Pomenujte alkán podľa jeho štruktúrneho vzorca. Organická chémia

Relatívna molekulová hmotnosť vzduchu sa považuje za 29 (pri zohľadnení obsahu dusíka, kyslíka a iných plynov vo vzduchu). Treba poznamenať, že pojem "relatívna molekulová hmotnosť vzduchu" sa používa konvenčne, pretože vzduch je zmesou plynov.

Nájdite molárnu hmotnosť plynu vzniknutého pri chlorácii metánu:

M plyn = 29 × D vzduch (plyn) = 29 × 5,31 = 154 g / mol.

Toto je tetrachlórmetán - CCl 4. Zapíšme si reakčnú rovnicu a usporiadame stechiometrické koeficienty:

CH4+4CI2 = CCI4 + 4HCl.

Vypočítajme množstvo látky tetrachlórmetánu:

n (CC14) = m (CC14) / M (CC14);

n (CCI4) = 1,54/154 = 0,01 mol.

Podľa reakčnej rovnice n (CCl 4): n (CH 4) = 1: 1, čo znamená

n (CH4) = n (CC14) = 0,01 mol.

Potom by sa množstvo chlórovej látky malo rovnať n (Cl 2) = 2 × 4 n (CH 4), t.j. n (Cl2) = 8 x 0,01 = 0,08 mol.

Napíšme rovnicu reakcie získania chlóru:

Mn02 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H20.

Počet mólov oxidu manganičitého je 0,08 mólu, pretože n (Cl 2): ​​​​n (MnO 2) = 1: 1. Nájdite hmotnosť oxidu manganičitého:

m (Mn02) = n (Mn02) x M (Mn02);

M (Mn02) = Ar (Mn) + 2 x Ar (0) = 55 + 2 x 16 = 87 g/mol;

m (Mn02) = 0,08 x 87 = 10,4 g.

CnH2n-1Cl3.

Podľa vzorca

ω (Cl) = 3 × Ar (Cl) / Mr (C n H 2 n -1 Cl 3) × 100 %

vypočítajte molekulovú hmotnosť trichlóralkánu:

Mr (CnH2n-1Cl3) = 3 x 35,5 / 72,20 x 100 % = 147,5.

Nájdite hodnotu n:

12n + 2n - 1 + 35,5 x 3 = 147,5;

Preto je vzorec pre trichlóralkán C3H5C13.

Zostavme si štruktúrne vzorce izomérov: 1,2,3-trichlórpropán (1), 1,1,2-trichlórpropán (2), 1,1,3-trichlórpropán (3), 1,1,1-trichlórpropán ( 4) a 1,2,2-trichlórpropánu (5).

CH2CI-CHCI-CH2CI (1);

CHCI2-CHCI-CH3 (2);

CHCI2-CH2-CH2CI (3);

CCI3-CH2-CH3(4);

Alkánová štruktúra

Alkány sú uhľovodíky, v ktorých molekulách sú atómy spojené jednoduchými väzbami a ktoré zodpovedajú všeobecnému vzorcu CnH2n + 2... V molekulách alkánov sú všetky atómy uhlíka v stave sp3 -hybridizácia.

To znamená, že všetky štyri hybridné orbitály atómu uhlíka majú rovnaký tvar, energiu a sú nasmerované do rohov rovnostrannej trojuholníkovej pyramídy - štvorsten... Uhly medzi orbitálmi sú 109 ° 28 ′. Okolo jedinej väzby uhlík-uhlík je možná takmer voľná rotácia a molekuly alkánov môžu nadobudnúť rôzne tvary s uhlami u atómov uhlíka blízkymi štvorstenu (109 ° 28 '), napríklad v molekule n-pentánu.

Zvlášť stojí za to pripomenúť si väzby v molekulách alkánov. Všetky väzby v molekulách nasýtených uhľovodíkov sú jednoduché. K prekrývaniu dochádza pozdĺž osi spájajúcej jadrá atómov, t.j σ-väzby... Väzby uhlík-uhlík sú nepolárne a zle polarizovateľné. Dĺžka C-C spojenie v alkánoch je to 0,154 nm (1,54 10 10 m). CH väzby sú o niečo kratšie. Elektrónová hustota je mierne posunutá smerom k elektronegatívnejšiemu atómu uhlíka, t.j. Odkaz C-H je slabo polárne.

Homológny rad metánu

Homológy- látky podobné štruktúrou a vlastnosťami a líšiace sa v jednu alebo viac CH skupín 2 .

Nasýtené uhľovodíky tvoria homológny rad metánu.

Izoméria a nomenklatúra alkánov

Alkány sa vyznačujú tzv štruktúrna izoméria... Štrukturálne izoméry sa navzájom líšia štruktúrou uhlíkového skeletu. Najjednoduchší alkán so štruktúrnymi izomérmi je bután.

Pozrime sa podrobnejšie na základ nomenklatúry pre alkány IUPAC.

1. Výber hlavného okruhu... Tvorba názvu uhľovodíka začína definíciou hlavného reťazca - najdlhšieho reťazca atómov uhlíka v molekule, ktorý je, ako keby, jej základom.

2. Číslovanie atómov hlavného reťazca... Atómom v hlavnom reťazci sú priradené čísla. Číslovanie atómov hlavného reťazca začína od konca, ku ktorému je substituent bližšie (štruktúry A, B). Ak sú substituenty v rovnakej vzdialenosti od konca reťazca, číslovanie začína od konca, na ktorom je ich viac (štruktúra B). Ak sú rôzne substituenty v rovnakej vzdialenosti od koncov reťazca, číslovanie začína od konca, ku ktorému je starší z nich bližšie (štruktúra D). Prednosť uhľovodíkových substituentov je určená poradím, v ktorom nasleduje písmeno v abecede, ktorou sa začína ich názov: metyl (-CH 3), potom propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etyl (-CH 2 -CH3) atď.

Upozorňujeme, že názov substituenta sa vytvorí nahradením prípony -an príponou -yl v názve zodpovedajúceho alkánu.

3. Tvorba názvu... Na začiatku názvu čísla označujú počet atómov uhlíka, na ktorých sa nachádzajú substituenty. Ak je na danom atóme viacero substituentov, potom sa zodpovedajúce číslo v názve opakuje dvakrát, oddelené čiarkami (2,2-). Za číslom sa spojovníkom uvádza počet substituentov (di - dva, tri - tri, tetra - štyri, penta - päť) a názov substituenta (metyl, etyl, propyl). Potom, bez medzier alebo pomlčiek, názov hlavného reťazca. Hlavný reťazec sa nazýva uhľovodík - člen homologickej série metánu (metán, etán, propán atď.).

Názvy látok, ktorých štruktúrne vzorce sú uvedené vyššie, sú nasledovné:

Štruktúra A: 2-metylpropán;

Štruktúra B: 3-etylhexán;

Štruktúra B: 2,2,4-trimetylpentán;

Štruktúra D: 2-metyl-4-etylhexán.

Neprítomnosť nasýtených uhľovodíkov v molekulách polárne spojenia vedie k tomu, že oni zle rozpustný vo vode, neinteragujú s nabitými časticami (iónmi)... Najtypickejšie reakcie pre alkány sú reakcie zahŕňajúce voľné radikály.

Fyzikálne vlastnosti alkánov

Prví štyria zástupcovia metánovej homologickej série sú plynov... Najjednoduchší z nich - metán - plyn bez farby, chuti a zápachu (vôňa „plynu“, ktorú pocítite, musíte zavolať 04, je určená vôňou merkaptánov - zlúčenín obsahujúcich síru špeciálne pridaných do použitého metánu v domácich a priemyselných plynových spotrebičoch, aby ľudia v blízkosti mohli rozpoznať únik pachom).

Uhľovodíky z S 5 H 12 predtým S 15 H 32 - tekutiny; ťažšie uhľovodíky sú pevné látky. Teploty varu a topenia alkánov sa postupne zvyšujú so zvyšujúcou sa dĺžkou uhlíkového reťazca. Všetky uhľovodíky sú slabo rozpustné vo vode, kvapalné uhľovodíky sú bežné organické rozpúšťadlá.

Chemické vlastnosti alkánov

Substitučné reakcie.

Najtypickejšie reakcie pre alkány sú substitúcia voľných radikálov, počas ktorej je atóm vodíka nahradený atómom halogénu alebo akoukoľvek skupinou.

Uveďme rovnice charakteristiky halogenačné reakcie:

V prípade prebytku halogénu môže chlorácia ísť ešte ďalej, až po úplné nahradenie všetkých atómov vodíka chlórom:

Výsledné látky sa široko používajú ako rozpúšťadlá a východiskové materiály v organických syntézach.

Dehydrogenačná reakcia(abstrakcia vodíka).

Pri prechode alkánov cez katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) pri vysokej teplote (400-600 °C) dochádza k eliminácii molekuly vodíka a alkén:

Reakcie sprevádzané deštrukciou uhlíkového reťazca. Všetky nasýtené uhľovodíky horieť s tvorbou oxidu uhličitého a vody. Plynné uhľovodíky zmiešané so vzduchom v určitých pomeroch môžu explodovať.

1. Spaľovanie nasýtených uhľovodíkov je exotermická reakcia s voľnými radikálmi, ktorá je veľmi dôležitá pri použití alkánov ako paliva:

V všeobecný pohľad spaľovaciu reakciu alkánov možno napísať takto:

2. Tepelný rozklad uhľovodíkov.

Proces pokračuje mechanizmus voľných radikálov... Zvýšenie teploty vedie k homolytickému pretrhnutiu väzby uhlík-uhlík a vzniku voľných radikálov.

Tieto radikály navzájom interagujú, vymieňajú si atóm vodíka a vytvárajú molekulu molekuly alkánov a alkénov:

Tepelné štiepne reakcie sú jadrom priemyselného procesu - krakovanie uhľovodíkov... Tento proces je najdôležitejšou etapou pri rafinácii ropy.

3. Pyrolýza... Keď sa metán zahreje na teplotu 1000 °C, pyrolýza metánu- rozklad na jednoduché látky:

Pri zahriatí na teplotu 1500 °C dochádza k tvorbe acetylén:

4. Izomerizácia... Pri zahrievaní lineárnych uhľovodíkov s izomerizačným katalyzátorom (chlorid hlinitý) sa látky s rozvetvená uhlíková kostra:

5. Aromatizácia... Alkány so šiestimi alebo viacerými atómami uhlíka v reťazci v prítomnosti katalyzátora cyklizujú za vzniku benzénu a jeho derivátov:

Alkány vstupujú do reakcií prebiehajúcich podľa mechanizmu voľných radikálov, pretože všetky atómy uhlíka v molekulách alkánov sú v sp 3 -hybridizačnom stave. Molekuly týchto látok sú postavené pomocou kovalentných nepolárnych väzieb C-C (uhlík-uhlík) a slabo polárnych väzieb C-H (uhlík-vodík). Neobsahujú oblasti so zvýšenou alebo zníženou elektrónovou hustotou, ľahko polarizovateľné väzby, t.j. také väzby, v ktorých sa môže elektrónová hustota posunúť pôsobením vonkajšie faktory(elektrostatické polia iónov). V dôsledku toho alkány nebudú reagovať s nabitými časticami, pretože väzby v molekulách alkánov nie sú narušené heterolytickým mechanizmom.

Najjednoduchšie organické zlúčeniny sú uhľovodíkov zložený z uhlíka a vodíka. Podľa charakteru chemických väzieb v uhľovodíkoch a pomeru medzi uhlíkom a vodíkom sa delia na limitné a nenasýtené (alkény, alkíny atď.)

Obmedzujúce uhľovodíky (alkány, uhľovodíky metánového radu) sa nazývajú zlúčeniny uhlíka s vodíkom, v molekulách ktorých každý atóm uhlíka nespotrebuje viac ako jednu valenciu na spojenie s akýmkoľvek iným susedným atómom a všetky valencie, ktoré sa nevyužili na spojenie s uhlíkom, sú nasýtený vodíkom. Všetky atómy uhlíka v alkánoch sú v stave sp3. Nasýtené uhľovodíky tvoria homológny rad charakterizovaný všeobecným vzorcom S n H 2n + 2... Predchodcom tejto série je metán.

izomerizmus. Nomenklatúra.

Alkány s n = 1,2,3 môžu existovať iba ako jeden izomér

Počnúc od n = 4 sa objavuje fenomén štruktúrnej izomérie.

Počet štruktúrnych izomérov alkánov rýchlo rastie s nárastom počtu atómov uhlíka, napríklad pentán má 3 izoméry, heptán má 9 atď.

Počet alkánových izomérov sa tiež zvyšuje v dôsledku možných stereoizomérov. Vychádzajúc z C7H16 je možná existencia chirálnych molekúl, ktoré tvoria dva enantioméry.

Alkánová nomenklatúra.

Dominantnou nomenklatúrou je nomenklatúra IUPAC. Zároveň obsahuje prvky triviálnych názvov. Prví štyria členovia homologickej série alkánov teda majú triviálne mená.

CH 4 - metán

C2H6-etán

C3H8 - propán

C4H10 - bután.

Názvy zostávajúcich homológov sú odvodené od gréckych latinských číslic. Takže pre nasledujúce členy radu normálnej (nerozvetvenej) štruktúry sa používajú názvy:

С 5 Н 12 - pentán, С 6 Н 14 - hexán, С 7 Н 18 - heptán,

C 14 H 30 - tetradekán, C 15 H 32 - pentadekan atď.

Základné pravidlá IUPAC pre rozvetvené alkány

a) vyberte najdlhšiu nerozvetvenú reťaz, ktorej názov je základ (koreň). K tomuto kmeňu sa pridáva prípona „an“.

b) očíslovať tento reťazec podľa zásady najmenšieho počtu miest,

c) náhradník sa uvádza vo forme predpôn v abecednom poradí s uvedením miesta. Ak je v základnej štruktúre niekoľko rovnakých substituentov, ich počet je označený gréckymi číslicami.

V závislosti od počtu ďalších atómov uhlíka, s ktorými je príslušný atóm uhlíka priamo spojený, sa rozlišujú: primárne, sekundárne, terciárne a kvartérne atómy uhlíka.

Ako substituenty v rozvetvených alkánoch sú alkylové skupiny alebo alkylové radikály, ktoré sa považujú za výsledok eliminácie jedného atómu vodíka z molekuly alkánu.

Názvy alkylových skupín sú odvodené od názvov zodpovedajúcich alkánov nahradením poslednej prípony "an" príponou "yl".

CH3 - metyl

CH3CH2 - etyl

CH3CH2CH2 - propyl

Pre názov rozvetvených alkylových skupín sa používa aj číslovanie reťazcov:

Počnúc etánom sú alkány schopné tvoriť konforméry, ktoré zodpovedajú retardovanej konformácii. Možnosť prechodu jednej inhibovanej konformácie na inú cez zakrytú je určená rotačnou bariérou. Stanovenie štruktúry, zloženia konformérov a bariér rotácie sú úlohami konformačnej analýzy. Spôsoby získavania alkánov.

1. Frakčná destilácia frakcie zemného plynu alebo ropného benzínu. Týmto spôsobom je možné izolovať jednotlivé alkány s až 11 atómami uhlíka.

2. Hydrogenácia uhlia. Proces sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov (oxidy a sulfidy molybdénu, volfrámu, niklu) pri 450-470 o C a tlakoch do 30 MPa. Uhlie a katalyzátor sa melú na prášok a hydrogenujú v suspenzii varením vodíka cez suspenziu. Výsledné zmesi alkánov a cykloalkánov sa používajú ako motorové palivo.

3. Hydrogenácia CO a CO 2 .

CO + H 2  alkány

CO 2 + H 2  alkány

Ako katalyzátory týchto reakcií sa používajú Co, Fe a ďalšie d- prvky.

4.Hydrogenácia alkénov a alkínov.

5.Organokovová syntéza.

a). Würzova syntéza.

2RHal + 2Na  R R + 2NaHal

Táto syntéza má malý význam, ak sa ako organické činidlá použijú dva rôzne halogénalkány.

b). Protolýza Grignardových činidiel.

R Hal + Mg  RMgHal

RMgHal + HOH  RH + Mg (OH) Hal

v). Reakcia lítnych dialkylkuprátov (LiR 2 Cu) s alkylhalogenidmi

LiR 2 Cu + R X  R R + RCu + LiX

Samotné dialkyllítiumkupráty sa získavajú dvojstupňovou metódou

2R Li + CuI  LiR 2 Cu + LiI

6. Elektrolýza solí karboxylových kyselín (Kolbeho syntéza).

2RCOONa + 2H20  R R + 2CO2 + 2NaOH + H2

7. Fúzia solí karboxylových kyselín s alkáliami.

Reakcia sa používa na syntézu nižších alkánov.

8.Hydrogenolýza karbonylových zlúčenín a halogénalkánov.

a). Karbonylové zlúčeniny. Clemmensova syntéza.

b). Halogénalkány. Katalytická hydrogenolýza.

Ako katalyzátory sa používajú Ni, Pt, Pd.

c) Halogénalkány. Regenerácia činidla.

RHal + 2HI  RH + HHal + I 2

Chemické vlastnosti alkánov.

Všetky väzby v alkánoch majú nízku polaritu, a preto sa vyznačujú radikálnymi reakciami. Neprítomnosť pí väzieb znemožňuje adičné reakcie. Alkány sa vyznačujú substitučnými, eliminačnými a spaľovacími reakciami.

Halogenačný mechanizmus reakcie:

Halogenácia

Halogenácia alkánov prebieha radikálnym mechanizmom. Na spustenie reakcie sa musí zmes alkánu a halogénu ožiariť UV svetlom alebo zahriať. Chlorácia metánu sa nezastaví v štádiu získavania metylchloridu (ak sa odoberú ekvimolárne množstvá chlóru a metánu), ale vedie k tvorbe všetkých možných substitučných produktov, od metylchloridu až po tetrachlórmetán. Výsledkom chlorácie iných alkánov je zmes produktov vodíkovej substitúcie na rôznych atómoch uhlíka. Pomer produktov chlorácie je závislý od teploty. Rýchlosť chlorácie primárnych, sekundárnych a terciárnych atómov závisí od teploty, pri nízkych teplotách rýchlosť klesá v rade: terciárne, sekundárne, primárne. So stúpajúcou teplotou sa rozdiel medzi rýchlosťami zmenšuje, až kým nebude rovnaký. Okrem kinetického faktora je distribúcia produktov chlorácie ovplyvnená aj štatistickým faktorom: pravdepodobnosť napadnutia terciárnym uhlíkovým atómom chlórom je 3-krát menšia ako u primárneho a polovičná v porovnaní s sekundárnym. Chlorácia alkánov je teda nestereoselektívna reakcia, s výnimkou prípadu, keď je možný iba jeden produkt monochlorácie.

Halogenácia je jednou zo substitučných reakcií. Halogenácia alkánov sa riadi Markovnikovým pravidlom (Markovnikovove pravidlá) - najskôr sa halogénuje najmenej hydrogenovaný atóm uhlíka. Halogenácia alkánov prebieha stupňovito – v jednom stupni sa nehalogenuje viac ako jeden atóm vodíka.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlorometán)

CH3CI + Cl2 → CH2CI2 + HCl (dichlórmetán)

CH2CI2 + Cl2 → CHCI3 + HCl (trichlórmetán)

CHCI3 + Cl2 -> CCI4 + HCl (tetrachlormethan).

Pôsobením svetla sa molekula chlóru rozloží na atómy, tie potom napadnú molekuly metánu, odtrhnú z nich atóm vodíka, v dôsledku čoho vznikajú metylové radikály CH 3, ktoré sa zrážajú s molekulami chlóru, ničia ich a formovanie nových radikálov.

Nitrácia (Konovalovova reakcia)

Alkány reagujú s 10% roztokom kyseliny dusičnej alebo oxidu dusíka N 2 O 4 v plynnej fáze pri teplote 140 ° a nízkom tlaku za vzniku nitroderivátov. Reakcia sa tiež riadi Markovnikovovým pravidlom.

RH + HN03 = RN02 + H20

to znamená, že jeden z atómov vodíka je nahradený zvyškom NO 2 (nitroskupina) a uvoľňuje sa voda.

Štrukturálne vlastnosti izomérov silne ovplyvňujú priebeh tejto reakcie, pretože najľahšie vedie k substitúcii nitroskupiny za atóm vodíka vo zvyšku SI (dostupný len v niektorých izoméroch), vodík v skupine CH2 je menej ľahko nahraditeľné a ešte ťažšie vo zvyšku CH3.

Parafíny sa celkom ľahko nitrujú v plynnej fáze pri 150-475 °C oxidom dusičitým alebo parami kyseliny dusičnej; v tomto prípade sa vyskytuje čiastočne a. oxidácia. Takmer výlučne nitrometán sa získava nitráciou metánu:

Všetky dostupné údaje poukazujú na mechanizmus voľných radikálov. V dôsledku reakcie vznikajú zmesi produktov. Kyselina dusičná pri bežných teplotách nemá takmer žiadny vplyv na parafínové uhľovodíky. Pri zahrievaní pôsobí hlavne ako oxidačné činidlo. Ako však zistil MI Konovalov (1889), pri zahrievaní kyselina dusičná pôsobí čiastočne "nitračným" spôsobom; nitračná reakcia so slabou kyselinou dusičnou prebieha obzvlášť dobre pri zahrievaní a pri zvýšenom tlaku. Nitračnú reakciu vyjadruje rovnica.

Homológy, ktoré nasledujú po metáne, poskytujú zmes rôznych nitroparafínov v dôsledku sprievodného štiepenia. Keď sa etán nitruje, získajú sa nitroetán CH3-CH2-N02 a nitrometán CH3-N02. Z propánu vzniká zmes nitroparafínov:

Nitrácia parafínov v plynnej fáze sa teraz vykonáva v priemyselnom meradle.

Sulfachlorácia:

Dôležitou praktickou reakciou je sulfochlorácia alkánov. Keď alkán interaguje s chlórom a oxidom siričitým počas ožarovania, vodík je nahradený chlórsulfonylovou skupinou:

Etapy tejto reakcie:

Cl + R: H → R + HCl

R + S02 → RSO2

RSO2 + Cl: Cl -> RSO2Cl + Cl

Alkánsulfochloridy sa ľahko hydrolyzujú na alkánsulfoxylovú stratu (RSO 2 OH), ktorej sodné soli (RSO 3¯ Na+ - alkánsulfonát sodný) vykazujú vlastnosti podobné mydlu a používajú sa ako detergenty.

Obsah článku

ALKÁNY A CYKLOALKÁNY- uhľovodíky, v ktorých sú všetky atómy uhlíka spojené medzi sebou a s atómami vodíka jednoduchými (jednoduchými) väzbami. Alkány (synonymá - nasýtené uhľovodíky, nasýtené uhľovodíky, parafíny) - uhľovodíky so všeobecným vzorcom C n H 2 n+2, kde n- počet atómov uhlíka. Známy polyetylén má rovnaký vzorec, len hodnotu n je veľmi veľký a môže dosiahnuť desaťtisíce. Okrem toho polyetylén obsahuje molekuly rôznych dĺžok. V cykloalkánoch tvoria atómy uhlíka uzavretý reťazec; ak existuje iba jeden cyklus, cykloalkánový vzorec C n H 2 n .

V závislosti od poradia, v ktorom sú atómy uhlíka spojené do reťazca, sa alkány delia na lineárne a rozvetvené. V súlade s tým pre alkány s nі 4 môže existovať viac ako jedna látka s rovnakým vzorcom. Takéto látky sa nazývajú izoméry (z gréčtiny. isis- rovný, rovný a meros - podiel, diel.

Alkánové mená.

Slovo „alkán“ je rovnakého pôvodu ako „alkohol“ ( Pozri nižšie). Zastaraný výraz „parafín“ pochádza z latinského parum – málo, bezvýznamný a affinis – príbuzný; parafíny majú nízku reaktivitu vzhľadom na väčšinu chemických činidiel. Mnohé parafíny sú homológne; v homologickej sérii alkánov sa každý nasledujúci člen líši od predchádzajúceho o jednu metylénovú skupinu CH 2. Termín pochádza z gréckeho homologos – vhodný, podobný.

Nomenklatúra (z lat. nomenklatúra- zoznam mien) názvy alkánov sú zostavené podľa určitých pravidiel, ktoré nie sú vždy jednoznačné. Takže, ak sú v molekule alkánu rôzne substituenty, potom sú v názve alkánu uvedené v abecednom poradí. Avšak v rôzne jazyky toto poradie sa môže líšiť. Napríklad uhľovodík СН 3 –СН (СН 3) –СН (С 2 Н 5) –СН 2 –СН 2 –СН 3 v súlade s týmto pravidlom sa v ruštine bude nazývať 2-metyl-3-etylhexán a v angličtine 3-etyl-2-metylhexán...

V súlade s názvom uhľovodíka sa alkylové radikály nazývajú aj: metyl (CH 3 -), etyl (C 2 H 5 -), izopropyl (CH 3) 2 CH-, sek-butyl C2H5-CH(CH3)-, drhne-butyl (CH3)3C - atď. Alkylové radikály sú zahrnuté ako celok v mnohých organických zlúčeninách; vo voľnom stave sú tieto častice s nespárovaným elektrónom mimoriadne aktívne.

Niektoré izoméry alkánov majú aj triviálne názvy ( cm... TRIVIÁLNE NÁZVY LÁTOK, napríklad izobután (2-metylpropán), izooktán (2,2,4-trimetylpentán), neopentán (2,3-dimetylpropán), skvalán (2,6,10,15,19,23-hexametyltetrakozán) , ktorého názov pochádza z lat squalus- žralok (nenasýtený derivát skvalánu - skvalén, dôležitá zlúčenina pre metabolizmus, bol prvýkrát objavený v žraločej pečeni). Často sa používa aj triviálny názov pentylového radikálu (C 5 H 11) - amyl. Pochádza z gréčtiny. amylon- škrob: kedysi sa izoamylalkohol C 5 H 11 OH (3-metylbutanol-1) nazýval "amylalkohol kvasenia", pretože tvorí základ pribudli a vzniká ako výsledok fermentácie cukrových látok - produktov hydrolýzy škrobu.

Najjednoduchší člen série cykloalkánov C n H 2 n- cyklopropán ( n= 3). Jeho homológy sa nazývajú rovnako ako alkány s pridaním predpony „cyklo“ (cyklobután, cyklopentán atď.). V cykloalkánoch je možná izoméria spojená s prítomnosťou bočných alkylových skupín a ich usporiadaním v kruhu. Napríklad cyklohexán, metylcyklopentán, 1,1-, 1,2- a 1,3-dimetylcyklobután, 1,1,2- a 1,2,3-trimetylcyklopropány sú izomérne.

Počet alkánových izomérov sa prudko zvyšuje so zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka. Názvy niektorých alkánov, ako aj teoretický počet ich možných izomérov sú uvedené v tabuľke.

Vyrovnať sa s väčšinou názvoslovných názvov nasýtených uhľovodíkov nie je veľmi ťažké ani pre tých, ktorí sa gréčtinu neučili na klasickom gymnáziu. Tieto mená pochádzajú z gréckych číslic s pridaním prípony -an. S prvými členmi série je to ťažšie: nepoužívajú číslice, ale iné grécke korene spojené s názvami zodpovedajúcich alkoholov alebo kyselín. Tieto alkoholy a kyseliny boli známe dlho pred objavením zodpovedajúcich alkánov; príkladom je etylalkohol a etán (získaný až v roku 1848).

Metán (rovnako ako metanol, metyl, metylén atď.) majú spoločný koreň „met“, čo v chémii znamená skupinu obsahujúcu jeden atóm uhlíka: metyl CH 3, metylén (metylidén) CH 2, metín (metylidín) CH. Historicky prvou takouto látkou bol metyl (alias drevený) alkohol, metanol, ktorý sa predtým získaval suchou destiláciou dreva. Jeho názov pochádza z gréckych slov methy – omámiť víno a hile – les (takpovediac „drevité víno“). Najpozoruhodnejšie je, že metán, ametyst a med majú spoločný koreň! V dávnych dobách boli drahé kamene obdarené magickými vlastnosťami (a mnohí tomu stále veria). Verilo sa, že krásne fialové kamene chránia pred intoxikáciou, najmä ak je z tohto kameňa vyrobený pohár na pitie. Spolu s negatívnou predponou sa ukázalo, že ametystos - pôsobí proti intoxikácii. Ukázalo sa, že slovo med je prítomné takmer vo všetkých európskych jazykoch: v angličtine. medovina - med (ako nápoj), nemecký Met (v staronemeckom metu), holandský mede, švédsky mjöd, dánsky mjød, litovský a lotyšský medus, nehovoriac o slovanských jazykoch. Všetky tieto slová, vrátane gréčtiny, pochádzajú z indoeurópskeho medhu, čo znamená sladký nápoj. Grécka pálenka Metaxa odišla neďaleko od nich, hoci nie je vôbec sladká.

Etán (rovnako ako éter, etanol, alkohol, alkán) majú spoločný pôvod. Starovekí grécki filozofi nazývali aither určitou substanciou, ktorá preniká kozmom. Keď alchymisti v 8. stor. získaval z vínneho alkoholu a kyseliny sírovej ľahko sa odparujúcu kvapalinu, nazýval sa éter síry. V 19. storočí. zistil, že éter kyseliny sírovej (v angličtine ether) označuje takzvané étery a obsahuje skupinu dvoch atómov uhlíka – rovnako ako etylalkohol (etanol); toto zoskupenie bolo pomenované etyl (etyl). Názov látky „etyléter“ (C 2 H 5 –O – C 2 H 5) je teda v podstate „olejový olej“.

Názov etán tiež pochádza z „etylu“. Jeden z názvov pre etanol, alkohol, je rovnakého pôvodu ako slovo alkán (a tiež alkén, alkín, alkyl). V arabčine al-kohl znamená prášok, prášok, prach. Pri najmenšom nádychu stúpajú do vzduchu, rovnako ako výpary vína – „alkohol vína“, ktorý sa nakoniec zmenil len na alkohol.

Prečo je písmeno „t“ v „etáne“ a „etanole“ a „f“ v „étere“? Po všetkom anglický jazyk Na rozdiel od ruštiny majú slová „éter“ (éter) a „etyl“ (etyl) podobný pravopis a zvuk. Th pochádza z gréckeho písmena q (theta); v ruštine do roku 1918 malo písmeno „phita“ rovnaký štýl, ktorý sa však vyslovoval ako „f“ a používal sa výlučne na rozlíšenie slov, v ktorých toto písmeno pochádza z gréckeho q a 247 („fi“). . V západoeurópskych jazykoch gréčtina. j prešiel do ph a q prešiel do th. V ruštine sa v mnohých slovách „hodilo“ už v 18. storočí. bolo nahradené písmenom „f“: divadlo namiesto „qeaftr“, matematika namiesto „matematika“, teória namiesto „teória“ ... V tejto súvislosti je zaujímavé, že v Dahlovom slovníku, vydanom v roku 1882, je napísané encyklopedický slovník Brockhaus a Efron (1904) - "éter".

Mimochodom, estery v západných jazykoch sú estery, nie étery. Ale v ruštine nie je slovo „ester“, a tak každého chemika napadne negramotný preklad anglického polyesteru na textilných etiketách ako „polyester“ namiesto „polyester“, „polyesterové vlákno“ (medzi polyestery patrí napr. lavsan, terylén , dakron).

Názvy "propán" a "bután" pochádzajú z názvov zodpovedajúcich kyselín - propiónovej a butánovej (maslovej). Kyselina propiónová je „prvá“ (tj s najkratším reťazcom), ktorá sa nachádza v tukoch ( cm... TUKY A OLEJE) a ​​jeho názov je odvodený z gréčtiny. protos- prvý a pion- tučný. Bután a kyselina butánová (rus. maslový kyselina) - z gréčtiny. butyron- maslo; v ruštine sú butyráty soli a estery kyseliny maslovej. Táto kyselina sa uvoľňuje, keď olej zožltne.

Ďalej, počnúc pentánom, názvy sú odvodené od gréckych číslic. Vzácnou výnimkou je cetán, jeden z názvov pre hexadekán C 16. Toto slovo pochádza z názvu cetylalkoholu, ktorý v roku 1823 získal francúzsky chemik Michel Eugene Chevreul. Chevreul izoloval túto látku zo spermacetu, látky podobnej vosku z hlavy vorvaňa. Slovo spermaceti pochádza z gréckeho sperma – semeno a ketos – veľký morský živočích (veľryba, delfín). Z latinského písania druhého slova (cetus) pochádza cetylalkohol C 16 H 33 OH (hexadekanol) a cetán.

V ruštine je veľa slov s rovnakými koreňmi ako alkány: päťuholník, sedemčlen (stupnica 7 krokov), dodekafónia (spôsob hudobnej kompozície), oktáva, decima a undecima (hudobné intervaly), oktet a nonet (súbory 8 a 9 hudobníkov), pentóda, hexóda a heptóda (rádioelektrónky); hexameter (veľkosť verša), osemsten, dekáda, dekan, hektár, október, december atď. atď.

Alkán s najdlhšími molekulami bol syntetizovaný anglickými chemikmi v roku 1985. Ide o nonakontatritán C 390 H 782, obsahujúci reťazec 390 atómov uhlíka. Výskumníkov zaujímalo, ako sa takéto dlhé reťazce zbalia počas kryštalizácie (flexibilné uhľovodíkové reťazce sa môžu ľahko zložiť).

Počet alkánových izomérov.

Problém teoreticky možného počtu alkánových izomérov ako prvý vyriešil anglický matematik Arthur Cayley (1821-1895), jeden zo zakladateľov dôležitého odvetvia matematiky – topológie (v roku 1879 publikoval prvý článok o slávnej „štyroch "farebný problém" mapy; tento problém bol vyriešený až v roku 1976). Ukázalo sa, že neexistuje vzorec, podľa ktorého by počet atómov uhlíka v alkáne C n H 2 n+2 vypočíta počet jeho izomérov. Existujú iba takzvané opakujúce sa vzorce (z latinčiny sa opakuje- vracajúci sa), ktoré vám umožňujú vypočítať počet izomérov n-tý člen série, ak je už známy počet izomérov predchádzajúceho člena. Preto výpočty pre veľké n boli získané relatívne nedávno pomocou počítačov a privedené do uhľovodíka C 400 N 802; ak vezmeme do úvahy priestorové izoméry, získa sa ťažko predstaviteľná hodnota: 4,776 · 10 199. A už počnúc alkánom C 167 H 336 počet izomérov prevyšuje počet elementárne častice vo viditeľnej časti vesmíru, ktorá sa odhaduje na 10 80. Počet izomérov uvedených v tabuľke pre väčšinu alkánov sa výrazne zvýši, ak vezmeme do úvahy aj zrkadlovo symetrické molekuly - stereoizoméry ( cm... OPTICKÁ IZOMÉRIA): pre heptán - od 9 do 11, pre dekán - od 75 do 136, pre eikozán - od 366 319 do 3 396 844, pre hektán - od 5,921 · 10 39 do 1,373 · 10 46 atď.

Z pohľadu chemika je počet štruktúrnych izomérov nasýtených uhľovodíkov prakticky zaujímavý len pre prvých členov série. Dokonca aj pre relatívne jednoduchý alkán obsahujúci iba pätnásť atómov uhlíka sa drvivá väčšina izomérov nezískala a je nepravdepodobné, že sa niekedy syntetizuje. Napríklad posledný z teoreticky možných 75 izomérov dekánu bol syntetizovaný až v roku 1968. A to z praktických dôvodov – aby sme mali úplnejší súbor štandardných zlúčenín, pomocou ktorých je možné identifikovať rôzne uhľovodíky, napr. ktoré sa nachádzajú v oleji. Mimochodom, v odlišné typy všetkých 18 možných oktánových izomérov sa našlo v oleji.

Najzaujímavejšie však je, že počnúc heptadekánom C 17 H 36 sú najskôr len niektoré z teoreticky možného počtu izomérov, potom mnohé a nakoniec takmer všetky sú žiarivý príklad"chémia papiera", t.j. nemôže existovať v realite. Ide o to, že s rastúcim počtom atómov uhlíka v molekulách rozvetvených izomérov vznikajú vážne problémy priestorového balenia. Koniec koncov, matematici považovali atómy uhlíka a vodíka za body, hoci v skutočnosti majú konečný polomer. Metánová „guľa“ má teda na „povrchu“ 4 atómy vodíka, ktoré sú na nej voľne umiestnené. V neopentáne C (CH 3) 4 na „povrchu“ je už 12 atómov vodíka umiestnených oveľa bližšie k sebe; ale stále je tam priestor na ich umiestnenie. Ale pre alkán 4 (C17H36) je na povrchu málo miesta na umiestnenie všetkých 36 atómov vodíka v 12 metylových skupinách; je ľahké skontrolovať, či pre takéto izoméry nakreslíme plochý obrázok (alebo ešte lepšie vytvarujeme objemový model z plastelíny a zápaliek) pri zachovaní nemennosti dĺžok väzieb C – C a C – H a všetkých uhlov medzi nimi) . S rastom n problémy s umiestnením vznikajú aj pre atómy uhlíka. Výsledkom je, že napriek tomu, že počet možných izomérov sa zvyšuje n sa veľmi rýchlo zvyšuje, podiel „papierových“ izomérov rastie oveľa rýchlejšie. Počítačom podporované hodnotenie ukázalo, že ako n pomer počtu skutočne možných izomérov k počtu „papierových“ rýchlo smeruje k nule. To je dôvod, prečo výpočet presného počtu izomérov nasýtených uhľovodíkov pre veľké n, ktorý kedysi vzbudzoval značný záujem, má dnes pre chemikov už len teoretický význam.

Štruktúra a fyzikálne vlastnosti alkánov.

V alkánoch sú štyri sp 3 -hybridné orbitály atómu uhlíka ( cm... ORBITALY) sú nasmerované k vrcholom štvorstenu s uhlom medzi nimi asi 109 ° 28 "- v tomto prípade je odpudzovanie medzi elektrónmi a energiou systému minimálne. s-orbitály atómov vodíka vznikajú s-väzby C – C a C – H. Tieto väzby v molekulách alkánov sú kovalentné nepolárne alebo s nízkou polaritou.

V alkánoch sa rozlišujú primárne atómy uhlíka (sú viazané iba na jeden susedný atóm C), sekundárne (viazané na dva atómy C), terciárne (viazané na tri atómy C) a kvartérne (viazané na štyri atómy C). Takže v 2,2-dimetyl-3-metylpentáne CH 3 –C (CH 3) 2 –CH (CH 3) –CH 2 –CH 3 je jeden kvartérny, jeden terciárny, jeden sekundárny a päť primárnych atómov uhlíka. Odlišné prostredie atómov uhlíka má veľmi silný vplyv na reaktivitu atómov vodíka, ktoré sú s nimi spojené.

Priestorové usporiadanie sp 3 orbitálov vedie, počnúc propánom, ku cik-cak konfigurácii uhlíkových reťazcov. V tomto prípade je možná rotácia molekulárnych fragmentov okolo väzieb C – C (v molekule etánu pri 20 °C - rýchlosťou miliónov otáčok za sekundu!), čo robí molekuly vyšších alkánov flexibilnými. K narovnaniu takýchto reťazcov dochádza napríklad pri naťahovaní polyetylénu, ktorý sa skladá zo zmesi alkánov s dlhými reťazcami Molekuly alkánov medzi sebou slabo interagujú, preto sa alkány topia a varia pri oveľa nižších teplotách ako látky s blízkymi polárnymi molekulami v omša. Prvými 4 členmi homologickej série metánu sú za normálnych podmienok plyny, propán a bután sa ľahko skvapalňujú pod nízkym tlakom (kvapalná zmes propán-bután je obsiahnutá v plynových fľašiach pre domácnosť). Vyššie homológy sú kvapaliny s vôňou benzínu alebo pevných látok, ktoré sa vo vode nerozpúšťajú a plávajú na jej povrchu. Teploty topenia a varu alkánov sa zvyšujú s nárastom počtu atómov uhlíka v molekule, pričom nárast teploty sa postupne spomaľuje, takže C 100 H 202 sa topí pri 115 ° C, C 150 H 302 - pri 123 ° C. Teploty topenia a varu pre prvých 25 alkánov sú uvedené v tabuľke - je vidieť, že počnúc oktadekánom sú alkány pevné látky.

Prítomnosť vetvenia v reťazci dramaticky mení fyzikálne vlastnosti, najmä teplotu topenia. Takže, ak hexán normálnej štruktúry ( n-hexán) sa topí pri -95,3 ° C, potom jeho izomérny 2-metylpentán - pri -153,7 ° C. Je to kvôli obtiažnosti balenia rozvetvených molekúl počas ich kryštalizácie. Výsledkom je, že alkány s rozvetvením reťazca pri rýchlom ochladení nekryštalizujú, ale prechádzajú do sklovitého stavu podchladenej kvapaliny ( cm... SKLO). Ak sa napríklad tenká ampulka s pentánom ponorí do tekutého dusíka (teplota –196 °C), látka sa zmení na bielu snehovú hmotu, zatiaľ čo izopentán (2-metylbután) stuhne na priehľadné „sklo“.

Pôvodný spôsob ich separácie je založený na rozdiele v geometrickom tvare lineárnych a rozvetvených alkánov: v kryštáloch močoviny sú kanály, do ktorých sa alkány s priamym reťazcom zmestia a rozvetvené nie.

Cykloalkány s n= 2, 3 - plyny, vyššie - kvapaliny alebo tuhé látky. Najväčším cyklom, ktorý sa chemikom podarilo syntetizovať, je cyklookktaktadiktán C 288 H 576. Rôzny tvar molekúl cykloalkánov s párnym a nepárnym počtom atómov uhlíka v molekule vedie k silnému párnemu-nepárnemu efektu vzhľadom na teplotu topenia, čo je možné vidieť z tabuľky. Tento efekt sa vysvetľuje rozdielom v „pohodlnosti“ molekulárneho balenia rôzne tvary v kryštáli: čím je obal kompaktnejší, tým je kryštál pevnejší a tým vyššia je jeho teplota topenia. Napríklad cyklododekán sa topí takmer 70 ° nad svojim najbližším homológom, cykloundekánom. Samozrejme, záleží aj na hmotnosti molekuly: molekuly svetla sa topia pri nižšej teplote.

Ľahká rotácia okolo väzby C – C vedie k tomu, že molekuly cykloalkánu nie sú rovinné (s výnimkou cyklopropánu), čím sa vyhýbajú silnému skresleniu väzbových uhlov. V cyklohexáne a jeho vyšších homológoch sú teda väzbové uhly nenapäté a blízke štvorstenu (109 °), zatiaľ čo v šesťuholníku sú uhly 120 °, v osemuholníku - 135 ° atď. Jednotlivé atómy uhlíka v takýchto cykloalkánoch nezaberajú pevne pevnú polohu: kruh je akoby v neustálom vlnovom pohybe. Molekula cyklohexánu teda môže byť vo forme rôznych geometrických štruktúr (konformérov), ktoré sa môžu navzájom transformovať (inverzia cyklu). Pre ich vonkajšiu podobnosť sa nazývali „vaňa“ a „kreslo“ (v anglickej literatúre sa „vaňa“ nazýva „loď“):

Tvar stoličky je stabilnejší; pri teplote okolia existuje 99,9% cyklohexán v stabilnejšej forme stoličky. Prechod medzi týmito dvoma formami sa uskutočňuje prostredníctvom strednej „twist-konformácie“ (z angl. krútiť- krútiť).

V cyklopropáne sa uhol zmenšuje zo 108 ° na 60 °, čo vedie k silnému namáhaniu a „ohýbaniu“ väzieb, ktoré zaujímajú strednú polohu medzi obvyklými s- a p-väzbami; pre svoj tvar sa tieto väzby nazývajú "banán". V tomto prípade sa sp 3 orbitály atómov uhlíka prekrývajú len čiastočne. Výsledkom je dualita chemických vlastností cyklopropánu. Na jednej strane je v ňom možná substitúcia atómov vodíka (reakcia typická pre alkány), na druhej strane je možná adícia s otvorením kruhu (reakcia typická pre alkény, napr.: cyklo-C3H6 + Br2® BrCH2CH2CH2Br).

Cykloalkány s dvoma kruhmi a jedným spoločným atómom uhlíka sa nazývajú spiroalkány. Ak je celkovo viac ako dva atómy uhlíka, tak vznikajú bicykloalkány, tricykloalkány atď.. V dôsledku tohto „zosieťovania“ viacerých cyklov naraz sa chemikom podarilo získať uhľovodíky, ktorých priestorová štruktúra zodpovedá rôznym mnohostenom: štvorsten, kocka, hranol a pod.. Bicyklické deriváty cyklohexán sú obsiahnuté v esenciálne oleje, oleoresin z ihličnatých stromov, terpentín. Cyklus šiestich a piatich atómov uhlíka je obsiahnutý v gáfor, cholesterole, sacharíne, piperíne (dodáva čiernemu koreniu pálivú chuť), dusíkatých zásadách - nukleotidoch a ďalších zlúčeninách (pričom niektoré atómy uhlíka v cykloch môžu byť spojené dvojitým väzby a niektoré sú nahradené inými atómami, ako je sacharín). Cyklus 17 atómov uhlíka (dva z nich sú dvojito viazané) obsahuje civetón, vonná látka, zložka pižma, ktorá sa používa v parfumérii. Krásna molekula adamantanu obsahuje tri šesťčlenné prstence a štruktúrou zodpovedá kryštálovej mriežke diamantu. Štruktúra adamantánu je obsiahnutá v antivírusovom lieku rimantadine, v hexametyléntetramíne (v poslednej uvedenej zlúčenine sú 4 atómy uhlíka nahradené atómami dusíka, ktoré sú navzájom spojené metylénovými mostíkmi –CH 2 -). Nižšie sú uvedené štruktúry niektorých cykloalkánov, v molekulách ktorých je viac ako jeden rôzne pospájaný cyklus.

Bicyklodekán (tetrahydronaftalén, dekalín)

Adamantane

Chemické vlastnosti alkánov.

Alkány sú najmenej chemicky aktívne organické zlúčeniny. Všetky väzby C – C a C – H v alkánoch sú jednoduché, preto alkány nie sú schopné adičných reakcií. Pre alkány sú charakteristické reakcie nahradenia atómov vodíka inými atómami a skupinami atómov. Chloráciou metánu sa teda získa metylchlorid CH3CI, metylénchlorid CH2CI2, trichlórmetán (chloroform) CHCI3 a tetrachlórmetán (chlorid uhličitý) CCI4. Tieto reakcie sledujú reťazový mechanizmus so strednou tvorbou voľných radikálov.

Pri chlorácii alkánov, počnúc propánom, môže úplne prvý atóm chlóru nahradiť rôzne atómy vodíka. Smer substitúcie závisí od sily väzby C – H: čím je slabšia, tým rýchlejšie je substitúcia tohto konkrétneho atómu. Primárne väzby С – Н sú spravidla silnejšie ako sekundárne väzby a sekundárne väzby sú silnejšie ako terciárne. Výsledkom je, že chlorácia pri 25 ° С na sekundárnej väzbe (СН 3) 2 СН – Н nastáva 4,5-krát rýchlejšie ako na primárnej väzbe С 2 Н 5 – Н a na terciárnej väzbe (СН 3) 3 С – Н - 6,7x rýchlejšie. Rozdielna reaktivita primárnych, sekundárnych a terciárnych vodíkových atómov môže viesť k tomu, že z viacerých možných produktov chlorácie bude prevládať len jeden. Napríklad chloráciou 2,3-dimetylbutánu v roztoku sírouhlíka (CS 2) vzniká 95 % 2-chlórderivátu a len 5 % 1-chlórderivátu, t.j. 19 krát menej. Ak vezmeme do úvahy, že v počiatočnom alkáne je 6-krát viac primárnych atómov vodíka ako terciárnych, potom pomer ich reaktivity bude ešte väčší (19 ґ 6 = 114). Ako rozpúšťadlo sírouhlík znižuje reaktivitu atómov chlóru a tým zvyšuje jeho selektivitu. Zníženie teploty funguje podobným spôsobom.

Atómy brómu sú menej aktívne; výrazná aktivačná energia tejto reakcie vedie k tomu, že bromácia alkánov síce prebieha reťazovým mechanizmom, ale je oveľa pomalšia ako chlorácia, a to len pri zvýšených teplotách alebo na svetle. Nižšia aktivita atómov brómu vedie aj k zvýšeniu selektivity bromácie. Takže, ak sa relatívna rýchlosť fotochemickej bromácie etánu pri 40 ° C rovná 1, potom rýchlosť bromácie propánu (na sekundárnom atóme H) bude 220 za rovnakých podmienok a rýchlosť bromácie izobutánu (pri terciárny atóm vodíka) - 19 000

Najmenej aktívne sú atómy jódu, preto je reakcia jodácie alkánov RH + I 2 ® RI + HI endotermická, možná len pri vysokých teplotách a prebieha s veľmi krátkymi reťazcami. Navyše reverzná exotermická reakcia RI + HI ® RH + I2 prebieha veľmi ľahko. Pri jodizácii alkánov vznikajú aj nenasýtené zlúčeniny. Napríklad pri 685 ° C etán, ktorý reaguje s jódom, tvorí 72 % etylénu a 10 % acetylénu. Rovnaké výsledky sa dosiahli s propánom, butánom a pentánom.

Fluoračná reakcia alkánov prebieha veľmi vysokou, často výbušnou rýchlosťou, pričom vznikajú všetky možné polyfluórované deriváty počiatočného alkánu. Energia uvoľnená pri fluorácii alkánov je taká veľká, že môže viesť k rozkladu molekúl produktu na radikály, ktoré spúšťajú nové reťazce. V dôsledku toho sa rýchlosť reakcie zvyšuje ako lavína a to vedie k výbuchu aj pri nízkych teplotách. Zvláštnosťou fluorácie alkánov je možnosť deštrukcie uhlíkového skeletu atómami fluóru za vzniku CF 4 s inými halogénmi ako konečným produktom, takáto reakcia neprebieha.

Nitrácia alkánov (Konovalovova reakcia) prebieha tiež radikálnym mechanizmom: RH + NO 2 ® R + HNO 2, R + NO 2 ® RNO 2. Zdrojom NO 2 je kyselina dusičná, ktorá sa zahrievaním rozkladá. Reakcia prebieha v roztoku pri teplote nad 150 °C alebo v parách pri tlaku do 10 atm a teplote 400 - 500 °C. V druhom prípade dochádza aj k porušeniu väzieb C – C v alkánoch a vzniká zmes nitroalkánov.

Všetky alkány horia za uvoľňovania tepla, napr.: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. K tejto reakcii dochádza najmä vo valcoch spaľovacích motorov. Aby sa zvyšky nespálených alkánov nedostali do atmosféry, využíva sa ich katalytické dohorenie vo výfukovom potrubí (súčasne dochádza k spaľovaniu CO a premene oxidov dusíka na neškodný dusík). K reakcii kyslíka s vyššími alkánmi (v zložení parafínu) dochádza pri horení sviečky. Plynné alkány, ako je metán, tvoria so vzduchom výbušné zmesi. Takéto zmesi môžu vznikať v baniach aj v obytné budovy pri úniku plynu v domácnosti, ak jeho obsah vo vzduchu dosiahne 5 %.

Značné úsilie chemikov smerovalo k podrobnému štúdiu reakcie nízkoteplotnej oxidácie alkánov s cieľom zastaviť ju v štádiu tvorby cenných medziproduktov - aldehydov, ketónov, alkoholov, karboxylových kyselín. Takže v prítomnosti solí Co (II), Mn (II) môže byť bután oxidovaný na kyselinu octovú, parafín - na mastné kyseliny C12 - C18. Oxidáciou cyklohexánu vzniká kaprolaktám – monomér na výrobu nylonu a kyseliny adipovej.

Dôležitou priemyselnou reakciou je fotochemická sulfochlorácia alkánov: spoločná radikálovo-reťazcová reakcia s Cl 2 a SO 2 za vzniku chloridov alkánsulfónovej kyseliny RSO 2 Cl. Táto reakcia je široko používaná pri výrobe detergentov. Pri nahradení chlóru kyslíkom dochádza k radikálovej reťazovej reakcii sulfooxidácie alkánov za vzniku alkánsulfónových kyselín R – SO 2 –OH. Sodné soli týchto kyselín sa používajú ako detergenty a emulgátory.

Pri vysokých teplotách dochádza k rozkladu (pyrolýze) alkánov, napr.: CH 4 ® C + 2H 2 (1000 ° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1 500 ° C), C 2 H 6 ® C 2H4 + H2. Posledná reakcia prebieha pri 500 °C v prítomnosti katalyzátora (Ni). Podobne 2-butén CH 3 CH = CHCH 3 možno získať z butánu, pričom vzniká zmes etylénu a etánu. Na rozdiel od tejto radikálovej reakcie prebieha katalytické štiepenie alkánov podľa iónového mechanizmu a slúži na získanie benzínu z ťažších ropných frakcií. Pri zahrievaní v prítomnosti Lewisových kyselín, napríklad AlCl3, dochádza k izomerizácii: nerozvetvené (normálne) alkány sa premenia na rozvetvené alkány s rovnakým počtom atómov uhlíka. Táto reakcia má veľký praktický význam pre získanie vysoko kvalitného motorového paliva ( cm... oktánové číslo). Dehydrogenáciu alkánov môže sprevádzať uzavretie kruhu (dehydrocyklizácia). V prípade dehydrocyklizácie hexánu je hlavným produktom benzén.

Metán pri vysokej teplote v prítomnosti katalyzátora reaguje s vodnou parou a oxidom uhoľnatým (IV) za vzniku syntézneho plynu: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Syntetický plyn sa používa na výrobu motorových palív a metylalkoholu.

V posledné rokyúsilie chemikov je zamerané na vytvorenie katalyzátorov, ktoré aktivujú väzby C – H v molekulách alkánov za miernych podmienok. Takéto reakcie „sú schopné“ vykonávať niektoré mikroorganizmy, ktorých enzýmy sú schopné „stráviť“ aj parafín za vzniku proteínových zlúčenín. Výzvou pre chemikov je pochopiť, ako fungujú prírodné katalyzátory, a simulovať enzymatické reakcie, ktoré sa môžu vyskytnúť pri bežných teplotách. V tomto prípade sa ako katalyzátory používajú rôzne organokovové zlúčeniny. Napríklad v prítomnosti niektorých zlúčenín platiny je možné získať metanol CH 3 OH priamo z metánu a v prítomnosti trifenylfosfínového komplexu ródia Rh [(C 6 H 5) 3 P] viazaného na molekuly CO; V priebehu reakcie sa molekuly CO zabudovávajú do väzby C – H alkánov za vzniku aldehydov.

Cykloalkány sú chemicky podobné alkánom. Sú teda horľavé, dajú sa radikálnym mechanizmom halogenovať, pri zvýšených teplotách v prítomnosti katalyzátorov dehydrogenujú - odštiepujú vodík a menia sa na nenasýtené uhľovodíky. Špeciálne vlastnostiúdajne obsahuje cyklopropán. Na rozdiel od alkánov sa cykloalkány hydrogenujú a cyklus sa otvára a tvoria sa alkány, napr. cyklo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reakcia prebieha pri zahrievaní v prítomnosti platinového katalyzátora). S nárastom veľkosti cyklu sa reakcia stáva ťažšou - napríklad cyklopentán sa už hydrogenuje (na pentán) veľmi ťažko a pri vysokých teplotách (300 ° C).

Byť v prírode a prijímať.

Hlavnými zdrojmi alkánov sú ropa a zemný plyn. Metán tvorí väčšinu zemného plynu a obsahuje malé množstvá etánu, propánu a butánu. Metán sa nachádza v močiaroch a uhoľných slojoch. Spolu s ľahkými homológmi je metán prítomný v súvisiacich ropných plynoch. Tieto plyny sú pod tlakom rozpustené v oleji a nachádzajú sa aj nad ním. Alkány tvoria významnú časť produktov rafinácie ropy. Obsiahnuté v oleji a cykloalkánoch - nazývajú sa naftény (z gréčtiny. nafta- olej). V prírode sú rozšírené aj plynné hydráty alkánov, hlavne metánu, vyskytujú sa v sedimentárnych horninách na kontinentoch a na dne oceánov. Ich zásoby pravdepodobne prevýšia známe zásoby zemného plynu a v budúcnosti môžu byť zdrojom metánu a jeho najbližších homológov.

Alkány sa získavajú aj pyrolýzou (koksovaním) uhlia a jeho hydrogenáciou (získanie syntetického kvapalného paliva). Pevné alkány sa v prírode nachádzajú vo forme nánosov horského vosku - ozokeritu, vo voskových povlakoch listov, kvetov a semien rastlín a sú súčasťou včelieho vosku.

V priemysle sa alkány získavajú katalytickou hydrogenáciou oxidov uhlíka CO a CO 2 (Fischer-Tropschova metóda). V laboratóriu je možné metán získať zahrievaním octanu sodného s pevnou zásadou: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3, ako aj hydrolýzou niektorých karbidov: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4 Al (OH) 3. Homológy metánu možno získať Wurtzovou reakciou, napríklad: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. V prípade dihalogénalkánov sa získajú cykloalkány, napr.: Br – CH 2 - (CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® cyklo-C6H12 + 2NaBr. Alkány vznikajú aj pri dekarboxylácii karboxylových kyselín a pri ich elektrolýze.

Použitie alkánov.

Ako palivo sa používajú alkány v benzíne, kerozíne, nafte a vykurovacom oleji. Vyššie alkány sa nachádzajú v mazacích olejoch, vazelíne a parafíne. Zmes izomérnych pentánov a hexánov sa nazýva petroléter a používa sa ako rozpúšťadlo. Cyklohexán je tiež široko používaný ako rozpúšťadlo a na syntézu polymérov (nylon, nylon). Cyklopropán sa používa na celkovú anestéziu. Skvalán je vysoko kvalitný mazací olej, súčasť liečiv a kozmetiky, adsorbent v plyno-kvapalinovej chromatografii.

Alkány sa používajú ako suroviny na výrobu mnohých organických zlúčenín vrátane alkoholov, aldehydov, kyselín. Ako rozpúšťadlá sa používajú chlórové deriváty alkánov, napríklad trichlórmetán (chloroform) CHCI3, tetrachlórmetán CCI4. Zmes vyšších alkánov - parafín je netoxická a má široké využitie v potravinárskom priemysle na impregnáciu nádob a obalových materiálov (napríklad vrecúšok na mlieko), pri výrobe žuvačiek. Ceruzky sú napustené parafínom, vrchná (pri hlavičke) časť zápaliek pre ich lepšie vypálenie. Zahriaty parafín sa používa na liečebné účely (parafínová terapia). Oxidácia parafínu za kontrolovaných podmienok v prítomnosti katalyzátorov (organické soli prechodných kovov) vedie k produkcii produktov obsahujúcich kyslík, hlavne organických kyselín.

Iľja Leenson

Literatúra:

Petrov A.A. Alkánová chémia... M., Science, 1974
Azerbajev I.N. atď. Syntézy na báze ropných uhľovodíkov... Alma-Ata, Veda, 1974
Rudakov E.S. Reakcie alkánov s oxidantmi, kovovými komplexmi a radikálmi v roztokoch... Kyjev, Naukova Dumka, 1985
Pereushanu V. Výroba a použitie uhľovodíkov... M., Chémia, 1987

• Domov
• služby