8. Углеводороды

8.1 Алканы

Алканы – простейший класс органических соединений, не содержащих какой-либо функциональной группы. Алканы отвечают общей формуле – С_nН_2n+2. Для неразветвленных (нормальных) алканов с длиной цепочкой она может быть представлена следующим образом:

Н–(СН₂)_n–H

Номенклатура алканов. Простейшим соединением ряда алканов является метан СН₄. Для названия алканов используют следующие номенклатуры:

• тривиальную;

• рациональную;

• систематическую.

Тривиальная. Первые четыре представителя с неразветвленной цепью имеют тривиальные названия:

• метан (корень «мет» обозначает группировку, содержащую один атом углерода, первым таким веществом в истории химии был метиловый спирт (древесный спирт, метанол) от гр. methy –вино, hile – лес);

• этан, содержащий группировку из двух атомов углерода (от гр. aither – небесная субстанция, улетающая к небесам) дух эфира, летучий газ);

• пропан – трехатомная группировка (от гр. protos – первый, pion – жир);

• бутан – черырехатомная группировка (от лат. butyron – масло).

Названия последующих членов ряда, начиная с пентана, образуются от греческих числительных, указывая число атомов углерода в цепи, и окончания "ан".

Рациональная. В основу названия положен простейший представитель – метан, остальные предельные углеводороды рассматривают как его производные. Перед названием прототипа перечисляют радикалы (табл. 8) в порядке увеличения числа углеродных атомов.

Систематическая (заместительная, международная, ИЮПАК). По заместительной номенклатуре предельные углеводороды рассматриваются как производные линейных углеводородов, у которых один или несколько атомов водорода замещены на алкильные радикалы.

Изомерия. Для алканов характерны следующие виды изомерии:

Структурная:

• скелетная.

Пространственная:

• конформационная;

• оптическая.

Способы получения.

Промышленные методы:

1. Получение из нефти. Алканы С₁ – С₄₀ является основной составляющей нефти, где наряду с предельными углеводородами содержатся циклоалканы, ароматические углеводороды, сернистые соединения и другие компоненты. В зависимости от числа атомов углерода алканы, содержащиеся в нефти, подразделяются на следующие группы:

• газообразные алканы состава С₁ – С₄ содержатся в газовой фракции нефти;

• жидкие алканы от С₅ до С₁₀ входят в состав бензиновых фракций, выделены в чистом виде все 5 изомеров гексана, 7 из 9 изомерных гептанов, 16 из 18 изомеров октана и 24 из 35 теоретически возможных изомеров нонана;

• углеводороды состава С₁₁ – С₂₀ содержатся в средних фракциях нефти (180–350 ^оС), причем содержание нормальных алканов снижается с увеличением молекулярной массы;

• твердые алканы С₁₆ и выше находятся в высококипящих фракциях (350 – 500 ^оС), их называют в зависимости от состава и температуры плавления парафинами (в основном алканы с Т_пл= 45–65 ^оС) и церезинами (разветвленные алканы).

2. Природный газ. Природный газ состоит на 75% из СН₄, 15% СН₃–СН₃, 5% СН₃–СН₂–СН₃, остальное составляют высшие алканы и другие соединения. Природный газ используют как топливо и сырье для химической промышленности.

3. Гидрогенизация угля. (400–500 ^оС, 30 МПа, Ф. Бергиус, 1925 г.). катализатор – оксиды и сульфиды молибдена, никеля, кобальта:

С+Н₂ СН₄

4. Метод Фишера – Тропша. Каталитическое гидрирование СО и СО₂ обычно дает метан. В качестве катализатора используют никель (П. Сабатье, И. Сандеран, 1902 г.):

СO+3Н₂ СН₄+H₂O

СO₂+4Н₂ СН₄+2H₂O

Процесс каталитического гидрирования СО протекает в зависимости от применяемого катализатора и температуры. В основном образуются низкомолекулярные неразветвленные алканы (Ф. Фишер, Х. Тропш 1913 – 1926 г.):

СO+3Н₂ СН₄+H₂O

В последующие годы метод был усовершенствован: изменен катализатор, давление и температура реакции (Ф. Фишер, Х. Пихлер 1936 – 1941 г.). В настоящее время методом Фишера – Тропша могут быть получены моторные топлива и отдельные углеводороды (алканы, циклоалканы, арены). В основе реакции лежит сорбция СО поверхностью катализатора в результате чего образуются карбонилы кобальта. Водород присоединяется к сорбированному оксиду углерода, образуя карбены и метильные радикалы. Карбен может внедрятся по связи Со – СН₃, что приводит к росту углеродной цепи:

В качестве побочных продуктов могут образовываться кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды).