л.6. алканы 1
Download as PPT, PDF0 likes2,321 views
Документ посвящен предельным углеводородам (алканам), включая гомологический ряд и изомерию этих соединений. Рассматриваются физические свойства алканов и основные способы их получения, такие как переработка нефти и каталитическое гидрирование. Также описываются особенности пространственной структуры молекул алканов и их конформации.
![4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
1.5 Реакция Вюрца:
2C2H5I + 2Na С2Н5– С2Н5 + 2NaI
возможный механизм:
·· - +
R–CH2–Cl + 2Na [R—CН2] Na + NaCl
·· - -
R–СН2 + R–СН–Сl R–СН2–СН2–R + Сl
··
Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы
и другие металлы, например литий, магний, цинк.](https://image.slidesharecdn.com/6-1-121206084256-phpapp01/85/6-1-29-320.jpg)
л.6. алканы 1
- 1. Лекция 6 ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ) СnH2n+2 1.Гомологический ряд предельных углеводородов. 2.Изомерия предельных углеводородов. 3.Физические свойства предельных углеводородов. 4.Основные способы получения алканов. Нефть и пути ее переработки. 1. Гомологический ряд алканов Еще впервой половине XIX века было замечено, что многие органические вещества образуют ряды, в каждом из которых вещества обладают сходными химическими свойствами и отличаются друг от друга на одну или несколько групп СН2. Это явление было названо гомологией (Ш. Жерар,1844 г.). http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/organicheskaya-ximiya/
- 2. 1. ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД АЛКАНОВ Гомологи - это соединения, имеющие одинаковый функциональный характер, но отличающиеся числом углеродных атомов, входящих в состав их углеводородных радикалов. Ниже представлены формулы и названия 10 первых представителей гомологического ряда алканов и соответствующих им одновалентных радикалов: Название Название Формула Формула алкана радикала метан CH 4 метил − CH 3 этан C2 H 6 этил − CH 2 − CH 3 пропан C3 H 8 пропил − CH 2 − CH 2 − CH 3
- 3. 1. ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД АЛКАНОВ Название Название Формула Формула алкана радикала н-бутан C 4 H 10 бутил − C4 H 9 н-пентан C 5 H 12 пентил − C 5 H 11 н-гексан C 6 H 14 гексил − C 6 H 13 н-гептан C 7 H 16 гептил − C 7 H 15 н-октан C 8 H 18 октил ‒ С8Н17 …… н-алкан C n H 2n + 2 алкил − C n H 2n + 1
- 4. 2. ИЗОМЕРИЯ АЛКАНОВ Изомерия – это явление, при котором вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав, но различные свойства. Возможные типы изомерии алканов: 1. Структурная изомерия ( изомерия углеродного скелета) 2. Поворотная изомерия (конформационная изомерия) ИЗОМЕРИЯ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА
- 5. ИЗОМЕРИЯ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА Число структурных изомеров резко возрастает по мере увеличения числа углеродных атомов в молекуле алкана: число число атомов число атомов число 1 углерода изомеров углерода изомеров в цепи в цепи 1 2 1 9 35 8 3 1 10 75 18 4 2 15 4 347 3 20 6 5 25 36 797 588 7 9 30 4 111 846 763
- 6. СТЕРЕОХИМИЯ И НАГЛЯДНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ Молекулы являются трехмерными объектами, и многое зависит от того, знаем ли мы точное пространственное расположение атомов в них. Пространственная структура молекул и вытекающие из этого следствия изучаются одной из важнейших областей химии — стереохимией. Пространственную структуру молекул лучше всего можно представить с помощью молекулярных моделей, которые бывают трех видов: сферические модели, дающие прежде всего представление об объемных отношениях в молекуле, скелетные модели и шаростержневые модели, подчеркивающие прежде всего пространственную ориентацию:
- 7. ТИПЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МОДЕЛЕЙ на примере этана а б в Рис. 1. Модели молекулы этана. а — сферическая (по Стюарту—Бриглебу); б — скелетная; в — шаростержневая
- 8. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН Для характеристики строения предельных углеводородов важное значение имеет вопрос об их пространственной структуре - о расположении в пространстве атомов углерода и водорода. Рис. 1. Шаростержневая модель молекулы метана. В метане атом углерода связан с четырьмя равноценными атомами водорода, которые располагаются совершенно симметрично относительно атома углерода (рис. 13). При подобном симметричном расположении угол, образо- ванный направлением валентностей атомов водород — углерод — водород, будет одинаков и равен 109° 28‘.
- 9. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН Мысленное соединение линией всех атомов водорода в молекуле метана приводит к геометрической фигуре, называемой тетраэдром; в центре его находится атом углерода (рис. 2). Эти идеи были развиты в 1874 г. Я. Вант- Гоффом и независимо от него А. Ле Белей, получили название тетраэдрической теории. С учетом межъядерных расстояний и радиусов атомов модель молекулы метана будет выглядеть, как показано на рисунке 3. Рис.3. Структурная модель молекулы метана из шари- ковых сегментов с учетом Рис.2. Тетраэдрическая ковалентных и ван-дер-ваальсовых модель молекулы метана. радиусов (по Стюарту—Бриглебу).
- 10. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН. ЭТАН Рис.4. Расположение орбиталей в метане. В этане, построенном из двух тетраэдрических атомов углерода, направление углерод-углеродной связи совпадает с направлением свободных валентностей атомов углерода в радикалах (рис. 5). Рис.5.Шаростержневая модель молекулы этана.
- 11. СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ ЭТАНА И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОРБИТАЛЕЙ В ЭТАНЕ . Структурная модель Расположение ϭ -связей молекулы этана. в молекуле этана,
- 12. КОНФОРМАЦИИ Различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путем вращения вокруг простых связей, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами) Для молекулы этана возможны две крайние конформации. В одной из них атомы водорода метильных групп расположены один над другим, в другой они находятся в просветах. Естественно, что вследствие вращения по углерод-углеродной связи молекула принимает энергеическм наиболее выгодную конформацию, в которой атомы водорода различных метильных групп наиболее разобщены. Свободная энергия этой конформации на 12,6 кДж/моль меньше энергии конформации со сближенными атомами водорода.
- 13. ПРОЕКЦИИ НЬЮМЕНА Взаимное расположение атомов водорода обеих метиль- ных групп отчетливо видно на проекциях конформации называемых проекциями Ньюмена: а) б) Рис. Конформации молекулы этана а) – заслоненная; б) – заторможенная
- 14. Структурная модель молекулы пропана. Шаростержневая модель молекулы пропана.
- 15. КОНФОРМАЦИИ МОЛЕКУЛЫ БУТАНА Заслоненная 3аторможенная Заслоненная 3аторможенная конформация конформация конформация конформация скошенная трансоидная
- 16. Структурные модели простейших галогеноалканов и галогеноалкенов: 2 3 1 6 4 5 1 — фтористый метил; 2 — хлористый метил; 3 — бромистый метил; 4 — йодистый метил; 5— хлористый винил; 6 — тетрафторэтилен.
- 17. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Физические свойства предельных углеводородов, как и других органических соединений, определяются их составом и строением. В гомологическом ряду углеводородов с нормальной цепью четыре первых члена при обычной температуре — газы, далее следуют жидкости и, начиная с C16H34, — твердые вещества (табл.). Углеводород Т,пл.,оС Т,кип.,оС Плотность Метан СН4 —182,5 —161,6 0.4161 Этан С2Н6 — 182,8 —88,6 0,5461 Пропан С3Н8 —187,6 —42,1 0,5082 н-Бутан С4Н10 — 138,3 — 0,5 0,5842 Изобутан С4Н10 —159,4 —11,7 0.5632 н-Пентан С5Н12 —129,8 36,07 0,626 1 При температуре кипения. 2 В жидком состоянии, под давлением.
- 18. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Углеводород Т,пл.,оС Т,кип.,оС Плотность Изопентан С5Н12 —159,9 27,9 0,620 Неопентан С5Н12 — 16,6 9,5 0,613 н-Гексан С6Н14 — 95,3 68,7 0,660 н-Гептан С7Н16 — 90,6 98,5 0,684 н-Октан С8Н18 —56,8 125,7 0,703 н-Нонан С9Н20 — 53,6 150,8 0,718 н-Декан С10Н22 — 29,7 174,0 0,730 Пентадекан С15Н32 10,0 270,5 0,765 н-Эйкозан С20Н42 36,4 205 0,777 (2∙103 Па) (при т.пл.) н-Гектан С100Н202 115,2 — —
- 19. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Температуры кипения в гомологическом ряду возрастают, причем разность температур кипения ближайших гомологов все время уменьшается. Изомеры с нормальной цепью углеродных атомов кипят при более высокой температуре, чем с разветвленной цепью. Это объясняется меньшим взаимодействием между молекулами с разветвленной цепью в жидком состоянии: ответвления от главной цепи создают пространственные препятствия для сближения молекул. Следует подчеркнуть, что углеводороды с разветвленной цепью имеют меньшую склонность к комплексообразованию, например с мочевиной. Поэтому нормальные изомеры можно отделять от изомеров с разветвленной структурой в виде комплексов с мочевиной (промышленный метод).
- 20. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ В промышленности в последнее время все большее значение приобретают методы разделения смесей с помощью катратов — соединении включения. Эти методы основаны на различной способности молекул, отличающихся по форме и ветчине, размещаться между молекулами некоторых твердых веществ, имеющих слоистую или сетчатую кристаллическую структуру. Извлеченные в виде клатратов вещества достаточно легко освобождаются от «хозяина». В нефтеперерабатывающей промышленности наиболее широко используются в качестве клатрато- образователей мочевина, тиомочевина, некоторые комплексные соли металлов, цеолиты и другие материалы.
- 21. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Температуры кипения в гомологическом ряду возрастают, причем разность температур кипения ближайших гомологов все время уменьшается. Температуры плавления в гомологическом ряду предельных углеводородов медленно возрастают. При этом предельные углеводороды образуют два ряда: четных и нечетных гомологов. Температуры плавления четных гомологов обычно выше, чем аналогично построенных нечетных. СН2 СН2 СН2 СН2 СН2 СН2 СН3 СН3 СН2 СН2 СН3 СН3 СН2 СН2 СН2 н-Гептан; Т.пл. — 90,6 оС н-Октан; Т.пл. —56,8 оС СН2 СН2 СН2 СН2 Чем это СН3 СН2 СН2 СН2 СН3 объясняется? н-Нонан; Т.пл. — 53,6оС
- 22. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Это явление объясняют различным пространственным расположением концевых метильных групп относи- тельно друг друга. В углеводородах четного ряда они расположены по разные стороны от оси молекулы, а нечетного — по одну сторону. Благодаря более симметричному строению молекулы кислот с четным числом углеродных атомов сильнее взаимодействуют между собой в кристаллической решетке и ее труднее разрушить при нагревании. Подобная закономерность проявляется и в рядах производных предельных углеводородов, например, температура плавления карбоновых кислот нормального строения с четным числом углеродных атомов выше, чем температура плавления соседних кислот с нечетным числом углеродных атомов:
- 23. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ Т.пл. четных и нечетных гомологов СН2 СН2 СН2 СН2 СН2 СН2 СООН СН3 СН2 СН2 СООН СН3 СН2 СН2 СН2 энантовая каприловая Т,пл. — 10,5оС Т,пл. 16,2оС СН2 СН2 СН2 СН2 СН3 СН2 СН2 СН2 СООН пеларгоновая Т,пл. 12,5оС Алканы — вещества неполярные и трудно поляризуемые. Растворимость их в воде ничтожна. Алканы поглощают ультрафиолетовое излучение в области длин волн менее 200 нм. В спектрах инфра-красного поглощении для них характерны поосы в области 2800 – 3000 см –1.
- 24. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. НЕФТЬ И ПУТИ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ Алканы можно получить из соединений с тем же, меньшим или большим числом углеродных атомов. 1.1 Из сырой нефти: Нефть разгонкой при обычном давлении разделяется на три фракции: бензин, керосин и мазут; из этих основных фракций выделяют более узкие фракции: Число Фракция Т.кип. оС углеродных Применение атомов Газовый До 40 1-5 Топливо бензин Петролейный 30-80 5-7 Растворитель эфир
- 25. Фракционирование нефти Число Фракция Т.кип. оС углеродных Применение атомов Горючее для Бензин 40-180 5-10 ДВС Керосин 180-270 10-15 Горючее для РД Горючее для Газойль 270-360 12-20 дизельных двигателей Сырьё для крекинга, Мазут > 360 > 20 получения смаз. масел, вазелина и др.
- 26. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. НЕФТЬ И ПУТИ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ Для увеличения выхода бензина и др. ценных для хим. промышленности продуктов нефтяные фракции подвер- гают крекингу. Крекинг - термическое разложение улеводородов и других составных частей нефти. Твердый остаток после отгонки всех фракций- гудрон, содержащий высшие алканы (до С50), окисляют кислородом воздуха; образующийся битум используют для строительства дорог. 1.2 Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов, начиная с пентана: H2, Pt R–CH=CH–R R–CH2 – CH2–R H2, Pd R–C ≡ С–R R–CH2– CH2–R H2, Ni R–C ≡ С–R R–CH2– CH2–R
- 27. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. 1.3 Восстановление галогенопроизводных R-X H2/Pt а) R-X R-H + HX Na, C2H5OH б) R-X R-H + HX в) R- I + HI* R-H + I2 * Иодисгый водород восстанавливает и кислородные соединения (кислоты, спирты, эфиры и др.).
- 28. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. 1.4 Гидролиз магнийорганических соединений R-MgX H2O, Н+ R−MgX R-H + MgOHX ROН R−MgX R-H + ROMgX RC≡CH R−MgX R-H + R-C≡CMgX Магнийорганические соединения можно получить из галогенопроизводных.
- 29. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. 1.5 Реакция Вюрца: 2C2H5I + 2Na С2Н5– С2Н5 + 2NaI возможный механизм: ·· - + R–CH2–Cl + 2Na [R—CН2] Na + NaCl ·· - - R–СН2 + R–СН–Сl R–СН2–СН2–R + Сl ·· Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы и другие металлы, например литий, магний, цинк.
- 30. 4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. 1.5 Реакция Вюрца: Особенностью синтеза Вюрца является то, что он дает хорошие выходы в случае использования в качестве исходных веществ первичных галогеналкилов. Кроме того при использовании разных алкилгалогенидов в результате реакции получается смесь трех углеводородов: Na RX + R′– X (R–R + R–R′ + R′– R′ ) 1.6. Реакция Кори — Хауса. Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы и другие металлы, например литий, магний, цинк. R–X + 2Li R–Li + LiX 2R–Li + Cul R2Cu–Li + LiI R2CuLi + 2R'–I 2R–R' + LiM + CuI
- 31. 1.6. Реакция Кори — Хауса (примечание) В случае первичных галогеналкилов выходы предельных углеводородов типа R—R' близки к 100 %, в случае третичных — 30—50 %. 1.7 Электролиз солей карбоновых кислот RCOONa RCOO– + Na+ -e RCOO – RCO–O• RCO–O• R• + CO2 2R• R–R