Углеводороды ациклические это – алициклические углеводороды — это… Что такое алициклические углеводороды?

Содержание

Углеводороды — Википедия

Характеристика Алканы Алкены Алкины Алкадиены Циклоалканы Арены
Общая формула CnH2n+2 CnH2n CnH2n-2 CnH2n-2 CnH2n CnH2n-6
Строение sp³-гибридизация — 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28′. Тип углеродной связи — σ-связи sp²-гибридизация, валентный угол 120°.Тип углеродной связи — π-связи. lc-c — 0,134 нм. sp-гибридизация, молекула плоская (180°), тройная связь, lc-c — 0,120 нм. lc-c — 0,132 нм — 0,148 нм, 2 или более π-связей. У каждого атома три гибридные sp²-орбитали. sp³-гибридизация, валентный угол около 100° l
c-c
 — 0,154 нм.
Строение молекулы бензола (6 р-электронов, n = 1), Валентный угол 120° lc-c — 0,140 нм, молекула плоская (6 π | σ)
Изомерия Изомерия углеродного скелета, возможна оптическая изомерия Изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и пространственная Изомерия углеродного скелета, положения тройной связи, межклассовая Изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и цис-транс-изомерия Изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и цис-транс-изомерия Изомерия боковых цепей, а также их взаимного положения в бензольном ядре
Химические свойства Реакции замещения (галогенирование, нитрирование), окисления, радикальное галогенирование CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (хлорметан), горения, отщепления (дегидрирование) Реакции присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация), горения Реакции присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация), горения Реакции присоединения Для колец из 3-4 атомов углерода — раскрытие кольца Реакции электрофильного замещения
Физические свойства С CH4 до C4H10 — газы; с C5H12 до C15H32 — жидкости; после C16H34 — твёрдые тела. С C2H4 до C4H8 — газы; с C5H10 до C17H34 — жидкости, после C18H36 — твёрдые тела. Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены Бутадиен — газ (t кип −4,5 °C), изопрен — жидкость, кипящая при 36 °C, диметилбутадиен — жидкость, кипящая при 70 °C. Изопрен и другие диеновые углеводороды способны полимеризоваться в каучук С C3H6 до C4H8 — газы; с C5H10 до C16H32 — жидкости; после C17H34 — твёрдые тела. Все ароматические соединения — твёрдые или жидкие вещества. Отличаются от алифатических и алициклических аналогов высокими показателями преломления и поглощения в близкой УФ и видимой области спектра
Получение Восстановление галогенпроизводных алканов, восстановление спиртов, восстановление карбонильных соединений, гидрирование непредельных углеводородов, Реакция Вюрца. Каталитический и высокотемпературный крекинг углеводородов нефти и природного газа, реакции дегидратации соответствующих спиртов, дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих галогенпроизводных Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана. Пиролиз природного газа и карбидный метод. Постадийное дегидрирование алканов, дегидрирование спиртов. Гидрирование ароматических углеводородов, отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов Дегидрирование циклогексана, тримеризация ацетилена, выделение из нефти

ациклические углеводороды — это… Что такое ациклические углеводороды?


ациклические углеводороды

idrocarburi aciclici

Dictionnaire technique russo-italien. 2013.

  • ацидофильный
  • ациклический

Смотреть что такое «ациклические углеводороды» в других словарях:

  • УГЛЕВОДОРОДЫ — УГЛЕВОДОРОДЫ, органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода. Различают ациклические углеводороды, в молекулах которых атомы углерода образуют линейные или разветвленные цепи (например, этан, изобутан), и …   Современная энциклопедия

  • углеводороды — органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода. Различают алифатические, или ациклические, углеводороды, в молекулах которых атомы углерода образуют линейные или разветвлённые «открытые» цепи (например,… …   Энциклопедический словарь

  • Ациклические соединения — (соединения жирного ряда или алифатические) органические соединения, в молекулах которых отсутствуют циклы и все атомы углерода соединены между собой в прямые или разветвленные (открытые) цепи. Различают две основные группы ациклических… …   Википедия

  • АЦИКЛИЧЕСКИЕ (АЛИФАТИЧЕСКИЕ) СОЕДИНЕНИЯ — УГЛЕВОДОРОДЫ, НЕФТЬ И НЕФТЕПРОДУКТЫ. Нефть и нефтепродукты (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, смазочные масла и др.), в состав которых входят разнообразные углеводороды, циклические соединения, нафтеновые кислоты, деэмульгаторы и др.,… …   Болезни рыб: Справочник

  • Углеводороды парафиновые — (углеводороды ациклические) – органические соединения, молекулярный ряд которых состоит исключительно из атомов углерода и водорода, которые при этом связаны между собой линейно или в виде разветвленных сетей, иными словами, эти соединения… …   Нефтегазовая микроэнциклопедия

  • УГЛЕВОДОРОДЫ — (УВ) органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. Являются важнейшими компонентами нефти и природного газа, продуктов их переработки. Широко применяют как сырье в промышленности, как топливо и др.… …   Российская энциклопедия по охране труда

  • УГЛЕВОДОРОДЫ — обширный класс газообразных, жидких и твёрдых органических соединений, в состав молекул которых входят только атомы углерода и водорода. В зависимости от строения и свойств различают У.: насыщенные, или предельные (простейший представитель метан… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Углеводороды — Углеводороды  органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные. Поскольку… …   Википедия

  • Углеводороды —         класс органических соединений, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. В зависимости от строения различают ациклические, или алифатические, У., в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом в линейные или …   Большая советская энциклопедия

  • АЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ — А. МОНОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 1. С1 : металлоорганические соединения. Эти соединения обычно получают двумя методами: а) действием активного металла (Na, Li, Mg, Zn) на органический галогенид, например: или б) действием галогенида менее… …   Энциклопедия Кольера

  • УГЛЕВОДОРОДЫ — орг. соед., молекулы к рых состоят только из атомов С и H. Различают алифатические, или ациклические, У. (см. Алифатические соединения), в молекулах к рых углеродные атомы образуют линейные или разветвленные открытые цепи (напр., этан, изопрен),… …   Химическая энциклопедия

Книги

  • Органическая химия. Книга 1: Теоретические основы. Ациклические углеводороды. Гриф УМО по классическому университетскому образованию, Галочкин Александр Иванович. В книге изложены теоретические основы органической химии и особенности строения и реакционной способности ациклических углеводородов: алканов, алкенов, алкадиенов с сопряженными и… Подробнее  Купить за 2370 грн (только Украина)
  • Органическая химия Книга 1 Теоретические основы Ациклические углеводороды, Галочкин А., Ананьина И.. В книге изложены теоретические основы органической химии и особенности строения и реакционной способности ациклических углеводородов: алканов, алкенов, алкадиенов с сопряженными и… Подробнее  Купить за 2228 руб
  • Органическая химия. Книга 1: Теоретические основы. Ациклические углеводороды. Гриф УМО по классическому университетскому образованию, Галочкин Александр Иванович. В книге изложены теоретические основы органической химии и особенности строения и реакционной способности ациклических углеводородов: алканов, алкенов, алкадиенов с сопряженными и… Подробнее  Купить за 1842 руб

1.5 Алициклические углеводороды

Алициклическими называются соединения, включающие в свой состав цикл из углеродных атомов, за исключением большого класса ароматических соединений. Приставка «али» дана за сходство химических свойств этих веществ с алифатическими соединениями. Это сходство проявляется, прежде всего, в химическом поведении алициклических соединений.

Простейшими углеводородами алициклического ряда являются циклоалканы, т.е. насыщенные циклические углеводороды. Они имеют также и другие названия: полиметиленовые углеводороды или нафтены.

Помимо циклоалканов существуют и ненасыщенные циклические углеводороды: циклоолефины, циклодиолефины, циклоацетилены и т.д.. При замещении водородных атомов на различные функциональные группы образуются алициклические галогенпроизводные, спирты, кислоты, карбонильные соединения и другие.

Изомерия и номенклатура

Изомерия алициклоалканов весьма своеобразна. Она определяется размером циклов, числом, взаимным расположением, видом и строением заместителей.

Изомеры С6Н12 с различным размером циклов:

Изомеры С10Н20 с различными заместителями:

Для алициклических соединений чрезвычайно важное значение имеют геометрическая, оптическая и конформационная изомерия.

Геометрическая изомерия имеет место при наличии в кольце не меньше двух заместителей. Геометрическая, или цис-транс-изомерия обусловлена различным расположением заместителей по отношению к плоскости кольца (по одну или по разные стороны).

Названия моноциклических соединений строятся так же как и названия соответствующих алифатических с добавлением приставки цикло-. За основу соединения принимается цикл. Если направления отсчёта неэквивалентны, то выбирают вариант, в котором заместители имеют меньшие номера.

Алициклические соединения с несколькими циклами могут быть отнесены к разным группам:

с изолированными циклами

с циклами, соединенными одной простой связью

с циклами, имеющими один общий атом углерода (спирановые)

с циклами, имеющими два общих атома углерода

с числом общих атомов больше двух (так называемые мостиковые)

В названиях соединений последних двух групп учитываются все атомы углерода, входящие в циклы. В скобках указывается число атомов углерода, находящихся между общими углеродами, узловыми (т.е. в мостиках). Нумерация идёт от одного из общих узловых углеродов вдоль наиболее длинного мостика, переходя затем на более короткий.

Способы получения

Крупнейшим источником алициклических соединений является нефть. Однако в нефти присутствуют почти исключительно пяти- и шестичленные циклы. Остальные циклы термодинамически мало- устойчивы. Алициклические соединения могут быть получены из соединений с открытой цепью замыканием её в цикл, из ароматических соединений, чаще всего их гидрированием, а также из других алициклических соединений с иными функциональными группами обычными известными методами.

Вот несколько общих методов синтеза алициклических соединений.

Из дигалогенпроизводных (Г. Густавсон)

Особенно легко этим методом получаются циклопропансодер-жащие соединения.

– Для получения соединений с пяти, шести или более членами в цикле используют декарбоксилирование солей двухосновных кислот.

Существует и целый ряд специфических синтезов, в которых получаются циклы только одного размера или определённые соединения (например, реакция диенового синтеза приводит к образованию шестичленного цикла).

Физические свойства

Циклоалканы обычно имеют свойства, близкие к свойствам алканов. Циклические соединения, как правило, имеют более высокие температуры кипения и плавления, а также плотности по сравнению с соответствующими алифатическими. Из изомеров выше кипит соединение с большим циклом (табл. 3).

Таблица 3 – Температуры кипения соответствующих алифатических и алициклических углеводородов

Алифатический

углеводород

Температура

кипения,°С

Алициклический

углеводород

Температура

кипения,°С

Пропан

– 42,2

Циклопропан

– 33,0

Бутан

– 0,5

Циклобутан

13,0

Пентан

36,2

Циклопентан

49,3

Метилциклобутан

36,8

Гексан

68,7

Циклогексан

80,7

Метилциклогексан

71,9

Циклоалканы не растворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях.

Химические свойства

Циклоалканы с большими циклами по своим химическим свойствам похожи на алканы. Они сравнительно инертны и вступают в реакции замещения. Однако при замыкании углеродных цепочек алифатических соединений в цикл происходит сближение атомов с усилением их внутримолекулярных взаимодействий, а в некоторых случаях  и искажения валентных углов. Цикл при этом оказывается напряженным, что вносит определённое своеобразие в химическое поведение этих соединений. Циклоалканы сильно различаются между собой по устойчивости циклических систем различного размера. В качестве интегральной эффективной характеристики энергетического состояния циклических соединений в сравнении их с алифатическими аналогами используется величина энергии напряжения, EH. Она находится как разность экспериментальной энтальпии образования циклического соединения и энтальпии образования гипотетического ненапряжённого соединения с той же структурой, найденной расчётными методами. Для ряда циклоалканов значения энергий напряжения циклов приведены ниже (табл. 4).

Таблица 4 – Энергии напряжения некоторых незамещенных циклоалканов

Число атомов

углерода

в цикле

3

4

5

6

7

8

9

10

EH, кДж·моль-1

115,5

111,3

25,1

0,8

26,8

41,4

53,5

52,7

Из приведённых данных по энергиям напряжения циклических систем видно, что наиболее напряженными и, следовательно, наименее устойчивыми являются трёх- и четырёхчленные циклы. Во многих реакциях циклы этих соединений раскрываются, и по свободным валентностям происходит присоединение реагента. Наиболее устойчив шестичленный цикл (EH= 0,8 кДж·моль-1). Его энергия напряжения так же, как энергия циклов С14 – С15 и больше, невелика и близка к энергетическому уровню нециклических алканов с нормальной цепью. Циклические системы этих соединений в реакциях, как правило, сохраняются, при этом протекают реакции замещения.

Рассмотрим причины различия в стабильности циклов разного размера. В 1885 году немецкий химик А.Байер предложил так называемую теорию «углового напряжения». Согласно этой теории прочность циклов связана со степенью отклонения направлений валентностей углеродного атома при образовании плоских циклов от нормального положения (нормальному расположению направлений связей соответствует тетраэдрический угол между ними в 109°28′).

Отсюда следует, что для замыкания цикла из трёх атомов углерода направления каждой валентности должны отклоняться на

При образовании плоского циклобутанового кольца угол отклонения каждой валентности составит 9°44′. Замыкание пятичленного цикла почти не требует отклонения (угол отклонения 0°44′).

Для шести- и восьмичленных циклов угол отклонения составит 5°36′ и 12°51′ соответственно.

Угол отклонения, по Байеру, является мерой «напряжения», или мерой неустойчивости цикла. Теория Байера хорошо объясняет малую устойчивость 3-х и 4-х-членных циклов. Однако согласно теории углового напряжения шестичленный цикл должен быть менее устойчив, чем пятичленный, высшие циклы неустойчивы так же как и трёхчленный. Это противоречит приводимым ранее термодинамическим данным по энергиям напряжения циклов.

Сакс и Мор показали, что шестичленные и высшие циклы могут существовать без напряжения, т.к. атомы углерода кольца не лежат в одной плоскости, как это подразумевалось по теории Байера. При сохранении валентных углов, близких к тетраэдрическим (109 °C…110 °C) шестичленные циклы могут иметь две пространствен-ные конфигурации – конформации «кресла» и «ванны».

Из всех возможных пространственных конфигураций атомов циклогексана лишь эти две являются наиболее устойчивыми. В то же время, конформации «кресла» и «ванны» энергетически неравноценны. Термодинамические исследования указывают, что конформация «кресло» примерно на 28,9 кДж∙моль-1 энергетически более выгодна, чем конформация «ванна». Это означает, что при комнатной температуре лишь одна из тысячи молекул циклогексана будет находиться в форме «ванны» Таким образом, при обычных условиях циклогексан практически полностью представлен одной конформацией «кресла». Эта конформация имеет ту интересную особенность, что внециклические связи С–Н в ней ориентированы по отношению к псевдоплоскости цикла двояким образом: шесть связей С–Н перпендикулярны к ней и, следовательно, параллельны друг другу, а шесть других таких же связей почти лежат в псевдоплоскости (точнее образуют с ней одинаковые острые углы – 19°28′). Первые шесть связей называются аксиальными (обозначаются буквой а), а вторые – экваториальными (е). (Под псевдоплоскостью понимают плоскость, проходящую через средины всех связей С–С молекулы циклогексана).

Полное внутреннее вращение вокруг одинарных связей на 360° в цикле без его разрыва невозможно. Однако частичное одновременное кручение узлов относительно друг друга с преодолением некоторого потенциального барьера может происходить. В результате этого при обычных условиях возможна так называемая инверсия цикла, когда аксиальные связи становятся экваториальными и наоборот.

Обе равновесные ядерные конфигурации циклогексана, получающиеся в результате инверсии креслообразной формы через промежуточное образование формы «ванна», ничем не отличаются друг от друга, т.е. можно говорить об одной конформации «кресла».

Однако, если происходит инверсия монозамещённого циклогексана, то возникают две конформации с аксиальным и экваториальным расположением заместителя. Эти конформации, как и поворотные изомеры соединений с открытой цепью, отличаются по своим свойствам и устойчивости. Так, экваториальная конформация хлорциклогексана энергетически на 1,67 кДж∙моль-1 выгоднее аксиальной.

При наличии двух заместителей у разных атомов углерода цикла возникает геометрическая изомерия. Заместители могут быть расположены по одну сторону от псевдоплоскости – цис-изомер – и по разные – транс-изомер. В обоих случаях возможна инверсия конформации «кресло», которая может приводить к конформационной изомерии.

Энергетически более выгодным является транс-расположение заместителей, т.к. взаимное отталкивание атомов заместителей в этом случае наименьшее.

Согласно Байеру, плоское пятичленное кольцо менее напряжено, чем плоское шестичленное. В действительности менее напряжённым является шестичленный цикл (смотри термодинамические данные). Причиной этому является взаимное отталкивание водородных атомов соседних углеродов циклопентана, которое называется торсионным, или «питцеровским» напряжением. Этот вид взаимодействия непосредственно несвязанных атомов через пространство проявляется, когда расстояние между их центрами в молекуле приближается к сумме ван-дер-ваальсовских радиусов этих атомов. В плоской молекуле циклопентана пять пар водородных атомов будут иметь заслонённую конформацию этана. В результате «питцеровское» напряжение составит 68 кДж∙моль-1. Чтобы уменьшить такое напряжение, циклопентан принимает неплоскую конформацию «конверт». При этом возросшее угловое напряжение (18,0 кДж∙моль-1) оказывается с избытком компенсированным значительным уменьшением напряжения заслонения (32,6 кДж∙моль-1). Общее напряжение снижается, таким образом, на 14,6 кДж∙моль-1, и атомы водорода выходят из заслонённого состояния.

Циклобутановое кольцо аналогично циклопентановому также неплоско.

Напряжение в больших циклах даже меньше, чем в циклогексане. Уменьшению его способствуют большие пространственные размеры колец, что влечёт за собой уменьшение торсионного напряжения и неплоскостность кольца, что снижает угловые напряжения.

Химические свойства

Галогенирование

Трёхчленный цикл при действии галогенов раскрывается, протекает реакция присоединения:

Циклопентан, циклогексан и их алкильные производные вступают в реакции замещения с сохранением циклов.

Соединения с четырёхчленным циклом реагируют по обоим направлениям.

Действие галогеноводородов

Циклопропановые углеводороды вступают в реакцию присоединения с раскрытием кольца:

Циклы С4 и выше с галогеноводородами не реагируют.

Окисление

При действии сильных окислителей в жёстких условиях все циклоалканы дают двухосновные кислоты с тем же числом углеродных атомов. Цикл при этом разрывается:

Гидрирование

Циклоалканы С3, С4, С5 при повышенной температуре и давлении в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) подвергаются гидрированию с раскрытием цикла. Циклопропан гидрируется легко, циклопентан – в жёстких условиях, при высоких температурах.

Соединения с циклогексановым кольцом при нагревании с катализаторами гидрирования отщепляют водород с образованием в конечном итоге ароматических соединений. Эта реакция ароматизации имеет чрезвычайно большое значение. Посредством этой реакции из отдельных фракций нефти можно получить индивидуальные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы и т.д.), а также обогащать низкосортные бензины ароматическими углеводородами, имеющими высокие октановые числа, и, следовательно, повышать качество топлива. Промышленный процесс ароматизации нефтяных фракций называется риформингом или, если в качестве катализатора используется платина – платформингом. Для риформинга наиболее характерны следующие реакции:

а) дегидроциклизация преимущественно в углеводороды циклогексанового ряда:

б) изомеризация циклов:

в) дегидрирование с образованием в конечном итоге ароматических углеводородов:

Такая направленность процесса в сторону образования ароматических соединений объясняется большой энергетической устойчивостью их за счёт сопряжения. В исследовании химии алициклических соединений, в том числе и реакции ароматизации циклоалканов, огромное значение имеют труды русских и советских учёных: В.В. Марковникова, Н.Д. Зелинского, Б.А. Казанского, А.Ф. Платэ, С.С. Намёткина и других.

За исключением некоторых специфических реакций производные алициклических углеводородов – галогенпроизводные, спирты, амины, карбонильные и карбоксильные соединения и т.д. – имеют те же химические свойства, что и аналогичные производные алифатических углеводородов.

2.2. Предельные ациклические углеводороды (алканы) » СтудИзба

2.2. Предельные ациклические углеводороды (алканы)

Предельные углеводороды (алканы) – это углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой одинарными связями, а все остальные единицы валентности насыщены атомами водорода.

Общая формула алканов СnН2n+2, где n ≥ 1. Например, СН4 – метан, С2Н6 – этан,     С3Н8 – пропан и т. д. В этом ряду каждый член ряда отличается от своего соседа на атомную группу СН2, которая называется гомологической разностью, сам ряд – гомологическим рядом, а члены ряда – гомологами. В табл. 2.1 приведен гомологический ряд метана.

Таблица 2.1

Гомологический ряд метана

Эмпирическая

формула

Упрощенная

структурная

формула

Международное

название

Одновалентный радикал (–R)

Название

радикала

СН4

СН4

метан

–СН3

метил

С2Н6

СН3–СН3

этан

–С2Н5

этил

С3Н8

СН3–СН2–СН3

пропан

–С3Н7

пропил

С4Н10

СН3–СН2–СН2–СН3

бутан

–С4Н9

бутил

С5Н12

СН3–(СН2)3–СН3

пентан

–С5Н11

пентил (амил)

С6Н14

СН3–(СН2)4– СН3

гексан

–С6Н13

гексил

С7Н16

СН3–(СН2)5–СН3

гептан

–С7Н15

гептил

C8H18

СН3–(СН2)6–СН3

октан

–С8Н17

октил

С9Н20

СН3–(СН2)7–СН3

нонан

–С9Н19

нонил

С10Н22

СН3–(СН2)8–СН3

декан

–С10Н21

децил

Для названия органических соединений широко используют две номенклатуры: рациональную и систематическую (ИЮПАК). По рациональной номенклатуре углеводороды рассматриваются как производные метана. Например:

Согласно систематической номенклатуре за основу принимают наиболее длинную цепь углеродных атомов и нумеруют их с того конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал, а затем называют номер углеродного атома, с которым связан радикал, затем радикал и углеводород, которому соответствует длинная цепь. Например:

2-метил-4-этилгептан

Для алканов характерна изомерия углеродного скелета. Первые три члена гомологического ряда алканов изомеров не имеют, а четвертый – бутан имеет два изомера:

                    СН3—СН2—СН2—СН3          

                                   бутан

                                                                           2-метилпропан (изобутан)

У пентана – 3 изомера, у гексана – 5 и т. д.

Строение молекул метана и его гомологов показаны на рис. 2.2 и 2.3, а характерные физические и химические свойства, способы получения и области применения алканов приведены в табл. 2.2.

                                                                sp3-гибридизация

      С*…2

                                                                    

sp3— гибридизованные орбитали               тетраэдр

               атома углерода

СН4 – метан

структурная формула  

                    

Рис. 2.2. Строение молекулы метана и его структурная формула

С2Н6 – этан

 

структурная формула

С3Н8 – пропан

структурная формула

            

Рис. 2.3. Строение гомологов метана – этана и пропана и их

структурные формулы

Таблица 2.2

Свойства, способы получения и области применения алканов

Физические

свойства

Химические свойства

Способы получения

Области

применения

Метан СН4 – газ без цвета и запаха, в 1,8 раза легче воздуха, малорастворим в воде.

Этан, пропан, бутан – также газы.

Пентан, гексан и далее – жидкости.

Углеводороды, начиная с С17Н36 – твердые вещества.

Жидкие и твердые алканы легче воды и нерастворимы в ней. По мере роста числа атомов углерода возрастают плотность, температуры плавления и кипения алканов.

1. Реакции замещения:

CH4  CH3Сl  CH2Сl2CHСl3CСl4

2. Реакции нитрования и сульфирования:

a)CH4+HNO3  CH3NO2+ H2O

                                 нитрометан

б)CH4+ H2SO4CH3SO3H+H2O

метансульфокислота

3. Реакции окисления (горения):

СН4 + 2O2 СO2 + 2Н2O

4. Реакции неполного окисления:

алкан  спирт  альдегид  карбоновая кислота

5. Реакции термолиза:

а) 2СН4 С2Н2 + 3Н2

б) СН4 С + 2Н2

6. Реакции дегидрирования:

CH3–СН3 СН2=СН2 + Н2

7. Реакции изомеризации:

СН3–СН2–СН2–СН2–СН3

 

  

      

изопентан

1. Получение метана:

    а) в лаборатории:

CH3COONa + NaOH  CH4 + Na2CO3

Аl4С3 + 12Н2O 3СН4 + 4Аl(ОН)3

     б) в промышленности:

С + 2Н2  СН4

СО + 3Н2 СН4 + Н2O

2. Общие способы получения алканов:

а) СnН2n + Н2 СnН2n+2

б) СН2=СН2 + Н2 С2Н6

в)С2Н5Вr+2Na+C2H5Br С4Н10+2NaBr

г)C2H5COONa+ NaOH С2Н6+Na2CO3

3. Пропан, пентан, бутан, получают из природных горючих и попутных нефтяных газов и газов нефтепереработки. Гексан получают из легких фракций нефти и из смеси продуктов, образующихся в реакции Фишера – Тропша.

1. В качестве топлива, в том числе для двигателей внутреннего сгорания.

2. В органическом синтезе для получения хлорпроизводных, метилового спирта, формальдегида, органических кислот.

3. Для получения непредельных углеводородов, водорода и сажи методом дегидрирования.

Предельные (насыщенные) углеводороды с открытой цепью называют парафинами. В отличие от парафинов предельные циклические углеводороды с замкнутой цепью называют циклопарафинами, нафтенами или циклоалканами. По строению циклопарафины отличаются от парафинов тем, что они содержат замкнутые цепи из трех, четырех, пяти, шести и более атомов углерода. Их общая формула СnН2n (n≥ 3):

              

 

циклопропан          циклопентан                 циклогексан

Некоторые свойства, способы получения и области применения циклопарафинов приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Свойства, способы получения и области применения циклических углеводородов

(циклопарафинов)

Физические

свойства

Химические свойства

Способы получения

Области

применения

Циклопропан С3Н6, циклобутан С4Н8, циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н12– жидкости, плохо растворимые в воде, но легко растворимые в органических растворителях. В природе содержатся в составе некоторых сортов нефти, в частности в легком бензине. Устойчивость циклов возрастает от С3 к С6, а затем до С12 – понижается.

11. Реакции гидрирования:

а) С3Н6 + Н2  С3Н8

+ Н2

   циклобутан

         СН3–СН2–СН2–СН3

                 бутан

2. Реакции дегидрирования:

 

                                 + 3Н2        

  циклогексан              бензол 

3. Реакции горения на воздухе:

а) 2С3Н6 + 9О2 6СО2 +6Н2О

б) С4Н8 + 6О2 4СО2 +4Н2О

в) С6Н12 + 9О2 6СО2 +6Н2О

4. Реакция галогенирования:

               

 + Br2    

    СН2Br–СН2–СН2Br

5. Реакция гидрогалогенирования:

               

 + HCl    

      СН3–СН2–СН2Cl

1. Из галогенпроизводных:

   а)

                              + 2Na

                                  +  2NaCl

    б) Cl(CH2)4Cl +Zn ZnCl24Н8

2. Циклогексан получают гидрированием бензола:

  а)              

                 + 3Н2  

или декарбоксилированием циклогексанкарбоновой кислоты:

  б)

                                  + 2NaOH

                                              +  Na2CO3

3. Циклопентан можно получить гидрированием циклопентандиена (а) и восстановлением циклопентанола (б):

а)

                  + 2Н2

б)

                +Н2                         2О

1. Циклопропан при-меняется как средство для наркоза.

2. Циклопентан используется как растворитель для  простых эфиров целлюлозы.

3. Циклогексан при-меняется как растворитель и экстрагент, а также для получения циклогексанола.

Углеводороды — это… Что такое Углеводороды?

Углеводоро́ды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

Поскольку углерод имеет четыре валентных электрона, а водород — один, простейший углеводород — метан (CH4).

При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода. В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.

Углеводороды, как правило, не смешиваются с водой, поскольку атомы углерода и водорода имеют близкую электроотрицательность, и связи в углеводородах малополярны. Для предельных углеводородов характерны химические реакции замещения, а для непредельных — присоединения.

Основные источники углеводородов — нефть, природные газы и каменный уголь.

См. также

CH He
CLi CBe CB CC CN CO CF Ne
CNa CMg CAl CSi CP CS CCl CAr
CK CCa CSc CTi CV CCr CMn CFe CCo CNi CCu CZn CGa CGe CAs CSe CBr CKr
CRb CSr CY CZr CNb CMo CTc CRu CRh CPd CAg CCd CIn CSn CSb CTe CI CXe
CCs CBa CHf CTa CW CRe COs CIr CPt CAu CHg CTl CPb CBi CPo CAt Rn
Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
La CСе Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa CU Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Химическая связь с углеродом
Основные соединения Большое применение в химии
Академические исследования Соединение неизвестно/не получено
Question book-4.svg В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

Насыщенные углеводороды — это… Что такое Насыщенные углеводороды?

Эта статья — о химических соединениях. Статью о канадской алюминиевой компании Alcan см. ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2.

Алканы являются насыщенными соединениями и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp³ гибридизации. Простейшим представителем класса является метан (CH4).

Номенклатура

Химическая структура метана, простейшего алкана

Рациональная

Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном и относительно него строится название алкил1алкил2алкил3алкил4метан, например:

Файл:Alkan02.png

а- н-бутил-втор-бутил-изобутилметан
б- триизопропилметан
в- триэтил-пропилметан

Систематическая ИЮПАК

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающий радикал, затем название радикала и название главной цепи. Если радикалы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых радикалов указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если радикалы не одинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке. Например:

Файл:Alkan03.png

2,6,6-триметил-3-этилгептан

Гомологический ряд и изомерия

Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии — изомерией углеродного скелета. Алканы, число атомов углерода в которых больше трёх, имеют изомеры. Число этих изомеров возрастает с огромной скоростью по мере увеличения числа атомов углерода. Для алканов с n = 1..12 число изомеров равно 1, 1, 1, 2, 3, 5, 9, 18, 35, 75, 159, 355

Физические свойства

  • Температура плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи
  • При нормальных условиях алканы с CH4 до C4H10 — газы; с C5H12 до C17H36 — жидкости. И после C18H38 — твёрдые тела.
  • Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так например, при нормальних условиях н-пентан жидкость, а неопентан — газ.
Физические свойства нормальных алканов
n Название Ткип Тпл Плотность Показатель преломления
1 Метан −164 −182,48 0,466 (-452324)
2 Этан −88,63 −183,3 0,546
3 Пропан −42,1 −189,7 0,5853 (-45)
4 Бутан −0,5 −138,35 0,5788 1,3326
Изобутан −11,73 −159,60 0,5510 1,3508
5 Пентан 36,1 −130 0,626 1,3575
6 Гексан 68,7 −95 0,659 1,3749
7 Гептан 98,4 −91 0,684 1,3876
8 Октан 125,7 −57 0,703 1,3974
9 Нонан 150,8 −54 0,718 1,4054
10 Декан 174,1 −30 0,730 1,4119
11 Ундекан 195,9 −25,6
12 Додекан 216,3 −9,7
13 Тридекан 235,5 −6,0
14 Тетрадекан 253,6 5,5
15 Пентадекан 270,7 10
16 Гексадекан 287,1 18,1
17 Гептадекан 302,6 22
18 Октадекан 317,4 28
19 Нонадекан 331,6 32
20 Эйкозан 345,1 36,4
21 Генэйкозан 215 (15 мм рт ст) 40,4
22 Докозан 224,5 (15 мм рт ст) 44,4
23 Трикозан 234 (15 мм рт ст) 47,4
24 Тетракозан 243 (15 мм рт ст) 51,1
25 Пентакозан 259 (15 мм рт ст) 53,3
26 Гексакозан 262 (15 мм рт ст) 57
27 Гептакозан 270 (15 мм рт ст) 60
28 Октакозан 280 (15 мм рт ст) 61,1
29 Нонакозан 286 (15 мм рт ст) 64
30 Триаконтан 304 (15 мм рт ст) 66
40 Тетраконтан  — 81,4
50 Пентаконтан 421 92,1
60 Гексаконтан  — 98,9
70 Гептаконтан  — 105,3
100 Гектан  — 115,2

Спектральные свойства

ИК-спектроскопия

В ИК-спектрах алканов четко проявляются частоты валентных колебаний связи С-Н в области 2850-3000 см-1. Частоты валентных колебаний связи С-С переменны и часто малоинтенсивны. Характеристические деформационные колебания в связи С-Н в метильной и метиленовой группах обычно лежат в интервале 1400—1470 см-1, однако метильная группа дает в спектрах слабую полосу при 1380 см-1.

УФ-спектроскопия

Чистые алканы не поглощают в ультрафиолетовой области выше 2000 Å и по этой причине часто оказываются отличными растворителями для снятия УФ-спектров других соединений.

ЯМР-спектроскопия

Масс-спектрометрия

Химические свойства

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные C-H и C-C связи относительно прочны и их сложно разрушить.

Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь(в зависимости от нехватки кислорода)

В общем случае уравнение реакции горения для любого углеводорода CxHy, можно записать в следующем виде:

CxHy + (x + 0,25y)O2xCO2 + 0,5yH2O

Галогенирование

Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного и в два раза меньше чем вторичного. Таким образом хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Бромирование алканов отличается от хлорирования более высокой стереоселективностью из-за большей разницы в скоростях бромирования третичных, вторичных и первичных атомов углерода при низких температурах.

Иодирование алканов иодом не происходит, получение иодидов прямым иодированием осуществить нельзя.

С фтором реакция протекает со взрывом (как правило, фтор разбавляют азотом или растворителем).

Нитрование

Алканы реагируют с азотной кислотой или N2O4 в газовой фазе с образованием нитропроизводных: RH + HNO3 = RNO2 + H2O Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов. В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10-15 атомов С в углеродном скелете) и фракции солярового масла (12-20 атомов С). Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время термический крекинг полностью вытеснен в промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — 400—450°С и низком давлении — 10-15 атм на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Для метана: CH4→С+2H2 — при 1000 °C

Частичный крекинг: 2CH4→C2H2+3H2 (Ацетилен) — при 1500 °C

Получение

Главным источником алканов (а также других углеводородов) является нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.

Восстановление спиртов

Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С. Так, например, проходит реакция восстановления бутанола (C4H9OH), проходящую в присутствии LiAlH4. При этом выделяется вода.

H3C−CH2−CH2−CH2OH→H3C−CH2−CH2−CH3

Восстановление карбонильных соединений

Гидрирование непредельных углеводородов

CnH2n+H2→CnH2n+2

CnH2n-2+2H2→CnH2n+2

Синтез Кольбе

При электролизе солей карбоновых кислот, анион кислоты — RCOO перемещается к аноду, и там, отдавая электрон превращается в неустойчивый радикал RCOO•, который сразу декарбоксилируется. Радикал R• стабилизируется путем сдваивания с подобным радикалом, и образуется R-R. Например:

2CH3COO — 2e → 2[CH3COO•] → 2CH3• → C2H6

2C3H7COOK →{электролиз}→ C6H14

Газификация твердого топлива

Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор Ni:

C+2H2→CH4

Реакция Вюрца

2R-Br + 2Na = R-R + 2NaBr
реакция идёт в ТГФ при температуре −80 °C.
при взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (R-R, R`-R`, R-R`)

Синтез Фишера-Тропша

nCO + (2n+1)H2→CnH2n+2 + H2O

Биологическое действие

Обладают наркотическим действием, которое возрастает с увеличением числа атомов углерода. При хроническом действии нарушают работу нервной системы, что проявляется в виде бессонницы, брадикардии, повышенной утомляемости и функциональных неврозов.

Литература

  • Общая токсикология / под ред. А. О. Лойта. Спб.: ЭЛБИ-СПб., 2006

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Алициклические углеводороды

Соединения, в которых углеродные цепи образуют циклы, не обладающие ароматическим характером, относятся к алициклическим углеводородам.

циклобутан циклогексан

К ряду алициклических соединений принадлежит значительная часть природных веществ – терпенов, каротиноидов. Однако следует помнить, что ряд терпенов, встречающихся в природе, представлен алифатическими терпенами, а другая часть – моно-, би- и трициклическими терпенами. Все эти соединения построены таким образом, что их можно разделить на определённое количество молекул изопрена, поэтому их иногда называют изопреноидами.

Терпены часто являются составной частью различных эфирных масел (цветов, хвойных деревьев, листьев растений), обусловливая их запах.

Алифатические терпены содержатся в масле хмеля, например, мирцен:

Спирт гераниол – в розовом масле:

Спирт линалоол обладает запахом ландыша, альдегид цитраль входит в состав эвкалиптового масла и является исходным веществом в синтезе витамина А.

Моноциклическими терпенами являются лимонен (входит в состав лимонного масла, масла еловых игл) и ментол (мятное масло).

лимонен ментол

Многие циклические терпены применяются в медицине, парфюмерии, пищевой промышленности. К группе бициклических терпенов относятся пинен, входящий в состав скипидара, и камфара, выделяемая из эфирного масла камфарного дерева.

α-пинен камфара

Пинен проявляет свойства алкенов (взаимодействует с бромом и KMnО4), способен при окислении кислородом воздуха образовывать озон.

пинен перекись окись озон

пинена пинена

К группе тетратерпенов относятся природные вещества – каротины (это природные красители).

β-каротин

Каротин является провитамином витамина А, который содержится в молоке, масле, рыбьем жире, желтке яйца, в овощах и фруктах. Он представляет собой светло-жёлтые кристаллы алифатического спирта, как и каротин хорошо растворим в жирах. Каротин в организме под действием фермента каротиназы превращается в витамин А.

β-каротин фермент2

витамин А

Ароматические углеводороды

К ароматическим углеводородам относятся все карбоцикличе-ские соединения, содержащие бензольное кольцо.

Гомологический ряд ароматических углеводородов открывает бензол, затем идёт метилбензол (толуол), диметилбензол (ксилол) и т.д.

бензол толуол ортоксилол

Они содержатся в нефти, в каменноугольной смоле.

Физические свойства. Ароматические углеводороды плохо растворяются в воде, имеют специфический запах, токсичны и огнеопасны.

По химическим свойствам бензол более склонен к реакциям замещения. Свойства боковых цепей у гомологов бензола сходны со свойствами алифатических углеводородов.

Свойства гомологов бензола определяются строением и местоположением боковых цепей. Так –СН3, –СН2–СН3и другие, пред­ставляющие боковую цепь, называются заместителями первого рода и направляют новые заместители в орто- и параположения. Заместители (–СООН, –СОН, –SO3H, –NO2) являются заместителями второго рода и направляют электрофильные реагенты в метаположения. Галогены как заместители, обладающие большей электроотрицательностью, понижают химическую активность бензольного кольца, но направляют новые заместители в орто- и параположения.

1. Реакции замещения:

а) бромирование

С6H6+Br2С6Н5Вr+ НВr;

бромбензол

б)нитрование

C6H6+HONO2C6Н5NO2+H2O;

нитробензол

в) хлорирование

2+2Cl2ортохлортолуол парахлортолуол

толуол

свет

хлористый бензил

2. Реакция присоединения:

+ 3H2

C6H6C6H6

циклогексан

3. Реакция окисления:

+ 3[O]+H2O

толуол бензойная кислота

+ 6[O]+ 2H2O

парадиметилбензол терефталевая кислота

(параксилол)

4. Реакция полимеризации непредельных ароматических углеводородов:

стирол полистирол

В технологии получения синтетического каучука используется сополимеризация стирола с бутадиеном.

Бензол применяется для синтеза красителей, медикаментов, взрывчатых веществ; толуол – для получения взрывчатых веществ, сахарина, бензойной кислоты; параксилол – для получения лавсана; стирол – для полистирольных пластиков и каучуков.

Многоядерные ароматические соединения –это вещества, со­держащие несколько бензольных циклов, которые могут быть непосредственно связаны друг с другом, например дифенил. Используется как температуроустойчивый теплоноситель

дифенил бензидин

Бензидин является исходным веществом для приготовления красителей. Сейчас не применяется, так как обладает канцерогенным действием.

Бензольные циклы могут быть связаны через углеродный атом (трифенилметан), а могут образовывать конденсированные циклы (нафталин).

трифенилметан нафталин

Соединения группы трифенилметан а используются в производстве красителей.

Производные нафталина – тетралин и декалин применяются в технике в качестве растворителей.

тетралин декалин

Другие производные нафталина применяются как горючие и взрывчатые вещества, дезинфицирующие средства, инсектициды, в производстве красителей и полимеров.

Антрацен и фенантрен состоят из трех бензольных колец:

антрацен фенантрен

Скелет фенантрена лежит в основе многих природных структур: терпенов, алкалоидов, стероидов и других веществ.

Некоторые поликонденсированные углеводороды обладают высокой канцерогенностью.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *