Алканы 3D модель метана простейшего алкана Алканы ( также насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения ) ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2. Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp3- гибридизации все 4 гибридные орбитали атома С равны по форме и энергии, 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. За счёт одинарных связей между атомами С возможно свободное вращение вокруг углеродной связи. Тип углеродной связи σ - связи, связи малополярныйй и плохо поляризуемы. Длина углеродной связи 0,154 нм.

Содержание 1 Номенклатура 1.1 Рациональная 1.2 Систематическая ИЮПАК 2 Гомологический ряд и изомерия 3 Физические свойства 4 Спектральные свойства 4.1 ИК - спектроскопия 4.2 УФ - спектроскопия 4.3 ЯМР - спектроскопия 4.4 Масс - спектрометрия 5 Химические свойства 5.1 Реакции радикального замещения 5.2 Реакции электрофильного замещения 6 Нахождение в природе 6.1 Нахождение в космосе 6.2 Нахождение на Земле 7 Получение

Номенклатура а: н-бутил-втор.-бутил изобутил метан б: триизопропилметан в: триэтилпропилметан 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 замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди -, три -, тетра -. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке. Например : 2,6,6- триметил -3- этилгептан ( слева направо ) / 2,2,6- триметил -5- этилгептан ( справа налево ) При сравнении положений заместителей в обоих комбинациях, предпочтение отдается той, в которой первая отличающаяся цифра является наименьшей. Таким образом, правильное название 2,2,6- триметил -3- этилгептан.

Гомологический ряд и изомерия Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии изомерией углеродного скелета. Гомологическая разница CH2. 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. Гомологический ряд алканов ( первые 10 членов ) Гомологический ряд алканов ( первые 10 членов ) Метан CH4CH4 Этан CH3CH3C2H6 Пропан CH3CH2CH3C3H8 Бутан CH3CH2CH2CH3C4H10 Пентан CH3CH2CH2CH2CH3C5H12 Гексан CH3CH2CH2CH2CH2CH3C6H14 Гептан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3C7H16 Октан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3C8H18 Нонан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3C9H20 Декан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3C10H22

Физические свойства Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH4 до C4H10 газы ; с C5H12 до C13H28 жидкости ; после C14H30 твёрдые тела. Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н - пентан жидкость, а неопентан газ. Газообразные алканы горят бесцветным или бледно - голубым пламенем с выделением большого количества тепла. Физические свойства нормальных алканов n Название ТплТкип ПлотностьПоказатель преломления 1 Метан 182, ,466 ( )- 2 Этан 183,3 88,630, Пропан 189,7 42,10,5853 (-45)- 4 Бутан 138,35 0,50,57881, а Изобутан 159,60 11,730,55101, Пентан 13036,10,6261, Гексан 9568,70,6591, Гептан 9198,40,6841, Октан 57125,70,7031, Нонан 54150,80,7181, Декан 30174,10,7301,4119

Спектральные свойства ИК - спектроскопия В ИК - спектрах алканов четко проявляются частоты валентных колебаний связи С Н в области 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 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 связи CH и CC относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярный, а связи С Н малополярныйй, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ - виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов. Реакции радикального замещения 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 хлорметана до тетрахлорметана. 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 2 раза меньше, чем вторичного. Таким образом, хлорирование алканов является не стерео селективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Стоит отметить, что галогенирование происходит тем легче, чем длиннее углеродная цепь н - алкана. В этом же направлении уменьшается энергия ионизации молекулы вещества, то есть, алкан легче становится донором электрона. Галогенирование это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированный атом углерода ( третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь ). Галогенирование алканов проходит поэтапно за один этап замещается не более одного атома водорода : CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl ( хлорметан ) CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl ( дихлорметан ) CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl ( трихлорметан ) CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl ( тетрахлорметан ). Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, забирая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы · СН 3, которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы. 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 и хлором реакция может протекать со взрывом, в таких случаях галоген разбавляют азотом или подходящим растворителем.

Сульфохлорирование ( реакция Рида ): При облучении УФ - светом алканы реагируют со смесью SO2 и Cl2, После того, как с уходом хлороводорода образуется алкильный радикал присоединяется диоксид серы. Образовавшийся сложный радикал стабилизируется захватом атома хлора с разрушением очередной молекулы последнего.

Инициирование цепного процесса : Нитрование : Основная статья : Реакция Коновалова Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO2 в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. RH + HNO3 RNO2 + H2O. Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов. Реакции окисления : Горение Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример : CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q. Значение Q достигает к Дж / кг. В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь ( в зависимости от концентрации кислорода ). В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом : С n Н 2n+2 +(1,5n+0,5)O2 nCO2 + (n+1)H2O.

Каталитическое окисление Могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты. При мягком окислении СН4 в присутствии катализатора кислородом при 200 °C) могут образоваться: метиловый спирт: 2СН4 + О2 2СН3ОН; формальдегид: СН4 + О2 СН2О + Н2O; муравьиная кислота: 2СН4 + 3О2 2НСООН + 2Н2O. Окисление также может осуществляться воздухом. Процесс проводится в жидкой или газообразной фазе. В промышленности так получают высшие жирные спирты и соответствующие кислоты. Ниже представлена реакция окисления алканов диметилдиоксираном:

Механизм реакций получения кислот путём каталитического окисления и расщепления алканов показан ниже на примере получения из бутана уксусной кислоты :

Термические превращения алканов : Разложение Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов. Примеры : CH4 C + 2H2 (t > 1000 °C). C2H6 2C + 3H2. 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 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 (1015 атомов углерода в углеродном скелете ) и фракции солярового масла (1220 атомов углерода ). 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 °C и низком давлении 1015 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 при 1500 °C.

Дегидрирование Образование : 1) В углеродном скелете 2 ( этан ) или 3 ( пропан ) атома углерода получение ( терминальных ) алкенов, так как других в данном случае не может получиться ; выделение водорода : Условия протекания : °C, катализаторы Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3. а )CH3-CH3 CH2=CH2 + H2 ( этан этен ); б )CH3-CH2-CH3 CH2=CH-CH3 + H2 ( пропан пропен ). 2) В углеродном скелете 4 ( бутан, изобутан ) или 5 ( пентан, 2- метилбутан, неопентан ) атомов углерода получение алкадиенов ; выделение водорода : в )CH3-CH2-CH2-CH3 CH2=CH-CH=CH2 + 2H2 ( бутан бутадиен -1,3). в ')CH3-CH2-CH2-CH3 CH2=C=CH-CH3 + 2H2 ( бутан бутадиен -1,2) ( ЭТО ОДНА РЕАКЦИЯ !) 3) В углеродном скелете 6 ( гексан ) и более атомов углерода получение бензола и его производных : г ) CH3-CH2-CH2-CH2CH2-CH2-CH2-CH3 ( октан ) П.- ксилол, параллельно М.- ксилол, параллельно этилбензол + 3H2. Конверсия метана В присутствии никелевого катализатора протекает реакция : CH4 + H2O CO + H2. Продукт этой реакции ( смесь CO и H2) называется « синтез - газом ».

Реакции электрофильного замещения Изомеризация : Под действием катализатора ( например, AlCl3) происходит изомеризация алкана : например, бутан (C4H10), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl3), превращается из н - бутана в 2- метилпропан. С марганцовокислым калием (KMnO4) и бромной водой (Br2) алканы не взаимодействуют.

Нахождение в природе Нахождение в космосе В небольших количествах алканы содержатся в атмосфере внешних газовых планет Солнечной системы : на Юпитере 0,1 % метана, 0,0002 % этана, на Сатурне метана 0,2 %, а этана 0,0005 %, метана и этана на Уране соответственно 1,99 % и 0,00025 %, на Нептуне же 1,5 % и 1,5·10 10, соответственно.[1] На спутнике Сатурна Титане метан (1,6 %) содержится в жидком виде, причем, подобно воде, находящейся на Земле в круговороте, на Титане существуют ( полярные ) озёра метана ( в смеси с этаном ) и метановые дожди. К тому же, как предполагается, метан поступает в атмосферу Титана в результате деятельности вулкана [2]. Кроме того, метан найден в хвосте кометы Хиякутаке и в метеоритах ( углистых хондритах ). Предполагается также, что метановые и этановые кометные льды образовались в межзвёздном пространстве.

Нахождение на Земле В земной атмосфере метан присутствует в очень небольших количествах ( около 0,0001 %), он производится некоторыми археями ( архебактериями ), в частности, находящимися в кишечном тракте крупного рогатого скота. Промышленное значение имеют месторождения низших алканов в форме природного газа, нефти и, вероятно, в будущем газовых гидратов ( найдены в областях вечной мерзлоты и под океанами ). Также метан содержится в биогазе. Высшие алканы содержатся в кутикуле растений, предохраняя их от высыхания, паразитных грибков и мелких растительноядных тварей. Это обыкновенно цепи с нечётным числом атомов углерода, образующиеся при декарбоксилировании жирных кислот с чётным количеством углеродных атомов. Среди животных алканы встречаются в качестве феромонов у насекомых, в частности у мухи цеце (2- метилгептадекан C18H38, 17,21- диметилгептатриаконтан C39H80, 15,19- диметилгептатриаконтан C39H80 и 15,19,23- триметилгептатриаконтан C40H82). Некоторые орхидеи при помощи алканов - феромонов привлекают опылителей.

Получение Главным источником алканов ( а также других углеводородов ) являются нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно. Восстановление галогенпроизводных алканов : При каталитическом гидрировании в присутствии палладия галогеналканы превращаются в алканы [4]: RCH2Cl + H2 RCH3 + HCl Восстановление иодалканов происходит при нагревании последних с иодоводородной кислотой : RCH2I + HI RCH3 + I2 Для восстановления галогеналканов пригодны также амальгама натрия, гидриды металлов, натрий в спирте, цинк в соляной кислоте или цинк в спирте [4] 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 [5]. H3CCH2CH2CH2OH H3CCH2CH2CH3 + H2O

Гидрирование непредельных углеводородов Из алкенов CnH2n + H2 CnH2n+2 Из алкинов CnH2n-2 + 2H2 CnH2n+2 Катализатором реакции являются соединения никеля, платины или палладия [8]. 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 RR[9]. Например : 2CH3COO 2e 2[CH3COO] 2CH3 C2H6 2C3H7COOK { электролиз } C6H14 Газификация твердого топлива Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор Ni: C+2H2 CH4 см. Газификация угля Реакция Вюрца 2RBr + 2Na = RR + 2NaBr Реакция идёт в ТГФ при температуре 80 °C[10]. При взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (RR, R`R`, RR`) Синтез Фишера Тропша nCO + (2n+1)H2 CnH2n+2 + nH2O