2. Углеводороды

Углеводороды – это вещества, состоящие из углерода и водорода. Атомы углерода могут соединяться между собой одинарными, двойными или тройными связями, молекула может иметь открытую (алифатическую) или замкнутую (циклическую) цепь атомов углерода.

Классификация углеводородов по характеру связей между атомами углерода:

- предельные (только одинарные связи между атомами углерода) – алканы, циклоалканы;

- непредельные (есть двойные или тройные связи между атомами углерода) – алкены, алкины¸ алкадиены, циклоалкены;

- ароматические (содержащие бензольное кольцо).

2.1. Алканы (предельные, насыщенные углеводороды, парафины)

Предельные углеводороды – соединения, в молекулах которых, каждый атом углерода связан с соседними атомами углерода только одной связью, остальные его валентности насыщены водородом.

Предельные углеводороды с открытой цепью образуют гомологический ряд алканов с общей формулой C_nH_2n+2. Простейшим алканом является метан.

Номенклатура. Правила составления названия по систематической номенклатуре:

1. Выбирают самую длинную (главную) цепь атомов углерода. Корень названия показывает число атомов углерода в главной цепи.

Число атомов углерода	Корень названия
1	мет
2	эт
3	про
4	бут
5	пент
6	гекс
7	гепт
8	окт
9	нон
10	дек

2. Суффикс названия показывает принадлежность к гомологическому ряду. Суффикс алканов –ан.

3. Атомы, не вошедшие в главную цепь, называются заместителями. Названия некоторых заместителей:

CH₃─ метил,

C₂H₅ ─ этил,

Cl─ хлор,

Br─бром,

I─йод.

4. Нумеруют атомы углерода главной цепи так, чтобы атомы углерода, к которым присоединены заместители, получили меньшие номера.

Название включает:

номер атома углерода, у которого находится заместитель

─

название заместителя

название главной цепи

Если в соединении имеется несколько одинаковых заместителей, их не перечисляют, а используют приставки:

ди – 2 , три – 3, тетра – 4, пента - 5.

Цифрами в начале названия показывают положение каждого заместителя.

Разные заместители перечисляют в алфавитном порядке. Перед каждым заместителем цифрой показывают его положение в главной цепи.

Примеры составления названий.

Пример 1.

CH31 ─	CH2 ─	CH23 ─	CH34
	│
	CH3

В главной цепи (горизонтальная цепочка атомов углерода) находятся четыре атома углерода, корень названия – бут.

Атомы углерода главной цепи нумеруем слева направо, тогда заместитель CH₃ (метил) присоединен ко второму атому углерода (номер атома углерода показан верхним индексом). Если атомы углерода главной цепи нумеровать справа налево, то заместитель будет располагаться у третьего атома углерода. По правилам номер должен быть меньшим.

Название алкана: 2-метилбутан.

Пример 2.

			CH3
			│
CH35 ─	CH24 ─	CH3 ─	C2 ─	CH31
		│	│
		CH3	CH3

Атомы углерода главной цепи нумеруем справа налево, тогда два заместителя присоединены ко второму атому углерода, один заместитель – к третьему атому.

Название: 2,2,3-триметилпентан.

Пример 3.

	Cl
	│
CH31 ─	C2 ─	CH23 ─	CH34
	│
	CH3

Атомы углерода главной цепи нумеруем слева, тогда заместители (метил и хлор) присоединены ко второму атому углерода.

Название: 2-метил-2-хлор-бутан.

Перечисленные правила составления названия применимы не только к алканам, но и к другим гомологическим рядам и классам органических веществ. Отличие будет в правиле нумерации атомов углерода главной цепи. Это будет рассмотрено в следующих разделах.

Физические свойства. Температура кипения алканов с неразветвленной цепью увеличивается с увеличением числа атомов углерода. При стандартных условиях (p=10⁵Па, T=298⁰K):

CH₄ … C₄H₁₀ – газы,

C₅H₁₂ … C₁₅H₃₂ – жидкости,

C₁₆H₃₄ и далее – твердые вещества.

Температура плавления твердых алканов с увеличением числа атомов углерода также увеличивается.

Плотность алканов меньше плотности воды.

Растворимость алканов в воде небольшая. Алканы хорошо растворимы в большинстве органических растворителей (например, в этаноле).Многие органические вещества растворяются в алканах.

Изомерия. Для алканов характерна изомерия углеродного скелета (разное расположение атомов углерода). Например, рассмотренные в первом разделе бутан и метилпропан (вещества, формула которых C₄H₁₀) являются изомерами, отличающимися расположением атомов углерода.

Химические свойства.

1. Для алканов характерны реакции замещения, имеющие радикальный механизм. Например, галогенирование – замещение одного или нескольких атомов водорода атомами галогенов (F, Cl, Br). Происходит при взаимодействии алканов с галогенами (F₂, Cl₂, Br₂). Скорость галогенирования уменьшается в этом ряду. Реакция со фтором идет со взрывом, для уменьшения скорости взаимодействия используют не чистый фтор, а смесь фтора с азотом, получается CF_4. Хлор реагирует с алканами на свету, либо при нагревании до 300⁰C, либо в присутствии катализаторов (CuCl₂, AlCl₃ и др.).

При недостатке хлора:

CH₄ + Cl₂ →CH₃Cl + HCl

При достаточном количестве хлора последовательно замещаются все атомы водорода:

CH₄ → CH₃Cl → CH₂Cl₂ →CHCl₃ → CCl₄.

Реакции взаимодействия избытка хлора с метаном:

CH₄ + 2Cl₂ → CH₂Cl₂ + 2HCl

CH₄ + 3Cl₂ → CHCl₃ + 3HCl

CH₄ + 4Cl₂ → CHCl₄ + 4HCl

Реакция хлорирования имеет цепной механизм и состоит из нескольких стадий.

Стадия 1. Зарождение цепи. Под действием света образуются два радикала (атомы хлора, имеющие неспаренный электрон):

Cl2

→

Cl· + Cl·

Стадия 2. Рост цепи:

CH₄ + Cl∙ →CH₃∙ + HCl

CH₃∙ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl∙ и т.д.

Стадия 3. Обрыв цепи:

2Cl∙ → Cl₂

CH₃∙ + Cl∙ → CH₃Cl.

У более сложных алканов в первую очередь замещается водород у менее гидрированного атома углерода (связанного с меньшим числом атомов водорода):

					Cl
					│
CH3 ─	CH2 ─	CH3	→	CH3 ─	CH ─	CH3	+	HCl
				2-хлорпроран

Бромирование алканов протекает гораздо медленнее хлорирования, иодирование почти не идет.

2. Окисление.

а) Обычные окислители при комнатных температурах на алканы не действуют.

б) В присутствии катализаторов (соединения марганца) алканы окисляются кислородом воздуха при 150⁰C. При этом образуется смесь продуктов (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты). Практическое значение имеет получение высших органических кислот, из которых получают мыло:

	окисление
C18H38	→	C17H35COOH

3. Горение. Алканы легко горят. В избытке кислорода продуктами горения являются углекислый газ и вода:

CH₄ +2 O₂ → CO₂ +2 H₂O

Горение алканов сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому алканы используются как топливо.

4.. Действие кислот. При комнатной температуре алканы устойчивы к действию кислот, даже концентрированных серной и азотной.

5. Дегидрирование – отщепление водорода.

Происходит в присутствии катализаторов (специально обработанного оксида хрома Cr₂O₃), образуются непредельные углеводороды:

H₃C─CH₃ → H₂C═CH₂ + H₂.

6. Крекинг алканов (расщепление, при котором получаются углеводороды с меньшим числом атомов углерода). Образуются алкан и алкен.

C₂₀H₄₂→C₁₀H₂₂ + C₁₀H₂₀.

Чем длиннее углеродная цепь алкана, тем легче протекает крекинг.

Крекинг проводят путем нагревания алканов при повышенном давлении (термический крекинг), либо при нагревании в присутствии катализаторов (каталитический крекинг). В последнем случае кроме расщепления алканов происходит изомеризация (образование разветвленных молекул из линейных).