Алканы (Парафины)

Лекция 6 1.Гомологический ряд алканов 2. Номенклатура аканов 3. Строение алканов 4. Изомерия в ряду алканов 5. Получение алканов из природных источников 6. Синтез алканов 7. Физические свойства алканов 8. Химические свойства алканов

Алканы (парафины) – углеводороды с открытой цепью, в которых атомы углерода соединены друг с другом одинарными связями, а остальные свободные валентности насыщены атомами водорода. "парафины" – от лат. parrum affinis – малоактивный Гомологический ряд – группа родственных органических соединений, отвечающих одной общей формуле и содержащих общие структурные элементы, но отличающихся между собой на одну или несколько метиленовых групп (СН 2 ). 1. Гомологический ряд алканов C n H 2n+2 Общая формула алканов

МетанCH 4 CH 3 -Метил (Me) ЭтанCH 3 C2H6C2H6 CH 3 CH 2 -Этил (Et) ПропанCH 3 CH 2 СН 3 C3H8C3H8 CH 3 CH 2 СН 2 -н-Пропил (Pr) н-БутанCH 3 CH 2 CH 2 CH 3 C 4 H 10 CH 3 (CH 2 ) 2 CH 2 - н-Бутил (Bu) н-ПентанCH 3(CH 2 ) 3 CH 3 C 5 H 12 CH 3(CH 2 ) 3 CH 2 -н-Пентил н-ГексанCH 3(CH 2 ) 4 CH 3 C 6 H 14 CH 3(CH 2 ) 4 CH 2 -н-Гексил н-ГептанCH 3(CH 2 ) 5 CH 3 C 7 H 16 CH 3(CH 2 ) 5 CH 2 -н-Гептил Н-Октан CH 3(CH 2 ) 6 CH 3 C 8 H 18 н-НонанCH 3(CH 2 ) 7 CH 3 C 9 H 20 н-деканCH 3(CH 2 ) 8 CH 3 C 10 H Гомологический ряд алканов «н» - нормального (неразветвленного строения)

2. Систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC), (1892г., г. Женева) Международный союз химии 1.Название алкана оканчивается на –ан. 2.Выбирается самая длинная неразветвленная цепь атомов углерода; соединенные с ней алкильные группы рассматриваются как заместители. 3. Атомы углерода основной цепи нумеруются последовательно с того ее конца, который дает заместителю наименьший номер. 4. Название заместителей перечисляют в алфавитном порядке, указывая перед названием номер атома, у которого расположен заместитель. Название всему соединению дает самая длинная углеводородная цепь. 2,3-диметилгексан Классификация атомов углерода: Первичный (1 0 ) - связан только с одним углеродным атомом; Вторичный (2 0 ) - связан с двумя атомами углерода; Третичный (3 0 ) – связан с тремя атомами углерода.

Правила ИЮПАК разрешают использовать для алкильных заместителей тривиальные названия: Изопропил (iPr) Изобутил (iBu) Изопентил (Изоамил) втор-Бутил (sBu) Неопентил трет-Бутил (tBu) трет-Пентил

3. Строение алканов 1s 2 2sp 3 CH 4 CH 3 -CH 3 заслоненная конформация вид вдоль связи С-С проекции Ньюмена заторможенная конформация (более устойчивая) Свободное вращение вокруг С-С-связи заслоненная конформация заторможенная конформация

4. Изомерия алканов Изомерия – явление, обусловленное существованием молекул, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различающихся по химическим и физическим свойствам вследствие неодинакового расположения атомов (атомных группировок) в молекуле или их ориентации в пространстве. Изомеры – соединения, отвечающие одной молекулярной формуле, но различающиеся между собой по строению Изомерия углеродного скелета Конформационная изомерия Изомеры имеют разные физические свойства, но сходное химическое поведение

5. Получение алканов из природных источников (нефть, природный газ) C >C 70 C 20 - C C C 20 – C C C 14 – C C C 10 – C C C 5 – C C C 5 – C 9 C 1 – C 4 газы гудрон топливо масла, воски дизельное топливо керосин бензин сырье для тонкой химии

а) Каталитическое (Pt, Pd, Ni) гидрирование непредельных соединений и циклоалканов 6.Синтез алканов Реакции, не сопровождающиеся изменением числа углеродных атомов в молекуле: б) Восстановление алкилгалогенидов в) Реакция металлорганических соединений с водой : г) Восстановление карбонильных соединений. Реакция Кижнера-Вольфа карбонильное соединение алкан [H]: Zn/HCl, Zn(Hg)/HCl, HI

Реакции, сопровождающиеся уменьшением числа углеродных атомов б) Крекинг нефти Кре́кинг (англ. cracking, расщепление) высокотемпературная переработка нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы (моторных топлив, смазочных масел и т. п.). Владимир Григорьевич Шухов Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга нефти была запатентована инженером В.Г.Шуховым и его помощником С.П.Гавриловым в 1891 году (патент Российской империи от 27 ноября 1891 года). Научные и инженерные решения В.Г. Шухова повторены У. Бартоном при сооружении первой промышленной установки в США в годах. Первые отечественные промышленные установки крекинга построены В.Г.Шуховым в 1934 году на заводе "Советский крекинг" в Баку. Из получаемых алканов особенно ценны пропан, бутан, изобутан и изопентан а) Сплавление солей одноосновных карбоновых кислот с щелочами: натриевая соль карбоновой кислоты алкан

Электрокрекинг Каталитический риформинг

Реакции, сопровождающиеся удлинением углеродного скелета в) Электролиз солей карбоновых кислот (метод Кольбе (1849г.) б) Реакция Вюрца 2CH 3 –CH 2 Br (бромистый этил) + 2Na CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3(бутан) + 2NaBr а) Метод Фишера-Тропша (синтез из окиси углерода) Cырье для производства бензинов (алканы нормальные парафины с примесью разветвленных). nCO + 2(n+1)H 2 C n H 2n+2 + nH 2 O R· + R· R-R 2CH 3 Li + CuI CH 3 CuLi + LiI 2CH 3 CuLi + CH 3 CH 2 I CH 3 CH 2 CH 3 алкан

7. Физические свойства В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C 5 –C 17 – жидкости, а начиная с C 18 – твердые вещества. Температуры плавления и кипения алканов их плотности увеличиваются с ростом моле- кулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако раст- воримы в неполярных растворителях (бензол) и сами являются хорошими растворителями. НазваниеФормула t пл., С t кип., С d 4 20 * МетанCH ,5-161,5 0,415 (при -164 С) ЭтанC2H6C2H6 -182,8 -88,6 0,561 (при -100 С) ПропанC3H8C3H8 -187,6 -42,1 0,583 (при -44,5 С) БутанC 4 H ,3-0,5 0,500 (при 0 С) ИзобутанCH 3 –CH(CH 3 )–CH ,4 -11,70,563 ПентанC 5 H ,7 36,070,626 Изопентан(CH 3 ) 2 CH–CH 2 –CH ,9 27,90,620 НеопентанCH 3 –C(CH 3 ) 3 -16,6 9,50,613

8. Химические свойства алканов Типичная реакция алканов – радикальное замещение (S R ) Радикальное галогенирование алканов Механизм радикального замещения Инициирование цепи Рост цепи Обрыв цепи

Позиционная селективность радикального замещения Более устойчив, быстрее образуется, больше концентрация, быстрее превращается в продукт

Другие реакции радикального замещения алканреaгентусловияпродуктреакция пропанHNO 3 разб C, Р 2-нитропропан нитрование пропанSO 2, Cl 2 hνhν пропан-2-сульфонил хлорид сульфохлорирование пропанSO 2, O 2 hνhν пропан-2-сульфоновая кислота сульфоокисление

Окисление алканов (горение) Радикальный процесс; механизм реакции сложен, до конца полностью не установлен, Алканы – ценное высококалорийное топливо Антидeтонационные свойства топлива сильно зависят от структуры углеводородов бензиновой фракции нефти Относительная антидетонационная способность топлива характеризуется октановым числом ОЧ): н-гептан (ОЧ) = 0 (сильно детонирует) изооктан (2,2,4-триметилпентан) ОЧ = 100. Дегидрирование алканов этан этен (этилен)