Химические свойства. Предельные углеводороды

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Предельные углеводороды

Общие сведения, номенклатура предельных углеводородов

Предельные углеводороды образуют гомологический ряд. Гомологическим называют ряд соединений, имеющих однотипное строение и обладающих близкими химическими свойствами. Соседние гомологи ряда отличаются по составу на группу CH₂ – метилен. Общая формула предельных углеводородов – C_nH_2n+2.

Первые четыре вещества этого ряда имеют исторически сложившиеся названия. Названия углеводородов, начиная с пентана, образованы от греческих названий чисел. Для наименования предельных углеводородов принят суффикс – ан.

Таблица 1

Предельные углеводороды

Химические свойства

В молекулах предельных углеводородов все атомы углерода находятся в состоянии sp³- гибридизации атомных орбиталей. Каждый атом углерода затрачивает на соединение с любым соседним атомом углерода не более одной валентности, причем все свободные (не затраченные на соединение с атомами углерода) его валентности насыщены водородом. Поэтому они не вступают в реакции присоединения. При обычных условиях алканы химически инертны, они не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, щелочами, перманганатом калия. Русский химик М.И. Коновалов назвал алканы «химическими мертвецами».

Предельные углеводороды вступают в реакции замещения. Кратко рассмотрим механизм этого процесса. Ковалентная связь между атомами А и В может быть разорвана так что:

1) Электронная пара делится между атомами А и В. Происходит гомолитический разрыв связи. Частицы А и В, получая по одному электрону становятся свободными радикалами

2) Атом А лишается электрона и приобретает положительный заряд, а атом В захватывает оба электрона и приобретает отрицательный заряд. Происходит гетеролитический разрыв связи. Образуются ионы А⁺ и В^-.

Неполярные С—С и малополярные С—H связи в алканах способны гомолитически расщепляться. Для них характерны реакции, протекающие по механизму радикального замещения. Рассмотрим ее механизм на примере галогенирования метана ниже. К числу реакций, протекающих по этому же механизму относятся и другие реакции замещения – нитрование, сульфирование, сульфохлорирование.

1) Галогенирование

При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом), под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов галогенирования алканов. Эта реакция, как было установлено Н.Н. Семеновым, носит цепной радикальный механизм. Протекает она в несколько стадий:

I) Инициирование

На этой стадии молекула хлора распадается под действием УФ-излучения на два свободных радикала (атома)

II) Рост цепи

Радикал атакует связь С—H в молекуле метана, происходит гомолитический разрыв связи, а молекула метана реагирует, образуя свободный радикал :

Радикал атакует молекулу хлора, происходит гомолитический разрыв связи с образованием молекулы хлорметана и атома хлора:

Радикал хлор вновь атакует молекулу метана и повторяются описанные реакции. По мере накопления в реакционной среде хлорметана он становиться объектом атаки свободного радикала хлора. Таким образом, вместе образуются ди-, три- и тетрахлорпроизводные метана.

H ¾ ¾ H H ¾ ¾ Cl H¾ ¾Cl

метан хлорметан дихлорметан

Cl¾ ¾Cl Cl¾ ¾Cl

трихлорметан тетрахлорметан

Процессы такого типа, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. Они протекают по свободнорадикальному механизму.

III) Обрыв цепи

Последовательно идущие реакции роста цепи могут прерваться, если произойдет исчезновение свободного радикала. Чаще всего обрыв цепи происходит за счет взаимодействия между собой радикалов хлора.

Чтобы этого не происходило, реакционную смесь необходимо постоянно облучать или нагревать для образования свободных радикалов хлора.

2) Нитрование

При действии на алканы разбавленной 12-14% азотной кислоты при нагревании(t»140°) происходит жидкофазное нитрование алканов. Атомы водорода в предельных углеводородах замещаются на нитрогруппу. Впервые эту реакцию провел в 1888г. русский химик М.И. Коновалов, реакция носит его имя.

бутан

2-нитробутан

Нитрование протекает по механизму свободнорадикального замещения. Инициатором реакции является радикал .

3) Сульфирование

При слабом нагревании дымящаяся серная кислота сульфирует алканы, т.е. замещает атом водорода в них на сульфогруппу:

этан этилсульфат

4) Окисление

В промышленности алканы окисляют кислородом воздуха на марганцевых катализаторах при температуре около 200°С. При этом расщепляются С—С связи и получаются низкомолекулярные кислородсодержащие соединения – спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты.

Поиск по сайту: