Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу
.pdfатомов) и получают основу названия (5-пентан). Нумеруют цепь (от 1 до 5) так, чтобы заместители (—СН3) получили наименьшие номера (2 и 3). В названии арабскими цифрами указывают положение заместителей, а приставками ди-(2), три-(З), тетра-(4) и т. д-число одинаковых заместителей. Таким образом в нашем примере алкан должен быть назван 2,3-диметилпентан.
При налйчии разных заместителей их названия расстав ляют по алфавиту, т.е., например, сначала метил, а затем этил. Пример: 4-метил-З-этилгептан
СН3 С2Н5
СН3—СН2—СН2—СН—СН—СН2—СН3
7- |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
Алканы относительно химически инертные соединения. В алканах атомные орбитали углерода имеют ^-ги бри
дизацию; четыре электронных облака атома углерода на правлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. Кова лентные связи, образуемые каждым атомом углерода, в ал канах малополярны. Поэтому алканы вступают только в ре акции замещения, протекающие с симметричным (радикаль ным) разрывом связей С—Н. Эти реакции обычно идут в жестких условиях (высокая температура, освещение). В ре зультате становится возможным замещение водорода на талоген (С1, Вг) и нитрогруппу (Ж )2), например, при обра ботке метана хлором:
СН*а 2 |
СНС1э |
СС14 |
В таких реакционных схемах вещество над стрелкой означает второй (часто неорганический) реагент, а вещество со знаком «минус» под стрелкой-второй продукт, т.е. первый этап схемы отвечает уравнению
СН4 + С12 —* СН3С1 + НС1
Втех алканах, где кроме первичных есть также вторичные
итретичные атомы углерода, замещение обычно протекает
собразованием смеси однозамещенных продуктов (т.е. в каждой молекуле замещается один атом водорода), напри мер:
СН3СН2СН3 С12, свет СН3СН2СН2 - С1 + СН3СНСН3
пропан |
1-хлорпропан |
С1 |
|
|
2-хлОрпропан |
200
Аналогичными . свойствами {достаточной химической инертностью) обладают циклоалканы (циклопарафины), т. е. предельные углеводороды циклического строения. Так, циклопентан взаимодействует с хлором на свету:
Н2С—СН2 ^ |
Н2С—СН—С1 |
||
Г 2 | |
| 2 С12, свет |
|
| |
Н2с |
СН2 —НС1 5 Н2с |
СН2 |
|
2 \ У |
\ |
/ |
|
|
сн2 |
|
сн2 |
хлорциклопентан
Общая формула гомологического ряда циклоалканов СиН2и. Источниками алканов и циклоалканов в промышленно
сти являются нефть, природный газ, каменный уголь.
Влаборатории предельные углеводороды получают:
1)по реакции Вюрца-действием натрия на галогенпроизводные углеводородов, например
С2Н5-}-Вг + 2Ма + ВГ+С2Н5 ~_Ма0Г у СН3СН2СН2СН3
бромэтан |
|
|
|
бутан |
||
|
|
|
|
|
|
скг2 |
СН2СН2СН2СН2СН2 + 2№ |
- > |
Н2С/ |
\сн2 |
|||
I |
- |
I |
_ |
-2№Вг |
2! |
! |
Вг |
Вг |
|
|
Н2С — СН2 |
||
|
1,5-дибромпентан |
|
|
циклопентан |
||
2) каталитическим гидрированием этиленовых углеводо родов (катализаторы Р1, Рё, N1), например
сн2=сн2 сн3—сн3
этилен этан
3) сплавлением солей карбоновых кислот с гидроксидом натрия, например
СНз"1“ с С |
+ МаО . Н — * ■■» СН4 |
| Ч СШа |
| -м а 2со3 |
•------------------- |
1 |
ацетат натрия |
метан |
При горении метана выделяется много теплоты:
СН4 + 202 = С 02 + 2Н20 4- 880 кДж.
Поэтому его (в виде природного газа) широко применяют в качестве топлива в быту и в промышленности.
201
Упражнения
22.1.Укажите,ч какие из-следующих углеводородов являются гомологами метана: С6Н125 СзНб, С7Н1б, С8Н14, С1()Н18, С12Н2б, С7Н8, С15Н32, С9Н20. Составьте сокращенные структурные фор мулы гомологов, метана с прямой цепью.
22.2.Составьте структурные, формулы следующих веществ: 3-метилпентан, 2,3-дихлорбутан, 2,3-диметилД,4-диэтилгептан,
2-бром-1-фторпропан, 2,4-диметил-3,4-диэтилоктан, 2-фтор-3,4-ди- хлорпентан, 1,3,3,5-тетрабромгептан.
. 22.3. Составьте формулы и названия: а) |
трех изомеров С5Н12, б) |
|
' пяти изомеров С6нГ4 |
' |
' |
22.4.Назовите" следующий алкан:
*у
СН3 |
|
I |
ч |
С2Н5—СН—С—С4Н9 |
. |
СН'з СН3 |
~ |
22.5. Назовите вещества, представленные следующими углево- • дородными цепями:
—С1—1С—1 С—, —С1—С—С—, —Сг—5С—гС—гС—Вг,
' |
Л |
- |
' |
|
. Г |
|
О - |
' |
Ат' ' |
# . |
|
- |
|
1 |
|
|
|
|
|
- А |
- - |
• |
. ■ |
|
|
I |
|
|
|
|
И |
I |
III |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
. . |
Вг |
|
I |
I |
I |
|
‘ |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
||||||
—С—С—с —с —с —с —. |
|
|
|
|
|||||||
, |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
, |
|
, |
|
|
Вг |
—С— |
|
|
|
|
|
|
' ' |
|||
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IV |
|
|
|
|
|
|
|
|
Одинаковыми или разными являются вещества I и II, III и 1У? Ответ |
|||||||||||
обоснуйте. |
|
|
|
; |
• |
|
|
|
|||
22.6.Напишите структурную формулу циклоалкана С6Н12 и на зовите его. / .
22.7.Напишите уравнения реакций, представленных схемами: а) метан —> хлорметан —> дихлорметан —> три-
хлорметан —> СС14
тан |
б)^СН3СН2СООКа ,—> этан —> хлорэтан —> бу |
—> , с о 2, |
|
сан. |
в) 1,6-дихлоргексай —► 1щклогексан —> бромциклогек- |
* |
202
23. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
РЯДА ЭТИЛЕНА. ДИЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
< ’ Н.ч '* .*Н. _> #.тльго.* ч ‘
>АлкенЫ (олёфины) ^ йёпрёдельнйе углеводброды рада этилена. Гомологический рад и ноМёЙклатураЛГеомет^йчеёкая изомерия.
Химические свойства азйсенов, реакции присоединения. Правило Марковникова. Качественная реакция на алкены. Диеновые уГЛеВО-
дОрОДЫ (аЛКаДИеНЫ). : '1 |
^ е ' ~ |
.'»1ч ‘-*'ао |
Способы получения алкенов. Этилен как важнейший представи |
||
тель алкенойл |
» |
/ ь ‘ |
Полимеры. Природный и синтетический каучук. |
||
Непредельные углеводороды ряда этилена (алкены, олефи- |
||
ны)~ это углеводороды, |
в молекулах которых |
содержатся |
атомы углерода, соединенные между собой двойной связью. Простейший представитель-этилен С2Н4. Этиленовые угле водороды образуют гомологический ряд с общей формулой
С„Н2и: |
- |
' |
С2Н4-этилен(этен) * |
1 С5Н10-пёнтен |
• |
С3Н6 - пропилен (пропен) |
С6Нг2 - гексен |
|
С4Н8-бутилен (бутен) } |
С7Н14-гептен и т.д. |
|
Атомы углерода в алкенах, образующие двойную связь, находятся в^/72-гйбридном состоянии; ст-связь двойной связи С = С и ст-связи;С—;Н лежат в одной плоскости под углами 120° друг к другу, а тг-связь двойной связи С = С представля ет собой электронное облако, вытянутое в направлении, перпендикулярном плоскости ст-связей. Следствием такого строения алкенов является возможность геометрической изо мерии (щс-транс-шомсрш) в зарисимости от положения заместителей, например:
СНзЧ /С Н 3 СНзЧ /Н
н>С- < н |
..н>С- С<сн, |
цис-бутсп-2 ! |
транс-6утен-2 |
(«цис»-от лат. «рядом, по одну сторону», «транс»-от лат. «напротив, по разные стороны»).
В силу меньшей прочности тг-связи по сравнению с ст-связью она легко разрывается, в результате чего протека ют реащии присоединения к алкенам и образуются насыщен ные органические соединения. Как правило, такие реакции протекают в мягких условиях, часто на холоду и в раствори телях, например воде, тетрахлориде углерода (тетрахлорме-
* Этилен-рациональная номенклатура («ан» -> «илен»), этенсистематическая номенклатура («ан» «ен»).
203
* |
1,2-дибромпропан |
*'аТ |
пропен |
( |
гАналогично протекает взаимодействие алкенов с бромоводородом:
СН2= С Н 2^ С Н , —СН, |
; . ' : ! |
I Г
НВг
этилен бромэтан
Присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам теоретически может привести .к двум продуктам:
->.Л’ . - , ^ 0 |
“ г-^СЩСНХН Л*П'У*\‘Гл •» |
||
СН3—с н = с н 2 +.Н1 - Г ; |
,,.,,3... *. -2 |
ч |
|
пропен |
^ |
СН3СН(Г)СН3 |
' ' ; . . |
Согласно правилу Марковникова присоединение галогеново дородов к несимметричным Галкенам протекает так, что водород присоединяется к тому атрму углерода, который содержит большее число атомов водорода, а атом галогена- к атому углерода с меньшим числом Н. В приведенной выше реакции продуктом будет соединение СН3ОН(1)СН3. •
По правилу Марковникова протекает и реакция гидрата- щи, т. е. реакция присоединения воды в присутствии серной
кислоты. Она происходит в две стадии: |
|
, |
|
|
|||
вначале образуется алкилсерная кисдота, т. е. Д 28 0 4 при |
|||||||
соединяется к г^ену? на1ф |
^ |
' |
/ . |
" |
|
|
|
СН3—СН=СН2 + Н2804 |
СН3—СН—СН3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
0 8 0 3Н |
|
|
|
|
. пропен |
\ лзопропилсерная кислота |
|
|
|
|||
а затем происходит ее необратимый гидролиз |
|
|
|||||
СН3—СН—СНз + Н20 — |
|
СН3—СН—СН3 |
* |
^ |
" |
||
| |
>— |
|
| |
|
|
|
|
0 8 0 3Н |
|
|
ОН |
|
|
|
|
|
|
|
пропанол-2 |
|
|
|
|
Алкены обесцвечивают раствор перманганата калия на холоду в нейтральной среде, при этом образуются гликоли (двухатомные спирты):
СН2=С Н 2 КМп° 4’ |
с н 2—с н 2 |
. . . |
||||
2 |
2 |
. . . |
| |
| |
2 |
|
|
|
|
о н |
о н |
|
. |
этилен |
|
|
этиленгликоль |
|
||
ИЙ
Обесцвечивание бромной воды и раствор&^радар^адатаг калия служит качественной реакцией на непредельн&е углёвб-!
дороды. |
, !Г) Ю --ЧЮ |
гтв + Л* > ~ - л «Л |
Большое |
практическое значение |
находят непредельные |
углеводороды, содержащий две'двойные связи С=С-диено вые углеводороды (алкадиены), особенно сопряженные дйёны,
в |
которых |
две |
двойные |
связи |
С = С |
разделены |
простой |
|
связью - С-г—С: |
|
|
|
|
? |
*п - |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
СН2= С Н —СН=СН2 ... |
СН2= С —СН=СН2 |
|
||||||
|
сн3 |
бутадиен-1,3 |
2-метилбутадиен-1,3 |
(дивинил) |
. . . (изопрен) |
, Алкадиены вступают в те же реакции присоединения, что и алкены. Сопряженные диеныг имеют особые свойства, в частности в реакциях присоединения, образуют продукты 1,4-присоединения с одной двойной связью посредине:
СН2=СН —СН=^СН2 ^ СНз—СН=СН—СН^- :^ |
— |
|||
|
|
'• ' |
■' |
^ |
|
1,4-дибромбутен-2 |
|
||
Алкены и алкадиены способны вступать в реакции поли |
||||
меризации: |
|
|
|
|
а) и(СН2=С Н 2) —V |
[—СН2—СН2—]и |
|
||
этилен |
полиэтилен |
" |
|
|
б) и(СН2= С Н —СН===СН2) |
‘ Х^СН2—Щ = с н ^ с й 2—3„ |
|||
бутадиен-1,3 |
’ |
полибутадиечовый каучук |
||
в) п(СН2= С —СН=СН2) —> |>-СН2—С=СН —СН2—]й |
||||
I |
|
|
I |
|
сн3 |
|
|
сн3 |
|
2-метилбутадиен-1,3 |
полиметилбутадиеновый каучук |
|||
Последний каучук-это полимер, существующий в природе (натуральный, каучук), а полибутадиеновый каучук получен искусственно (С. В. Лебедев, 1932 г.) и называется синтети ческим каучуком.
Влаборатории алкены получают:
1)дегидратацией спиртов (отщеплением воды от спир тов), например ,
СН3—СН2—ОН |
—г12С/ •180°с > с н 2= с н 2., |
|
этанол |
г |
■: этилен |
205
2) дегидрогалогенированием - отщеплением галогеноводорода от моногалогенопроизводного под действием спирто вого раствора щелочи, например
СНз-СН -СНз кон-сш,рт’ Тснэ-с н = с н 2
С1
2-хлорпропан пропен
В промышленности для получения алкенов используют метод каталитического дегидрирования алканов, например:
а) СН3—СН3 |
"~Н2 |
> СН2= С Н 2 |
|
этан |
этилен |
||
|
б) СН3СН2СН2СН3 Сг2Оз/А129 з.700°С ( .СН2=СНСН=СН2
— “ |
2 |
бутан |
бутадиен-1,3 |
По способу Лебедева бутадиен-1,3 получают из этанола на катализаторе:
С2Н5ОН |
сн2=сн —СН=СН2 |
Упражнения
23.1. Укажите, какие из веществ являются гомологами этилена (или их галогенопроизводными): С6Н10Вг2, С3Н8, С7Н14, С8Н147
СхоНхбСЦ, С5Ню, ^ 12^269 С8Н10, С15Н30, С4Н6. Составьте сокра щенные структурные формулы гомологов этилена (двойная связь-у первого атома углерода; цепь-прямая).
23.2. Составьте структурные формулы следующих веществ: бутен-1, бутен-2, 1,2-дибромпропан, гептен-3, пентадиен-1,4, 2-ме- тилпентен-1, 2-этилпентен-1, метилпропен, 2-метил-З-хлорпропен-1, ^мс-пентен-2, транс-пентен-2, этилциклогексан, 2,7-диметил-З-этил- октен-1, 2-хлорбутадиен-1,3.
23.3.Составьте структурные формулы всех возможных геомет рических изомеров для алкенов С5Н10 и С6Н12. Назовите эти изомеры.
23.4.Назовите вещества, представленные следующими углерод ными цепями:
1 1 1 1 |
1 ‘ |
- ' |
—С—С—С = С —, —С =С —С—С1, |
|
|
I I |
I I I |
|
С1 |
—С— |
|
206
III |
Г: |
НУ /■' ■ -- |
Одинаковыми или разными являются вещества I и II, III и IV? Ответ обоснуйте.
23.5. Составьте уравнёййя "реакций по следующим Схемам:
|
4-а) пропан |
—> |
2-бррмпропан |
—► пропен —> 1,2-ди |
||
бромпропан; |
4 |
- г!:.-' |
: |
|
« '• |
|
|
б) этан |
—> .этилен |
—> |
хлорэтан —> бутан |
—► бу- |
|
тен-2 —> бутадиен-1,3. |
|
|
|
|||
|
24. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ |
|
||||
|
:г.'Г ; |
РЯДА АЦЕТЙЛЕНа. :В |
, . : и |
|||
|
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ . |
|
||||
4 |
|
|
|
|
г г* |
|
|
Алиины-непредельные углеводороды ряда^ацетилейа. Гомоло |
|||||
гический ряд, номенклатура. Строение алкинов^ Химические свой ства, реакции присбединения, замещения, полимеризаций. Способы получения алкинов. г , !
Ацетилен как важнейший представитель алкинов. Ароматические углеводороды (арены). Гомологический ряд бен
зола. Номенклатура. Электронное строение бензола. Понятие об ароматичности. Взаимное влияние атомов и атомных групп в моле куле. Химическиесвойства бензола и его гомологов, реакции заме щения. Получение б е н з о л а . ^ ^ -
Взаимосвязь между гомологическими рядами углеводородов. Природные Источники углеводородов. Прйродные: газы ри их
испбльзование: Комплексна^4переработка -неф^гй. Нефтепродукты и их использование.^: \ т - ‘
Непредельные углеводороды ряда ацетилена (алкины)" со держат тройную связь С = С . Общая формула гомологиче ского ряда алкинов СиН2и_2. Простейший углеводород этого ряда, ,С2Н2 носит. название ацетилена.(бесцветный газ).
В алкинах атомные орбитали углерода у тройной связи имеют лр-гибрйдизацию (линейное строение):
а8
Н—С=С—Н
п
Наличие двух тг-связей обусловливает химические свой ства алкинов, в частности высокую способность к реакциям ступенчатого присоединения водорода, хлора, брома, галогеноводородов, воды (сначала образуются производные эти
лена, затем парафинов), например:
а) НС=СН |
н 2’ ра/рь > СН2= С Н 2 Нг’№ > СН3—СН3 |
|
ацетилен |
этилен |
этан |
б) Н С=СН |
5 ^ - СНВг=СНВг |
СНВг2—СНВг2 |
|
1,2-дибромэтен |
1,1,2,2-тетрабромэтан |
в) НС=СН |
5?^-. СН2=СНВг |
СН3—СНВг2 |
|
2-бромэтен |
1,1-дибромэтан |
Йарковникова)рисоединение НВг к |
2-бромэтену происходит по правилу |
г) Н С =С Н Н2° ’ Не?Р4 |
(кат ) с н 3—с € ° |
|
\ н |
ацетальдегид
(эта реакция называется реакцией Кучерова).
Атом водорода при углероде с тройной связью может замещаться на металл щэи пропускании ацетилена через аммиачйые растворы солеи А§ и Си1:
2СН3—С =С Н + А§20 |
— — 2СН3—Се=С—А§ |
пропин |
~“Н20 |
метилацетиленид ? |
|
1 |
серебра(1) |
Способность алкинов давать нерастворимые в воде ацетйлениды серебра(1) и меди(1) используется для качественного обнаружения концевой тройной связи.
При циклизации ацетилена образуется бензол:
■5Р |
70°С г и • |
В промышленности ацетилен получают гидролизом тсарбида (ацетиленида) кальция:
СаС2 + 2Н20 = С2Н2Т + Са(ОН)2,
а также путем разлбжения (пиролиза) метана:
2СН4 -1— -°-С-> НС=СН + ЗН2.
В лаборатории длятюлучения ацетилена и его гомологов используют взаимодействие дигалогенпроизводных углево дородов со щелочами в спиртовом растворе при нагревании:
СН3—СНВг—СНВг—СН3 |
— коп ^ |
СН3—С=С—СН3 |
||
3 |
3 |
-КВг, Н20 |
3 |
3 |
|
2,3-дибромбутан |
|
бутин-2 |
|
208
Ароматические углеводороды (арены) можно рассматри вать как производные бензола С6Н6. Общая формула угле водородов гомологического ряда бензола СлН2и- 6 (при
п^ 6).
Вмолекуле бензола С6Н6 все атомы углерода лр2-гибри-
дизованы; каждый атом углерода соединен в одной плос кости сг-связями с двумя другими атомами углерода и од ним атомом водорода. У каждого атома углерода остается еще облако четвертого валентного электрона, расположен ное перпендикулярно плоскости. Эти облака участвуют в об разовании те-с в я з и , причем в молекуле бензола образуются не три отдельные я-связи (как думали раньше, см. формулу Кекуле, 1865 г.), а единая шестицентровая я-связь (круг внутри шестиугольника сг-связей, все атомы равноценны):
СН
НС^ ^СН
II |
|
НС*. ^ с н |
|
СН |
|
формула |
современная |
Кекуле |
формула |
(бензольное |
кольцо) |
Формула Кекуле часто применяется в тех случаях, когда необходимо более наглядно изобразить протекание реакции
сучастием бензольного кольца С6. В обеих,формулах атомы
Скольца и не участвующие в реакции атомы Н опускаются (для краткости).
Некоторые простейшие гомологи бензола:
метилбензол |
этилбензол |
1-метил-З-этилбензол |
(толуол) |
|
|
Несмотря на формальную непредельность, бензол отли чается высокой устойчивостью к нагреванию и окислению (в гомологах бензола окисляется только боковая цепь, если она содержит кратные связи).. Характерными для бензола явля ются реакции замещения:
а) |
нитрование в присутствии концентрированной серной |
||
кислоты на холоду |
|
||
С6Н5- Н |
Н Ж > 3( К 0 20 Н ) |
|
|
-н 2о |
* |
||
|
|||
бензол
209