Алканы (Парафины)

Алканы
(Парафины)
Лекция №6
1. Гомологический ряд алканов
2. Номенклатура аканов
3. Строение алканов
4. Изомерия в ряду алканов
5. Получение алканов из природных источников
6. Синтез алканов
7. Физические свойства алканов
8. Химические свойства алканов
1. Гомологический ряд алканов
Алканы (парафины) – углеводороды с открытой цепью, в которых атомы
углерода соединены друг с другом одинарными связями, а остальные
свободные валентности насыщены атомами водорода.
"парафины" – от лат. parrum affinis –
малоактивный
Гомологический ряд – группа родственных органических соединений,
отвечающих одной общей формуле и содержащих общие структурные
элементы, но отличающихся между собой на одну или несколько
метиленовых групп (СН2).
CnH2n+2
Общая формула алканов
1. Гомологический ряд алканов
Метан
CH4
CH3-
Метил (Me)
Этан
CH3—CH3
C2H6
CH3—CH2-
Этил (Et)
Пропан
CH3—CH2—СН3
C3H8
CH3—CH2—СН2-
н-Пропил
(Pr)
н-Бутан
CH3—CH2—CH2—CH3
C4H10
CH3—(CH2)2—CH2-
н-Бутил (Bu)
н-Пентан
CH3—(CH2)3—CH3
C5H12
CH3—(CH2)3—CH2-
н-Пентил
н-Гексан
CH3—(CH2)4—CH3
C6H14
CH3—(CH2)4—CH2-
н-Гексил
н-Гептан
CH3—(CH2)5—CH3
C7H16
CH3—(CH2)5—CH2-
н-Гептил
Н-Октан
CH3—(CH2)6—CH3
C8H18
н-Нонан
CH3—(CH2)7—CH3
C9H20
н-декан
CH3—(CH2)8—CH3
C10H22
«н» - нормального (неразветвленного строения)
2. Систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC),
(1892г., г. Женева) Международный союз химии
1.
2.
C
Название алкана оканчивается на –ан.
Выбирается самая длинная неразветвленная цепь атомов углерода;
соединенные с ней алкильные группы рассматриваются как заместители.
3. Атомы углерода основной цепи нумеруются
последовательно с того ее конца, который дает
заместителю наименьший номер.
C C
C C
C
C C C C C C
6
1
5
2
4. Название заместителей перечисляют в алфавитном
порядке, указывая перед названием номер атома, у
которого расположен заместитель. Название всему
соединению дает самая длинная углеводородная цепь.
Классификация атомов углерода:
C C
C C
C C
C
4
3
3
4
2 1 ï ðàâèëüí àÿ í óì åðàöèÿ
5 6 í åï ðàâèëüí àÿ í óì åðàöèÿ
CH3
H2C
3HC
CH
CH
CH2
Первичный (10) - связан только с одним углеродным атомом;
Вторичный (20) - связан с двумя атомами углерода;
H
Третичный (30) – связан с тремя атомами углерода.
0
CH3
CH3
2,3-диметилгексан
H H H
0
2
30
1
H C
C C C
CH3
H
H H CH3
Правила ИЮПАК разрешают использовать для алкильных заместителей
тривиальные названия:
CH3
H3C CH
H3C
CH CH3
H2C
Изобутил (iBu)
Изопропил
(iPr)
H3C
H3C
CH CH3
H2C
Изопентил
H2C
(Изоамил)
H 3C
CH2
H3C
C
H3C
H3C
C
втор-Бутил
(sBu)
CH3
трет-Бутил
(tBu)
CH3
C
CH3
H 2C
Неопентил
H3C
H3C
CH2
трет-Пентил
C
CH3
3. Строение алканов
CH4
2sp3
1s2
CH3-CH3
Свободное вращение вокруг С-С-связи
заслоненная
конформация
заслоненная
конформация
заторможенная
конформация
(более устойчивая)
заторможенная
конформация
проекции Ньюмена
вид вдоль связи С-С
4. Изомерия алканов
Изомерия – явление, обусловленное существованием молекул, имеющих
одинаковый качественный и количественный состав, но
различающихся по химическим и физическим свойствам вследствие
неодинакового расположения атомов (атомных группировок) в молекуле или
их ориентации в пространстве.
Изомеры – соединения, отвечающие одной молекулярной формуле, но
различающиеся между собой по строению
Изомерия углеродного скелета
Конформационная изомерия
Изомеры имеют разные физические свойства, но сходное химическое
поведение
5. Получение алканов из природных источников (нефть, природный газ)
C1 – C4
газы
200C
C5 – C9
700C
C5 – C10
сырье для тонкой химии
бензин
1200C
C10 – C16
керосин
1700C
C14 – C20
2700C
C20 – C50
C20 - C70
6000C >C70
дизельное топливо
масла, воски
топливо
гудрон
6.Синтез алканов
Реакции, не сопровождающиеся изменением числа углеродных атомов
в молекуле:
а) Каталитическое (Pt, Pd, Ni) гидрирование непредельных соединений и циклоалканов
R'
R'
H2, Pt
H2, Pt
R
àëêåí
R
алкан
öèêëî ï ðî ï àí
CH3CH2CH3
ï ðî ï àí
б) Восстановление алкилгалогенидов
CH3CH2CH2Cl + [H]
CH3CH2CH3 + HCl
[H]: Zn/HCl, Zn(Hg)/HCl, HI
в) Реакция металлорганических соединений с водой:
CH3CH2CH2MgCl +H2O
пропилмагнийхлорид
CH3CH2CH3 + Mg(OH)Cl
ï ðî ï àí
г) Восстановление карбонильных соединений. Реакция Кижнера-Вольфа
карбонильное
соединение
алкан
Реакции, сопровождающиеся уменьшением числа углеродных атомов
а) Сплавление солей одноосновных карбоновых кислот с щелочами:
RCH2COONa + NaOH
натриевая соль
карбоновой
кислоты
t0C
RCH3 + Na2CO3
алкан
б) Крекинг нефти
Кре́кинг (англ. cracking, расщепление) — высокотемпературная переработка нефти с
целью получения продуктов меньшей молекулярной массы (моторных топлив,
смазочных масел и т. п.).
H2C CH3 4000C
H3C CH2
áóòàí
CH3CH3 + H2C CH2
ýòåí ,
ýòàí
ýòèëåí
Из получаемых алканов особенно ценны
пропан, бутан, изобутан и изопентан
Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга
нефти была запатентована инженером В.Г.Шуховым и его помощником
С.П.Гавриловым в 1891 году
(патент Российской империи № 12926 от 27 ноября 1891 года).
Научные и инженерные решения В.Г. Шухова повторены У. Бартоном при сооружении
первой промышленной установки в США в 1915-1918 годах.
Первые отечественные промышленные установки крекинга построены
В.Г.Шуховым в 1934 году на заводе "Советский крекинг" в Баку.
Владимир Григорьевич
Шухов
Электрокрекинг
CH4
ì åòàí
800-10000C
HC CH
+ H2C CH2 +H2
ýòåí ,
ýòèí ,
ýòèëåí
àöåòèëåí
Каталитический риформинг
H2C CH3
H2C CH2
Pt, t0C, P
H3C CH2
ãåêñàí
H
H
H
C
C
C
C
H
C
C
H
H
áåí çî ë
+ 4H2
Реакции, сопровождающиеся удлинением углеродного скелета
а) Метод Фишера-Тропша (синтез из окиси углерода)
nCO + 2(n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O
б)
Cырье для производства бензинов
(алканы нормальные парафины с
примесью разветвленных).
Реакция Вюрца
2CH3–CH2Br(бромистый этил) + 2Na → CH3–CH2–CH2–CH3(бутан) + 2NaBr
2CH3Li + CuI → CH3CuLi + LiI
2CH3CuLi + CH3CH2I → CH3CH2CH3
в) Электролиз солей карбоновых кислот (метод Кольбе (1849г.)
R
C O
O
-e
R
C O
O
R
+ CO2
R· + R· → R-R
алкан
7. Физические свойства
В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов –
газы, C5–C17 – жидкости, а начиная с C18 – твердые вещества. Температуры
плавления и кипения алканов их плотности увеличиваются с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (бензол) и сами являются хорошими
растворителями.
Название
Формула
t°пл.,
°С
t°кип.,
°С
d420 *
Метан
CH4
-182,5
-161,5
0,415
(при -164°С)
Этан
C2H6
-182,8
-88,6
0,561
(при -100°С)
Пропан
C3H8
-187,6
-42,1
0,583
(при -44,5°С)
Бутан
C4H10
-138,3
-0,5
0,500
(при 0°С)
CH3–CH(CH3)–CH3
-159,4
-11,7
0,563
C5H12
-129,7
36,07
0,626
Изопентан
(CH3)2CH–CH2–CH3
-159,9
27,9
0,620
Неопентан
CH3–C(CH3)3
-16,6
9,5
0,613
Изобутан
Пентан
8. Химические свойства алканов
Типичная реакция алканов – радикальное замещение (SR)
Радикальное галогенирование алканов
Механизм радикального замещения
Инициирование цепи
Рост цепи
Обрыв цепи
Позиционная селективность радикального замещения
Более устойчив, быстрее образуется,
больше концентрация, быстрее
превращается в продукт
H
H
H
H
CH3 +I
C
C
C
C
H
H3C
+I
H
H3C
+I
CH3
+I
H3C
+I
CH3
+I
Другие реакции радикального замещения
алкан
реaгент
условия
продукт
реакция
пропан
HNO3 разб.
1400C, Р
2-нитропропан
нитрование
пропан
SO2, Cl2
hν
сульфохлорирование
пропан-2-сульфонил
хлорид
пропан
SO2, O2
сульфоокисление
hν
пропан-2-сульфоновая
кислота
Окисление алканов (горение)
Алканы – ценное высококалорийное топливо
RCH2 + O2
t0 C
CO2 + H2O + Q
Радикальный процесс;
механизм реакции сложен, до конца
полностью не установлен,
Антидeтонационные свойства топлива сильно зависят от структуры углеводородов
бензиновой фракции нефти
Относительная антидетонационная способность топлива
характеризуется октановым числом ОЧ):
н-гептан (ОЧ) = 0 (сильно детонирует)
изооктан (2,2,4-триметилпентан) ОЧ = 100.
Дегидрирование алканов
этан
этен (этилен)