Предельные углеводороды. Лекция 2

Общая формула гомологического ряда предельных углеводородов
CnH2n+2
Названия всех предельных углеводородов заканчиваются на –ан
Радикалы называются так же как и предельные углеводороды, которыми они образованы, только с заменой окончания –ан на –ил
В названии двухвалентных радикалов окончание –ан меняется на –илен или -илиден
Поэтому первый представитель гомологического ряда предельных углеводородов:
СН4 – метан.
Радикал, который образуется от метана путем отнятия одного атома водорода и образования свободной связи –СН3 метил. Двухвалентный радикал >СН2 (метилен)
Далее, согласно вышеназванному правилу добавляем группу СН2, получаем второго представителя С2Н6 – этан. Радикал, образованный этаном: –СН2-СН3 этил. Двухвалентный радикал: >СН-СН3 этилиден

Следующий представитель С3Н8 – пропан.
Структурная формула Н3С-СН2-СН3.
У пропана возможно образование уже двух изомерных радикалов, то есть радикалов, имеющих одинаковый атомный состав, но разное строение.
Если отнять атом водорода от бокового атома углерода, то по аналогии с предыдущими радикалами получим радикал пропил –Н2С-СН2-СН3. Но мы можем отнять атом и у центрального атома углерода. Это уже будет другой изомерный радикал:
Здесь вводим новое номенклатурное правило. Если у соединения на конце есть так называемая «вилка» из двух метильных радикалов, то к названию этого соединения автоматически добавляется приставка «изо-», т.е второй возможный радикал образованный из пропана будет называться изопропил.

Далее все по такому же принципу. Четвертый представитель, еще плюс -СН2 – бутан С4Н10. Если у предыдущего представителя гомологического ряда пропана изомерия возникала только на уровне радикалов, то у бутана, она возможна уже на уровне нейтральных молекул: нормальный неразветвленный бутан Н3С-СН2-СН2-СН3 так и называется н-бутан.
И бутан с вилкой из СН3 на конце
изобутан.
Что касается радикалов бутана, то каждый из изомеров бутана способен образовать по 2 уникальных радикала. У н-бутана можно отнять водороды от бокового атома углерода:
–СН2-СН2-СН2-СН3 (так называемый первичный бутил) и от одного из центральных
(так называемый вторичный бутил или втор-бутил, т.к. атом водорода отняли от вторичного атома углерода)

Изобутан тоже может дать 2 радикала. При отнятии атома водорода от бокового атома углерода получаем изобутил
При отнятии атома водорода от центрального атома углерода, который является третичным атомом, т.е. связанным с тремя атомами углерода, получаем третичный бутил или трет-бутил
Пятый член гомологического ряда предельных углеводородов будет иметь формулу С5Н12. Это пентан. Структурная формула Н3С-(СН2)3-СН3
Далее идут гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22, ундекан С11Н24, додекан С12Н26, тридекан С13Н28. Далее по аналогии (тетрадекан, пентадекан и т.д. до 20-го представителя, который называется эйкозан С20Н42, далее генэйкозан С21Н44, а далее по такому же принципу как предыдущая десятка – докозан С22Н46, трикозан С23Н48 и т.д.

НОМЕНКЛАТУРА ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Рациональная номенклатура
Все соединения считаются производными первого члена гомологического ряда – метана.
Например, этан – метилметан. То есть один атом водорода в метане заменили на радикал метил. Пропан – этилметан и т.п.
Принимаем, что это соединение тетразамещенный метан, т.е. все 4 атома водорода у метана замещены радикалами. И называем соединение, начиная от простейшего заместителя – к более сложному – метилэтилпропилизопропилметан.

Систематическая номенклатура
Выбирают наиболее длинную цепочку углеродных атомов, так называемую главную цепь. При этом у главной цепи должно быть максимальное количество боковых углеродных групп. Соответствующий углеводород станет основой названия. То есть в нашем случае главная цепь имеет 6 углеродных атомов, а значит у нас будет гексан.
Нумеруем цепь, начиная с того конца, к которому ближе первое разветвление
В итоговом названии указываем номер углеродного атома, у которого произошла замена на радикал и название самого радикала. При этом сумма номеров всех заместителей должна быть наименьшей из всех возможных. В итоговом названии заместители располагаются в алфавитном порядке.
Получаем – 2,3-диметил-3-этилгексан

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
ЛАБОРАТОРНЫЕ
Реакция Дюма
CH3COONa (тв.) + NaOH(тв.) → CH4 + Na2CO3
2. Гидрирование непредельных углеводородов
кат.
Н2С=СН2 + Н2 → Н3С-СН3
при комнатной температуре КАТ = Pt, Pd, Os
при температуре > 100°С КАТ = Ni Ренея
3. Реакция Вюрца
СН3 Сl + 2Na + Cl CH3 → H3C-CH3 + 2NaCl
хлористый
метил

5. Восстановление галогеналканов
[H]
R-Hal → R-H + H-Hal
В качестве восстановителей применяются LiAlH4, NaBH4
Алкилиодиды могут быть восстановлены нагреванием с иодоводородной кислотой:
RI + HI → R-H + I2
6. Реакция Кольбе (электролиз)
эл.
ток.
RCOONa → RCOO- + Na+
Анод (положительно заряженный электрод):
RCOO- → RCOO· + е
RCOO·→ R· + CO2
2R·→ R-R

ПРОМЫШЛЕННЫЕ
Метод Бергиуса
Fe, 500°, 200 атм
yC + xH2 −−−−−−−→ СnH2n+2
2. Метод Фишера-Тропша
Fe+Ni, 200°
nCO + H2 −−−−−−→ СnH2n+2 + Nh2o
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Относятся к наиболее инертным в химическом отношении веществам. В обычных условиях на них не действуют концентрированные кислоты, расплавленные или концентрированные щелочи, не окисляются сильными окислителями (KMnO4, K2Cr2O7), не взаимодействуют с щелочными металлами. Такая инертность полезна в химической практике. Концентрированная серная кислота и щелочи применяются для очистки нефтепродуктов, а щелочные металлы хранят под слоем керосина.

Галогенирование
hν
СH4 + Cl2 → СH3-Cl + HCl
хлорметан (метилхлорид)
СH3Cl + Cl2 → СH2Cl2 + HCl
хлористый метилен (дихлорметан)
СH2Cl2 + Cl2 → СHCl3 + HCl
трихлорметан (более известный как хлороформ)
СHCl3 + Cl2 → СCl4 + HCl
четыреххлористый углерод (тетрахлорметан)
Механизм реакции – радикальная реакция:
1.1. Инициирование цепи
hν
Cl:Cl → 2Cl·
1.2. Рост, развитие цепи
Cl· + Н:СН3 → Н:Сl + CH3·
CH3· + Cl:Cl → CH3:Cl + Cl· - в предыдущую стадию
1.3. Обрыв цепи. Происходит встреча двух свободных радикалов – рекомбинация
Cl· + Cl·→ Cl2
Cl· + CH3·→ СH3Cl
CH3·+ CH3·→ С2Н6

2. Реакция Коновалова
СnH2n+2 + HNО3 → СnH2n+1-NO2 + H2O
Условия реакции: 13%-ная азотная кислота, 100-120°С.
3. Сульфохлорирование и Сульфоокисление
Тоже относится к реакциям радикального замещения и инициируется УФ-облучением
hν
СnH2n+2 + SО2 + O2 → СnH2n+1-SO3H
алкансульфокислота
СnH2n+2 + SО2 + Cl2 → СnH2n+1-SO2Cl + HCl
хлорангидрид алкансульфокислоты (алкансульфонилхлрид)
Возможна и реакция прямого сульфирования, но она протекает намного тяжелее:
СnH2n+2 + H2SО4 → СnH2n+1-SO3H + H2O

4. Окисление (горение)
СnH2n+2 + О2 → nCO2 + H2O + Q соли Mn, 180°
C30H62-C40H82 + О2 −−−−−−→ C14H29COOH-C19H39COOH
(высшие жирные кислоты)
В еще более жестких условиях подобным образом могут окисляться и низкомолекулярные алканы: