Вопросы и задачи
1. Какие соединения называются предельными углеводородами? Приведите примеры.
2. Укажите особенности строения молекулы метана.
3. Гомологический ряд алканов. Первичные, вторичные, третичные атомы углерода.
4. Номенклатура алканов.
5. Сформулируйте понятия: изомерия, изомеры.
6. Изомерия предельных углеводородов (структурная, конформационная, оптическая).
7. Электронное и пространственное строение метана и его гомологов (sp3-гибридизация, характеристика σ–С–С и σ–C–H связей).
8. Физические свойства алканов и их зависимость от длины и степени разветвленности углеродной цепи.
9. Напишите структурные формулы всех изомерных углеводородов, имеющих молекулярную формулу С6Н14. Назовите их по рациональной и систематической номенклатуре. Сравните ТКИП и ТПЛ полученных изомеров.
10. Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие соединения:
а) СН3–СН(СН3)–СН(СН3)–СН3;
б) СН3–С(СН3)2–С3Н7;
в) СН3–СН(СН3)–СН2–СН(С2Н5)–С2Н5;
г) С2Н5–СН(СН3)–СН(СН3)–СН(СН3)–СН(С2Н5)–СН3;
д) СН3–СН2–СН(С2Н5)–СН3.
11. Напишите структурные формулы соединений по их названиям: 2-метилпентан; 2, 5, 6-триметилоктан; 3, 3-диэтилгексан; 1, 3-диметилциклогексан; 2, 2, 4-триметилпентан.
12. Составьте уравнения реакции, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:
а) С → СН4 → СН3Сl → С2Н6 → С2Н5Сl;
б) Аl4С3 → СН4 → СН3Вr → С2Н6 → СО2 → СО → СН4.
13. Вычислите, сколько хлора в литрах и в граммах потребуется, чтобы получить 202 г хлорметана?
Лабораторная работа № 3 получение и основные свойства алкенов Теоретическая часть
Алкены (этиленовые углеводороды, олефины) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь С=С, которая осуществляется 4-мя общими электронами. Общая формула ряда алкенов CnH2n. Простейший представитель: C2H4.
В образовании двойной связи участвуют атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по три 2sp2-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 120°, и одну негибридизованную 2р-орбиталь, расположенную под углом 90° к плоскости гибридных АО.
Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей. σ-связь возникает при осевом перекрывании sp2-гибридных орбиталей, а π-связь – при боковом перекрывании р-орбиталей соседних sp2-гибридизованных атомов углерода. π-связь менее прочная вследствие меньшей эффективности перекрывания р-орбиталей:
Номенклатура. По систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов путем замены суффикса -ан на -ен или -илен:
Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи. Цифра, обозначающая положение двойной связи, ставится обычно после суффикса -ен:
3-метилбутен-1.
Изомерия
1. Структурная изомерия
Изомерия углеродного скелета (начиная с С4Н8):
бутен-1 2-метилпропен
Изомерия положения двойной связи (начиная с С4Н8):
бутен-1 бутен-2
Межклассовая изомерия с циклоалканами (начиная с С3Н6):
пропен ← С3Н6 → циклопропан
2. Пространственная изомерия
Алкены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители, могут существовать в виде двух пространственных изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости π-связи. Так, в молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи в цис-изомере, либо по разные стороны в транс-изомере:
цис-3, 4-диметил-2-пентен транс-3, 4-диметил-2-пентен
Физические свойства алкенов закономерно изменяются в гомологическом ряду: от С2Н4 до С4Н8 – газы, начиная с С5Н10 – жидкости, с С18Н36 – твердые вещества. Алкены практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Химические свойства алкенов определяются строением и свойствами двойной связи С=С, которая значительно активнее других связей в молекулах этих соединений. Поэтому для алкенов наиболее характерны реакции, протекающие за счет раскрытия менее прочной π-связи, преобразующейся в σ-связь в продукте реакции. Исходное ненасыщенное соединение превращается в насыщенное без образования других продуктов, т. е. происходит реакция присоединения. Также алкенам свойственны реакции изомеризации и окисления (в том числе реакция горения).
1. Реакции присоединения к алкенам
Гидрирование (присоединение водорода). Алкены взаимодействуют с водородом при нагревании и повышенном давлении в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni и др.) с образованием алканов:
Галогенирование (присоединение галогенов). Присоединение галогенов по двойной связи С=С происходит легко в обычных условиях. Быстрое обесцвечивание красно-бурой окраски раствора брома в воде (бромной воды) служит качественной реакцией на наличие двойной связи:
Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов)
этилен хлорэтан
Направление реакции присоединения галогеноводородов к алкенам несимметричного строения (например, к пропилену CH2=CH–СН3) определяется правилом Марковникова: в реакциях присоединения полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (т. е. атому углерода, связанному с наибольшим числом атомов водорода).
Так, в реакции HCl c пропиленом образуется 2-хлорпропан.
пропилен 2-хлорпропан
Гидратация (присоединение воды) происходит в присутствии минеральных кислот
В реакциях несимметричных алкенов соблюдается правило Марковникова.
Полимеризация – реакция образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Число n в формуле полимера называется степенью полимеризации. Реакции полимеризации алкенов идут за счёт присоединения по кратным связям:
этилен полиэтилен
2. Реакции окисления алкенов
Строение продуктов окисления алкенов зависит от условий реакции и природы окислителя.
Мягкое окисление алкенов водным раствором перманганата калия приводит к образованию двухатомных спиртов:
В ходе этой реакции происходит обесцвечивание фиолетовой окраски водного раствора KMnO4. Поэтому она используется как качественная реакция на алкены.
При жестком окислении алкенов кипящим раствором KMnO4 в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи:
Промышленное значение имеет частичное окисление алкенов с образованием циклических оксидов, которые широко используются в органическом синтезе:
Полное окисление (горение):
3. Изомеризация алкенов протекает при нагревании в присутствии катализаторов (Al2O3).
Изомеризация алкенов приводит или к перемещению π-связи:
или к перестройке углеродного скелета:
Получение алкенов
1. Крекинг алканов:
2. Отщепление (элиминирование) двух атомов или групп атомов от соседних атомов углерода с образованием между ними двойной связи:
1) дегидрогалогенирование галогеналканов при действии спиртового раствора щелочи
2) дегидратация спиртов при повышенной температуре (выше 140 °C) в присутствии водоотнимающих реагентов
Реакции элиминирования идут в соответствии с правилом Зайцева: отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.
3) дегалогенирование дигалогеналканов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, при действии активных металлов:
4) дегидрирование алканов при 500 ºС:
