Nasycené uhlovodíky jsou sloučeniny, které jsou molekulami skládajícími se z atomů uhlíku ve stavu sp 3 hybridizace. Jsou navzájem spojeny výhradně kovalentními sigma vazbami. Název "nasycené" nebo "nasycené" uhlovodíky pochází ze skutečnosti, že tyto sloučeniny nemají schopnost vázat žádné atomy. Jsou extrémní, zcela nasycené. Výjimkou jsou cykloalkany.
Co jsou alkany?
Alkany jsou nasycené uhlovodíky a jejich uhlíkový řetězec je otevřený a skládá se z atomů uhlíku spojených navzájem jednoduchými vazbami. Neobsahuje jiné (to znamená dvojné, jako jsou alkeny, nebo trojné, jako alkyly) vazby. Alkany se také nazývají parafíny. Tento název získaly proto, že známé parafíny jsou směsí převážně těchto nasycených uhlovodíků C18-C35 se zvláštní inertností.
Obecné informace o alkanech a jejich radikálech
Jejich vzorec: C n P 2 n +2, zde n je větší nebo rovno 1. Molární hmotnost se vypočítá podle vzorce: M = 14n + 2. Vlastnosti: Koncovky v jejich jménech jsou „-an“. Zbytky jejich molekul, které vznikají v důsledku nahrazení atomů vodíku jinými atomy, se nazývají alifatické radikály neboli alkyly. Označují se písmenem R. Obecný vzorec jednovazných alifatických radikálů: C n P 2 n +1, zde n je větší nebo rovno 1. Molární hmotnost alifatických radikálů se vypočítá podle vzorce: M = 14n + 1. Charakteristický rys alifatických radikálů: koncovky ve jménech „- bahno“. Alkanové molekuly mají své vlastní strukturní rysy:
- Vazba C-C je charakterizována délkou 0,154 nm;
- C-H připojení vyznačující se délkou 0,109 nm;
- vazebný úhel (úhel mezi vazbami uhlík-uhlík) je 109 stupňů a 28 minut.
Alkany začínají homologní řadu: metan, etan, propan, butan a tak dále.
Fyzikální vlastnosti alkanů
Alkany jsou látky, které jsou bezbarvé a nerozpustné ve vodě. Teplota, při které se alkany začínají tavit, a teplota, při které se vaří, se zvyšují v souladu s nárůstem molekulové hmotnosti a délky uhlovodíkového řetězce. Od méně rozvětvených k více rozvětveným alkanům se teploty varu a tání snižují. Plynné alkany mohou hořet světle modrým nebo bezbarvým plamenem a produkují poměrně hodně tepla. CH 4 -C 4 H 10 jsou plyny, které rovněž nemají žádný zápach. C 5 H 12 -C 15 H 32 jsou kapaliny, které mají specifický zápach. C15H32 a tak dále jsou pevné látky, které jsou také bez zápachu.
Chemické vlastnosti alkanů
Tyto sloučeniny jsou chemicky neaktivní, což lze vysvětlit silou obtížně přerušitelných sigma vazeb - C-C a C-H. Rovněž stojí za zvážení, že vazby C-C jsou nepolární a vazby C-H jsou nízkopolární. Jedná se o nízkopolarizované typy vazeb souvisejících s typem sigma, a proto je lze rozbít podle pravděpodobně stanou se homolytickými mechanismem, v důsledku čehož se budou tvořit radikály. Tím pádem, Chemické vlastnosti alkany jsou omezeny hlavně na radikálové substituční reakce.
Nitrační reakce
Alkany reagují pouze s kyselinou dusičnou o koncentraci 10% nebo s čtyřmocným oxidem dusíku v plynové prostředí při teplotě 140°C. Nitrační reakce alkanů se nazývá Konovalovova reakce. V důsledku toho vznikají nitrosloučeniny a voda: CH 4 + kyselina dusičná (zředěná) = CH 3 - NO 2 (nitromethan) + voda.
Spalovací reakce
Jako palivo se velmi často používají nasycené uhlovodíky, což je odůvodněno jejich schopností hořet: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.
Oxidační reakce
Mezi chemické vlastnosti alkanů patří také jejich schopnost oxidace. V závislosti na tom, jaké podmínky doprovázejí reakci a jak se mění, lze ze stejné látky získat různé konečné produkty. Mírná oxidace methanu kyslíkem v přítomnosti katalyzátoru urychlujícího reakci a teplotě asi 200 °C může vést k následujícím látkám:
1) 2CH 4 (oxidace kyslíkem) = 2CH 3 OH (alkohol - methanol).
2) CH 4 (oxidace kyslíkem) = CH 2 O (aldehyd - metan nebo formaldehyd) + H 2 O.
3) 2CH 4 (oxidace kyslíkem) = 2HCOOH (karboxylová kyselina - methan nebo mravenčí) + 2H 2 O.
Oxidaci alkanů lze také provádět v plynném nebo kapalném prostředí vzduchem. Takové reakce vedou ke vzniku vyšších mastných alkoholů a odpovídajících kyselin.
Vztah k teplu
Při teplotách nepřesahujících +150-250°C, vždy za přítomnosti katalyzátoru, dochází ke strukturnímu přeskupení organických látek, které spočívá ve změně pořadí spojení atomů. Tento proces se nazývá izomerizace a látky vzniklé reakcí se nazývají izomery. Z normálního butanu se tak získá jeho izomer – izobutan. Při teplotách 300-600°C a přítomnosti katalyzátoru dochází k přerušování vazeb C-H za vzniku molekul vodíku (dehydrogenační reakce), molekul vodíku s uzavřením uhlíkového řetězce do cyklu (cyklizační nebo aromatizační reakce alkanů) :
1) 2CH4 = C2H4 (ethen) + 2H2.
2) 2CH4 = C2H2 (ethyn) + 3H2.
3) C7H16 (normální heptan) = C6H5-CH3 (toluen) + 4H2.
Halogenační reakce
Takové reakce zahrnují zavedení halogenů (jejich atomů) do molekuly organické látky, což vede k vytvoření vazby C-halogenu. Když alkany reagují s halogeny, vznikají halogenderiváty. Tato reakce má specifické funkce. Probíhá radikálním mechanismem a k jeho iniciaci je nutné směs halogenů a alkanů vystavit ultrafialovému záření nebo jednoduše zahřát. Vlastnosti alkanů umožňují, aby halogenační reakce probíhala až do úplného nahrazení atomy halogenu. To znamená, že chlorace metanu neskončí jednou fází a výrobou methylchloridu. Reakce půjde dále, vzniknou všechny možné substituční produkty, chlormethanem počínaje a tetrachlormetanem konče. Vystavení jiných alkanů chloru za těchto podmínek bude mít za následek tvorbu různých produktů, které jsou výsledkem substituce vodíku na různých atomech uhlíku. Teplota, při které reakce probíhá, určí poměr konečných produktů a rychlost jejich tvorby. Čím delší je uhlovodíkový řetězec alkanu, tím snadnější bude reakce. Během halogenace bude nejdříve nahrazen nejméně hydrogenovaný (terciární) atom uhlíku. Primární bude reagovat po všech ostatních. Halogenační reakce bude probíhat ve stupních. V první fázi je nahrazen pouze jeden atom vodíku. Alkany nereagují s halogenovými roztoky (chlorová a bromová voda).
Sulfochlorační reakce
Chemické vlastnosti alkanů doplňuje také sulfochlorační reakce (nazývaná Reedova reakce). Při vystavení ultrafialovému záření jsou alkany schopny reagovat se směsí chloru a oxidu siřičitého. V důsledku toho se tvoří chlorovodík a také alkylový radikál, který přidává oxid siřičitý. Výsledek je složité spojení, který se stává stabilním díky zachycení atomu chloru a destrukci jeho další molekuly: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultrafialové záření = R-SO 2 Cl + HCl. Sulfonylchloridy vzniklé jako výsledek reakce jsou široce používány při výrobě povrchově aktivních látek.
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 na atomech 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 překrytí dochází podél osy,
spojující jádra atomů, tedy jde 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.
Nepřítomnost nasycených uhlovodíků v molekulách polární vazby vede k tomu, že jsou špatně rozpustné ve vodě a neinteragují s nabitými částicemi (ionty). Nejcharakterističtější reakce pro alkany jsou reakce zahrnující volné radikály.
Homologní řada metanu
Homology- látky, které mají podobnou strukturu a vlastnosti a liší 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 nomenklatury
1. Výběr hlavního okruhu. Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule, který je jakoby jeho základem.
2. Číslování atomů hlavního řetězce. Atomům hlavního řetězce jsou přiřazena čísla. Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce, ke kterému je substituent nejblíže (struktury A, B). Pokud jsou substituenty umístěny ve stejné vzdálenosti od konce řetězce, pak číslování začíná od konce, na kterém je jich více (struktura B). Pokud jsou různé substituenty umístěny ve stejných vzdálenostech od konců řetězce, pak číslování začíná od konce, ke kterému je ten nadřazený nejblíže (struktura D). Seniorita uhlovodíkových substituentů je určena pořadím, ve kterém se písmeno, kterým jejich název začíná, objevuje v abecedě: methyl (-CH 3), dále ethyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH3) atd.
Vezměte prosím na vědomí, že název substituentu vzniká nahrazením přípony -an příponou - bahno ve jménu odpovídajícího alkanu.
3. Tvoření jména. Na začátku názvu jsou uvedena čísla - čísla 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 počet substituentů označen pomlčkou ( di- dva, tři- tři, tetra- čtyři, penta- pět) a název substituentu (methyl, ethyl, propyl). Poté, bez mezer a pomlček, název hlavního řetězce. Hlavní řetězec se nazývá uhlovodík - člen homologní řady metanu ( 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 S 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“, když jej ucítíte, musíte zavolat na číslo 04, je určena vůní merkaptanů - sloučenin obsahujících síru speciálně přidávaných do použitého metanu v domácích a průmyslových plynových spotřebičích tak, aby lidé, kteří se nacházejí vedle nich, mohli rozpoznat únik čichem).
Uhlovodíky o složení od C4H12 do C15H32 jsou 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.
Nejcharakterističtějšími reakcemi 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 organických syntézách.
Dehydrogenační reakce(abstrakce vodíku).
Když alkany procházejí přes katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) při vysokých teplotách (400-600 ° C), molekula vodíku se eliminuje a tvoří se 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 volnoradikálová exotermická reakce, která má velmi velká důležitost při použití alkanů jako paliva:
V obecný pohled Spalovací reakci alkanů lze zapsat takto:
2. Tepelné štěpení uhlovodíků.
Proces probíhá prostřednictvím mechanismu volných radikálů. Zvýšení teploty vede k homolytickému štěpení vazby uhlík-uhlík a vzniku volných radikálů.
Tyto radikály na sebe vzájemně působí, vyměňují si atom vodíku a tvoří molekulu alkanu a molekulu alkenu:
Základem jsou reakce tepelného rozkladu průmyslový proces- 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 možný vznik 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 cyklizují v přítomnosti katalyzátoru 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 tvořeny pomocí kovalentních nepolárních vazeb C-C (uhlík-uhlík) a slabě polárních vazeb C-H (uhlík-vodík). Neobsahují oblasti se zvýšenou nebo sníženou elektronovou hustotou, ani snadno polarizovatelné vazby, tedy takové, u kterých se může elektronová hustota 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.
Nejjednodušší organické sloučeniny jsou uhlovodíky skládající se z uhlíku a vodíku. Podle povahy chemických vazeb v uhlovodících a poměru mezi uhlíkem a vodíkem se dělí na nasycené a nenasycené (alkeny, alkyny atd.)
Omezit uhlovodíky (alkany, methanové uhlovodíky) jsou sloučeniny uhlíku s vodíkem, v jejichž molekulách každý atom uhlíku nespotřebovává více než jednu valenci na slučování s jakýmkoliv dalším sousedním atomem a všechny valence nespotřebované na slučování s uhlíkem jsou nasyceny vodíkem. Všechny atomy uhlíku v alkanech jsou ve stavu sp3. Nasycené uhlovodíky tvoří homologní řadu vyznačující se obecný vzorec S n N 2n+2. Předchůdcem této řady je metan.
izomerismus. Nomenklatura.
Alkany s n=1,2,3 mohou existovat pouze jako jeden izomer
Počínaje n=4 se objevuje fenomén strukturní izomerie.
Počet strukturních izomerů alkanů rychle roste s rostoucím počtem atomů uhlíku, například pentan má 3 izomery, heptan má 9 atd.
Počet izomerů alkanů se také zvyšuje v důsledku možných stereoizomerů. Počínaje C7H16 je možná existence chirálních molekul, které tvoří dva enantiomery.
Názvosloví alkanů.
Dominantní nomenklaturou je nomenklatura IUPAC. Zároveň obsahuje prvky triviálních názvů. První čtyři členové homologní řady alkanů tedy mají triviální jména.
CH 4 - metan
C2H6-ethan
C3H8 - propan
C 4H 10 - butan.
Názvy zbývajících homologů jsou odvozeny z řeckých latinských číslic. Pro následující členy řady normální (nerozvětvené) struktury se tedy používají názvy:
C 5H 12 - pentan, C 6H 14 - hexan, C 7H 18 - heptan,
C 14 H 30 - tetradekan, C 15 H 32 - pentadekan atd.
Základní pravidla IUPAC pro rozvětvené alkany
a) vyberte nejdelší nerozvětvený řetězec, jehož název tvoří základ (kořen). K tomuto kmeni je přidána přípona „an“.
b) očíslovat tento řetězec podle principu nejmenších lokantů,
c) substituent je uveden ve formě předpon v abecední pořadí označující umístění. Pokud je v původní struktuře několik stejných substituentů, pak je jejich počet označen řeckými číslicemi.
V závislosti na počtu dalších atomů uhlíku, ke kterým je daný atom uhlíku přímo vázán, existují primární, sekundární, terciární a kvartérní atomy uhlíku.
Alkylové skupiny nebo alkylové radikály se objevují jako substituenty v rozvětvených alkanech, které jsou považovány za výsledek eliminace jednoho atomu vodíku z molekuly alkanu.
Název alkylových skupin je vytvořen z názvu odpovídajících alkanů nahrazením poslední přípony „an“ příponou „yl“.
CH3 - methyl
CH3CH2 - ethyl
CH 3 CH 2 CH 2 - řez
Pro pojmenování rozvětvených alkylových skupin se také používá číslování řetězců:
Počínaje ethanem jsou alkany schopny tvořit konformery, které odpovídají inhibované konformaci. Možnost přechodu z jedné inhibované konformace do druhé přes zakrytou je dána rotační bariérou. Stanovení struktury, složení konformerů a rotačních bariér jsou úkoly konformační analýzy. Způsoby získávání alkanů.
1. Frakční destilace zemního plynu nebo benzínové frakce ropy. Tímto způsobem lze izolovat jednotlivé alkany až do 11 atomů uhlíku.
2. Hydrogenace uhlí. Proces se provádí za přítomnosti katalyzátorů (oxidy a sulfidy molybdenu, wolframu, niklu) při 450-470 o C a tlacích do 30 MPa. Uhlí a katalyzátor se melou na prášek a hydrogenují v suspendované formě, boronací vodíku přes suspenzi. Vzniklé směsi alkanů a cykloalkanů se používají jako motorové palivo.
3. Hydrogenace CO a CO 2 .
CO + H 2 alkany
CO 2 + H 2 alkany
Co, Fe a další d-prvky se používají jako katalyzátory pro tyto reakce.
4.Hydrogenace alkenů a alkynů.
5.Organokovová syntéza.
A). Wurtzova syntéza.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Tato syntéza je málo užitečná, pokud se jako organická činidla použijí dva různé halogenalkany.
b). Protolýza Grignardových činidel.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
PROTI). Interakce dialkylkuprátů lithných (LiR 2 Cu) s alkylhalogenidy
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Lithiumdialkylkupráty samotné se vyrábějí ve dvoustupňovém procesu
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Elektrolýza solí karboxylové kyseliny(Kolbeho syntéza).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Fúze solí karboxylových kyselin s alkáliemi.
Reakce se používá pro syntézu nižších alkanů.
8.Hydrogenolýza karbonylových sloučenin a halogenalkanů.
A). Karbonylové sloučeniny. Clemmensova syntéza.
b). Haloalkany. Katalytická hydrogenolýza.
Jako katalyzátory se používají Ni, Pt, Pd.
c) Haloalkany. Regenerace činidla.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Chemické vlastnosti alkanů.
Všechny vazby v alkanech jsou nízkopolární, proto se vyznačují radikálními reakcemi. Absence pí vazeb znemožňuje adiční reakce. Alkany se vyznačují substitučními, eliminačními a spalovacími reakcemi.
Typ a název reakce | |
1. Substituční reakce | |
A) s halogeny(S chlórCl 2 -ve světle, Br 2 - při zahřátí) reakce poslechne Markovnikovo pravidlo (Markovnikovova pravidla) - za prvé, halogen nahradí vodík na nejméně hydrogenovaném atomu uhlíku. Reakce probíhá ve stupních – v jednom stupni se nenahradí více než jeden atom vodíku. Jód reaguje nejhůře a navíc reakce nedojde do konce, protože například při reakci methanu s jódem vzniká jodovodík, který reaguje s methyljodidem za vzniku methanu a jódu (vratná reakce): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormethan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormethan) CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (trichlormethan) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (chlorid uhličitý). |
B) Nitrace (Konovalovova reakce) Alkany reagují s 10% roztokem kyseliny dusičné nebo oxidu dusíku N 2 O 4 v plynné fázi při teplotě 140° a nízkém tlaku za vzniku nitroderivátů. Reakce se také řídí Markovnikovovým pravidlem. Jeden z atomů vodíku je nahrazen zbytkem NO 2 (nitroskupina) a uvolňuje se voda | |
2. Eliminační reakce | |
A) dehydrogenace– odstranění vodíku. Reakční podmínky: katalyzátor – platina a teplota. |
CH3 - CH3 -> CH2 = CH2 + H2 |
B) praskání proces tepelného rozkladu uhlovodíků, který je založen na reakcích štěpení uhlíkového řetězce velkých molekul za vzniku sloučenin s kratším řetězcem. Při teplotě 450–700 o C se štěpením vazeb C–C rozkládají alkany (při této teplotě se udrží silnější vazby C–H) a vznikají alkany a alkeny s menším počtem atomů uhlíku |
C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8 |
B) úplný tepelný rozklad |
CH4C + 2H 2 |
3. Oxidační reakce | |
A) spalovací reakce Při zapálení (t = 600 o C) reagují alkany s kyslíkem a oxidují se na oxid uhličitý a vodu. |
C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
B) Katalytická oxidace- při relativně nízké teplotě a za použití katalyzátorů je provázena přetržením pouze části vazeb C–C přibližně uprostřed molekuly a C–H a využívá se k získání cenných produktů: karboxylových kyselin, ketony, aldehydy, alkoholy. |
Například při neúplné oxidaci butanu (štěpení vazby C 2 – C 3) se získá kyselina octová |
4. Izomerizační reakce nejsou typické pro všechny alkany. Je třeba věnovat pozornost možnosti přeměny některých izomerů na jiné a přítomnosti katalyzátorů. |
C4H10 C4H10 |
5.. Alkany s hlavním řetězcem se 6 nebo více atomy uhlíku také reagovat dehydrocyklizace ale vždy tvoří 6-členný kruh (cyklohexan a jeho deriváty). Za reakčních podmínek tento cyklus prochází další dehydrogenací a přechází v energeticky stabilnější benzenový kruh aromatického uhlovodíku (arenu). |
Mechanismus halogenační reakce:
Halogenace
Halogenace alkanů probíhá radikálním mechanismem. K zahájení reakce musí být směs alkanu a halogenu ozářena UV světlem nebo zahřátá. Chlorace methanu nekončí ve fázi získávání methylchloridu (pokud se odeberou ekvimolární množství chloru a methanu), ale vede ke vzniku všech možných substitučních produktů, od methylchloridu až po tetrachlormethan. Chlorace jiných alkanů vede ke směsi vodíkových substitučních produktů na různých atomech uhlíku. Poměr produktů chlorace závisí na teplotě. Rychlost chlorace primárních, sekundárních a terciárních atomů závisí na teplotě při nízkých teplotách rychlost klesá v řadě: terciární, sekundární, primární; S rostoucí teplotou se rozdíl mezi rychlostmi zmenšuje, dokud se nestanou stejnými. Kromě kinetického faktoru je distribuce produktů chlorace ovlivněna statistickým faktorem: pravděpodobnost napadení terciárního atomu uhlíku chlorem je 3x menší než na primární a 2x menší než na sekundární. Chlorace alkanů je tedy nestereoselektivní reakcí, s výjimkou případů, kdy je možný pouze jeden monochlorační produkt.
Halogenace je jednou ze substitučních reakcí. Halogenace alkanů se řídí Markovnikovem pravidlem (Markovnikovovo pravidlo) - nejdříve se halogenuje nejméně hydrogenovaný atom uhlíku. Halogenace alkanů probíhá ve stupních - v jednom stupni není halogenován více než jeden atom vodíku.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormethan)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormethan)
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (trichlormethan)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (chlorid uhličitý).
Vlivem světla se molekula chloru rozpadne na atomy, ty pak napadají molekuly metanu, odtrhávají jejich atom vodíku, v důsledku čehož vznikají methylové radikály CH 3, které se srážejí s molekulami chloru, ničí je a tvoří nové radikály .
Nitrace (Konovalovova reakce)
Alkany reagují s 10% roztokem kyselina dusičná nebo oxid dusíku N 2 O 4 v plynné fázi při teplotě 140° a nízkém tlaku za vzniku nitroderivátů. Reakce se také řídí Markovnikovovým pravidlem.
RH + HN03 = RNO2 + H20
tj. jeden z atomů vodíku je nahrazen zbytkem NO 2 (nitroskupina) a uvolňuje se voda.
Strukturní vlastnosti izomerů silně ovlivňují průběh této reakce, protože nejsnáze vede k nahrazení atomu vodíku ve zbytku SI (přítomném pouze v některých izomerech) nitroskupinou, je méně snadné nahradit vodík skupina CH2 a ještě obtížnější ve zbytku CH3.
Parafíny se celkem snadno nitrují v plynné fázi při 150-475 °C oxidem dusičitým nebo parami kyseliny dusičné; v tomto případě částečně nastane. oxidace. Nitrace metanu produkuje téměř výhradně nitromethan:
Všechny dostupné údaje ukazují na mechanismus volných radikálů. V důsledku reakce se tvoří směsi produktů. Kyselina dusičná za běžných teplot nemá téměř žádný vliv na parafinové uhlovodíky. Při zahřátí působí především jako oxidační činidlo. Jak však zjistil M.I. Konovalov (1889), kyselina dusičná působí při zahřívání částečně „nitračním“ způsobem; Nitrační reakce se slabou kyselinou dusičnou probíhá zvláště dobře při zahřátí a za zvýšeného tlaku. Nitrační reakce je vyjádřena rovnicí.
Homology následující po metanu dávají díky doprovodnému štěpení směs různých nitroparafinů. Když je ethan nitrován, získá se nitroethan CH3-CH2-NO2 a nitromethan CH3-NO2. Z propanu vzniká směs nitroparafinů:
Nitrace parafinů v plynné fázi se nyní provádí v průmyslovém měřítku.
Sulfachlorace:
Prakticky důležitou reakcí je sulfochlorace alkanů. Když alkan během ozařování reaguje s chlorem a oxidem siřičitým, vodík je nahrazen chlorsulfonylovou skupinou:
Fáze této reakce jsou:
Cl+R:H->R+HCl
R+S02 →RSO2
RSO2 + Cl:Cl ->RS02Cl+Cl
Alkansulfonylchloridy se snadno hydrolyzují na alkansulfoxylost (RSO 2 OH), jehož sodné soli (RSO 3¯ Na + - alkansulfonát sodný) vykazují vlastnosti podobné mýdlům a používají se jako detergenty.
DEFINICE
Alkanes– nasycené (alifatické) uhlovodíky, jejichž složení je vyjádřeno vzorcem C n H 2 n +2.
Alkany tvoří homologickou řadu, každý z nich chemická sloučenina který se složením liší od následujícího a předchozího stejné číslo atomy uhlíku a vodíku - CH 2, a látky zařazené do homologické řady se nazývají homology. Homologní série alkany jsou uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1. Homologní řada alkanů.
V molekulách alkanů se rozlišují primární (tj. spojené jednou vazbou), sekundární (tj. spojené dvěma vazbami), terciární (tj. spojené třemi vazbami) a kvartérní (tj. spojené čtyřmi vazbami) atomy uhlíku.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – primární, 2 – sekundární atomy uhlíku)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3-terciární atom uhlíku)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-kvartérní atom uhlíku)
Alkany se vyznačují strukturní izomerií (izomerie uhlíkového skeletu). Pentan má tedy následující izomery:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentan)
CH3-CH(CH3)-CH2-CH3 (2-methylbutan)
CH 3-C(CH 3) 2-CH 3 (2,2 – dimethylpropan)
Alkany, počínaje heptanem, se vyznačují optickou izomerií.
Atomy uhlíku v nasycených uhlovodících jsou v hybridizaci sp3. Úhly mezi vazbami v molekulách alkanů jsou 109,5.
Chemické vlastnosti alkanů
Na normální podmínky Alkany jsou chemicky inertní – nereagují s kyselinami ani zásadami. To je způsobeno vysokou pevností - C-C připojení a S-N. Nepolární vazby C-C a C-H mohou být štěpeny pouze homolyticky pod vlivem aktivních volných radikálů. Proto alkany vstupují do reakcí, které probíhají mechanismem radikální substituce. Při radikálových reakcích jsou atomy vodíku nejprve nahrazeny na terciárních atomech uhlíku, poté na sekundárních a primárních atomech uhlíku.
Radikálové substituční reakce mají řetězovou povahu. Hlavní fáze: nukleace (iniciace) řetězce (1) - nastává vlivem UV záření a vede ke vzniku volných radikálů, růst řetězce (2) - nastává v důsledku abstrakce atomu vodíku z molekuly alkanu ; ukončení řetězce (3) – nastává, když se srazí dva stejné nebo různé radikály.
X:X → 2X . (1)
R:H+X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . +X . → R:X (3)
X . +X . → X:X (3)
Halogenace. Když alkany reagují s chlorem a bromem za působení UV záření nebo vysoké teploty, vzniká směs produktů z mono- až polyhalogen-substituovaných alkanů:
CH 3Cl + Cl 2 = CH 2Cl 2 + HCl (dichlormethan)
CH2CI2 + Cl2 = CHCl3 + HCl (trichlormethan)
CHCl 3 + Cl 2 = CCl 4 + HCl (tetrachlormethan)
Nitrace (Konovalovova reakce). Když zředěná kyselina dusičná působí na alkany při 140 C a nízkém tlaku, dochází k radikální reakci:
CH3-CH3+HNO3 = CH3-CH2-NO2 (nitroethan) + H20
Sulfochlorace a sulfoxidace. Přímá sulfonace alkanů je obtížná a je nejčastěji doprovázena oxidací, která vede ke vzniku alkansulfonylchloridů:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfonová oxidační reakce probíhá podobně, pouze v tomto případě vznikají alkansulfonové kyseliny:
R-H + S02 + 1/2 O2 → R-S03H
Praskání– radikálové štěpení vazeb C-C. Vyskytuje se při zahřátí a v přítomnosti katalyzátorů. Při krakování vyšších alkanů vznikají alkeny, při krakování metanu a ethanu vzniká acetylen:
C8H18 = C4H10 (butan) + C3H8 (propan)
2CH4 = C2H2 (acetylen) + 3H2
Oxidace. Mírnou oxidací methanu vzdušným kyslíkem může vzniknout methanol, mravenčí aldehyd nebo kyselina mravenčí. Ve vzduchu se alkany spálí na oxid uhličitý a vodu:
CnH2n+2+ (3n+1)/202 = nC02+ (n+1)H20
Fyzikální vlastnosti alkanů
Za normálních podmínek jsou C1-C4 plyny, C5-C17 jsou kapaliny a počínaje C18 jsou pevné látky. Alkany jsou prakticky nerozpustné ve vodě, ale jsou vysoce rozpustné v nepolárních rozpouštědlech, jako je benzen. Metan CH 4 (bažina, důlní plyn) je tedy bezbarvý plyn bez zápachu, dobře rozpustný v ethanolu, éteru, uhlovodících, ale špatně rozpustný ve vodě. Metan se používá jako vysokokalorické palivo v zemním plynu, jako surovina pro výrobu vodíku, acetylenu, chloroformu a dalších organických látek v průmyslovém měřítku.
Propan C 3 H 8 a butan C 4 H 10 jsou plyny používané v každodenním životě jako lahvové plyny díky jejich snadnému zkapalňování. Propan se používá jako palivo pro automobily, protože je šetrnější k životnímu prostředí než benzín. Butan je surovinou pro výrobu 1,3-butadienu, který se používá při výrobě syntetického kaučuku.
Příprava alkanů
Alkany se získávají z přírodní zdroje– zemní plyn (80-90 % metanu, 2-3 % ethanu a další nasycené uhlovodíky), uhlí, rašelina, dřevo, ropa a kamenný vosk.
Pro výrobu alkanů existují laboratorní a průmyslové metody. V průmyslu se alkany získávají z černého uhlí (1) nebo Fischer-Tropschovou reakcí (2):
nC+ (n+1)H2 = CnH2n+2 (1)
nCO+ (2n+1)H2 = CnH2n+2 + H20 (2)
Laboratorní metody výroby alkanů zahrnují: hydrogenaci nenasycených uhlovodíků zahřátím a v přítomnosti katalyzátorů (Ni, Pt, Pd) (1), interakci vody s organokovovými sloučeninami (2), elektrolýzu karboxylových kyselin (3), tzv. dekarboxylační reakce (4) a Wurtz (5) a jinými způsoby.
R1-C≡C-R2 (alkyn) → R1-CH = CH-R2 (alken) → R1-CH2 – CH2-R2 (alkan) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H20 → R-H (alkan) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO - → 2CO 2 + C 2H 6 (ethan) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R1-Cl +2Na +Cl-R2 →2NaCl + R1-R2 (5)
Příklady řešení problémů
PŘÍKLAD 1
Cvičení | Určete hmotnost chloru potřebnou pro první stupeň chlorace 11,2 litrů metanu. |
Řešení | Napišme reakční rovnici pro první stupeň chlorace methanu (tj. při halogenační reakci je nahrazen pouze jeden atom vodíku, což vede ke vzniku monochlorderivátu): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (methanchlorid) Zjistíme množství metanu: v(CH4) = V(CH4)/V m v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Podle reakční rovnice je počet molů chloru a počet molů methanu roven 1 mol, proto bude praktický počet molů chloru a metanu také stejný a bude se rovnat: v(Cl2) = v(CH4) = 0,5 mol Znáte-li množství chlóru, můžete zjistit jeho hmotnost (na kterou se v problému ptáte). Hmotnost chloru se vypočítá jako součin množství látky chloru a její molární hmotnosti (molekulová hmotnost 1 molu chloru; molekulová hmotnost se vypočítá pomocí tabulky chemické prvky DI. Mendělejev). Hmotnost chloru se bude rovnat: m(Cl2) = v(Cl2)×M(Cl2) m(C12) = 0,5 x 71 = 35,5 g |
Odpovědět | Hmotnost chloru je 35,5 g |
Alkanes :
Alkany jsou nasycené uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou všechny atomy spojeny jednoduchými vazbami. vzorec -
Fyzikální vlastnosti :
- Teploty tání a varu se zvyšují s molekulovou hmotností a délkou uhlíkové kostry
- Na normální podmínky nerozvětvené alkany od CH 4 do C 4 H 10 - plyny; od C5H12 do C13H28 - kapaliny; po C 14 H 30 - pevné látky.
- Teploty tání a varu se snižují z méně rozvětvených na více rozvětvené. Takže například při 20 °C je n-pentan kapalina a neopentan je plyn.
Chemické vlastnosti:
· Halogenace
toto je jedna ze substitučních reakcí. Nejméně hydrogenovaný atom uhlíku je halogenován jako první (terciární atom, pak sekundární, primární atomy jsou halogenovány jako poslední). Halogenace alkanů probíhá ve stupních - v jednom stupni se nenahradí více než jeden atom vodíku:
- CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormethan)
- CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormethan)
- CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (trichlormethan)
- CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (chlorid uhličitý).
Vlivem světla se molekula chloru rozkládá na radikály, ty pak napadají molekuly alkanu, berou jim atom vodíku, v důsledku čehož vznikají methylové radikály CH 3, které se srážejí s molekulami chloru, ničí je a tvoří noví radikálové.
· Spalování
Hlavní chemickou vlastností nasycených uhlovodíků, která určuje jejich použití jako paliva, je spalovací reakce. Příklad:
CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H20 + Q
Při nedostatku kyslíku vzniká místo oxidu uhličitého oxid uhelnatý nebo uhlí (v závislosti na koncentraci kyslíku).
Obecně lze spalovací reakci alkanů zapsat takto:
S n H 2 n +2 +(1,5n+0,5)02 = n CO 2 + ( n+1)H20
· Rozklad
K rozkladným reakcím dochází pouze pod vlivem vysoké teploty. Zvýšení teploty vede k prasknutí uhlíkových vazeb a vzniku volných radikálů.
Příklady:
CH4 -> C + 2H 2 (t > 1000 °C)
C2H6 -> 2C + 3H2
alkeny :
Alkeny jsou nenasycené uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb jednu dvojnou vazbu uhlík-uhlík Vzorec - C n H 2n
Příslušnost uhlovodíku do třídy alkenů odráží generická přípona –ene v jeho názvu.
Fyzikální vlastnosti :
- Teploty tání a varu alkenů (zjednodušeně) se zvyšují s molekulovou hmotností a délkou uhlíkového hlavního řetězce.
- Za normálních podmínek jsou alkeny od C 2 H 4 do C 4 H 8 plyny; od C 5 H 10 do C 17 H 34 - kapaliny, po C 18 H 36 - pevné látky. Alkeny jsou nerozpustné ve vodě, ale jsou vysoce rozpustné v organických rozpouštědlech.
Chemické vlastnosti :
· Dehydratace je proces odštěpování molekuly vody od molekuly organické sloučeniny.
· Polymerizace je chemický proces spojování mnoha počátečních molekul látky s nízkou molekulovou hmotností do velkých molekul polymeru.
Polymer je vysokomolekulární sloučenina, jejíž molekuly se skládají z mnoha stejných strukturních jednotek.
Alkadieny :
Alkadieny jsou nenasycené uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb i dvojné vazby uhlík-uhlík Vzorec -.
. Dieny jsou strukturní izomery alkynů.Fyzikální vlastnosti :
Butadien je plyn (bod varu −4,5 °C), isopren je kapalina vroucí při 34 °C, dimethylbutadien je kapalina vroucí při 70 °C. Isopren a další dienové uhlovodíky jsou schopné polymerace na kaučuk. Přírodní kaučuk ve svém vyčištěném stavu je polymer s obecným vzorcem (C5H8)n a získává se z mléčné mízy některých tropických rostlin.
Kaučuk je vysoce rozpustný v benzenu, benzínu a sirouhlíku. Při nízkých teplotách se při zahřívání stává křehkým a lepkavým. Pro zlepšení mechanických a chemických vlastností pryže se přeměňuje na pryž vulkanizací. Pro získání pryžových výrobků se nejprve lisují ze směsi pryže se sírou, stejně jako plniva: saze, křída, jíl a některé organické sloučeniny, které slouží k urychlení vulkanizace. Poté se výrobky zahřejí – vulkanizace za tepla. Během vulkanizace se síra chemicky váže s pryží. Vulkanizovaný kaučuk navíc obsahuje síru ve volném stavu ve formě drobných částeček.
Dienové uhlovodíky snadno polymerují. Základem syntézy kaučuku je polymerační reakce dienových uhlovodíků. Procházejí adičními reakcemi (hydrogenace, halogenace, hydrohalogenace):
H2C=CH-CH=CH2 + H2 -> H3C-CH=CH-CH3
alkyny :
Alkyny jsou nenasycené uhlovodíky, jejichž molekuly obsahují kromě jednoduchých vazeb jednu trojnou vazbu uhlík-uhlík vzorce-C n H 2n-2
Fyzikální vlastnosti :
Alkyny svým vlastním způsobem fyzikální vlastnosti připomínají odpovídající alkeny. Nižší (do C 4) - plyny bez barvy a zápachu, mající více vysoké teploty bod varu než jejich analogy v alkenech.
Alkyny jsou špatně rozpustné ve vodě, ale lépe v organických rozpouštědlech.
Chemické vlastnosti :
Halogenační reakce
Alkyny jsou schopny přidat jednu nebo dvě molekuly halogenu za vzniku odpovídajících halogenových derivátů:
Hydratace
V přítomnosti solí rtuti alkyny přidávají vodu za vzniku acetaldehydu (pro acetylen) nebo ketonu (pro jiné alkyny)