Алканы
Алканы (насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения) – ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения с общей формулой CnH2n+2, содержащие только простые (одинарные) связи в состоянии sp3-гибридизации.
Номенклатура
По номенклатуре ИЮПАК названия предельных углеводородов характеризуются суффиксом -ан. Первые четыре углеводорода носят исторически сложившиеся названия – метан, этан, пропан, бутан, начиная с пятого в основе названия углеводорода лежит греческое название соответствующего числа углеродных атомов. Для названия предельных углеводородов применяют в основном рациональную номенклатуру, которая состоит из следующих 4 правил.
1.Выбирают главную цепь, руководствуясь последовательно следующими критериями: максимальное число функциональных заместителей, максимальное число кратных связей, максимальная протяженность, максимальное число боковых углеводородных групп.
2.Главную цепь нумеруют от одного конца до другого арабскими цифрами. Каждый заместитель получает номер того атома углерода главной цепи, к которому он присоединен. Последовательность нумерации выбирают таким образом, чтобы сумма номеров заместителей была наименьшей.
3.Все углеводородные боковые группы рассматривают как одновалентные (односвязные) радикалы. Если боковой радикал сам содержит боковые цепи, то в нем по приведенным выше правилам выбирается дополнительная главная цепь, которая нумеруется, начиная с атома углерода, присоединенного к главной цепи.
4.Название соединения начинают с перечисления заместителей, указывая их названия в алфавитном порядке. Названию каждого заместителя предшествует его номер в главной цепи. Наличие нескольких заместителей обозначают префиксами-числителями: ди-, три-, тетра- и т. д. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи.
| Название | Строение |
|---|---|
| Метан | СН4 |
| Этан | СН3–СН3 |
| Пропан | СН3–СН2–СН3 |
| Бутан | СН3–СН2–СН2–СН3 |
| Изобутан | СН3–СН–(СН3)–СН3 |
Строение и физические свойства
В алканах четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода направлены к вершинам тетраэдра – именно в этом случае отталкивание между электронами и энергия системы минимальны. Первые 4 члена гомологического ряда метана – газы при обычных условиях, пропан и бутан легко сжижаются под небольшим давлением (жидкая пропан-бутановая смесь содержится в бытовых газовых баллонах). Высшие гомологи – жидкости с запахом бензина или твердые вещества, не растворимые в воде. Температуры плавления и кипения алканов возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.
Химические свойства
Для алканов характерны реакции замещения атомов водорода, на другие атомы и группы атомов протекающие по свободно-радикальному механизму. В алканах различают первичные атомы углерода (они связаны только с одним соседним атомом С), вторичные (связаны с двумя атомами С), третичные (связаны с тремя атомами С) и четвертичные (связаны с четырьмя атомами С). Разное окружение атомов углерода очень сильно отражается на реакционной способности связанных с ними атомов водорода.
Галогенирования. Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl.
Сульфохлорирования. Важная промышленная реакция – фотохимическое сульфохлорирование алканов: совместная радикально-цепная реакция с Cl2 и SO2 с образованием хлорангидридов алкансульфоновых кислот RSO2Cl. Реакция начинается с инициирования путем образования радикалов хлора. Эта реакция широко используется в производстве моющих веществ [6].
Нитрования. Также идет по радикальному механизму. Источником –NO2 служит азотная кислота, которая при нагревании распадается. Реакцию проводят в растворе при температуре выше 150 °С или в парах под давлением до 10 атм. и температуре 400–500 °С.
Реакции окисления. Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Все алканы горят с выделением тепла:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q.
При мягком окислении СН4 в присутствии катализатора кислородом при 200 °C могут образоваться метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и другие продукты:
СН4 + О2 → СН3ОН.
Термические превращения алканов. При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению (термическому крекингу) с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции:
CH4 → С + 2H2 – при 1000 °C.
Конверсия метана. В присутствии никелевого катализатора протекает реакция взаимодействия метана с водой, в результате образуется «синтез-газ» – смесь CO и H2:
CH4 + H2O → CO + H2.
Дегидрирование. При температуре 400–600 °C, в присутствии катализаторов – Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3 алкены отщепляют два атома водорода, при этом образуются различные ненасыщенные углеводороды:
СH3–CH2–CH3 → CH2=CH–CH3 + H2 (пропан → пропен).
Реакции электрофильного замещения. При нагревании в присутствии кислот Льюиса, например AlCl3, происходит изомеризация: неразветвленные (нормальные) алканы превращаются в разветвленные с тем же числом атомов углерода. Эта реакция имеет большое практическое значение для получения высококачественного моторного топлива.
Методы получения
Восстановление галогенпроизводных алканов. При каталитическом гидрировании в присутствии палладия галогеналканы превращаются в алканы:
R–CH2Cl + H2 → R–CH3 + HCl.
Восстановление спиртов. Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С:
H3C–CH2–CH2–CH2OH → H3C–CH2–CH2–CH3 + H2O.
Гидрирование непредельных углеводородов. Катализатором реакции являются соединения никеля, платины или палладия:
CnH2n + H2 → CnH2n+2.
Газификация твердого топлива. Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор – Ni:
C+2H2 → CH4.
Реакция Вюрца.
2R–Br + 2Na = R–R + 2NaBr.
Применение
Метан является парниковым газом. Основное применение находит в виде топлива, как сырье в химической промышленности. Пропан также применяется в химической промышленности при получении мономеров для производства полипропилена, используется как хладагент. В пищевой промышленности пропан и бутан зарегистрированы в качестве пищевой добавки как газы для упаковки (E944 и E943a). Гексан применяется при экстрагировании растительных масел.
Циклоалканы
Циклоалканы, а также нафтены, цикланы или циклопарафины – с общей формулой CnH2n, образуются при замыкании углеводородной цепи в цикл с потерей двух атомов водорода. По химическим свойствам близки к предельным углеводородам.
Номенклатура
Названия циклоалканов строятся из названий соответствующих алканов с добавлением приставки цикло-.
Строение и физические свойства
Все атомы углерода в молекулах циклоалканов имеют sp3-гибридизацию. Однако величины углов между гибридными орбиталями в циклопентане, циклобутане и особенно в циклопропане не 109°28', а меньше из-за геометрии, поэтому малые циклы неустойчивы.
Циклопропан и циклобутан при нормальных условиях – газы, циклопентан и циклогексан – жидкости. Циклопарафины в воде практически не растворяются.
Свойства и применение
Циклопропан оказывает сильное обезболивающее действие. С появлением новых способов и средств общего обезболивания циклопропан в настоящее время крайне редко используется в качестве средства для наркоза. Циклобутан – производное циклобутана, октафторциклобутан (C4F8), является одним из фреонов. Циклопентан – применяется в качестве хладагента в холодильном оборудовании. Циклогексан – сырье в промышленной химии; растворитель лаков, красок, экстрагент в фармацевтической промышленности [6].