3 Дәріс. Қаныққан көмірсутектер (алкандар)

Біз органикалық қосылыстарды қарастыруды көмірсутектер деп аталатын, құрамында тек қана екі элемент көміртек және сутек болатын заттардан бастаймыз. Көмірсутектердің бірнеше тобы (қатары) бар. Ең алдымен қаныққан көмірсутектердің гомологтық қатарымен танысамыз. Оларды алкандар немесе парафиндер деп атайды, жалпы формуласы C_nH_2n+2

Көмірсутек атомдарының бәрі қаныққан көмірсутектер үшін sp³ гибридтелген жағдайда олады.

Қаныққан көмірсутектердің ең қарапайымы - метан. Ол табиғатта өсімдік және жануар организмдері қалдығының ауасыз ыдырауы нәтижесінде түзіледі. Сондықтан ол батпақты суларда, тас көмір шахталарында кездеседі және табиғи газдың құрамында 90% дейін метан бар.

Алкандар және олардың гомологтық қатары.

CH₄ - метан C₈H₁₈ - октан

C₂H₆ - этан C₉H₂₀ - нонан

C₃H₈ - пропан C₁₀H₂₂ - декан

C₄H₁₀ - бутан C₁₁H₂₄ - ундекан

C₅H₁₂ - пентан C₁₂H₂₆ - додекан

C₆H₁₄ - гексан C₁₃H₂₈ - тридекан

С₇Н₁₆ - гептан С₁₄Н₃₀ - тетрадекан

Бұл қатардағы 4 заттың атауы тарихи қалыптасқан. Пентаннан бастап атауы көбінесе грек сан аттарынан құралады. Қарастырып отырған қатардың, әрбір келесі қаныққан көмірсутегінің алдындағы гомологымен салыстырғанда СН₂, яғни метилен тобынан айырмашылығы бар екенін оңай байқауға болады.

Құрылысы. Қаныққан көмірсутектер үшін көміртегі атомдары бір-бірімен жай бір байланысты байланыспен байланысуы тән. Осы байланысты түзу үшін бір пар электрондар қолданылады, және бұл байланыс σ - байланыс деп аталады.

Көміртек атомдарының бәрі қаныққан көмірсутектер үшін sp³ - гибридтелген болады және көміртегінің әр атомы өзара не болмаса сутегі атомымен төрт σ - байланысын түзеді. Молекула аралық қашықтығы 109⁰28^/.

Изомерлері. Бұл қатардың алғашқы үш мүшесінің (метан, этан, пропан) изомерлері болмайды, ал бутан үшін (с4н10) екі изомер болады:

CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₃ CH₃ - CH - CH₃ изобутан

қ - бутан

CH₃

Екеуі де газдар - бірақ қайнау температуралары әртүрлі, қ- бутан үшін -0,5⁰С, изобутан үшін - 10,2⁰С.

Изомерлердің формулаларын жазу үшін ең алдымен көміртек қаңқасының схемасын құрып алу қажет. Содан кейін негізгі тізбекті біртіндеп қысқарта отырып, негізгі тізбектен алынған көміртек атомдарын бүйір тізбек түрінде барлық мүмкіндік жағдайын пайдаланып орналастырады. Мысалы, гептан С₇Н₁₆ көмірсутегі үшін оның мүмкін изомерлерін көміртек қаңқасының схемасымен жазайық:

1 . С - С - С - С - С - С – С 2. С - С - С - С - С - С

С

3. С - С - С - С - С – С 4. С - С - С - С - С

С С С

5. С - С - С - С - С 6. С – С – С – С – С

С С С С

Көмірсутегінің толық формуласын шығару үшін, көміртек атомының 4-валенттілігін еске ала отырып, көміртек скелетін қажетті сутек атомдарымен толтырады. Келтірілген мысалдардан қаныққан көмірсутектердегі көміртек атомдарының орналасу жағдайлары бірдей емес екендігі көрінеді. Олар көміртек және сутек атомдарының әртүрлі санымен байланысқан. Егер көміртек атомының бір валенттілігі көміртек атомының С - С байланыс құруға жұмсалса, оны біріншілік көміртек атом, егер екі валенттілігі екі С атомымен байланыс құруға жұмсалса - екіншілік, егер үш валенттігі жұмсалса - үшіншілік, барлық төрт валенттілігі де С - С байланыс құрса - төртіншілік көміртек атомы деп атайды. Түсінікті болуы үшін мынадай мысалды қарастыралық.

СН₃

Н₃С - С - СН₂ - СН₃

СН₃

Берілген қаныққан көмірсутегінде 4 - біріншілік көміртек; 1 - екіншілік және 1- төртіншілік көміртек бар;

Алкандардан бір сутек атомын алып тастағанда қалатын бір валентті қалдықты алкилдік радикал деп немесе радикал деп атайды. Оны дұрыс атау үшін соған сәйкес көмірсутектің атындағы ан деген жұрнақты ил деген жұрнаққа алмастырады.

Алыну жолдары. Негізінен үшке бөлуге болады.

Молекуладағы көміртек атомының санын өзгертпей жүретін реакциялар. Бұған қанықпаған көмірсутектер молекуласын катализатор қатысында сутектендіру реакциясын мысалға келтірсек болады:

1) Молекуладағы көміртек атомының санын қысқарта жүретін реакцияларға жатады:

а) крекинг + СН₂ = CH₂

б) бір негізді карбон қышқылдарының тұздарынан алу

Көміртек қаңқасын күрделендіре жүретін реакциялар.

Вюрц реакциясы (1855) - алкилгалогенидтерге металдық натрийдің әсері:

Физикалық қасиеттері. Алкандардың гомологтық қатарындағы бірінші төртеуі (метан, этан, пропан, бутан) газдар, С₅-С₁₅ - сұйықтар, ал С₁₆ жоғары - қатты заттар. Гомологтық қатардағы көміртек атомының саны өскен сайын қайнау және балқу температураларымен қатар, салыстырмалы тығыздығы да өседі. Айталық гексанның қайнау температурасы 68,8⁰С, ал гептандікі 98,4⁰С. Яғни СН₂ - тобына өсу 29,6⁰С көтеріп отыр. Тармақталған тізбекті қаныққан көмірсутектері, тармақталған тізбекті көмірсутектеріне қарағанда төменгі температурада қайнайды. Олар суда ерімейді, тек эфирде және органикалық еріткіштерде ериді.

Химиялық қасиеттері. Химиялық тұрғыдан қарастырғанда алкандардың активтілігі төмен, сондықтан да оларды парафиндер (латынша - жақындығы жоқ) деп атайды. Парафиндердің химиялық енжарлығы молекулаларындағы С-С және С-Н байланыстарының беріктігіне байланысты. Оларда тек радикалдық (гомолитті) үзілу болуы мүмкін, ол үшін көбірек энергия жұмсау қажет болады. Молекула мұндай энергияны қыздырғанда немесе жарықпен әсер еткенде ала алады. Оларға қалыпты жағдайда, яғни бөлмелік температурада концентрлі минералды қышқылдар мен сілтілер, тотықтырғыштар әсер етпейді.

Парафиндерге әсіресе орын басу реакциялары тән және де мұндай реакциялар радикалды-тізбекті механизм бойынша жүреді.

Галогендеу реакциясы, мысалы метанды галогендеу:

Cl₂ Cl₂ Cl₂ Cl₂

С Н₄ СН₃Сl CH₂Cl₂ CHCl₃ CCl₄

-HCl -HCl -HCl

хлорлы хлорлы хлороформ төрт

метил метилен хлорлы көміртек

Нитрлеу реакциясы. Жоғарыда айтқанымыздай қалыпты жағдайда парафиндер концентрлі азот қышқылымен әрекеттеспейді. Бірақ сұйытылған азот қышқылының ерітіндісімен қыздырғанда нитрлеу реакциясы жүреді. Бұл реакцияны алғаш 1888 ж. Коновалов ашқан, сондықтан ол Коновалов реакциясы деп аталады.

10% НNO₃ NO₂

t ~ 100-140⁰C CH₃ - CH - CH₂ - CH₂ - CH₃

пентан нитропентан

Бұл реакциямен толығырақ нитроқосылыстарды қарастырғанда танысамыз.

Сульфохлорлау реакциясы. Парафиндерге күкірт газы және хлордың қоспасымен әсер еткенде радикалдық сульфохлорлау реакциясы жүреді. Бұл процесс фотохимиялық ультракүлгін жарықпен (УКЖ) иницирленеді.

сульфохлорид

Сульфохлоридтер тез арада гидролизге түсіп сульфоқышқылдар түзеді.

RSO₂Cl + H₂O → RSO₃H + HCl

Бұлардың натрий және калий тұздары сульфонаттар деп аталады RSO₃Na;

Тотығу реакциясы. Парафиндер қалыпты температурада тотықтырғыштармен әрекеттеспейді. Бірақ жоғарғы температурада олар жанып, көмір қышқыл газына және суға айналады:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ +2H₂O + 891 кДж/моль

Мысалы, 1 кг метан жанғанда 57000 кДж жылу бөлінеді.

Крекинг реакциясы. Алкандарды 400-600⁰С қыздырғанда, олардың молекулалары гомолитті ыдырап крекинг (ыдырау) процесі жүреді.

Мысалы:

бутан этан этилен

Бұл реакцияның практикалық маңызы өте зор. Жоғары температурада қайнайтын мұнай өнімдерін (мазут) ыдырата отырып, төменгі температурада қайнайтын бағалы өнімдер алуға болады - бензин, керосин және де басқалар.

Крекинг немесе ыдыраудың жоғарғы температурада негізгі мәні мынада. Көміртек және көміртек молекуласының арасында гомолитті айырылу процесі жүреді. Сол гомолитті ыдырау процесі барысында пайда болған радикалдар әртүрлі жолмен тұрақталады, яғни өнім береді.

Мынадай мысал қарастыралық: пентанның ыдырауы

СН₂ = CH₂ CH₃ - CH₂ - CH₃ этилен пропан

- Н + Н

С Н₃ - СН₂ - СН₂ - СН₂ - СН₃ → СН₃ - СН₂* + *СН₂ - СН₂ - СН₃

пентан этил бос қ - пропил

радикалы бос радикалы

екі бос радикал

димерленіп

СН₃ - СН₂ -СН₂ - СН₃ СН₃ -(СН₂)₄ - СН₃ бутан гексан

8-кесте

Кейбір қаныққан көмірсутектердің гомологтық қатары

Көмірсу-тектер	Брутто формуласы	Алкилдік радикал	Аталуы
1	2	3	4
Метан	СН4	- СН3	Метил
Этан	С2Н6	- СН2 - СН3	Этил
Пропан	С3Н8	- СН2 - СН2 - СН3 - СН - СН3  СН3	қ-пропил Изопропил
Бутан	С4Н10	- СН2 - СН2 - СН2 - СН3 - СН2- СН - СН3  СН3	қ-бутил изобутил
	С4Н10	- CH - CH2 - CH3  CH3 CH3  - C - CH3  CH3	екіншілік бутил үшіншілік бутил
Пентан	C5H12	- CH2 - CH2 -CH2-CH2 - CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH3  CH3	қ-пентил изопентил
Гексан	C6H14	- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 - CH2 - CH2 - CH - CH2 - CH3  CH3	қ-гексил изогексил

Негізгі әдебиеттер: 1[35-48], 2 [81-117], 3[49-70]

Қосымша әдебиеттер: 4[87-101]

Бақылау сұрақтары

1. Алкандардың гомолықтық қатары. Жалпы формуласы қалай өрнектеледі?

2.Алкандардың номенклатурасы.

3. Алкандардың алынуы, физикалық және химиялық қасиеттері

4. Крекинг реакциясы деген не? Оның маңызы қандай?

5. Радикал ұғымы, олардың атауларына бірнеше мысал келтіріңіз.