Лекция 6.

УГЛЕВОДОРОДЫ. АЛКАНЫ

План

1. Классификация углеводородов.

2. Алканы.

3. Гомологический ряд, номенклатура, получение.

4. Изомерия, строение.

5. Свойства.

Углеводороды - органические соединения, состоящие из атомов двух элементов - углерода и водорода. Поэтому общую формулу углеводородов можно представить в виде С_хН_y.

Классификацию органических веществ, рассмотренную ранее, можно распространить и на углеводороды. Изучение углеводородов начинается с класса ациклических предельных соединений - алканов.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

УГЛЕВОДОРОДЫ

Алифатические

Циклические

Предельные

Непредельные

Ароматические

Алициклические

Алканы Алкены Циклоалканы Арены

Алкины

Алкадиены

АЛКАНЫ

Алканы (парафины) - насыщенные или предельные углеводороды с открытой углеродной цепьюи общей формулой – С_nH_2n+2.

Гомологический ряд:

метан - СН₄

этан - СН₃-СН₃

пропан - СН₃-СН₂-СН₃

бутан - СН₃-СН₂-СН₂-СН₃

пентан - СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ и т. д.

Номенклатура. Названия нормальных алканов, за исключением четырех членов ряда (метан, этан, пропан, бутан) образованы от греческих и латинских числительных с добавлением суффикса -ан. Разветвленные углеводороды называют по номенклатуре ИЮПАК.

Общая формула радикалов С_nH_2n+1. Названия радикалов образуют, заменяя суффикс «ан» в названии соответствующего алкана на суффикс «ил». Например, СН₄ – метан, радикал СН₃ – метил. Подробно материал по этому разделу представлен в []. При наличии в алкане или алкильном радикале фрагмента СН₃-СН(СН₃)- к его названию добавляют префикс изо, фрагмента СН₃ -С(СН₃)₂- префикс нео, например,

СН₃-СН(СН₃)-СН₃ - изобутан, СН₃-С(СН₃)₂-СН₃ - неопентан.

По рациональной номенклатуре алканам дают названия как производным метана, полученным в результате замещения одного или нескольких атомов водорода на алкильные радикалы. Например, пропан СН₃-СН₂-СН₃ по рациональной номенклатуре будет иметь название - диметилметан.

Нахождение и применение алканов в природе. Алканы широко распространены в природе, являются главными компонентами нефти, природного газа, попутного нефтяного газа, горючих сланцев, природных восков, озокерита.

Основные области применения алканов указываются при рассмотрении свойств этих соединений.

Получение алканов.

1. Промышленные способы получения:

а) переработка различными методами природных источников (перегонка и крекинг нефти, риформинг, пиролиз);

б) гидрирование ненасыщенных углеводородов:

в) синтез Фишера-Тропша:

2. Лабораторные способы получения:

а) реакция Вюрца:

2RHal + 2Na → R-R + 2NaHal

б) декарбоксилирование солей карбоновых кислот:

в) электролиз солей карбоновых кислот (синтез Кольбе):

2RCOONa + 2H₂O → R-R + 2CO₂ + 2NaOH + H₂

г) восстановление галогеналканов, карбонильных соединений:

RHal + H₂ → R-H + HHal

Изомерия алканов.

1. Структурная изомерия

Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры, отличающиеся строением углеродной цепи. Например, молекулярной формуле С₄Н₁₀ соответствует два соединения -

СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ нормальный бутан и СН₃-СН(СН₃)-СН₃ изобутан (2-метилпропан).

Число изомеров возрастает с увеличением числа атомов углерода в составе молекулы.

Таблица 4.

Количество структурных изомеров алканов

Количество		Количество
атомов углерода	изомеров	атомов углерода	изомеров
5	3	10	75
6	5	20	366317
8	18	40	624911805891

Атомы углерода в молекулах алканов подразделяются на первичные, вторичные, третичные, четвертичные в зависимости от числа соседних С-атомов.

2. Конформационная изомерия

Этот вид изомерии характерен для углеводородов с числом атомов углерода два и более. Например, молекула этана существует в виде двух пространственных конформационных изомеров заслоненной и заторможенной конформаций:

1. заслоненная конформация этана; 2. заторможенная конформация этана.

Молекулы с длинными углеродными цепями существуют, в основном, в форме зигзагообразных конформаций. При этом близко оказываются атомы 1-5 или 1-6, что способствует циклизации углеводородной цепи.

3. Оптическая изомерия

Молекулы разветвленных алканов (С₇ и более) могут быть хиральными с одним или несколькими асимметрическими атомами углерода. Например:

1 2 3 4 5 6

СН₃ - СН₂ – *СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ 3-метилгексан

│

СН₃

Это соединение существует в виде двух оптических изомеров - энантиомеров (R, S-конфигурации).

Строение алканов.

Согласно теории гибридизации для атомов углерода в предельных углеводородах характерна sp³-гибридизация. Поэтому в соединениях данного типа существуют только ковалентные σ-связи: С-С (sp³-sp³ - перекрывание) и С-Н(sp³-s - перекрывание).

Ковалентные связи в алканах мало поляризуемые, неполярные. Дипольные моменты молекул предельных соединений равны нулю. В связи с этим межмолекулярные взаимодействия очень слабые, что и предопределяет физические свойства алканов.

Для σ-связей С-Н и С-С характерна высокая прочность (Е_С-С - 347 кДж/моль; Е_С-Н - 415 кДж/моль), которая зависит от типа атомов углерода. Наименее прочными является связи у третичного атома углерода, что делает такие связи наиболее уязвимыми в химических превращениях.

Пространственное строение алканов обусловлено тетраэдрической конфигурацией атомов углерода (валентный угол – 109⁰28^/).

Физические свойства.

Поскольку межмолекулярные взаимодействия в алканах очень слабые, для них характерны низкие температуры кипения и плавления, низкая плотность (меньше воды). В гомологическом ряду физические константы углеводородов закономерно увеличиваются. Разветвления углеродной цепи понижают значения указанных характеристик. Алканы практически нерастворимы в воде, однако легко растворяются в мало полярных и неполярных органических растворителях. Жидкие углеводороды имеют «бензиновый» запах.

Химические свойства.

Алканы обладают низкой реакционной способностью (парафины - «низкое сродство»). Их превращения осуществляются в жестких условиях. Причем гомолитический разрыв связей требует значительно меньших энергетических затрат, чем гетеролитический разрыв, поэтому для алканов характерны радикальные реакции (замещение атомов водорода, расщепление углеродного скелета, окисление). Однако в полярных средах могут происходить гетеролитические реакции. В обычных условиях алканы устойчивы к действию концентрированных кислот и щелочей, окислителей, щелочных металлов.