare bindinger fører til dem dårlig løselig i vann, ikke samhandle med ladede partikler (ioner). De mest typiske reaksjonene for alkaner er reaksjoner som involverer frie radikaler.

Fysiske egenskaper til alkaner

De fire første representantene for den homologe serien av metan - gasser. Den enkleste av dem er metan - en fargeløs, smakløs og luktfri gass (lukten av "gass", etter å ha følt som, du må ringe 04, bestemmes av lukten av merkaptaner - svovelholdige forbindelser spesielt tilsatt metan brukt i husholdnings- og industrigassapparater slik at folk i nærheten kunne lukte lekkasjen).

Sammensetning hydrokarboner fra MED 5 H 12 før MED 15 H 32 - væsker; tyngre hydrokarboner er faste stoffer. Koke- og smeltepunktene til alkaner øker gradvis med økende karbonkjedelengde. Alle hydrokarboner er dårlig løselige i vann, flytende hydrokarboner er vanlige organiske løsningsmidler.

Kjemiske egenskaper til alkaner

substitusjonsreaksjoner.

De mest karakteristiske reaksjonene for alkaner er reaksjonene substitusjon av frie radikaler, hvor et hydrogenatom er erstattet med et halogenatom eller en eller annen gruppe.

La oss presentere likningene til karakteristikken halogeneringsreaksjoner:

Ved overskudd av halogen kan kloreringen gå lenger, opp til fullstendig erstatning av alle hydrogenatomer med klor:

De resulterende stoffene er mye brukt som løsningsmidler og utgangsmaterialer i organisk syntese.

Dehydrogeneringsreaksjon(hydrogensplitting).

Under passasje av alkaner over katalysatoren (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) ved høy temperatur (400-600 ° C), spaltes et hydrogenmolekyl og dannelsen alken:

Reaksjoner ledsaget av ødeleggelse av karbonkjeden. Alle mettede hydrokarboner brenner med dannelse av karbondioksid og vann. Gassformige hydrokarboner blandet med luft i visse proporsjoner kan eksplodere.

1. Forbrenning av mettede hydrokarboner er en eksoterm reaksjon fra frie radikaler, som er veldig viktig når du bruker alkaner som drivstoff:

Generelt kan forbrenningsreaksjonen til alkaner skrives som følger:

2. Termisk nedbrytning av hydrokarboner.

Prosessen går videre fri radikal mekanisme. En økning i temperatur fører til et homolytisk brudd på karbon-karbonbindingen og dannelse av frie radikaler.

Disse radikalene samhandler med hverandre, utveksler et hydrogenatom, med dannelsen av et molekyl alkan- og alkenmolekyler:

Termiske spaltningsreaksjoner er kjernen i den industrielle prosessen - hydrokarbonoppsprekking. Denne prosessen er det viktigste stadiet i oljeraffinering.

3. Pyrolyse. Når metan varmes opp til en temperatur på 1000 °C, metan pyrolyse- dekomponering til enkle stoffer:

Ved oppvarming til en temperatur på 1500 ° C, dannelsen av acetylen:

4. Isomerisering. Når lineære hydrokarboner varmes opp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), dannes stoffer med forgrenet karbonskjelett:

5. Aromatisering. Alkaner med seks eller flere karbonatomer i kjeden i nærvær av en katalysator ringsluttes for å danne benzen og dets derivater:

Alkaner går inn i reaksjoner som foregår i henhold til frie radikalmekanismen, siden alle karbonatomer i alkanmolekyler er i en tilstand av sp 3 hybridisering. Molekylene til disse stoffene er bygget ved hjelp av kovalente ikke-polare C-C (karbon - karbon) bindinger og svakt polare C-H (karbon - hydrogen) bindinger. De har ikke områder med høy og lav elektrontetthet, lett polariserbare bindinger, dvs. slike bindinger, hvor elektrontettheten kan forskyves under påvirkning av eksterne faktorer (elektrostatiske felt av ioner). Følgelig vil ikke alkaner reagere med ladede partikler, siden bindinger i alkanmolekyler ikke brytes av en heterolytisk mekanisme.

Strukturen til alkaner

Den kjemiske strukturen (rekkefølgen av atomer i molekyler) til de enkleste alkanene - metan, etan og propan - er vist ved deres strukturformler gitt i seksjon 2. Fra disse formlene kan man se at det er to typer kjemiske bindinger i alkaner:

S-S og S-N.

C–C-bindingen er kovalent ikke-polar. CH-bindingen er kovalent, svakt polar, fordi karbon og hydrogen er tett i elektronegativitet (2,5 for karbon og 2,1 for hydrogen). Dannelsen av kovalente bindinger i alkaner på grunn av de vanlige elektronparene av karbon- og hydrogenatomer kan vises ved hjelp av elektroniske formler:

Elektroniske og strukturelle formler gjenspeiler den kjemiske strukturen, men gir ikke en ide om den romlige strukturen til molekyler, noe som i betydelig grad påvirker egenskapene til et stoff.

Romlig struktur, dvs. det gjensidige arrangementet av atomene til et molekyl i rommet avhenger av retningen til atomorbitalene (AO) til disse atomene. I hydrokarboner spilles hovedrollen av den romlige orienteringen av atomorbitalene til karbon, siden den sfæriske 1s-AO til hydrogenatomet er blottet for en bestemt orientering.

Det romlige arrangementet av karbon-AO-er avhenger i sin tur av typen hybridisering (del I, avsnitt 4.3). Det mettede karbonatomet i alkaner er bundet til fire andre atomer. Derfor tilsvarer tilstanden sp3-hybridisering (del I, avsnitt 4.3.1). I dette tilfellet deltar hver av de fire sp3-hybride karbon-AO-ene i aksial (σ-) overlapping med s-AO til hydrogen eller med sp3-AO til et annet karbonatom, og danner C-H eller C-C σ-bindinger.

Fire σ-bindinger av karbon er rettet i rommet med en vinkel på 109o28 ", som tilsvarer den minste frastøtingen av elektroner. Derfor har molekylet til den enkleste representanten for alkaner - metan CH4 - formen av et tetraeder, i sentrum hvorav det er et karbonatom, og ved toppunktene - hydrogenatomer:

H-C-H-bindingsvinkelen er 109o28". Den romlige strukturen til metan kan vises ved hjelp av volumetriske (skala) og ball-and-stick-modeller.

For opptak er det praktisk å bruke den romlige (stereokjemiske) formelen.

I molekylet til den neste homologen, C2H6-etan, danner to tetraedriske sp3-karbonatomer en mer kompleks romlig struktur:

Alkaner som inneholder mer enn 2 karbonatomer er karakterisert ved buede former. Dette kan vises ved å bruke eksemplet med n-butan (VRML-modell) eller n-pentan:

Isomerisme av alkaner

Isomerisme er fenomenet med eksistensen av forbindelser som har samme sammensetning (samme molekylformel), men en annen struktur. Slike forbindelser kalles isomerer.

Forskjeller i rekkefølgen av atomer i molekyler (dvs. i den kjemiske strukturen) fører til strukturell isomerisme. Strukturen til strukturelle isomerer reflekteres av strukturformler. I alkanserien viser strukturell isomerisme seg når det er 4 eller flere karbonatomer i kjeden, dvs. starter med butan C4H10. Hvis i molekyler med samme sammensetning og samme kjemiske struktur, er en annen gjensidig ordning av atomer i rommet mulig, da romlig isomerisme (stereoisomerisme). I dette tilfellet er ikke bruk av strukturformler nok og man bør bruke molekylære modeller eller spesielle formler - stereokjemisk (romlig) eller projeksjon.

Alkaner, med utgangspunkt i etan H 3 C – CH 3, finnes i forskjellige romlige former ( konformasjoner) forårsaket av intramolekylær rotasjon langs C–C σ-bindingene og viser s.k. rotasjons (konformasjons) isomerisme.

I tillegg, hvis det er et karbonatom i molekylet assosiert med 4 forskjellige substituenter, er en annen type romlig isomerisme mulig, når to stereoisomerer forholder seg til hverandre som et objekt og dets speilbilde (i likhet med hvordan venstre hånd forholder seg til Ikke sant). Slike forskjeller i strukturen til molekyler kalles optisk isomeri.

. Strukturell isomerisme av alkaner

Strukturelle isomerer - forbindelser med samme sammensetning, forskjellig i rekkefølgen av bindende atomer, dvs. den kjemiske strukturen til molekylene.

Årsaken til manifestasjonen av strukturell isomeri i alkanserien er karbonatomenes evne til å danne kjeder av ulike strukturer.Denne typen strukturell isomeri kalles isomerisme av karbonskjelettet.

For eksempel kan en alkan med sammensetning C 4 H 10 eksistere i formen to strukturelle isomerer:

og alkan C5H12 - i form tre strukturelle isomerer som er forskjellige i strukturen til karbonkjeden:

Med en økning i antall karbonatomer i sammensetningen av molekyler øker mulighetene for kjedeforgrening, d.v.s. antall isomerer øker med antall karbonatomer.

Strukturelle isomerer er forskjellige i fysiske egenskaper. Alkaner med en forgrenet struktur, på grunn av en mindre tett pakking av molekyler og følgelig mindre intermolekylære interaksjoner, koker ved en lavere temperatur enn deres uforgrenede isomerer.

Teknikker for å konstruere strukturformler for isomerer

Tenk på eksemplet med en alkan MED 6 H 14 .

1. Først skildrer vi det lineære isomermolekylet (dets karbonskjelett)

2. Deretter forkorter vi kjeden med 1 karbonatom og fester dette atomet til et hvilket som helst karbonatom i kjeden som en gren fra den, unntatt ekstreme posisjoner:

(2) eller (3)

Hvis du fester et karbonatom til en av ekstremposisjonene, vil den kjemiske strukturen til kjeden ikke endre seg:

I tillegg må du sørge for at det ikke er noen repetisjoner. Dermed er strukturen identisk med strukturen (2).

3. Når alle posisjonene til hovedkjeden er oppbrukt, forkorter vi kjeden med 1 karbonatom til:

Nå skal 2 karbonatomer plasseres i sidegrenene. Følgende kombinasjoner av atomer er mulige her:

Sidesubstituenten kan bestå av 2 eller flere sekvensielt koblede karbonatomer, men for heksan er det ingen isomerer med slike sidegrener, og strukturen er identisk med struktur (3).

Sidesubstituenten - C - C kan bare plasseres i en kjede som inneholder minst 5 karbonatomer og kan bare festes til det 3. og ytterligere atom fra enden av kjeden.

4. Etter å ha konstruert karbonskjelettet til isomeren, er det nødvendig å supplere alle karbonatomer i molekylet med hydrogenbindinger, gitt at karbon er fireverdig.

Så komposisjonen MED 6 H 14 tilsvarer 5 isomerer: 1) 2) 3) 4) 5)

Under reformering gjennomgår alkaner isomerisering, dehydrocyklisering og hydrokrakking.

Isomeriseringen av alkaner fortsetter i henhold til den karbokationiske mekanismen med dannelse av lett forgrenede isomerer, som er de mest termodynamisk stabile under reformeringsforhold. Hastigheten for isomerisering øker med en økning i molekylvekten til alkanen.

Dehydrocyklisering er en av de viktigste reformeringsreaksjonene, som består i omdannelsen av alkaner til arener:

Dehydrocyklisering fortsetter med absorpsjon av varme (ca. 250 kJ/mol), så likevektskonstanten til reaksjonen øker med økende temperatur. Trykk flytter likevekten til reaksjonen til venstre, dvs. i retning av arenhydrogenering. I praksis utføres imidlertid prosessen under høyt hydrogentrykk for å redusere koksavsetninger på katalysatoren. Ved en temperatur på 500 °C under et hydrogentrykk på 1,5-1,7 MPa er likevektsgraden for omdannelse av n-heptan til toluen 95 %.

Mekanismen for aromatisering av alkaner er ikke helt klar. Følgende stier er mulige:

Dehydrogenering av alkaner på platina til trien etterfulgt av ringslutning på platina eller aluminiumoksyd:

C5-syklisering på platina gjennom et syklisk overgangskompleks

Dehydrogenering av alkaner til alkener på platina og ringslutning av alkener på aluminiumoksid også med dannelse av en femleddet ring. Reaksjonen fortsetter i henhold til en samordnet mekanisme, inkludert protonering av dobbeltbindingen av syrestedet og samtidig abstraksjon av et proton fra karbonatomet i kjeden:

De dannede femledde ringene isomeriseres på sure steder til seksleddede og dehydrogeneres deretter på metallet for å danne arener.

Eksperimentelle data indikerer at aromatisering fortsetter i alle retninger.

Hvis startalkanen inneholder mindre enn seks karbonatomer i hovedkjeden, innledes aromatisering av isomerisering av alkanen med forlengelse av hovedkjeden. Aromatiseringshastigheten øker med lengden på alkankjeden. Alkaner som inneholder ti eller flere karbonatomer danner sammensmeltede ringarener. Arenaer med tilstrekkelig lange sidekjeder kan fullføre ytterligere løkker:

Som et resultat av dehydrocykliseringen av alkaner dannes homologer av benzen og naftalen med det maksimale innholdet av metylsubstituenter i kjernen, som er tillatt av strukturen til startalkanen.

Hydrocracking av alkaner fører til dannelse av lavmolekylære forbindelser:

Hydrocrackingens rolle i reformeringsprosessen er ikke entydig. På den ene siden fører en reduksjon i molekylvekten til alkaner til en økning i oktantallet, og på den annen side, som et resultat av hydrocracking, dannes en betydelig mengde gassformige produkter, noe som reduserer utbyttet av bensin. Derfor bør hydrokrakkingens rolle begrenses. Nedenfor er resultatene av n-heksan-reformering som en funksjon av temperatur ved 0,7 MPa og tilførselsromhastighet på 2 h-1:

4740C5000C5250CC Konverteringsgrad, %80.286.690.4 Utbytte pr. omdannet alkan, % (mol.) Arener (benzen) 16.624.127.4 Isomeriseringsprodukter 58.036.923.4 Hydrokrakkingsprodukter 25.049.08.

For å redusere rollen til hydrocracking, er det tilrådelig å utføre prosessen ved lavest mulig trykk, som samtidig fører til en økning i likevektsutbyttet av arener. Resultatene av reformering av n-nonan ved en temperatur på 510°C, en romhastighet på 1,5 h-1 og forskjellige trykk (i % av utgangsnonanen):

0,7 MPa2,1 MPaC1-C410.521.5 Ikke-aromatisk C5 og over 19.020.0 Arenaer: C6 C7 C8 C9 1.6 3.1 6.2 54.6 2.0 5.8 10.1 36.4

Transformasjon av sykloalkaner

Under reformeringsbetingelser gjennomgår sykloalkaner også isomerisering, dehydrogenering til arener og hydrocracking.

Seksleddede sykloalkaner isomeriserer til femleddede i henhold til karbokasjonsmekanismen:

Selektiviteten for omdannelsen av cykloheksan til metylcyklopentan og benzen bestemmes til slutt av forholdet mellom reaksjonshastigheter og avhenger av aktiviteten til katalysatorkomponentene. Isomerisering fortsetter på sure steder ved hjelp av karbokationmekanismen; derfor vil utbyttet av metylcyklopentan øke ved høy surhet av katalysatoren. Dehydrogenering skjer på metallkomponenten i katalysatoren, og med en økning i aktiviteten til metallet vil benzendannelseshastigheten øke. Adsorpsjonen av en seks-leddet cykloalkan på et metall kan ledsages enten av samtidig dissosiasjon av seks CH-bindinger eller av suksessiv rask eliminering av hydrogenatomer:

Reaksjonen er endoterm, derfor øker likevektsutbyttet av arene med en økning i temperaturen.

Bicykliske seksleddede cykloalkaner dehydrogeneres like lett som monosykliske, og danner naftalenderivater.

Hydrocracking av seksleddede cykloalkaner skjer i liten grad i henhold til skjemaet beskrevet for alkaner. Under reformeringsforhold er hastigheten for dehydrogenering av seksleddede cykloalkaner til arener mye høyere enn hastigheten for andre reaksjoner (isomerisering til femleddede og hydrokrakking). Derfor er selektiviteten for omdannelsen av sykloalkaner til arener nesten 100%.

Femleddede substituerte cykloalkaner under reformeringsbetingelser inngår i følgende reaksjoner:

Isomerisering i henhold til posisjonen til substituentene (via mellomkarbokasjoner):

Dehydroisomerisering:

Den første reaksjonen fortsetter på de sure stedene til katalysatoren, den andre - på metallene. Utbyttet av benzen øker med økende temperatur og synkende trykk. Ved en temperatur på 500 °C fører en trykkreduksjon fra 3,6 til 1,5 MPa til en økning i benzenutbyttet fra 45 til 90 % (vekt). Dehydrogeneringen av cyklopentan til cyklopenten og cyklopentadien fortsetter praktisk talt ikke, siden hastigheten på denne reaksjonen er mye lavere enn hastigheten for dehydroisomerisering. Cyclopentadien adsorberer sterkt på metallet og forgifter katalysatoren.

Ringåpning (hydrocracking):

Den relative hydrogenolysehastigheten til forskjellige C–C-bindinger avhenger av strukturen til det opprinnelige hydrokarbonet, egenskapene til katalysatoren og reaksjonsbetingelsene. På en fersk aluminium-platina-katalysator fortsetter hydrogenolyse på platina, og forholdet mellom produkter i henhold til reaksjonene (1), (2) og (3) er 2,4:2,1:1. Under prosessbetingelsene blir platina delvis deaktivert, og hydrogenolyse fortsetter deretter på sure steder i henhold til karbokasjonsmekanismen:

Hovedreaksjonsproduktet er n-heksan.

Reaksjonshastigheten for dehydroisomerisering av metylcyklopentaner er høyere enn for isomerisering og hydrokrakking; derfor når utbyttet av benzen under reformering av emetylcyklopentan 60–70%.

Hydrokarboner, i hvis molekyler atomene er forbundet med enkeltbindinger og som tilsvarer den generelle formelen C n H 2 n +2.
I alkanmolekyler er alle karbonatomer i en tilstand av sp 3 hybridisering. Dette betyr at alle de fire hybridorbitalene til karbonatomet er identiske i form, energi og er rettet mot hjørnene av en likesidet trekantet pyramide - et tetraeder. Vinklene mellom orbitalene er 109° 28'.

Nesten fri rotasjon er mulig rundt en enkelt karbon-karbonbinding, og alkanmolekyler kan anta en lang rekke former med vinkler på karbonatomer nær tetraedriske (109 ° 28 ′), for eksempel i et molekyl n-pentan.

Det er spesielt verdt å huske bindingene i molekylene til alkaner. Alle bindinger i molekylene til mettede hydrokarboner er enkeltstående. Overlapping skjer langs aksen,
forbinder atomkjernene, dvs. disse er σ-bindinger. Karbon-karbonbindinger er ikke-polare og dårlig polariserbare. Lengden på C-C-bindingen i alkaner er 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). CH-bindinger er noe kortere. Elektrontettheten er litt forskjøvet mot det mer elektronegative karbonatomet, dvs. C-H-bindingen er svakt polar.

Fraværet av polare bindinger i molekylene til mettede hydrokarboner fører til at de er dårlig løselige i vann og ikke samhandler med ladede partikler (ioner). Det mest karakteristiske for alkaner er reaksjoner som involverer frie radikaler.

Homolog serie av metan

homologer- stoffer som er like i struktur og egenskaper og som er forskjellige med en eller flere CH 2 -grupper.

Isomerisme og nomenklatur

Alkaner er preget av den såkalte strukturelle isomerismen. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Den enkleste alkanen, som er preget av strukturelle isomerer, er butan.

Grunnleggende om nomenklatur

1. Velge hovedkretsen. Dannelsen av navnet på et hydrokarbon begynner med definisjonen av hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i et molekyl, som så å si er grunnlaget.
2. Nummerering av atomer i hovedkjeden. Atomene i hovedkjeden er tildelt tall. Nummereringen av atomene i hovedkjeden starter fra enden nærmest substituenten (strukturene A, B). Hvis substituentene er i lik avstand fra enden av kjeden, starter nummereringen fra den enden der det er flere av dem (struktur B). Hvis forskjellige substituenter er i lik avstand fra endene av kjeden, starter nummereringen fra den enden som den eldre er nærmere (struktur D). Ansienniteten til hydrokarbonsubstituenter bestemmes av rekkefølgen som bokstaven som navnet deres begynner med følger i alfabetet: metyl (-CH 3), deretter etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) osv.
Merk at navnet på erstatningen dannes ved å erstatte suffikset -an med suffikset - silt i navnet til den tilsvarende alkanen.
3. Navnedannelse. Tall er angitt i begynnelsen av navnet - antallet karbonatomer som substituentene er plassert på. Hvis det er flere substituenter ved et gitt atom, blir det tilsvarende tallet i navnet gjentatt to ganger atskilt med komma (2,2-). Etter tallet angir en bindestrek antall substituenter ( di- to, tre- tre, tetra- fire, penta- fem) og navnet på substituenten (metyl, etyl, propyl). Deretter uten mellomrom og bindestrek - navnet på hovedkjeden. Hovedkjeden blir referert til som et hydrokarbon - et medlem av den homologe metanserien ( 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 C 9 H 20, dekanus C10H22).

Fysiske egenskaper til alkaner

De fire første representantene for den homologe serien av metan er gasser. Den enkleste av dem er metan - en fargeløs, smakløs og luktfri gass (lukten av "gass", etter å ha følt som, du må ringe 04, bestemmes av lukten av merkaptaner - svovelholdige forbindelser spesielt tilsatt metan brukt i husholdnings- og industrigassapparater slik at folk i nærheten kunne lukte lekkasjen).
Hydrokarboner med sammensetning fra C4H12 til C15H32 - væsker; tyngre hydrokarboner er faste stoffer. Koke- og smeltepunktene til alkaner øker gradvis med økende karbonkjedelengde. Alle hydrokarboner er dårlig løselige i vann, flytende hydrokarboner er vanlige organiske løsningsmidler.

Kjemiske egenskaper til alkaner

substitusjonsreaksjoner.
Det mest karakteristiske for alkaner er substitusjonsreaksjoner med frie radikaler, hvor et hydrogenatom erstattes med et halogenatom eller en gruppe. La oss presentere likningene for karakteristiske reaksjoner halogenering:

Ved overskudd av halogen kan kloreringen gå lenger, opp til fullstendig erstatning av alle hydrogenatomer med klor:

De resulterende stoffene er mye brukt som løsningsmidler og utgangsmaterialer i organisk syntese.
Dehydrogeneringsreaksjon(hydrogen splittes av).
Under passasjen av alkaner over katalysatoren (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) ved høy temperatur (400-600 ° C), spaltes et hydrogenmolekyl og det dannes et alken:

Reaksjoner ledsaget av ødeleggelse av karbonkjeden.
Alle mettede hydrokarboner brenner med dannelse av karbondioksid og vann. Gassformige hydrokarboner blandet med luft i visse proporsjoner kan eksplodere.
1. Forbrenning av mettede hydrokarboner er en eksoterm reaksjon fra frie radikaler, som er veldig viktig når du bruker alkaner som drivstoff:

Generelt kan forbrenningsreaksjonen til alkaner skrives som følger:

2. Termisk spaltning av hydrokarboner.

Prosessen fortsetter i henhold til mekanismen for frie radikaler. En økning i temperatur fører til et homolytisk brudd på karbon-karbonbindingen og dannelse av frie radikaler.

Disse radikalene samhandler med hverandre, utveksler et hydrogenatom, med dannelsen av et alkanmolekyl og et alkenmolekyl:

Termiske spaltningsreaksjoner ligger til grunn for den industrielle prosessen - hydrokarbonkrakking. Denne prosessen er det viktigste stadiet i oljeraffinering.

3. Pyrolyse. Når metan varmes opp til en temperatur på 1000 ° C, begynner pyrolyse av metan - dekomponering til enkle stoffer:

Ved oppvarming til en temperatur på 1500 ° C, er dannelsen av acetylen mulig:

4. Isomerisering. Når lineære hydrokarboner varmes opp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), dannes stoffer med et forgrenet karbonskjelett:

5. Aromatisering. Alkaner med seks eller flere karbonatomer i kjeden i nærvær av en katalysator ringsluttes for å danne benzen og dets derivater:

Kjemiske egenskaper til alkaner

Alkaner (parafiner) er ikke-sykliske hydrokarboner, i molekylene som alle karbonatomer bare er forbundet med enkeltbindinger. Det er med andre ord ingen multiple, dobbelt- eller trippelbindinger i molekylene til alkaner. Faktisk er alkaner hydrokarboner som inneholder maksimalt mulig antall hydrogenatomer, og derfor kalles de begrensende (mettede).

På grunn av metning kan ikke alkaner inngå addisjonsreaksjoner.

Siden karbon- og hydrogenatomer har ganske nær elektronegativitet, fører dette til at CH-bindingene i molekylene deres har ekstremt lav polaritet. I denne forbindelse, for alkaner, er reaksjoner som fortsetter i henhold til mekanismen for radikal substitusjon, betegnet med symbolet S R, mer karakteristiske.

1. Substitusjonsreaksjoner

I reaksjoner av denne typen brytes karbon-hydrogenbindinger.

RH + XY → RX + HY

Halogenering

Alkaner reagerer med halogener (klor og brom) under påvirkning av ultrafiolett lys eller med sterk varme. I dette tilfellet dannes en blanding av halogenderivater med forskjellige grader av substitusjon av hydrogenatomer - mono-, di-tri-, etc. halogensubstituerte alkaner.

På eksemplet med metan ser det slik ut:

Ved å endre halogen/metan-forholdet i reaksjonsblandingen er det mulig å sikre at et hvilket som helst spesielt metan-halogenderivat dominerer i sammensetningen av produktene.

reaksjonsmekanisme

La oss analysere mekanismen for substitusjonsreaksjonen for frie radikaler ved å bruke eksempelet på interaksjonen mellom metan og klor. Den består av tre stadier:

initiering (eller kjedeinitiering) - prosessen med dannelse av frie radikaler under påvirkning av energi fra utsiden - bestråling med UV-lys eller oppvarming. På dette stadiet gjennomgår klormolekylet en homolytisk spaltning av Cl-Cl-bindingen med dannelse av frie radikaler:

Frie radikaler, som man kan se av figuren over, kalles atomer eller grupper av atomer med ett eller flere uparrede elektroner (Cl, H, CH 3 , CH 2, etc.);

2. Kjedeutvikling

Dette stadiet består i samspillet mellom aktive frie radikaler og inaktive molekyler. I dette tilfellet dannes nye radikaler. Spesielt når klorradikaler virker på alkanmolekyler, dannes et alkylradikal og hydrogenklorid. I sin tur danner alkylradikalet, som kolliderer med klormolekyler, et klorderivat og et nytt klorradikal:

3) Brudd (død) av kjeden:

Oppstår som et resultat av rekombinasjonen av to radikaler med hverandre til inaktive molekyler:

2. Oksidasjonsreaksjoner

Under normale forhold er alkaner inerte med hensyn til slike sterke oksidasjonsmidler som konsentrert svovelsyre og salpetersyre, permanganat og kaliumdikromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).

Forbrenning i oksygen

A) fullstendig forbrenning med et overskudd av oksygen. Fører til dannelse av karbondioksid og vann:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

B) ufullstendig forbrenning med mangel på oksygen:

2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 \u003d C + 2H 2 O

Katalytisk oksidasjon med oksygen

Som et resultat av oppvarming av alkaner med oksygen (~200 o C) i nærvær av katalysatorer, kan et bredt utvalg av organiske produkter oppnås fra dem: aldehyder, ketoner, alkoholer, karboksylsyrer.

For eksempel kan metan, avhengig av katalysatorens natur, oksideres til metylalkohol, formaldehyd eller maursyre:

3. Termiske transformasjoner av alkaner

Sprekker

Cracking (fra engelsk til crack - to tear) er en kjemisk prosess som skjer ved høy temperatur, som et resultat av at karbonskjelettet til alkanmolekyler brytes med dannelsen av alken- og alkanmolekyler med lavere molekylvekt sammenlignet med de opprinnelige alkanene. For eksempel:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH 2

Sprekking kan være termisk eller katalytisk. For implementering av katalytisk cracking, på grunn av bruken av katalysatorer, brukes betydelig lavere temperaturer sammenlignet med termisk cracking.

Dehydrogenering

Elimineringen av hydrogen skjer som et resultat av å bryte CH-bindingene; utføres i nærvær av katalysatorer ved forhøyede temperaturer. Dehydrogenering av metan produserer acetylen:

2CH4 → C2H2 + 3H2

Oppvarming av metan til 1200 ° C fører til nedbrytning til enkle stoffer:

CH4 → C + 2H 2

Dehydrogenering av andre alkaner gir alkener:

C2H6 → C2H4 + H2

Ved dehydrogenering n-butan, buten-1 og buten-2 dannes (sistnevnte i formen cis- Og transe-isomerer):

Dehydrosyklisering

Isomerisering

Kjemiske egenskaper til sykloalkaner

De kjemiske egenskapene til sykloalkaner med mer enn fire karbonatomer i syklusene er generelt nesten identiske med de til alkaner. For cyklopropan og cyklobutan, merkelig nok, er addisjonsreaksjoner karakteristiske. Dette skyldes den høye spenningen i syklusen, som fører til at disse syklusene har en tendens til å bryte. Så cyklopropan og cyklobutan tilsetter lett brom, hydrogen eller hydrogenklorid:

Kjemiske egenskaper til alkener

1. Tilleggsreaksjoner

Siden dobbeltbindingen i alkenmolekyler består av én sterk sigma-binding og én svak pi-binding, er de ganske aktive forbindelser som lett går inn i addisjonsreaksjoner. Alkener går ofte inn i slike reaksjoner selv under milde forhold - i kulde, i vandige løsninger og organiske løsemidler.

Hydrogenering av alkener

Alkener er i stand til å tilsette hydrogen i nærvær av katalysatorer (platina, palladium, nikkel):

CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 - CH 2 - CH 3

Hydrogenering av alkener foregår lett selv ved normalt trykk og svak oppvarming. Et interessant faktum er at de samme katalysatorene kan brukes til dehydrogenering av alkaner til alkener, bare dehydrogeneringsprosessen fortsetter ved høyere temperatur og lavere trykk.

Halogenering

Alkener går lett inn i en addisjonsreaksjon med brom både i vandig løsning og i organiske løsningsmidler. Som et resultat av interaksjonen mister i utgangspunktet gule løsninger av brom fargen, dvs. misfarges.

CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br

Hydrohalogenering

Det er lett å se at tilsetning av et hydrogenhalogenid til et usymmetrisk alkenmolekyl teoretisk sett skal føre til en blanding av to isomerer. For eksempel, når hydrogenbromid tilsettes til propen, bør følgende produkter oppnås:

Likevel, i fravær av spesifikke forhold (for eksempel tilstedeværelsen av peroksider i reaksjonsblandingen), vil tilsetningen av et hydrogenhalogenidmolekyl skje strengt selektivt i samsvar med Markovnikov-regelen:

Tilsetningen av et hydrogenhalogenid til et alken skjer på en slik måte at hydrogen festes til et karbonatom med et større antall hydrogenatomer (mer hydrogenert), og et halogen er festet til et karbonatom med et mindre antall hydrogenatomer. (mindre hydrogenert).

Hydrering

Denne reaksjonen fører til dannelse av alkoholer, og fortsetter også i samsvar med Markovnikov-regelen:

Som du kanskje gjetter, på grunn av det faktum at tilsetningen av vann til alkenmolekylet skjer i henhold til Markovnikov-regelen, er dannelsen av primær alkohol bare mulig i tilfelle av etylenhydratisering:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

Det er ved denne reaksjonen at hovedmengden etylalkohol utføres i industrien med stor kapasitet.

Polymerisasjon

Et spesifikt tilfelle av addisjonsreaksjonen er polymerisasjonsreaksjonen, som, i motsetning til halogenering, hydrohalogenering og hydrering, fortsetter gjennom en fri radikalmekanisme:

Oksidasjonsreaksjoner

Som alle andre hydrokarboner, brenner alkener lett i oksygen for å danne karbondioksid og vann. Ligningen for forbrenning av alkener i overflødig oksygen har formen:

C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O

I motsetning til alkaner oksideres alkener lett. Under påvirkning av en vandig løsning av KMnO 4 på alkener, misfarging, som er en kvalitativ reaksjon på doble og trippel CC-bindinger i molekyler av organiske stoffer.

Oksidasjon av alkener med kaliumpermanganat i en nøytral eller lett alkalisk løsning fører til dannelse av dioler (toverdige alkoholer):

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

I et surt miljø skjer en fullstendig spaltning av dobbeltbindingen med transformasjonen av karbonatomene som dannet dobbeltbindingen til karboksylgrupper:

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 (oppvarming)

Hvis den doble C=C-bindingen er i enden av alkenmolekylet, dannes karbondioksid som oksidasjonsproduktet av det ekstreme karbonatomet ved dobbeltbindingen. Dette skyldes det faktum at det mellomliggende oksidasjonsproduktet, maursyre, lett oksideres av seg selv i et overskudd av et oksidasjonsmiddel:

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 (oppvarming)

Ved oksidasjon av alkener, hvor C-atomet ved dobbeltbindingen inneholder to hydrokarbonsubstituenter, dannes et keton. For eksempel produserer oksidasjonen av 2-metylbuten-2 aceton og eddiksyre.

Oksydasjonen av alkener, som bryter karbonskjelettet ved dobbeltbindingen, brukes til å etablere deres struktur.

Kjemiske egenskaper til alkadiener

Tilleggsreaksjoner

For eksempel tilsetning av halogener:

Bromvann blir fargeløst.

Under normale forhold skjer tilsetningen av halogenatomer i endene av butadien-1,3-molekylet, mens π-bindinger brytes, bromatomer festes til de ekstreme karbonatomene, og frie valenser danner en ny π-binding. Altså, som om det er en "bevegelse" av dobbeltbindingen. Med et overskudd av brom, kan ett mer brommolekyl tilsettes på stedet for den dannede dobbeltbindingen.

polymerisasjonsreaksjoner

Kjemiske egenskaper til alkyner

Alkyner er umettede (umettede) hydrokarboner og er derfor i stand til å inngå addisjonsreaksjoner. Blant addisjonsreaksjonene for alkyner er elektrofil addisjon den vanligste.

Halogenering

Siden trippelbindingen til alkynmolekyler består av en sterkere sigmabinding og to svakere pi-bindinger, er de i stand til å feste enten ett eller to halogenmolekyler. Tilsetningen av to halogenmolekyler med ett alkynmolekyl fortsetter ved den elektrofile mekanismen sekvensielt i to trinn:

Hydrohalogenering

Tilsetningen av hydrogenhalogenidmolekyler foregår også ved den elektrofile mekanismen og i to trinn. I begge stadier fortsetter tillegget i samsvar med Markovnikov-regelen:

Hydrering

Tilsetning av vann til alkyner skjer i nærvær av ruthiumsalter i et surt medium og kalles Kucherov-reaksjonen.

Som et resultat av hydreringen av tilsetning av vann til acetylen, dannes acetaldehyd (eddikaldehyd):

For acetylenhomologer fører tilsetning av vann til dannelse av ketoner:

Alkynhydrogenering

Alkyner reagerer med hydrogen i to trinn. Metaller som platina, palladium, nikkel brukes som katalysatorer:

Alkyntrimerisering

Når acetylen føres over aktivert karbon ved høy temperatur, dannes en blanding av forskjellige produkter fra det, hvorav hoveddelen er benzen, et produkt av acetylentrimerisering:

Dimerisering av alkyner

Acetylen går også inn i en dimeriseringsreaksjon. Prosessen fortsetter i nærvær av kobbersalter som katalysatorer:

Alkynoksidasjon

Alkyner brenner i oksygen:

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

Samspillet mellom alkyner og baser

Alkyner med trippel C≡C i enden av molekylet er i motsetning til andre alkyner i stand til å gå inn i reaksjoner der hydrogenatomet i trippelbindingen erstattes med et metall. For eksempel reagerer acetylen med natriumamid i flytende ammoniakk:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,

og også med en ammoniakkløsning av sølvoksid, som danner uløselige saltlignende stoffer kalt acetylenider:

Takket være denne reaksjonen er det mulig å gjenkjenne alkyner med en terminal trippelbinding, samt å isolere en slik alkyn fra en blanding med andre alkyner.

Det skal bemerkes at alle sølv- og kobberacetylenider er eksplosive stoffer.

Acetylider er i stand til å reagere med halogenderivater, som brukes i syntesen av mer komplekse organiske forbindelser med en trippelbinding:

CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3

CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr

Kjemiske egenskaper til aromatiske hydrokarboner

Den aromatiske naturen til bindingen påvirker de kjemiske egenskapene til benzener og andre aromatiske hydrokarboner.

Et enkelt 6pi elektronsystem er mye mer stabilt enn konvensjonelle pi-bindinger. Derfor, for aromatiske hydrokarboner, er substitusjonsreaksjoner mer karakteristiske enn addisjonsreaksjoner. Arener går inn i substitusjonsreaksjoner ved en elektrofil mekanisme.

Substitusjonsreaksjoner

Halogenering

Nitrering

Nitreringsreaksjonen foregår best under påvirkning av ikke ren salpetersyre, men dens blanding med konsentrert svovelsyre, den såkalte nitreringsblandingen:

Alkylering

Reaksjonen der et av hydrogenatomene ved den aromatiske kjernen erstattes av et hydrokarbonradikal:

Alkener kan også brukes i stedet for halogenerte alkaner. Aluminiumhalogenider, jern(III)-jernhalogenider eller uorganiske syrer kan brukes som katalysatorer.<

Tilleggsreaksjoner

hydrogenering

Tiltredelse av klor

Det fortsetter med en radikal mekanisme under intens bestråling med ultrafiolett lys:

Tilsvarende kan reaksjonen bare fortsette med klor.

Oksidasjonsreaksjoner

Forbrenning

2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q

ufullstendig oksidasjon

Benzenringen er motstandsdyktig mot oksidasjonsmidler som KMnO 4 og K 2 Cr 2 O 7. Reaksjonen går ikke.

Deling av substituenter i benzenringen i to typer:

Vurder de kjemiske egenskapene til benzenhomologer ved å bruke toluen som et eksempel.

Kjemiske egenskaper til toluen

Halogenering

Toluenmolekylet kan betraktes som bestående av fragmenter av benzen- og metanmolekyler. Derfor er det logisk å anta at de kjemiske egenskapene til toluen til en viss grad bør kombinere de kjemiske egenskapene til disse to stoffene tatt hver for seg. Spesielt er dette nettopp det som observeres under halogeneringen. Vi vet allerede at benzen går inn i en substitusjonsreaksjon med klor ved en elektrofil mekanisme, og katalysatorer (aluminium eller jern(III)halogenider) må brukes for å utføre denne reaksjonen. Samtidig er metan også i stand til å reagere med klor, men ved en friradikalmekanisme, som krever bestråling av den første reaksjonsblandingen med UV-lys. Toluen, avhengig av forholdene som det gjennomgår klorering under, er i stand til å gi enten substitusjonsproduktene av hydrogenatomer i benzenringen - for dette må du bruke de samme forholdene som ved klorering av benzen, eller substitusjonsproduktene av hydrogenatomer i metylradikalet, hvis det er på det, hvordan virke på metan med klor når det bestråles med ultrafiolett lys:

Som du kan se, førte kloreringen av toluen i nærvær av aluminiumklorid til to forskjellige produkter - orto- og para-klortoluen. Dette skyldes det faktum at metylradikalet er en substituent av den første typen.

Hvis kloreringen av toluen i nærvær av AlCl 3 utføres i overskudd av klor, er dannelsen av triklor-substituert toluen mulig:

På samme måte, når toluen kloreres i lyset ved et høyere klor/toluen-forhold, kan diklormetylbenzen eller triklormetylbenzen oppnås:

Nitrering

Substitusjonen av hydrogenatomer for nitrogruppe, under nitreringen av toluen med en blanding av konsentrerte salpeter- og svovelsyrer, fører til substitusjonsprodukter i den aromatiske kjernen, og ikke i metylradikalet:

Alkylering

Som allerede nevnt er metylradikalet en orientant av den første typen, derfor fører Friedel-Crafts-alkyleringen til substitusjonsprodukter i orto- og para-posisjonene:

Tilleggsreaksjoner

Toluen kan hydrogeneres til metylcykloheksan ved bruk av metallkatalysatorer (Pt, Pd, Ni):

C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

ufullstendig oksidasjon

Under virkningen av et slikt oksidasjonsmiddel som en vandig løsning av kaliumpermanganat, gjennomgår sidekjeden oksidasjon. Den aromatiske kjernen kan ikke oksideres under slike forhold. I dette tilfellet, avhengig av pH i løsningen, vil enten en karboksylsyre eller dens salt dannes.