Алканы, предельные, насыщенные углеводороды (парафины)

Содержание
Строение алканов
Изомерия и номенклатура алканов
Получение
Физические свойства
Химические свойства
Нахождение в природе
Применение алканов
Контрольные вопросы

Строение алканов
Алканы – углеводороды, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода, связанных друг с другом одинарными связями. Основой молекулы является незамкнутая углеродная цепь.
Общая формула – Cn H2n+2.
Тривиальное (историческое) название алканов – «парафины» – не имеющие сродства».

Строение алканов
Тип гибридизации–sp3, длина связи С-С – 0,154 нм,
Угол связи С-С -109◦28ꞌ, тетраэдр

Пространственное строение гомологов метана
этан
пентан
Молекулы алканов имеют зигзагообразное пространственное строение, в котором соблюдаются все параметры молекулы метана: длина связи, размер угла между атомами, тип гибридизации.

H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 пентан
первичный вторичный
H3C – CH2 – CH – CH3 2-метилбутан
CH3
третичный
CH3
H3C – C – CH3
CH3
четвертичный 2,2-диметилпропан
Атом углерода бывает:

Изомерия
1. Структурная изомерия.
Для алканов характерна изомерия углеродного скелета.
CH3 – CH – CH3
CH3-CH2-CH2-CH3 |
н-бутан CH3
2-метилпропан
изобутан

Номенклатура алканов
За основу принимают название углеводорода, которому соответствует в рассмотренном соединении самая длинная цепь.
Эта цепь нумеруется, начиная с того конца, к которому ближе радикал-заместитель.
В названии вещества цифрой показывают место радикала-заместителя и называют заместитель.
Затем называют углеводород, которому отвечает главная цепь.

Радикал – это частица, имеющая неспаренные электроны.

Номенклатура алканов
Алгоритм.
1. Выбор главной цепи:
CH3 – CH - CH2 - CH3
│ CH3
2. Нумерация атомов главной цепи:
1 2 3 4
CH3 – CH - CH2 - CH3
│
CH3

Номенклатура алканов
3. Формирование названия:
1 2 3 4
CH3 – CH - CH2 - CH3
│
CH3
2 - метилбутан

ЗАДАНИЕ. Дайте названия следующим углеводородам по международной номенклатуре.
СН3
СН3 – СН2 – С – СН3
СН3
СН3 – СН – СН – СН – СН3
СН3 С2Н5 СН3
2,4-диметил-3-этилпентан
2,2-диметилбутан

Получение
Из природного сырья (нефть, газ) – перегонка
Крекинг нефтепродуктов
C16H34 C8H18 + C8H16 C8H18 C4H10 + C4H8
C4H10 C2H6 + C2H4
Гидрирование алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов, аренов
H2C = CH2 + H2 t,Pt CH3 – CH3
Гидролиз карбидов
Al4C3 + 12H2O 3CH4 + 4Al(OH)3
Mg2C + 4H2O CH4 + 2Mg(OH)2

Получение
5. Синтез Вюрца
А) Симметричный
t
СН3Cl + 2Na + ClCH3→CH3-CH3 +2NaCl
t
2CH3–CH2Br + 2Na →CH3–CH2–CH2–CH3+ 2NaBr
t
2СН3-СН-СН3 + 2Na→ …
│
Br

Синтез Вюрца
2CH3-СHBr-CH3+2Na→ CH3-CH-CH-CH3 +2NaBr
│ │
CH3 CH3
2,3-диметилбутан
Б) Несимметричный
CH3-СHBr-CH3+2Na+BrCH3→CH3-CH-CH3 +2NaBr
│ CH3
2-метилпропан
CH3Cl+2Na+BrCH2-CH3→CH3-CH2-CH3+NaCl+NaBr
пропан

Задание:
Получите алканы синтезом Вюрца и назовите их:
А) 2-метил-2-хлорбутан
Б) 2-метил-2-хлорбутан+бромэтан
В) 1-бром-2,2-диметилбутан
Г) 1-бром-2,2-диметилбутан+2-йод-2-метилпропан
Д) 2-метил-2-хлорбутан+2-бромпропан

Задание:
Получите алканы синтезом Вюрца и назовите их:
А) 2-метил-2-хлорбутан (3,3,4,4-тетраметилгексан)
Б) 2-метил-2-хлорбутан+бромэтан (3,3-диметилпентан)
В) 1-бром-2,2-диметилбутан (3,3,6,6-тетраметилоктан)
Г) 1-бром-2,2-диметилбутан+2-йод-2-метилпропан (2,2,4,4-тетраметилгексан)
Д) 2-метил-2-хлорбутан+2-бромпропан (2,3,3-триметилпентан)

Получение
Декарбоксилирование натриевых солей карбоновых кислот (реакция Дюма)
t
CH3COONa + NaOH→CH4 + Na2CO3
t
CH3CH2COONa +NaOH→CH3CH3+ Na2CO3
t
NaOOCCH2CH2COONa + 2NaOH→CH3CH3+ 2Na2CO3

7. Метод Фишера-Тропша («оксосинтез»)
Синтез алканов из «синтез-газа» (СО и Н2)
nCO+ (2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O
5CO+ 11H2→C5H12+5H2O
«Синтез-газ» можно получить пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа водяным паром:
С + Н2О→СО + Н2
СН4 + Н2О →СО + 3Н2

Физические свойства
СН4 – С4Н10 – газы (метан, этан, пропан, бутан);
С5Н12 – С15Н32- жидкости;
С16Н34 (гексадекан) - …- твердые вещества.
Алканы в любом агрегатном состоянии бесцветны, газообразные и твердые практически не имеют запаха, жидкие имеют запах. Они легче воды, не растворяются в воде и других полярных растворителях. Неограниченно смешиваются друг с другом. С увеличением Мr температура плавления и кипения увеличиваются. Разветвленные алканы кипят при более низких температурах, чем прямые.
Метан – газ без цвета, вкуса и запаха, в 2 раза легче воздуха.

Физические свойства

Химические свойства
I. Радикальное замещение (SR)
1.1. Галогенирование
CH4 + Cl2 свет CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 свет CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 свет CHCl3 + HCl
CHCl3 + Cl2 свет CCl4 + HCl
Галогеналканы подвергаются гидрированию
CH3Cl + HОН→СН3ОН+НСl

Химические свойства
I. Радикальное замещение (SR)
1.2. Нитрование (р-я Коновалова)
CH4 + HONO2 t CH3NO2 + H2O (р-я Коновалова)
1.3. Сульфирование
CH4 + HOSO3H t CH3SO3H + H2O

Химические свойства
II. Разрушение цепи
Изомеризация
2.1. CH3 – CH2 – CH2 – CH2 –CH3AlCl3, 4000 CH3 – CH – CH2 – CH3
CH3
пентан 2-метилбутан

III. Отщепление
1. Дегидрирование
2. Ароматизация
Химические свойства
3.1. CH3 – CH3 Pt,t0 CH2 = CH2 + H2
CH3 – CH3 Pt,t0 HC≡CH + 2H2
3.2. CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 t,кат + 4H2 (ароматизация)

Химические свойства
IV. Окисление

При недостатке кислорода алканы могут сгорать до угар­ного газа или с образованием сажи (коптят):
2СН4 + ЗО2 → 2СО + 4Н2О
СН4 + O2 → С + 2Н2O;

5. Алкилирование – объединение низших алканов и алкенов в высшие разветвлённые, имеющие октановое число более высокое, чем октановые числа исходных углеводородов:
СН3 СН3 СН3 СН3
│ │ t,H2SO4 │ │
СН3—СН + СН2=С → СН3—С—СН2—СH—СН3
│ │ │
СН3 СН3 СН3

Промышленная переработка метана:
1) Пиролиз
CH4 to, 1000o C + 2H2 (пиролиз)
2) Конверсия (превращение) с водяным паром
CH4 + H2О 600-800o СО + 3Н2 (синтез-газ)
3) Каталитическое окисление
CH4 + О2 кат1. 2СН3ОН
CH4 + О2 кат2. НСОН+Н2О
2CH4 + 3О2 кат3. 2НСООН+2Н2О

Нахождение в природе
Метан – образуется в природе в результате разложения остатков растений и животных без воздуха.
Метан содержится в природном газе, в газах, выделяющихся при добыче нефти.
В состав природного и нефтяных газов входят этан, пропан, бутан и другие.
Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержатся в нефти.

Применение
Получение растворителей.
Получение ацетилена.
В металлургии.
Горючее для дизельных и турбореактивных двигателей.
А также сырьё для синтезов спиртов, альдегидов, кислот.
Производство сажи: картриджи, резины, типографской краски.
Получение органических веществ: хладагентов (галогенопроизводные), используемых в холодильных установках.
Метан и пpопан-бутановая смесь используются в качестве ценного топлива

Применение алканов:
Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива.
Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.
Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.
Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.
Паpафин (смесь твеpдых алканов С19-С35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (т.пл. 50-70 °C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине. Служит сырьём при получении органических кислот и спиртов, моющих средств и поверхностно-активных веществ.
Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.