Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы органической химии. Часть 2. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской федерации
Саратовский государственный технический университет
Т.И. Губина, Л.Ф. Щербакова
ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебное пособие
Часть 2
ХИМИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
Электронное издание локального распространения
Саратов 2014
1
УДК 547(075.8)
ББК 24.2я73
Г 93
Рецензенты:
Кафедра органической и биоорганической химии
Саратовского государственного национального университета им. Н.Г. Чернышевского
(зав. каф. д.х.н., профессор Федотова О.В.)
Доктор химических наук, профессор кафедры микробиологии, биотехнологии и химии
Саратовского аграрного университета им. Н.И. Вавилова
Древко Б.И.
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Губина Т.И.
Г 93 Основы органической химии: учеб. пособие. Ч.2. Химия углеводородов / Губина Т.И., Щербакова Л.Ф.– Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2014. –
112 с.
ISBN 978-5-7433-2713-3
В учебном пособии рассмотрен материал по химии углеводородов. Описаны
следующие ряды этих соединений: алканы, алкены, алкины, алкадиены, циклические
и ароматические (моно- и полициклические) углеводороды. В каждом разделе рассматриваются номенклатура, изомерия, способы получения, строение, физические и химические свойства соединений. Кроме того, приведены описания отдельных представителей соединений выше перечисленных рядов, экологические аспекты химии этих соединений и материал для практических занятий по каждой теме.
Предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов технических специальностей классических и технических вузов.
Редактор К.А. Кулагина
Компьютерная верстка Т.В. Семёновой
УДК 547(075.8)
ББК 24.2я73
ISBN 978-5-7433-2713-3 © Саратовский государственный
технический университет
© Губина Т.И., Щербакова Л.Ф., 2014
2
ВВЕДЕНИЕ
Углеводородами называют органические соединения, состоящие из
атомов двух элементов – углерода и водорода. Углеводороды наиболее
многочисленны среди других классов органических соединений. Их подразделяют на алифатические и ароматические углеводороды. Эта классификация сложилась в XIX в., когда органические соединения получали
преимущественно из природных источников.
Алифатические (алициклические) углеводороды – органические вещества с
открытой (прямой или разветвленной) цепью углеродных атомов.
Общее название алифатических соединений происходит от греческого
слова alliphar – «жир», поскольку впервые структуры с длинными углеродными цепями были обнаружены в составе жира. Поэтому алифатические
углеводороды еще называют соединениями жирного ряда.
Алифатические углеводороды подразделяются на «насыщенные»
и «ненасыщенные» в зависимости от соотношения атомов углерода и
во-
дорода в их молекулах.
Насыщенные углеводороды вследствие их низкой реакционной способности называют парафинами (от латинского parum affenis – «малое
сродство»). Другое название – предельные углеводороды – указывает на
то, что атомы углерода в них максимально насыщены атомами водорода.
В соответствии с систематической номенклатурой насыщенные углеводороды называются алканы.
Ненасыщенные углеводороды – это соединения, в
молекулах которых два или несколько атомов углерода связаны между собой кратными
(двойными или тройными) связями. В зависимости от характера межуглеродных кратных связей и их количества непредельные углеводороды делятся на три класса:
1) этиленовые (алкены);
2) ацетиленовые (алкины);
3) диеновые (алкадиены).
3
1. АЛКАНЫ
1.1. Строение, номенклатура, изомерия
Общая формула алканов: С
nH2n+2
В алканах все атомы углерода находятся в sp
.
3
-гибридизации, все свя-
зи между атомами – одинарные σ-связи.
1.1.1. Гомологический ряд
Простейшим представителем предельных углеводородов является
метан – СН
. Остальные можно рассматривать как производные метана,
4
у которого атомы водорода замещены на углеводородные остатки.
В ряду предельных углеводородов каждый последующий член ряда
отличается от предыдущего на группу СН
, которая называется гомологи-
2
ческой разностью:
СН
4 СН4
СН3-СН
СН3-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
3 С2Н6
3 С3Н8
3 С4Н10
3 С5Н12
3 С6Н14
3 С8Н18
3 С9Н20
3
метан
этан
пропан
бутан
пентан
гексан
октан
нонан
С10Н22 декан
Ряд соединений, строение которых последовательно изменяется
на группу СН
и которые имеют сходные химические свойства, называ-
2
ется гомологическим рядом. Отдельные члены ряда называются гомологами.
Предельные углеводороды называют еще гомологическим рядом ме-
тана – по названию простейшего представителя.
Алканы могут иметь неразветвленные или разветвленные углеродные цепи. В зависимости от количества углерод-углеродных связей
различают атомы углерода: первичные, имеющие одну
углеродуглеродную связь, вторичные – две связи, третичные – три, четвер-
тичные – четыре.
первичный вторичный третичный четвертичный
4
CH
CH
3
НCH3CH2C
CCH
CH
I II III IY
3
3
3
1.1.2. Номенклатура
В основу научной классификации и номенклатуры органических соединений положены принципы химического строения А.М. Бутлерова. Существование огромного числа изомерных углеводородов требует точной
и ясной номенклатуры для того, чтобы по структурной формуле можно было назвать, а по названию написать структурную формулу соединения. Для
названия изомеров в органической
химии используются следующие номен-
клатуры: эмпирическая (тривиальная), рациональная и систематическая.
Эмпирические (тривиальные) названия не дают представления
о химической природе соединения, не расшифровывают его строения.
Происхождение их связано с природными источниками, из которых данные
вещества были выделены (винный спирт, уксусная кислота, мочевина,
молочная кислота, винная кислота), с наиболее характерными свойствами
(индиго,
какодил, гремучая кислота) или со способами получения (серный
эфир, пировиноградная кислота). Отдельные соединения названы по имени
исследовавших их ученых (кетон Михлера). В ряду алканов первые четыре
представителя с неразветвленной цепью имеют тривиальные названия.
C
H
4
CH
3
CH
CH2CH2CH
3
CH3CH2CH2CH
3
3
метан этан пропан бутан
Все названия углеводородов, начиная с С
, являются систематиче-
5
скими.
Рациональная номенклатура возникла в середине XIX в. и основана на принципе научной систематики соединений: название соединений
должно отражать их химическое строение.
По рациональной номенклатуре за основу наименования органического соединения обычно принимают название наиболее простого (чаще всего
первого) члена гомологического ряда. Все остальные соединения рассматривают как
его производные, образованные замещением в нем атомов водорода углеводородными радикалами, атомами или функциональными группами.
Углеводородный радикал – это остаток молекулы углеводорода
после удаления одного атома водорода. Все радикалы алканов называют
алкилами, их названия образуются из названий соответствующих пре-
дельных углеводородов заменой окончания ан на ил:
СН4 метан СН3- метил
С2Н6 этан С2Н5- этил
С3Н
С4Н10 бутан С4Н9- бутил
С
С
С7Н
пропан
8
пентан
5Н12
гексан
6Н14
гептан С7Н15- гептил
16
С3Н7-
С5Н11
С6Н13
пропил
- амил (пентил)
- гексил
5
Начиная с пропана, появляются изомерные радикалы:
CH3CH2CH
2
пропил
CH3CH CH
3
изопропил
CH3CH2CH2CH
CH
3
H3C
C
CH
трет бутил
3
CH3CH2CH CH
бутил
2
3
втор бутил
CH
CH
3
CH
3
CH
2
изобутил
CH3CH2CH2CH2CH
2
амил
CH
C
CH
3
неопентил
2
3
CH
CH
3
CH
CH2CH
2
3
2
изоамил
H3CCH
В рациональной номенклатуре алканы рассматривают как замещенные метана, остатком которого считают атом углерода, наиболее замещенный радикалами. Перед словом метан перечисляют по старшинству (в порядке увеличения числа углеродных атомов) названия радикалов, связанных с центральным углеродным атомом. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, перед их названием
ставится приставка,
образованная от греческих числительных: ди- (два), три- (три), тетра- (четыре).
Например:
H
H
H
C
C
H
H
H
CH3CH2CH
3
CH
3
C
CH
CH
3
3
CH
3
3
H
CHHH
метан метилметан диметилметан
CH
3
CH
CH CH
3
триметилметан тетраметилметан
Систематическая номенклатура (ИЮПАК). В 1892 г. в г. Женеве
на Международном конгрессе представителей химических обществ была
утверждена новая номенклатура органических соединений, которая стала
называться женевской. После внесения в эту номенклатуру некоторых изменений и дополнений на международных форумах Международного союза чистой и прикладной химии «ИЮПАК» она стала называться систематической номенклатурой
.
6
Предельным углеводородам было присвоено название алканы. Были
приняты следующие правила номенклатуры:
1. Названия предельных углеводородов с неразветвленной цепью об-
разованы от греческих числительных с окончанием ан: пентан, гексан,
гептан, нонан, декан и т.д., за исключением первых четырех (метан, этан,
пропан, бутан).
2. В основу названия алкана с разветвленной цепью положено
назва-
ние углеводорода с самой длинной нормальной цепью, боковые цепи называются с помощью соответствующих радикалов. Место присоединения боковой цепи к главной указывается номером перед названием радикала.
3. Нумерацию главной цепи начинают с того конца, к которому бли-
же боковая цепь; при наличии симметрично расположенных боковых цепей – с
той стороны, к которой ближе более простой радикал. Правильной
считается нумерация, при которой сумма цифр в соединении минимальна.
13
CH
2
56
CH CH
3
4
34
CH
2
5
CH
6
12
CH
2
25
3
5
3
++
4
++
10
(+)
=
11
(-)
=
CH
CH
3
3
CH
3
4. Боковые цепи (радикалы) перечисляются в порядке увеличения их
сложности; при наличии нескольких одинаковых заместителей их количество указывают перед названием радикала при помощи греческих числительных – ди-, три-, тетра-, пента-, гекса- ... Цифры располагают по возрастанию, разделяют друг от друга запятыми. Цифры в названии выделяют
тире. Примеры:
C
CCC
CCCCC
2-метилпропан 2-метилпентан
8 7 6 5 4 3
CCCCCCCC
2-метил-3-этилоктан
C
CC
1 2 3 4 5 6 7 8
CCCCCCCC
2,3,7-триметил-4-этилоктан
CCCC C
C
1
1.1.3. Структурная изомерия
Изомерия – явление, при котором одному и тому же качественному
и количественному составу соответствуют несколько соединений, отличающихся друг от друга взаимным расположением атомов, т.е. строением,
а следовательно, и свойствами.
7
Углеводородам с четырьмя и более углеродными атомами свойственно
явление структурной изомерии – изомерии углеродного скелета. В ряду алканов формулы изомеров нагляднее всего строить в виде схем углеродного
скелета, постепенно наращивая по одному углеродному атому.
Углеродные скелеты трех первых представителей выглядят так:
C C C C C C
Никакого другого порядка химических связей атомов углерода для
цепей С
быть не может.
1-С3
Для углеводорода с четырьмя углеродными атомами можно построить формулы двух изомеров
C C C C C C C
C
Дополнив схемы нужным числом водородных атомов, получим
структурные формулы для двух изомерных алканов:
CH3CH2CH2CH3 CH3CH CH
CH
бутан изобутан
3
3
Структурные формулы изображают лишь порядок химической связи
атомов, а не их истинное расположение в пространстве или на плоскости
(хотя это расположение точно известно). Поэтому представленные ниже
формулы отображают одно и то же соединение:
CH
СН
CH
CH
3
3
CH
CH
3
СН
СН
3
СН
3
3
СН
CH
3
3
СН
3
Углеводород с пятью углеродными атомами в молекуле существует
в виде трех изомеров:
C
CCCCCC
CH3CH2CH2CH2CH
3
CCCC
C
CH3CH CH2CH
CH
3
C
CC
C
3
CH
CH
C
CH
3
CH
3
3
н-пентан изопентан неопентан
Соединения с неразветвленной углеродной цепью, как, например,
бутан, пентан, называют соединениями нормального строения или
сокращенно н-углеводородами; если же цепь имеет разветвление, то
соединения называют изосоединениями. Приставка изо- используется
в названиях соединений, в которых две метильные группы находятся на
8
конце неразветвленной цепи; приставка нео- указывает на наличие трех
метильных групп на конце неразветвленной цепи.
Зависимость количества изомеров предельных углеводородов от
числа углеродных атомов в молекуле представлена в следующей таблице:
Число углеродных атомов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Количество изомеров 1 1 1 2 3 5 9 18 25 75
1.1.4. Стереоизомерия
В алканах существует свободное вращение вокруг простой углеродуглеродной связи. Различные расположения атомов, которые могут взаимно превращаться друг в друга путем вращения вокруг простых углеродуглеродных связей, называются конформациями.
В этане возможно расположение атомов типа I, в котором атомы водорода находятся друг за другом, и расположение атомов типа
II, когда
атомы водорода, связанные с одним углеродным атомом, расположены
между атомами водорода, связанными с другим атомом углерода. Кроме
того, существует неопределенное число промежуточных положений.
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
HH
I заслоненная
конформация
II заторможенная
конформация
Конформация I называется заслоненной, а конформация II – заторможенной. Промежуточные конформации носят название скошенных. Для
изображения различных конформаций удобны так называемые проекции
Ньюмена.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
I заслоненная II заторможенная
конформация конформация
Потенциальная энергия молекулы минимальна для заторможенной
конформации. Она возрастает при вращении вокруг углерод-углеродной
связи и достигает максимума для заслоненной конформации. Энергия, не-
9
обходимая для вращения вокруг углерод-углеродной связи, называется
торсионной энергией. Фактически различные конформации находятся
в динамическом равновесии, и возможность перехода одной заторможенной конформации в другую через заслоненную конформацию определяет-
ся барьером вращения, который составляет 12,5610
3
Дж/моль.
Барьер этот не очень высокий, и считается, что в этане вокруг простой углерод-углеродной связи существует свободное вращение и быстрое
взаимопревращение заторможенных конформаций.
При замене атомов водорода в этане на другие атомы или группы
атомов возникают иные факторы, влияющие на относительную устойчивость конформеров: вандерваальсовы силы, диполь-дипольные взаимодействия
, водородная связь. Но тенденция связей соседних атомов углерода
находиться в заторможенной конформации остается, и любое отклонение
от заторможенной конформации приводит к появлению торсионного
напряжения.
Рассмотрим молекулу н-бутана вдоль связи С
. Молекула анало-
2-С3
гична молекуле этана, но у каждого атома углерода один атом водорода
замещен на метильную группу. Благодаря наличию метильных групп существует несколько заторможенных конформаций. Существует антиконформация (I), в которой метильные группы максимально удалены друг
от друга (угол 180°). Существуют две скошенные или гош-конформации
(II и III), в которых метильные группы
образуют угол 60°; они представ-
ляют собой несовместимые зеркальные изображения.
CH
CH
3
H
H
анти-конформация скошенные (гош) конформации
H
H
CH
3
I II III
CH
H
3
3
H
H
H
H
H
CH
H
3
H
CH
3
Установлено, что анти-конформация более устойчива (на
0,9 ккал/моль), чем скошенная. В обоих скошенных конформациях торсионное напряжение отсутствует.
1.2. Способы получения
1.2.1. Промышленные способы
Обычно методы получения органических соединений делят на две
группы: промышленные и лабораторные.
Предельные углеводороды широко распространены в природе и составляют основное сырье для промышленного получения разнообразных
органических соединений.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]