Основные понятия органической химии

×СН₃ + НNO₃  ®  CH₃NO₂ + HO×

   3. Окисление – вторая группа реакций,  характерная для алканов. Реакции окисления алканов обычно протекают при высоких температурах, сопровождаются разрывом углерод-углеродных связей и образованием преимущественно двуокиси углерода и воды:

   СН₄ + О₂ ® СО₂ + 2 Н₂О

   С₃Н₈ + 5 О₂ ® 3 СО + 4 Н₂О

   При сгорании 1 кг метана выделяется 57000 кдж. Горение – одна из главных реакций  парафинов, используемых на практике: природный газ, нефть – важнейшие источники тепла и энергии.

   Окисление парафинов кислородом воздуха в  более мягких условиях приводит к  получению кислородсодержащих органических веществ – спиртов, альдегидов, кетонов, кислот. Например, при окислении бутана получают в промышленности уксусную кислоту.

   4. Крекинг. При температурах выше 1000 °С алканы разлагаются на углерод и водород:

    СН₄     ^1000°С   С + 2 Н₂

При крекинге предельных углеводородов (разложении) образуются более простые насыщенные и ненасыщенные углеводороды, например:

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ ® СН₃ – СН₃ + СН₂ = СН₂

   Эта реакция имеет большое практическое значение. При помощи крекинга высококипящие  фракции нефти (мазут) превращают в  ценные низкокипящие жидкие продукты – бензин, керосин, а также в простейшие газообразные углеводороды – сырьё для органического синтеза.

1.5. Способы получения алканов

   Кроме природных источников получения  алканов широко используют и многочисленные синтетические способы, которые  можно разделить на три группы.

   Первую  группу составляют реакции, не сопровождающиеся изменениями числа углеродных атомов в молекуле:

   а) гидрирование непредельных углеводородов

  СН₂ = СН₂ + Н₂  ®  Н₃С – СН₃

  этилен                           этан

   б) восстановление галогенпроизводных водородом

   СН₃Cl + H₂  ®  CH₄ + HCl

   Ко  второй группе относятся реакции, сопровождающиеся усложнением углеродного скелета. Например реакция Вюрца (1855 г.) –  действие металлического натрия на алкилгалогениды

   а) СН₃Сl + 2 Na + CH₃Cl  ®  CH₃ – CH₃ + 2 NaCl

б) прямой синтез из элементов

   С + 2 Н₂ ® СН₄

    К третьей группе относятся реакции, при которых полученный продукт  содержит меньше углеродных атомов, чем  исходное соединение. 
 

                         ацетат натрия                       метан

Этим  способом получают метан в лабораторных условиях.

1.6. Применение. Метан. Природный газ

   Простейший  алкан – метан СН₄, известен под различными названиями, указывающими на его нахождение в природе. Название болотный газ связано с образованием метана при гниении растительных веществ на дне болот. Скопление метана нередко можно встретить в залежах каменного угля, откуда происходит его название рудничный газ. Накапливаясь в шахтах, он может быть причиной опасных взрывов. Атмосфера больших планет (Сатурн, Юпитер) содержит много метана: это указывает на то, что метан может возникать в естественных условиях и в отсутствие органической жизни.

   В недрах земли содержатся большие  запасы горючих газов. Они находятся  в свободном состоянии в виде природного газа (скопление в толще  земной коры) или в растворённом виде в нефти и подземных водах – попутные газы.

   Природный газ содержит до 98 % метана, а в  качестве примесей – этан, пропан и  др. Попутный нефтяной газ более  беден: метана 30 – 80 %, но содержит значительное количество его гомологов: этана 4 – 20 %, пропана 5 – 22 %. Высшие алканы входят в состав нефтей.

   Газ используют как топливо для бытовых  и промышленных целей, а также  как химическое сырьё. Из метана путём  пиролиза получают сажу и водород.

    СН₄  ^{1000 °С}  2 Н₂ + С

   Сажа  используется как добавка к каучуку  в производстве резины, для приготовления типографской краски, водород – для синтеза аммиака. Из метана получают ацетилен, синтетический бензин, метиловый спирт, формальдегид, хлористый метил, хлороформ, четырёххлористый углерод, которые широко используются в органическом синтезе и в народном хозяйстве.

   Этан, пропан, бутан и пентаны применяют  для получения соответственно этилена, пропилена, дивинила и изопрена. Пропан в смеси с бутаном используют в качестве топлива (бытовой сжиженный  газ, транспортируемый в баллонах).

   Изооктан  – ценная составная часть высококачественного  горючего (бензина) для двигателей внутреннего  сгорания.

   Средние члены гомологического ряда метана используют как растворители и моторное топливо. Высшие алканы применяют для  производства высших жирных кислот и спиртов, синтетических жиров, смазочных масел, пластификаторов и непредельных соединений. 

   Вопросы и задания

1. Объясните понятия «гомологический ряд», «гомолог», «гомологическая разность» на примере ряда метана.
2. Объясните образование s-связи между атомами углерода, между атомами углерода и водорода.
3. Напишите возможные изомеры для углеводорода состава C₅H₁₂ и назовите их по систематической номенклатуре.
4. Объясните механизм реакций галогенирования и нитрования метана.
5. Природные и синтетические  получения алканов. Их применение.

 

    2. Этиленовые углеводороды (алкены)

   Алкенами  называют ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекуле одну двойную  связь. Простейший представитель –  этилен С₄Н₄, поэтому их ещё называют углеводородами ряда этилена (таблица 2). Алкены называют также олефинами (от латинского olefaint – масло). Поводом к такому названию послужил хлористый этилен, полученный в XVIII столетии, – жидкое маслянистое вещество.

   Гомологический  ряд этиленовых углеводородов имеет общую формулу C_nH_2n.

   Таблица 2

   Некоторые представители гомологического  ряда этилена

 

   2.1. Номенклатура и изомерия По современным международным правилам названия алкенов строятся подобно названиям алканов, но окончание АН изменяется на окончание ЕН, откуда и происходит общее название алкены. Например предельный углеводород пропан, непредельный – пропен, производное бутана – бутен (см. таблицу 2).

    Иногда используют и рациональные названия. В этом случае все алкеновые углеводороды рассматривают как замещённые этилена:

   Н₃С – СН = СН – СН₂ – СН₃        

     метилэтилэтилен       диметилвторбутилэтилен   Изомерия в ряду алкенов зависит от изомерии углеродной цепи, положения двойной связи, а также пространственной изомерии. Пространственная изомерия зависит от расположения заместителей по отношению к плоскости двойной связи. Эта изомерия наблюдается в тех случаях, когда каждый из атомов углерода, связанных с двойной связью, затрачивает остальные единицы валентности на связь с двумя различными заместителями. Расположение этих заместителей по одну сторону плоскости двойной связи даёт цис-изомер, по разные стороны – транс-изомер. Например, бутен-2 имеет два изомера:                 

                                 

                               

              ЦИС-БУТЕН-2         ТРАНС-БУТЕН-2

   Цис- и транс-изомеры отличаются не только пространственным строением, но и многими физическими и химическими свойствами. Транс-изомеры более устойчивы, чем цис-изомеры.

    Для обозначения положения непредельной связи наиболее длинную цепь нумеруют так, чтобы углеродные атомы при двойной связи получили самые наименьшие номера. Например:  

                                              

   4-метилпентен-2

Окончание -ен и цифра 2 указывают адрес, где находится двойная связь (у второго атома углерода).

2.2. Строение алкенов

    Характерной особенностью строения алкенов  является наличие в молекуле одной  двойной связи – углерод-углеродной.  

   Двойная связь образуется при помощи двух пар обобщённых электронов. Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии            sp²-гибридизации, каждый из них образует три s-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120°. Негибридизованные орбитали р-электронов расположены перпендикулярно к плоскости s-связей и параллельно друг другу и вследствие «бокового» перекрывания образуют вторую связь, называемую p-связью (электроны называют p-электронами). Электронное облако p-связи частично расположено над плоскостью, а частично под плоскостью, в которой лежат атомы. Таким образом, две пары электронов образуют различные по своей природе, геометрии и прочности связи - s и p. Двойная связь представляет собой сочетание s- и p-связей (s + p – связь).

   Боковое перекрывание р-орбиталей, образующих p-связь, сближает атомы углерода и расстояние между ними становится короче – длина двойной С = С связи 0,134 нм (длина простой С – С связи 0,154 нм).