II. Систематическая номенклатура

Алканы

Алканы – это алифатические (ациклические), насыщенные углеводороды, в которых все валентности атомов углерода, не затраченные на образование простых С – С связей, насыщены атомами водорода.

Общая формула алканов – СnH2n+2

Формула	Название	Название радикала
CH4	метан	- CH3 метил
C2H6	этан	- C2H5 этил
C3H8	пропан	- C3H7 пропил
C4H10	бутан	- C4H9 бутил
C4H10	изобутан	изобутил
C5H12	пентан	пентил
C5H12	изопентан	изопентил
C5H12	неопентан	неопентил
C6H14	гексан	гексил
C7H16	гептан	гептил
C10H22	декан	децил

Из таблицы видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН₂ -. Такой ряд сходных по строению, обладающих близкими химическими свойствами и отличающихся друг от друга числом данных групп называется гомологическим рядом. А вещества, составляющие его называются гомологами.

Гомологи – вещества сходные по строению и свойствам, но отличающиеся по составу на одну или несколько гомологических разностей (СН₂-).

Строение

Основные характеристики:

Ø пространственное строение – тетраэдрическое

Ø sp³ – гибридизация

Ø угол связи = 109 ° 28′

Ø длина связи (-С-С-) 0,154 нм

Ø энергия связи (-С-С-) 348 кДж/моль

Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр3-гибридизации, угол между связями С-C составляет 109°28', поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах равна 0,154 нм (1нм=1*10^-9м).

а) электронная и структурная формулы;

б) пространственное строение

Изомерия

Для алканов характерна структурная изомерия.

Один из этих изомеров (н-бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение).

Атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным, с двумя другими атомами углерода – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным.

С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет с ростом числа углеродных атомов.

 

Номенклатура

 

Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую (международная номенклатура IUPAC) и рациональную номенклатуры.

I. По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

II. Систематическая номенклатура

Правила систематической номенклатуры:

1. В формуле молекулы алкана выбираем главную цепь — самую длинную.

2. Затем эту цепь нумеруем с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). (Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими) Заместители перечисляем по алфавиту.

3. Называем углеводород: вначале указываем (цифрой) место расположения заместителя, затем называем этот заместитель (радикал), а в конце добавляем название главной (самой длинной) цепи.

Таким образом, углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).

4. Свою номенклатуру имеют радикалы (углеводородные радикалы):

Алкан - ан СnH2n+2	Радикал (R) - ил СnH2n+1
ФОРМУЛА	НАЗВАНИЕ	ФОРМУЛА	НАЗВАНИЕ
	метан		метил
	этан		этил
	пропан		пропил
	изопропил (втор -пропил)
	бутан		н - бутил
	втор -бутил
	изобутан (2 – метилпропан)		изобутил (перв -изобутил)
	трет -бутил
	неопентан (2,2-диметилпропан)		нео -пентил

5. Число одинаковых заместителей указывают при помощи множительных приставок:

два – «ди»

три – «три»

четыре – «тетра»

пять – «пента»

шесть – «гекса»

семь – «гепта»

восемь – «окта»

девять – «нано».

 

Физические свойства

В обычных условиях: С₁- С₄ – газы, С₅- С₁₅ – жидкие, С₁₆ – твёрдые. Температуры плавления и кипения алканов, их плотности увеличиваются в гомологическом ряду с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями.

Химические свойства алканов

Реакции замещения.

А) Галогенирование

при действии света - hν или нагревании (стадийно – замещение атомов водорода на галоген носит последовательный цепной характер. Большой вклад в разработку цепных реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов)

В реакции образуются вещества галогеналканы RГ или С_n H_2n+1Г

(Г - это галогены F, Cl, Br, I)

CH₄ + Cl₂ ^hν → CH₃Cl + HCl (1 стадия);

метан хлорметан

CH₃Cl + Cl₂ ^hν → CH₂Cl₂ + HCl (2 стадия);

дихлорметан

СH₂Cl₂ + Cl₂ ^hν → CHCl₃ + HCl (3 стадия);

трихлорметан

CHCl₃ + Cl₂ ^hν → CCl₄ + HCl (4 стадия).

тетрахлорметан

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле:

 

Электронная плотность связи С – Cl смещена к более электроотрицательному хлору, в результате на нём скапливается частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

На атом углерода в метильной группе (- СН₃) создаётся дефицит электронной плотности, поэтому он компенсирует свой заряд за счёт соседних атомов водорода, в результате связь С – Н становится менее прочной и атомы водорода легче замещаются на атомы хлора. При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайщего к заместителю:

CH₃ – CH₂ – Cl + Cl₂ ^hν → CH₃ – CHCl₂ + HCl

хлорэтан 1,1 -дихлорэтан

Со фтором реакция идёт со взрывом.

С хлором и бромом требуется инициатор.

Иодирование происходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления HI из рекции.

Внимание!

В реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных. Для хлорирования эта закономерность не соблюдается при T>400˚C.

Б) Нитрование

(реакция М.И. Коновалова, он провёл её впервые в 1888 г)

CH₄ + HNO₃ (раствор) ^t˚С → CH₃NO₂ + H₂O

нитрометан

RNO₂ или С_n H_2n+1 NO₂ (нитроалкан)