Некоторые члены гомологического ряда алканов

Формула алкана Название алкана Название радикала CH4 метан метил C2H6 этан этил C3H8 пропан пропил C4H10 бутан бутил C4H10 изобутан изобутил C5H12 пентан пентил C5H12 изопентан изопентил C5H12 неопентан неопентил C6H14 гексан гексил C7H16 гептан гептил C10H22 декан децил C15H32 пентадекан   C20H42 эйкозан

            Физические свойства алканов

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С₁—С₄)—газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С₅—С₁₇) — жидкости, начиная с С₁₈ и выше — твердые вещества. Из таблицы видно, что по мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т. е. с ростом относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле, алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы. Алканы практически нерастворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких, как бензол, тетрахлорметан и др.

    Получение алканов

1.  Промышленные способы:

- Фракционная перегонка нефти. Основным источником алканов служит нефть и природный газ.

- Гидрогенизация угля (сланцев, торфа, каменноугольных смол).

- Каталитическое гидрирование оксида углерода(II).

2. Лабораторные способы:

- Гидрирование ненасыщенных углеводородов  ( при обычных температуре и давлении в присутствии катализаторов – никеля, палладия, платины):

CH₃ -CH₂ -CH = CH₂ + H₂ ®   CH₃ -CH₂ -CH₂-CH₃

- Восстановление галогенопроизводных алканов ( в присутствии катализаторов):

CH₃ -CH₂ -CH₂ - Cl + H₂ ®   CH₃ -CH₂ -CH₃  + HCl

 

CH₃ -CH₂ -CH₂ -I + HI   ®   CH₃ -CH₂ -CH₃  + I₂

 

- Реакция Вюрца.

                   CH₃ - Br + 2Na + Br-CH₃ ®  CH₃ -CH₃  + 2NaBr

   Химические свойства алканов

    При обычных условияхалканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями — перманганатом калия КМnО₄ и т. п.

    Химическая устойчивостьалканов объясняется высокой прочностью σ -связей С—С и С—Н, а такжеих неполярностью. Неполярные связи С—С и С—Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов.

  Для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов.

  Aлканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом S_R (от англ.substitution radicalic). 

Легче всего замещаются атомы водорода,  находящиеся у третичных, затем у вторичных  и первичных атомов углерода.

 

 

Примеры реакций замещения:

1. Галогенирование.

              При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогенозамещенных алканов. Общая схема этой реакции показана на примере метана:

  

               

2. Нитрование (реакция Коновалова).

При действии разбавленной азотной кислоты в присутствии серной кислоты на алканы при 140 ⁰С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

 

                

 

3. Изомеризация.

Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:

 

             

    4. Окисление.

При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены: метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:

 

        

Применение алканов.

   Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту — бытовой газ и в промышленности). Широко применяются получаемые из него вещества: водород, ацетилен, сажа. Он служит исходным сырьем для получения формальдегида, метилового спирта, а также различных синтетических продуктов.

   Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов — парафинов с числом углеродных атомов 20-25. Этим путем получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, смазочных материалов, лаков и эмалей.

  Жидкие углеводороды используются как горючее (они входят в состав бензина и керосина).

Алканы также широко используются в органическом синтезе.

 Тема:  Циклоалканы

      Общая формула циклоалканов С_nH_2n.    Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp³–гибридизованном состоянии и все их валентности полностью насыщены.
     Простейший циклоалкан – циклопpопан С₃Н₆ – представляет собой плоский трехчленный карбоцикл.

Номенклатура циклоалканов

Согласно международной номенклатуре ИЮПАК в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки " цикло " (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т.д.). При наличии в цикле заместителей нумерацию атомов углерода в кольце начинают от старшего радикала и ведут к ближайшему. Так, соединение:

Следует назвать   1,2-диметилциклобутан.
Структурные формулы циклоалканов обычно изображаются сокращенно в виде правильных многоугольников с числом углов, соответствующих числу атомов углерода в цикле.

 

Изомерия циклоалканов:  

1. Изомерия углеродного скелета боковых цепей.

2.  Изомерия положения заместителей в кольце.

3.  Межклассовая изомерия с алкенами.

 

Физические свойства циклоалканов

  Пpи ноpмальных условиях циклопpопан и циклобутан – газы, циклоалканы С₅ – С₁₆ – жидкости, начиная с С₁₇, – твердые вещества. Температуры кипения циклоалканов выше, чем у соответвующих алканов. Это связано с более плотной упаковкой и более сильными межмолекулярными взаимодействиями циклических структур.

Химические свойства циклоалканов

1. Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы) неустойчивы. Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла 109°28’, свойственного sp³-гибридизованному атому углерода. Это приводит к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действием реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакции присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений: присоединяют галогены и галогеноводороды, подвергаются гидрированию:

 

 2. Для циклоалканов (С₅ и выше) (большие циклы) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется их циклическая структура, т.е. реакции замещения.

Эти соединения, подобно алканам, вступают также в реакции дегидрирования, окисления в присутствии катализатора и др.

Получение циклоалканов

1.   Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий - нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С₅ - С₇.

2. Действие активных металлов на дигалогензамещенные алканы (внутримолекулярная реакция Вюрца) приводит к образованию различных циклоалканов:

3. Гидрирование бензола и его гомологов, являющихся продуктами нефтепереработки.