Химические свойства предельных углеводородов. Свойства непредельных углеводородов Состав и свойства углеводородов реакции


 алканы, алкены, алкины, арены - характеристика, использование, реакции

1) Алканы – это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями. Состав их отражает одна общая формула: С n Н 2n+2 .

Физические свойства алканов зависят от состава их молекул, т.е. от относительной молекулярной массы. С увеличением относительной молекулярной массы у алканов увеличивается температура кипения и плотность, а так же изменяется агрегатное состояние: первые четыре алкана – газообразные вещества, следующие одиннадцать – жидкости, а начиная с гексадекана – твердые вещества.

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющим использование алканов в качестве топлива, является реакция горения .

Для алканов, как для предельных углеводородов, наиболее характерны реакции замещения . Так атомы водорода в молекуле метана способны последовательно замещаться на атомы галогенов.

Нитрование

Алканы реагируют с азотной кислотой или N 2 O 4 в газовой фазе с образованием нитропроизводных. Все имеющиеся данные указывают на свободно радикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Крекинг

При нагревании выше 500°C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции.

Получение

Главным источником алкановявляется нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.

Применение

Газообразные алканы используются в качестве ценного топлива. Жидкие в свою очередь составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах.

2) Алкены – это непредельные углеводороды содержащие в молекуле, кроме одинарных связей, одну двойную углерод-углеродную связь. Состав их отображает формула:С n Н 2n .

Физические свойства

Температуры плавления и кипения алкенов увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Химические свойства

Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее типичными являются реакции присоединения:

1) Водорода, 2) Воды, 3) Галогенов, 4) Галогенводородов.

Алкены легко вступают в реакции окисления, окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета.Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионному механизму.

Методы получения алкенов

Основным промышленным методом получения алкенов является каталитический и высокотемпературный крекингуглеводородовнефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также реакцию дегидратации соответствующих спиртов.

В лабораторной практике обычно применяют метод дегидратации спиртов в присутствии сильных минеральных кислот.В природе ациклические алкены практически не встречаются. Простейший представитель этого класса органических соединений - этилен (C 2 H 4) - является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.

Применение

Алкены являются важнейшим химическим сырьем. Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, пленок) и других органических веществ. Высшие алкены применяют для получения высших спиртов.

3) Алкины – это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат, помимо одинарных связей, одну тройную углерод-углеродную связь. Состав отображает формула: С n Н 2n-2 .

Физические свойства

Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С 4) - газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, но лучше - в органических растворителях.Наличие тройной связи в цепи приводит к повышению температуры кипения, плотности и растворимости их в воде.

Химические свойства

Как и все непредельные соединения, алкины активно вступают в реакции присоединения: 1) галогенов, 2) водорода, 3) галогенводородов, 4) воды. Вступают в реакции окисления.Ввиду наличия тройной связи склонны к реакциям полимеризации, которые могут протекать в нескольких направлениях:

a) Под воздействием комплексных солей меди происходит димеризация и линейная

тримеризация ацетилена.

b)При нагревании ацетилена в присутствии активированного угля (реакция Зелинского) осуществляется циклическая тримеризация с образованием бензола.

Методы получения

Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана, пиролиз природного газа и карбидный метод.Алкины можно получить из дигалогенопроизводных парафинов отщеплением галогеноводорода при действии спиртового раствора щелочи.

Применение

Серьёзное промышленное значение имеет только ацетилен, который является важнейшим химическим сырьём. При горении ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150°C, поэтому ацетилен используют для резки и сварки металлов.

4) Арены - ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец.

Физические свойства

Как правило, ароматические соединения - твердые или жидкие вещества. Отличаются высокими показателями преломления и поглощения.Нерастворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических жидкостях. Огнеопасны, бензол является токсичным.

Химические свойства

Для ароматических соединений характерны реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Возможны реакции присоединения и окисления, но проходят с трудом, так как нарушают ароматичность.

Методы получения

Основными природными источниками ароматических углеродов являются

каменный уголь и нефть.Тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600 °C.Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных.

Применение - Ароматические углеводороды, в первую очередь бензол, широко применяются в промышленности: в качестве добавки к бензину, при производстве растворителей, взрывчатых веществ, красителя анилина, лекарственных средств.

10. Struktura, vlastnosti a význam derivátů uhlovodíků

halové deriváty, nitrosloučeniny, aminosloučeniny, alkoholy a fenoly, aldehydy a ketony, karboxylové sloučeniny – charakteristika, použití, reakce

10. Строение, свойства и значение производных углеводородов


галогеноалканы, нитросоединения, аминосоединения, спирты и фенолы, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты - характеристика, использование, реакции

1) Галогеналканы - органические соединения, которые содержат в своём составе связь «углерод-галоген». В силу того, что атомы галогенов являются более электроотрицательными, чем атом углерода, связь С-Х поляризована таким образом, что атом галогена приобретает частичный отрицательный заряд, а атом углерода - частичный положительный.Большинство галогеноалканов в чистом виде являются бесцветными соединениями.Чем больше атомов углерода, тем выше температуры плавления и кипения. Если же у одного атома углерода содержатся 2 или 3 атома галогена, то температура плавления и кипения такого соединения, напротив, снижаются.Характерные реакции - реакция Вюрца, нуклеофильное замещение, элиминирование, взаимодействие с щелочными и щёлочноземельными металлами. Получают галогеналканы путем хлорирования алканов на свету, гидрохлорированием ненасыщенных углеродов или получают из спиртов.Галогеналканыиспользуются:какрастворителидляжировимасел; тефлон;вкачествехладагентов.

2) Нитросоединения - органические соединения, содержащие одну или несколько нитрогрупп– NO 2 . Под нитросоединениями обычно подразумевают C-нитросоединения, в которых нитрогруппа связана с атомом углерода.Нитросоединенияпредставляютсобойбесцветныемалорастворимыевводеихорошорастворимыеворганическихрастворителяхжидкости, обладающиехарактернымминдальнымзапахом. Всенитросоединенияявляютсядовольносильнымиядамидляцентральнойнервнойсистемы.Благодарявысокойполярностинитросоединениямогутрастворятьтакиевещества, которыенерастворяютсявобычныхрастворителях. Полинитросоединенияобычнослабоокрашены, взрывчатыеприудареидетонации.

По химическому поведению нитросоединения обнаруживают определенное сходство с азотной кислотой. Это сходство проявляется при окислительно-восстановительных реакциях: Восстановление нитросоединений (Реакция Зинина), реакции конденсации, Таутомерия (явление обратной изомерии) нитросоединений.

Нитросоединения широко применяются в органическом синтезе для получения различных веществ, используемых в производстве красителей и лекарственных препаратов. Некоторые из нитросоединений применяются в качестве противогрибковых и противомикробных средств. Полинитропроизводные – тротил, пикриновая кислота и ее соли – используются как взрывчатые вещества.

4)Аминосоединения – это органические соединения, представляющие собой производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородный радикал. Амины классифицируются по двум структурным признакам: 1) По количеству радикалов, связанных с атомом азота, различают первичные, вторичные и третичные амины. 2) По характеру углеводородного радикала амины разделяются на алифатические, ароматические и смешанные.

Метиламин, диметиламин и триметиламин - газы, средние члены алифатического ряда - жидкости, высшие - твердые вещества.Подобно аммиаку, низшие амины прекрасно растворяются вводе, образуя щелочные растворы. С повышением молекулярного весарастворимостьаминов вводе ухудшается.Запах аминов напоминает запах аммиака, высшие амины практически лишены запаха.Температурыкипения первичных аминов значительно ниже, чем у соответствующих спиртов.

Амины жирного ряда, подобно аммиаку, способны соединяться с кислотами, даже с такими слабыми, как угольная кислота, и дают при этом соответствующие соли замещенных аммониевых оснований. Действие азотистой кислоты на амины является их характерной реакцией, позволяющей различить первичные, вторичные и третичные амины.

Ацилирование. При нагревании с карбоновыми кислотами, их ангидридами, хлорангидридами или сложными эфирами первичные и вторичные амины ацилируются с образованием N-замещенных амидов.Амины широко распространены в природе, так как образуются при гниении живых организмов.Амины используют при получении лекарственных веществ, красителей и исходных продуктов для органического синтеза.

5) Спирты - органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных групп.По числу гидроксильных групп, содержащихся в молекуле, спирты делятся на одноатомные двухатомные,трехатомные и многоатомные.В зависимости от того, при каком атоме углерода находится гидроксил, различают первичные, вторичные, и третичные спирты.Молекулы спиртов, подобны молекуле воды,однако спирты имеют существенно более высокие температуры плавления и кипения. Характерные для данного класса соединений свойства обусловлены наличием гидроксильной группы. Спирты взаимодействуют с: щелочными и щелочноземельными металлами, с галогенводородами и

с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. Также бывают реакции межмолекулярной дегидратации спиртов, дегидрирования и реакции окисления спиртов. Спирты широко распространены в природе как в свободном виде, так и в составе сложных эфиров. Спирты могут быть получены из самых разных классов соединений, таких как углеводороды, галогеналканы, амины икарбонильные соединения. В основном, все методы сводятся к реакциям окисления, восстановления, присоединения и замещения. В промышленности спирты получают при помощи химических методов либо биохимических методов производства. Области использования спиртов многочисленны и разнообразны, особенно учитывая широчайший спектр соединений, относящихся к этому классу. Спирты используют в качестве растворителей и очистителей, этиловый спирт является основой алкогольной продукции, также широко используются в парфюмерной промышленности и многих других сферах.

6) Фенолы – это органические соединения, в молекулах которых радикал фенил связан с одной или несколькими гидроксильными группами. По числу ОН-групп различают одноатомные и многоатомные фенолы. Большинство одноатомных фенолов при нормальных условиях представляют собой бесцветные кристаллические вещества с невысокой температурой плавления и характерным запахом. Фенолы малорастворимы в воде, хорошо растворяются в органических растворителях, токсичны, при хранении на воздухе постепенно темнеют в результате окисления.У фенола ярко выражены кислотные свойства. Это связано с тем, что свободная электронная пара кислорода в феноле оттянута к ядру. При взаимодействии фенола со щелочами образуются соли – феноляты. За счёт гидроксильной группы фенол будет взаимодействовать со щелочными металлами.

С участием бензольного кольца протекают также реакции замещения и присоединения.

Фенолы в значительных количествах содержатся каменноугольной смоле. Фенол получают также сплавлением натриевой соли бензолсульфокислоты с едким натром.

Фенол используется в производстве пластических масс, пикриновой кислоты, красителей, средств для борьбы с насекомыми. Все фенолы обладают бактерицидным действием, поэтому они применяются в качестве дезинфицирующих средств в медицине и ветеринарии.

Альдегиды и кетоны

Альдегиды – это органические соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу, связанную с атомом водорода и углеводородным радикалом.

Кетоны – это органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу, соединенную с двумя углеводородными радикалами.

Так как альдегиды и кетоны – полярные соединения, они имеют более высокие температуры кипения, чем неполярные, однако ниже, чем у спиртов, что указывает на отсутствие молекулярной ассоциации. Хорошо растворимы в воде, однако с увеличением размера молекул растворимость резко уменьшается. Высшие альдегиды и кетоны обладают приятным запахом, средние гомологи ряда альдегидов обладают устойчивым характерным запахом, низшие альдегиды имеют резкий неприятный запах.Для альдегидов и кетонов характерны реакции присоединения по двойной связи. Кроме реакции присоединения по карбонильной группе, для альдегидов характерны также реакции с участием альфа-атомов водорода, соседних с карбонильной группой. Их реакционная способность связана с электроноакцепторным влиянием карбонильной группы, которое проявляется в повышенной полярности связи. Это приводит к тому, что альдегиды, в отличие от кетонов, легко окисляются. Их взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра является качественной реакцией на альдегиды. Общим способом получения альдегидов и кетонов является окисление спиртов на медном катализаторе.В промышленности альдегиды и кетоны получают дегидрированием спиртов. В промышленности кетоны используют как растворители, фармацевтические препараты и для изготовления различных полимеров.Из всех альдегидов больше всего производится формальдегида. Он, в основном, используется в производстве смол. Также из него синтезируют лекарственные средства используют как консервант биологических препаратов.

8) Карбоновые кислоты – это органические соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу -СООН, связанную с углеводородным радикалом.Температуры кипения и плавления карбоновых кислот намного выше, не только чем у соответствующих углеводородов, но и чем у спиртов. Хорошая растворимость в воде, но с увеличением углеводородного радикала ухудшается.Низшие члены гомологического ряда при обычных условиях представляют собой жидкости, обла­дающие характерным острым запахом. Средние представители этого гомологического ряда - вязкие жидкости; начиная с С 10 - твердые вещества.Карбоксильная группа устроена таким образом, что молекула достаточно легко может отщеплять водород - проявлять свойства кислоты. Карбоновые кислоты реагируют с металлами и их соединениями, вытесняют более слабые кислоты из их солей, взаимодействуют с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами, а так же участвуют в реакции этерификации. Карбоновые кислоты получают путем окисления альдегидов и спиртов и гидролизом сложных эфиров. Муравьиную кислоту применяют в медицине, уксусная кислота применяется в пищевой промышленности, а так же используется в качестве растворителя.

11. Makromolekulární látky vznikající polymerací, polykondenzací a polyadicí

stavební a strukturní jednotka

vlastnosti makromolekulárních látek

polymery, polyestery, polyamidy, fenoplasty, aminoplasty, polyuretany – příklady, použití

Химические свойства алканов

Алканами (парафинами) называют нециклические углеводороды, в молекулах которых все атомы углерода соединены только одинарными связями. Другими словами в молекулах алканов отсутствуют кратные — двойные или тройные связи. Фактически алканы являются углеводородами, содержащими максимально возможное количество атомов водорода, в связи с чем их называют предельным (насыщенными).

Ввиду насыщенности, алканы не могут вступать в реакции присоединения.

Поскольку атомы углерода и водорода имеют довольно близкие электроотрицательности, это приводит к тому, что связи С-Н в их молекулах крайне малополярны. В связи с этим для алканов более характерны реакции протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом S R .

1. Реакции замещения

В реакциях данного типа происходит разрыв связей углерод-водород

RH + XY → RX + HY

Галогенирование

Алканы реагируют с галогенами (хлором и бромом) под действием ультрафиолетового света или при сильном нагревании. При этом образуется смесь галогенпроизводных с различной степенью замещения атомов водорода — моно-, ди- три- и т.д. галогенозамещенных алканов.

На примере метана это выглядит следующим образом:

Меняя соотношение галоген/метан в реакционной смеси можно добиться того, что в составе продуктов будет преобладать какое-либо конкретное галогенпроизводное метана.

Механизм реакции

Разберем механизм реакции свободнорадикального замещения на примере взаимодействия метана и хлора. Он состоит из трех стадий:

1. инициирование (или зарождение цепи) - процесс образования свободных радикалов под действии энергии извне – облучения УФ-светом или нагревания. На этой стадии молекула хлора претерпевает гомолитический разрыв связи Cl-Cl c образованием свободных радикалов:

Свободными радикалами, как можно видеть из рисунка выше, называют атомы или группы атомов с одним или несколькими неспаренными электронами (Сl , Н, СН 3 , СН 2 и т.д.);

2. Развитие цепи

Эта стадия заключается во взаимодействии активных свободных радикалов с неактивными молекулами. При этом образуются новые радикалы. В частности, при действии радикалов хлора на молекулы алкана, образуется алкильный радикал и хлороводород. В свою очередь, алкильный радикал, сталкиваясь с молекулами хлора, образует хлорпроизводное и новый радикал хлора:

3) Обрыв (гибель) цепи:

Происходит в результате рекомбинации двух радикалов друг с другом в неактивные молекулы:

2. Реакции окисления

В обычных условиях алканы инертны по отношению к таким сильным окислителям, как концентрированная серная и азотная кислоты, перманганат и дихромат калия (КMnО 4 , К 2 Cr 2 О 7).

Горение в кислороде

А) полное сгорание при избытке кислорода. Приводит к образованию углекислого газа и воды:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

Б) неполное сгорание при недостатке кислорода:

2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O

Каталитическое окисление кислородом

В результате нагревания алканов с кислородом (~200 о С) в присутствии катализаторов, из них может быть получено большое разнообразие органических продуктов: альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты.

Например, метан, в зависимости природы катализатора, может быть окислен в метиловый спирт, формальдегид или муравьиную кислоту:

3. Термические превращения алканов

Крекинг

Крекинг (от англ. to crack — рвать) — это химический процесс протекающий при высокой температуре, в результате которого происходит разрыв углеродного скелета молекул алканов с образованием молекул алкенов и алканов с обладающих меньшими молекулярными массами по сравнению с исходными алканами. Например:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH=CH 2

Крекинг бывает термический и каталитический. Для осуществления каталитического крекинга, благодаря использованию катализаторов, используют заметно меньшие температуры по сравнению с термическим крекингом.

Дегидрирование

Отщепление водорода происходит в результате разрыва связей С-Н; осуществляется в присутствии катализаторов при повышенных температурах. При дегидрировании метана образуется ацетилен:

2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2

Нагревание метана до 1200 °С приводит к его разложению на простые вещества:

СН 4 → С + 2Н 2

При дегидрировании остальных алканов образуются алкены:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2

При дегидрировании н -бутана образуются бутен-1 и бутен-2 (последний в виде цис- и транс -изомеров):

Дегидроциклизация

Изомеризация

Химические свойства циклоалканов

Химические свойства циклоалканов с числом атомов углерода в циклах больше четырех, в целом практически идентичны свойствам алканов. Для циклопропана и циклобутана, как ни странно, характерны реакции присоединения. Это обусловлено большим напряжением внутри цикла, которое приводит к тому, что данные циклы стремятся разорваться. Так циклопропан и циклобутан легко присоединяют бром, водород или хлороводород:

Химические свойства алкенов

1. Реакции присоединения

Поскольку двойная связь в молекулах алкенов состоит из одной прочной сигма- и одной слабой пи-связи, они являются довольно активными соединениями, которые легко вступаю в реакции присоединения. В такие реакции алкены часто вступают даже в мягких условиях — на холоду, в водных растворах и органических растворителях.

Гидрирование алкенов

Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов (платина, палладий, никель):

CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3

Гидрирование алкенов легко протекает даже при обычном давлении и незначительном нагревании. Интересен тот факт, что для дегидрирования алканов до алкенов могут использоваться те же катализаторы, только процесс дегидрирования протекает при более высокой температуре и меньшем давлении.

Галогенирование

Алкены легко вступаю в реакцию присоединения с бромом как в водном растворе, так и с органических растворителях. В результате взаимодействия изначально желтые растворы брома теряют свою окраску, т.е. обесцвечиваются.

СН 2 =СН 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br

Гидрогалогенирование

Как нетрудно заметить, присоединение галогеноводорода к молекуле несимметричного алкена должно, теоретически, приводить к смеси двух изомеров. Например, при присоединении бромоводорода к пропену должны были бы получаться продукты:

Тем не менее в отсутствие специфических условий (например, наличие пероксидов в реакционной смеси) присоединение молекулы галогеноводорода будет происходить строго селективно в соответствии с правилом Марковникова:

Присоединении галогеноводорода к алкену происходит таким образом, что водород присоединяется к атому углерода с большим числом атомов водорода (более гидрированному), а галоген — к атому углерода с меньшим числом атомов водорода (менее гидрированному).

Гидратация

Данная реакция приводит к образованию спиртов, и также протекает в соответствии с правилом Марковникова:

Как легко догадаться, по причине того, что присоединение воды к молекуле алкена происходит согласно правилу Марковникова, образование первичного спирта возможно только в случае гидратации этилена:

CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

Именно по такой реакции проводят основное количество этилового спирта в крупнотоннажной промышленности.

Полимеризация

Специфическим случаем реакции присоединения можно реакцию полимеризации, которая в отличие от галогенирования, гидрогалогенирования и гадратации, протекает про свободно-радикальному механизму:

Реакции окисления

Как и все остальные углеводороды, алкены легко сгорают в кислороде с образованием углекислого газа и воды. Уравнение горения алкенов в избытке кислорода имеет вид:

C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O

В отличие от алканов алкены легко окисляются. При действии на алкены водного раствора KMnO 4 обесцвечивание, что является качественной реакцией на двойные и тройные CC связи в молекулах органических веществ.

Окисление алкенов перманганатом калия в нейтральном или слабощелочном растворе приводит к образованию диолов (двухатомных спиртов):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охлаждение)

В кислой среде происходит полное разрыв двойной связи с превращение атомов углерода образовывавших двойная связь в карбоксильные группы:

5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (нагревание)

В случае, если двойная С=С связь находится в конце молекулы алкена, то в качестве продукта окисления крайнего углеродного атома при двойной связи образуется углекислый газ. Связано это с тем, что промежуточный продукт окисления – муравьиная кислота легко сама окисляется в избытке окислителя:

5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (нагревание)

При окислении алкенов, в которых атом C при двойной связи содержит два углеводородных заместителя, образуется кетон. Например, при окислении 2-метилбутена-2 образуется ацетон и уксусная кислота.

Окисление алкенов, при котором происходит разрыв углеродного скелета по двойной связи используется для установления их структуры.

Химические свойства алкадиенов

Реакции присоединения

Например, присоединение галогенов:

Бромная вода обесцвечивается.

В обычных условиях присоединение атомов галогена происходит по концам молекулы бутадиена-1,3, при этом π-связи разрываются, к крайним атомам углерода присоединяются атомы брома, а свободные валентности образуют новую π-связь. Таким образом, как бы происходит «перемещение» двойной связи. При избытке брома может быть присоединена еще одна его молекула по месту образовавшейся двойной связи.

Реакции полимеризации

Химические свойства алкинов

Алкины являются ненасыщенными (непредельными) углеводородами в связи с чем способны вступать в реакции присоединения. Среди реакци присоединения для алкинов наиболее распространено электрофильное присоединение.

Галогенирование

Поскольку тройная связь молекул алкинов состоит из одной более прочной сигма-связи и двух менее прочных пи-связей они способны присоединять как одну, так и две молекулы галогена. Присоединение одной молекулой алкина двух молекул галогена протекает по электрофильному механизму последовательно в две стадии:

Гидрогалогенирование

Присоединение молекул галогеноводорода, также протекает по электрофильному механизму и в две стадии. В обоих стадиях присоединение идет в соответствии с правилом Марковникова:

Гидратация

Присоединение воды к алкинами происходит в присутсвии солей рути в кислой среде и называется реакцией Кучерова.

В результате гидратации присоединения воды к ацетилену ообразуется ацетальдегид (укусный альдегид):

Для гомологов ацетилена присоединение воды приводит к образованию кетонов:

Гидрирование алкинов

Алкины реагируют с водородом в две ступени. В качестве катализаторов используют такие металлы как платина, палладий, никель:

Тримеризация алкинов

При пропускании ацетилена над активированным углем при высокой температуре из него образуется смесь различных продуктов, основным из которых является бензол – продукт тримеризации ацетилена:

Димеризация алкинов

Также ацетилен вступать в реакцию димеризации. Процесс протекает в присутствии солей меди как катализаторов:

Окисление алкинов

Алкины сгорают в кислороде:

С n H 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O

Взаимодействие алкинов с основаниями

Алкины с тройной C≡C на конце молекулы, в отличие от остальных алкинов, способны вступать в реакции, в которых атом водорода при тройной связи замещается металл. Например, ацетилен реагирует с амидом натрия в жидком аммиаке:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,

а также с аммиачным раствором оксида серебра, образуя нерастворимые солеподобные вещества называемые ацетиленидами:

Благодаря такой реакции можно распознать алкины с концевой тройной связью, а также выделить такой алкин из смеси с другими алкинами.

Следует отметить, что все ацетилениды серебра и меди являются взрывоопасными веществами.

Ацетилениды способны реагировать с галогенпроизводными, что используется при синтезе более сложных органических соединений с тройной связью:

СН 3 -C≡CН + NaNН 2 → СН 3 -C≡CNa + NН 3

СН 3 -C≡CNa + CH 3 Br → СН 3 -C≡C-СН 3 + NaBr

Химические свойства ароматических углеводородов

Ароматический характер связи влияет на химические свойства бензолов и других ароматических углеводородов.

Единая 6пи–электронная система намного более устойчива, чем обычные пи-связи. Поэтому для ароматических углеводородов более характерны реакции замещения, а не присоединения. В реакции замещения арены вступают по электрофильному механизму.

Реакции замещения

Галогенирование

Нитрование

Лучше всего реакция нитрования протекает под действием не чистой азотной кислоты, а ее смеси с концентрированной серной кислотой, так называемой нитрующей смеси:

Алкилирование

Реакция при которой один из атомов водорода при ароматическом ядре замещается на углеводородный радикал:

Также вместо галогенпроизводных алканов можно использовать алкены. В качестве катализаторов можно использовать галогениды алюминия, трехвалентного железа или неорганические кислоты.<

Реакции присоединения

Гидрирование

Присоединение хлора

Протекает по радикальному механизму при интенсивном облучении ультрафиолетовым светом:

Подобным образом реакция может протекать только с хлором.

Реакции окисления

Горение

2С 6 Н 6 + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О+Q

Неполное окисление

Бензольное кольцо устойчиво к действию таких окислителей как KMnO 4 и K 2 Cr 2 O 7 . Реакция не идет.

Деление заместителей в бензольном кольце на два типа:

Рассмотрим химические свойства гомологов бензола на примере толуола.

Химические свойства толуола

Галогенирование

Молекулу толуола можно рассматривать, как состоящую из фрагментов молекул бензола и метана. Поэтому логично предположить, что химические свойства толуола должны в какой-то мере сочетать химические свойства этих двух веществ, взятых по отдельности. В частyости, именно это и наблюдается при его галогенировании. Мы уже знаем, что бензол вступает в реакцию замещения с хлором по электрофильному механизму, и для осуществления данной реакции необходимо использовать катализаторы (галогениды алюминия или трехвалентного железа). В то же время метан так же способен реагировать с хлором, но уже по свободно-радикальному механизму, для чего требуется облучение исходной реакционной смеси УФ-светом. Толуол, в зависимости от того, в каких условиях подвергается хлорированию, способен дать либо продукты замещения атомов водорода в бензольном кольце – для это нужно использовать те же условия что и при хлорировании бензола, либо продукты замещения атомов водорода в метильном радикале, если на него, как и на метан действовать хлором при облучении ультрафиолетом:

Как можно заметить хлорирование толуола в присутствии хлорида алюминия привело к двум разным продуктам – орто- и пара-хлортолуолу. Это обусловлено тем, что метильный радикал является заместителем I рода.

Если хлорирование толуола в присутсвии AlCl 3 проводить в избытке хлора, возможно образование трихлорзамещенного толуола:

Аналогично при хлорировании толуола на свету при большем соотношении хлор/толуол можно получить дихлорметилбензол или трихлорметилбензол:

Нитрование

Замещение атомов водорода на нитрогрппу, при нитровании толуола смесью концентрированных азотной и серной кислот, приводит к продуктам замещения в ароматическом ядре, а не метильном радикале:

Алкилирование

Как уже было сказано метильный радикал, является ориентантом I рода, поэтому его алкилирование по Фриделю-Крафтсу приводит продуктам замещения в орто- и пара-положения:

Реакции присоединения

Толуол можно прогидрировать до метилциклогексана при использовании металлических катализаторов (Pt, Pd, Ni):

С 6 Н 5 СН 3 + 9O 2 → 7СO 2 + 4Н 2 O

Неполное окисление

При действии такого окислителя, как водный раствор перманганата калия окислению подвергается боковая цепь. Ароматическое ядро в таких условиях окислиться не может. При этом в зависимости от pH раствора будет образовываться либо карбоновая кислота, либо ее соль.

Определение

Углеводороды (УВ) - органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода.

Как вы помните (см. тему "Классификация органических веществ" ), все органические вещества можно подразделить на циклические и ациклические . Углеводороды являются только одним из классов органических соединений, их можно условно разделить на предельные и непредельные .

Предельные , или насыщенные УВ , не содержат кратных связей в структуре молекул.

Непредельные или ненасыщенные УВ содержат кратные связи - двойные или тройные.

Традиционно классификацию органических веществ проводят по строению углеводородной цепи, поэтому все УВ также подразделяются на незамкнутые (ациклические) и УВ с замкнутой цепью (карбоциклические). В свою очередь, класс ароматических УВ можно отнести и к классу непредельных соединений, так как в их структуре присутствуют кратные двойные связи. Другими словами: все ароматические соединения являются непредельными, но не все непредельные соединения - ароматические. В свою очередь, циклопарафины тоже могут быть предельными (насыщенными), а могут содержать в своей структуре кратные двойные связи и проявлять свойства ненасыщенных УВ.

Схематично эту классификацию можно отобразить следующим образом:

Углеводороды (УВ)		Класс УВ	формула гомологического	в названии	Связи С-С	Гибридизация
Ациклические (алифатические)	предельные	алканы	$C_nH_{2n+2}$	-ан	…(C-C)…	$sp^3$
	непредельные	алкены	$C_nH_{2n}$	-ен	…(C=C)…	$sp^2$
		алкины	$C_nH_{2n-2}$	-ин	…(C $\equiv$C)…	$sp$
		алкадиены		-диен	…(C=C)..(C=C)…	$sp^3$/ $sp^2$ /$sp$
циклические	ароматические	арены	$C_nH_{2n-6}$	-бензол	ароматическая система $C_6H_5$-	$sp^2$
	алициклические	циклоалканы	$C_nH_{2n}$	цикло-……-ан	замкнутый цикл …(C=C)…	$sp^3$

Ациклические соединения обычно подразделяют на предельные и непредельные (насыщенные и ненасыщенные) в зависимости от того, отсутствуют или присутствуют в их молекулах кратные углерод-углеродные связи:

Среди циклических соединений выделяют карбоциклические и гетероциклические. В молекулах карбоциклических соединений цикл образован только атомами углерода. В гетероциклах наряду с атомами углерода могут присутствовать и другие элементы, например O, N, S:

Карбоциклические соединения подразделяют на алициклические и ароматические. Ароматические соединения содержат в своём составе бензольное кольцо:

Общие химические свойства классов углеводородов

Теперь давайте дадим общую характеристику отдельным классам углеводородов и опишем их общие химические свойства. Более подробно все классы соединений будут рассматриваться в отдельных специальных темах. Начнем с предельных или насыщенных УВ. Представителями этого класса являются алканы .

Определение

Алканы (парафины) - углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и состав которых соответствует общей формуле $C_nH_{2n+2}$.

Алканы называют насыщенными УВ в соответствии с их химическими свойствами. Все связи в молекулах алканов одинарные. Перекрывание происходит по линии, соединяющей ядра атомов, то есть это$\sigma$-связи, поэтому в жестких условиях (высокая температура, УФ-облучение) алканы могут вступать в реакции замещения, элиминирования (дегидрирования и ароматизации) и изомеризации либо в реакции расщепления, то есть разрушения углеродной цепи.

Все реакции протекают преимущественно по свободно-радикальному механизму , когда в результате реакции происходит гомолитический разрыв связей и образуются высокореакционные частицы, имеющие неспаренный электрон - свободные радикалы. Связано это с низкой поляризацией связей C-H и отсутствием участков с повышенной или пониженной электронной плотностью. Алканы не реагируют с заряженными частицами, так как связи в алканах не разрываются по гетеролитическому механизму. Алканы не могут вступать в реакции присоединения, так как из определения насыщаемости связи следует, что в молекулах с $\sigma$-связями, углерод проявляет максимальную валентность, где каждая из четырех связей образована одной парой электронов.

Циклоалканы (циклопарафины) также могут быть относены к классу предельных УВ, так как представляют собой карбоциклические соединения с одинарными $\sigma$-связями.

Определение

Циклоалканы (циклопарафины) - это циклические углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей и соответствующие общей формуле $C_nH_{2n}$

Циклоалканы также являются насыщенными углеводородами, то есть проявляют свойства, аналогичные алканам. В отличии от алканов, циклоалканы смалыми циклами (циклопропан и циклобутан) могут вступать в реакции присоединения , происходящие с разрывом связей и раскрытием цикла. Для остальных циклоалканов характерны реакции замещения , протекающие, аналогично алканам, по свободно-радикальному механизму.

К непредельным (ненасыщенным) углеводородам , согласно классификации, относятся алкены, алкадиены и алкины. Ароматические УВ также могут быть отнесены к непредельным соединениям. Свойство "непредельности" связано со способностью этих УВ вступать в реакции присоединения по кратным связям и образовывать, в конце концов, предельные УВ. Реакции присоединения включают реакции гидрирования (присоединение водорода), галогенирования (присоединение галогенов), гидрогалогенирования (присоединение галогенводородов), гидратации (присоединение воды), полимеризации. Большая часть этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

Определение

Алкены (олефины )- ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $C_nH_{2n}$.

Для алкенов, помимо указанных реакций присоединения, характерны также реакции окисления с образованием гликолей (двухатомных спиртов), кетонов или карбоновых кислот, в зависимости от длины цепи и места расположения двойной связи. Подробно особенности протекания этих реакций рассматриваются в теме "ОВР в органической химии "

Определение

Алкадиены - ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, две двойные связи между атомами углерода и соответствующие общей формуле $C_nH_{2n-2}$.

Расположение двойной связи в молекуле алкадиенов может быть различным:

кумулятивные диены (аллены): $-CH_2-CH=C=CH-CH2-$

изолированные диены : $-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH=CH-CH_2-$

сопряженные диены : $-CH_2-CH=CH-CH=CH-CH_2-$

Наибольшее практическое применение имеют сопряженные алкадиены, в которых две двойные связи разделены одинарной связью, как, например, в молекуле бутадиена: $CH_2=CH-CH=CH_2$. На основе бутадиена синтезирован искусственный каучук. Поэтому основным практическим свойством алкадиенов является способность к полимеризации за счет двойных связей. Химические свойства сопряженных алкадиенов будут подробно рассмотрены в теме: "Особенности химических свойств сопряженных диенов "

Определение

Алкины - ациклические углеводороды, содержащие в структуре молекулы, помимо одинарных связей, одну тройную связь между атомами углерода, и соответствующие общей формуле $C_nH_{2n-2}$.

Алкины и алкадиены являются межклассовыми изомерами, так как отвечают одной общей формуле. Для алкинов, как и для всех непредельных УВ, характерны реакции присоединения . Реакции протекают по электрофильному механизму в две стадии - с образованием алкенов и их производных и далее с образованием предельных УВ. Причем первая стадия протекает медленнее второй. Особенным свойством ацетилена, первого представителя ряда алкинов, является реакция тримеризации с получением бензола (реакция Зелинского). Особенности протекания этой и других реакций будут рассмотрены в теме "Применение и получение аренов ".

Определение

Ароматические углеводороды (арены) - карбоциклические углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Состав аренов с одним бензольным кольцом отвечает общей формуле $C_nH_{2n-6}$.

В основе всех ароматических соединений лежит бензольное ядро, формула которого графически изображается двумя способами:

Формула с делокализованными связями означает, что электронные р-орбитали атомов углерода участвуют в сопряжении и образуют единую $\pi$-систему. Производные (гомологи) бензола образуются за счет замещения атомов водорода в кольце на другие атомы или группы атомов и образуют боковые цепи.

Поэтому для ароматических соединений ряда бензола характерны реакции по двум направлениям: по бензольному кольцу , и "в боковую цепь" . По бензольному кольцу (ядру) характерны реакции электрофильного замещения , так как наличие $\pi$-системы, то есть области повышенной электронной плотности, делает структуру бензола энергетически выгодной для воздействия электрофилов (положительных ионов). В отличии от непредельных УВ, для которых характерны реакции электрофильного присоединения, ароматическая структура бензола обладает повышенной устойчивостью и нарушение ее энергетически невыгодно. Поэтому при электрофильной атаке происходит не разрыв $\pi$- связей, а замещение атомов водорода. Реакции "в боковую цепь" зависят от характера радикала-заместителя и могут протекать по разным механизмам.

Ароматические соединения. имеющие в своей структуре несколько (два и более) конденсированных бензольных колец называются полиядерными ароматическими УВ и имеют свои тривиальные названия.

Строение и свойства углеводородов

Углеводороды — это органические соединения, молекулы которых состоят из атомов двух элементов: углерода (углерода) и водорода (водорода). От углеводородов происходят различные классы органических соединений.

Углеводороды могут отличаться между собой по строению карбоновой цепи. Благодаря способности атомов углерода образовывать циклы и цепи разных размеров и форм, различные типы химической связи возможно существование огромного количества углеводородов. Углеводороды различных типов отличаются между собой степенью насыщенности их атомами водорода. А потому атомы углерода, образуя цепь, могут связываться между собой с помощью простых (одинарных), двойных или тройных связей.

Зависимости от химического строения и связанных с этим свойств углеводороды разделяют на группы, или ряды, главными из которых являются насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды и ароматические.

Насыщенными называют углеводороды с открытым (не замкнутым) карбоновой цепью, общая формула которых CnH2n + 2. В этих углеводородов все четыре валентности атома углерода максимально насыщены атомами водорода. Поэтому такие углеводороды называют насыщенными.

Согласно современной номенклатуры насыщенные углеводороды называют алканами. Молекулы алканов содержат только простые (одинарные) s связи между атомами и вступают только в реакции замещения. Они не обесцвечивают раствор калий перманганата KMnO4, бромную воду, не окисляются растворами кислот и щелочей, не вступают в реакции присоединения.

Ненасыщенными называют углеводороды с двойными и тройными связями между атомами углерода в молекулах. В этих углеводородов не все валентности атома углерода максимально насыщены атомами водорода. Поэтому такие углеводороды называют ненасыщенными.

Зависимости от количества и характера кратных связей ненасыщенные углеводороды классифицируют на такие ряды: этилена (алкены) CnH2n, диеновые (диены) CnH2n-2, ацетиленовые (алкины) CnH2n-2.

Молекулы этиленовых углеводородов содержат один двойной или s, p-связь. Молекулы диеновых углеводородов содержат два двойных связи. А молекулы ацетиленовых углеводородов содержат один тройную связь.

Для ненасыщенных углеводородов характерны реакции присоединения. Они могут присоединять водород (гидрирования), хлор, бром и т.п. (галогенов), водород галогены HCl, HBr, воду (это реакция гидратации). Также они вступают в реакции полимеризации, обесцвечивают раствор калий перманганата, бромную воду, окисляются растворами кислот и щелочей.

Ароматическими называют углеводороды циклической (замкнутой) строения, общая формула которых CnH2n-6. В молекулах ароматических углеводородов нет простых и двойных связей. Электронная плотность распределена равномерно, а потому все связи между атомами углерода в молекуле уровне. Точно это отражает структурная формула в виде правильного шестиугольника с кругом внутри. Это формула простейшего представителя класса аренов (ароматических углеводородов) бензола.

Основой всех органических веществ являются соединения, которые состоят из двух элементов – углерода и водорода. От такого достаточно простого состава они и получили своё название – углеводороды. Это класс соединений, разнообразных по структуре, химическим связям, свойствам. Их в свою очередь, делят на группы – ряды:

1) Насыщенные углеводороды

а) Алканы

2) Ненасыщенные углеводороды:

а) Алкены

б) Алкины

Все углеводороды не имеют цвета. При нормальных условиях они могут находиться в твёрдом, жидком или газообразном состояниях. Их агрегатное состояние зависит от массы молекул вещества. Чем больше масса молекул, тем труднее разорвать связи между ними, так как с увеличением массы, как правило, увеличивается притяжение между молекулами, и затрудняются процессы плавления и испарения. Молекулярная масса оказывает влияние и на плотность вещества: с её увеличением плотность углеводорода увеличивается.

Общим свойством всех углеводородов, как и всех органических соединений, является горение – окисление кислородом. Например, в газовых плитах горит один из компонентов природного газа – пропан.

При сжигании пластмассовых предметов выделяется много ядовитых веществ, которые загрязняют атмосферу. Вдыхать дым костра, в котором сжигаются полимеры и пластмассы, чрезвычайно вредно.

Источником природных алканов являются нефть, попутные и природные газы. Природный газ содержит более 90% метана. Кроме метана, в нем содержится этан, пропан, бутан, немного азота, углекислого газа, иногда сероводород.

Нефть

Нефть представляет собой смесь различных алканов и других соединений. В ней присутствуют жидкие, твёрдые, а также нередко газообразные углеводороды. Газообразные углеводороды, растворённые в нефти, в недрах Земли находятся под давлением, а при выходе на поверхность они отделяются от жидкой нефти и образуют так называемые попутные газы. Они содержат меньше метана, а доля этана, пропана, бутана в них значительно больше, чем в природном газе. Ясно, что попутные газы не менее ценны, чем природный газ. И тем не менее с давних времён попутные газы на промыслах сжигают. В результате не только уничтожается ценное сырьё, но и наносится урон окружающей среде.

Алкены и алкины в природе практически не встречаются. Их получают из акланов отщеплением водорода в присутствии катализатора, например никеля. Такие реакции называются дегидрированием.

Природный газ является наиболее экономичным и экологичным топливом. Он используется на ТЭЦ, заводах, в быту. Жидкие углеводороды применяют в качестве горючего.

Как насыщенные, так и ненасыщенные углеводороды нужны не только в энергетике, но и в химической промышленности. Они служат сырьём для получения многих необходимых веществ: пластмасс, синтетических волокон, лаков и красок, лекарств, ацетона, спирта, сажы, водорода и других.

Для получения горючего топлива нефть подвергают переработке способом перегонки. Её сущность заключается в том, что при нагревании нефти до определённой температуры один за другим углеводороды испаряются, а затем конденсируются. Так получают горючее. А остатки перегонки используют в химической промышленности и для покрытия дорог.