Залежність хімічних властивостей вуглеводнів від хімічної будови. Будова, властивості та значення вуглеводнів


 алкани, алкени, алкіни, арени - характеристика, використання, реакції

1) Алкани– це граничні вуглеводні, у молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками. Склад їх відбиває одна загальна формула: З n Н 2n+2 .

Фізичні властивостіалканів залежить від складу їх молекул, тобто. від відносної молекулярної маси. Зі збільшенням відносної молекулярної маси у алканів збільшується температура кипіння і щільність, а також змінюється агрегатний стан: перші чотири алкани – газоподібні речовини, наступні одинадцять – рідини, а починаючи з гексадекану – тверді речовини.

Основним хімічною властивістюграничних вуглеводнів, визначальним використання алканів як паливо, є реакція горіння.

Для алканів, як для граничних вуглеводнів, найбільш характерні реакції заміщення. Так атоми водню молекулі метану здатні послідовно заміщатися на атоми галогенів.

Нітрування

Алкани реагують з азотною кислотою або N 2 O 4 у газовій фазі з утворенням нітропохідних. Усі наявні дані свідчить про вільно радикальний механізм. Внаслідок реакції утворюються суміші продуктів.

Крекінг

При нагріванні вище 500°C алкани піддаються піролітичного розкладання з утворенням складної суміші продуктів, склад та співвідношення яких залежать від температури та часу реакції.

Отримання

Основним джерелом алканов є нафта і природний газ, які зазвичай зустрічаються разом.

Застосування

Газоподібні алкани використовуються як цінне паливо. Рідкі у свою чергу становлять значну частку в моторних та ракетних паливах.

2) Алкени– це ненасичені вуглеводні містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, одну подвійну вуглець-вуглецевий зв'язок. Склад їх відображає формула: З n Н 2n.

Фізичні властивості

Температури плавлення та кипіння алкенів збільшуються з молекулярною масою та довжиною головного вуглецевого ланцюга. Алкени не розчиняються у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках.

Хімічні властивості

Алкени хімічно активні. Їх Хімічні властивостібагато в чому визначаються наявністю подвійного зв'язку. Для алкенів найбільш типовими є реакції приєднання:

1) Водню, 2) Води, 3) Галогенів, 4) Галогенводнів.

Алкени легко вступають у реакції окислення, окислення алкенів може відбуватися залежно від умов і видів окислювальних реагентів як з розривом подвійного зв'язку, так і зі збереженням вуглецевого скелета.

Методи одержання алкенів

Основним промисловим методом отримання алкенів є каталітичний і високотемпературний крекінґвуглеводнів нафти та природного газу. Для нижчих алкенів використовують також реакцію дегідратації відповідних спиртів.

У лабораторній практиці зазвичай застосовують метод дегідратації спиртів у присутності сильних мінеральних кислот. У природі ациклічні алкени практично не зустрічаються. Найпростіший представник цього класу органічних сполук – етилен (C 2 H 4) – є гормоном для рослин та у незначній кількості в них синтезується.

Застосування

Алкени є найважливішою хімічною сировиною. Алкени застосовуються як вихідні продукти у виробництві полімерних матеріалів (пластмас, плівок) та інших органічних речовин. Найвищі алкени застосовують для отримання вищих спиртів.

3) Алкіни– це ненасичені вуглеводні, молекули яких містять, крім одинарних зв'язків, один потрійний вуглець-вуглецевий зв'язок. Склад відображає формула: З n Н 2n-2 .

Фізичні властивості

Алкіни за своїми фізичними властивостями нагадують відповідні алкени. Нижчі (до 4) - гази без кольору і запаху, мають вищі температури кипіння, ніж аналоги в алкенах. Алкіни погано розчиняються у воді, але краще - в органічних розчинниках. Наявність потрійного зв'язку в ланцюзі призводить до підвищення температури кипіння, щільності та розчинності їх у воді.

Хімічні властивості

Як і всі ненасичені сполуки, алкіни активно вступають у реакції приєднання: 1) галогенів, 2) водню, 3) галогенводнів, 4) води. Вступають в реакції окислення. Через наявність потрійного зв'язку схильні до реакцій полімеризації, які можуть протікати в декількох напрямках:

a) Під впливом комплексних солей міді відбувається димеризація та лінійна

тримеризація ацетилену.

b)При нагріванні ацетилену у присутності активованого вугілля (реакція Зелінського) здійснюється циклічна тримеризація з утворенням бензолу.

Методи отримання

Основним промисловим способом отримання ацетилену є електро- або термокрекінг метану, піроліз природного газу і карбідний метод.

Застосування

Серйозне промислове значення має лише ацетилен, що є найважливішою хімічною сировиною. При горінні ацетилену в кисні температура полум'я досягає 3150°C, тому ацетилен використовують для різання та зварювання металів.

4) Арени- Ароматичні вуглеводні, що містять одне або кілька бензольних кілець.

Фізичні властивості

Як правило, ароматичні сполуки – тверді або рідкі речовини. Відрізняються високими показникамизаломлення та поглинання. Нерозчинні у воді, але добре розчиняються у багатьох органічних рідинах. Вогненебезпечні, бензол є токсичним.

Хімічні властивості

Для ароматичних сполук характерні реакції заміщення атомів водню, пов'язаних із циклом. Можливі реакції приєднання та окислення, але проходять насилу, оскільки порушують ароматичність.

Методи отримання

Основними природними джерелами ароматичних вуглеців є

кам'яне вугілля та нафта. Тримеризація ацетилену та його гомологів над активованим вугіллям при 600 °C. Каталітичне дегідрування циклогексану та його похідних.

Застосування- Ароматичні вуглеводні, в першу чергу бензол, широко застосовуються в промисловості: як добавка до бензину, при виробництві розчинників, вибухових речовин, барвника аніліну, лікарських засобів.

10. Структура, риси та значущість derivátov uhlovodíkov

halové deriváty, nitrosloučeniny, aminosloučeniny, alkoholy a fenoly, aldehydy a ketony, karboxylové slúčeniny

10. Будова, властивості та значення похідних вуглеводнів

галогеноалкани, нітросполуки, аміносполуки, спирти та феноли, альдегіди та кетони, карбонові кислоти - характеристика, використання, реакції

1) Галогеналкани- органічні сполуки, що містять у своєму складі зв'язок «вуглець-галоген». В силу того, що атоми галогенів є більш негативними, ніж атом вуглецю, зв'язок С-Хполяризована таким чином, що атом галогену набуває часткового негативного заряду, а атом вуглецю - частковий позитивний. Більшість галогеноалканів у чистому вигляді є безбарвними сполуками. Чим більше атомів вуглецю, тим вище температури плавлення та кипіння. Якщо ж в одного атома вуглецю містяться 2 або 3 атоми галогену, то температура плавлення та кипіння такої сполуки, навпаки, знижуються. Характерні реакції - реакція Вюрца, нуклеофільне заміщення, елімінування, взаємодія з лужними та лужноземельними металами. Отримують галогеналкани шляхом хлорування алканів на світлі, гідрохлоруванням ненасичених вуглеців або отримують зі спиртів. тефлон; як холодоагентів.

2) Нітросполуки- органічні сполуки, що містять одну або кілька нітрогруп-NO 2 . Під нітросполуками зазвичай мають на увазі C-нітросполуки, в яких нітрогрупа пов'язана з атомом вуглецю. Всі нитросполуки є досить сильними отрутами для центральної нервової системи. Завдяки високої полярності нитросполуки можуть розчиняти такі речовини, які не розчиняються у звичайних розчинниках. Полінітросполуки зазвичай слабо забарвлені, вибухові при ударі детонації.

За хімічною поведінкою нітросполуки виявляють певну схожість із азотною кислотою. Ця схожість проявляється при окислювально-відновних реакціях: Відновлення нітросполук (Реакція Зініна), реакції конденсації, Таутомерія (явище зворотної ізомерії) нітросполук.

Нітросполуки широко застосовуються в органічному синтезі для отримання різних речовин, що використовуються у виробництві барвників та лікарських засобів. Деякі з нітросполук застосовуються як протигрибкові та протимікробні засоби. Полінітропохідні – тротил, пікринова кислота та її солі – використовуються як вибухові речовини.

4)Аміносполуки– це органічні сполуки, що є похідними аміаку, в молекулі якого один, два або три атоми водню заміщені на вуглеводневий радикал. Аміни класифікуються за двома структурними ознаками: 1) За кількістю радикалів, пов'язаних з атомом азоту, розрізняють первинні, вторинні та третинні аміни. 2) За характером вуглеводневого радикалу аміни поділяються на аліфатичні, ароматичні та змішані.

Метиламін, диметиламін і триметиламін - гази, середні члени аліфатичного ряду - рідини, вищі - тверді речовини. Подібно до аміаку, нижчі аміни чудово розчиняються вводі, утворюючи лужні розчини. З підвищенням молекулярної ваги розчинність амінів у воді погіршується. Запах амінів нагадує запах аміаку, вищі аміни практично позбавлені запаху. Температури співу первинних амінів значно нижчі, ніж у відповідних спиртів.

Аміни жирного ряду, подібно до аміаку, здатні з'єднуватися з кислотами, навіть з такими слабкими, як вугільна кислота, і дають при цьому відповідні солі заміщених амонієвих основ. Дія азотистої кислоти на аміни є їхньою характерною реакцією, що дозволяє розрізнити первинні, вторинні та третинні аміни.

Ацилювання. При нагріванні з карбоновими кислотами, їх ангідридами, хлорангідридами або складними ефірами первинні та вторинні аміни ацилюються з утворенням N-заміщених амідів. для органічного синтезу

5) Спирти- органічні сполуки, що містять одну або більше гідроксильних груп. За кількістю гідроксильних груп, що містяться в молекулі, спирти поділяються на одноатомні двоатомні, трихатомні та багатоатомні. .Молекули спиртів, подібні до молекули води, проте спирти мають значно вищі температури плавлення і кипіння. Характерні для цього класу сполук властивості обумовлені наявністю гідроксильної групи. Спирти взаємодіють з: лужними та лужноземельними металами, з галогенводнями та

з органічними та неорганічними кислотамиіз заснуванням складних ефірів. Також бувають реакції міжмолекулярної дегідратації спиртів, дегідрування та реакції окиснення спиртів. Спирти поширені у природі як у вільному вигляді, і у складі складних ефірів. Спирти можуть бути отримані з різних класів сполук, таких як вуглеводні, галогеналкани, аміни ікарбонільні сполуки. В основному, всі методи зводяться до реакцій окислення, відновлення, приєднання та заміщення. У промисловості спирти одержують за допомогою хімічних методів або біохімічних методів виробництва. Області використання спиртів численні та різноманітні, особливо враховуючи найширший спектрз'єднань, що належать до цього класу. Спирти використовують як розчинники та очищувачі, етиловий спиртє основою алкогольної продукції, яка також широко використовується в парфумерній промисловості та багатьох інших сферах.

6) Феноли- Це органічні сполуки, в молекулах яких радикал феніл пов'язаний з однією або декількома гідроксильними групами. За кількістю ОН-груп розрізняють одноатомні та багатоатомні феноли. Більшість одноатомних фенолів за нормальних умов є безбарвними кристалічними речовинами з невисокою температурою плавлення і характерним запахом. Феноли малорозчинні у воді, добре розчиняються в органічних розчинниках, токсичні, при зберіганні на повітрі поступово темніють внаслідок окислення. У фенолу яскраво виражені кислотні властивості. Це з тим, що вільна електронна пара кисню у фенолі відтягнута до ядру. При взаємодії фенолу із лугами утворюються солі – феноляти. За рахунок гідроксильної групи фенол взаємодіятиме з лужними металами.

За участю бензольного кільця протікають також реакції заміщення та приєднання.

Феноли у значних кількостях містяться кам'яновугільній смолі. Фенол отримують також сплавленням натрієвої солі бензолсульфокислоти з їдким натром.

Фенол використовується у виробництві пластичних мас, пікринової кислоти, барвників, засобів для боротьби з комахами. Всі феноли мають бактерицидну дію, тому вони застосовуються як дезінфікуючі засоби в медицині та ветеринарії.

Альдегіди та кетони

Альдегіди– це органічні сполуки, молекули яких містять карбоксильну групу, пов'язану з атомом водню та вуглеводневим радикалом.

Кетони– це органічні речовини, молекули яких містять карбонільну групу, поєднану з двома вуглеводневими радикалами.

Оскільки альдегіди і кетони – полярні сполуки, вони мають вищі температури кипіння, ніж неполярні, проте нижче, ніж у спиртів, що свідчить про відсутність молекулярної асоціації. Добре розчиняються у воді, проте зі збільшенням розміру молекул розчинність різко зменшується. Вищі альдегіди і кетони мають приємний запах, середні гомологи ряду альдегідів мають стійкий характерний запах, нижчі альдегіди мають різкий неприємний запах. Для альдегідів і кетонів характерні реакції приєднання по подвійному зв'язку. Крім реакції приєднання по карбонільній групі, для альдегідів характерні також реакції за участю альфа-атомів водню, сусідніх з карбонільною групою. Їхня реакційна здатність пов'язана з електроноакцепторним впливом карбонільної групи, що проявляється у підвищеній полярності зв'язку. Це призводить до того, що альдегіди, на відміну кетонів, легко окислюються. Їхня взаємодія з аміачним розчином оксиду срібла є якісною реакцією на альдегіди. Загальним способом отримання альдегідів і кетонів є окислення спиртів на мідному каталізаторі. У промисловості альдегіди та кетони отримують дегідрування спиртів. У промисловості кетони використовують як розчинники, фармацевтичні препарати та для виготовлення різних полімерів. З усіх альдегідів найбільше виробляється формальдегіду. Він, переважно, використовується у виробництві смол. Також із нього синтезують лікарські засобивикористовують як консервант біологічних препаратів.

8) Карбонові кислоти– це органічні сполуки, молекули яких містять карбоксильну групу -СООН, пов'язану з вуглеводневим радикалом. Хороша розчинність у воді, але зі збільшенням вуглеводневого радикалу погіршується. Нижчі члени гомологічного ряду за звичайних умов є рідини, що мають характерний гострий запах. Середні представники цього гомологічного ряду – в'язкі рідини; починаючи з 10 - тверді речовини. Карбоксильна група влаштована таким чином, що молекула досить легко може відщеплювати водень - виявляти властивості кислоти. Карбонові кислоти реагують з металами та їх сполуками, витісняють слабші кислоти з їх солей, взаємодіють з основними та амфотерними оксидами та гідроксидами, а також беруть участь у реакції етерифікації. Карбонові кислоти отримують шляхом окислення альдегідів та спиртів та гідролізом складних ефірів. Мурашину кислоту застосовують у медицині, оцтова кислота застосовується в харчовій промисловості, а також використовується як розчинник.

11. Makromolekulárнi лiки, що vznikають polymerací, polykondenzací a polyadicí

будівельна a strukturna jednotka

риси makromolekulárníх

polymery, polyestery, polyamidy, fenoplasty, aminoplasty, polyuretany

Характерні хімічні властивості вуглеводнів: алканів, алкенів, дієнів, алкінів, ароматичних вуглеводнів

Алкани

Алкани - вуглеводні, у молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками і відповідають загальній формулі $С_(n)Н_(2n+2)$.

Гомологічний ряд метану

Як ви вже знаєте, гомологи- Це речовини, подібні за будовою і властивостями і відрізняються на одну або більше груп СН_2 $.

Граничні вуглеводні становлять гомологічний ряд метану.

Ізомерія та номенклатура

Для алканів характерна так звана структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Як вам уже відомо, найпростіший алкан, для якого характерні структурні ізомери, це бутан:

Розглянемо докладніше для алканів основи номенклатури ІЮПАК:

1. Вибір головного кола.

Формування назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга — найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі, який є ніби її основою.

2.

Атомам головного ланцюга надають номери. Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, якого ближче стоїть заступник (структури А, Б). Якщо заступники знаходяться на рівній відстані від кінця ланцюга, то нумерація починається від того кінця, при якому їх більше (структура). Якщо різні заступники знаходяться на рівній відстані від кінців ланцюга, то нумерація починається з того кінця, до якого ближче старший (структура Г). Старшинство вуглеводневих заступників визначається за тим, в якому порядку слідує в алфавіті буква, з якої починається їх назва: метил (—$СН_3$), потім пропив ($—СН_2—СН_2—СН_3$), етил ($—СН_2—СН_3$ ) і т.д.

Зверніть увагу на те, що назва заступника формується заміною суфікса -анна суфікс -ілу назві відповідного алкану.

3. Формування назви.

На початку назви вказують цифри — номери атомів вуглецю, за яких знаходяться заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться кілька заступників, то відповідний номер у назві повторюється двічі через кому ($2.2-$). Після номера через дефіс вказують кількість заступників ( ді- два, три- три, тетра- чотири, пента- п'ять) та назва заступника ( метил, етил, пропив). Потім без прогалин і дефісів назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду метану ( метан, етан, пропан і т.д.).

Назви речовин, структурні формули яких наведені вище, такі:

- Структура А: $ 2 $ -метилпропан;

- Структура Б: $ 3 $ -етилгексан;

- Структура В: $ 2,2,4 $ -триметилпентан;

- Структура Г: $ 2 $ -метил$4$-етілгексан.

Фізичні та хімічні властивості алканів

Фізичні властивості.Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них — метан — газ без кольору, смаку та запаху (запах газу, відчувши який, треба дзвонити $104$, визначається запахом меркаптанів — сірковмісних сполук, що спеціально додаються до метану, що використовується в побутових та промислових газових приладах, для того, щоб люди , що знаходяться поряд з ними, могли за запахом визначити витік).

Вуглеводні складу від $С_5Н_(12)$ до $С_(15)Н_(32)$ - рідини; Найважчі вуглеводні - тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення алканів поступово збільшуються із зростанням довжини вуглецевого ланцюга. Усі вуглеводні погано розчиняються у воді, рідкі вуглеводні є поширеними органічними розчинниками.

Хімічні властивості.

1. Реакція заміщення.Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході якого атом водню заміщається на атом галогену або групу.

Наведемо рівняння найхарактерніших реакцій.

Галогенування:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

У разі надлишку галогену хлорування може піти далі, аж до повного заміщення всіх атомів водню на хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"дихлорметан(хлористий метилен)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"трихлорметан(хлороформ)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"тетрахлорметан(чотирьоххлористий вуглець)")$.

Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.

2. Дегідрування (відщеплення водню).Під час пропускання алканів над каталізатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при високій температурі($400-600°С$) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:

$CH_3-CН_3→СH_2=CH_2+Н_2$

3. Реакції, що супроводжуються руйнуванням вуглецевого ланцюга.Усі граничні вуглеводні горятьз утворенням вуглекислого газу та води. Газоподібні вуглеводні, змішані з повітрям у певних співвідношеннях, можуть вибухати. Горіння граничних вуглеводнів - це вільнорадикальна екзотермічна реакція, яка має дуже велике значення при використанні алканів як паливо:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$

У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати так:

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термічне розщеплення вуглеводнів:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Процес протікає за вільнорадикальним механізмом. Підвищення температури призводить до гомолітичного розриву вуглець-вуглецевого зв'язку та утворення вільних радикалів:

$R-CH_2CH_2:CH_2-R→R-CH_2CH_2·+·CH_2-R$.

Ці радикали взаємодіють між собою, обмінюючись атомом водню, з утворенням молекули алкану та молекули алкену:

$R-CH_2CH_2·+·CH_2-R→R-CH=CH_2+CH_3-R$.

Реакції термічного розщеплення лежать основу промислового процесу — крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.

При нагріванні метану до температури $1000°С починається піроліз метану — розкладання на прості речовини:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

При нагріванні до температури $1500°С$ можливе утворення ацетилену:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Ізомеризація.При нагріванні лінійних вуглеводнів з каталізатором ізомеризації (хлоридом алюмінію) відбувається утворення речовин із розгалуженим вуглецевим скелетом:

5. Ароматизація.Алкани з шістьма та більше вуглецевими атомами в ланцюгу в присутності каталізатора циклізуються з утворенням бензолу та його похідних:

У чому причина того, що алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом? Усі атоми вуглецю в молекулах алканів перебувають у стані $sp^3$-гібридизації. Молекули цих речовин побудовані за допомогою ковалентних неполярних $С-С$ (вуглець - вуглець) зв'язків та слабополярних $С-Н$ (вуглець - водень) зв'язків. Вони немає ділянок з підвищеною і зі зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, тобто. таких зв'язків, електронна щільність яких може зміщуватися під впливом зовнішніх чинників (електростатичних полів іонів). Отже, алкани нічого очікувати реагувати із зарядженими частинками, т.к. зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом.

Алкени

До ненасичених відносять вуглеводні, що містять в молекулах кратні зв'язки між атомами вуглецю. Ненасичені алкени, алкадієни (полієни), алкіни.Ненасиченим характером мають також циклічні вуглеводні, що містять подвійний зв'язок у циклі (циклоалкени), а також циклоалкани з невеликим числом атомів вуглецю в циклі (три або чотири атоми). Властивість ненасиченості пов'язана зі здатністю цих речовин вступати в реакції приєднання, насамперед водню, з утворенням граничних, або насичених, вуглеводнів - алканів.

Алкени — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один подвійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n)$.

Своя друга назва - олефіни- Алкени отримали за аналогією з жирними ненасиченими кислотами (олеїнова, лінолева), залишки яких входять до складу рідких жирів - масел (від лат. oleum- масло).

Гомологічний ряд етену

Нерозгалужені алкени складають гомологічний ряд етену (етилену):

$С_2Н_4$ — етен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_(10)$ — пентен, $С_6Н_(12)$ — гексен тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкенів, так само, як і для алканів, характерна структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Найпростіший алкен, для якого характерні структурні ізомери, - це бутен:

Особливим видом структурної ізомерії є ізомерія положення подвійного зв'язку:

$СН_3—(СН_2)↙(бутен-1)—СН=СН_2$ $СН_3—(СН=СН)↙(бутен-2)—СН_3$

Навколо одинарного вуглець-вуглецевого зв'язку можливе практично вільне обертання атомів вуглецю, тому молекули алканів можуть набувати найрізноманітнішої форми. Обертання навколо подвійного зв'язку неможливо, що призводить до появи у алкенів ще одного виду ізомерії - геометричної, або цис-транс ізомерії.

Цис-ізомери відрізняються від транс-ізомерів просторовим розташуваннямфрагментів молекули (у разі метильних груп) щодо площині $π$-зв'язку, отже, і властивостями.

Алкени ізомерні циклоалканам (міжкласова ізомерія), наприклад:

Номенклатура алкенів, розроблена ІЮПАК, схожа на номенклатуру алканів.

1. Вибір головного кола.

Утворення назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі. У разі алкенів головний ланцюг повинен містити подвійний зв'язок.

2. Нумерація атомів головного кола.

Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, до якого ближче перебуває подвійний зв'язок. Наприклад, правильна назва з'єднання:

$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, як можна було б припустити.

Якщо за становищем подвійного зв'язку не можна визначити початок нумерації атомів у ланцюзі, його визначає положення заступників, як і граничних вуглеводнів.

3. Формування назви.

Назви алкенів формуються так само, як і назви алканів. Наприкінці назви вказують номер атома вуглецю, у якого починається подвійний зв'язок, і суфікс, що позначає належність з'єднання до класу алкенів. -Єн.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкенів

Фізичні властивості.Перші три представники гомологічного ряду алкенів - гази; речовини складу $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - рідини; вищі алкени – тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної маси сполук.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Нагадаємо, що відмінною рисоюпредставників ненасичених вуглеводнів - алкенів є здатність вступати в реакції приєднання. Більшість цих реакцій протікає механізмом

1. Гідрування алкенів.Алкени здатні приєднувати водень у присутності каталізаторів гідрування, металів - платини, паладію, нікелю:

$CH_3-CH_2-CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.

Ця реакція протікає при атмосферному і підвищеному тиску і вимагає високої температури, т.к. є екзотермічною. При підвищенні температури на тих же каталізаторах може бути зворотна реакція — дегідрування.

2. Галогенування (приєднання галогенів).Взаємодія алкену з бромною водою або розчином брому в органічному розчиннику ($CCl_4$) призводить до швидкого знебарвлення цих розчинів в результаті приєднання молекули галогену до алкену та утворення дигалоген алканів:

$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(пропен)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-бромпропен)-CH_3$

Ця реакція підпорядковується правилу Марковнікова:

При приєднанні галогеноводороду до алкену водень приєднується до гидрированному атому вуглецю, тобто. атому, у якому перебуває більше атомів водню, а галоген — менш гидрированному.

Гідратація алкенів призводить до утворення спиртів. Наприклад, приєднання води до етену лежить в основі одного з промислових способів одержання етилового спирту:

$(CH_2)↙(етен)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(етанол)$

Зверніть увагу на те, що первинний спирт (з гідроксогрупою при первинному вуглеці) утворюється тільки при гідратації етену. При гідратації пропену чи інших алкенів утворюються вторинні спирти.

Ця реакція протікає також відповідно до правила Марковнікова - катіон водню приєднується до більш гідрованого атома вуглецю, а гідроксогрупа - до менш гідрованого.

5. Полімеризація.Особливим випадком приєднання є реакція полімеризації алкенів:

$nCH_2(=)↙(етен)CH_2(→)↖(УФ-світло,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(поліетилен)...)_n$

Ця реакція приєднання протікає вільнорадикальним механізмом.

6. Реакція окиснення.

Як і будь-які органічні сполуки, алкени горять у кисні з утворенням $СО_2$ і $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.

Загалом:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

На відміну від алканів, які є стійкими до окислення в розчинах, алкени легко окислюються під дією розчинів перманганату калію. У нейтральних або лужних розчинах відбувається окислення алкенів до діолів (двохатомних спиртів), причому гідроксильні групи приєднуються до тих атомів, між якими до окислення існував подвійний зв'язок:

Алкадієни (дієнові вуглеводні)

Алкадієни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, два подвійні зв'язки між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Залежно від взаємного розташування подвійних зв'язків розрізняють три види дієнів:

- алкадієни з кумульованимрозташуванням подвійних зв'язків:

- алкадієни з пов'язанимиподвійними зв'язками;

$ CH_2 = CH-CH = CH_2 $;

- алкадієни з ізольованимиподвійними зв'язками

$CH_2=CH-CH_2-CH=CH_2$.

Ці всі три види алкадієнів суттєво відрізняються один від одного за будовою та властивостями. Центральний атом вуглецю (атом, що утворює два подвійні зв'язки) в алкадієнах з кумульованими зв'язками знаходиться в стані $sp$-гібридизації. Він утворює два $σ$-зв'язку, що лежать на одній прямій і спрямовані в протилежні сторони, і два $π$-зв'язку, що лежать у перпендикулярних площинах. $π$-Зв'язки утворюються за рахунок негібридизованих р-орбіталей кожного атома вуглецю. Властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками дуже специфічні, т.к. пов'язані $π$-зв'язки істотно впливають один на одного.

р-орбіталі, що утворюють пов'язані $π$-зв'язку, становлять практично єдину систему (її називають $π$-системою), т.к. р-орбіталі сусідніх $π$-зв'язків частково перекриваються.

Ізомерія та номенклатура

Для алкадієнів характерна як структурна ізомерія, так і цис-, транс-ізомерія.

Структурна ізомерія.

— ізомерія вуглецевого скелета:

— ізомерія положення кратних зв'язків:

$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(бутадієн-1,2)$

Цис-, транс-ізомерія (просторова та геометрична)

Наприклад:

Алкадієни ізомерні сполукам класів алкінів та циклоалкенів.

Під час формування назви алкадієну вказують номери подвійних зв'язків. Головний ланцюг повинен обов'язково містити два кратні зв'язки.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкадієнів

Фізичні властивості.

У звичайних умовах пропандієн-1,2, бутадієн-1,3 - гази, 2-метилбутадієн-1,3 - летюча рідина. Алкадієни з ізольованими подвійними зв'язками (найпростіший з них – пентадієн-1,4) – рідини. Вищі дієни – тверді речовини.

Хімічні властивості.

Хімічні властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками мало відрізняються від властивостей алкенів. Алкадієни з пов'язаними зв'язками мають деякі особливості.

1. Реакція приєднання.Алкадієни здатні приєднувати водень, галогени, галогеноводи.

Особливістю приєднання до алкадієнів із сполученими зв'язками є здатність приєднувати молекули як у положеннях 1 та 2, так і у положеннях 1 та 4.

Співвідношення продуктів залежить від умов та способу проведення відповідних реакцій.

2.Реакція полімеризації.Найважливішим властивістю дієнів є здатність полімеризуватися під впливом катіонів або вільних радикалів. Полімеризація цих сполук є основою синтетичних каучуків:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"синтетичний бутадієновий каучук")$ .

Полімеризація сполучених дієнів протікає як 1,4-приєднання.

У цьому випадку подвійний зв'язок виявляється центральним у ланці, а елементарна ланка, у свою чергу, може приймати як цис-, так і транс-конфігурацію.

Алкіни

Алкіни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один потрійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Гомологічний ряд

Нерозгалужені алкін складають гомологічний ряд етину (ацетилену):

$С_2Н_2$ — етин, $С_3Н_4$ — пропін, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_(10)$ — гексин тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкінів, так само як і для алкенів, характерна структурна ізомерія: ізомерія вуглецевого скелета та ізомерія положення кратного зв'язку. Найпростіший алкін, для якого характерні структурні ізомери положення кратного зв'язку класу алкінів, - це бутин:

$СН_3—(СН_2)↙(бутин-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(бутин-2)—СН_3$

Ізомерія вуглецевого скелета у алкінів можлива, починаючи з пентину:

Так як потрійний зв'язок передбачає лінійну будову вуглецевого ланцюга, геометрична ( цис-, транс-) ізомерія для алкінів неможлива.

Наявність потрійного зв'язку в молекулах вуглеводнів цього класу відбивається суфіксом -ін, А її становище в ланцюзі - номером атома вуглецю.

Наприклад:

Алкінам ізомерні сполуки деяких інших класів. Так, хімічну формулу $С_6Н_(10)$ мають гексин (алкін), гексадієн (алкадієн) та циклогексен (циклоалкен):

Фізичні та хімічні властивості алкінів

Фізичні властивості.Температури кипіння та плавлення алкінів, так само, як і алкенів, закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної маси сполук.

Алкіни мають специфічний запах. Вони краще розчиняються у воді, ніж алкани та алкени.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Алкіни відносяться до ненасичених сполук і вступають в реакції приєднання. Здебільшого це реакції електрофільного приєднання.

1. Галогенування (приєднання молекули галогену).Алкін здатний приєднати дві молекули галогену (хлору, брому):

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-диброметан),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-тетраброметан)$

2. Гідрогалогенування (приєднання галогеноводороду).Реакція приєднання галогеноводороду, що протікає по електрофільному механізму, також йде у дві стадії, причому на обох стадіях виконується правило Марковникова:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-бромпропен),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-дибромпропан)$

3. Гідратація (приєднання води).Велике значення для промислового синтезу кетонів та альдегідів має реакція приєднання води (гідратація), яку називають реакцією Кучерова:

4. Гідрування алкінів.Алкіни приєднують водень у присутності металевих каталізаторів ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Оскільки потрійний зв'язок містить два реакційно здатні $π$-зв'язки, алкани приєднують водень східчасто:

1) трімеризація.

При пропущенні етину над активованим вугіллям утворюється суміш продуктів, одним з яких є бензол:

2) димеризація.

Крім тримеризації ацетилену, можлива його димеризація. Під дією солей одновалентної міді утворюється вінілацетилен:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"бутен-1-ін-3(вінілацетилен)")$

Ця речовина використовується для отримання хлоропрену:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(хлоропрен)=CH_2$

полімеризацією якого отримують хлоропреновий каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Окислення алкінів.

Етин (ацетилен) горить у кисні з виділенням дуже великої кількостітеплоти:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600кДж$ На цій реакції заснована дія киснево-ацетиленового пальника, полум'я якого має дуже високу температуру (понад $3000°С$), що дозволяє використовувати її для різання та зварювання металів.

На повітрі ацетилен горить полум'ям, що коптить, т.к. вміст вуглецю в його молекулі вищий, ніж у молекулах етану та етену.

Алкіни, як і алкени, знебарвлюють підкислені розчини перманганату калію; при цьому відбувається руйнація кратного зв'язку.

Іонний (правило В. В. Марковникова) та радикальний механізм реакції в органічній хімії

Типи хімічних реакцій в органічній хімії

Реакції органічних речовин можна формально розділити на чотири основні типи: заміщення, приєднання, відщеплення (елімінування) та перегрупування (ізомеризації). Очевидно, що все різноманіття реакцій органічних сполук неможливо звести до запропонованої класифікації (наприклад, реакції горіння). Однак така класифікація допоможе встановити аналогії з вже знайомими вам з курсу неорганічної хімії реакціями між неорганічними речовинами.

Як правило, основну органічну сполуку, що бере участь у реакції, називають субстратом, а інший компонент реакції умовно розглядають як реагент.

Реакції заміщення

Реакції, у яких здійснюється заміна одного атома чи групи атомів у вихідній молекулі (субстраті) інші атоми чи групи атомів, називаються реакціями заміщення.

В реакції заміщення вступають граничні та ароматичні сполуки, такі як алкани, циклоалкани або арени.

Наведемо приклади таких реакцій.

Під дією світла атоми водню в молекулі метану здатні заміщатися на атоми галогену, наприклад, атоми хлору:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$

Іншим прикладом заміщення водню на галоген є перетворення бензолу на бромбензол:

Рівняння цієї реакції може бути записано інакше:

При цій формі запис реагенти, каталізатор, умови проведення реакції записують над стрілкою, а неорганічні продукти реакції - під нею.

Реакції приєднання

Реакції, у яких дві чи більше молекул реагуючих речовин з'єднуються до однієї, називають реакціями приєднання.

У реакції приєднання вступають ненасичені сполуки, такі як алкени або алкіни.

Залежно від того, яка молекула виступає як реагент, розрізняють гідрування (або відновлення), галогенування, гідрогалогенування, гідратацію та інші реакції приєднання. Кожна з них потребує певних умов.

1. Гідрування- Реакція приєднання молекули водню по кратному зв'язку:

$CH_3(-CH=)↙(\text"пропен")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"пропан")-CH_3$

2.Гідрогалогенування- Реакція приєднання галогеноводороду (гідрохлорування):

$(CH_2=)↙(\text"етен")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"хлоретан")-Cl$

3.Галогенування- Реакція приєднання галогену:

$(CH_2=)↙(\text"етен")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1.2-дихлоретан")$

4. Полімеризація- особливий тип реакцій приєднання, в ході яких молекули речовини з невеликою молекулярною масою з'єднуються одна з одною з утворенням молекул речовини з дуже високою молекулярною масою. макромолекул.

Реакції полімеризації - це процеси з'єднання безлічі молекул низькомолекулярної речовини (мономіра) у великі молекули (макромолекули) полімеру.

Прикладом реакції полімеризації може бути отримання поліетилену з етилену (етену) під дією ультрафіолетового випромінювання та радикального ініціатора полімеризації $R:$

$(nCH_2=)↙(\text"етен")CH_2(→)↖(\text"УФ-світло,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" поліетилен")$

Найбільш характерний для органічних сполук ковалентний зв'язок утворюється при перекриванні атомних орбіталей та утворенні загальних електронних пар. Внаслідок цього утворюється загальна для двох атомів орбіталь, на якій знаходиться загальна електронна пара. При розриві зв'язку доля цих електронів може бути різною.

Типи реакційноздатних частинок в органічній хімії

Орбіталь з неспареним електроном, що належить одному атому, може перекриватися з орбіталлю іншого атома, де також знаходиться неспарений електрон. При цьому відбувається утворення ковалентного зв'язку з обмінного механізму:

$H + H→H:H,$ або $H-H$

Обмінний механізмУтворення ковалентного зв'язку реалізується в тому випадку, якщо загальна електронна пара утворюється з неспарених електронів, що належать різним атомам.

p align="justify"> Процесом, протилежним утворенню ковалентного зв'язку по обмінному механізму, є розрив зв'язку, при якому до кожного атома відходить по одному електрону. Внаслідок цього утворюються дві незаряджені частинки, що мають неспарені електрони:

Такі частки називаються вільними радикалами.

Вільні радикали- Атоми або групи атомів, що мають неспарені електрони.

Реакції, що протікають під дією та за участю вільних радикалів, називаються вільнорадикальними реакціями.

У курсі неорганічної хімії це реакції взаємодії водню із киснем, галогенами, реакції горіння. Зауважте, що реакції цього типу відрізняються високою швидкістю, виділенням великої кількості тепла.

Ковалентний зв'язок може утворитися і за донорно-акцепторним механізмом. Одна з орбіталей атома (або аніону), на якій знаходиться неподілена електронна пара, перекривається незаповненою орбіталлю іншого атома (або катіону), що має незаповнену орбіталь, при цьому формується ковалентний зв'язок, наприклад:

$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"акцептор")→(H-O-H)↙(\text"донор")$

Розрив ковалентного зв'язку призводить до утворення позитивно та негативно заряджених частинок; оскільки в даному випадку обидва електрони із загальної електронної пари залишаються при одному з атомів, у другого атома виходить незаповнена орбіталь:

$R:|R=R:^(-)+R^(+)$

Розглянемо електролітичну дисоціацію кислот:

$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$

Можна легко здогадатися, що частка, що має неподілену електронну пару $R:^(-)$, тобто негативно заряджений іон, буде притягуватися до позитивно заряджених атомів або атомів, на яких існує принаймні частковий або ефективний позитивний заряд. Частинки з неподіленими електронними парами називають нуклеофільними агентами (Nucleus- Ядро, позитивно заряджена частина атома), тобто «друзями» ядра, позитивного заряду.

Нуклеофіли ($Nu$)- аніони або молекули, що мають неподілену пару електронів, що взаємодіють з ділянками молекул, на яких зосереджено ефективний позитивний заряд.

Приклади нуклеофілів: $Cl^(-)$ (хлорид-іон), $ОН^(-)$ (гідроксид-аніон), $СН_3О^(-)$ (метоксид-аніон), $СН_3СОО^(-)$ ( ацетат-аніон).

Частинки, що мають незаповнену орбіталь, навпаки, прагнутимуть заповнити її і, отже, притягуватимуться до ділянок молекул, на яких присутня підвищена електронна щільність, негативний заряд, неподілена електронна пара. Вони є електрофілами, «друзями» електрона, негативного заряду чи частинок із підвищеною електронною щільністю.

Електрофіли— катіони або молекули, що мають незаповнену електронну орбіталь, що прагнуть заповнення її електронами, оскільки це призводить до більш вигідної електронної конфігурації атома.

Приклади електрофілів: $ NO_2 $ (нітрогрупа), - $ СООН $ (карбоксил), - $ СN $ (нітрильна група), - $ СОН $ (альдегідна група).

Не будь-яка частка із незаповненою орбіталлю є електрофілом. Так, наприклад, катіони лужних металів мають конфігурацію інертних газів і не прагнуть придбання електронів, оскільки мають низьку спорідненість до електрона. З цього можна зробити висновок, що, незважаючи на наявність у них незаповненої орбіталі, подібні частинки не будуть електрофілами.

Основні механізми перебігу реакцій

Ми виділили три основні типи реагуючих частинок – вільні радикали, електрофіли, нуклеофіли – і три відповідні їм типи механізму реакцій:

- Вільнорадикальні;

- Електрофільні;

- Нуклеофільні.

Крім класифікації реакцій на кшталт реагуючих частинок, в органічній хімії розрізняють чотири виду реакцій за принципом зміни складу молекул: приєднання, заміщення, відщеплення, або елімінування (від лат. eliminaue- видаляти, відщеплювати) та перегрупування. Так як приєднання та заміщення можуть відбуватися під дією всіх трьох типів реакційноздатних частинок, можна виділити кілька основних механізмів перебігу реакцій.

1.Вільнорадикальне заміщення:

$(CH_4)↙(\text"метан")+Br_2(→)↖(\text"УФ-світло")(CH_3Br)↙(\text"бромметан")+HBr$

2. Вільнорадикальне приєднання:

$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"УФ-світло,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$

3. Електрофільне заміщення:

4. Електрофільне приєднання:

$CH_3-(CH=)↙(\text"пропен")CH_2+HBr(→)↖(\text"розчин")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-бромпропан")$

$СH_3(-C≡)↙(\text"пропін")CH+Cl_2(→)↖(\text"розчин")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-дихлорпропен")$

5. Нуклеофільне приєднання:

Крім того, ми розглянемо реакції відщеплення, або елімінування, що йдуть під впливом нуклеофільних частинок – основ.

6. Елімінування:

$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"спиртовий розчин")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$

Правило В. В. Марковнікова

Відмінною рисою алкенів (ненасичених вуглеводнів) є здатність вступати в реакції приєднання. Більшість цих реакцій протікає механізмом електрофільного приєднання.

Гідрогалогенування (приєднання галогеноводороду):

$CH_3(-CH-)↙(\text"пропен")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-бромпропан")$

Ця реакція підпорядковується правилу В. В. Марковнікова:при приєднанні галогенводню до алкену водень приєднується до гидрированному атому вуглецю, тобто. атому, у якому перебуває більше атомів водню, а галоген — менш гидрированному.

Визначення

Вуглеводні (УВ)- органічні сполуки, що складаються з атомів вуглецю та водню.

Як ви пам'ятаєте (див. тему "Класифікація органічних речовин"), всі органічні речовини можна поділити на циклічніі ациклічні. Вуглеводні є лише одним із класів органічних сполук, їх можна умовно розділити на граничніі ненасичені.

Граничні, або насичені УВне містять кратних зв'язків у структурі молекул.

Ненасиченіабо ненасичені УВмістять кратні зв'язки - подвійні чи потрійні.

Традиційно класифікацію органічних речовин проводять за будовою вуглеводневого ланцюга, тому всі УВ також поділяються на незамкнуті (ациклічні) та УВ із замкнутим ланцюгом (карбоциклічні). У свою чергу клас ароматичних УВ можна віднести і до класу ненасичених сполук, так як в їх структурі присутні кратні подвійні зв'язки. Іншими словами: всі ароматичні сполуки є ненасиченими, але не всі ненасичені сполуки - ароматичні. У свою чергу, циклопарафін теж можуть бути граничними (насиченими), а можуть містити в своїй структурі кратні подвійні зв'язки і проявляти властивості ненасичених УВ.

Схематично цю класифікацію можна відобразити так:

Ациклічні сполуки зазвичай поділяють на граничні та ненасичені (насичені та ненасичені) залежно від того, відсутні або присутні в їх молекулах кратні вуглець-вуглецеві зв'язки:

Серед циклічних сполук виділяють карбоциклічні та гетероциклічні. У молекулах карбоциклічних сполук цикл утворений лише атомами вуглецю. У гетероциклах поряд з атомами вуглецю можуть бути й інші елементи, наприклад O, N, S:

Карбоциклічні сполуки поділяють на аліциклічні та ароматичні. Ароматичні сполуки містять у своєму складі бензольне кільце:

Загальні хімічні властивості класів вуглеводнів

Тепер давайте дамо загальну характеристикуокремим класам вуглеводнів та опишемо їх загальні хімічні властивості. Докладніше всі класи з'єднань розглядатимуться в окремих спеціальних темах. Почнемо з граничних чи насичених УВ. Представниками цього класу є алкани.

Визначення

Алкани (парафіни)- вуглеводні, в молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками та склад яких відповідає загальній формулі $C_nH_(2n+2)$.

Алкани називають насиченими УВвідповідно до їх хімічних властивостей. Усі зв'язки в молекулах алканів одинарні. Перекриття відбувається по лінії, що з'єднує ядра атомів, тобто це $\sigma$-зв'язку, тому в жорстких умовах (висока температура, УФ-опромінення) алкани можуть вступати в реакції заміщення, елімінування (дегідрування та ароматизації)і ізомеризаціїабо у реакції розщеплення,тобто руйнування вуглецевого ланцюга .

Усі реакції протікають переважно за вільно-радикальним механізмомколи в результаті реакції відбувається гомолітичний розрив зв'язків і утворюються високореакційні частинки, що мають неспарений електрон - вільні радикали. Пов'язано це з низькою поляризацією зв'язків C-Hта відсутністю ділянок з підвищеною або зниженою електронною щільністю. Алкани не реагують із зарядженими частинками, оскільки зв'язки в алканах не розриваються за гетеролітичним механізмом. Алкани що неспроможні вступати у реакції приєднання, оскільки з визначення насичуваності зв'язкуслід, що у молекулах з $\sigma$-зв'язками, вуглець виявляє максимальну валентність, де кожен із чотирьох зв'язків утворена однією парою електронів.

Циклоалкани (циклопарафіни) також можуть бути віднесені до класу граничних УВ, оскільки є карбоциклічні сполуки з одинарними$\sigma$-зв'язками.

Визначення

Циклоалкани (циклопарафіни)- це циклічні вуглеводні, що не містять молекули кратних зв'язків і відповідають загальній формулі $C_nH_(2n)$

Циклоалкани також є насиченими вуглеводнями, тобто виявляють властивості, аналогічні алканам. На відміну від алканів, циклоалкани смалими циклами (циклопропан і циклобутан) можуть вступати в реакції приєднання, що відбуваються з розривом зв'язків та розкриттям циклу. Для решти циклоалканів характерні реакції заміщення, що протікають, аналогічно алканам, за вільно-радикальним механізмом.

До ненасиченим (ненасиченим) вуглеводням, згідно з класифікацією, відносяться лкени, алкадієни та алкіни.Ароматичні УР також можуть бути віднесені до ненасичених сполук. Властивість "ненасиченості" пов'язане зі здатністю цих УВ вступати в реакції приєднанняпо кратним зв'язкам і утворювати граничні УВ. Реакції приєднання включають реакції гідрування(Приєднання водню), галогенування(Приєднання галогенів), гідрогалогенування(Приєднання галогенводнів), гідратації(Приєднання води), полімеризації.Більшість цих реакцій протікає за механізмом електрофільного приєднання.

Визначення

Алкени (олефіни)- ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один подвійний зв'язок між атомами вуглецю і відповідні загальній формулі $C_nH_(2n)$.

Для алкенів, крім зазначених реакцій приєднання, характерні також реакції окислення з утворенням гліколів (двохатомних спиртів), кетонів або карбонових кислот, залежно від довжини ланцюга та місця розташування подвійного зв'язку. Детально особливості перебігу цих реакцій розглядаються у темі ОВР в органічній хімії"

Визначення

Алкадієни- ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, два подвійні зв'язки між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $C_nH_(2n-2)$.

Розташування подвійного зв'язку в молекулі алкадієнів може бути різним:

кумулятивні дієни(алени): $-CH_2-CH=C=CH-CH2-$

ізольовані дієни: $-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH=CH-CH_2-$

пов'язані дієни: $-CH_2-CH=CH-CH=CH-CH_2-$

Найбільше практичне застосування мають сполучені алкадієни, у яких два подвійні зв'язки розділені одинарним зв'язком, як, наприклад, у молекулі бутадієну: $CH_2=CH-CH=CH_2$. На основі бутадієну синтезовано штучний каучук. Тому основною практичною властивістю алкадієнів є здатність до полімеризації за рахунок подвійних зв'язків. Хімічні властивості сполучених алкадієнів будуть детально розглянуті у темі: " Особливості хімічних властивостей сполучених дієнів"

Визначення

Алкіни- ациклічні вуглеводні, що містять у структурі молекули, крім одинарних зв'язків, один потрійний зв'язок між атомами вуглецю, і відповідні загальній формулі $C_nH_(2n-2)$.

Алкіни та алкадієни є міжкласовими ізомерами, оскільки відповідають одній загальній формулі. Для алкінів, як і для всіх ненасичених УВ, характерні реакції приєднання. Реакції протікають за електрофільним механізмом у дві стадії - з утворенням алкенів та їх похідних і далі з утворенням граничних ПВ. Причому перша стадія протікає повільніше за другу. Особливою властивістю ацетилену, першого представника ряду алкінів, є реакція тримеризаціїіз отриманням бензолу (реакція Зелінського). Особливості перебігу цієї та інших реакцій будуть розглянуті у темі Застосування та отримання аренів".

Визначення

Ароматичні вуглеводні (арени)- карбоциклічні вуглеводні, у молекулах яких є одне або кілька бензольних кілець. Склад аренів з одним бензольним кільцем відповідає загальній формулі $C_nH_(2n-6)$.

В основі всіх ароматичних сполук лежить бензольне ядро, формула якого графічно зображується двома способами:

Формула з делокалізованими зв'язками означає, що електронні р-орбіталі атомів вуглецю беруть участь у поєднанні та утворюють єдину $pi$-систему. Похідні (гомологи) бензолу утворюються за рахунок заміщення атомів водню в кільці інші атоми або групи атомів і утворюють бічні ланцюги.

Тому для ароматичних сполук ряду бензолу характерні реакції у двох напрямках: по бензольному кільцю, і "в бічну ланцюг". По бензольному кільцю (ядру) характерні реакції електрофільного заміщенняОскільки наявність $\pi$-системи, тобто області підвищеної електронної щільності, робить структуру бензолу енергетично вигідною для впливу електрофілів (позитивних іонів). На відміну від ненасичених УВ, для яких характерні реакції електрофільного приєднання, ароматична структура бензолу має підвищену стійкість і порушення її енергетично невигідно. Тому при електрофільній атаці відбувається не розрив $\pi$- зв'язків, а заміщення атомів водню. Реакції "в бічну ланцюг" залежать від характеру радикала-заступника і можуть протікати різними механізмами.

Ароматичні сполуки. що мають у своїй структурі кілька (два і більше) конденсованих бензольних кілець називаються поліядерними ароматичними УВта мають свої тривіальні назви.

Граничні вуглеводні мають у складі молекул тільки малополярні і слабополяризующиеся зв'язки, які відрізняються високою міцністю, тому в звичайних умовах вони є речовинами мало хімічно активними по відношенню до полярних реагентів: не взаємодіють з концентрованими кислотами, цілочами, лужними металами, окислювачами. Це і стало приводом до їх назви - парафіни. Parumaffinus латиною малоспоріднений. Їхні хімічні перетворення протікають в основному при підвищених температурах і під дією УФ-опромінення.

Розрізняють три основні типи реакцій граничних вуглеводнів: заміщення, окислення та відщеплення. Ці реакції можуть або за рахунок розриву зв'язку С-С (енергія 83,6 ккал), або за рахунок розриву зв'язку С-Н (енергія 98,8 ккал/моль). Реакції частіше йдуть із розривом зв'язку С-Н, т.к. вона доступніша дії реагенту, хоча зв'язок С-С вимагає менше енергії на розщеплення. Внаслідок таких реакцій проміжно утворюються дуже активні частинки – аліфатичні вуглеводневі радикали.

Отримання та властивості аліфатичних радикалів

1. Утворення вільних радикалів при гомолітичному розщепленні зв'язків С-Сабо С-Н відбувається при температурі 300-700 про З або під дією вільно-радикальних реагентів.

2. Тривалість існування вільних радикалів (стійкість) збільшується від первинних радикалів до вторинних та третинних:

б) Взаємодія з ненасиченими сполуками: відбувається приєднання з утворенням також нового радикала:

CH 3 . + CH 2 = СН 2 CH 3 -CH 2 -CH 2 .

в) -розпад - радикали з довгим вуглецевим ланцюгом розпадаються з розривом С-З зв'язку в -положенні до вуглецю з неспареним електроном.

CH 3 - CH 2: CH 2 - CH 2 . CH 3 -CH 2 . + CH 2 = CH 2

г) Диспропорціонування - перерозподіл водню, пов'язане з -розпадом по С-Н зв'язку:

д) Рекомбінація - поєднання вільних радикалів один з одним

СН 3 . + СН 3 . СН 3 -СН 3

Знаючи особливості поведінки вільних радикалів, легше зрозуміти основні закономірності конкретних реакцій граничних вуглеводнів.

І тип. Реакція заміщення

1. Реакції галоїдування. Найенергійніший реагент – фтор. Пряме фторування призводить до вибуху. Найбільше практичного значення мають реакції хлорування.Вони можуть протікати під впливом молекул хлору світла вже за кімнатної температурі. Реакція протікає за вільно-радикальним ланцюговим механізмом і включає наступні основні стадії:

а) перша повільна стадія - ініціювання ланцюга:

Cl: Cl Cl. + Cl.

R: H+. Cl HCl + R.

б) розвиток ланцюга – утворення продуктів реакції з одночасним утворенням вільних радикалів, що продовжують ланцюговий процес:

R. + Cl: Cl RCl + Cl.

R: H + Cl. HCl + R.

в) обрив ланцюга:

Так як СІ. реагент активний, він може атакувати молекулу вже отриманого хлорпохідного, в результаті утворюється суміш моно-і полігалогенозаміщених. Наприклад:

CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 ССl 4

хлористий метил -HCl -HCl -HCl

хлористий метилен хлороформ чотирьох-

хлористий вуглець

Реакція бромуванняпротікає значно складніше, т.к. бром менш активний, ніж хлор і реагує в основному з утворенням стійкіших третинних або вторинних радикалів. При цьому другий атом брому вступає зазвичай у сусіднє з першим положення, переважно у вторинного вуглецю.

Реакції йодуваннямало протікають, т.к. HI відновлює йодисті алкіли, що утворюються.

2. Нітрування- Заміщення атома Н на групу NО 2 при дії азотної кислоти. Йде при дії розведеної азотної кислоти (12%) за високої температури 150 про З під тиском (реакція Коновалова). Легше реагують парафіни изостроения, т.к. заміщення легше відбувається у третинного атома вуглецю:

Механізм реакції нітрування пов'язаний із проміжним утворенням вільних радикалів. Ініціюванню сприяє процес окиснення, що протікає частково:

RH + HONO 2 ROH + HONO

азотиста кислота

HONO + HONO 2 HOH + 2 . NO 2

CH 3 -C-CH 3 +. NO 2 CH 3 -C-CH 3 + HNO 2

CH 3 -C-CH 3 +. NO 2 CH 3 -C-CH 3

тобто. радикальна реакція нітрування вуглеводнів немає ланцюгового характеру.

ІІ тип. Реакції окиснення

За звичайних умов парафіни не окислюються ні киснем, ні сильними окислювачами (KMnO 4 , HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 та ін.).

При внесенні відкритого полум'я в суміш вуглеводню з повітрям відбувається повне окислення (згоряння) вуглеводню до СО 2 і Н 2 О. Нагрівання граничних вуглеводнів у суміші з повітрям або киснем у присутності каталізаторів окислення MnО 2 та інших до температури 300 про С з утворенням перекисних сполук. Реакція протікає за ланцюговим вільно-радикальним механізмом.

І: R: H R . + H. ініціювання ланцюга

Р: R. + O: :O: R-O-O.

R-O-O. + R: H R-O-O-H + R .

гідроперекис алкану

O: R-O-O. + R. R-O-O-R обрив ланцюга

перекис алкану

Найлегше піддаються окисленню третинні ланки, складніше вторинні і набагато складніше – первинні. Гідроперекиси, що утворюються, розкладаються.

Первинні гідроперекисипри розкладанні утворюють альдегіди або первинний спирт, наприклад:

СН 3 -С-С-О: О-Н CН 3 -С-О. +. ВІН СН 3 -С = О + Н 2 О

гідроперекис етану оцтовий альдегід

СН 3 -СН 3

побічна

СН 3 -СН 2 ОН + СН 3 -СН 2 .

Вторинні гідроперекисиутворюють при розкладанні кетони або вторинні спирти, наприклад:

СН 3-С-О:ВІН СН 3-С-О. +. ВІН Н 2 Про + СН 3 -С = О

СН 3 СН 3 СН 3

гідроперекис пропану

СН 3 -СН 2 -СН 3

побічна

СН 3 -СН-ВІН + СН 3 - . СН-СН 3

ізопропиловий спирт

Третичні гідроперекисиутворюють кетони, а також первинні та третинні спирти, наприклад:

СН 3 СН 3 СН 3

СН 3 -С-СН 3 СН 3 -С: СН 3 +. ВІН СН 3 ВІН + СН 3 -С=О

гідроперекис ізобутану

СН 3 -СН-СН 3

Побічна

Вибутий

СН 3 -С-СН 3 + СН 3 -С-СН 3

третбутиловий спирт

Будь-який гідроперекис може розкладатися також з виділенням атомарного кисню: СН 3 -СН 2 -О-О-Н СН 3 СН 2 -ОН + [O],

який йде на подальше окиснення:

СН 3 -З + [Про] СН 3 -С-ОН

Тому крім спиртів, альдегідів та кетонів утворюються карбонові кислоти.

Підбором умов реакції можна домогтися отримання одного продукту. Наприклад: 2 СН 4 + О 2 2 СН 3 ВІН.

• а) у присутності каталізатора;
• б) при висвітленні суміші речовин?

• а) із граничними вуглеводнями;
• б) з ненасиченими вуглеводнями.