Классификация органических веществ. Алканы

Основной классификацией органических соединений является классификация веществ по строению углеродной цепи. Алифатические, или ациклические органические вещества не содержат циклов и построены из атомов углерода. Среди алифатических соединений различают насыщенные, содержащие только σ-связи, и ненасыщенные, содержащие кратные связи. Ненасыщенные и насыщенные ациклические соединения могут иметь разветвлённое и неразветвлённое строение.

Циклические органические вещества содержат циклы, построенные из атомов углерода. Среди циклических соединений различают карбоциклические, у которых циклы построены только из атомов углерода, и гетероциклические, в состав цикла которых входят атомы O, N, S и другие. В свою очередь карбоцикличексие соединения бывают ароматическими, которые содержат циклы бензольного типа, а также алициклическими, содержащие циклы не бензольного типа. Среди алициклических органических соединений различают насыщенные и ненасыщенные.

По природе функциональной группы различают следующие классы органических соединений: спирты и фенолы, у которых есть гидроксильная группа, альдегиды, у которых альдегидная группа, карбоновые кислоты, содержащие карбоксильную группу, амины, содержат аминогруппу, аминокислоты содержат амино- и карбоксильную группы, сложные эфиры содержат сложноэфирную связь.

Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат только одинарные С – С связи. Общая формула гомологического ряда алканов – C_nH_2n+2. Если в эту общую формулу подставить значения относительных атомных масс, то относительная молекулярная масса алканов равна 14n + 2.

Алканы имеют тетраэдрическое строение, углы между связями 109⁰28´, поэтому атомы углерода находятся не по прямой линии, а зигзагообразно. Все связи у алканов σ-типа. Особенностью одинарной связи между атомами углерода является возможность свободного вращения атомов вокруг этой связи, поэтому углеродная цепь алканов может принимать различную форму. Длина этой углерод-углеродной связи С – С в молекуле алканов равна 0,154 нм.

Для того чтобы назвать алкан, необходимо выбрать самую длинную цепь атомов углерода, причём она должна содержать наибольшее число боковых заместителей. Если в алкане 1 или 2 заместителя, то нумеруют с того конца, к которому ближе находится заместитель. Если в алкане три и более заместителей, то из различных наборов нумерации выбирают тот, в котором первая отличающая цифра является наименьшей. Называют алкан по главной цепи, а заместители перчисляются в алфавитном порядке.

Назовём предложенный алкан.

Выбираем самую длинную цепь, нумерацию начинаем справа, так как здесь ближе расположен заместитель. В нашем случае заместителями будут этил, бром и метил. Называем алкан, перечисляя заместители в алфавитном порядке с указанием атома углерода, от которого он отходит. Таким образом, алкан называется 3-бром-2,2-диметил-4-этилгексан.

Энантиомерия характерна для тех алканов, у которых есть ассиметричный атом углерода, то есть атом углерода, содержащий 4 разных заместителя.

У алканов различают изомерию углеродного скелета и энантиомерию. Например, у гексана будет 5 изомеров. Это н-гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан.

Первые четыре представителя ряда алканов являются газами и имеют температуру кипения ниже комнатной. Алканы с С₅ – С₁₅ – жидкости, а алканы, которые имеют 16 и более атомов углерода – твёрдые вещества. С увеличение относительной молекулярной массы температуры плавления и кипения увеличиваются. Алканы практически не растворимы в воде.

Предельные углеводороды – алканы, при обычных условиях достаточно инертны. Для них свойственны реакции замещения атомов водорода и реакции расщепления. Эти реакции требуют жёстких условий: нагревания, действия света, наличия катализаторов.

Для алканов характерны реакции окисления. При полном окислении, например, этана образуется углекислый газ, вода и выделяется большое количество теплоты:

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂↑ + 6H₂O.

При частичном окислении, например, метана образуется оксид углерода (II) и вода:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O.

При окислении метана при температуре 1500 образуются ацетилен, оксид углерода (II) и водород:

6CH₄ + O₂ → 2HC ≡ CH + 2CO↑ + 10H₂↑.

При частичном окислении бутана в присутствии катализаторов образуется уксусная кислота и вода:

2C₄H₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2H₂O.

Для алканов свойственны реакции замещения (галогенирования). С фтором реакция идёт со взрывом, с йодом алканы не взаимодействуют, а с хлором и бромом в присутствии инициаторов. Эти реакции имеют радикальный механизм. В реакции пропана с хлором на свету образуется в основном 2-хлорпропан:

CH₃ – CH₂ – CH₃ + Cl₂ → CH₃ – CH – CH₃

 |

 Cl

При нагревании алканов до 140 ⁰C с разбавленной (10 %) HNO₃ под давлением идёт реакция нитрирования, то есть замещения атома водорода нитрогруппой. Эту реакцию называют ещё реакцией М. Н. Коновалова. В результате реакции метана с азотной кислотой образуется нитрометан:

CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O.

При высоких температурах и в присутствии катализаторов алканы подвергаются расщеплению, то есть крекингу. Это приводит к образованию смеси алкенов и алканов. Так, при крекинге гексана образуются пропен и пропан:

C₆H₁₄ → C₃H₆ + C₃H₈.

При температуре 1000  осуществляется пиролиз, при этом разрываются все связи. При пиролизе метана образуется углерод и водород:

CH₄ → C + 2H₂↑.

При повышенных температурах алканы образуют, главным образом, непредельные углеводороды. Например, в реакции дегидрирования метана при температуре 1500 ⁰C образуется ацетилен и водород, в реакции дегидрирования бутана образуется бутен-1 или бутен-2:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂↑

C₄H₁₀ → CH₃ – CH₂ – CH = CH₂ или CH₃ – CH = CH – CH₃.

Под влиянием катализаторов и при температуре углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации с образование углеводородов разветвлённого строения. Так, в присутствии катализатора хлорида алюминия происходит изомеризация бутана с образованием изобутана:

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ → CH₃ – CH – CH₃.

 |

 CH₃

Рассмотрим получение алканов.

В промышленности насыщенные углеводороды – алканы получают из продуктов переработки нефти.

В лаборатории алканы можно получить различными способами. Например, из солей карбоновых кислот при нагревании с твёрдыми щелочами. Так, при действии на пропионат натрия твёрдым гидроксидом натрия образуются этан и карбонат натрия:

CH₃ – CH₂ – COONa + NaOH → CH₃ – CH₃ + Na₂CO₃.

Реакция Вюрца используется для увеличения углеводородной цепи. Так, в реакции хлорметана с натрием образуются этан и хлорид натрия:

2CH₃Cl + 2Na → CH₃ – CH₃ + 2NaCl.

Алканы также можно получить гидрированием ненасыщенных углеводородов. Например, при гидрировании пентина-1 образуется пентан:

CH₃ – CH₂ – CH₂ – C ≡ CH + H₂ → C₅H₁₂.

Метан также можно получить действием воды или соляной кислоты на карбид алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑.

Осуществим превращения. Из бутана следует получить этан, затем из этана опять необходимо получить бутан, затем хлорбутан, из которого получить октан:

C₄H₁₀ → C₂H₆ → C₄H₁₀ → C₄H₉Cl → C₈H₁₈

C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄

C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl

2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl.

Для осуществления первого превращения используем крекинг бутана. Из этана получить бутан в одну стадию невозможно. Сначала необходимо провести хлорирование этана, при этом образуется хлорэтан, а затем и реакцию Вюрца – удлинения цепи. Для получения 1-хлорбутана необходимо хлорировать бутан, а затем для получения октана необходимо осуществить реакцию Вюрца.

Осуществим ещё одно превращение. Из ацетата натрия необходимо получить метан, из метана – ацетилен, из ацетилена необходимо получить этан, а из этана – оксид углерода (IV). Для получения метана из ацетата натрия необходимо к ацетату натрия добавить твёрдую щёлочь, затем следует провести крекинг метана. Для получения этана из ацетилена следует провести реакцию гидрирования ацетилена. Затем необходимо сжечь этан для получения оксида углерода (IV):

CH₃COONa → CH₄ → C₂H₂ → C₂H₆ → CO₂

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂↑

C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂↑ + 6H₂O.

Решим задачу. При сплавлении калиевой соли насыщенной карбоновой кислоты массой 12,6 г с гидроксидом калия выделился газ объёмом 2,24 л (н.у.) Определите формулы образовавшегося алкана.