Interested Article - Алканы

melania
  • 2020-04-14
  • 1

Алка́ны ( парафи́ны , также насы́щенные или преде́льные углеводоро́ды ) — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые (одинарные) связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C n H 2n+2 .

Все алканы и алкены относятся к классу алифатических углеводородов. Алканы являются насыщенными углеводородами, то есть содержат максимально возможное число атомов водорода для заданного числа атомов углерода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp 3 -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 .

Простейшим представителем класса является метан (CH 4 ). Углеводород с самой длинной цепью — нонаконтатриктан C 390 H 782 синтезировали в 1985 году английские химики И. Бидд и М. К. Уайтинг .

Номенклатура

Рациональная

Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном, и относительно него строится название «алкил1алкил2алкил3алкил4метан», например:

а : н -бутил- втор -бутилизобутилметан
б : триизопропилметан
в : триэтилпропилметан

Систематическая ИЮПАК

Основная статья: Систематическая номенклатура алканов

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь, при этом нумерация этой цепи начинается со стороны ближайшего к концу цепи заместителя. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом , затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Например:

Alkan03.png
Alkan03.png
2,6,6-триметил-3-этилгептан (слева направо) / 2,2,6-триметил-5-этилгептан (справа налево)

При сравнении положений заместителей в обеих комбинациях, предпочтение отдается той, в которой первая отличающаяся цифра является наименьшей. Таким образом, правильное название — 2, 2 ,6-триметил-5-этилгептан .

Гомологический ряд и изомерия

Алканы образуют гомологический ряд .

Гомологический ряд алканов (первые 10 членов)
Метан CH 4 CH 4
Этан CH 3 —CH 3 C 2 H 6
Пропан CH 3 —CH 2 —CH 3 C 3 H 8
Бутан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 4 H 10
Пентан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 5 H 12
Гексан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 6 H 14
Гептан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 7 H 16
Октан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 8 H 18
Нонан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 9 H 20
Декан CH 3 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 C 10 H 22

Алканы, число атомов углерода в которых больше трёх, имеют изомеры. Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии — изомерией углеродного скелета, а начиная с C 7 H 16 — также оптической изомерией . Число структурных изомеров алканов C n H 2n+2 в зависимости от числа атомов углерода n без учёта стереоизомерии и с учётом стереоизомерии :

n Число изомеров С учётом стереоизомерии
4 2 2
5 3 3
6 5 5
7 9 11
8 18 24
9 35 55
10 136
11 159 345
12 355 900
13 802 2412
14 1858 6563
15 4347 18 127
20 366 319 3 396 844
25 36 797 588 749 329 719
30 4 111 846 763 182 896 187 256

Число структурных изомеров низших углеводородов до C 14 H 30 было установлено прямым подсчётом; в 1931 году был разработан рекурсивный метод подсчёта числа изомеров . Какой-либо простой связи между числом атомов углерода n и числом изомеров обнаружено не было . При n → 1 {\displaystyle n\rightarrow {\mathcal {1}}} число различных структурных изомеров алканов можно оценить посредством теоремы Редфилда — Пойи .

Физические свойства

[ источник не указан 1184 дня ]

  • Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
  • При стандартных условиях, установленных ИЮПАК ( давление 10 5 Па , температура 0 °C), неразветвлённые алканы с CH 4 до C 4 H 10 являются газами, с C 5 H 12 до C 15 H 32 — жидкостями, а начиная с C 16 H 34 и далее — твёрдыми веществами.
  • Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвлённых к более разветвлённым. Так, например, при 20 °C н -пентан — жидкость, а неопентан — газ.
  • Газообразные и твердые алканы не пахнут, некоторые жидкие алканы обладают характерным «бензиновым» запахом.
  • Все алканы бесцветны, легче воды и нерастворимы в ней. Алканы хорошо растворяются в органических растворителях, жидкие алканы ( пентан , гексан ) используются как растворители.
Физические свойства нормальных алканов
n Название Т пл , °C Т кип , °C Плотность , г/см 3 Показатель преломления
1 Метан −182,48 −161,5 0,416 при T кип
2 Этан −183,3 −88,63 0,546 при T кип
3 Пропан −187,7 −42,1 0,585 при T кип
4 Бутан −138,35 −0,5 0,6 при T кип 1,3326
Изобутан −159,60 −11,73 0,5510 при T кип
5 Пентан −129,7 36,07 0,6262 1,3575
6 Гексан −95,3 68,7 0,6594 1,3749
7 Гептан −90,6 98,4 0,6795 1,3876
8 Октан −55,8 125,7 0,7025 1,3974
9 Нонан −54 150,8 0,718 1,4054
10 Декан −29,7 174,1 0,730 1,4119
11 Ундекан −25,6 195,9 0,7402 1,4151
12 Додекан −9,6 216,3 0,7487 1.4216
13 Тридекан −5,4 235,5 0,7564 1,4256
14 Тетрадекан 5,9 253,6 0,7628 1,4289
15 Пентадекан 9,9 270,6 0,7685 1,4310
16 Гексадекан 18,2 286,8 0,7734 1,4345
17 Гептадекан 22,0 301,9 0,778* 1,4369*
18 Октадекан 28,2 316,1 0,7819* 1,4390*
19 Нонадекан 32,1 329,76 0,7855* 1,4409*
20 Эйкозан 36,8 342,7 0,7887* 1,4426*
21 Генэйкозан 40,5 355,1 0,7917* 1,4441*
22 Докозан 44,4 367,0 0,7944* 1,4455*
23 Трикозан 47,6 380,2 0,7969* 1,4468*
24 Тетракозан 50,9 389,2 0,7991* 1,4480*
25 Пентакозан 53,7 401,0 0,8012* 1,4491*
26 57 262 (15 мм рт. ст.) 0,778
27 60 270 (15 мм рт. ст.) 0,780
28 61,1 280 (15 мм рт. ст.) 0,807
29 64 286 (15 мм рт. ст.) 0,808
30 65,8 446,4 0,897* 1,4536*
31 Гентриаконтан 67,9 455 0,8111* 1,4543*
32 69,7 463 0,8124* 1,4550*
33 71 474 0,811
34 73,1 478 0,8148* 1,4563*
35 74,7 486 0,8159* 1,4568*
36 75 265 при 130 Па 0,814
37 77,4 504,14 0,815
38 79 510,93 0,816
39 78 517,51 0,817
40 81,4 523,88 0,817
41 80,7 530,75 0,818
42 82,9 536,07 0,819
43 85,3 541,91 0,820
44 86,4 547,57 0,820
45 553,1 0,821
46 558,42 0,822
47 563,6 0,822
48 568,68 0,823
49 573,6 0,823
50 93 421 0,824
51 583 0,824
52 94 587,6 0,825
53 592 0,825
54 95 596,38 0,826
… … … … … …
60 98,9
… … … … … …
70 105,3
… … … … … …
100 Гектан 115,2
… … … … … …
150 123
… … … … … …
390 Нонаконтатриктан 132

Примечание к таблице: * отмечены значения, полученные для переохлаждённой жидкости.

Спектральные свойства

ИК- спектроскопия

В ИК-спектрах алканов четко проявляются частоты валентных колебаний связи С—Н в области 2850—3000 см −1 . Частоты валентных колебаний связи С—С переменны и часто малоинтенсивны. Характеристические деформационные колебания в связи С—Н в метильной и метиленовой группах обычно лежат в интервале 1400—1470 см −1 , однако метильная группа даёт в спектрах слабую полосу при 1380 см −1 .

УФ- спектроскопия

Чистые алканы не поглощают излучение в ультрафиолетовой области выше 2000 Å и по этой причине часто оказываются отличными растворителями для измерения УФ-спектров других соединений.


Химические свойства

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что одинарные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку связи С—C 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.

Реакции радикального замещения

Галогенирование

Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-излучением или нагреть.

Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от хлорметана до тетрахлорметана . Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного, и в 2 раза меньше, чем вторичного. Таким образом, хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Галогенирование происходит тем легче, чем длиннее углеродная цепь н -алкана. В этом же направлении уменьшается энергия ионизации молекулы вещества, то есть, алкан легче становится донором электрона .

Галогенирование — это одна из реакций замещения . В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно с последовательным образованием хлорметана , дихлорметана , хлороформа и тетрахлорметана : за один этап замещается не более одного атома водорода:

C H 4 + C l 2 → C H 3 C l + H C l {\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+Cl_{2}\rightarrow CH_{3}Cl+HCl}}}
C H 3 C l + C l 2 → C H 2 C l 2 + H C l {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}Cl+Cl_{2}\rightarrow CH_{2}Cl_{2}+HCl}}}
C H 2 C l 2 + C l 2 → C H C l 3 + H C l {\displaystyle {\mathsf {CH_{2}Cl_{2}+Cl_{2}\rightarrow CHCl_{3}+HCl}}}
C H C l 3 + C l 2 → C C l 4 + H C l {\displaystyle {\mathsf {CHCl_{3}+Cl_{2}\rightarrow CCl_{4}+HCl}}}

Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы ·СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.

Цепной механизм галогенирования:

1) Инициирование

Cl : Cl → h ν Cl · + · Cl {\displaystyle {\ce {\mathsf {Cl{\text{:}}Cl->[{h\nu }]Cl{\text{·}}+{\text{·}}Cl}}}}

2) Рост цепи

C H 3 - C H 2 - C H 3 + C l · → C H 3 - C H ˙ - C H 3 + H C l {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}+Cl{\text{·}}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}{\dot {CH}}{\text{-}}CH_{3}+HCl}}}
C H 3 - C H ˙ - C H 3 + C l : C l → C H 3 - C H C l - C H 3 + C l · {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}{\dot {CH}}{\text{-}}CH_{3}+Cl{\text{:}}Cl\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CHCl{\text{-}}CH_{3}+Cl{\text{·}}}}}

3) Обрыв цепи

C H 3 - C H ˙ - C H 3 + C l · → C H 3 - C H C l - C H 3 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}{\dot {CH}}{\text{-}}CH_{3}+Cl{\text{·}}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CHCl{\text{-}}CH_{3}}}}

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

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

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

Сульфирование

При одновременном действии на алканы оксидом серы (IV) и кислородом, при ультрафиолетовом облучении или при участии веществ, являющихся донорами свободных радикалов (диазометан, органические перекиси), протекает реакция сульфирования с образованием алкилсульфокислот :

C H 3 - C H 2 - C H 2 - C H 3 → O 2 ; S O 2 ; h ν C H 3 - C H 2 - C H 2 - C H 2 - S O 2 O H {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}{\xrightarrow {O_{2};SO_{2};h\nu }}CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}SO_{2}OH}}}

Сульфохлорирование (реакция Рида)

Основная статья: Сульфохлорирование

При облучении ультрафиолетовым излучением алканы реагируют со смесью SO 2 и Cl 2 , После того, как с уходом хлороводорода образуется алкильный радикал, присоединяется диоксид серы. Образовавшийся сложный радикал стабилизируется захватом атома хлора с разрушением очередной молекулы последнего.

Развитие цепного процесса:

R H + C l ⋅ → R ⋅ + H C l {\displaystyle {\mathsf {RH+Cl\cdot \rightarrow R\cdot +HCl}}}
R ⋅ + S O 2 → R S O 2 ⋅ {\displaystyle {\mathsf {R\cdot +SO_{2}\rightarrow RSO_{2}\cdot }}}
R S O 2 ⋅ + C l 2 → R S O 2 C l + C l ⋅ {\displaystyle {\mathsf {RSO_{2}\cdot +Cl_{2}\rightarrow RSO_{2}Cl+Cl\cdot }}}

Легче всего сульфохлорируются углеводороды линейного строения, в отличие от реакций хлорирования и нитрования.

Образовавшиеся сульфонилхлориды широко применяются в производстве ПАВ .

Нитрование

Основная статья: Реакция Коновалова

Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO 2 в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных:

R H + H N O 3 → R N O 2 + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {RH+HNO_{3}\rightarrow RNO_{2}+H_{2}O}}}

Имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Реакции окисления

Автоокисление

Окисление алканов в жидкой фазе протекает по свободно-радикальному механизму и приводит к образованию гидропероксидов , продуктов их разложения и взаимодействия с исходным алканом. Схема основной реакции автоокисления:

R H + O 2 → R ⋅ + H O O ⋅ {\displaystyle {\mathsf {RH+O_{2}\rightarrow R\cdot +HOO\cdot }}}
R ⋅ + O 2 → R O O ⋅ {\displaystyle {\mathsf {R\cdot +O_{2}\rightarrow ROO\cdot }}}
R O O ⋅ + R H → R O O H + R ⋅ {\displaystyle {\mathsf {ROO\cdot +RH\rightarrow ROOH+R\cdot }}}
Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения . Пример:

C H 4 + 2 O 2 → C O 2 + 2 H 2 O + Δ Q {\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+2O_{2}\rightarrow CO_{2}+2H_{2}O+\Delta Q}}}

Значение Q достигает 46 000 — 50 000 кДж/кг .

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается оксид углерода(II) или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

Каталитическое окисление

В реакциях каталитического окисления алканов могут образовываться спирты , альдегиды , карбоновые кислоты .

При мягком окислении СН 4 в присутствии катализатора кислородом при 200 °C могут образоваться:

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

Реакция окисления алканов :

Механизм реакций получения кислот путём каталитического окисления и расщепления алканов показан ниже на примере получения из бутана уксусной кислоты :

Термические превращения алканов

Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов .

Примеры:

C H 4 → o t > 1000 o C C + 2 H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{4}{\xrightarrow[{}]{^{o}t>1000^{o}C}}C+2H_{2}}}}
C 2 H 6 → 2 C + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {C_{2}H_{6}\rightarrow 2C+3H_{2}}}}
Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10—15 атомов углерода в углеродном скелете) и фракции солярового масла (12—20 атомов углерода). Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время термический крекинг полностью вытеснен в промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — 400—450 °C и низком давлении — 10—15 атм на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Для метана:

2 C H 4 → o t > 1500 o C C 2 H 2 + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}{\xrightarrow[{}]{^{o}t>1500^{o}C}}C_{2}H_{2}+3H_{2}}}}

Во время крекинга одна из связей (С-С) разрывается, образуя два радикала. Далее одновременно происходят три процесса, вследствие которых реакция дает множество различных продуктов:

C H 3 - C H 2 : C H 3 → 1500 ∘ C C H 3 - C H 2 · + · C H 3 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{:}}CH_{3}{\xrightarrow {1500^{\circ }C}}CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{3}}}}

1) Рекомбинация:

C H 3 - C H 2 · + · C H 2 - C H 3 → C H 3 - C H 2 - C H 2 - C H 3 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}}}}
C H 3 · + · C H 2 - C H 3 → C H 3 - C H 2 - C H 3 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}}}}
C H 3 · + · C H 3 → C H 3 - C H 3 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{3}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CH_{3}}}}

2) Диспропорционирование:

C H 3 · + · C H 2 - C H 3 → C H 4 + C H 2 = C H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{4}+CH_{2}{\text{=}}CH_{2}}}}
C H 3 - C H 2 · + · C H 2 - C H 3 → C H 3 - C H 3 + C H 2 = C H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{·}}+{\text{·}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{3}{\text{-}}CH_{3}+CH_{2}{\text{=}}CH_{2}}}}

3) β-распад (разрыв связи (C-H)):

C H 3 - C H 2 · → − H · C H 2 = C H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{·}}{\xrightarrow {-H{\text{·}}}}CH_{2}{\text{=}}CH_{2}}}}
Дегидрирование

1) В углеродном скелете 2 (этан) или 3 (пропан) атома углерода — получение (терминальных) алкенов, так как других в данном случае не может получиться; выделение водорода:

Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , например, образование этилена из этана:

C H 3 - C H 3 → C H 2 = C H 2 + H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{2}{\text{=}}CH_{2}+H_{2}}}}

2) В углеродном скелете 4 (бутан, изобутан) или 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентан ) атомов углерода — получение алкадиенов, например, бутадиена-1,3 и бутадиена-1,2 из бутана:

C H 3 - C H 2 - C H 2 - C H 3 → C H 2 = C H - C H = C H 2 + 2 H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{2}{\text{=}}CH{\text{-}}CH{\text{=}}CH_{2}+2H_{2}}}}
C H 3 - C H 2 - C H 2 - C H 3 → C H 2 = C = C H - C H 3 + 2 H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{3}\rightarrow CH_{2}{\text{=}}C{\text{=}}CH{\text{-}}CH_{3}+2H_{2}}}}

3) В углеродном скелете 6 (гексан) и более атомов углерода — получение бензола и его производных:

C H 3 ( C H 2 ) 5 C H 3 → C 6 H 5 C H 3 + 4 H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}(CH_{2})_{5}CH_{3}\rightarrow C_{6}H_{5}CH_{3}+4H_{2}}}}

Конверсия метана

В присутствии никелевого катализатора протекает реакция:

C H 4 + H 2 O → C O + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+H_{2}O\rightarrow CO+3H_{2}}}}

Продукт этой реакции (смесь CO и H 2 ) называется « синтез-газом ».

Реакции электрофильного замещения

Изомеризация:
Под действием катализатора (например, AlCl 3 ) происходит изомеризация алкана: например, бутан (C 4 H 10 ), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl 3 ), превращается из н -бутана в 2-метилпропан.

С марганцевокислым калием (KMnO 4 ) и бромной водой (раствор Br 2 в воде) алканы не взаимодействуют.

Нахождение в природе

Нахождение в космосе

В небольших количествах алканы содержатся в атмосфере внешних газовых планет Солнечной системы: на Юпитере — 0,1 % метана , 0,0002 % этана , на Сатурне метана 0,2 %, а этана — 0,0005 %, метана и этана на Уране — соответственно 1,99 % и 0,00025 %, на Нептуне же — 1,5 % и 1,5⋅10 −10 , соответственно . На спутнике Сатурна Титане метан (1,6 %) содержится в жидком виде, причём, подобно воде, находящейся на Земле в круговороте , на Титане существуют (полярные) озёра метана (в смеси с этаном) и метановые дожди. К тому же, как предполагается, метан поступает в атмосферу Титана в результате деятельности вулкана . Кроме того, метан найден в хвосте кометы Хиякутаке и в метеоритах ( углистых хондритах ). Предполагается также, что метановые и этановые кометные льды образовались в межзвёздном пространстве .

Нахождение на Земле

Добыча нефти

В земной атмосфере метан присутствует в очень небольших количествах (около 0,0001 %), он производится некоторыми археями (архебактериями) , в частности, находящимися в кишечном тракте крупного рогатого скота . Промышленное значение имеют месторождения низших алканов в форме природного газа , нефти и, вероятно, в будущем — газовых гидратов (найдены в областях вечной мерзлоты и под океанами). Также метан содержится в биогазе .

Высшие алканы содержатся в кутикуле растений , предохраняя их от высыхания, паразитных грибков и мелких растительноядных организмов. Это обыкновенно цепи с нечётным числом атомов углерода , образующиеся при декарбоксилировании жирных кислот с чётным количеством углеродных атомов. У животных алканы встречаются в качестве феромонов у насекомых , в частности у мухи цеце (2-метилгептадекан C 18 H 38 , 17,21-диметилгептатриаконтан C 39 H 80 , 15,19-диметилгептатриаконтан C 39 H 80 и 15,19,23-триметилгептатриаконтан C 40 H 82 ). Некоторые орхидеи при помощи алканов-феромонов привлекают опылителей.

Получение

Главным источником алканов (а также других углеводородов) являются нефть и природный газ , которые обычно встречаются совместно.

Восстановление галогенпроизводных алканов:

При каталитическом гидрировании в присутствии палладия галогеналканы превращаются в алканы :

R C H 2 C l + H 2 → R C H 3 + H C l {\displaystyle {\mathsf {RCH_{2}Cl+H_{2}\rightarrow RCH_{3}+HCl}}}

Восстановление иодалканов происходит при нагревании последних с иодоводородной кислотой:

R C H 2 I + H I → R C H 3 + I 2 {\displaystyle {\mathsf {RCH_{2}I+HI\rightarrow RCH_{3}+I_{2}}}}

Для восстановления галогеналканов пригодны также амальгама натрия, гидриды металлов, натрий в спирте, цинк в соляной кислоте или цинк в спирте

Восстановление спиртов :

Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С. Так, например, проходит реакция восстановления бутанола (C 4 H 9 OH), проходящую в присутствии LiAlH 4 . При этом выделяется вода .

C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 O H → L i A l H 4 C H 3 C H 2 C H 2 C H 3 + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}OH{\xrightarrow[{}]{LiAlH_{4}}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+H_{2}O}}}

Восстановление карбонильных соединений

Реакция Кижнера — Вольфа :

Реакцию проводят в избытке гидразина в высококипящем растворителе в присутствии KOH .

Реакция Клемменсена :

Гидрирование непредельных углеводородов

C n H 2 n + H 2 → C n H 2 n + 2 {\displaystyle {\mathsf {C_{n}H_{2n}+H_{2}\rightarrow C_{n}H_{2n+2}}}}
C n H 2 n − 2 + 2 H 2 → C n H 2 n + 2 {\displaystyle {\mathsf {C_{n}H_{2n-2}+2H_{2}\rightarrow C_{n}H_{2n+2}}}}

Катализатором реакции являются соединения никеля , платины или палладия .

Синтез Кольбе

При электролизе солей карбоновых кислот, анион кислоты — RCOO − перемещается к аноду, и там, отдавая электрон превращается в неустойчивый радикал RCOO•, который сразу декарбоксилируется. Радикал R• стабилизируется путём сдваивания с подобным радикалом, и образуется R—R . Например:

C H 3 C O O − → C H 3 C O O ⋅ + e − {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}COO^{-}\rightarrow CH_{3}COO\cdot +e^{-}}}}
C H 3 C O O ⋅ → C H 3 ⋅ + C O 2 {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}COO\cdot \rightarrow CH_{3}\cdot +CO_{2}}}}
2 C H 3 ⋅ + B → C 2 H 6 {\displaystyle {\mathsf {2CH_{3}\cdot +B\rightarrow C_{2}H_{6}}}}

Газификация твёрдого топлива (Процессы Бертло, Шрёдера, Бергиуса )

Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор — Ni (для Бертло), Mo (для Шрёдера) или без катализатора (для Бергиуса):

C + 2 H 2 → C H 4 {\displaystyle {\mathsf {C+2H_{2}\rightarrow CH_{4}}}}

Реакция Вюрца

2 R - B r + 2 N a → R - R + 2 N a B r {\displaystyle {\mathsf {2R{\text{-}}Br+2Na\rightarrow R{\text{-}}R+2NaBr}}}

Реакция идёт в ТГФ при температуре −80 °C . При взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (R—R, R`—R`, R—R`)

Синтез Фишера — Тропша

n C O + ( 2 n + 1 ) H 2 → C n H 2 n + 2 + n H 2 O {\displaystyle {\mathsf {nCO+(2n+1)H_{2}\rightarrow C_{n}H_{2n+2}+nH_{2}O}}}

Реакция Дюма

Получением алканов с помощью декарбоксилирования солей карбоновых кислот, при сплавлении со щелочью (обычно NaOH или KOH):

C H 3 C O O N a + N a O H → N a 2 C O 3 + C H 4 {\displaystyle CH{\scriptstyle {\text{3}}}COONa+NaOH\rightarrow Na{\scriptstyle {\text{2}}}CO{\scriptstyle {\text{3}}}+CH{\scriptstyle {\text{4}}}}


Гидролиз карбида алюминия

A l 4 C 3 + 12 H 2 O → 3 C H 4 ↑ + 4 A l ( O H ) 3 ↓ {\displaystyle {\mathsf {Al_{4}C_{3}+12H_{2}O\rightarrow 3CH_{4}\uparrow +4Al(OH)_{3}\downarrow }}}

Биологическое действие

Низшие алканы обладают наркотическим действием , вызывают асфиксию, раздражают органы дыхания. При хроническом действии алканы нарушают работу нервной системы, что проявляется в виде бессонницы, брадикардии , повышенной утомляемости и функциональных неврозов. Вследствие раздражающего действия газов при подострых, острых и хронических отравлениях развивается пневмония и отёк лёгких.

Примечания

  1. Bidd, Ilesh and Whiting, Mark C. The synthesis of pure n-paraffins with chain-lengths between one and four hundred. J. Chem. Soc., Chem. Commun., Issue 19, 1985, p. 543—544
  2. Дерябина Г. И., Кантария Г. В. (неопр.) . Интерактивный мультимедиа-учебник «Органическая химия» . Кафедра органической, биоорганической и медицинской химии СамГУ . Дата обращения: 10 октября 2012. Архивировано из 14 октября 2012 года.
  3. , с. 177.
  4. , с. 125.
  5. Последовательность в OEIS = Number of n-node unrooted quartic trees; number of n-carbon alkanes C(n)H(2n+2) ignoring stereoisomers
  6. Последовательность в OEIS = Number of n-node unrooted steric quartic trees; number of n-carbon alkanes C(n)H(2n+2) taking stereoisomers into account
  7. ↑ Henze Henry R., Blair Charles M. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — , 1931. — Vol. 53 , no. 8 . — P. 3077–3085 . — doi : . 29 марта 2019 года.
  8. G. Pólya. Kombinatorische Anzahlbestimmungen für Gruppen, Graphen und chemische Verbindungen // Acta Mathematica . — 1937. — Vol. 68. — P. 145–254. — doi : .
  9. Перекалин В. В., Зонис С. А. Органическая химия
  10. (англ.) Dr. David R. Williams. (англ.) . NASA (2007). Дата обращения: 6 октября 2010. Архивировано из 5 октября 2011 года.
  11. (англ.) Emily Lakdawalla . (неопр.) Дата обращения: 21 января 2004. Архивировано из 6 апреля 2008 года.
  12. (англ.) Mumma, M.J.; Disanti, M.A., dello Russo, N., Fomenkova, M., Magee-Sauer, K., Kaminski, C.D., and D.X. Xie. Detection of Abundant Ethane and Methane, Along with Carbon Monoxide and Water, in Comet C/1996 B2 Hyakutake: Evidence for Interstellar Origin (англ.) // Science : journal. — 1996. — Vol. 272 , no. 5266 . — P. 1310 . — doi : . — .
  13. ↑ (неопр.) . Дата обращения: 10 июня 2009. 2 декабря 2011 года.
  14. — статья из энциклопедии «Кругосвет»
  15. Кижнера — Вольфа реакция // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  16. (неопр.) . Дата обращения: 10 июня 2009. 20 октября 2008 года.
  17. (неопр.) . Дата обращения: 10 июня 2009. Архивировано из 22 апреля 2009 года.
  18. Кольбе реакция // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  19. (неопр.) . Дата обращения: 10 июня 2009. Архивировано из 3 мая 2011 года.
  20. (неопр.) . chem21.info. Дата обращения: 12 апреля 2018. 5 декабря 2018 года.

Литература

  • Активация и каталитические реакции алканов / Пер. с англ.; под ред. К. Хилла. — М. : Мир , 1992.
  • Общая токсикология / Под ред. Лойта А. О.. — СПб. : ЭЛБИ-СПб., 2006.
  • Петров Ал. А. . — М. : Наука , 1974. — 243 с.
  • Пойа Д. Комбинаторные вычисления для групп, графов и химических соединений (рус.) // Перечислительные задачи комбинаторного анализа. — М. : Мир, 1979. — С. 36—138 .
  • Пэрэушану В. Производство и использование углеводородов. — М. : Химия, 1987.
  • Рудаков Е. С. Реакции алканов с окислителями, металлокомплексами и радикалами в растворах. — Киев: Наукова думка , 1985.
  • Физер Л., Физер М. Органическая химия. Углубленный курс. — М. , 1966. — Т. 1. — 680 с.
  • Хейнс А. Методы окисления органических соединений. Алканы, алкены, алкины и арены. — М. : Мир, 1988.
  • Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Меди сульфиды — Полимерные красители. — 640 с. — ISBN 5-85270-039-8 .
  • Перекалин В.В., Зонис С. А. Органическая химия. — 4-е изд., переработанное. — М. : Просвещение , 1982. — 560 с.
  • Неотложная помощь при острых отравлениях. Справочник по токсикологии / Под ред. академика АМН СССР С. Н. Голикова. — М. : Медицина , 1977.

Ссылки

melania
  • 2020-04-14
  • 1

Same as Алканы

The title for the last searches