Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Органическая химия. Учебное пособие для СПО
.pdf
2. Разрыв связи может происходить следующими способами:
а) гетеролитический (ионный)
H H
H: C :Br
→
H: C+ + :Br–
H H
метил- бромид-
катион анион
б) гомолитический (радикальный)
H H
H:C : Br
→
H:C· + ·Br-
H H
радикал- радикал-
метил бром
1.3. АЛКАНЫ
Алканы – СnН
– это углеводороды (УВ), в молекулах которых
2n+2
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:
С 2s22р2
12
↑↓
↑ ↑
Q
→
С* 2s12р3
12
↑ ↑ ↑ ↑
109о28’
11
Смешиваются 1s- и 3р-электронные облака. Образуются 4 sp3-
С
С С С
С С С
С
С
С
гибридных облака, направленные к вершинам тетраэдра [5].
Угол между связями составляет 109028', поэтому молекулы нор-
мальных алканов с большим n имеют зигзагообразное строение:
Гомологический ряд алканов представлен в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Гомологический ряд алканов
Молекулярная
Название
Молекулярная
Название алкила
формула алкана
СnH
2n+2
CH
4
С2Н
6
С3Н8
С4Н10
С5Н12
С6Н
14
С7Н16
С8Н18
С9Н20
С10Н
22
алкана
Метан
Этан
Пропан
Бутан
Пентан
Гексан
Гептан
Октан
Нонан
Декан
формула алкила
CnH
2n+1
─СН3
─С2Н
5
─С3Н7
─С4Н9
─С5Н11
─С6Н13
─С7Н15
─С8Н17
─С9Н19
─С10Н
21
Метил
Этил
Пропил
Бутил
Пентил (амил)
Гексил
Гептил
Октил
Нонил
Децил
Гомологический ряд – это ряд органических соединений, в кото-
ром 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
СН4… С4Н10 С5Н12-С15Н32 > С16Н34…
Газы (без запаха) Жидкости Твердые вещества
(имеют запах) (без запаха)
t
кип.
и t
увеличиваются с увеличением числа атомов углерода.
плав.
Алканы – бесцветные вещества, легче воды, плохо растворимы
в воде.
Химические свойства алканов
Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень ма-
лой полярностью связей С─С и С─Н. Для алканов наиболее характерны реакции замещения, протекающие по свободно-радикальному
(цепному) механизму [4].
1. Реакции замещения:
а) галогенирование (F2, Cl2, Br2)
+ hν,2Cl
СН
4
-HCl -HCl -HCl -HCl
метан хлор- дихлор- трихлор- тетрахлор-
→
СН3Cl
+ hν,2Cl
→
CH2Cl
+ hν,2Cl
→
2
CHCl
+ hν,2Cl
→
3
CCl4.
метан метан метан метан
б) нитрование (нитроалканы) – нитрирующий агент НNO
3
(НО–NO2)
о
С
500
СН4+НО─NO
2
→
СН3NO2+ H2O
нитрометан
Нитрование разбавленной НNO3 (t = 140оC) – реакция Коновалова:
CH3 CH3
│ │
о
С
1
CH3─2C─3CH2─4CH3 + HO─NO
140
2
1
→
CH3─2C─3CH2─4CH3 + H2O
│ разб. │
H NO2
2-метил-2-нитробутан
13
в) сульфирование (алкансульфокислоты) – сульфирующий агент
Н2SO
(HO─SO3H)
4
СН4 + НОSO3H
→
t
CH3SO3H + H2O
сульфометан
CH3 CH3
│ │
4
CH3 ─3CH2 ─2C ─1CH3 + HOSO3H
t
→
4CH3 ─3CH2 ─2C ─1CH3 +Н2О
│ │
H SO3H
2-метилбутан-2-сульфокислота
(2-метил-2сульфобутан)
2. Реакции окисления (алканы устойчивы к действию окислите-
лей (KMnO4, K2Cr2O7)):
а) реакции горения
t
СН4 + 2О2
→
СО2 + 2Н2О
б) окисление при невысоких температурах в присутствии катали-
заторов (неполное окисление)
kt,1t
2СН4 + О2
→
2СН3ОН
метанол
O
//
kt,2t
СН4 + О
2
→
H─C─Н + H2O
метаналь
O
//
kt,3t
2СН4 + 3О
2
→
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.
Крекинг
термический (пиролиз) каталитический
t = 450 –7000С t = 400 – 5000С
Al
14
+ SiO2; Al2O3 + Сr2O3
2O3
CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ CH3
→
t
CH3 ─ CH3 + CH2 ═ CH2
CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ CH3 → CH4 + CH2 ═ CH ─ CH
3
б) дегидрирование
ktt,
C2H6
→
CH2═CH2 + H2
этен (этилен)
ktt,
2CH4
→
CH≡CH + 3H2
ацетилен
в) дегидроциклизация (ароматизация)
СН3
│
о
PtC,
СН3─СН2─СН2─СН2─СН2─СН2─СН3
300
→
+ 4Н2
гептан
метилбензол
г) изомеризация (изомерия цепи): н-алкан → изоалкан
о
С.AlCl
СН3─СН2─СН2─СН
100
3
3
→
СН3─СН─ СН
3
бутан │
СН3
изобутан (2-метилпропан)
Получение алканов
В промышленности:
а) из природного газа;
б) синтез из СО и Н2
o
СО + 3Н2
P,300
NiC,
→
СН4 + Н2О
В лаборатории:
а) Аl4C3 + 12Н2О
→
3СН4↑ + 4Al (OH)3↓
б) СН3СООNa (тв.) + NaOH (тв.)
о
в) C
nH2n
+ H2
150
PtС,
→
CnH
2n+2
15
сплавление
→
CH4↑ + Na2CO3
г) взаимодействие галогеналканов с натрием (реакция Вюрца)
t
2СН3─Br + 2Na
→
CH3─CH3 + 2NaBr
Циклопарафины
Это насыщенные углеводороды, содержащие цикл из 3, 4, 5, 6
и более атомов углерода (СnH2n):
циклопропан циклобутан циклопентан циклогексан
Для циклопарафинов характерны все химические свойства насы-
щенных углеводородов. Кроме того, в отличие от алканов для циклоалканов возможны реакции присоединения.
ktt,
+ Н2
→
СН3─СН2─СН3
пропан
Изомерия:
а) С5Н10
СН3
циклопентан │ СН3
СН3
метилциклобутан 1,1-диметил
циклопропан
Н3С─
─С2Н5
Н3С─
1,2-диметилциклопропан этилциклопропан
б) С3Н6
пропен
СН2═СН─СН3
16
Получение циклопарафинов возможно:
а) из нефти;
б) из ароматических УВ
ktt,
+ 3Н2
→
бензол циклогексан
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:
СН
3
│
1
СН3─2СН─3СН─4СН─5С─6СН2─7СН2─8СН3
│ │ │ │
СН3 С2Н5 СН3 СН3
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, называ-
ется 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
х
=⋅=⋅=
⋅+⋅
=
+
=
х
1. Представим формулу вещества в виде СxHy.
2. Возьмем для расчета образец вещества массой 100 г.
3. Определим массу и количества веществ атомарных углерода
и водорода в этом образце:
m
m
(С)
(Н)
= m
(в-ва)·ω(С)
= m
(в-ва) ·ω(Н)
=100·0,80 = 80 г;
= 100·0,2 = 20 г;
n
(C)
m
M
(C)
(C)
80
12
===
6,67
(моль);
n
(H)
m
M
(H)
(C)
20
1
20
===
4. Найдем отношение количеств веществ атомарных водорода
и углерода:
n
(H)
n
(C)
20
6,67
3
==
.
Это отношение равно отношению коэффициентов у и х:
у
3
=
.
5. Рассчитаем молярную массу углеводорода исходя из плотности
по водороду:
30215МДM
Н
y
)(H)(Н)(С
22х
г/моль.
моль.
6. Молярная масса может быть представлена в виде
yMxMМ
H
x
y
)(C
H
x
y
y12xМ
(H)(C))(C
.
;
Получаем 12х + у = 30.
Решая систему уравнений
у
3
=
12х + у = 30,
находим: х = 2; y= 6.
Следовательно, формула углеводорода С2Н
Ответ: С2Н6 – этан.
18
6.
1.4. АЛКЕНЫ
Н
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).
С 2s22р2
12
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Q
→
С* 2s12р3
120o
+
→
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, перпенди-
кулярно этой плоскости.
Рассмотрим строение молекулы этилена С2Н4.:
Н Н
Н
σ
\σ σ σ ⁄
π
σ
Н
σ
С ═ С
⁄σ π σ\
Н Н
σ
этен (этилен)
Н
π
σ
Таблица 1.2
Гомологический ряд алкенов
Молекулярная формула
алкена СnH2n
Международная
номенклатура
С2Н4
С3Н6
С4Н8
5Н10
С
Этен
Пропен
Бутен
Пентен
19
Название алкена
Тривиальное
название
Этилен
Пропилен
Бутилен
Амилен
Правила составления названий алкенов
1. Пронумеровать атомы углерода главной цепи (наиболее длин-
ная 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:
5
СН3─4СН─3С═2СН─1СН3
│ │ 3,4-диметилпентен-2
СН3 СН
3
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.
С4Н
8
Изомерия цепи
Изомерия
положения
1СН2═2СН─3СН2─4СН3
двойной
бутен-1
связи
СН3
1
СН3─2СН═3СН─4СН3 │
бутен-2 СН3─С═СН2
метилпропен
Н Н Н3С Н
\ / \ /
С═С С═С
/ \ / \
Н3С СН
3
Н СН3
цис-бутен-2 транс-бутен-2
Цис-транс-изомерия
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]