Алканы, алкены, алкины. Способы получения, свойства

В основу классификации органических соединений положен класс углеводородов, веществ, состоящих только из атомов углерода и водорода. Все остальные соединения рассматриваются как их производные, образовавшиеся при замене в углеводородах одного или нескольких атомов водорода на другие атомы, радикалы или функциональные группы.

Первым классом углеводородов являются предельные нециклические углеводороды, называемые также алканами или парафинами. Это соединения общей формулы С_nH_2n+2, с открытой цепью, содержащие только простые ковалентные связи.

Получение алканов

1. Основные и наиболее важные источники предельных углеводородов состава от С₁ до С₃₀-С₄₀ – нефть, природный газ, а также каменный уголь. Газовые месторождения содержат 93-99 % метана, 0.2-0.6 % этана, 0.08-0.1 % пропана и 0.1-0.3 % высших углеводородов. В природе встречаются и отдельные залежи твердых парафиновых углеводородов в виде горного воска или озокерита.

Важнейшим источником органических веществ является нефть, которая представляет собой смесь органических веществ, главным образом, углеводородов различных классов. Обычная переработка нефти заключается в ее перегонке, то есть разделении на фракции, различающиеся по температуре кипения.

2. Прямой синтез из элементов

Метан образуется в небольших количествах вместе с ацетиленом и другими углеводородами в пламени электрической дуги между угольными электродами. В присутствии катализаторов (Ni, покрытый тонким слоем угля) реакция идет при более низкой температуре:

В этих условиях образуется до 97 % метана.

3. Каталитическое гидрирование монооксида углерода

Ni, 250-300 С

СО + 3 Н₂  CH₄ + H₂O

Эту реакцию можно проводить так, что вместо СН₄ получится смесь углеводородов - синтетический бензин – метод Фишера-Тропша. В общем виде:

n СО + (2n + 1) Н₂  C_nH_2n+2 + n H₂O

3. Синтезы индивидуальных парафинов

а) Восстановление алкилгалогенидов, спиртов, непредельных соединений.

Сильным восстановителем органических соединений является йодистоводородная кислота (Бертло, 1868 г.), вследствие ее способности разлагаться на водород и йод: 2 HI  H₂ + I₂.

CH₃I + HI  CH₄ + I₂

C₂H₅OH + 2 HI  C₂H₆ + H₂O + I₂

Наиболее важным промышленным способом является каталитическое гидрирование непредельных соединений.

Ni

R-CH=CH₂ + H₂  R-CH₂-CH₃

Ацетиленовые углеводороды также гидрируются до алканов; катализаторы: Ni, Pt, Pd, t > 100 C, гетерогенный катализ.

б) Гидролиз реактивов Гриньяра

При прибавлении раствора RX, где R - углеводородный радикал, Х – галоген, в сухом диэтиловом эфире к металлическому магнию при перемешивании происходит бурная реакция, сопровождающаяся растворением магния. Получающийся эфирный раствор магнийорганического вещества называется реактивом Гриньяра. Например:

эфир

C₂H₅Br + Mg  C₂H₅MgBr – этилмагнийбромид

Гидролиз реактивов Гриньяра приводит к алканам:

C₂H₅MgBr + Н-ОН  C₂H₆ + Mg(OH)Br

этан

в) Большое значение для синтеза парафинов имеет реакция Вюрца (1855 г.), основанная на отщеплении галогенов от галогенуглеводородов при действии металлического натрия:

R-X + 2 Na + X-R  2 NaX + R-R

Синтез Вюрца пригоден для получения симметрично-построенных алканов.

г) Электролиз солей одноосновных карбоновых кислот (метод Кольбе, 1849 г.)

Под влиянием электрического тока ионы металла (чаще натрия) движутся к катоду, а отрицательно заряженные остатки органической кислоты – к аноду, где они окисляются с образованием СО₂ и алкана. На катоде происходит восстановление воды с выделением водорода (если соль образована активным металлом).

д) Сплавление солей одноосновных карбоновых кислот со щелочами.

Т вердую соль щелочного металла сплавляют с твердым гидроксидом натрия, при этом карбоксильная группа выделяется в виде карбоната:

Образующийся углеводород содержит на 1 атом углерода меньше, чем в исходной кислоте.