Парафины или алканы. Циклоалканы или нафтены

Алка́ны -
- это насыщенные алифатические (не содержащие ароматических связей) углеводороды, парафины — ациклические — ациклические углеводороды — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые σ-связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2.

Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водородауглеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp3-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. Связи C—C представляют собой σ-связи-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. Связи C—C представляют собой σ-связи, отличающиеся низкой полярностью-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. Связи C—C представляют собой σ-связи, отличающиеся низкой полярностью и поляризуемостью. Длина связи C—C составляет 0,154 нм, длина связи C—H — 0,1087 нм.

Возбуждение атома углерода

Алканы образуют гомологический ряд.
Первые 10 членов
Метан CH4 CH4
Этан CH3—CH3 C2H6
Пропан CH3—CH2—CH3 C3H8
Бутан CH3—CH2—CH2—CH3 C4H10
Пентан CH3—(CH2)3—CH3 C5H12
Гексан CH3—(CH2)4—CH3 C6H14
Гептан CH3—(CH2)5—CH3 C7H16
Октан CH3—(CH2)6—CH3 C8H18
Нонан CH3—(CH2)7—CH3 C9H20
Декан CH3—(CH2)8—CH3 C10H22

Разветвлённые углеводороды

Изомерия
n Число изомеров
4 2
5 3
6 5
7 9
8 18
9 35
75
159

Номенклатура
Тривиальная
Рациональная (заместительная)
Систематическая (IUPAС)

Тривиальные названия
Метан СН4
Этан С2Н6
Пропан С3Н8
Бутан С4Н10
Неопентан (2,2-диметилпропан) С5Н12
Изооктан (2,2,4-триметилпентан) С8Н18

Рациональная (заместительная) номенклатура
Тетраметилметан (по тривиальной номенклатуре – неопентан, по систематической – 2,2-диметилпропан)

Систематическая номенклатура
1. За основу названия данного соединения берут название углеводорода, соответствующее числу углеродных атомов главной цепи:
главной цепью углеродных атомов считают самую длинную;
если в углеводороде можно выделить две или несколько одинаково длинных цепей, то за главную выбирают ту из них, которая имеет наибольшее число разветвлений:

Систематическая номенклатура
2. После установления главной цепи необходимо пронумеровать углеродные атомы. Нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе примыкает любой из алкилов (радикалов). Если разные алкилы находятся на равном удалении от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал. После установления главной цепи необходимо пронумеровать углеродные атомы. Нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе примыкает любой из алкилов (радикалов). Если разные алкилы находятся на равном удалении от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал с меньшим числом углеродных атомов (метил. После установления главной цепи необходимо пронумеровать углеродные атомы. Нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе примыкает любой из алкилов (радикалов). Если разные алкилы находятся на равном удалении от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал с меньшим числом углеродных атомов (метил, этил. После установления главной цепи необходимо пронумеровать углеродные атомы. Нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе примыкает любой из алкилов (радикалов). Если разные алкилы находятся на равном удалении от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал с меньшим числом углеродных атомов (метил, этил, пропил и т. д.).
2,2,4-триметилпентан
Если же одинаковые радикалы, определяющие начало нумерации, находятся на равном удалении от обоих концов цепи, но с одной стороны их имеется большее число, чем с другой, то нумерацию начинают с того конца, где число разветвлений больше.

Систематическая номенклатура
Называя соединение, сначала перечисляют заместители (радикалы) в алфавитном порядке (числительные не принимают во внимание), причём перед названием радикала ставят цифру, соответствующую номеру углеродного атома главной цепи, при котором находится данный радикал. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи углеродных атомов, отделяя слово от цифр дефисом.

Систематическая номенклатура
Если на основном углеродном скелете содержится несколько одинаковых радикалов, то число их обозначают греческим числительным (ди, три, тетра и т. д.) и ставят перед названием этих радикалов, а их положение указывают, как обычно, цифрами, причём цифры разделяют запятыми, располагая в порядке их возрастания и ставят перед названием данных радикалов, отделяя их от него дефисом.
Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия (изобутан, изопентан, неопентан, изогексан).

Систематическая номенклатура
Радикалы называют, заменяя суффикс -ан в названии углеводорода на -ил:
метил CH3—
этил CH3—CH2—
пропил CH3—CH2—CH2—
бутил CH3—CH2—CH2—CH2—
пентил (тривиальное - амил) CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—

Систематическая номенклатура

Физические свойства
Температуры плавленияТемпературы плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы и длины главной углеродной цепи.
При нормальных условиях неразветвлённые алканы
с CH4 до C4H10 — газы;
с C5H12 до C13H28 — жидкости;
начиная с C14H30 и далее — твёрдые вещества.
Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан — жидкость, а неопентан — газ.
Газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Химические свойства
Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов (разрушается общая пара электронов).

Энергия связей
В нормальных алканах с длинной цепью энергия разрыва С—С- и С—Н-связей несколько уменьшается к середине цепи, однако первая всегда остается значительно меньше второй:
СН3 - СН2 - СН2 - СН2 - СН2 - СН2 - СН2 –СН3.
Энергия связей, кДж/моль:
С—С 335 322 314 310 314 322 335
С—Н 394 373 364 360 360 364 373 394

Разветвлённые алканы
Первичный атом углерода и соответствующие
связи вокруг него (первичные связи).
Вторичные связи
Третичные связи
Четвертичные связи

Реакции радикального замещения
ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ
СУЛЬФОХЛОРИРОВАНИЕ (Реакция Рида)
НИТРОВАНИЕ
(Реакция Коновалова)
АВТООКИСЛЕНИЕ

Галогенирование
Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем эти радикалы атакуют молекулы алкана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуются алкильные радикалы (например, ·СН3, метильный из метана), которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.

Механизм галогенирования
Инициирование цепного процесса:
hν
Cl2 → 2 Cl.
Зарождение цепи:
RH + Cl. → R. + HCl
Развитие цепи (реакции радикалов):
R. + Cl2 → RCl + Cl.

Галогенирование
Обрыв цепи
R. + Cl. → RCl
R. + R. → R-R Cl. + Cl. → Cl2

Галогенирование
Бромирование алканов отличается от хлорирования более высокой стереоселективностью из-за большей разницы в скоростях бромирования третичных, вторичных и первичных атомов углерода при низких температурах.

Галогенирование
Иодирование алканов иодом не происходит, получение иодидов прямым иодированием осуществить нельзя.

Галогенирование
С фтором и хлором реакция может протекать со взрывом, в таких случаях галоген разбавляют азотом или подходящим растворителем.

Галогенирование
Рассмотрим реакцию бромирования алканов на примере метилэтилизопропилметана (заместительная номенклатура):

Сульфохлорирование

Механизм сульфохлорирования
Инициирование цепного процесса:
hν
Cl2 → 2 Cl.
Развитие цепного процесса:
RH + Cl. → R. + HCl
R. + SO2 → RSO2.
RSO2. + Cl2 → RSO2Cl + Cl.
Образовавшиеся сульфонилхлориды широко применяются в производстве ПАВ.

Нитрование
Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO2 в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных:
RH + HNO3 → RNO2 + H2O
В результате реакции образуются смеси продуктов.

Автоокисление
Окисление алканов в жидкой фазе протекает по свободно-радикальному механизму и приводит к образованию гидропероксидов, продуктов разложения пероксидов и продуктов взаимодействия пероксидов с исходным алканом.

Схема основной реакции автоокисления:
RH + O2 → R. + HOO.
R. + O2 → ROO.
ROO. + RH → ROOH + R.

Реакции окисления
Окисление
Каталитическое окисление
Горение

Горение
СnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 →
→ nCO2 + (n+1)H2O +Q
Значение Q достигает 46 000 — 50 000
кДж/кг.
В случае нехватки кислорода кислорода вместо углекислого газа получается оксид углерода(II) или уголь (сажа) (в зависимости от концентрации кислорода).

Каталитическое окисление
В реакциях каталитического окисления алканов могут образовываться спирты, альдегидыВ реакциях каталитического окисления алканов могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.
При мягком окислении СН4 в присутствии катализатора кислородом при 200 °C могут образоваться:
метанол:
формальдегид:
муравьиная кислота:

Каталитическое окисление
Окисление также может осуществляться кислородом воздуха.
Процесс проводится в жидкой или газообразной фазе.
В промышленности так получают высшие жирные спирты и соответствующие кислоты.

Термические превращения алканов
Крекинг
Дегидрирование
Дегидроциклизация
Изомеризация

Энергия С—Н-связей в алканах всегда выше энергии С—С-связи. Например, энергия, необходимая для разрыва С—С- и С—Н-связей в молекуле этана, равна соответственно 360 и 410 кДж/моль.
Следовательно, распад по связи С—Н происходит в меньшей степени, чем распад по связи С—С.

Особые процессы
В присутствии никелевого катализатора протекает реакция:
СН4 + Н2О → СО + 3 Н2
Продукт этой реакции (смесь CO и H2) называется «синтез-газом».

Получение алканов
Реакции восстановления
Реакции гидрирования непредельных углеводородов
Реакция Вюрца
Синтез Фишера-Тропша

Циклоалканы -
- или полиметиленовые углеводороды, нафтены, цикланы, или циклопарафины — циклические насыщенные углеводороды — циклические насыщенные углеводороды, по химическим свойствам близки к предельным углеводородам.
Входят в состав нефти.
Открыты В. В. Марковниковым в 1883
году в Бакинской нефти.

Общая формула
полиметилены
СnH2n
Связи С—С в циклоалканах несколько менее прочны, чем в нормальных алканах:
в циклогексане на 8 кДж/моль,
в циклопентане на 25 кДж/моль.

Циклоалканы

Циклогексан

Искажение валентного угла
Циклобутан

Искажение валентного угла

Свойства циклоалканов
Реакции замещения для крупных циклов (n ≥ 5)
Реакции присоединения для неустойчивых циклов
Дегидрирование