Органическая химия для поступающих в вузы. Учебное пособие

2. Разрыв связи может происходить следующими способами: а) гетеролитический (ионный)

1.3. АЛКАНЫ

Алканы – СnН2n+2 – это углеводороды (УВ), в молекулах которых все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации и связаны друг с другом только σ- связями:

│σ σ―C―σ │σ

Каждый атом углерода не может присоединять другие атомы, поэтому алканы называются предельными или насыщенными УВ.

Строение алканов. Гомологический ряд алканов

Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp3-гибридизации:

109о28’

+

11

Смешиваются 1s- и 3р-электронные облака. Образуются 4 sp3- гибридных облака, направленные к вершинам тетраэдра [5].

Угол между связями составляет 109028', поэтому молекулы нормальных алканов с большим n имеют зигзагообразное строение:

СС С С С

Гомологический ряд алканов представлен в табл. 1.1.

Гомологический ряд – это ряд органических соединений, в котором каждый следующий член ряда отличается от предыдущего на группу СН2. Сходные по химическим свойствам соединения, образующие гомологический ряд, называются гомологами. СН2 – гомологи-

ческая разность.

12

Физические свойства алканов

tкип. и tплав. увеличиваются с увеличением числа атомов углерода. Алканы – бесцветные вещества, легче воды, плохо растворимы

в воде.

Химические свойства алканов

Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С─С и С─Н. Для алканов наиболее характерны реакции замещения, протекающие по свободно-радикальному (цепному) механизму [4].

б) нитрование (нитроалканы) – нитрирующий агент НNO3

(НО–NO 2)

13

в) сульфирование (алкансульфокислоты) – сульфирующий агент Н2SO4 (HO─SO3H)

2-метилбутан-2-сульфокислота (2-метил-2сульфобутан)

2. Реакции окисления (алканы устойчивы к действию окислите-

лей (KMnO4, K2Cr2O7)):

а) реакции горения

СН4 + 2О2 ¾t ® СО2 + 2Н2О

б) окисление при невысоких температурах в присутствии катализаторов (неполное окисление)

2СН4 + О2 ¾¾t1¾,kt ® 2СН3ОН метанол

O

//

O

//

2СН4 + 3О2 ¾t¾3¾,kt ® 2H─C─ОН + 2H2O

метановая кислота

3. Термические превращения алканов:

а) крекинг (расщепление) – разрыв связей С─С в молекулах с длинной цепочкой на алканы и алкены с меньшим числом атомов С.

14

гептан

метилбензол

г) изомеризация (изомерия цепи): н-алкан → изоалкан

Получение алканов

В промышленности: а) из природного газа; б) синтез из СО и Н2

o

СО + 3Н2 ¾P,300¾¾¾C,¾Ni® СН4 + Н2О

В лаборатории:

а) Аl4C3 + 12Н2О ¾® 3СН4↑ + 4Al (OH)3↓

б) СН3СООNa (тв.) + NaOH (тв.) ¾¾сплавление¾¾¾® CH4↑ + Na2CO3

в 150оС,Pt

) CnH2n + H2 ¾¾¾¾® CnH2n+2

15

г) взаимодействие галогеналканов с натрием (реакция Вюрца) 2СН3─Br + 2Na ¾t ® CH3─CH3 + 2NaBr

Циклопарафины

Это насыщенные углеводороды, содержащие цикл из 3, 4, 5, 6 и более атомов углерода (СnH2n):

Для циклопарафинов характерны все химические свойства насыщенных углеводородов. Кроме того, в отличие от алканов для циклоалканов возможны реакции присоединения.

+ Н2 ¾t,¾kt ® СН3─СН2─СН3 пропан

Изомерия:

а) С5Н10

СН2═СН─СН3 пропен

16

Получение циклопарафинов возможно: а) из нефти; б) из ароматических УВ

Задача 1.4. Напишите структурную формулу 2,4,5,5- тетраметил- 3- этилоктана. Укажите все первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы октана.

Решение

Напишем структурную формулу 2,4,5,5- тетраметил-3- этилоктана:

СН3

│

1СН3─2СН─3СН─4СН─5С─6СН2─7СН2─8СН3

Атом углерода, связанный только с одним атомом углерода, называется первичным: это 1-й и 8-й атомы углерода октана.

Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода, называется вторичным: это 6-й и 7- й атомы углерода.

Атом углерода, связанный с тремя атомами углерода, называется третичным: это 2-й, 3-й, 4-й атомы углерода.

Атом углерода, связанный с четырьмя атомами углерода, называется четвертичным: это 5-й атом углерода.

Задача 1.5. Определить молекулярную формулу углеводорода, содержащего 80 % мас. углерода и 20 % мас. водорода, если плотность по водороду равна 15.

17

Решение

1.Представим формулу вещества в виде СxHy.

2.Возьмем для расчета образец вещества массой 100 г.

3.Определим массу и количества веществ атомарных углерода

иводорода в этом образце:

4.Найдем отношение количеств веществ атомарных водорода

иуглерода:

Это отношение равно отношению коэффициентов у и х:

ху = 3 .

5. Рассчитаем молярную массу углеводорода исходя из плотности по водороду:

M(Сх Н y ) = Д(Н2 ) × М(H 2 ) = 15 × 2 = 30 г/моль.

6. Молярная масса может быть представлена в виде

М(Cx H y ) = M(C) × x + M(H) × y ;

М(Cx H y ) = 12x + y .

Получаем 12х + у = 30. Решая систему уравнений

ху = 3

12х + у = 30,

находим: х = 2; y= 6.

Следовательно, формула углеводорода С2Н6. Ответ: С2Н6 – этан.

18

1.4. АЛКЕНЫ

Непредельные (ненасыщенные) углеводороды содержат кратные углерод-углеродные связи (>С=С<, ─С≡С─).

Алкены (олефины, этиленовые УВ) – СnH2n – это УВ, в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и связаны друг с другом двойной связью (табл. 1.2).

Смешиваются 1s- и 2р-электронных облака (sр2-гибридизация). Образуются три sр2-гибридных облака, которые располагаются под углом 120o в одной плоскости.

Электронное облако, не участвующее в гибридизации, перпендикулярно этой плоскости.

Рассмотрим строение молекулы этилена С2Н4.:

Гомологический ряд алкенов

19

Правила составления названий алкенов

1. Пронумеровать атомы углерода главной цепи (наиболее длинная прямая цепь углеродных атомов, содержащая двойную связь и заместители) так, чтобы атом углерода, у которого двойная связь, имел наименьший номер.

2.Назвать заместители и алкен, соответствующий главной цепи.

3.Цифрой указать положение двойной связи после названия главной цепи:

Изомерия и номенклатура

Для алкенов возможны три типа изомерии: изомерия углеродной цепи, изомерия положения двойной связи, цис-транс-изомерия.

Этен и пропен изомеров не имеют.

Цис-транс-изомерия

20