Углеводороды — органические соединения, в состав которых входят только два элемента: углерод и водород.
Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями, состав которых выражается общей формулой CnH2n+2, где n – число атомов углерода.
Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или предельные углеводороды. Их также называют парафинами.
Все атомы углерода находятся в состоянии sp3— гибридизации, валентный угол равен 109о28’, длина связи С – С составляет 1,54 Ао. Ниже приводятся формулы и названия первых десяти членов гомологического ряда предельных углеводородов и соответсвующих им алкильных радикалов.
Гомологический ряд алканов
Мелекулярная формула иНазвание алкана Формула и название алкильного радикала
СН4 , метан — СН3, метил
С2Н6, этан — С2Н5, этил
С3 Н8, пропан — С3 Н7, пропил
С4 Н10, бутан — С4 Н9, бутил
С5 Н12, пентан — С 5Н11, пентил (амил)
Спосoбы получения алканов.
1. По реакции Вюрца – действием металлического натрия на галоидные алкилы:
СН3 – СI + 2Nа + СI – СН3 → СН3 – СН3 + 2NаСI
2. плавлением натриевых солей карбоновых кислот с едкими щелочами:
СН3 –СН2 – СООNа + NаОН → СН 3–СН3 + Nа2СО3.
3. Гидролиз карбида алюминия, получается метан:
АI4С3 + 12Н2О → 3СН4 + 4АI(ОН)3.
4. Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализаторов.
СnН2n + Н2 → СnН2n+2
5. Синтез из оксида углерода (II) и водорода:
nСО + (2n+1)Н2 → CnH2n+2 + nН2О
Химические свойства алканов.
1. Галогенирование (реакция радикального замещения):
СН4 + СI2 → СН3СI + HCl
2. Нитрование (реакция М.И.Коновалова):
СН3 — СН((СН3) – СН2 – СН3 + НО — NО2 → СН3 – С(СН3)(NО2) — СН2 – СН3 +Н2О
2-метил-бутан 2-метил-2-нитробутан
3. Сульфирование:
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 +НО -SО3Н → СН 3– СН(SО3Н) – СН2 – СН3 + Н2 О
Бутан 2-сульфобутан (бутан-2-сульфокислота).
4. Реакции окисления.
а) неполное окисление 2СН4 + 3О2 → 2СО + 4Н2О
б) полное окисление СН4 + 2О2 → СО 2 + 2Н2О
5. Крекинг ( расщепление ) алканов.
С4Н10 → С2Н6 + СН2 = СН2
6. Дегидрирование:
СН3 – СН3 → СН2 = СН2 + Н2↑
Этан Этен
Метан используется в основном в качестве дешевого топлива. При горении он дает почти бесцветное пламя. Из метана получают ценные химические продукты: метанол, синтез-газ, формальдегид, ацетилен, различные хлорпроизводные. Этан используется при синтезе этилена. Пропан в смеси с бутаном используется в качестве топлива. Средние члены гомологического ряда используют как горючее для двигателей (бензин, керосин), а также в качестве растворителей. Высшие алканы – топливо для дизельных двигателей, смазочные масла и сырье для производства моющих средств.
Непредельными (ненасыщенными) называют соединения, в состав которых входят молекулы с двойными или тройными связями. Первым представителем гомологического ряда алкенов является этен (этилен) – С2Н4. Часто применяется для них название олефины. Гомологический ряд алкенов имеет общую формулу СnН2n, т. е. как у циклоалканов. Таким образом, алкены и циклоалканы – изомеры, относящиеся к разным классам. Характерной особенностью строения алкенов является наличие в молекуле двойной связи >C=C<. Двойная связь образуется при помощи двух пар обобщенных электронов. Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, каждый из них образует три σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120º. Негибридизованные р-орбитали расположены перпендикулярно к плоскости σ-связей и параллельно друг другу и вследствие «бокового» перекрывания образуют вторую связь, называемую π-связью. Электронное облако π-связи лежит частично над плоскостью и частично под плоскостью, в которой лежат атомы. Для алкенов характерна структурная изомерия: различия в разветвлении цепи и в положении двойной связи, а также пространственная изомерия (цис- и трансизомеры). Тривиальные названия олефинов характеризуются добавлением окончания илен: этилен, пропилен и т.д. По международной номенклатуре алкены называют путем нумерации наиболее длинной цепи начиная с конца, к которому ближе двойная связь. По рациональной номенклатуре они считаются производными этилена, где один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Например назовем вещество по исторической (тривиальной) рациональной и международной (ИЮПАК) номенклатурам:
СН3 – С(CH3)= СН2 Изобутилен, 2-метил-пропен
Способы получения алкенов
1. Дегидратацией одноатомных спиртов:
Н2SO4
СН3 – СН2 – СН2 – ОН → СН2 = СН – СН3 + Н2О
2. Дегидрогалогенирование галоидсодержащих углеводородов спиртовыми растворами щелочей:
СН3 – СН2Вr + КОН → СН2 = СН2 + КВr + Н2О
3. Дегалогенирование дигалоидных углеводородов по Густавсону:
СН3 – СН2 — СН(СI) — СН2СI + Zn → СН3 — СН2 — СН = СН2 + ZnСI2
4. Селективное (избирательное) гидрирование ацетиленовых углеводородов:
СН 3 — С ≡ СН + Н2 → СН3 — СН = СН2
5. Дегидрирование предельных углеводородов:
СН3 – (СН2)2 – СН3 → СН2 = СН – СН2 – СН3 + СН3 – СН = СН – СН3 + Н2
Химические свойства алкенов.
Для алкенов характерны реакции присоединения. Здесь необходимо вспомнить правило Марковникова В.В.: При присоединении веществ типа НХ (Х – галоген, ОН и т. д.) к несимметричным алкенам атом водорода присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а Х к менее гидрогенизированному атому углерода.
1. Гидрирование :
СН2 = СН2 + Н2 → СН3 — СН3
2. Присоединение воды:
СН3 — СН = СН2 + НОН → СН3 — СН(ОН) — СН3
3. Присоединение серной кислоты:
СН3 — СН = Сh2 + Н2SО4 → СН3 — СН(ОSO3H) – СН3
4. Присоединение галогеноводородов
СН2 = СН – СН3 + НСI → СН3 – СН(СI) – СН3
5. Присоединение галогенов
СН3 – СН = СН2 + Вr2 → CH3 – СН(Вr) – СН2Вr
6. Окисление (реакция Вагнера, на холоду, КMnО4 в щелочном растворе)
3СН3 — СН= СН2 + 2КMnО4 + 4Н2О → 3СН3 — СН(ОН) – СН2 ОН +2МnО2 + 2КОН
7. Окисление в жестких условиях:
СН3 – СН2 – СН = СН2 + [O] → СН3 – СН2 – СООН + НСООН
8. Полимеризация:
nСН2 = СН2 → (- СН2 — СН2— ) n
Этилен является одним из важнейших полупродуктов для промышленности органического синтеза. Многие вещества, получаемые непосредственно из этилена, имеют практическое применение или используются для дальнейших синтезов. Пропилен используется для производства изопропилового спирта, ацетона, глицерина, полипропилена. Изобутилен используется для синтеза изооктана, полиизобутилена. Бутилены применяются для получения бутадиена – продукта для получения синтетического каучука.
Алкины — это углеводороды, в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp-гибридизации и связаны друг с другом тройной связью: — С ≡ С — . Общая формула СпН2п-2.
Простейший представитель – ацетилен (этин) С2Н2. Тройная связь состоит из одной σ- и двух π- связей. По рациональной номенклатуре их считают производными ацетилена. По международной номенклатуре ( ИЮПАК ) названия их образуются заменой суффикса «-ан» в названии соответствующего предельного углеводорода на «-ин». Нумерацию цепи проводят начиная с конца, к которому ближе тройная связь. Назовем УВ соответственно по рациональной и международной номенклатурам:
СН3 – С ≡ С – СН3 — диметилацетилен, бутин-2
Способы получения алкинов.
1. Пиролиз метана.
2СН4 → С2Н2 + 3Н2↑
2. Карбидный способ.
а) СаО + 3С → СаС2 + СО
б) СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2
3. Дегидрогалогенирование дигалойдных углеводородов спиртовыми растворами щелочей.
СН3 – СН(Вr) – СН2Br + 2КОН → СН3 – С ≡ СН + 2КВr + 2Н2О
4. Каталитическое дегидрирование этиленовых углеводородов.
СН3 – СН = СН2 → СН3 – С ≡ СН + Н2↑
5. Реакцией ацетиленидов с галойдными алкилами.
НС ≡ СNa + С2Н5СI → НС ≡ С – СН2 – СН3 + NаСI
Химические свойства алкинов.
1. Присоединение водорода
НС ≡ СН + Н2 → Н2С = СН2; Н2С = СН2 + Н2 → Н3С – СН3
2. Присоединение галогенов
НС ≡ СН + Вr2 → ВrНС = СНВr ; ВrНС = СНВr + Вr2 → Вr2НС — СНВr2
3. Присоединение галогеноводородов
СН3 – С ≡ СН + НСI → СН3 – С(Cl) = СН2;
СН3 – С(СI) = СН2 + НСI → СН3 – С(СI)2 – СН3
4. Присоединение воды. Из ацетилена получается уксусный альдегид ( реакция Кучерова М.Г), из других алкинов – кетоны, например:
Hg2+
НС ≡ СН + Н2О → СН3 – С(O)Н
Hg2+
Н3С – С ≡ СН → СН3 – С(O) – СН3
5. Присоединение спиртов.
НС ≡ СН + НОС2Н5 → Н2С = СН – ОС2Н5
6. Присоединение карбоновых кислот.
HС ≡ СН + СН3СООН → Н2С = СН – ОО С – СН3
7. Образование винилацетилена.
НС ≡ СН + НС ≡ СН → Н2С = СН – С ≡ СН
8. Образование ацетиленидов, например ацетиленида меди:
НС ≡ СН + 2СиС1 + 2NН3 → Сu – С ≡ С – Сu + 2NН4СI
9. Тримеризация ацетилена.
3С2Н2 → С6Н6
10. Горение.
2С2Н2 + 5О2 → 4СО2↑ + 2Н2О
Ароматические УВ (арены) – это УВ, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Общая формула ароматических УВ — СпН2п-6.
Простейшим представителем ароматических УВ является бензол – С6Н6 benzol
По современным представлениям атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2 -гибридизации. Установлено, что все электроны принимающие участие в образовании связей между атомами углерода в бензоле распределены равномерно. Каждый атом углерода связан с двумя соседними при помощи sp2-электронов, а также p-электронов. Облака p-электронов, имеющих форму объемных восьмерок расположены перпендикулярно плоскости молекулы и равномерно перекрываются друг с другом и образуют единую π-электронную систему. Такое особое сочетание шести σ- связей с единой π- системой называют ароматической связью.
Названия ароматических УВ производят от слов «бензол» или «фенил», например: метилбензол, фенилметан, толуол.
Если в молекуле бензола имеются 2 заместителя, то их обозначают «орто-» (о-,1,2-), «мета-» (м-,1,3-), «пара-» (п-,1,4-)
Способы получения аренов.
Главным образом ароматические УВ получаются из продуктов перегонки каменного угля и нефти. Синтетически их получают:
1. Из ацетилена
3С2Н2 → С6Н6
2. Из солей ароматических кислот:
С6Н5СООNа + NаОН → С6Н6 + Nа2СО3
3. По реакции Фриделя-Крафтса получают гомологи бензола:
С6Н6 + СIС2Н5 → С6Н5 – С2Н5 + НСI
4. По реакции Вюрца- Фиттига:
С6Н5СI + 2Nа + СIСН3 → С6Н5 – СН3 + 2NаСI
Химические свойства ароматических углеводородов
1. Присоединение водорода:
С6Н6 + 3Н2 → С6Н12
2. Присоединение галогенов:
С6Н6 + 3СI2 → С6Н6СI6
3. Замещение атома (или атомов) водорода галогеном (галогенами):
С6Н6 + 6Вr2 → С6Вr6 + 6НВr
4. Нитрование:
С6Н6 + НОNО2 → C6H5NO2 + Н2О