Циклические углеводороды Циклоалканы

Циклоалканы – насыщенные углеводороды, имеющие замкнутую цепь. Общая формула С n Н 2n СН 2 циклопропан циклобутанциклопентанциклогексан

Образование названий циклоалканов СН 2 СН СН 2 СН СН ,3-диметилциклогексан СН СН 2 СН 3 - СН 3 -СН метил -2-этил циклопентан

Назовите следующий углеводород СН 2 С СН 3 СН 2 -СН 2- СН 3 СНСН 3 СН 2

Пространственное строение молекул С СС СС С Н Н Н Н НН Н Н НН Н Н «ванна»«кресло»

Природные аналоги циклоалканов СН 3 СН 2 СН 3 лимоненпинанментол СН 3 β-каротин С СН ОН

Нахождение в природе Циклоалканы широко распространены в растительном мире. В нефтях встречаются только циклопентан, циклогексан и их производные с различной длиной углеводородной цепи и разным числом колец. Нефтяные циклоалканы были открыты впервые В.В.Марковниковым в бакинской нефти в 1881 г.и получили название – нафтены. Владимир Васильевич Марковников (1837 – 1904) Русский химик, ученик А.М. Бутлерова. Исследовал (с 1880) состав нефти, заложив основы нефтехимии как самостоятельной науки.

Содержание нафтенов в различных нефтях, в среднем, 40-70%. Нафтены входят в состав всех нефтей и присутствуют во всех нефтяных фракциях. В бензиновых и керосиновых фракциях обнаружено более 80 индивидуальных нафтенов состава С 5 -С 12. Содержание нафтенов во фракциях нефти растет по мере повышения температуры кипения фракции. Максимальное число колец в молекулах нафтенов, обнаруженных в нефтях, равно пяти.

Распределение нафтенов по фракциям нефти В бензиновые фракции попадают циклоалканы, имеющие в молекуле от 5 до 10 атомов углерода (С 5 -С 10 ), т.е. циклопентан, циклогексан и их гомологи, например : метилциклопентан метилциклогексан этилциклогексан

Во фракциях, выкипающих выше 200 о С содержатся моноциклические нафтены, имеющие в боковых цепях пять и более атомов углерода. Например, 1,1,3-триметил-2-(3,7-диметилдецил)циклогексан

В этих фракциях в значительных количествах представленыбициклические нафтены (имеющие два кольца в молекуле ) - бициклические мостиковые - конденсированные

-сочлененные Из нафтеновых углеводородов с тремя циклами в молекуле в нефтях встречаются гомологи пергидрофенантренаадамантана

Полициклические нафтены СН 3 R R стераныгопаны Идентификация полициклических нафтенов позволяет определить степень биодеградации нефти и помогает при разведке нефтяных месторождений.

Циклогексан и его гомологи могут быть получены гидрированием бензола и его гомологов: СН 3 метилбензол толуол + 3Н 2 kt=Pt 200 o C СН 3 метилциклогексан С СН СН 2

Химические свойства циклоалканов По химическим свойствам циклоалканы подобны алканам 1. Дегидрирование циклогексана и его гомологов «ароматизация» бензинов в процессе риформинга СН 2 циклогексан kt=Pt 300 o C + 3Н 2 СН бензол

2. Галоидирование (реакция замещения атома водорода ) СН 2 циклогексан СН 2 СН-Сl СН 2 1-хлорциклогексан +Сl 2 облучение + HCl 3. Окисление (сопровождается разрывом кольца) СН 2 циклогексан [O] HOОC-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH адипиновая кислота *используется в производстве найлона

Влияние циклоалканов на качественные характеристики топлив нафтеновые углеводороды, входящие в состав бензинов имеют более высокие октановые числа, чем соответствующие им н-алканы. циклопентанОЧ=85 метил циклопентан ОЧ=80 циклогексанОЧ=77 этил циклопентан ОЧ=61 метил циклогексан ОЧ=71 изопропил циклопентан ОЧ=76 1,2-диметил циклогексан ОЧ=78,4

Цетановые числа циклоалканов, входящих в состав дизельных топлив ниже, чем у н-алканов с тем же числом атомов углерода. Влияние циклоалканов на качественные характеристики топлив Однако, чем длиннее боковая цепь и чем меньше она разветвлена, тем выше цетановое число циклоалкана. Для нефтяных масел наиболее желательны структуры с минимальным количеством колец и длинными неразветвленными боковыми цепями

Арены (ароматические углеводороды) -циклические углеводороды, в молекулах которых присутствует специфическая группировка из 6-ти атомов углерода – бензольное кольцо (бензольное ядро). Общая формула С n H 2n-6 бензол

Первые производные бензола были выделены из бальзамов, смол, эссенций – обладали ароматом Бензойная кислота и бензиловый спирт - из росного ладана (gum benzoin) Толуол – из толуанского бальзама Бензальдегид – из масла горького миндаля

История открытия бензола Впервые бензол описал немецкий химик Иоганн Глаубер, который получил это соединение в 1649 году в результате перегонки каменно- угольной смолы;Иоганн Глаубер Бензол был открыт в 1825 году английским физиком Майклом Фарадеем, который выделил его из жидкого конденсата светильного газа.1825 английским Майклом Фарадеем В 1833 году немецкий физико-химик Эйльгард Мичерлих получил бензол при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты (именно от этого и произошло название бензол).1833 немецкий Эйльгард Мичерлихсухой перегонке соли бензойной кислоты Наиболее полно свойства бензола описал немецкий химик Фридрих Август Кекуле. Он же предложил циклическую формулу бензола.Фридрих Август Кекуле

(род ) СН *предложил Лайнус Полинг

Гомологи бензола СН 3 СН 2 -СН 3 СН 3 -СН-СН 3 СН=СН 2 метилбензол толуол этилбензол изопропилбензол кумол винилбензол стирол СН диметилбензол 1,21,3-диметилбензол 1,4-диметил бензол орта-ксилол мета-ксилол параксилол

Полиядерные ароматические соединения нафталин антрацен фенантрен

Природные источники ароматических углеводородов 1. Каменноугольная смола -содержит: бензол, алкилбензолы, нафталин, антрацен и более сложные ароматические соединения, например, 3,4-бензпирен Полиядерные ароматические соединения - канцерогены

2. Нефть. Содержание ароматических углеводородов в нефтях от 5 до 35% Наряду с ароматическими соединениями – производными бензола, нафталина и фенантрена состав нефти входят соединения смешанного строения:

Промышленные способы получения ароматических углеводородов 1. Риформинг (платформинг) бензиновой фракции -дегидроциклизация алканов С 6 и выше СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 Cr 2 O 3 /Al 2 O o C + 4H 2 н-гексан -дегидрирование циклогексана и его гомологов Pt 300 o C +3H 2 циклогексан

3 СНΞСН Активированный уголь 600 о С 2. Тримеризация ацетилена 3. Алкилирование бензола + СН 2 =СН-СН 3 Цеолитный катализатор СН 3 -СН-СН 3 пропилен изопропилбензол ацетилен бензол

Физические свойства ароматических углеводородов Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные Жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны.

Физические свойства бензола Бесцветная жидкость со своеобразным нерезким запахом. Температура плавления 5,5 °C, температура кипения 80,1 °C, плотность г/см³, молекулярная масса 78,11 г/моль. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует смесь с температурой кипения 69,25 °C. Растворимость в воде 1.79 г/л (при 25 °C). Бензол токсичен (поражает почки, печень, костный мозг, кровь).

Химические свойства ароматических углеводородов Бензольное кольцо – энергетически очень устойчивая система Бензол – химически инертный Наиболее характерны реакции замещения атома водорода в бензольном кольце, которые протекают только при определенных условиях.

1. Реакция галоидирования Н + Cl-Cl Cl + HCl FeCl 3 хлорбензол *Хлорбензол используется в производстве анилина, фенола и др.

2. Реакция сульфирования Н + HO-SO 3 H SO 3 H + H 2 O бензолсульфокислота toto *Бензолсульфокислота применяется в производстве фенола

3. Реакция нитрования Н + HO-NO 2 NO 2 + H 2 O нитробензол H 2 SO 4 *Нитробензол применяется в производстве анилина, из которого, в свою очередь, получают анилиновые красители, лечебные препараты, взрывчатые вещества.

4. Реакции алкилирования (по Фриделю-Крафтцу) Н + Cl-CH 3 CH 3 метилбензол толуол AlCl 3 +HCl * Метилбензол (толуол) обладает схожими с бензолом свойствами, но менее токсичен. Толуол является Хорошим растворителем, исходным соединением в производстве бензойной кислоты, бензальдегида, 2,4,6-тринитротолуола (тротила).

Н + СH 2 =CH 2 CH 2 -CH 3 AlCl 3 этилбензол + СН 2 =СН-СН 3 Цеолитный катализатор СН-СН 3 изопропилбензол Н СН 3 *Этилбензол – сырье для получения стирола, из которого получают полистирол, бутадиен- стирольный каучук. *Изопропилбензол (кумол) применяется в производстве фенола

Реакции присоединения 5. Гидрирование + 3Н 2 Pt циклогексан *Циклогексан – исходное соединение в производстве циклогексанона, из которого затем получают полиамидную смолу – капрон; а также в производстве адипиновой кислоты-мономера при синтезе найлона.

Реакции окисления CH 3 +[O] COOH +H 2 O толуол бензойная кислота *Бензойная кислота используется в качестве присадки к охлаждающим жидкостям, при производстве РТИ, шин,химволокна. Соль бензойной кислоты –бензоат натрия, используется как консервант в пищевой промышленности.

Влияние ароматических углеводородов на качественные показатели топлив Бензины Ароматические углеводороды бензиновых фракций Имеют высокие октановые числа:бензол ОЧ=108, толуол ОЧ=104, изопропилбензол ОЧ=99,3. В то же время, они гигроскопичны (поглощают влагу из воздуха), увеличивают нагарообразование в двигателе и повышают теплонапряженность двигателя.

Дизельное топливо Ароматические углеводороды имеют самые низкие цетановые числа (ЦЧ нафталина=0). Моторные масла Углеводороды с длинными боковыми цепочками и с малым числом конденсированных колец (до 3-х) – желательные компоненты и для масел, так как отличаются хорошими вязкостно-температурными характеристиками.