Органическая химия

Содержание

Тема 2.1. АЛКАНЫ (предельные, насыщенные углеводороды)

Простейшим представителем алканов служит метан СН4. Атом углерода находится в состоянии sp3 — гибридизации, образуя 4 одинаковые σ-связи с атомами углерода.

Начиная с метана, можно построить гомологический ряд, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу —СH2—, которая называется гомологическая разность.

Общая формула гомологического ряда алканов СnН2n+2

Если от алкана отщепляется водород, образуется реакционноспособная частица, имеющая неспаренный электрон, которая называется радикал.

Некоторые члены гомологического ряда алканов

Физические свойства

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

Получение алканов

Промышленные способы:

Лабораторные способы:

Химические свойства алканов

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

Химическая устойчивость алканов объясняется высокой прочностью σ-связей С—С и С—Н, а также их неполярностью. Неполярные связи С—С и С—Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов.

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

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

Примеры реакций замещения:

1. Галогенирование.

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

Галогенирование алканов

2. Нитрование (реакция Коновалова).

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

3. Изомеризация.

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

4. Окисление.

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

Применение алканов

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

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

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

Горение жидких алканов

Алканы также широко используются в органическом синтезе.