Основные направления реакционной способности углеводородов в зависимости от их электронного строения

Класс углеводородов	Общая формула	Гибридизация	Орбитали	Связи	Механизм и направление реакции
Алканы	СnH2n+2	sp3	4sp3	4	SR
Алкены	CnH2n	sp2	3sp2, p	3, 	AE
Алкадиены (сопряженные)	CnH2n-2	sp2	3sp2, p	3, сопряженная -система	AE (1,2;1,4;3,4)
Арены	CnH2n-6	sp2	3sp2,p	3, замкнутая сопряженная -система	SE

Алканы

Алканаминазываются углеводороды, общая формула которых С_nH_2n+2

Название	Структурная формула	Брутто-формула
Метан	СH4	CH4
Этан	CH3-CH3	C2H6
Пропан	CH3-CH2-CH3	C3H8
Бутан	CH3-CH2-CH2-CH3	C4H10
Пентан	CH3-(CH2)2-СH2-CH3	С5Н12
Гексан	СН3-(СН2)4-СН3	С6Н14и т.д.

Низшие представители алканов при вдыхании обладают наркотическим действием, в более высоких концентрациях вызывают остановку дыхания. Токсичность и сила наркотического действия возрастают с увеличением количества углеродных атомов до 5–7. При дальнейшем изменении цепи активность снижается вследствие уменьшения летучести и растворимости в воде. Высшие представители почти инертны. Алканы физиологически менее активны, чем алкены или арены, что объясняется их строением.

Алканы содержат атомы углерода в sp³– гибридизации. 1s– и 3р – орбитали образуют 4sp³ – гибридизованные орбитали, направленные в пространстве к вершинам тетраэдра под углом 109°. Эти орбитали участвуют в образовании 4-х прочных неполярных- связей.

Строение метана (СН₄):

а) электронное б) пространственное

(тетраэдрическое)

Строение этана (СН₃-СН₃):

а) электронное б) пространственное

Изомерия. Для алканов характерна

1. Структурная изомерия: Например,

СН₃СН₂СН₂СН₃СН₃СН СН₃

бутан

СН₃

изобутан (2–метилпропан)

2. Пространственная (конформационная) изомерия. Этот вид изомерии является результатом свободного вращения вокруг одинарной  С-С связи. Геометрические формы молекулы, образующиеся при этом, называются конформациями. Среди множества конформаций этана выделяют экстремальные конформации – наименее (а) и наиболее (б) устойчивые:

а) заслоненная б) заторможенная

В заслоненной конформации атомы водорода сближены и отталкиваются друг от друга. Это энергетически невыгодно (энергия молекулы максимальна).

В заторможенной конформации атомы водорода наиболее удалены друг от друга. Это наиболее выгодная конформация (энергия молекулы минимальна).

Для 5- и 6-членных углеводородных цепей можно выделить три основные конформации:

а) зигзагообразная б) нерегулярная в) клешневидная

Клешневидная конформация дает нам представление о возможности образования 5- и 6-членных циклов. Более длинные углеводородные цепи по данным рентгеноструктурного анализа имеют, в основном, зигзагообразную конформацию.

Химические свойства

Алканы относительно стабильны к таким реагентам как кислоты, щелочи, окислители при обычных условиях. Это объясняется прочностью С-С и С-Н связей.

Алканы подвергаются 2-м типам реакций:

1. Реакции замещения.

2.Термические и каталитические реакции.

Эти реакции протекают при повышенных температурах или при поглощении световой энергии через образование высоко реактивных свободных радикалов.

1. Рассмотрим реакцию радикального замещения S_R, например, реакцию галогенирования. Она включает несколько этапов.

1-й этап – инициирование. На этом этапе молекула галогена под действием кванта света гомолитически расщепляется на два радикала:

h _{ }

Br: Br Br + Br

гомолиз

2-й этап – рост радикальной цепи.Радикал галогена атакует молекулу алкана. Связь С:Н расщепляется гомолитически с образованием алкильного радикала:

_

СН₃-СН-СН₂-СН₃+BrСН₃-С-СН₂-СН₃+H:Br.

 

CH₃CH₃

Галогенирование алканов обычно приводит к смеси изомеров. Но, в первую очередь, радикальной атаке подвергаются третичные, затем вторичные и в последнюю очередь первичные С-Н- связи:

перв. трет. втор. перв.

СН₃ – СН - СН₂ - СН₃



СН₃

перв.

Далее образовавшийся алкил-радикал реагирует с новой молекулой галогена с образованием нового радикала галогена:

Br

_.

СН₃-С-СН₂-СН₃+Br:BrСН₃-С-СН₂-СН₃+Br

 

СН₃CH₃

Таким образом, развивается радикальная цепь.

3-й этап – обрыв цепи,или рекомбинация радикалов. Он возможен в результате следующих превращений:

_{ }

а) Br + Br Br₂

_

б) Br + R^ R- Br

_

в)R+RR–R

Среди галогенпроизводных алканов наиболее физиологически активны хлорпроизводные. Они проявляют наркотическое действие, понижая кровяное давление. В ряду хлорзамещенных метана: СН₃Сl – хлористый метил, CH₂Cl₂ – хлористый метилен, CHCl₃ – хлороформ, CCl₄ – четыреххлористый углерод – усиливаются наркотическая активность и токсичность.

2. Окисление. Алканы вступают в реакции окисления только при очень высокой температуре и в присутствии катализаторов.