«Уфімський Державний Нафтовий Технічний Університет»
Кафедра: «Фізична і органічна хімія»
Реферат
П редельние вуглеводні (алкани)
Ст.гр.БТП-09-01 Антипина А.
Доцент Калашников С.М.
Уфа 2010
Алка ни (також насичені вуглеводні, парафіни, аліфатичні сполуки) - ациклічні вуглеводні лінійного або розгалуженого будови, що містять тільки прості зв'язки і утворюють гомологічний ряд із загальною формулою C n H 2n +2.
Алкани є насиченими вуглеводнями і містять максимально можливу кількість атомів водню. Кожен атом вуглецю в молекулах алканів знаходиться в стані sp 3-гібридизації - всі 4 гібридні орбіталі атома С рівні за формою і енергії, 4 електронних хмари направлені до вершини тетраедра під кутами 109 ° 28 '. За рахунок одинарних зв'язків між атомами С можливе вільне обертання навколо вуглецевого зв'язку. Тип вуглецевого зв'язку - σ-зв'язку, зв'язку малополярни і погано поляризуемости. Довжина вуглецевого зв'язку - 0,154 нм.
Назви алканів.
Слово «алкан» того ж походження, що і «алкоголь». Застарілий термін «парафін» походить від латинських parum - мало, трохи і affinis - споріднений; парафіни мають малу реакційною здатністю по відношенню до більшості хімічних реагентів. Багато парафіни є гомологами; в гомологическом ряду алканів кожний наступний член відрізняється від попереднього на одну метиленову групу СН 2. Термін походить від грецького homologos - відповідний, подібний.
Номенклатурні (від лат. Nomenclatura - розпис імен) назви алканов будуються за певними правилами, які не завжди однозначні. Так, якщо в молекулі алкана ecть різні заступники, то в назві алкана вони перераховуються в алфавітному порядку. Однак у різних мовах цей порядок може відрізнятися. Наприклад, вуглеводень СН 3-СН (СН 3)-СН (С 2 Н 5)-СН 2-СН 2-СН 3 згідно з цим правилом по-русски буде називатися 2-метил-3-етілгексан, а по-англійськи 3-ethyl-2-methylhexane ...
Відповідно до назви вуглеводню називаються і алкільні радикали: метил (СН 3 -), етил (С 2 Н 5 -), ізопропіл (СН 3) 2 СН-, втор-бутил С 2 Н 5-СН (СН 3) -, трет-бутил (СН 3) 3 С-і т.д. Алкільні радикали входять як ціле до складу багатьох органічних сполук; у вільному стані ці частинки з неспареним електроном виключно активні.
Деякі ізомери алканів мають і тривіальні назви, наприклад, ізобутан (2-метілпропан), ізооктан (2,2,4-триметилпентана), неопентана (2,3-діметілпропан), сквалан (2,6,10,15,19,23 -гексаметілтетракозан), назва якого походить від лат squalus - акула (неграничне похідне сквалан - сквален, важливе для обміну речовин з'єднання, було вперше виявлено в печінки акули). Часто використовується і тривіальне назва радикала пента (С 5 Н 11) - аміл. Воно походить від грец. Amylon - крохмаль: колись ізоаміловий спирт С 5 Н 11 він (3-метілбутанол-1) називали «амільним алкоголем бродіння», так як він складає основу сивушного масла, а воно утворюється в результаті бродіння цукристих речовин - продуктів гідролізу крохмалю.
Систематична номенклатура ІЮПАК
За номенклатурою ІЮПАК назви алканов утворюються за допомогою суфікса-ан шляхом додавання до відповідного кореня від назви вуглеводню. Вибирається найбільш довгу нерозгалужене вуглеводнева ланцюг так, щоб у найбільшого числа заступників був мінімальний номер в ланцюзі. У назві з'єднання цифрою вказують номер вуглецевого атома, при якому знаходиться замісник радикал, потім назва радикала і назва головного ланцюга. Якщо радикали повторюються, то перераховують цифри, що вказують їх положення, а число однакових радикалів вказують приставками ді-, три-, тетра-. Якщо радикали неоднакові, то їх назви перераховуються в алфавітному порядку.
Раціональна номенклатура
Вибирається один з атомів вуглецевого ланцюга, він вважається заміщених метаном і відносно нього будується назву «алкіл1алкіл2алкіл3а
Фізичні властивості насичених вуглеводнів (алканів) Алкани - безбарвні речовини, нерозчинні у воді. У звичайних умовах вони хімічно інертні, оскільки всі зв'язки в їх молекулах утворені за участю sp3-гібридних орбіталей атома вуглецю і є дуже міцними. В реакції приєднання алкани не вступають: всі зв'язки атомів вуглецю повністю насичені.
Температури плавлення і кипіння збільшуються з молекулярної масою і довжиною головної вуглецевого ланцюга
При нормальних умовах нерозгалужені алкани з CH 4 до C 4 H 10 - гази; з C 5 H 12 до C 13 H 28 - рідини; після C 14 H 30 - тверді тіла.
Температури плавлення і кипіння знижуються від менш розгалужених до більш розгалуженим. Так, наприклад, при 20 ° C н-пентан - рідина, а неопентана - газ.
газоподібні алкани горять безбарвним або блідо-блакитним полум'ям з виділенням великої кількості тепла.
Хімічні властивості насичених вуглеводнів (алканів)
Вуглеводні ряду метану при звичайній температурі хімічно дуже інертні, чому вони і отримали назву парафінів (від латинських слів parum affinis - володіє малим спорідненістю). З більшістю хімічних реагентів ці вуглеводні в зазначених умовах або зовсім не реагують, або реагують надзвичайно повільно. При порівняно невисоких температурах протікає лише невелике число реакцій, при яких відбувається заміна атомів водню на різні атоми і групи (реакції металеп-cuu). Ці реакції ведуть до отримання похідних відповідних вуглеводнів.
Алкани мають низьку хімічну активність. Це пояснюється тим, що поодинокі CH і CC зв'язку щодо міцні і їх складно зруйнувати. Оскільки вуглецеві зв'язки неполярних, а зв'язку С - Н малополярни, обидва види зв'язків малополярізуеми і відносяться до σ-увазі, їх розрив найбільш вірогідний по гомолитического механізму тобто з утворенням радикалів.
Реакції радикального заміщення
Галогенування
Галогенування алканів протікає за радикальним механізмом. Для ініціювання реакції необхідно суміш алкана і галогену опромінити УФ-світлом або нагріти. Хлорування метану не зупиняється на стадії отримання метилхлорида (якщо взяті еквімолярних кількості хлору і метану), а призводить до утворення всіх можливих продуктів заміщення, від метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорування інших алканів приводить до суміші продуктів заміщення водню в різних атомів вуглецю. Співвідношення продуктів хлорування залежить від температури. Швидкість хлорування первинних, вторинних і третинних атомів залежить від температури, при низькій температурі швидкість зменшується в ряді: третинний, вторинний, первинний. При підвищенні температури різниця між швидкостями зменшується до тих пір, поки не стає однаковою. Крім кінетичного фактора на розподіл продуктів хлорування впливає статистичний фактор: ймовірність атаки хлором третинного атома вуглецю в 3 рази менше, ніж первинного і в два рази менше ніж вторинного. Таким чином хлорування алканов є нестереоселектівной реакцією, крім випадків, коли можливий тільки один продукт монохлорірованія.
Галогенування - це одна з реакцій заміщення. У першу чергу галогеніруется найменш гідрування атом вуглецю (третинний атом, потім вторинний, первинні атому галогеніруются в останню чергу). Галогенування алканів проходить поетапно - за один етап заміщається не більше одного атома водню:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (тріхлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Під дією світла молекула хлору розпадається на радикали, потім вони атакують молекули алкана, заміщаючи в них атом водню, в результаті цього утворюються метильні радикали СН 3, які стикаються з молекулами хлору, руйнуючи їх і утворюючи нові радикали.
Бромування алканов відрізняється від хлорування вищої стереоселектівностью через більшу різниці в швидкостях бромування третинних, вторинних і первинних атомів вуглецю при низьких температурах.
Йодування алканов йодом не відбувається, отримання иодидов прямим йодування здійснити не можна.
З фтором і хлором реакція може протікати з вибухом, в таких випадках галоген розбавляють азотом або розчинником.
Нітрація (реакція Коновалова)
Алкани реагують з 10% розчином азотної кислоти або оксидом азоту N 2 O 4 в газовій фазі при температурі 140 ° C і невеликому тиску з утворенням нітропохідних. Реакція також підпорядковується правилу Марковникова.
RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O
Усі наявні дані вказують на вільнорадикальних механізм. У результаті реакції утворюються суміші продуктів.
Реакції окислення
Горіння
Основним хімічною властивістю граничних вуглеводнів, що визначають їх використання в якості палива, є реакція горіння. Приклад:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
У разі нестачі кисню замість вуглекислого газу виходить чадний газ чи вугілля (залежно від концентрації кисню).
У загальному вигляді реакцію горіння алканов можна записати наступним чином:
З n Н 2 n +2 + (1,5 n +0,5) O 2 = n CO 2 + (n +1) H 2 O
Каталітичне окислення
Можуть утворюватися спирти, альдегіди, карбонові кислоти.
При м'якому окисленні СН 4 (каталізатор, кисень, 200 ° C) можуть утворитися:
метиловий спирт: СН 4 + О 2 = СН 3 ОН
формальдегід: СН 4 + О 2 = СН 2 О + Н 2 O
мурашина кислота: СН 4 + О 2 = НСООН
Термічні перетворення алканів
Розкладання
Реакції розкладу відбуваються лише під впливом високих температур. Підвищення температури призводить до розриву вуглецевого зв'язку і утворення вільних радикалів.
Приклади:
CH 4 → C + 2H 2 (t> 1000 ° C)
C 2 H 6 → 2C + 3H 2
Крекінг
При нагріванні вище 500 ° C алкани піддаються піролітичної розкладання з утворенням складної суміші продуктів, склад і співвідношення яких залежать від температури і часу реакції. При піролізі відбувається розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків з утворенням алкільних радикалів.
У 1930-1950 рр.. піроліз вищих алканів використовувався в промисловості для отримання складної суміші алканів і алкенів, містять від п'яти до десяти атомів вуглецю. Він отримав назву «термічний крекінг». За допомогою термічного крекінгу вдавалося збільшити кількість бензинової фракції за рахунок розщеплення алканів, що містяться в гасової фракції (10-15 атомів вуглецю в вуглецевому кістяку) і фракції солярового масла (12-20 атомів вуглецю). Однак октанове число бензину, отриманого при термічному крекінгу, не перевищує 65, що не відповідає вимогам умов експлуатації сучасних двигунів внутрішнього згоряння.
В даний час термічний крекінг повністю витіснений у промисловості каталітичним крекінгом, який проводять в газовій фазі при більш низьких температурах - 400-450 ° C і низькому тиску - 10-15 атм на алюмосиликатном каталізаторі, який безперервно регенерується спалюванням утворюється на ньому коксу в струмі повітря . При каталітичному крекінгу в отриманому бензині різко зростає вміст алканів з розгалуженою структурою.
Для метану:
CH 4 → С + 2H 2 - при 1000 ° C
Частковий крекінг:
2CH 4 → C2H2 + 3H 2 - при 1500 ° C
Дегидрирование
Освіта:
1) У вуглецевому кістяку 2 (етан) або 3 (пропан) атома вуглецю - отримання (термінальних) алкенів, так як інших в даному випадку не може вийти; виділення водню:
Умови протікання: 400-600 ° C, каталізатори - Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3
а) CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 (етан → етен)
б) CH 3-CH 2-CH 3 → CH 2 = CH-CH 3 + H 2 (пропан → пропилу)
2) В вуглецевому кістяку 4 (бутан, ізобутан) або 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентана) атомів вуглецю - отримання алкадиенов; виділення водню:
в) CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 → CH 2 = CH - CH = CH 2 + H 2 (бутан → бутадієн-1, 3)
в ') CH 3-CH 2-CH 2-CH 3 → CH 2 = C = CH-CH 3 + H 2 (бутан → бутадієн-1, 2)
3) В вуглецевому кістяку 6 (гексан) і більше атомів вуглецю - отримання бензолу і його похідних:
г) CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 2 CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 3 (октан) → П.-ксилол, паралельно М.-ксилол, паралельно етилбензол + 3 H 2
Ізомеризація
Під дією каталізатора (наприклад, AlCl 3) відбувається ізомеризація алкана: наприклад, бутан (C 4 H 10), взаємодіючи з хлоридом алюмінію (AlCl 3), перетворюється з н-бутану в 2-метілпропан.
Конверсія метану
У присутності нікелевого каталізатора протікає реакція:
CH 4 + H 2 O → CO + H 2
Продукт цієї реакції (суміш CO і H 2) називається «синтез-газом».
Отримання
Головним джерелом алканів (а також інших вуглеводнів) є нафта і природний газ, які зазвичай зустрічаються спільно.
Відновлення галогенпохідних алканів
При каталітичному гідруванні в присутності паладію галогеналкани перетворюються на алкани:
R-CH 2 Cl + H 2 → R-CH 3 + HCl
Відновлення йодалканов відбувається при нагріванні останніх з йодоводородной кислотою:
R-CH 2 I + HI → R-CH 3 + I 2
Для відновлення галогеналканов придатні також амальгама натрію, гідриди металів, натрій в спирті, цинк в соляній кислоті або цинк в спирті
Відновлення спиртів
Відновлення спиртів призводить до утворення вуглеводнів, що містять ту ж кількість атомів С. Так, наприклад, проходить реакція відновлення бутанолу (C 4 H 9 OH), що проходить в присутності LiAlH4. При цьому виділяється вода.
H 3 C-CH 2-CH 2-CH 2 OH → H 3 C-CH 2-CH 2-CH 3 + H 2 O
Відновлення карбонільних сполук
Реакція Кіжнера-Вольфа:
Реакцію проводять в надлишку гідразину в висококиплячому розчиннику в присутності KOH.
Реакція Клемменсена:
Гідрування неграничних вуглеводнів
З алкенов
C n H 2n + H 2 → C n H 2n +2
З алкинов
C n H 2n-2 + 2H 2 → C n H 2n +2
Каталізатором реакції є сполуки нікелю, платини або паладію.
Синтез Кольбе
При електролізі солей карбонових кислот, аніон кислоти - RCOO - переміщається до анода, і там, віддаючи електрон перетворюється на нестійкий радикал RCOO •, який відразу декарбоксилируется. Радикал R • стабілізується шляхом здвоювання з подібним радикалом, і утворюється R-R. Наприклад:
2CH 3 COO - - 2e → 2 [CH 3 COO •] → 2CH 3 • → C 2 H 6
2C 3 H 7 COOK → {електроліз} → C 6 H 14
Газифікація твердого палива
Проходить при підвищеній температурі і тиску. Каталізатор - Ni:
C +2 H 2 → CH 4
Реакція Вюрца
2R-Br + 2Na = R-R + 2NaBr
Реакція йде в ТГФ при температурі -80 ° C. При взаємодії R і R `можливе утворення суміші продуктів (R-R, R`-R `, R-R`)
Синтез Фішера - Тропша
nCO + (2n +1) H 2 → C n H 2n +2 + nH 2 O
Список використаної літератури
Активація та каталітичні реакції алканів / Пер. з англ.; під ред. К. Хілла. - М.: Мир, 1992.
Петров Ал. А. Хімія алканів
Переушану В. Виробництво і використання вуглеводнів. - М.: Хімія, 1987.
Рудаков Є. С. Реакції алканів з окислювачами, металокомплексів і радикалами в розчинах. - Київ: Наукова думка, 1985.
Хейнс А. Методи окислення органічних сполук. Алкани, алкени, алкіни та арени. - М.: Мир, 1988.