Transformace alkanů. Chemické vlastnosti alkanů

Chemické vlastnosti alkanů

Alkany (parafiny) jsou necyklické uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou všechny atomy uhlíku spojeny pouze jednoduchými vazbami. Jinými slovy, v molekulách alkanů nejsou žádné vícenásobné, dvojné nebo trojné vazby. Alkany jsou ve skutečnosti uhlovodíky obsahující maximální možný počet atomů vodíku, a proto se nazývají limitující (nasycené).

Kvůli nasycení nemohou alkany vstupovat do adičních reakcí.

Protože atomy uhlíku a vodíku mají poměrně blízkou elektronegativitu, vede to ke skutečnosti, že vazby CH v jejich molekulách mají extrémně nízkou polaritu. V tomto ohledu jsou pro alkany příznačnější reakce probíhající podle mechanismu radikálové substituce, označené symbolem SR.

1. Substituční reakce

Při reakcích tohoto typu se přerušují vazby uhlík-vodík.

RH + XY → RX + HY

Halogenace

Alkany reagují s halogeny (chlorem a bromem) působením ultrafialového světla nebo silným teplem. V tomto případě vzniká směs halogenderivátů s různým stupněm substituce atomů vodíku - mono-, di-tri- atd. halogenem substituované alkany.

Na příkladu metanu to vypadá takto:

Změnou poměru halogen/methan v reakční směsi je možné zajistit, aby ve složení produktů převládal jakýkoli konkrétní halogenový derivát methanu.

reakční mechanismus

Analyzujme mechanismus substituční reakce volných radikálů na příkladu interakce metanu a chlóru. Skládá se ze tří fází:

iniciace (neboli řetězová iniciace) - proces vzniku volných radikálů působením energie zvenčí - ozáření UV světlem nebo ohřevem. V této fázi dochází u molekuly chloru k homolytickému štěpení vazby Cl-Cl za vzniku volných radikálů:

Volné radikály, jak je vidět z obrázku výše, se nazývají atomy nebo skupiny atomů s jedním nebo více nepárovými elektrony (Cl, H, CH3, CH2 atd.);

2. Rozvoj řetězce

Tato fáze spočívá v interakci aktivních volných radikálů s neaktivními molekulami. V tomto případě se tvoří nové radikály. Zejména, když radikály chloru působí na molekuly alkanů, tvoří se alkylový radikál a chlorovodík. Alkylový radikál, který se srazí s molekulami chloru, vytváří derivát chloru a nový radikál chloru:

3) Přerušení (smrt) řetězu:

Vyskytuje se jako výsledek rekombinace dvou radikálů navzájem do neaktivních molekul:

2. Oxidační reakce

Za normálních podmínek jsou alkany inertní vůči tak silným oxidačním činidlům, jako jsou koncentrované kyseliny sírové a dusičné, manganistan a dichroman draselný (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).

Spalování v kyslíku

A) úplné spalování s přebytkem kyslíku. Vede k tvorbě oxidu uhličitého a vody:

CH4 + 202 \u003d CO2 + 2H20

B) nedokonalé spalování s nedostatkem kyslíku:

2CH4 + 302 \u003d 2CO + 4H20

CH4+02\u003d C + 2H20

Katalytická oxidace kyslíkem

V důsledku zahřívání alkanů kyslíkem (~200 o C) v přítomnosti katalyzátorů z nich lze získat širokou škálu organických produktů: aldehydy, ketony, alkoholy, karboxylové kyseliny.

Například metan, v závislosti na povaze katalyzátoru, může být oxidován na methylalkohol, formaldehyd nebo kyselinu mravenčí:

3. Tepelné přeměny alkanů

Praskání

Cracking (z angl. prasknout - roztrhat) je chemický proces probíhající při vysoké teplotě, v jehož důsledku se uhlíkový skelet molekul alkanů rozbije za vzniku molekul alkenů a alkanů s nižší molekulovou hmotností oproti původním alkanům. Například:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH2

Praskání může být tepelné nebo katalytické. Pro realizaci katalytického krakování se díky použití katalyzátorů používají výrazně nižší teploty oproti tepelnému krakování.

Dehydrogenace

K eliminaci vodíku dochází v důsledku přerušení vazeb CH; se provádí v přítomnosti katalyzátorů při zvýšených teplotách. Dehydrogenací metanu vzniká acetylen:

2CH4 -> C2H2 + 3H2

Zahřátí metanu na 1200 °C vede k jeho rozkladu na jednoduché látky:

CH4 -> C + 2H 2

Dehydrogenací jiných alkanů vznikají alkeny:

C2H6 -> C2H4 + H2

Při dehydrogenaci n- vznikají -butan, buten-1 a buten-2 (poslední ve formě cis- a trans-izomery):

Dehydrocyklizace

Izomerizace

Chemické vlastnosti cykloalkanů

Chemické vlastnosti cykloalkanů s více než čtyřmi atomy uhlíku v cyklech jsou obecně téměř totožné s vlastnostmi alkanů. Pro cyklopropan a cyklobutan jsou kupodivu charakteristické adiční reakce. To je způsobeno vysokým napětím uvnitř cyklu, což vede k tomu, že tyto cykly mají tendenci se zlomit. Takže cyklopropan a cyklobutan snadno přidávají brom, vodík nebo chlorovodík:

Chemické vlastnosti alkenů

1. Adiční reakce

Protože se dvojná vazba v molekulách alkenů skládá z jedné silné sigma vazby a jedné slabé vazby pi, jedná se o poměrně aktivní sloučeniny, které snadno vstupují do adičních reakcí. Alkeny do takových reakcí často vstupují i za mírných podmínek – v chladu, ve vodných roztocích a organických rozpouštědlech.

Hydrogenace alkenů

Alkeny jsou schopny přidávat vodík v přítomnosti katalyzátorů (platina, palladium, nikl):

CH 3-CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3-CH 2-CH 3

Hydrogenace alkenů probíhá snadno i za normálního tlaku a mírného zahřátí. Zajímavostí je, že stejné katalyzátory lze použít pro dehydrogenaci alkanů na alkeny, pouze proces dehydrogenace probíhá při vyšší teplotě a nižším tlaku.

Halogenace

Alkeny snadno vstupují do adiční reakce s bromem jak ve vodném roztoku, tak v organických rozpouštědlech. V důsledku interakce ztrácejí zpočátku žluté roztoky bromu barvu, tzn. odbarvit.

CH2 \u003d CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br

Hydrohalogenace

Je snadné vidět, že přidání halogenovodíku k nesymetrické molekule alkenu by teoreticky mělo vést ke směsi dvou izomerů. Například, když se bromovodík přidá k propenu, měly by se získat následující produkty:

Nicméně za nepřítomnosti specifických podmínek (například přítomnost peroxidů v reakční směsi) bude přidání molekuly halogenovodíku probíhat přísně selektivně v souladu s Markovnikovovým pravidlem:

K adici halogenovodíku na alken dochází tak, že vodík je navázán na atom uhlíku s větším počtem atomů vodíku (více hydrogenovaný) a halogen je navázán na atom uhlíku s menším počtem atomů vodíku. (méně hydrogenované).

Hydratace

Tato reakce vede k tvorbě alkoholů a také probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem:

Jak asi tušíte, vzhledem k tomu, že přidání vody k molekule alkenu probíhá podle Markovnikovova pravidla, je tvorba primárního alkoholu možná pouze v případě hydratace ethylenu:

CH2 \u003d CH2 + H20 -> CH3-CH2-OH

Právě touto reakcí se vyrábí hlavní množství ethylalkoholu ve velkokapacitním průmyslu.

Polymerizace

Specifickým případem adiční reakce je polymerační reakce, která na rozdíl od halogenace, hydrohalogenace a hydratace probíhá mechanismem volných radikálů:

Oxidační reakce

Jako všechny ostatní uhlovodíky, alkeny snadno hoří v kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody. Rovnice pro spalování alkenů v přebytku kyslíku má tvar:

CnH2n+ (3/2)n02 → nC02 + nH20

Na rozdíl od alkanů se alkeny snadno oxidují. Působením vodného roztoku KMnO 4 na alkeny dochází ke změně barvy, což je kvalitativní reakce na dvojné a trojné CC vazby v molekulách organických látek.

Oxidace alkenů manganistanem draselným v neutrálním nebo mírně alkalickém roztoku vede k tvorbě diolů (dvojmocných alkoholů):

C 2H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (chlazení)

V kyselém prostředí dochází k úplnému štěpení dvojné vazby s přeměnou atomů uhlíku, které vytvořily dvojnou vazbu, na karboxylové skupiny:

5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (zahřívání)

Pokud je dvojná vazba C=C na konci molekuly alkenu, pak vzniká oxid uhličitý jako oxidační produkt extrémního atomu uhlíku na dvojné vazbě. To je způsobeno skutečností, že meziprodukt oxidace, kyselina mravenčí, se snadno sám oxiduje v přebytku oxidačního činidla:

5CH 3 CH=CH 2 + 10 KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (zahřívání)

Při oxidaci alkenů, při které atom C na dvojné vazbě obsahuje dva uhlovodíkové substituenty, vzniká keton. Například oxidací 2-methylbutenu-2 vzniká aceton a kyselina octová.

K vytvoření jejich struktury se využívá oxidace alkenů, která naruší uhlíkový skelet na dvojné vazbě.

Chemické vlastnosti alkadienů

Adiční reakce

Například přidání halogenů:

Bromová voda se stává bezbarvou.

Za normálních podmínek dochází k adici atomů halogenu na koncích molekuly butadienu-1,3, zatímco vazby π jsou přerušeny, atomy bromu jsou připojeny k extrémním atomům uhlíku a volné valence tvoří novou vazbu π. Tedy jakoby došlo k „pohybu“ dvojné vazby. Při přebytku bromu lze na místo vytvořené dvojné vazby přidat ještě jednu molekulu bromu.

polymerační reakce

Chemické vlastnosti alkynů

Alkyny jsou nenasycené (nenasycené) uhlovodíky, a proto mohou vstupovat do adičních reakcí. Mezi adičními reakcemi pro alkyny je elektrofilní adice nejběžnější.

Halogenace

Protože se trojná vazba alkynových molekul skládá z jedné silnější sigma vazby a dvou slabších pí vazeb, jsou schopny připojit buď jednu nebo dvě molekuly halogenu. Adice dvou molekul halogenu jednou molekulou alkynu probíhá elektrofilním mechanismem postupně ve dvou fázích:

Hydrohalogenace

Adice halogenovodíkových molekul také probíhá elektrofilním mechanismem a dvoustupňově. V obou fázích přidávání probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem:

Hydratace

K adici vody k alkynům dochází v přítomnosti solí ruthia v kyselém prostředí a nazývá se Kucherovova reakce.

V důsledku hydratace přidáním vody do acetylenu vzniká acetaldehyd (acetický aldehyd):

U homologů acetylenu vede přidání vody k tvorbě ketonů:

Alkynová hydrogenace

Alkyny reagují s vodíkem ve dvou krocích. Kovy jako platina, palladium, nikl se používají jako katalyzátory:

Alkynová trimerizace

Když acetylen prochází přes aktivní uhlí při vysoké teplotě, vzniká z něj směs různých produktů, z nichž hlavní je benzen, produkt trimerace acetylenu:

Dimerizace alkynů

Acetylen také vstupuje do dimerizační reakce. Proces probíhá v přítomnosti solí mědi jako katalyzátorů:

Alkynová oxidace

Alkyny hoří v kyslíku:

CnH2n-2 + (3n-1) / 202 → nC02 + (n-1) H20

Interakce alkynů s bázemi

Alkyny s trojitým C≡C na konci molekuly jsou na rozdíl od jiných alkynů schopny vstupovat do reakcí, při kterých je atom vodíku v trojné vazbě nahrazen kovem. Například acetylen reaguje s amidem sodným v kapalném amoniaku:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,

a také s roztokem amoniaku oxidu stříbrného za vzniku nerozpustných látek podobných solím nazývaných acetylenidy:

Díky této reakci je možné rozpoznat alkyny s koncovou trojnou vazbou a také takový alkyn izolovat ze směsi s jinými alkyny.

Je třeba poznamenat, že všechny acetylenidy stříbra a mědi jsou výbušné látky.

Acetylidy jsou schopny reagovat s halogenderiváty, čehož se využívá při syntéze složitějších organických sloučenin s trojnou vazbou:

CH3-C≡CH + NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3

CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr

Chemické vlastnosti aromatických uhlovodíků

Aromatická povaha vazby ovlivňuje chemické vlastnosti benzenů a dalších aromatických uhlovodíků.

Jediný 6pi elektronový systém je mnohem stabilnější než konvenční pí vazby. Proto jsou pro aromatické uhlovodíky charakteristické substituční reakce než reakce adiční. Areny vstupují do substitučních reakcí elektrofilním mechanismem.

Substituční reakce

Halogenace

Nitrace

Nitrační reakce probíhá nejlépe za působení nikoli čisté kyseliny dusičné, ale její směsi s koncentrovanou kyselinou sírovou, tzv. nitrační směsi:

Alkylace

Reakce, při které je jeden z atomů vodíku na aromatickém jádru nahrazen uhlovodíkovým radikálem:

Místo halogenovaných alkanů lze také použít alkeny. Jako katalyzátory lze použít halogenidy hliníku, halogenidy trojmocného železa nebo anorganické kyseliny.<

Adiční reakce

hydrogenace

Přírůstek chlóru

Při intenzivním ozáření ultrafialovým světlem probíhá radikálním mechanismem:

Podobně může reakce probíhat pouze s chlórem.

Oxidační reakce

Spalování

2C6H6 + 15O2 \u003d 12CO2 + 6H20 + Q

neúplná oxidace

Benzenový kruh je odolný vůči oxidačním činidlům, jako je KMnO 4 a K 2 Cr 2 O 7 . Reakce nejde.

Rozdělení substituentů v benzenovém kruhu na dva typy:

Zvažte chemické vlastnosti homologů benzenu za použití toluenu jako příkladu.

Chemické vlastnosti toluenu

Halogenace

Molekula toluenu může být považována za sestávající z fragmentů molekul benzenu a metanu. Proto je logické předpokládat, že chemické vlastnosti toluenu by měly do jisté míry spojovat chemické vlastnosti těchto dvou látek braných odděleně. To je přesně to, co je pozorováno při jeho halogenaci. Již víme, že benzen vstupuje do substituční reakce s chlorem elektrofilním mechanismem a k provedení této reakce je třeba použít katalyzátory (halogenidy hliníku nebo železa). Současně je metan také schopen reagovat s chlorem, ale mechanismem volných radikálů, což vyžaduje ozáření výchozí reakční směsi UV světlem. Toluen, v závislosti na podmínkách, za kterých prochází chlorací, je schopen poskytnout buď produkty substituce atomů vodíku v benzenovém kruhu - k tomu je třeba použít stejné podmínky jako při chloraci benzenu, nebo produkty substituce atomů vodíku v methylovém radikálu, pokud je na něm, jak působit na metan s chlorem při ozařování ultrafialovým světlem:

Jak můžete vidět, chlorace toluenu v přítomnosti chloridu hlinitého vedla ke dvěma různým produktům - ortho- a para-chlortoluenu. To je způsobeno skutečností, že methylový radikál je substituentem prvního druhu.

Pokud se chlorace toluenu v přítomnosti AlCl3 provádí v nadbytku chloru, je možná tvorba trichlorem substituovaného toluenu:

Podobně, když se toluen chloruje na světle při vyšším poměru chlor/toluen, lze získat dichlormethylbenzen nebo trichlormethylbenzen:

Nitrace

Substituce atomů vodíku za nitroskupinu během nitrace toluenu směsí koncentrované kyseliny dusičné a sírové vede k substitučním produktům v aromatickém jádru, a nikoli v methylovém radikálu:

Alkylace

Jak již bylo zmíněno, methylový radikál je orientantem prvního druhu, proto jeho Friedel-Craftsova alkylace vede k substitučním produktům v ortho a para polohách:

Adiční reakce

Toluen lze hydrogenovat na methylcyklohexan pomocí kovových katalyzátorů (Pt, Pd, Ni):

C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H20

neúplná oxidace

Působením takového oxidačního činidla, jako je vodný roztok manganistanu draselného, postranní řetězec podléhá oxidaci. Aromatické jádro nelze za takových podmínek oxidovat. V tomto případě se v závislosti na pH roztoku vytvoří buď karboxylová kyselina nebo její sůl.

Struktura alkanů

Alkany jsou uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou atomy spojeny jednoduchými vazbami a které odpovídají obecnému vzorci CnH2n+2. V molekulách alkanů jsou všechny atomy uhlíku ve stavu hybridizace sp 3.

To znamená, že všechny čtyři hybridní orbitaly atomu uhlíku mají stejný tvar, energii a směřují do rohů rovnostranné trojúhelníkové pyramidy - čtyřstěn. Úhly mezi orbitaly jsou 109° 28'. Kolem jediné vazby uhlík-uhlík je možná téměř volná rotace a molekuly alkanu mohou nabývat nejrůznějších tvarů s úhly u atomů uhlíku blízkými čtyřstěnnému (109° 28'), například v molekule n-pentanu.

Zvláště stojí za to připomenout vazby v molekulách alkanů. Všechny vazby v molekulách nasycených uhlovodíků jsou jednoduché. K překrytí dochází podél osy spojující jádra atomů, tj σ-vazby. Vazby uhlík-uhlík jsou nepolární a špatně polarizovatelné. Délka vazby C-C v alkanech je 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H vazby jsou poněkud kratší. Elektronová hustota je mírně posunuta směrem k elektronegativnějšímu atomu uhlíku, tj. vazba C-H je slabě polární.

Homologní řada metanu

homology Látky, které mají podobnou strukturu a vlastnosti, ale liší se v jednu nebo více skupin CH 2 .

Omezte uhlovodíky tvoří homologní řadu metanu.

Isomerie a nomenklatura alkanů

Alkany se vyznačují tzv strukturální izomerie. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Nejjednodušším alkanem, který se vyznačuje strukturními izomery, je butan.

Podívejme se podrobněji na základy názvosloví pro alkany IUPAC.

1. Výběr hlavního okruhu. Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule, který je jakoby jejím základem.

2. Atomové číslování hlavního řetězce. Atomům hlavního řetězce jsou přiřazena čísla. Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce nejblíže k substituentu (struktury A, B). Pokud jsou substituenty ve stejné vzdálenosti od konce řetězce, pak číslování začíná od konce, na kterém je jich více (struktura B). Pokud jsou různé substituenty ve stejné vzdálenosti od konců řetězce, pak číslování začíná od konce, ke kterému je starší z nich blíže (struktura D). Seniorita uhlovodíkových substituentů je určena pořadím, ve kterém následuje v abecedě písmeno, kterým jejich název začíná: methyl (-CH 3), dále propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), ethyl (-CH 2 -CH3) atd.

Všimněte si, že název substituentu je vytvořen nahrazením přípony -an příponou -yl v názvu odpovídajícího alkanu.

3. Tvoření jména. Na začátku názvu jsou uvedena čísla - počty atomů uhlíku, na kterých se nacházejí substituenty. Pokud je na daném atomu několik substituentů, pak se odpovídající číslo v názvu opakuje dvakrát oddělené čárkou (2,2-). Za číslem je pomlčkou uveden počet substituentů (di - dva, tři - tři, tetra - čtyři, penta - pět) a název substituentu (methyl, ethyl, propyl). Pak bez mezer a pomlček - název hlavního řetězce. Hlavní řetězec se nazývá uhlovodík - člen homologní řady metanu (metan, etan, propan atd.).

Názvy látek, jejichž strukturní vzorce jsou uvedeny výše, jsou následující:

Struktura A: 2-methylpropan;

Struktura B: 3-ethylhexan;

Struktura B: 2,2,4-trimethylpentan;

Struktura D: 2-methyl-4-ethylhexan.

Absence nasycených uhlovodíků v molekulách polární vazby vede k nim špatně rozpustný ve vodě, neinteragují s nabitými částicemi (ionty). Nejtypičtější reakce pro alkany jsou reakce zahrnující volné radikály.

Fyzikální vlastnosti alkanů

První čtyři zástupci homologní řady metanu - plyny. Nejjednodušší z nich je metan - bezbarvý plyn bez chuti a zápachu (vůně "plynu", která je cítit, musíte zavolat 04, je určena vůní merkaptanů - sloučenin obsahujících síru speciálně přidaných do metanu používaného v domácí a průmyslové plynové spotřebiče, aby lidé v jejich blízkosti cítili únik).

Složení uhlovodíků z Z 5 H 12 před Z 15 H 32 - kapaliny; těžší uhlovodíky jsou pevné látky. Teploty varu a tání alkanů se postupně zvyšují s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Všechny uhlovodíky jsou špatně rozpustné ve vodě, kapalné uhlovodíky jsou běžná organická rozpouštědla.

Chemické vlastnosti alkanů

substituční reakce.

Nejcharakterističtější reakce pro alkany jsou reakce substituce volnými radikály, během níž je atom vodíku nahrazen atomem halogenu nebo nějakou skupinou.

Uveďme rovnice charakteristiky halogenační reakce:

V případě přebytku halogenu může jít chlorace dále, až po úplné nahrazení všech atomů vodíku chlorem:

Výsledné látky jsou široce používány jako rozpouštědla a výchozí materiály v organické syntéze.

Dehydrogenační reakce(štěpení vodíku).

Při průchodu alkanů přes katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) při vysoké teplotě (400-600 °C) dochází k odštěpení molekuly vodíku a vzniku alken:

Reakce doprovázené destrukcí uhlíkového řetězce. Všechny nasycené uhlovodíky hoří s tvorbou oxidu uhličitého a vody. Plynné uhlovodíky smíchané se vzduchem v určitých poměrech mohou explodovat.

1. Spalování nasycených uhlovodíků je exotermická reakce s volnými radikály, která je velmi důležitá při použití alkanů jako paliva:

Obecně lze spalovací reakci alkanů zapsat takto:

2. Tepelný rozklad uhlovodíků.

Proces běží dál mechanismus volných radikálů. Zvýšení teploty vede k homolytickému roztržení vazby uhlík-uhlík a vzniku volných radikálů.

Tyto radikály na sebe vzájemně působí, vyměňují si atom vodíku za vzniku molekuly molekuly alkanů a alkenů:

Tepelné štěpné reakce jsou jádrem průmyslového procesu - krakování uhlovodíků. Tento proces je nejdůležitější fází rafinace ropy.

3. Pyrolýza. Když se metan zahřeje na teplotu 1000 °C, pyrolýza metanu- rozklad na jednoduché látky:

Při zahřátí na teplotu 1500 °C dochází ke vzniku acetylén:

4. Izomerizace. Při zahřívání lineárních uhlovodíků s izomerizačním katalyzátorem (chlorid hlinitý) vznikají látky s rozvětvená uhlíková kostra:

5. Aromatizace. Alkany se šesti nebo více atomy uhlíku v řetězci v přítomnosti katalyzátoru jsou cyklizovány za vzniku benzenu a jeho derivátů:

Alkany vstupují do reakcí, které probíhají podle mechanismu volných radikálů, protože všechny atomy uhlíku v molekulách alkanů jsou ve stavu sp 3 hybridizace. Molekuly těchto látek jsou budovány pomocí kovalentních nepolárních vazeb C-C (uhlík - uhlík) a slabě polárních vazeb C-H (uhlík - vodík). Nemají oblasti s vysokou a nízkou elektronovou hustotou, snadno polarizovatelné vazby, tedy takové vazby, jejichž elektronová hustota se může posunout vlivem vnějších faktorů (elektrostatická pole iontů). V důsledku toho alkany nebudou reagovat s nabitými částicemi, protože vazby v molekulách alkanů nejsou narušeny heterolytickým mechanismem.

Uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou atomy spojeny jednoduchými vazbami a které odpovídají obecnému vzorci C n H 2 n +2.
V molekulách alkanů jsou všechny atomy uhlíku ve stavu sp 3 hybridizace. To znamená, že všechny čtyři hybridní orbitaly atomu uhlíku jsou identické tvarem, energií a směřují do rohů rovnostranné trojúhelníkové pyramidy – čtyřstěnu. Úhly mezi orbitaly jsou 109° 28'.

Kolem jediné vazby uhlík-uhlík je možná téměř volná rotace a molekuly alkanů mohou nabývat nejrůznějších tvarů s úhly u atomů uhlíku blízkými čtyřstěnům (109 ° 28 ′), například v molekule n-pentan.

Zvláště stojí za to připomenout vazby v molekulách alkanů. Všechny vazby v molekulách nasycených uhlovodíků jsou jednoduché. K překrývání dochází podél osy,
spojující jádra atomů, tj. jedná se o σ-vazby. Vazby uhlík-uhlík jsou nepolární a špatně polarizovatelné. Délka vazby C-C v alkanech je 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H vazby jsou poněkud kratší. Elektronová hustota je mírně posunuta směrem k elektronegativnějšímu atomu uhlíku, tj. vazba C-H je slabě polární.

Absence polárních vazeb v molekulách nasycených uhlovodíků vede k tomu, že jsou špatně rozpustné ve vodě a neinteragují s nabitými částicemi (ionty). Nejcharakterističtější pro alkany jsou reakce, které zahrnují volné radikály.

Homologní řada metanu

homology- látky podobné strukturou a vlastnostmi a lišící se jednou nebo více skupinami CH 2 .

Isomerie a nomenklatura

Alkany se vyznačují tzv. strukturní izomerií. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Nejjednodušším alkanem, který se vyznačuje strukturními izomery, je butan.

Základy názvosloví

1. Výběr hlavního okruhu. Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule, který je jakoby jejím základem.
2. Číslování atomů hlavního řetězce. Atomům hlavního řetězce jsou přiřazena čísla. Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce nejblíže k substituentu (struktury A, B). Pokud jsou substituenty ve stejné vzdálenosti od konce řetězce, pak číslování začíná od konce, na kterém je jich více (struktura B). Pokud jsou různé substituenty ve stejné vzdálenosti od konců řetězce, pak číslování začíná od konce, ke kterému je starší z nich blíže (struktura G). Seniorita uhlovodíkových substituentů je určena pořadím, ve kterém následuje v abecedě písmeno, kterým jejich název začíná: methyl (-CH 3), poté ethyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH3) atd.
Všimněte si, že název substitutu je tvořen nahrazením přípony -an příponou - bahno ve jménu odpovídajícího alkanu.
3. Tvoření jména. Na začátku názvu jsou uvedena čísla - počty atomů uhlíku, na kterých se nacházejí substituenty. Pokud je na daném atomu několik substituentů, pak se odpovídající číslo v názvu opakuje dvakrát oddělené čárkou (2,2-). Za číslem spojovník označuje počet substituentů ( di- dva, tři- tři, tetra- čtyři, penta- pět) a název substituentu (methyl, ethyl, propyl). Pak bez mezer a pomlček - název hlavního řetězce. Hlavní řetězec je označován jako uhlovodík - člen metanové homologní řady ( metan CH 4, etan C2H6, propan C3H8, C4H10, pentan C 5 H 12, hexan C6H14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, děkan C10H22).

Fyzikální vlastnosti alkanů

První čtyři zástupci homologní řady metanu jsou plyny. Nejjednodušší z nich je metan - bezbarvý plyn bez chuti a zápachu (vůně "plynu", která je cítit, musíte zavolat 04, je určena vůní merkaptanů - sloučenin obsahujících síru speciálně přidaných do metanu používaného v domácí a průmyslové plynové spotřebiče, aby lidé v jejich blízkosti cítili únik).
Uhlovodíky o složení C 4 H 12 až C 15 H 32 - kapaliny; těžší uhlovodíky jsou pevné látky. Teploty varu a tání alkanů se postupně zvyšují s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Všechny uhlovodíky jsou špatně rozpustné ve vodě, kapalné uhlovodíky jsou běžná organická rozpouštědla.

Chemické vlastnosti alkanů

substituční reakce.
Nejcharakterističtější pro alkany jsou substituční reakce volných radikálů, během kterých je atom vodíku nahrazen atomem halogenu nebo nějakou skupinou. Uveďme rovnice charakteristických reakcí halogenace:

V případě přebytku halogenu může chlorace jít dále, až k úplnému nahrazení všech atomů vodíku chlorem:

Výsledné látky jsou široce používány jako rozpouštědla a výchozí materiály v organické syntéze.
Dehydrogenační reakce(odštěpení vodíku).
Při průchodu alkanů přes katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) při vysoké teplotě (400-600 °C) se odštěpí molekula vodíku a vznikne alken:

Reakce doprovázené destrukcí uhlíkového řetězce.
Všechny nasycené uhlovodíky hoří za vzniku oxidu uhličitého a vody. Plynné uhlovodíky smíchané se vzduchem v určitých poměrech mohou explodovat.
1. Spalování nasycených uhlovodíků je exotermická reakce s volnými radikály, která je velmi důležitá při použití alkanů jako paliva:

Obecně lze spalovací reakci alkanů zapsat takto:

2. Tepelné štěpení uhlovodíků.

Proces probíhá podle mechanismu volných radikálů. Zvýšení teploty vede k homolytickému roztržení vazby uhlík-uhlík a vzniku volných radikálů.

Tyto radikály vzájemně interagují, vyměňují si atom vodíku a tvoří molekulu alkanu a molekulu alkenu:

Tepelné štěpící reakce jsou základem průmyslového procesu - krakování uhlovodíků. Tento proces je nejdůležitější fází rafinace ropy.

3. Pyrolýza. Při zahřátí metanu na teplotu 1000 °C začíná pyrolýza metanu - rozklad na jednoduché látky:

Při zahřátí na teplotu 1500 ° C je možná tvorba acetylenu:

4. Izomerizace. Při zahřívání lineárních uhlovodíků s izomerizačním katalyzátorem (chlorid hlinitý) vznikají látky s rozvětveným uhlíkovým skeletem:

5. Aromatizace. Alkany se šesti nebo více atomy uhlíku v řetězci v přítomnosti katalyzátoru jsou cyklizovány za vzniku benzenu a jeho derivátů:

Alkanes- nasycené (limitní) uhlovodíky. Zástupcem této třídy je metan ( CH 4). Všechny následující nasycené uhlovodíky se liší o CH 2- skupina, která se nazývá homologní skupina a sloučeniny se nazývají homology.

Obecný vzorec - ZnH 2 n +2 .

Struktura alkanů.

Každý atom uhlíku je uvnitř sp 3- hybridizace, formy 4 σ - připojení (1 S-S a 3 S-N). Tvar molekuly je ve tvaru čtyřstěnu s úhlem 109,5°.

Vazba je tvořena překrývajícími se hybridními orbitaly, přičemž maximální plocha překrytí leží v prostoru na přímce spojující jádra atomů. Toto je nejúčinnější překrytí, takže σ-vazba je považována za nejsilnější.

Isomerie alkanů.

Pro alkany izomerie uhlíkového skeletu. Mezní spoje mohou mít různé geometrické tvary při zachování úhlu mezi vazbami. Například,

Různé polohy uhlíkového řetězce se nazývají konformace. Za normálních podmínek do sebe konformace alkanů volně přecházejí pomocí rotace vazeb C-C, proto se často nazývají rotační izomery. Existují 2 hlavní konformace – „inhibovaná“ a „skrytá“:

Isomerie uhlíkové kostry alkanů.

Počet izomerů se zvyšuje s růstem uhlíkového řetězce. Například butan má 2 známé izomery:

Pro pentan - 3, pro heptan - 9 atd.

Pokud molekula alkan odečtěte jeden proton (atom vodíku), dostanete radikál:

Fyzikální vlastnosti alkanů.

Za normálních podmínek - C1-C4- plyny C5-C17- kapaliny a uhlovodíky s více než 18 atomy uhlíku - pevné látky.

Jak řetězec roste, body varu a tání se zvyšují. Rozvětvené alkany mají nižší body varu než ty normální.

Alkanes nerozpustný ve vodě, ale snadno rozpustný v nepolárních organických rozpouštědlech. Snadno se vzájemně mísí.

Získání alkanů.

Syntetické metody získávání alkanů:

1. Z nenasycených uhlovodíků - "hydrogenační" reakce probíhá pod vlivem katalyzátoru (nikl, platina) a při teplotě:

2. Z halogenderivátů - wurtzova reakce: reakce monohalogenalkanů s kovovým sodíkem, výsledkem jsou alkany s dvojnásobným počtem atomů uhlíku v řetězci:

3. Ze solí karboxylových kyselin. Když sůl interaguje s alkálií, získají se alkany, které obsahují o 1 atom uhlíku méně ve srovnání s původní karboxylovou kyselinou:

4. Získávání metanu. V elektrickém oblouku ve vodíkové atmosféře:

C + 2H2 = CH4.

V laboratoři se metan získává takto:

Al4C3 + 12H20 \u003d 3CH4 + 4Al (OH) 3.

Chemické vlastnosti alkanů.

Za normálních podmínek jsou alkany chemicky inertní sloučeniny, nereagují s koncentrovanou kyselinou sírovou a dusičnou, s koncentrovanou alkálií ani s manganistanem draselným.

Stabilita se vysvětluje silou vazeb a jejich nepolaritou.

Sloučeniny nejsou náchylné k reakcím štěpení vazby (adiční reakce), vyznačují se substitucí.

1. Halogenace alkanů. Pod vlivem kvanta světla začíná radikální substituce (chlorace) alkanu. Obecné schéma:

Reakce probíhá podle řetězového mechanismu, ve kterém jsou:

A) Zahájení okruhu:

B) Růst řetězce:

C) Otevřený obvod:

Celkově to může být reprezentováno jako:

2. Nitrace (Konovalovova reakce) alkanů. Reakce probíhá při 140 °C:

Reakce probíhá nejsnáze s terciárním atomem uhlíku než s primárním a sekundárním.

3. Izomerizace alkanů. Za určitých podmínek se alkany normální struktury mohou změnit na rozvětvené:

4. Krabující alkany. Působením vysokých teplot a katalyzátorů mohou vyšší alkany rozbít své vazby a vytvářet nižší alkeny a alkany:

5. Oxidace alkanů. Za různých podmínek a s různými katalyzátory může oxidace alkanu vést ke vzniku alkoholu, aldehydu (ketonu) a kyseliny octové. Za podmínek úplné oxidace reakce pokračuje až do konce - až do vytvoření vody a oxidu uhličitého:

Použití alkanů.

Alkany našly široké uplatnění v průmyslu, při syntéze ropy, paliva atd.