пособие_2_2022

По степени насыщенности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на алканы (предельные углеводороды), алкены (углеводороды с двойной связью), алкадиены (с двумя двойными связями), алкины (с тройной связью):

К циклическим относятся углеводороды, содержащие в своей структуре замкнутые цепи атомов – циклы. Они в свою очередь делятся на алициклические и ароматические.

Предельные алициклические углеводороды называют циклоалканами:

К алициклическим соединениям относят ряд карбоциклов, не обладающих ароматическим характером. Подобно алифатическим соединениям они подразделяются по степени насыщенности на насыщенные и ненасыщенные:

Для ароматических углеводородов характерно наличие ароматической системы. «Родоначальником» ароматических соединений является бензол.

Замещение одного или нескольких атомов водорода на функциональные группы ведет к образованию других классов органических соединений.

Функциональная группа – это структурный фрагмент молекулы, характеризующий свойства соединений данного класса. Например, свойства карбоновых кислот характеризуются наличием карбоксильной группы (–СООН); в спиртах функциональной группой является гидроксил (–ОН); к аминам относятся соединения, содержащиефункциональнуюгруппу(–NH2) ит. д. (см. таблицу).

11

Классы органических соединений

По количеству и однородности функциональных групп органические со-

единения делят на моно-, поли- и гетерофункциональные.

Вещества с одной функциональной группой называют монофункциональными, с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными, с несколькими различными функциональными группами – гетерофункциональными.

Соединения одного класса объединяются в гомологические ряды. Гомологический ряд – это ряд органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением. Каждый представитель гомологического ряда отличается от предыдущего на постоянную единицу (–СН2–), которую называют гомологической разностью. Члены гомологического ряда называются гомологами.

12

Вокруг углерод-углеродных связей происходит свободное вращение, в результате которого молекула может принимать разные пространственные формы – конформации (рис. 1.2).

На основании данных рентгеноструктурного анализа установлено, что алканы нормального (неразветвленного) строения в кристаллическом состоянии имеют зигзагообразную конформацию. Такое строение для молекулы наиболее выгодно, поскольку в данном случае все атомы углерода по отношению друг к другу находятся в заторможенной антибутановой конформации. При разветвленном строении углероднойцепи конформация может изменяться.

1.2. Номенклатура алканов

Первые 4 члена гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия – метан, этан, пропан и бутан. Названия последующих углеводородов с нормальной углеродной цепью образованы от названий греческих числительных, указывающих количество атомов углерода в молекуле, с добавлением суффикса -ан.

Если в молекуле алкана две метильные группы расположены на одном конце углеродной цепи и другие ответвления отсутствуют, то используют приставку изо-; еслитриметильныегруппы– приставкунео-:

CH3

CH3 C CH2 CH3

CH3

изопентан неогексан

По заместительной номенклатуре IUPAC названия алканов с разветвленной углеродной цепью образуются следующим образом:

1.Для построения названия выбирают наиболее длинную неразветвленную углеродную цепь (главную углеродную цепь); если имеется несколько цепей одинаковой длины, то выбирают ту, которая имеет наибольшее количество разветвлений:

2.Нумерацию атомов углерода главной цепи начинают с того конца, к которому ближе заместитель:

14

трет-бутил

Для названия сложных разветвленных радикалов используют нумерацию углеродной цепи радикала, которую всегда начинают с атома углерода, имеющего свободную валентность:

2,3,3-триметилпентил

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены углеводородными радикалами. Заместители вокруг «метанового» углерода перечисляют в порядке увеличения сложности их строения:

диметилэтилпропилметан

1.3. Изомерия алканов

Для алканов характерна структурная и оптическая изомерия. Структурная изомерия алканов обусловлена различной последовательностью связывания атомов углерода в молекуле (изомерия цепи). Она характерна для бутана и последующих гомологов ряда алканов:

бутан изобутан, 2-метилпропан

16

С увеличением количества атомов углерода в молекуле алкана количество структурных изомеров быстро возрастает. Так, гексан С6Н12 имеет 5 изомеров, гептан С7Н16 – 9, октан С8Н18 – 18, декан С10Н22 – 75, эйкозан

С20Н42 – 366 319.

Оптическая изометрия проявляется в ряду алканов, начиная с гептана С7Н16. Так, 3-метилгексан СН3СН2С*Н(СН3)СН2СН2СН3 имеет асимметрический атом углерода и существует в виде двух энантиомеров (зеркальных изомеров):

R-3-метилгексан S-3-метилгексан

1.4. Способы получения алканов

Природные источники алканов

Природными источниками алканов являются нефть, газ, уголь, торф, сланцы и т. п. Основная цель промышленного получения алканов – выделение различных фракций или индивидуальных соединений.

Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений, основными компонентами которой являются неразветвленные и разветвленные алканы. Природный газ состоит из газообразных алканов, главным образом из метана (до 95 %), этана, пропана и бутана. Для получения смеси алканов и других углеводородов нефть подвергают фракционной перегонке. В результате перегонки выделяют несколько фракций (петролейный эфир, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут), каждая из которых представляет собой смесь углеводородов, кипящих в определенном интервале температур (таблица).

Фракции, получаемые при фракционнойперегонке нефти

17

Из мазута перегонкой в вакууме или с водяным паром получают соляровое масло (углеводороды состава С18–С25), смазочные масла (углеводороды состава С28–С38), вазелин и парафин. При дальнейшей перегонке фракций нефти можно получить индивидуальные алканы.

Природный газ разделяют на компоненты сжижением с последующей фракционной перегонкой.

Благодаря метаногенам (бактериям, которые разлагают остатки растений и животных без доступа кислорода) ежегодно на нашей планете выделяется приблизительно 2 млрд тонн метана. Так, болотный газ на 99 % состоит из метана, природный газ содержит около 95 %, а попутные газы – 75…85 % метана.

Синтетические способы получения алканов

Оксосинтез алканов (метод Фишера–Тропша). Каталитическое гид-

рирование оксида углерода (II) позволяет получать алканы нормального строения (состав С6–C10). Смесь оксида углерода (II) и водорода пропускают над катализатором Fe – Со при 180…300 °С:

Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов. Присоединение во-

дорода по месту разрыва кратной связи алкенов и алкинов осуществляют в присутствии катализаторов (тонко измельченных Pt, Pd или Ni):

Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца) используется для синтеза симметричных алканов и протекает через стадию образования металлорганических соединений:

Реакция Вюрца протекает в две стадии:

I стадия

метилнатрий II стадия этан

18

Если в качестве исходных веществ используют 2 разных галогеналкана, то образуется смесь алканов, которую трудно разделить:

этан пропан бутан

Вместо натрия в данной реакции могут быть использованы и другие металлы (Zn, Мg, Li). Наиболее легко реакция Вюрца протекает с первичными йодалканами, труднее – с бром- и хлоралканами. Вторичные и третичные галогенопроизводные углеводородов в условиях реакции Вюрца практически не образуют алканов. В этом случае образуются преимущественно алкены. Реакция редко используется для синтеза из-за побочных процессов (элиминирование, перегруппировки).

Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами. Соли карбоновых кислот со щелочными и щелочно-земельными металлами при сплавлении с гидроксидами натрия или бария образуют алканы, имеющие на один атом углерода меньше, чем в исходной кислоте:

Гидролиз металлорганических соединений. При действии воды на ме-

таллорганические соединения лития, натрия, магния или цинка разрывается связь «металл–углерод» с образованием углеводородов:

этилмагниййодид этан

В лабораторных условиях метан получают действием воды на карбид алюминия:

Электролиз водных растворов солей карбоновых кислот (реакция Кольбе). Чаще электролизу подвергают калиевые или натриевые соли карбоновых кислот:

натрия пропионат

19