Regler for sammensetningen av isomerer av alkaner. Alkaner

Totalt er 390 stoffer som tilhører klassen alkaner kjent. The International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC eller IUPAC - har utviklet en nomenklatur for alkaner for å gjøre det enkelt å navngi hver forbindelse, bare kjent med formelen.

Generelle regler

Navnet på alkaner er preget av suffikset -an. De fire første representantene for den homologe serien - metan, etan, propan, butan - har historisk etablerte navn. Prefikset i navnene på andre alkaner indikerer antall karbonatomer i stoffet:

• pent- - fem;
• hex - seks;
• hept- - syv;
• okt- - åtte;
• ikke- - ni;
• Des- - ti.

Ris. 1. Homolog serie av alkaner.

En er u- eller gen-, to er gjør-, tre er tre-, fire er tetra-.

Prefikser og suffikser er bevart for alle stoffer. Fra dekanen legges en rot til navnene. Det endres for hvert tiende stoff, som angitt av prefikset. For eksempel inneholder eikosan 20 karboner, triakontan - 30, tetrakontan - 40, pentakontan - 50.

Navnene på disse stoffene flyttes til de neste ti med tillegg av prefikser og suffikser. For eksempel er eikosan etterfulgt av heneicosane, docosane, tricosane og triacontane - gentriacontan, dotriacontan, tritriacontan, tetratriacontan, etc.

Navn på forgrenede kjeder

Stoffer med samme antall atomer, men med forskjellige arrangementer, kalles isomerer. Sammenlign butan og isobutan. I begge tilfeller er formelen C 4 H 10, men atomene er ordnet forskjellig. I det første tilfellet er kjeden lengre, i det andre er den kortere med ett ledd. Navnene på isomerer tilsvarer navnene på alkaner med prefikset iso-.

Ris. 2. Butan og isobutan.

For mer nøyaktig å navngi og indikere plasseringen av radikalen, brukes en egen nomenklatur. Regler for å bestemme navnet på en forgrenet kjede:

• ta den lengste kjeden eller den med flest grener som hovedkjede - dette vil være hovednavnet på stoffet (i isobutan inneholder den lengste kjeden tre karboner - dette er propan);
• nummer karbonatomene fra enden som radikalet er tilstøtende til (i isopentan er alkylen forskjøvet til høyre ende);
• hvis det er alkyler i begge ender, velg enden med radikalet som inneholder færre karbonatomer;
• hvis antallet karbonatomer i ekvidistante alkyler er det samme, velg enden med det største antallet grener;
• navngi forbindelsen, som indikerer, atskilt med komma, antall atomer som har radikaler (2,2,3-, 1,4-);
• angi prefikset som tilsvarer antall alkyler (di-, tri-);
• liste opp radikalene (metyl-, klormetyl-);
• komplett med navnet på hovedkjeden (-propan, -butan, -pentan).

I strukturformler skrives alkyler med en vertikal strek over og under karbonatomet. Det er akseptabelt å skrive radikaler i parentes etter karbonatomet. For eksempel 2-metylbutan - CH3-CH(CH3)-CH2-CH3.

Eksempler

Flere eksempler på nomenklaturen til alkaner med en forgrenet struktur er presentert i tabellen.

Ris. 3. Eksempler på strukturformler med navn.

Hva har vi lært?

Navnene på alkaner i samsvar med IUPAC-nomenklaturen er sammensatt av suffikset -ane, et prefiks som indikerer antall karbonatomer, og roten til navnet til hver tiende homolog. Navnene på de fire første alkanene bør huskes. Forgrenede molekyler inkluderer en liste over antall atomer som inneholder radikaler, et prefiks som indikerer antallet, en liste over radikaler og navnet på hovedkjeden.

Test om emnet

Evaluering av rapporten

Gjennomsnittlig rangering: 4.2. Totalt mottatte vurderinger: 171.

Alkaner eller alifatiske mettede hydrokarboner er forbindelser med en åpen (ikke-syklisk) kjede, i hvis molekyler karbonatomene er forbundet med hverandre med en σ-binding. Karbonatomet i alkaner er i en tilstand av sp 3 hybridisering.

Alkaner danner en homolog serie der hvert medlem er forskjellig med en konstant strukturell enhet -CH 2 -, som kalles en homologisk forskjell. Den enkleste representanten er metan CH4.

• Generell formel for alkaner: CnH2n+2

For alkaner, i tillegg til strukturell isomerisme, er det konformasjonsisomerisme og, starter med heptan, enantiomerisme:

IUPAC-nomenklatur Prefikser brukes i navnene på alkaner n-, sekund-, iso, tert-, neo:

• n- betyr normal (ukorrodert) struktur av hydrokarbonkjeden;
• sekund- gjelder kun for resirkulert butyl;
• tert- betyr alkyl med tertiær struktur;
• iso grener på slutten av kjeden;
• neo brukes for alkyl med et kvartært karbonatom.

Nomenklaturen til forgrenede alkaner er basert på følgende grunnleggende regler:

• For å konstruere et navn, velges en lang kjede av karbonatomer og nummereres med arabiske tall (lokaliteter), fra enden nærmere som substituenten er lokalisert, for eksempel:

• Hvis den samme alkylgruppen forekommer mer enn én gang, plasseres multiplikasjonsprefikser foran den i navnet di-(før en vokal di-), tre-, tetra- osv. og angi hver alkyl separat med et tall, for eksempel:

• Hvis sidegrenene til hovedkjeden inneholder forskjellige alkylsubstituenter, blir de omorganisert alfabetisk (med multipliserende prefikser di-, tetra- etc., samt prefikser n-, sekund-, tert- ikke tatt i betraktning), for eksempel:

• Hvis to eller flere alternativer for den lengste kjeden er mulig, velg den som har maksimalt antall sidegrener.
• Navnene på komplekse alkylgrupper er konstruert etter de samme prinsippene som navnene på alkaner, men nummereringen av alkylkjeden er alltid autonom og begynner med at karbonatomet har fri valens, for eksempel:

• Når den brukes i navnet på en slik gruppe, settes den i parentes og den første bokstaven i navnet på hele gruppen tas i betraktning i alfabetisk rekkefølge:

Industrielle utvinningsmetoder 1. Utvinning av alkangass. Naturgass består hovedsakelig av metan og små tilsetninger av etan, propan og butan. Gass under trykk ved lave temperaturer deles inn i passende fraksjoner.

2. Utvinning av alkaner fra olje. Råolje renses og behandles (destillasjon, fraksjonering, cracking). Blandinger eller individuelle forbindelser oppnås fra bearbeidede produkter.

3. Hydrogenering av kull (metode av F. Bergius, 1925). Hardt eller brunt kull i autoklaver ved 30 MPa i nærvær av katalysatorer (oksider og sulfider av Fe, Mo, W, Ni) i et hydrokarbonmiljø blir hydrogenert og omdannet til alkaner, det såkalte motordrivstoffet:

nC+ (n+1)H2 = CnH2n+2

4. Oksosyntese av alkaner (metode av F. Fischer - G. Tropsch, 1922). Ved å bruke Fischer-Tropsch-metoden oppnås alkaner fra syntesegass. Syntesegass er en blanding av CO og H 2 med forskjellige forhold. Det oppnås fra metan ved en av reaksjonene som skjer ved 800-900°C i nærvær av nikkeloksid NiO båret på Al 2 O 3:

CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2

CH 4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2

2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

Alkaner oppnås ved reaksjonen (temperatur ca. 300°C, Fe-Co-katalysator):

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O

Den resulterende blandingen av hydrokarboner, hovedsakelig bestående av alkaner av strukturen (n = 12-18), kalles "syntin".

5. Tørrdestillasjon. Alkaner oppnås i relativt små mengder ved tørr destillasjon eller oppvarming av kull, skifer, tre og torv uten tilgang til luft. Den omtrentlige sammensetningen av den resulterende blandingen er 60% hydrogen, 25% metan og 3-5% etylen.

Laboratorieekstraksjonsmetoder 1. Fremstilling fra halogenalkyler

1.1. Reaksjon med metallisk natrium (Wurz, 1855). Reaksjonen består av interaksjonen av et alkalimetall med en haloalkyl og brukes til syntese av høyere symmetriske alkaner:

2CH3-I + 2Na ⇄ CH3-CH3 + 2NaI

Hvis to forskjellige haloalkyler deltar i reaksjonen, dannes en blanding av alkaner:

3CH 3 -I + 3CH 3 CH 2 -I + 6Na → CH 3 -CH 3 + CH 3 CH 2 CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 6NaI

1.2 Interaksjon med litiumdialkylkuprater. Metoden (noen ganger kalt E. Core - H. House-reaksjonen) involverer interaksjon av reaktive litiumdialkyl-kuprater R 2 CuLi med haloalkyler. Først reagerer litiummetall med en haloalkan i etermiljø. Deretter reagerer det tilsvarende alkyllitiumet med kobber(I)halogenid for å danne et løselig litiumdialkylkuprat:

CH3Cl + 2Li → CH3Li + LiCl

2CH3Li + CuI → (CH3)2 CuLi + LiI

Når et slikt litiumdialkylkuprat reagerer med den tilsvarende halogenalkylen, dannes den endelige forbindelsen:

(CH 3 ) 2 CuLi + 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -I → 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -CH 3 + LiI + CuI

Metoden gjør det mulig å oppnå et utbytte av alkaner på nesten 100 % ved bruk av primære halogenalkyler. Med deres sekundære eller tertiære struktur er utbyttet 30-55%. Naturen til alkylkomponenten i litiumdialkylkuprat har liten effekt på utbyttet av alkanen.

CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (Pd-katalysator)

CH3CH2I + 2H → CH3CH3 + HI

CH 3 I + HI → CH 4 + I 2

Metoden har ingen preparativ verdi; et sterkt reduksjonsmiddel brukes ofte - jod.

2. Fremstilling fra salter av karboksylsyrer.
2.1 Elektrolyse av salter (Kolbe, 1849). Kolbe-reaksjonen involverer elektrolyse av vandige løsninger av karboksylsyresalter:

R-COONa ⇄ R-COO - + Na +

Ved anoden oksideres karboksylsyreanionet, og danner et fritt radikal, og dekarboksyleres lett eller elimineres av CO 2 . Alkylradikaler omdannes videre til alkaner på grunn av rekombinasjon:

R-COO - → R-COO . + e -

R-COO. →R. +CO2

R. +R. → R-R

2.2 Fusjon av salter av karboksylsyrer med alkali. Alkalimetallsalter av karboksylsyrer, når de kombineres med alkali, danner alkaner:

CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3

Alkaner er mye lettere enn vann, ikke-polare og vanskelige å polarisere, men de er løselige i de fleste ikke-polare løsningsmidler, på grunn av dette kan de selv være et løsningsmiddel for mange organiske forbindelser.

Struktur av alkaner

Den kjemiske strukturen (rekkefølgen for tilkobling av atomer i molekyler) til de enkleste alkanene - metan, etan og propan - er vist ved deres strukturformler gitt i avsnitt 2. Fra disse formlene er det klart at det er to typer kjemiske bindinger i alkaner:

S–S og S–N.

C–C-bindingen er kovalent ikke-polar. CH-bindingen er kovalent, svakt polar, fordi karbon og hydrogen er tett i elektronegativitet (2,5 for karbon og 2,1 for hydrogen). Dannelsen av kovalente bindinger i alkaner på grunn av delte elektronpar av karbon- og hydrogenatomer kan vises ved hjelp av elektroniske formler:

Elektroniske og strukturelle formler gjenspeiler den kjemiske strukturen, men gir ikke en ide om den romlige strukturen til molekyler, noe som påvirker egenskapene til stoffet betydelig.

Romlig struktur, dvs. det relative arrangementet av atomene til et molekyl i rommet avhenger av retningen til atomorbitalene (AO) til disse atomene. I hydrokarboner spilles hovedrollen av den romlige orienteringen av atomorbitalene til karbon, siden den sfæriske 1s-AO til hydrogenatomet mangler en spesifikk orientering.

Det romlige arrangementet av karbon AO avhenger i sin tur av typen hybridisering (del I, avsnitt 4.3). Det mettede karbonatomet i alkaner er bundet til fire andre atomer. Derfor tilsvarer tilstanden sp3-hybridisering (del I, avsnitt 4.3.1). I dette tilfellet deltar hver av de fire sp3-hybride karbon-AO-ene i aksial (σ-) overlapping med s-AO til hydrogen eller med sp3-AO til et annet karbonatom, og danner σ-CH- eller C-C-bindinger.

De fire σ-bindingene av karbon er rettet i rommet i en vinkel på 109°28", som tilsvarer den minste frastøtingen av elektroner. Derfor har molekylet til den enkleste representanten for alkaner - metan CH4 - formen av et tetraeder, i sentrum er det et karbonatom, og ved toppunktene er det hydrogenatomer:

H-C-H-bindingsvinkelen er 109°28". Den romlige strukturen til metan kan vises ved hjelp av volumetriske (skala) og ball-and-stick-modeller.

For opptak er det praktisk å bruke en romlig (stereokjemisk) formel.

I molekylet til den neste homologen, etan C2H6, danner to tetraedriske sp3-karbonatomer en mer kompleks romlig struktur:

Alkanmolekyler som inneholder mer enn 2 karbonatomer er karakterisert ved buede former. Dette kan vises ved å bruke eksemplet med n-butan (VRML-modell) eller n-pentan:

Isomerisme av alkaner

Isomerisme er fenomenet med eksistensen av forbindelser som har samme sammensetning (samme molekylformel), men forskjellige strukturer. Slike forbindelser kalles isomerer.

Forskjeller i rekkefølgen atomer er kombinert i molekyler (dvs. kjemisk struktur) fører til strukturell isomerisme. Strukturen til strukturelle isomerer reflekteres av strukturformler. I rekken av alkaner viser strukturell isomerisme seg når kjeden inneholder 4 eller flere karbonatomer, dvs. starter med butan C 4 H 10. Hvis det er mulig i molekyler med samme sammensetning og samme kjemiske struktur forskjellige relative posisjoner av atomer i rommet, så observerer vi romlig isomerisme (stereoisomerisme). I dette tilfellet er bruken av strukturformler ikke nok, og molekylære modeller eller spesielle formler - stereokjemisk (romlig) eller projeksjon - bør brukes.

Alkaner, som starter med etan H 3 C – CH 3, finnes i forskjellige romlige former ( konformasjoner), forårsaket av intramolekylær rotasjon langs C–C σ-bindinger, og viser den s.k. rotasjons (konformasjons) isomerisme.

I tillegg, hvis et molekyl inneholder et karbonatom bundet til 4 forskjellige substituenter, er en annen type romlig isomerisme mulig, når to stereoisomerer forholder seg til hverandre som et objekt og dets speilbilde (lik hvordan venstre hånd forholder seg til høyre) . Slike forskjeller i strukturen til molekyler kalles optisk isomeri.

. Strukturell isomerisme av alkaner

Strukturelle isomerer er forbindelser av samme sammensetning som er forskjellige i rekkefølgen av binding av atomer, dvs. kjemisk struktur av molekyler.

Årsaken til manifestasjonen av strukturell isomeri i rekken av alkaner er karbonatomers evne til å danne kjeder av forskjellige strukturer.Denne typen strukturell isomeri kalles karbonskjelett-isomerisme.

For eksempel kan en alkan med sammensetning C 4 H 10 eksistere i formen to strukturelle isomerer:

og alkan C5H12 - i form tre strukturelle isomerer, forskjellig i strukturen til karbonkjeden:

Med en økning i antall karbonatomer i molekylene øker mulighetene for kjedeforgrening, d.v.s. antall isomerer øker med antall karbonatomer.

Strukturelle isomerer er forskjellige i fysiske egenskaper. Alkaner med en forgrenet struktur, på grunn av den mindre tette pakkingen av molekyler og følgelig mindre intermolekylære interaksjoner, koker ved en lavere temperatur enn deres uforgrenede isomerer.

Teknikker for å konstruere strukturformler for isomerer

La oss se på eksemplet med en alkan MED 6 N 14 .

1. Først skildrer vi det lineære isomermolekylet (dets karbonskjelett)

2. Deretter forkorter vi kjeden med 1 karbonatom og fester dette atomet til et hvilket som helst karbonatom i kjeden som en gren fra den, unntatt ekstreme posisjoner:

Hvis du fester et karbonatom til en av ytterposisjonene, endres ikke den kjemiske strukturen til kjeden:

I tillegg må du sørge for at det ikke er noen repetisjoner. Dermed er strukturen identisk med struktur (2).

3. Når alle posisjoner i hovedkjeden er oppbrukt, forkorter vi kjeden med ytterligere 1 karbonatom:

Nå vil det være 2 karbonatomer i sidegrenene. Følgende kombinasjoner av atomer er mulige her:

En sidesubstituent kan bestå av 2 eller flere karbonatomer koblet i serie, men for heksan er det ingen isomerer med slike sidegrener, og strukturen er identisk med struktur (3).

Sidesubstituenten - C-C kan bare plasseres i en kjede som inneholder minst 5 karbonatomer og kan bare festes til det 3. og ytterligere atom fra enden av kjeden.

4. Etter å ha konstruert karbonskjelettet til isomeren, er det nødvendig å supplere alle karbonatomer i molekylet med hydrogenbindinger, gitt at karbon er fireverdig.

Så komposisjonen MED 6 N 14 tilsvarer 5 isomerer: 1) 2) 3)4)5)

Nomenklatur

Nomenklaturen for organiske forbindelser er et regelverk som lar oss gi et entydig navn til hvert enkelt stoff.

Dette er kjemispråket, som brukes til å formidle informasjon om deres struktur i navnene på forbindelser. En forbindelse med en viss struktur tilsvarer ett systematisk navn, og med dette navnet kan man forestille seg strukturen til forbindelsen (dens strukturformel).

For tiden er IUPACs systematiske nomenklatur generelt akseptert. International Union of the Pure and Applied Chemistry– International Union of Pure and Applied Chemistry).

Sammen med systematiske navn brukes også trivielle (vanlige) navn, som er assosiert med den karakteristiske egenskapen til et stoff, fremgangsmåten for dets fremstilling, naturlig kilde, bruksområde, etc., men gjenspeiler ikke strukturen.

For å bruke IUPAC-nomenklaturen, må du kjenne navnene og strukturen til visse fragmenter av molekyler - organiske radikaler.

Begrepet "organisk radikal" er et strukturelt begrep og må ikke forveksles med begrepet "fritt radikal", som karakteriserer et atom eller en gruppe atomer med et uparet elektron.

Radikaler i rekken av alkaner

Hvis ett hydrogenatom "trekkes" fra et alkanmolekyl, dannes det en monovalent "rest" - et hydrokarbonradikal ( R – ). Det generelle navnet på monovalente alkanradikaler er alkyler - dannet ved å erstatte suffikset - no på - silt : metan – metyl, etan – etyl, propan – drakk det på drink etc.

Monovalente radikaler uttrykkes med den generelle formelen MED n N 2n+1 .

Et toverdig radikal oppnås ved å fjerne 2 hydrogenatomer fra molekylet. For eksempel, fra metan kan du danne det toverdige radikalet –CH 2 – metylen. Navnene på slike radikaler bruker suffikset - Ilen.

Navnene på radikaler, spesielt monovalente, brukes i dannelsen av navn på forgrenede alkaner og andre forbindelser. Slike radikaler kan betraktes som komponenter av molekyler, deres strukturelle detaljer. For å gi et navn til en forbindelse, er det nødvendig å forestille seg hvilke "deler" - radikaler - molekylet består av.

Metan CH 4 tilsvarer ett monovalent radikal metyl CH 3 .

Fra etan MED 2 N 6 det er også mulig å produsere bare en radikal - etyl  CH 2  CH 3 (eller - C 2 H 5 ).

Propan CH 3 –CH 2 –CH 3 tilsvarer to isomere radikaler  MED 3 N 7 :

Radikale er delt inn i hoved, sekundær Og tertiær avhengig av hvilket karbonatom(primær, sekundær eller tertiær) er den frie valensen. På dette grunnlaget n-propyl tilhører primærradikalene, og isopropyl– til sekundære.

To alkaner C 4 H 10 ( n-butan og isobutan) tilsvarer 4 enverdige radikaler -MED 4 N 9 :

Fra n-butan produseres n-butyl(primærradikal) og sek-butyl(sekundær radikal), - fra isobutan - isobutyl(primærradikal) og tert-butyl(tertiærradikal).

Dermed er fenomenet isomerisme også observert i rekken av radikaler, men antallet isomerer er større enn for de tilsvarende alkanene.

Konstruksjon av alkanmolekyler fra radikaler

For eksempel et molekyl

kan "settes sammen" på tre måter fra forskjellige par av monovalente radikaler:

Denne tilnærmingen brukes i noen synteser av organiske forbindelser, for eksempel:

Hvor R– enverdig hydrokarbonradikal (Wurtz-reaksjon).

Regler for å konstruere navn på alkaner i henhold til IUPACs systematiske internasjonale nomenklatur

For de enkleste alkanene (C 1 -C 4) er trivielle navn akseptert: metan, etan, propan, butan, isobutan.

Starter fra den femte homologen, navnene normal(uforgrenede) alkaner bygges i henhold til antall karbonatomer, ved å bruke greske tall og suffiks -en: pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan og Lengre...

I hjertet av navnet forgrenet alkan er navnet på den normale alkanen som er inkludert i strukturen med den lengste karbonkjeden. I dette tilfellet betraktes et forgrenet hydrokarbon som et produkt av erstatning av hydrogenatomer i en normal alkan med hydrokarbonradikaler.

For eksempel alkan

anses som erstattet pentan, der to hydrogenatomer er erstattet av radikaler –CH 3 (metyl).

Rekkefølgen som navnet på en forgrenet alkan er konstruert i

Velg hovedkarbonkjeden i molekylet. For det første må den være lengst. For det andre, hvis det er to eller flere kjeder av samme lengde, velges den mest forgrenede. For eksempel, i et molekyl er det 2 kjeder med samme antall (7) C-atomer (uthevet i farge):

I tilfelle (a) har kjeden 1 substituent, og i (b) - 2. Derfor bør du velge alternativ (b).

Nummerer karbonatomene i hovedkjeden slik at C-atomene knyttet til substituentene får lavest mulig tall. Derfor begynner nummereringen fra enden av kjeden nærmest grenen. For eksempel:

Navngi alle radikaler (substituenter), og angir foran tallene som indikerer deres plassering i hovedkjeden. Hvis det er flere identiske substituenter, skrives for hver av dem et tall (plassering) atskilt med et komma, og deres nummer er indikert med prefikser di-, tre-, tetra-, penta- etc. (For eksempel, 2,2-dimetyl eller 2,3,3,5-tetrametyl).

Plasser navnene på alle substituenter i alfabetisk rekkefølge (som fastsatt av de siste IUPAC-reglene).

Nevn hovedkjeden av karbonatomer, dvs. den tilsvarende normalalkanen.

Altså i navnet til en forgrenet alkan

root+suffiks – navnet på en normal alkan (gresk tall + suffiks "en"), prefikser – tall og navn på hydrokarbonradikaler.

Eksempel på tittelkonstruksjon:

Kjemiske egenskaper til alkaner

De kjemiske egenskapene til enhver forbindelse bestemmes av dens struktur, dvs. naturen til atomene som inngår i sammensetningen og arten av bindingene mellom dem.

Basert på denne posisjonen og referansedata om C–C og C–H-bindinger, la oss prøve å forutsi hvilke reaksjoner som er karakteristiske for alkaner.

For det første tillater ikke den ekstreme metningen av alkaner addisjonsreaksjoner, men forhindrer ikke dekomponering, isomerisering og substitusjonsreaksjoner (se. Del I, avsnitt 6.4 "Typer reaksjoner" ). For det andre antyder symmetrien til upolare C–C og svakt polare C–H kovalente bindinger (se tabellen for verdiene av dipolmomenter) deres homolytiske (symmetriske) spaltning til frie radikaler ( Del I, avsnitt 6.4.3 ). Derfor er reaksjoner av alkaner preget av radikal mekanisme. Siden heterolytisk spaltning av C–C og C–H-bindinger ikke forekommer under normale forhold, går alkaner praktisk talt ikke inn i ioniske reaksjoner. Dette manifesteres i deres motstand mot virkningen av polare reagenser (syrer, alkalier, ioniske oksidasjonsmidler: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, etc.). Denne tregheten til alkaner i ioniske reaksjoner fungerte tidligere som grunnlag for å betrakte dem som inaktive stoffer og kalle dem parafiner. Videoopplevelse"Forholdet mellom metan og kaliumpermanganatløsning og bromvann." Så alkaner viser sin reaktivitet hovedsakelig i radikale reaksjoner.

Betingelser for slike reaksjoner: forhøyet temperatur (ofte utføres reaksjonen i gassfasen), eksponering for lys eller radioaktiv stråling, tilstedeværelse av forbindelser som er kilder til frie radikaler (initiatorer), ikke-polare løsningsmidler.

Avhengig av hvilken binding i molekylet som brytes først, deles alkanreaksjoner inn i følgende typer. Når C–C-bindinger brytes, oppstår reaksjoner nedbrytning(sprekking av alkaner) og isomerisering karbonskjelett. Reaksjoner er mulige ved CH-bindinger substitusjon hydrogenatom eller dets splittes av(dehydrogenering av alkaner). I tillegg er karbonatomene i alkaner i den mest reduserte formen (oksidasjonstilstanden til karbon f.eks. i metan er –4, i etan –3 osv.) og i nærvær av oksidasjonsmidler vil det oppstå reaksjoner under visse forhold oksidasjon alkaner som involverer C–C og C–H bindinger.

Sprekking av alkaner

Sprekking er en prosess med termisk dekomponering av hydrokarboner, som er basert på reaksjonene ved å splitte karbonkjeden til store molekyler med dannelse av forbindelser med en kortere kjede.

Krakking av alkaner er grunnlaget for oljeraffinering for å oppnå produkter med lavere molekylvekt, som brukes som motordrivstoff, smøreoljer, etc., samt råvarer til kjemisk og petrokjemisk industri. Det er to måter å utføre denne prosessen på: termisk sprekkdannelse(ved oppvarming uten lufttilgang) og katalytisk cracking(mer moderat oppvarming i nærvær av en katalysator).

Termisk sprekkdannelse. Ved en temperatur på 450–700 o C brytes alkaner ned på grunn av spaltning av C–C-bindinger (sterkere C–H-bindinger beholdes ved denne temperaturen) og det dannes alkaner og alkener med et mindre antall karbonatomer.

For eksempel:

C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8

Nedbrytningen av bindinger skjer homolytisk med dannelsen av frie radikaler:

Frie radikaler er veldig aktive. En av dem (for eksempel etyl) abstraherer atomært hydrogen N fra en annen ( n-butyl) og blir til alkan (etan). Et annet radikal, som har blitt toverdig, blir til et alken (buten-1) på grunn av dannelsen av en π-binding når to elektroner er sammenkoblet fra naboatomer:

Animasjon(arbeid av Alexey Litvishko, elev i 9. klasse ved skole nr. 124 i Samara)

C–C-bindingsspalting er mulig på et hvilket som helst tilfeldig sted i molekylet. Derfor dannes en blanding av alkaner og alkener med en molekylvekt lavere enn den opprinnelige alkanen.

Generelt kan denne prosessen uttrykkes ved følgende diagram:

C n H 2n+2 C m H 2m +C s H 2p+2 , Hvor m + p = n

Ved høyere temperaturer (over 1000C) brytes ikke bare C–C-bindinger, men også sterkere C–H-bindinger. For eksempel brukes termisk cracking av metan til å produsere sot (rent karbon) og hydrogen:

CH 4 C+2H 2

Termisk sprekkdannelse ble oppdaget av en russisk ingeniør V.G. Shukhov i 1891

Katalytisk sprekkdannelse utføres i nærvær av katalysatorer (vanligvis aluminium- og silisiumoksider) ved en temperatur på 500°C og atmosfærisk trykk. I dette tilfellet, sammen med brudd på molekyler, oppstår isomeriserings- og dehydrogeneringsreaksjoner. Eksempel: oktansprengning(arbeid av Alexey Litvishko, elev i 9. klasse ved skole nr. 124 i Samara). Når alkaner dehydrogeneres, dannes sykliske hydrokarboner (reaksjon dehydrocyklisering, avsnitt 2.5.3). Tilstedeværelsen av forgrenede og sykliske hydrokarboner i bensin øker kvaliteten (slagmotstand, uttrykt ved oktantall). Krakkingsprosesser produserer en stor mengde gasser, som hovedsakelig inneholder mettede og umettede hydrokarboner. Disse gassene brukes som råstoff for kjemisk industri. Det er utført grunnleggende arbeid med katalytisk krakking i nærvær av aluminiumklorid N.D. Zelinsky.

Isomerisering av alkaner

Alkaner med normal struktur under påvirkning av katalysatorer og ved oppvarming er i stand til å omdannes til forgrenede alkaner uten å endre sammensetningen av molekylene, dvs. inngå isomeriseringsreaksjoner. Disse reaksjonene involverer alkaner hvis molekyler inneholder minst 4 karbonatomer.

For eksempel skjer isomeriseringen av n-pentan til isopentan (2-metylbutan) ved 100°C i nærvær av en aluminiumkloridkatalysator:

Utgangsmaterialet og produktet fra isomeriseringsreaksjonen har de samme molekylformlene og er strukturelle isomerer (karbonskjelett-isomerisme).

Dehydrogenering av alkaner

Når alkaner varmes opp i nærvær av katalysatorer (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO), er deres katalytiske dehydrogenering– Abstraksjon av hydrogenatomer på grunn av brudd av C-H-bindinger.

Strukturen til dehydrogeneringsprodukter avhenger av reaksjonsbetingelsene og lengden på hovedkjeden i startalkanmolekylet.

1. Lavere alkaner som inneholder fra 2 til 4 karbonatomer i kjeden, når de varmes opp over en Ni-katalysator, fjerner hydrogen fra nabolandet karbonatomer og blir til alkener:

Sammen med buten-2 denne reaksjonen produserer buten-1 CH2=CH-CH2-CH3. I nærvær av en Cr 2 O 3 /Al 2 O 3-katalysator ved 450-650 °C fra n-butan oppnås også butadien-1,3 CH2=CH-CH=CH2.

2. Alkaner som inneholder mer enn 4 karbonatomer i hovedkjeden brukes til å oppnå syklisk forbindelser. Dette skjer dehydrocyklisering– dehydrogeneringsreaksjon, som fører til lukking av kjeden til en stabil syklus.

Hvis hovedkjeden til et alkanmolekyl inneholder 5 (men ikke flere) karbonatomer ( n-pentan og dets alkylderivater), når de varmes opp over en Pt-katalysator, spaltes hydrogenatomer fra de terminale atomene i karbonkjeden, og det dannes en fem-leddet syklus (cyklopentan eller dets derivater):

Alkaner med en hovedkjede på 6 eller flere karbonatomer gjennomgår også dehydrocyklisering, men danner alltid en 6-leddet ring (cykloheksan og dets derivater). Under reaksjonsbetingelser gjennomgår denne syklusen ytterligere dehydrogenering og blir til den energetisk mer stabile benzenringen til et aromatisk hydrokarbon (aren). For eksempel:

Disse reaksjonene ligger til grunn for prosessen reformere– bearbeiding av petroleumsprodukter for å få arener ( aromatisering mettede hydrokarboner) og hydrogen. Transformasjon n- alkaner i arenaen fører til en forbedring i detonasjonsmotstanden til bensin.

3. Ved 1500 oppstår С intermolekylær dehydrogenering metan i henhold til ordningen:

denne reaksjonen ( metan pyrolyse ) brukes til industriell produksjon av acetylen.

Alkanoksidasjonsreaksjoner

I organisk kjemi betraktes oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner som reaksjoner som involverer tap og oppkjøp av hydrogen- og oksygenatomer av en organisk forbindelse. Disse prosessene er naturlig ledsaget av en endring i oksidasjonstilstandene til atomer ( Del I, avsnitt 6.4.1.6 ).

Oksidasjon av et organisk stoff er innføring av oksygen i dets sammensetning og (eller) eliminering av hydrogen. Reduksjon er omvendt prosess (introduksjon av hydrogen og eliminering av oksygen). Med tanke på sammensetningen av alkaner (C n H 2n + 2), kan vi konkludere med at de ikke er i stand til å delta i reduksjonsreaksjoner, men kan delta i oksidasjonsreaksjoner.

Alkaner er forbindelser med lave oksidasjonstilstander av karbon, og avhengig av reaksjonsforholdene kan de oksideres til forskjellige forbindelser.

Ved vanlige temperaturer reagerer ikke alkaner selv med sterke oksidasjonsmidler (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4, etc.). Når de introduseres i åpen flamme, brenner alkaner. I dette tilfellet, i et overskudd av oksygen, blir de fullstendig oksidert til CO 2, hvor karbon har den høyeste oksidasjonstilstanden på +4, og vann. Forbrenningen av hydrokarboner fører til brudd på alle C-C og CH-bindinger og er ledsaget av frigjøring av en stor mengde varme (eksoterm reaksjon).

Lavere (gassformige) homologer - metan, etan, propan, butan - er lett brannfarlige og danner eksplosive blandinger med luft, noe som må tas i betraktning ved bruk. Når molekylvekten øker, er alkaner vanskeligere å antennes. Videoopplevelse"Eksplosjon av en blanding av metan og oksygen." Videoopplevelse"Forbrenning av flytende alkaner". Videoopplevelse"Brennende parafin."

Forbrenningsprosessen av hydrokarboner er mye brukt til å produsere energi (i forbrenningsmotorer, termiske kraftverk, etc.).

Ligningen for forbrenningsreaksjonen til alkaner i generell form:

Fra denne ligningen følger det at med en økning i antall karbonatomer ( n) i en alkan øker mengden oksygen som kreves for fullstendig oksidasjon. Når du brenner høyere alkaner ( n>>1) oksygenet i luften er kanskje ikke nok for fullstendig oksidasjon til CO 2 . Deretter dannes partielle oksidasjonsprodukter: karbonmonoksid CO (karbonoksidasjonstilstand +2), sot(fint karbon, null oksidasjonstilstand). Derfor brenner høyere alkaner i luften med en røykfylt flamme, og det giftige karbonmonoksidet som frigjøres underveis (luktfritt og fargeløst) utgjør en fare for mennesker.

Asykliske hydrokarboner kalles alkaner. Det er totalt 390 alkaner. Nonacontatrictan har den lengste strukturen (C 390 H 782). Halogener kan feste seg til karbonatomer for å danne haloalkaner.

Struktur og nomenklatur

Per definisjon er alkaner mettede eller mettede hydrokarboner som har en lineær eller forgrenet struktur. Også kalt parafiner. Alkanmolekyler inneholder kun enkelt kovalente bindinger mellom karbonatomer. Generell formel -

For å navngi et stoff må du følge reglene. I følge internasjonal nomenklatur dannes navn ved å bruke suffikset -an. Navnene på de fire første alkanene ble dannet historisk. Fra den femte representanten er navnene sammensatt av et prefiks som indikerer antall karbonatomer og suffikset -an. For eksempel danner okta (åtte) oktan.

For forgrenede kjeder legges navnene sammen:

• fra tall som indikerer antall karbonatomer i nærheten av radikalene er lokalisert;
• fra navnet på radikaler;
• fra navnet på hovedkretsen.

Eksempel: 4-metylpropan - det fjerde karbonatomet i propankjeden har et radikal (metyl).

Ris. 1. Strukturformler med navn på alkaner.

Hver tiende alkan gir navnet til de neste ni alkanene. Etter dekanen kommer undecan, dodecane og deretter, etter eicosane - heneicosane, docosane, tricosane, etc.

Homolog serie

Den første representanten er metan, og derfor kalles alkaner også den homologe metanserien. Tabellen over alkaner viser de første 20 representantene.

Fra og med butan har alle alkaner strukturelle isomerer. Navnet er vedlagt prefikset iso-: isobutan, isopentan, isohexan.

Ris. 2. Eksempler på isomerer.

Fysiske egenskaper

Tilstanden for aggregering av stoffer endres i listen over homologer fra topp til bunn. Jo flere karbonatomer den inneholder, og følgelig jo større molekylvekten til forbindelsene er, jo høyere kokepunkt og jo hardere stoffet.

De resterende stoffene som inneholder mer enn 15 karbonatomer er i fast tilstand.

Gassformige alkaner brenner med en blå eller fargeløs flamme.

Kvittering

Alkaner, som andre klasser av hydrokarboner, er hentet fra olje, gass og kull. Laboratorie- og industrimetoder brukes til dette:

• gassifisering av fast brensel:

  C + 2H2 -> CH4;

• hydrogenering av karbonmonoksid (II):

  CO + 3H2 -> CH4 + H20;

• hydrolyse av aluminiumkarbid:

  Al4C3 + 12H20 → 4Al(OH)3 + 3CH4;

• reaksjon av aluminiumkarbid med sterke syrer:

  Al4C3 + H2Cl → CH4 + AlCl3;

• reduksjon av haloalkaner (substitusjonsreaksjon):

  2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;

• hydrogenering av haloalkaner:

  CH3Cl + H2 -> CH4 + HCl;

• fusjon av salter av eddiksyre med alkalier (Dumas-reaksjon):

  CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.

Alkaner kan oppnås ved hydrogenering av alkener og alkyner i nærvær av en katalysator - platina, nikkel, palladium.

Kjemiske egenskaper

Alkaner reagerer med uorganiske stoffer:

• forbrenning:

  CH4 + 202 -> CO2 + 2H20;

• halogenering:

  CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl;

• nitrering (Konovalov-reaksjon):

  CH4 + HNO3 -> CH3NO2 + H20;

• tiltredelse:

Hydrokarboner er de enkleste organiske forbindelsene. De består av karbon og hydrogen. Forbindelser av disse to grunnstoffene kalles mettede hydrokarboner eller alkaner. Sammensetningen deres uttrykkes med formelen CnH2n+2, felles for alkaner, hvor n er antall karbonatomer.

I kontakt med

Klassekamerater

Alkaner - det internasjonale navnet på disse forbindelsene. Disse forbindelsene kalles også parafiner og mettede hydrokarboner. Bindingene i alkanmolekyler er enkle (eller enkle). De gjenværende valensene er mettet med hydrogenatomer. Alle alkaner er mettet med hydrogen til det ytterste, dets atomer er i en tilstand av sp3-hybridisering.

Homolog serie av mettede hydrokarboner

Den første i den homologe serien av mettede hydrokarboner er metan. Formelen er CH4. Endelsen -an i navnet til mettede hydrokarboner er et særtrekk. Videre, i samsvar med den gitte formelen, er etan - C2H6, propan - C3H8, butan - C4H10 lokalisert i den homologiske serien.

Fra den femte alkanen i den homologe serien er navnene på forbindelser dannet som følger: et gresk tall som indikerer antall hydrokarbonatomer i molekylet + endelsen -an. Så, på gresk er tallet 5 pende, så etter butan kommer pentan - C5H12. Neste er heksan C6H14. heptan - C7H16, oktan - C8H18, nonan - C9H20, dekan - C10H22, etc.

De fysiske egenskapene til alkaner endres merkbart i den homologe serien: smelte- og kokepunktene øker, og tettheten øker. Metan, etan, propan, butan under normale forhold, dvs. ved en temperatur på omtrent 22 grader Celsius, er gasser, pentan til heksadekan er væsker, og heptadekan er faste stoffer. Starter med butan, alkaner har isomerer.

Det er tabeller som viser endringer i den homologe rekken av alkaner, som tydelig gjenspeiler deres fysiske egenskaper.

Nomenklatur for mettede hydrokarboner, deres derivater

Hvis et hydrogenatom abstraheres fra et hydrokarbonmolekyl, dannes det monovalente partikler, som kalles radikaler (R). Navnet på radikalet er gitt av hydrokarbonet som dette radikalet er produsert fra, og endelsen -an endres til endelsen -yl. For eksempel, fra metan, når et hydrogenatom fjernes, dannes et metylradikal, fra etan - etyl, fra propan - propyl, etc.

Radikaler dannes også av uorganiske forbindelser. For eksempel, ved å fjerne hydroksylgruppen OH fra salpetersyre, kan du få et enverdig radikal -NO2, som kalles en nitrogruppe.

Når separert fra et molekyl alkan av to hydrogenatomer, toverdige radikaler dannes, hvis navn også dannes fra navnene på de tilsvarende hydrokarboner, men avslutningen endres til:

• ylen, hvis hydrogenatomene fjernes fra ett karbonatom,
• ylen, i tilfellet hvor to hydrogenatomer fjernes fra to tilstøtende karbonatomer.

Alkaner: kjemiske egenskaper

La oss vurdere reaksjoner som er karakteristiske for alkaner. Alle alkaner deler felles kjemiske egenskaper. Disse stoffene er inaktive.

Alle kjente reaksjoner som involverer hydrokarboner er delt inn i to typer:

• spaltning av CH-bindingen (et eksempel er en substitusjonsreaksjon);
• brudd på C-C-bindingen (sprekker, dannelse av separate deler).

Radikale er veldig aktive på dannelsestidspunktet. Av seg selv eksisterer de i en brøkdel av et sekund. Radikale reagerer lett med hverandre. Deres uparrede elektroner danner en ny kovalent binding. Eksempel: CH3 + CH3 → C2H6

Radikale reagerer lett med molekyler av organiske stoffer. De fester seg enten til dem eller fjerner et atom med et uparet elektron fra dem, som et resultat av at nye radikaler oppstår, som igjen kan reagere med andre molekyler. Med en slik kjedereaksjon oppnås makromolekyler som slutter å vokse først når kjeden brytes (eksempel: kombinasjonen av to radikaler)

Frie radikalereaksjoner forklarer mange viktige kjemiske prosesser, for eksempel:

• Eksplosjoner;
• Oksidasjon;
• Petroleum cracking;
• Polymerisering av umettede forbindelser.

Detaljer kjemiske egenskaper kan vurderes mettede hydrokarboner med metan som eksempel. Ovenfor har vi allerede vurdert strukturen til et alkanmolekyl. Karbonatomene i metanmolekylet er i en tilstand av sp3-hybridisering, og det dannes en ganske sterk binding. Metan er en gass med lukt og farge. Det er lettere enn luft. Lite løselig i vann.

Alkaner kan brenne. Metan brenner med en blåaktig blek flamme. I dette tilfellet vil resultatet av reaksjonen være karbonmonoksid og vann. Når de blandes med luft, så vel som i en blanding med oksygen, spesielt hvis volumforholdet er 1:2, danner disse hydrokarbonene eksplosive blandinger, noe som gjør det ekstremt farlig for bruk i hverdagen og i gruver. Hvis metan ikke brenner helt, dannes det sot. I industrien er det slik det oppnås.

Formaldehyd og metylalkohol oppnås fra metan ved oksidasjon i nærvær av katalysatorer. Hvis metan varmes opp kraftig, spaltes det i henhold til formelen CH4 → C + 2H2

Metanforfall kan utføres til mellomproduktet i spesialutstyrte ovner. Mellomproduktet vil være acetylen. Reaksjonsformelen er 2CH4 → C2H2 + 3H2. Separasjonen av acetylen fra metan reduserer produksjonskostnadene med nesten det halve.

Hydrogen produseres også fra metan ved å omdanne metan med vanndamp. Substitusjonsreaksjoner er karakteristiske for metan. Ved vanlige temperaturer, i lyset, fortrenger altså halogener (Cl, Br) hydrogen fra metanmolekylet i trinn. På denne måten dannes stoffer som kalles halogenderivater. Klor atomer Ved å erstatte hydrogenatomer i et hydrokarbonmolekyl danner de en blanding av forskjellige forbindelser.

Denne blandingen inneholder klormetan (CH3Cl eller metylklorid), diklormetan (CH2Cl2 eller metylenklorid), triklormetan (CHCl3 eller kloroform), karbontetraklorid (CCl4 eller karbontetraklorid).

Enhver av disse forbindelsene kan isoleres fra blandingen. I produksjonen er kloroform og karbontetraklorid av stor betydning, på grunn av det faktum at de er løsemidler av organiske forbindelser (fett, harpiks, gummi). Metanhalogenderivater dannes av en kjedefri radikalmekanisme.

Lys påvirker klormolekyler som et resultat faller de fra hverandre til uorganiske radikaler som abstraherer et hydrogenatom med ett elektron fra metanmolekylet. Dette produserer HCl og metyl. Metyl reagerer med et klormolekyl, noe som resulterer i et halogenderivat og et klorradikal. Kloradikalet fortsetter så kjedereaksjonen.

Ved vanlige temperaturer er metan tilstrekkelig motstandsdyktig mot alkalier, syrer og mange oksidasjonsmidler. Unntaket er salpetersyre. I reaksjon med det dannes nitrometan og vann.

Addisjonsreaksjoner er ikke typiske for metan, siden alle valenser i molekylet er mettet.

Reaksjoner der hydrokarboner deltar kan oppstå ikke bare med spaltningen av CH-bindingen, men også med spaltningen av C-C-bindingen. Slike transformasjoner skjer i nærvær av høye temperaturer og katalysatorer. Disse reaksjonene inkluderer dehydrogenering og cracking.

Fra mettede hydrokarboner oppnås syrer ved oksidasjon - eddiksyre (fra butan), fettsyrer (fra parafin).

Metanproduksjon

Metan i naturen distribuert ganske bredt. Det er hovedkomponenten i de fleste brennbare naturlige og kunstige gasser. Det frigjøres fra kull i gruver, fra bunnen av sumper. Naturgasser (som er svært merkbare i tilhørende gasser fra oljefelt) inneholder ikke bare metan, men også andre alkaner. Bruken av disse stoffene er variert. De brukes som drivstoff i ulike industrier, medisin og teknologi.

Under laboratorieforhold frigjøres denne gassen ved oppvarming av en blanding av natriumacetat + natriumhydroksid, samt ved reaksjon av aluminiumkarbid og vann. Metan fås også fra enkle stoffer. For dette, forutsetninger er oppvarming og katalysator. Produksjon av metan ved syntese basert på vanndamp er av industriell betydning.

Metan og dets homologer kan oppnås ved kalsinering av salter av de tilsvarende organiske syrene med alkalier. En annen metode for å produsere alkaner er Wurtz-reaksjonen, der monohalogenderivater varmes opp med natriummetall.