Характерні хімічні властивості вуглеводнів: алканів, алкенів, дієнів, алкінів, ароматичних вуглеводнів

Алкани

Алкани - вуглеводні, у молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками і відповідають загальній формулі $С_(n)Н_(2n+2)$.

Гомологічний ряд метану

Як ви вже знаєте, гомологи- Це речовини, подібні за будовою і властивостями і відрізняються на одну або більше груп СН_2 $.

Граничні вуглеводні становлять гомологічний ряд метану.

Ізомерія та номенклатура

Для алканів характерна так звана структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Як вам уже відомо, найпростіший алкан, для якого характерні структурні ізомери, це бутан:

Розглянемо докладніше для алканів основи номенклатури ІЮПАК:

1. Вибір головного кола.

Формування назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга — найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі, який є ніби її основою.

2.

Атомам головного ланцюга надають номери. Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, якого ближче стоїть заступник (структури А, Б). Якщо заступники знаходяться на рівній відстані від кінця ланцюга, то нумерація починається від того кінця, при якому їх більше (структура). Якщо різні заступники знаходяться на рівній відстані від кінців ланцюга, то нумерація починається з того кінця, до якого ближче старший (структура Г). Старшинство вуглеводневих заступників визначається за тим, в якому порядку слідує в алфавіті буква, з якої починається їх назва: метил (—$СН_3$), потім пропив ($—СН_2—СН_2—СН_3$), етил ($—СН_2—СН_3$ ) і т.д.

Зверніть увагу на те, що назва заступника формується заміною суфікса -анна суфікс -ілу назві відповідного алкану.

3. Формування назви.

На початку назви вказують цифри — номери атомів вуглецю, за яких знаходяться заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться кілька заступників, то відповідний номер у назві повторюється двічі через кому ($2.2-$). Після номера через дефіс вказують кількість заступників ( ді- два, три- три, тетра- чотири, пента- п'ять) та назва заступника ( метил, етил, пропив). Потім без прогалин і дефісів назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду метану ( метан, етан, пропан і т.д.).

Назви речовин, структурні формулияких наведені вище, такі:

- Структура А: $ 2 $ -метилпропан;

- Структура Б: $ 3 $ -етилгексан;

- Структура В: $ 2,2,4 $ -триметилпентан;

- Структура Г: $ 2 $ -метил$4$-етілгексан.

Фізичні та хімічні властивості алканів

Фізичні властивості.Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них — метан — газ без кольору, смаку та запаху (запах газу, відчувши який, треба дзвонити $104$, визначається запахом меркаптанів — сірковмісних сполук, що спеціально додаються до метану, що використовується в побутових та промислових газових приладах, для того, щоб люди , що знаходяться поряд з ними, могли за запахом визначити витік).

Вуглеводні складу від $С_5Н_(12)$ до $С_(15)Н_(32)$ - рідини; більш важкі вуглеводні тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення алканів поступово збільшуються із зростанням довжини вуглецевого ланцюга. Усі вуглеводні погано розчиняються у воді, рідкі вуглеводні є поширеними органічними розчинниками.

Хімічні властивості.

1. Реакція заміщення.Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході якого атом водню заміщається на атом галогену або групу.

Наведемо рівняння найхарактерніших реакцій.

Галогенування:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

У разі надлишку галогену хлорування може піти далі, аж до повного заміщення всіх атомів водню на хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"дихлорметан(хлористий метилен)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"трихлорметан(хлороформ)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"тетрахлорметан(чотирьоххлористий вуглець)")$.

Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.

2. Дегідрування (відщеплення водню).У ході пропускання алканів над каталізатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при високій температурі ($400-600°С$) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:

$CH_3-CН_3→СH_2=CH_2+Н_2$

3. Реакції, що супроводжуються руйнуванням вуглецевого ланцюга.Усі граничні вуглеводні горятьз освітою Вуглекислий газта води. Газоподібні вуглеводні, змішані з повітрям у певних співвідношеннях, можуть вибухати. Горіння граничних вуглеводнів - це вільнорадикальна екзотермічна реакція, яка має дуже велике значенняпри використанні алканів як паливо:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$

У загальному виглядіреакцію горіння алканів можна записати так:

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термічне розщеплення вуглеводнів:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Процес протікає за вільнорадикальним механізмом. Підвищення температури призводить до гомолітичного розриву вуглець-вуглецевого зв'язку та утворення вільних радикалів:

$R-CH_2CH_2:CH_2-R→R-CH_2CH_2·+·CH_2-R$.

Ці радикали взаємодіють між собою, обмінюючись атомом водню, з утворенням молекули алкану та молекули алкену:

$R-CH_2CH_2·+·CH_2-R→R-CH=CH_2+CH_3-R$.

Реакції термічного розщеплення лежать основу промислового процесу — крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.

При нагріванні метану до температури $1000°С починається піроліз метану — розкладання на прості речовини:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

При нагріванні до температури $1500°С$ можливе утворення ацетилену:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Ізомеризація.При нагріванні лінійних вуглеводнів з каталізатором ізомеризації (хлоридом алюмінію) відбувається утворення речовин із розгалуженим вуглецевим скелетом:

5. Ароматизація.Алкани з шістьма та більше вуглецевими атомами в ланцюгу в присутності каталізатора циклізуються з утворенням бензолу та його похідних:

У чому причина того, що алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом? Усі атоми вуглецю в молекулах алканів перебувають у стані $sp^3$-гібридизації. Молекули цих речовин побудовані за допомогою ковалентних неполярних $С—С$ (вуглець — вуглець) зв'язків та слабополярних $С—Н$ (вуглець — водень) зв'язків. Вони немає ділянок з підвищеною і зі зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, тобто. таких зв'язків, електронна щільність яких може зміщуватися під впливом зовнішніх чинників (електростатичних полів іонів). Отже, алкани нічого очікувати реагувати із зарядженими частинками, т.к. зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом.

Алкени

До ненасичених відносять вуглеводні, що містять в молекулах кратні зв'язки між атомами вуглецю. Ненасичені алкени, алкадієни (полієни), алкіни.Ненасиченим характером мають також циклічні вуглеводні, що містять подвійний зв'язок у циклі (циклоалкени), а також циклоалкани з невеликим числом атомів вуглецю в циклі (три або чотири атоми). Властивість ненасиченості пов'язана зі здатністю цих речовин вступати в реакції приєднання, насамперед водню, з утворенням граничних або насичених вуглеводнів - алканів.

Алкени — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один подвійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n)$.

Своя друга назва - олефіни- Алкени отримали за аналогією з жирними ненасиченими кислотами (олеїнова, лінолева), залишки яких входять до складу рідких жирів - масел (від лат. oleum- масло).

Гомологічний ряд етену

Нерозгалужені алкени складають гомологічний ряд етену (етилену):

$С_2Н_4$ — етен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_(10)$ — пентен, $С_6Н_(12)$ — гексен тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкенів, так само, як і для алканів, характерна структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Найпростіший алкен, для якого характерні структурні ізомери, - це бутен:

Особливим видом структурної ізомерії є ізомерія положення подвійного зв'язку:

$СН_3—(СН_2)↙(бутен-1)—СН=СН_2$ $СН_3—(СН=СН)↙(бутен-2)—СН_3$

Навколо одинарного вуглець-вуглецевого зв'язку можливе практично вільне обертання атомів вуглецю, тому молекули алканів можуть набувати найрізноманітнішої форми. Обертання навколо подвійного зв'язку неможливо, що призводить до появи у алкенів ще одного виду ізомерії - геометричної, або цис-транс ізомерії.

Цис-ізомери відрізняються від транс-ізомерів просторовим розташуванням фрагментів молекули (в даному випадку мітильних груп) щодо площини $π$-зв'язку, а отже, і властивостями.

Алкени ізомерні циклоалканам (міжкласова ізомерія), наприклад:

Номенклатура алкенів, розроблена ІЮПАК, схожа на номенклатуру алканів.

1. Вибір головного кола.

Утворення назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі. У разі алкенів головний ланцюг повинен містити подвійний зв'язок.

2. Нумерація атомів головного кола.

Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, до якого ближче перебуває подвійний зв'язок. Наприклад, правильна назва з'єднання:

$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, як можна було б припустити.

Якщо за становищем подвійного зв'язку не можна визначити початок нумерації атомів у ланцюзі, його визначає положення заступників, як і для граничних вуглеводнів.

3. Формування назви.

Назви алкенів формуються так само, як і назви алканів. Наприкінці назви вказують номер атома вуглецю, у якого починається подвійний зв'язок, і суфікс, що позначає належність з'єднання до класу алкенів. -Єн.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкенів

Фізичні властивості.Перші три представники гомологічного ряду алкенів - гази; речовини складу $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - рідини; вищі алкени – тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної масиз'єднань.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Нагадаємо, що відмінною рисоюпредставників ненасичених вуглеводнів- Алкенів є здатність вступати в реакції приєднання. Більшість цих реакцій протікає механізмом

1. Гідрування алкенів.Алкени здатні приєднувати водень у присутності каталізаторів гідрування, металів - платини, паладію, нікелю:

$CH_3-CH_2-CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.

Ця реакція протікає при атмосферному та підвищеному тискуі вимагає високої температури, т.к. є екзотермічною. При підвищенні температури на тих же каталізаторах може бути зворотна реакція — дегідрування.

2. Галогенування (приєднання галогенів).Взаємодія алкену з бромною водою або розчином брому в органічному розчиннику ($CCl_4$) призводить до швидкого знебарвлення цих розчинів в результаті приєднання молекули галогену до алкену та утворення дигалоген алканів:

$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(пропен)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-бромпропен)-CH_3$

Ця реакція підпорядковується правилу Марковнікова:

При приєднанні галогеноводороду до алкену водень приєднується до гидрированному атому вуглецю, тобто. атому, у якому перебуває більше атомів водню, а галоген — менш гидрированному.

Гідратація алкенів призводить до утворення спиртів. Наприклад, приєднання води до етену лежить в основі одного з промислових способів одержання етилового спирту:

$(CH_2)↙(етен)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(етанол)$

Зверніть увагу на те, що первинний спирт (з гідроксогрупою при первинному вуглеці) утворюється тільки при гідратації етену. При гідратації пропену чи інших алкенів утворюються вторинні спирти.

Ця реакція протікає також відповідно до правила Марковникова - катіон водню приєднується до більш гідрованого атома вуглецю, а гідроксогрупа - до менш гідрованого.

5. Полімеризація.Особливим випадком приєднання є реакція полімеризації алкенів:

$nCH_2(=)↙(етен)CH_2(→)↖(УФ-світло,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(поліетилен)...)_n$

Ця реакція приєднання протікає вільнорадикальним механізмом.

6. Реакція окиснення.

Як і будь-які органічні сполуки, алкени горять у кисні з утворенням $СО_2$ і $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.

Загалом:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

На відміну від алканів, які є стійкими до окислення в розчинах, алкени легко окислюються під дією розчинів перманганату калію. У нейтральних або лужних розчинах відбувається окислення алкенів до діолів (двохатомних спиртів), причому гідроксильні групи приєднуються до тих атомів, між якими до окислення існував подвійний зв'язок:

Алкадієни (дієнові вуглеводні)

Алкадієни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, два подвійні зв'язки між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Залежно від взаємного розташування подвійних зв'язків розрізняють три види дієнів:

- алкадієни з кумульованимрозташуванням подвійних зв'язків:

- алкадієни з пов'язанимиподвійними зв'язками;

$ CH_2 = CH-CH = CH_2 $;

- алкадієни з ізольованимиподвійними зв'язками

$CH_2=CH-CH_2-CH=CH_2$.

Ці всі три види алкадієнів суттєво відрізняються один від одного за будовою та властивостями. Центральний атом вуглецю (атом, що утворює два подвійні зв'язки) в алкадієнах з кумульованими зв'язками знаходиться в стані $sp$-гібридизації. Він утворює два $σ$-зв'язку, що лежать на одній прямій і спрямовані в протилежні сторони, і два $π$-зв'язку, що лежать у перпендикулярних площинах. $π$-Зв'язки утворюються за рахунок негібридизованих р-орбіталей кожного атома вуглецю. Властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками дуже специфічні, т.к. пов'язані $π$-зв'язки істотно впливають один на одного.

р-орбіталі, що утворюють пов'язані $π$-зв'язку, становлять практично єдину систему (її називають $π$-системою), т.к. р-орбіталі сусідніх $π$-зв'язків частково перекриваються.

Ізомерія та номенклатура

Для алкадієнів характерна як структурна ізомерія, так і цис-, транс-ізомерія.

Структурна ізомерія.

— ізомерія вуглецевого скелета:

— ізомерія положення кратних зв'язків:

$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(бутадієн-1,2)$

Цис-, транс-ізомерія (просторова та геометрична)

Наприклад:

Алкадієни ізомерні сполукам класів алкінів та циклоалкенів.

Під час формування назви алкадієну вказують номери подвійних зв'язків. Головний ланцюг повинен обов'язково містити два кратні зв'язки.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкадієнів

Фізичні властивості.

У звичайних умовах пропандієн-1,2, бутадієн-1,3 - гази, 2-метилбутадієн-1,3 - летюча рідина. Алкадієни з ізольованими подвійними зв'язками (найпростіший з них – пентадієн-1,4) – рідини. Вищі дієни – тверді речовини.

Хімічні властивості.

Хімічні властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками мало відрізняються від властивостей алкенів. Алкадієни з пов'язаними зв'язками мають деякі особливості.

1. Реакція приєднання.Алкадієни здатні приєднувати водень, галогени, галогеноводи.

Особливістю приєднання до алкадієнів зі сполученими зв'язками є здатність приєднувати молекули як у положеннях 1 та 2, так і в положеннях 1 та 4.

Співвідношення продуктів залежить від умов та способу проведення відповідних реакцій.

2.Реакція полімеризації.Найважливішим властивістю дієнів є здатність полімеризуватися під впливом катіонів або вільних радикалів. Полімеризація цих сполук є основою синтетичних каучуків:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"синтетичний бутадієновий каучук")$ .

Полімеризація сполучених дієнів протікає як 1,4-приєднання.

У цьому випадку подвійний зв'язок виявляється центральним у ланці, а елементарна ланка, у свою чергу, може приймати як цис-, так і транс-конфігурацію.

Алкіни

Алкіни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один потрійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Гомологічний ряд

Нерозгалужені алкін складають гомологічний ряд етину (ацетилену):

$С_2Н_2$ — етин, $С_3Н_4$ — пропін, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_(10)$ — гексин тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкінів, так само як і для алкенів, характерна структурна ізомерія: ізомерія вуглецевого скелета та ізомерія положення кратного зв'язку. Найпростіший алкін, для якого характерні структурні ізомери положення кратного зв'язку класу алкінів, - це бутин:

$СН_3—(СН_2)↙(бутин-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(бутин-2)—СН_3$

Ізомерія вуглецевого скелета у алкінів можлива, починаючи з пентину:

Так як потрійний зв'язок передбачає лінійну будову вуглецевого ланцюга, геометрична ( цис-, транс-) ізомерія для алкінів неможлива.

Наявність потрійного зв'язку в молекулах вуглеводнів цього класу відбивається суфіксом -ін, А її становище в ланцюзі - номером атома вуглецю.

Наприклад:

Алкінам ізомерні сполуки деяких інших класів. Так, хімічну формулу $С_6Н_(10)$ мають гексин (алкін), гексадієн (алкадієн) та циклогексен (циклоалкен):

Фізичні та хімічні властивості алкінів

Фізичні властивості.Температури кипіння та плавлення алкінів, так само, як і алкенів, закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної маси сполук.

Алкіни мають специфічний запах. Вони краще розчиняються у воді, ніж алкани та алкени.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Алкіни відносяться до ненасичених сполук і вступають в реакції приєднання. Здебільшого це реакції електрофільного приєднання.

1. Галогенування (приєднання молекули галогену).Алкін здатний приєднати дві молекули галогену (хлору, брому):

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-диброметан),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-тетраброметан)$

2. Гідрогалогенування (приєднання галогеноводороду).Реакція приєднання галогеноводороду, що протікає по електрофільному механізму, також йде у дві стадії, причому на обох стадіях виконується правило Марковникова:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-бромпропен),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-дибромпропан)$

3. Гідратація (приєднання води).Велике значення для промислового синтезу кетонів та альдегідів має реакція приєднання води (гідратація), яку називають реакцією Кучерова:

4. Гідрування алкінів.Алкіни приєднують водень у присутності металевих каталізаторів ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Оскільки потрійний зв'язок містить два реакційно здатні $π$-зв'язки, алкани приєднують водень східчасто:

1) трімеризація.

При пропущенні етину над активованим вугіллям утворюється суміш продуктів, одним з яких є бензол:

2) димеризація.

Крім тримеризації ацетилену, можлива його димеризація. Під дією солей одновалентної міді утворюється вінілацетилен:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"бутен-1-ін-3(вінілацетилен)")$

Ця речовина використовується для отримання хлоропрену:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(хлоропрен)=CH_2$

полімеризацією якого отримують хлоропреновий каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Окислення алкінів.

Етин (ацетилен) горить у кисні з виділенням дуже великої кількості теплоти:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600кДж$ На цій реакції заснована дія киснево-ацетиленового пальника, полум'я якого має дуже високу температуру (понад $3000°С$), що дозволяє використовувати її для різання та зварювання металів.

На повітрі ацетилен горить полум'ям, що коптить, т.к. вміст вуглецю в його молекулі вищий, ніж у молекулах етану та етену.

Алкіни, як і алкени, знебарвлюють підкислені розчини перманганату калію; при цьому відбувається руйнація кратного зв'язку.

Реакції, що характеризують основні способи отримання кисневмісних сполук

1. Гідроліз галогеналканів.Ви вже знаєте, що утворення галокеналканів при взаємодії спиртів з галогеноводородами. оборотна реакція. Тому зрозуміло, що спирти можуть бути отримані при гідроліз галогеналканів- Реакції цих сполук з водою:

$R-Cl+NaOH(→)↖(H_2O)R-OH+NaCl+H_2O$

Багатоатомні спирти можна отримати при гідролізі галогеналканів, що містять більше одного атома галогену в молекулі. Наприклад:

2. Гідратація алкенів- Приєднання води по $π$-зв'язку молекули алкену - вже знайома вам, наприклад:

$(CH_2=CH_2)↙(етен)+H_2O(→)↖(H^(+))(C_2H_5OH)↙(етанол)$

Гідратація пропіна призводить, відповідно до правила Марковнікова, до утворення вторинного спирту - пропанолу-2:

3. Гідрування альдегідів та кетонів.Ви вже знаєте, що окислення спиртів у м'яких умовах призводить до утворення альдегідів або кетонів. Очевидно, що спирти можуть бути отримані при гідруванні (відновленні воднем, приєднанні водню) альдегідів та кетонів:

4. Окислення алкенів.Гліколі, як ми вже відзначали, можуть бути отримані при окисленні алкенів водним розчином перманганату калію. Наприклад, етиленгліколь (етандіол-1,2) утворюється при окисленні етилену (етену):

$CH_2=CH_2+[O]+H_2O(→)↖(KMnO_4)HO-CH_2-CH_2-OH$

5. Специфічні способи одержання спиртів.Деякі спирти отримують характерними лише їм способами. Так, метанол у промисловості отримують при взаємодії водню з оксидом вуглецю (II) (чадним газом) при підвищеному тиску та високій температурі на поверхні каталізатора (оксиду цинку):

$CO+2H_2(→)↖(t,p,ZnO)CH_3-OH$

Необхідну для цієї реакції суміш чадного газуі водню, звану також синтез-газом ($СО + nН_2О$), отримують при пропусканні парів води над розпеченим вугіллям:

$C+H_2O(→)↖(t)CO+H_2-Q$

6. Бродіння глюкози.Цей спосіб отримання етилового (винного) спирту відомий людині з найдавніших часів:

$(C_6H_(12)O_6)↙(глюкоза)(→)↖(дріжджі)2C_2H_5OH+2CO_2$

Способи отримання альдегідів та кетонів

Альдегіди та кетони можуть бути отримані окисленнямабо дегідрування спиртів. Ще раз відзначимо, що при окисленні або дегідруванні первинних спиртів можуть бути отримані альдегіди, а вторинних спиртів - кетони:

Реакція Кучерова. З ацетилену в результаті реакції гідратації виходить оцтовий альдегід, з гомологів ацетилену - кетони:

При нагріванні кальцієвихабо барієвих солей карбонових кислотутворюються кетон та карбонат металу:

Способи одержання карбонових кислот

Карбонові кислоти можуть бути отримані окисленням первинних спиртів альдегідів:

Ароматичні карбонові кислоти утворюються при окисленні гомологів бензолу:

Гідроліз різних похідних карбонових кислот також призводить до одержання кислот. Так, при гідролізі складного ефіру утворюються спирт та карбонова кислота. Як уже говорилося вище, реакції етерифікації та гідролізу, що каталізуються кислотою, оборотні:

Гідроліз складного ефіру під впливом водного розчину лугу протікає незворотно, у разі зі складного ефіру утворюється не кислота, та її сіль.

Робота додана на сайт сайт: 2015-07-10

Замовити написання унікальної роботи

А17. Основні способи одержання вуглеводнів (в лабораторії). Основні способи отримання кисневмісних сполук (в лабораторії).

Отримання алканів

Промислові методи:

1. Виділяють із природних джерел (природний та попутний гази, нафта, кам'яне вугілля).
2. Гідрування алкенів і ненасичених вуглеводнів.

;text-decoration:underline">Лабораторні способи одержання метану:

1. Термокаталітичне відновлення оксидів вуглецю(t," xml:lang="en-US" lang="en-US">Ni">):

CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O

1. ">Синтез з простих речовин: З + 2Н;vertical-align:sub">2 ">→ СН ;vertical-align:sub">4
2. Гідроліз карбіду алюмінію:" xml:lang="en-US" lang="en-US">Al;vertical-align:sub">4 " xml:lang="en-US" lang="en-US">C;vertical-align:sub">3 "> + 12 " xml:lang="en-US" lang="en-US">H;vertical-align:sub">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">O"> → 4 " xml:lang="en-US" lang="en-US">Al">(" xml:lang="en-US" lang="en-US">OH">) ;vertical-align:sub">3 "> + 3 " xml:lang="en-US" lang="en-US">CH;vertical-align:sub">4

;text-decoration:underline">Лабораторні способи одержання гомологів метану:

1. Декарбоксилювання натрієвих солей карбонових кислот (реакція Дюма). Алкан, що утворюється, містить на один атом вуглецю менше, ніж вихідна сіль.

" xml:lang="en-US" lang="en-US">CH;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">3"xml:lang="en-US" lang="en-US">COONa + NaOH → CH;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">4" xml:lang="en-US" lang="en-US"> + Na;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">2" xml:lang="en-US" lang="en-US">CO;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">3" xml:lang="en-US" lang="en-US">

1. Синтез Вюрца (подвоєння ланцюга); проводять з метою отримання алканів з більш довгим вуглецевим ланцюгом.

">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">CH;vertical-align:sub">3 " xml:lang="en-US" lang="en-US">Cl"> + 2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">Na"> → " xml:lang="en-US" lang="en-US">C;vertical-align:sub">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">H;vertical-align:sub">6 "> + 2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">NaCl">

1. Електроліз ацетату натрію:

електроліз

2 CH 3 COONa +2H 2 O → С2 Н6 + 2СО2 + Н2 + 2 NaOH

Отримання алкенів

В лабораторії:

1. Дегідрогалогенування галогеноалканів проводиться спиртовим розчином луги:

CH 3 - CH 2 Cl + KOH(спирт.) → CH 2 = CH 2 + KCl + H 2 O

CH 3 - CH - CH 2 - CH 3 + KOH (спирт) → CH 3 - CH = CH - CH 3 + KI + H 2 O

Правило А.М. Зайцева: «Водень відщеплюється від менш гідрогенізованого атома вуглецю».

2.Дегідратація спиртів протікає у присутності концентрованої сірчаної кислоти або безводного оксиду алюмінію при нагріванні (t > 150о С) з утворенням алкенів.

CH 3 - CH 2 - CH 2 OH → CH 3 - CH = CH 2 + H 2 O

3.Дегалогенування дигалогенопохідних виробляють за допомогою дрібнороздробленого цинку або магнію:

CH 3 - CH - CH 2 + Zn → CH 3 - CH = CH 2 + ZnCl 2

Cl Cl

У промисловості:

1, Основний спосіб отримання алкенів – крекінг алканів, що призводить до утворення суміші низькомолекулярних алкенів та алканів, яку можна розділити перегонкою.

С5 Н12 → С2 Н4 + С3 Н8 (або С3 Н6 + С2 Н6) та ін.

2 Дегідрування алканів. (каталізатори: Pt ; Ni ; AI 2 O 3 ;Cr 2 O 3 )

Ni , 450 - 5000 C

СН3 - СН3 → СН2 = СН2 + Н2

550 - 6500 С

2CH 4 → CH 2 = СН2 + 2Н2

3. Каталітичне гідрування алкінів (каталізатори: Pt; Ni; Pd)

СН ≡ СН + Н2 → СН2 = СН2

Отримання циклоалканів

1. Дією активного металуна дигалогеналкан:

t, p, Ni

Br - C Н2 -C Н2 -C Н2 -Br + Mg → + Mg Br 2

1,3-дибромпропан

1. Гідрування аренів (t, p, Pt)

С6 Н6 + 3 Н2 →

Отримання алкінів

Ацетилен:

а) метановий спосіб:

2СН4 С2 Н2 + 3Н2

б) гідроліз карбіду кальцію (лабораторний спосіб):

CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2

CaO + 3C CaC 2 + CO

Внаслідок великої енергоємності цей метод економічно менш вигідний.

Синтез гомологів ацетилену:

а) каталітичне дегідрування алканів та алкенів:

Сn H 2 n +2 C n H 2 n -2 + 2H 2

Сn H 2 n C n H 2 n -2 + H 2

б) дегідрогалогенування дигалогеналканів спиртовим розчином лугу (луг і спирт беруться у надлишку):

Сn H 2 n Г2 + 2KOH (сп) C n H 2 n -2 + 2K Г + 2H 2 O

Отримання алкадієнів

1. Дегідруванням алканів, що містяться в природному газі та газах нафтопереробки, при пропусканні їх над нагрітим каталізатором
   t, Cr 2 O 3 ,Al 2 O 3

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2
t, Cr 2 O 3 ,Al 2 O 3

CH 3 -CH-CH 2 -CH 3 → CH 2 = C-CH = CH 2 + 2H 2

CH 3 CH 3

1. Дегідруванням та дегідратацією етилового спирту при пропусканні парів спирту над нагрітими каталізаторами (метод акад. С.В.Лебедєва):
   t, ZnO , Al 2 O 3

2CH 3 CH 2 OH → CH 2 = CH–CH = CH 2 + 2H 2 O + H 2

Отримання аренів

Бензол

1. Тримеризація алкінів над активованим вугіллям (Зелінський):

акт. С, 600 С

3НCCH С6 H 6 (бензол)

1. У лабораторії сплавлення солей бензойної кислоти з лугами:

С6 Н5 - СООNa + Na ВІН → С6 Н6 + Na 2 СО3

Бензол та гомологи

1. При коксуванні кам'яного вугілля утворюється кам'яновугільна смола, з якої виділяють бензол, толуол, ксилоли, нафталін та багато інших органічних сполук.
2. Дегідроциклізація (дегідрування та циклізація) алканів у присутності каталізатора:

Cr 2 O 3

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 C 6 H 6 + 4H 2

З гексану виходить бензол, та якщо з гептана- толуол.

1. Дегідрування циклоалканів

→ С6 Н6 + 3 Н2

1. Одержання гомологів - алкілування бензолу галогеналканами або алкенами у присутності безводного хлориду алюмінію:

AlCl 3

C 6 H 6 + C 2 H 5 Cl C 6 H 5 C 2 H 5 + HCl

хлоретан етилбензол

Отримання граничних одноатомних спиртів

Загальні методи

1. Гідратація алкенів (за правилом Марковникова):

t , H 2 SO 4

СН3 -СН = СН2 + Н-ОН → СН3 -СН-СН3

ВІН (пропанол-2)

1. Гідроліз галогеналканів при дії водного розчину луги:

C 2 H 5 I + Na ВІН (водн.) → C 2 H 5 -O Н + NaI

1. Відновлення (гідрування) альдегідів та кетонів.

При гідруванні альдегтдів утворюються первинні спирти:

t, Ni

СН3 -СН2 -СНТ + Н2 → СН3 -СН2 - СН2 -ВІН

пропанол-1

При гідруванні кетонів утворюються вторинні спирти:

t, Ni

СН3-С-СН3 + Н2 → СН3-СН-СН3

Про ВІН (пропанол-2)

Специфічні способи отримання

1. Метанол – із синтез-газу:

t, р, кат

СО + 2Н2 → СН3 ВІН

1. Етанол – спиртовим бродінням глюкози (ферментативне):

C6 H12 O6 → 2C2 H5 OH + 2CO2

Етиленгліколь

1. У лабораторії – реакція Вагнера.

Окислення етилену перманганатом калію в нейтральне середовищепризводить до утворення двоатомного спирту – етиленгліколю.

Спрощено:

KMnO 4 , H 2 O

CH 2 = CH 2 + НОН + → CH 2 - CH 2

OH OH

3 CH 2 = CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3 CH 2 - CH 2 + 2MnO 2 + 2KOH

OH OH

1. У промисловості – гідролізом 1,2 –дихлоретану:

СН2 Cl - СН2 Cl + 2NaOH → СН2 (ОН)-СН2 ВІН + 2NaCl

Гліцерин

1. Гідроліз жирів:

1. З пропіна:

а) СН2 = СН-СН3 + Cl2 → СН2 = СН-СН2Cl

3-хлорпропен-1

б) СН2 = СН-СН2 Cl + NaOH (водн.) → СН2 = СН-СН2 -ОН + N аCl

аліловий спирт

в) СН2 = СН-СН2-ВІН + Н2 О2 → СН2-СН-СН2

Отримання фенолів

1. Виділення з кам'яновугільної смоли.
2. Гідроліз хлорбензолу:

С6 Н5 -Cl + Н2 О (пар) → С6 Н5 -ОН + НCl

1. Окислення ізопропілбензолу (кумолу) киснем повітря:

Отримання простих ефірів

1. Міжмолекулярна дегідратація етанолу:

t, H2 SO4

2C2 H5 OH → C2 H5 -O-C2 H5 +Н2 О

1. Взаємодіям алкоголю металу з галогенпохідними алканів:

C 2 H 5 I + C 2 H 5 ONa → C 2 H 5 -O-C 2 H 5 + NaI

Отримання альдегідів

Загальний спосіб

1. Окислення спиртів. Первинні спирти окислюються до альдегідів, а вторинні – до кетонів:

t, Cu

2C 2 H 5 OH + O 2 → 2CH 3 CHO + 2H 2 О

T, Cu

СН3-СН-СН3 + O2 → СН3-С-СН3

ВІН (пропанол-2)

Специфічні способи

1. Формальдегід одержують каталітичним окисленням метану:

CH 4 + O 2 → НC НO + H 2 O

1. Оцтовий альдегід (ацетальдегід):

а) реакцією Кучерова

Н+, Hg 2+

HCCH + Н2 Про СН3-СНО

б) катилітичним окисленням етилену

2СН2 = СН2 + О2 → 2СН3-СНТ

Одержання карбонових кислот

Загальні методи

1. Окислення альдегідів під дією різних окислювачів:

R-CHO + Ag 2 O (амм.) → R-C ОOH +2Ag↓

" xml:lang="en-US" lang="en-US">t

R-CHO + 2Cu(OH) 2 →R-COOH + Cu 2 O↓ + 2H 2 O

1. Каталітичне окислення - гомологи метану окислюються з розривом С-С ланцюгата утворенням карбонових кислот:

"> 2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">C;vertical-align:sub">4 " xml:lang="en-US" lang="en-US">H;vertical-align:sub">10 ">+ 5 " xml:lang="en-US" lang="en-US">O;vertical-align:sub">2 "> → 4СН ;vertical-align:sub">3 " xml:lang="en-US" lang="en-US">COOН+ 2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">H;vertical-align:sub">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">O">

Специфічні способи

1. Мурашину кислоту одержують нагріванням під тиском порошкоподібного гідроксиду натрію та чадного газу з подальшою обробкою отриманого форміату натрію сильною кислотою:

NaOH + CO → HCOONa

H 2 SO 4 + 2HCOONa→ HCOO Н + Na 2 SO 4

1. Оцтову кислоту:

а) Для харчових цілей одержують ферментативним бродінням (окисленням) рідин, що містять спирт (вино, пиво):

ферменти

C 2 H 5 OH + О2 → CH 3 C ОOH + H 2 О

б) У лабораторії з ацетатів:

2СН3 COONa + H 2 SO 4 → 2СН3 COO Н + Na 2 SO 4

Отримання складних ефірів

1. Реакція етерифікації при нагріванні кислоти та спирту у присутності сірчаної кислоти або інших мінеральних кислот. Ізотопними дослідженнями показано, що у реакції етерифікації від молекули спирту відокремлюється атом водню, як від молекули кислоти - гидроксильная група.

Ця реакція оборотна і підпорядковується правилу Ле-Шательє. Для збільшення виходу

складних ефірів необхідно видаляти з реакційного середовища воду, що утворюється.

CH3-CООН + НOCН2 CH3 → CH3-CO-O- CН2 CH3 + H2 O

Отримання мила

1. "Лужний гідроліз (омилення жирів відбувається під дією лугів необоротно):

1. Нейтралізація карбонових кислот, отриманих каталітичним окисленням вищих парафінів нафти:

2С ;vertical-align:sub">32 ">Н ;vertical-align:sub">66 "> + 5О ;vertical-align:sub">2 ">→ 4С ;vertical-align:sub" >15 "Н ;vertical-align:sub">31 ">СООН + 2Н ;vertical-align:sub">2 ">О

пальмітинова кислота

"С; vertical-align: sub"> 15 "> Н; vertical-align: sub">31 ">СООН + " xml:lang="en-US" lang="en-US">NaOH"> → З ;vertical-align:sub">15 ">Н ;vertical-align:sub">31 ">СОО " xml:lang="en-US" lang="en-US">Na"> ">+ Н ;vertical-align:sub">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">O">

пальмітат натрію (тверде мило)

"С;vertical-align:sub">15">Н;vertical-align:sub">31">СООН + К " xml:lang="en-US" lang="en-US">OH"> → З ;vertical-align:sub">15 ">Н ;vertical-align:sub">31 ">СТО ">К ">+ Н ;vertical-align:sub">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">O">

пальмітат калію (рідке мило)

Одержання вуглеводів

1. Глюкозу - гідролізом крохмалю або целюлози:

(C6 H10 O5 )n + nH2 O nC6 H12 O6

1. Сахарозу - з цукрових буряків та цукрової тростини.

Вуглеводні - дуже великий клас сполук, що належать до органічних. Вони включають кілька основних груп речовин, серед яких практично кожна знаходить широке застосування в промисловості, побуті, природі. Особливого значення мають галогенопроизводные вуглеводні, про які й йтиметься у статті. Вони мають не тільки високе промислове значення, але і є важливою сировиною при багатьох хімічних синтезах, одержанні лікарських засобів та інших важливих сполук. Приділимо особливу увагу будові їх молекул, властивостям та іншим особливостям.

Галогенопохідні вуглеводні: загальна характеристика

З погляду хімічної науки, до цього класу сполук відносяться всі ті вуглеводні, в яких один або кілька атомів водню заміщені на той чи інший галоген. Це дуже широка категорія речовин, оскільки вони мають важливе промислове значення. Протягом досить короткого часу люди навчилися синтезувати практично всі галогенопохідні вуглеводні, застосування яких необхідне в медицині, хімічній галузі, харчовій промисловості та побуті.

Основний метод отримання даних сполук - це синтетичний шлях у лабораторії та промисловості, тому що в природі практично жоден з них не зустрічається. Внаслідок наявності атома галогену вони мають високу реакційною здатністю. Це багато в чому визначає сфери їх застосування в хімічних синтезах як проміжних продуктів.

Так як представників галогенопохідних вуглеводнів мають багато, прийнято класифікувати їх за різними ознаками. В основу лягає як будова ланцюга та кратність зв'язку, так і відмінність в атомах галогенів та місці їх становища.

Галогенопохідні вуглеводнів: класифікація

Перший варіант поділу заснований на загальноприйнятих принципах, які застосовуються для всіх. За цією ознакою виділяють:

• граничні галогенопохідні вуглеводні;
• ненасичені;
• ароматичні;
• аліфатичні;
• ациклічні.

Наступний поділ заснований на вигляді атома галогену та його кількісному вмісті у складі молекули. Так, виділяють:

• монопохідні;
• дипохідні;
• три-;
• тетра-;
• пентапохідні і так далі.

Якщо говорити про вид галогену, то назва підгрупи складається з двох слів. Наприклад, монохлорпохідне, трийодпохідне, тетрабромгалогеналкен і так далі.

Також існує ще один варіант класифікації, за яким розділяються переважно галогенопохідні граничних вуглеводнів. Це номер атома вуглецю, до якого приєднано галоген. Так, виділяють:

• первинні похідні;
• вторинні;
• третинні і таке інше.

Кожного конкретного представника можна ранжувати за всіма ознаками та визначити повне місцев системі органічних сполук. Так, наприклад, з'єднання із складом СН 3 - СН 2 -СН=СН-CCL 3 можна класифікувати так. Це ненасичене аліфатичне трихлорпохідне пентена.

Будова молекули

Наявність атомів галогену неспроможна позначитися як у фізичних і хімічних властивостях, і на загальних рисах будови молекули. Загальна формула для даного класу сполук має вигляд R-Hal, де R - вільний вуглеводневий радикал будь-якої будови, а Hal - атом галогену один або кілька. Зв'язок між вуглецем і галогеном сильно поляризований, внаслідок чого молекула в цілому схильна до двох ефектів:

• негативний індуктивний;
• мезомірний позитивний.

У цьому перший їх виражений значно сильніше, тому атом Hal завжди виявляє властивості электроноакцепторного заступника.

В іншому всі особливості будови молекули нічим не відрізняються від таких у звичайних вуглеводнів. Властивості пояснюються будовою ланцюга та його розгалуженістю, кількістю атомів вуглецю, силою ароматичних ознак.

На особливу увагу заслуговує номенклатура галогенопохідних вуглеводнів. Як правильно називати ці сполуки? Для цього потрібно дотримуватися кількох правил.

1. Нумерація ланцюга починається з краю, до якого ближче розташований атом галогену. Якщо ж є якийсь кратний зв'язок, то відлік починається саме з нього, а не з електроноакцепторного заступника.
2. Назва Hal вказується у префіксі, також слід зазначати номер атома вуглецю, від якого він відходить.
3. Останнім кроком дається назва основного ланцюга атомів (або кільця).

Приклад такої назви: СН 2 =СН-CHCL 2 - 3-дихлорпропен-1.

Також назву можна давати і по цьому випадку вимовляється найменування радикала, а потім - галогену з суфіксом -ід. Приклад: СН 3 -СН 2 -СН 2 Br - пропілбромід.

Як і інші класи органічних сполук, галогенопохідні вуглеводні будову мають особливу. Це дозволяє багатьох представників позначати назвами, що історично склалися. Наприклад, фторотан CF 3 CBrClH. Наявність відразу трьох галогенів у складі молекули забезпечує цій речовині особливі властивості. Його застосовують у медицині, тому частіше користуються саме назвою, що історично склалася.

Способи синтезу

Способи одержання галогенопохідних вуглеводнів досить різноманітні. Можна виділити п'ять основних методів синтезу даних сполук у лабораторії та промисловості.

1. Галогенування звичайних вуглеводнів нормальної будови. Загальна схемареакції: R-H + Hal 2 → R-Hal + HHal. Особливості перебігу процесу полягають у наступному: з хлором і бромом обов'язково потрібно ультрафіолетове опромінення, з йодом реакція практично неможлива або дуже повільна. З фтором взаємодія надто активна, тому використовувати цей галоген у чистому вигляді не можна. Крім того, при галогенуванні ароматичних похідних потрібно використовувати спеціальні каталізатори процесу - кислоти Льюїса. Наприклад, хлорид заліза чи алюмінію.
2. Одержання галогенопроізводних вуглеводнів здійснюється також шляхом гідрогалогенування. Однак для цього вихідною сполукою обов'язково повинен бути ненасичений вуглеводень. Приклад: R = R-R + HHal → R-R-RHal. Найчастіше подібне використовується для одержання хлоретилену або вінілхлориду, оскільки ця сполука є важливою сировиною для промислових синтезів.
3. Вплив гідрогалогенів на спирти. Загальний вид реакції: R-OH + HHal → R-Hal + H 2 O. Особливістю є обов'язкова наявність каталізатора. Приклади прискорювачів процесу, які можна використовувати: хлориди фосфору, сірки, цинку або заліза, сірчана кислота, розчин у соляної кислоти- Реактив Лукаса.
4. Декарбоксилювання солей кислот при окислюючому агенті. Інша назва способу – реакція Бородіна-Хунсдіккера. Суть полягає у відщепленні молекули вуглекислого газу від срібних похідних при дії окислюючого агента – галогену. Через війну утворюються галогенопроизводные вуглеводнів. Реакції у загальному вигляді мають такий вигляд: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO 2 + AgHal.
5. Синтез галоформів. Іншими словами, це отримання тригалогенпохідних метану. Найпростіший спосіб їх виробництва – вплив на ацетон лужним розчином галогенів. У результаті відбувається формування галоформних молекул. У такий же спосіб синтезуються в промисловості галогенопохідні ароматичних вуглеводнів.

Особливу увагу слід приділити синтезу ненасичених представників класу, що розглядається. Основний метод - це вплив на алкіни солями ртуті та міді у присутність галогенів, що призводить до утворення продукту з подвійним зв'язком у ланцюзі.

Галогенопохідні ароматичних вуглеводнів виходять за реакціями галогенування аренів або алкіларенів у бічну ланцюг. Це важливі промислові продукти, оскільки саме вони використовуються як інсектициди у сільському господарстві.

Фізичні властивості

Галогенопохідних вуглеводнів безпосередньо залежить від будови молекули. На температури кипіння та плавлення, агрегатний станвпливають кількість атомів вуглецю в ланцюги та можливі відгалуження у бічну частину. Чим їх більше, тим показники стають вищими. Загалом можна охарактеризувати фізичні параметри у кількох пунктах.

1. Агрегатний стан: перші нижчі представники - гази, наступні до 12 - рідини, вище - тверді тіла.
2. Мають різкий неприємний специфічний запах майже всі представники.
3. Дуже погано розчиняються у воді, проте самі - відмінні розчинники. В органічних сполуках розчиняються дуже добре.
4. Температури кипіння та плавлення збільшуються зі зростанням числа атомів вуглецю в головному ланцюзі.
5. Всі сполуки, крім фторпохідних, важчі за воду.
6. Чим більше розгалужень у головному ланцюгу, тим нижча температура кипіння речовини.

Важко позначити безліч подібних загальних рис, адже представники сильно різняться за складом та будовою. Тому краще наводити значення для кожного конкретного з'єднання з даного рядувуглеводнів.

Хімічні властивості

Одним із найважливіших параметрів, який обов'язково враховується в хімічній промисловості та реакціях синтезу, є хімічні властивості галогенопохідних вуглеводнів. Вони неоднакові всім представників, оскільки є низка причин, що зумовлюють різницю.

1. Будова вуглецевого ланцюга. Найпростіше реакції заміщення (нуклеофільного типу) відбуваються у вторинних та третинних галогеналкілів.
2. Вигляд атома галогену також має важливе значення. Зв'язок між вуглецем і Hal сильно поляризований, що забезпечує легкий її розрив з вивільненням вільних радикалів. Однак найпростіше рветься зв'язок саме між йодом і вуглецем, що пояснюється закономірним зміною (зменшенням) енергії зв'язку в ряду: F-Cl-Br-I.
3. Наявність ароматичного радикалу чи кратних зв'язків.
4. Будова та розгалуженість самого радикала.

Загалом найкраще галогеналкіли вступають у реакції саме нуклеофільного заміщення. Адже на атомі вуглецю після розриву зв'язку з галогеном частково концентрується позитивний заряд. Це дозволяє радикалу загалом ставати акцептором елетрононегативних частинок. Наприклад:

• ВІН -;
• SO 4 2-;
• NO 2 -;
• CN - та інші.

Цим пояснюється той факт, що від галогенпохідних вуглеводнів можна перейти практично до будь-якого класу органічних сполук, потрібно лише підібрати відповідний реагент, який надасть потрібну функціональну групу.

Загалом можна сказати, що хімічні властивості галогенопохідних вуглеводнів полягають у здатності вступати до наступних взаємодій.

1. З нуклеофільними частинками різного роду реакції заміщення. В результаті можуть вийти: спирти, прості та нітросполуки, аміни, нітрили, карбонові кислоти.
2. Реакції елімінування або дегідрогалогенування. Внаслідок впливу спиртового розчину лугу відбувається відщеплення молекули галогеноводороду. Так формується алкен, низькомолекулярні побічні продукти – сіль та вода. Приклад реакції: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 Br + NaOH (спирт) CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + NaBr + H 2 O . Ці процеси - один з основних способів синтезу важливих алкенів. Процес завжди супроводжується дією високих температур.
3. нормальної будови методом синтезу Вюрца. Суть реакції полягає у впливі на галогенозаміщений вуглеводень (дві молекули) металевим натрієм. Як сильно електропозитивний іон, натрій акцептує атоми галогену сполуки. В результаті вуглеводневі радикали, що звільнилися, замикаються між собою зв'язком, формуючи алкан нової будови. Приклад: CH 3 -CH 2 Cl + CH 3 -CH 2 Cl + 2Na →CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaCl.
4. Синтез гомологів ароматичних вуглеводнів методом Фріделя-Крафтса. Суть процесу - вплив на бензол галогеналкілом у присутності хлориду алюмінію. В результаті реакції заміщення відбувається утворення толуолу та хлороводню. В даному випадку присутність каталізатора є необхідною. Крім самого бензолу, таким способом можна окислювати і його гомологи.
5. Отримання рідини Греньяра. Цей реактив є галогенозаміщеним вуглеводнем з іоном магнію у складі. Спочатку здійснюється вплив металевим магнієм в ефірі на похідний галогеналкіл. В результаті формується комплексна сполука із загальною формулою RMgHal, що називається реактивом Греньяра.
6. Реакція відновлення до алкану (алкену, арена). Здійснюються за впливу воднем. В результаті формується вуглеводень та побічний продукт – галогеноводород. Приклад загалом: R-Hal + H 2 →R-H + HHal.

Це основні взаємодії, які здатні легко вступати галогенпохідні вуглеводнів різної будови. Звісно, ​​є й специфічні реакції, які слід розглядати кожного конкретного представника.

Ізомерія молекул

Ізомерія галогенопохідних вуглеводнів - цілком природне явище. Адже відомо, що чим більше атомів вуглецю в ланцюзі, тим вища кількість ізомерних форм. Крім того, ненасичені представники мають кратні зв'язки, що також стає причиною появи ізомерів.

Можна виділити два основні різновиди цього явища для цього класу сполук.

1. Ізомерія вуглецевого скелета радикала та основного ланцюга. Сюди можна віднести і становище кратного зв'язку, якщо вона є в молекулі. Як і у простих вуглеводнів, починаючи з третього представника, можна записувати формули сполук, що мають ідентичні молекулярні, але різні структурні формульні вирази. Причому для галогенозаміщених вуглеводнів кількість ізомерних форм на порядок вища, ніж для відповідних їм алканів (алкенів, алкінів, аренів тощо).
2. Положення галогену у складі молекули. Його місце в назві вказується цифрою, і навіть якщо змінюється всього на одиницю, то властивості таких ізомерів будуть зовсім різні.

Про просторову ізомерію тут не йдеться, оскільки атоми галогену роблять це неможливим. Як і в усіх інших органічних сполук, у галогеналкілів ізомери відрізняються не лише за будовою, а й за фізичними та хімічними характеристиками.

Похідні ненасичених вуглеводнів

Подібних з'єднань, звісно, ​​багато. Проте нас цікавлять саме галогенопохідні ненасичені вуглеводні. Їх можна розділити на три основні групи.

1. Вінільні – коли атом Hal розташовується безпосередньо у атома вуглецю кратного зв'язку. Приклад молекули: СН2=CCL2.
2. З ізольованим становищем. Атом галогену та кратний зв'язок розташовуються в протилежних частинах молекули. Приклад: СН2 = СН-СН2-СН2-Cl.
3. Алільні похідні - атом галогену розташований до подвійного зв'язку через один атом вуглецю, тобто знаходиться в альфа-положенні. Приклад: СН2 = СН-СН2-CL.

Особливе значення має така сполука як хлористий вініл СН 2 =CHCL. Воно здатне з утворенням важливих продуктів, таких, як ізоляційні матеріали, непромокаючі тканини та інше.

Ще один представник ненасичених галогенпохідних - хлоропрен. Формула його - СН₂=CCL-СН=СН₂. Ця сполука є вихідною сировиною для синтезу цінних видів каучуку, які відрізняються вогнестійкістю, тривалим терміном служби, поганою проникністю для газів.

Тетрафторетилен (або тефлон) - полімер, який має якісні технічні параметри. Використовується виготовлення цінного покриття технічних деталей, посуду, різних приладів. Формула - CF 2 = CF 2 .

Ароматичні вуглеводні та їх похідні

Ароматичними називають ті сполуки, до складу яких входить бензольна кільце. Серед них також є ціла група галогенових. Можна виділити два основних типи їх за будовою.

1. Якщо атом Hal пов'язаний безпосередньо з ядром, тобто ароматним кільцем, то тоді сполуки прийнято називати галогенаренами.
2. Атом галогену пов'язаний не з кільцем, а з бічним ланцюгом атомів, тобто радикалом, що відходить у бічну гілку. Такі сполуки називаються арилалкіл галогенідами.

Серед цих речовин можна назвати кілька представників, що мають найбільше практичне значення.

1. Гексахлорбензол - С 6 Cl 6 . З початку XX століття використовувався як сильний фунгіцид та інсектицид. Має хорошу дезінфікуючу дію, тому його застосовували для протруювання насіння перед висівкою. Має неприємний запах, рідина досить їдка, прозора, може спричинити сльозотечу.
2. Бромистий бензил З 6 Н 5 СН 2 Br. Використовується як важливий реагент при синтезі металорганічних сполук.
3. Хлорбензол 6 Н 5 CL. Рідка безбарвна речовина, що має специфічний запах. Використовується для виробництва барвників, пестицидів. Є одним із найкращих органічних розчинників.

Використання в промисловості

Галогенопохідні вуглеводнів застосування собі у промисловості та хімічних синтезах знаходять дуже широке. Про ненасичені та ароматичні представники ми вже сказали. Тепер позначимо в цілому області використання всіх сполук такого ряду.

1. В будівництві.
2. Як розчинники.
3. Під час виробництва тканин, гуми, каучуків, барвників, полімерних матеріалів.
4. Для синтезу багатьох органічних сполук.
5. Фторпохідні (фреони) – це холодоагенти в холодильних установках.
6. Використовуються як пестициди, інсектициди, фунгіциди, мастила, оліфи, смоли, мастильні матеріали.
7. Йдуть на виготовлення ізоляційних матеріалів та ін.

Фізичні властивості. У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (1 - 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану ( C 5 - C 17 ) - рідини, починаючи з 18 і вище - тверді речовини. Принаймні збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто. зі зростанням відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани.

Алканипрактично нерозчинні у воді, тому що їх молекули малополярні і не взаємодіють з молекулами води, вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан та ін. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним.

Основні природні джерела алканів - нафта та природний газ. Різні фракції нафти містять алкани від C 5 H 12 до 30 Н 62 . Природний газ складається з метану (95%) з домішкою етану та пропану.

З синтетичних методів отриманняалканівможна виділити такі:

1 . Одержання з ненасичених вуглеводнів. Взаємодія алкенів або алкінів з воднем ("гідрування") відбувається у присутності металевих каталізаторів (Ni, Pd ) при
нагріванні:

СН з - C ≡СН+ 2Н2 → СН3-СН2-СН3.

2 . Отримання з галогенпровідних. При нагріванні моногалогензаміщених алканів з металевим натрієм одержують алкани з подвоєним числом атомів вуглецю (реакція Вюрца):

З 2 Н 5 Br + 2 Na + Br - C 2 H 5 → C 2 H 5 - C 2 H 5 + 2 NaBr.

Подібну реакцію не проводять із двома різними галогензаміщенимиалканами, оскільки при цьому виходить суміш трьох різних алканів

3 . Одержання із солей карбонових кислот. При сплавленні безводних солей карбонових кислот з лугами виходять алкани, що містять на один атом вуглецю менше порівняно з вуглецевим ланцюгом вихідних карбонових кислот:

4. Отримання метану. В електричній дузі, що горить в атмосфері водню, утворюється значна кількість метану:

С + 2Н 2 → СН 4 .

Така сама реакція йде при нагріванні вуглецю в атмосфері водню до 400-500 ° С при підвищеному тиску в присутності каталізатора.

У лабораторних умовах метан часто одержують із карбіду алюмінію:

А l 4 З 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4А l (ВІН) 3 .

Хімічні властивості. У звичайних умовах алкани хімічно інертні. Вони стійкі до дії багатьох реагентів: не взаємодіють із концентрованими сірчаною та азотною кислотами, з концентрованими та розплавленими лугами, не окислюються сильними окислювачами – перманганатом калію.KMnПро 4 і т.п.

Хімічна стійкість алканів пояснюється високою міцністюs -зв'язків С-Ста С-Н, а також їх неполярністю. Неполярні зв'язки С-С і С-Н в алканах не схильні до іонного розриву, але здатні гомолітично розщеплюватися під дією активних вільних радикалів. Тому для алканів характерні радикальні реакції, у яких виходять сполуки, де атоми водню заміщені інші атоми чи групи атомів. Отже, алкани вступають у реакції, що протікають за механізмом радикального заміщення, що позначається символом S R ( від англ. substitution radicalic). За цим механізмом найлегше заміщаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.

1. Галогенування. При взаємодії алканів з галогенами (хлором та бромом) під дією УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно- до полігалогензаміщенихалканів. Загальна схема цієї реакції показана на прикладі метану:

б) Зростання ланцюга. Радикал хлору забирає у молекули алкану атом водню:

Cl· + СН 4 →НС/>l + СН 3 ·

При цьому утворюється алкільний радикал, який забирає атом хлору у молекули хлору:

СН 3 · + С l 2 →СН 3 С l + С l·

Ці реакції повторюються доти, доки відбудеться обрив ланцюга за однією з реакцій:

Cl· + Cl· → С l/> 2 , СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6 , СН 3 · + Cl· → СН 3 С l ·

Сумарне рівняння реакції:

	hv
СН 4 + Сl 2	→	СН 3 Сl + НСl.

Утворений хлорметан може піддаватися подальшому хлоруванню, даючи суміш продуктів CH 2 Cl 2 CHCl 3 СС l 4 за схемою (*).

Розвиток теорії ланцюгових вільнорадикальнихреакцій тісно пов'язане з ім'ям видатного російського вченого, лауреата Нобелівської преміїН.І. Семенова (1896-1986).

2. Нітрування (реакція Коновалова). При дії розведеної азотної кислотина алкани при 140°С та невеликому тиску протікає радикальна реакція:

При радикальних реакціях (галогенування, нітрування) насамперед замішаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.Це пояснюється тим, що найлегше гомолітично розривається зв'язок третинного атома вуглецю з воднем (енергія зв'язку 376 кДж/моль), потім - вторинного (390 кДж/моль) і тільки потім - первинного (415 кДж/моль).

3. Ізомеризація. Нормальні алкани за певних умов можуть перетворюватися на алкани з розгалуженим ланцюгом:/>

4. Крекінг - це гемолітичний розрив зв'язків С-С, який протікає при нагріванні та під дією каталізаторів.
При крекінгу вищих алканів утворюються алкени та нижчі алкани, при крекінгу метану та етану утворюються ацетилен:

C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + С 4 Н 8 ,/>

2СН 4 → С 2 Н 2 + ДТ 2 ,

С2Н6 → С2Н2 + 2Н2.

Ці реакції мають велике промислове значення. Таким шляхом висококиплячі фракції нафти (мазут) перетворюють на бензин, гас та інші цінні продукти.

5. Окислення. При м'якому окисненні метану киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота:

М'яке каталітичне окислення бутану киснем повітря - один із промислових способів одержання оцтової кислоти:

t°
2 C 4/> H/> 10 + 5 O/> 2 → 4 CH/> 3 COOH/> + 2Н 2 О .
кат

На повітрі алканизгоряють до 2 і Н 2 О:/>

З n Н 2 n +2 + (З n+1)/2О 2 = n СО 2 + (n +1) Н2О.