Углеводороды. Классификация

Углеводороды с открытой цепью (алифатические): насыщенные, или предельные (парафины, алканы), ненасыщенные, или этиленовые (олефины, алкены), ненасыщенные, или ацетиленовые (алкины), углеводороды с двумя двойными связями (алкадиены). Гомологические ряды. Общие формулы. Изомерия и номенклатура ИЮПАК. Нахождение в природе. Физические свойства. Закономерности изменения физических свойств в гомологических рядах. Химические свойства.

Углеводороды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода.

Классификация:

—Насыщенные УВ (алканы, циклоалканы);

—Ненасыщенные УВ (алкены, алкадиены, алкины);

—Ароматические УВ (арены).

АЛКАНЫ(предельные или насыщенные УВ, парафины) C_nH_2n+2, n≥1

Алканы— это нециклические УВ, в молекулах которых все атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации и связаны друг с другом только ϭ-связями.

Изомерия и номенклатура алканов

Возможна только изомерия цепи. Первые три члена гомологического ряда алканов (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈) изомеров не имеют.Согласно международной номенклатуре изомеры с разветвленной цепью углеродных атомов следует рассматривать как производные алкана с самой длинной неразветвленной углеродной цепью.

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Физические свойства:

Алканы — бесцветные вещества, легче воды, плохо растворяются в воде.

Химические свойства:

Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С—С и С—Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода.

1.Реакции замещения (разрыв связей С—Н) RH+XY→RX+HY

—Галогенирование(замещение атома водорода атомомгалогена—F,Cl,Вгс образованиемгалогеналканаRHal);

—Нитрование(замещение атома водорода нитрогруппой— N0₂ с образованием нитроалкановR—N0₂). Нитрующий реагент - азотная кислота HN0₃(HO—N0₂)

— Сульфирование(замещение атома водорода сульфо-группой — S0₃Hсобразованием алкансульфокнслотRSO3H). Сульфирующий реагент — серная кислота H₂S0₄ (HO-S0₃H). Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной H₂S0₄ при небольшом нагревании.

2. Реакцииокисления.При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (КМnO₄, К₂Сг₂O₇).

-Окисление кислородом воздуха при высоких температурах (горение):

а) полное окисление (избыток O₂) с образованием углекислого газа и воды:СН₄ +20₂→ С0₂+ 2Н₂O

б) неполное окисление (недостаток 0₂):

СН₄ +20₂→СO+ 4Н₂O

СН₄ +20₂→С+ 2Н₂O

-Окисление кислородом воздуха при невысоких температурах в присутствии катализаторов (неполное каталитическое окисление). В результате могут образоваться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. Неполное окисление может происходить без разрыва углеродной цепи и с разрывом углеродной цепи.

3.Термические превращения алканов:

—Крекинг — это разрыв связей С—С в молекулах алканов с длинными углеродными цепями, в результате которого образуются алканы и алкены с меньшим числом атомов углерода.

—Дегидрирование—отщепление водорода; происходит в результате разрыва связей С—Н; осуществляется в присутствии катализаторов при повышенных температурах.

—Дегидроциклизация —ароматизация, дегидрирование алканов с образованием ароматических соединений.

—Изомеризация —превращение химического соединения в его изомер.

Нахождение в природе:Основные источники алканов – нефть и природный газ. Метан составляет основную массу природного газа, в нем присутствуют также в небольших количествах этан, пропан и бутан. Метан содержится в выделениях болот и угольных пластов. Наряду с легкими гомологами метан присутствует в попутных нефтяных газах. Эти газы растворены в нефти под давлением и находятся также над ней. Алканы составляют значительную часть продуктов переработки нефти. Содержатся в нефти и циклоалканы – они называются нафтенами. В природе широко распространены также газовые гидраты алканов, в основном метана, они залегают в осадочных породах на материках и на дне океанов.

АЛКЕНЫ(олефины, этиленовыеУВ) C_nH_2n, n≥2

Алкены — этонециклические УВ, в молекулах которых два атома углерода находятся всостоянии sp²-гибридизации и связаны друг сдругомдвойной связью.

Изомерияиноменклатура

Для алкенов возможны 3типа изомерии: изомерия углеродной цепи, изомерия положения двойной связи, цис-транс-изомерия. Первые 2члена гомологического ряда — этен и пропен — изомеров, относящихся к классу алкенов, не имеют.

По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Углеводородные радикалы, образованные от алкенов имеют суффикс «-енил». Тривиальные названия: CH2=CH— «винил», CH2=CH—CH2— «аллил».

Физические свойства:

Плохо растворимы в воде.

Химические свойства:

Алкены обладают большей реакционной способностью, чем алканы. Это обусловлено наличием в их молекулах двойной связи.

1.Реакции присоединения:

—Присоединение водорода (+H₂) — гидрирование, образуются алканы.

—Присоединение галогенов — галогенирование, образуются дигалогеналканы.

Химические свойства

Алкины во многих реакциях обладают большей реакционной способностью, чем алкены.

1.Реакции присоединения:

—Присоединение водорода (гидрирование). На I ступени образуются алкены, на II ступени — алканы

—Присоединение галогенов (галогенирование). На I ступени образуются дигалогеналкены, на II — тетрагалогеналканы.

Реакция алкинов с бромной водой — качественная реакция на алкины. Бромная вода обесцвечивается.

—Присоединение галогеноводородов (гидрогалогенирование). На I ступени образуются моногалогеналкены, на II —дигалогеналканы.

—Присоединение воды (гидратация).Происходит по правилу Марковникова. Ацетилен образует альдегид, его гомологи — кетоны (реакция М.Г.Кучерова):

2.Реакции окисления

—Горение (полное окисление)

2С₂Н₂ + 5О₂→4СО₂ + 2Н₂О

—Неполное окисление (под действием окислителей типа КМnO₄, К₂Сг₂O₇)

При действии сильных окислителей (КМnO₄ в нейтральной среде, К₂Сг₂O₇ в кислой среде) алкины окисляются с разрывом молекулы по тройной связи (кроме ацетилена). Конечным продуктом реакции являются карбоновые кислоты.

Реакция с КМnO₄ является качественной реакцией на алкины.Раствор КМnO₄ обесцвечивается.

3.Реакции полимеризации

Алкины могут образовывать линейные димеры, тримеры и полимеры, циклические тримеры.

4.Реакции замещения атомов «Н», связанных с sp-гибридизованными атомами углерода

Атомы водорода, связанные с sp-гибридизованными атомами углерода в молекулах алкинов, обладают значительной подвижностью, что объясняется поляризацией связи ≡С—Н. В связи с этим данные атомы водорода могут замешаться атомами металлов, в результате чего образуются ацетилениды. Способность к таким реакциям отличает алкины от других непредельных углеводородов.

Нахождение в природе: В природе алкины практически не встречаются. В некоторых видах грибов Basidiomycetes были обнаружены в крайне малом количестве соединения содержащие полиацетиленовые структуры.Ацетилен обнаружен в атмосфере Урана, Юпитера и Сатурна.