Ациклические углеводороды

Алканы (парафины, предельные или насыщенные углеводороды)C_nH_2n+2– это углеводороды, у которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью.

Гомологический ряд

СН₄(СН₄) метан

СН₃–СН₃(С₂Н₆) этан

СН₃–СН₂–СН₃(С₃Н₈) пропан

CH₃–СН₂–СН₂–СН₃(С₄Н₁₀) бутан

СН₃–СН₂–СН₂–СН₂–СН₃(С₅Н₁₂) пентан

СН₃–СН₂–СН₂–СН₂–СН₂–СН₃ (С₆Н₁₄) гексан и т.д.

Каждый последующий член гомологического ряда отличается от предыдущего на гомологическую разность (СН₂).

Молекула алкана, потеряв водород, превращается в радикал: ^•СН₃– метил,^•С₃Н₇– пропил и т. д.; отсюда даются соответствующие названия соединениям: СН₃–СН₂–NH₂– этиламин;CH₃I–йодистый метил; СН₃–О–СН₃– диметиловый эфир и пр.

Физические свойства:метан, этан, пропан и бутан – бесцветные газы без запаха или со слабым запахом бензина. Углеводороды от пентана до пентадекана – жидкости; высшие углеводороды (C₁₅H₃₂) при обычных температурах – твёрдые вещества.

Химические свойстваалканов определяются высокой прочностью ковалентных связей (σ-связей), поэтому химическая активность предельных углеводородов мала. Алканы могут вступать в реакции только в жёстких условиях: при повышенной температуре, облучении, действии активных реагентов, использовании катализаторов. Для предельных углеводородов характерны следующие типы реакций:

а) Реакции замещения, когда атомы водорода замещаются на другие атомы или группы атомов. Типичной реакцией, протекающей по радикальному механизму замещения, является реакция галогенирования, идущая при облучении светом:

СН₄+Cl₂CH3Cl+HCl;CH3Cl+ С1₂HCl+ СН₂С1₂и т.д.

б) Реакция термического расщепления С–С – связей (крекинг). Обычно идет с образованием алканов и алкенов через свободные радикалы:

^СН₃^–СН₂^–СН₂^–СН₂^–CН₂^–СН3СН₃^–СН₂^–СН₂^–СН₃ ⁺+ СН₂=СН₂.

в) Реакция окисления. Может происходить в жестких условиях, т.е. при горении: 2СН₃–СН₃+ 7О₂4СО₂+ 6Н₂О, но при наличии катализаторов могут образовываться карбоновые кислоты:

^СН₃^–(СН₂⁾₁₆^–СН₃^СН₃^–(СН₂⁾₁₆^{–СООН + Н}₂^О.

октадекан стеариновая кислота

Предельные углеводороды используются для синтеза этилена, пропилена, ацетилена, бензола, толуола, ксилолов, нафталина и т.д. Путём крекинга нефти, а затем ректификации полученных продуктов по фракциям вырабатывают такие нефтепродукты, как моторное топливо, растворители, смазочные масла, вазелин, гудрон и др. Алканы входят в состав природных газов, обычно это смеси метана (основное количество), этана (от 2–5%), пропана и других более тяжёлых углеводородов.

Некоторые примеры использования метана:

СН₄С(сажа) + Н₂ацетилен;

СН₄+ О_{2100 атм.}СН₃ОН метиловый спирт;

СН₄+ О_{2 10 атм.} формальдегид;

СН₄+ Сl₂ СС1₄+ НС1 и другие хлоруглеводороды.

Алкены (олефины, непредельные, этиленовые углеводороды) –это углеводороды, в структуре углеродного скелета которых имеется двойная (σ и π) связь. Их молекулярная формула С_nН_2n.

По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов. Низшие гомологи С₂– С₄– газы; С₅– С₁₇– жидкости; высшие гомологи – твёрдые вещества. В воде алкены нерастворимы, хорошо растворимы в органических растворителях.

Представители:

СН₂=СН₂этен (этилен), его радикал СН₂=СН^•– винил;

СН₂=СН–СН₃пропен (пропилен);

СН₂=СН–СН₂–СН₃бутен-1 (бутилен).

Для алкенов характерна изомерия:

а) структурная (изомерия углеродного скелета, изомерия положения двойной связи);

б) пространственная (цис-, трансизомерия).

Химические свойства определяются наличием двойной связи в этиленовых углеводородах – это реакции электрофильного присоединения, окисления и полимеризации, сопровождающиеся разрывом π-связи.

Примеры реакций присоединения:

а) Реакция гидробромирования:

СН₃–СН=СН₂+ НВrСН₃–СНВr–СН₃.

пропен 2-бромпропан

Реакции с галогеноводородами идут по правилу Марковникова, т.е. водород присоединяется к более гидрированному атому углерода в несимметричных алкенах.

б) Реакция гидрирования:

СН₂=СН₂+ Н₂СН₃–СН₃.

этилен этан

в) Реакция галогенирования:

СН₂=СН₂+ Вr₂.

1,2-дибромэтан

г) Реакция гидратации:

присоединение по правилу Марковникова

СН₂=СН–СН₃+ НОН .

2-пропанол

д) Реакции окисления:

полное окисление (горение)

С₂Н₄+ 3О₂2СО₂+ 2Н₂О;

окисление в мягких условиях

СН₂=СН₂+ [О] + НОНСН₂ОН–СН₂ОН.

этиленгликоль (этандиол-1,2)

Это качественная реакция на двойную связь.

е) Реакции полимеризации:

nCH₂=CH₂[–СН₂–СН₂–]_n;

полиэтилен

nCH₂=CH–CH₃.

пропилен полипропилен

Алкины (ацетиленовые углеводороды) С_nH_2n-2– это ненасыщенные углеводороды, которые имеют одну тройную связь.

Представители:

этин (ацетилен)

бутин-2

4-метилпентин-1

Структурная изомерия алкинов, как и алкенов, обусловлена строением углеродной цепи и положением в ней тройной связи.

Физические свойства. Ацетилен, метил- и этилацетилены – газы; следующие гомологи ацетилена (от С₅до С₁₅) – жидкости; высшие ацетиленовые углеводороды (от С₁₅Н₂₈) – твердые вещества.

Химические свойства алкинов определяются наличием тройной связи.

1. Реакции присоединения:

а) Гидрирование (гидрогенизация):

+ H₂H₂C=CH–CH₃CH₃–CH₂–CH₃.

пропин пропен пропан

б) Присоединение галогеноводородных кислот согласно правилу Марковникова:

+ HClCH₂=CCl–CH₃CH₃–CCl₂–CH₃.

пропин 2-хлорпропен 2,2-дихлорпропан

в) Бромирование:

+Br₂CHBr=CHBrCHBr₂–CHBr₂.

1,2-дибромэтен 1,1,2,2-тетрабромэтан

г) Гидратация (реакция Кучерова):

+HOH[H₂C=CHOH] _{изомеризация}

виниловый спирт

уксусный альдегид уксусная кислота

2. Реакции окисления:

а) СН≡СН + 5О₂4СО₂+ 2Н₂О (горение);

б) СН≡СН+2[О]+2НОН+2H₂O.

диальдегид

(глиоксаль)

3. Образование ацетиленидов по реакции замещения:

СН≡СН + 2[Cu(NH₃)₂]ОН^↓СuС≡ССu+ 2Н₂О + 4NH₃.

диацетиленид

меди

4. Полимеризация:

а) циклическая ЗНС≡СН;

бензол

б) линейная 2СН≡СНСН₂=СН–С=СН.

винилацетилен

Ацетиленовые углеводороды используются для получения поливинилацетата, акрилацетата (для синтеза каучуков, пластмасс), бензола и его производных.

Алкадиены С_nН_2n-2– это углеводороды, содержащие две двойные связи. Для них характерна структурная изомерия и цис-, трансизомерия.

По физическим свойствам диеновые углеводороды могут быть газами и твердыми веществами.

Промышленное значение имеют диены с сопряжёнными двойными связями (дивинил, изопрен).

СН₂=СН–СН=СН₂бутадиен-1,3 (дивинил)

изопрен (2-метил-1,3-бутадиен)

Химические свойства алкадиенов определяются особенностями строения молекул этих углеводородов.

1. Реакция гидрирования:

СН₂=СН–СН=СН₂+ Н₂СН₃–СН=СН–СН₃

бутен-2

2. Реакция гидробромирования:

^{+ HBr}(3,4-присоединение)

3-бромбутен-1

(1,4-присоединение)

1-бромбутен-2

3. Реакция полимеризации:

n

изопрен полиизопрен

Для получения синтетических каучуков с необходимыми свой­ствами используется процесс совместной полимеризации бутадиена-1,3 с другими непредельными соединениями, например с винилхлоридом СН₂=СНСl, стиролом СН₂=СНС₆Н₅, акрилонитрилом СН₂=CHCN. Так, бутадиен – стирольный каучук износостоек и идёт на изготовление автошин и подошв к обуви.