Предельные углеводороды. Насыщенные алифатические углеводороды. Алканы или Парафины

1.

Предельные углеводороды
Насыщенные алифатические углеводороды
Алканы или Парафины

2.

Углеводороды это органические соединения,
молекулы которых состоят только
из углерода C и водорода H.
Алканы это ациклические углеводороды
линейного или разветвлённого строения,
содержащие только простые σ-связи и
образующие гомологический ряд с общей
формулой
CnH2n+2

3.

Алканы являются насыщенными углеводородами и
содержат максимально возможное число атомов
водорода.
Каждый атом углерода в молекулах алканов
находится в состоянии sp3-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
(CH4).

4.

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

5.

Систематическая ИЮПАК
По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при
помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему
корню от названия углеводорода.
Выбирается наиболее длинная неразветвлённая
углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа
заместителей был минимальный номер в цепи. 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.

6.

ИЗОМЕРИЯ
Первые три члена гомологического ряда алканов
(метан, этан, пропан) изомеров не имеют.
Изомерия предельных углеводородов
обусловлена простейшим видом структурной
изомерии — изомерией углеродного скелета, а
начиная с C7H16 — также оптической
изомерией.
CH3
CH3
CH2
CH2 CH3
CH3
CH
CH3
н-Бутан
изо-Бутан

7.

Физические свойства.
Алканы – бесцветные вещества, легче воды,
плохо растворяются в воде, но растворяются
в органических растворителях (бензол,
тетрахлорметан).
Газообразные и жидкие алканы образуют
взрывоопасные смеси с воздухом.

8.

Температуры плавления и кипения увеличиваются с
молекулярной массой и длиной главной углеродной
цепи.
При нормальных условиях неразветвлённые
алканы с CH4 до C4H10 и неопентан — газы; с C5H12 до
C13H28 — жидкости; начиная с C14H30 и далее —
твёрдые вещества.
Температуры плавления и кипения понижаются от
менее разветвленных к более разветвленным. Так,
например, при 20 °C н-пентан — жидкость, а
неопентан — газ.
Газообразные алканы горят бесцветным или бледноголубым пламенем с выделением большого
количества тепла.

9.

Химические свойства.
Алканы химически мало активны.
Для
алканов
замещения.
наиболее
характерны
реакции
В этих реакциях происходит гомолитический разрыв
ковалентных связей, они осуществляются по
свободнорадикальному (цепному) механизму.

10.

1.Галогенирование (замещение атома водорода
атомом галогена - F, Cl, Br с образованием
галогеналкана RHal).
Алканы очень активно реагируют со фтором.
Хлорирование протекает под действием света и
является фотохимической цепной реакцией.
СН4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
CHCl3 + Cl2 → CCl4
+ HCl
При галогенировании алканов более сложного
строения на атом галогена легче всего замещаются
атомы водорода при третичном углеродном атоме,
затем – при вторичном и, наконец, при первичном.

11.

h
Cl2
Cl
+ Cl
+ HCl
CH4
+ Cl
CH3
CH3
+ Cl2
CH3Cl + Cl
хлорметан
CH3Cl + Cl
CH2Cl + HCl
CH2Cl + Cl2
CH2Cl2 + Cl
дихлорметан
CH2Cl2 + Cl
CHCl2
CHCl2 + Cl2
+ HCl
CHCl3 + Cl
трихлорметан
CHCl3
+ Cl
CCl3
CCl3
+ Cl2
CCl4
+ HCl
+ Cl
тетрахлорметан

12.

2. Сульфохлорирование (реакция Рида):
При облучении УФ-излучением алканы реагируют со
смесью SO2 и Cl2.
После того, как с уходом хлороводорода образуется
алкильный радикал, присоединяется диоксид серы.
Образовавшийся сложный радикал стабилизируется
захватом атома хлора с разрушением очередной
молекулы последнего.
Образовавшиеся сульфонилхлориды широко
применяются в производстве ПАВ.

13.

3. Нитрование - замещение атома водорода
нитрогруппой -NO2 c образованием
нитроалканов
Cn H2n+1NO2
Реакция Коновалова
CnH2n+2 + HNO3 → CnH2n+1NO2 + H2O
Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты
или оксидом азота NO2 в газовой фазе при
температуре 140 °C и небольшом давлении с
образованием нитропроизводных.
Все имеющиеся данные указывают на
свободнорадикальный механизм. В результате
реакции образуются смеси продуктов.

14.

Реакции окисления.
При обычных условиях алканы устойчивы к действию
окислителей (KMnO4, K2Cr2O7).
1. Окисление кислородом воздуха при высоких
температурах (горение)
А) полное окисление (избыток О2) с образованием
углекислого газа и воды: СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О
Б) неполное окисление (недостаток О2)
2СН4 + 3О2 → 2СО + 4Н2О
СН4 + О2 → С + 2Н2О
В) каталитическое окисление (катализаторы –
соединения Mn)
СН3 - СН2 - СН2- СН3 → 2СН3СООН + Н2О

15.

При каталитическом окислении парафинов могут
образовываться спирты, альдегиды, карбоновые
кислоты.
При мягком окислении СН4 в присутствии
катализатора кислородом при 200 °C могут
образоваться:
метанол:
2СН4 + О2 → 2СН3ОН;
формальдегид:
СН4 + О2 → СН2О + Н2O;
муравьиная кислота: 2СН4 + 3О2 → 2НСООН + 2Н2O.

16.

Термические превращения алканов:
Разложение
Реакции разложения происходят лишь под влиянием
больших температур. Повышение температуры
приводит к разрыву углеродной связи и образованию
свободных радикалов.
CH4 → C + 2H2 (t > 1000 °C)
C2H6 → 2C + 3H2.

17.

Крекинг - термический крекинг и каталитический
крекинг на алюмосиликатном катализаторе.
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.
Расщепление н-бутана на этан и этилен:
С4Н10 → С2Н6 + С2Н4
Расщепление н-гексадекана на н-октан и октен:
C16H34 → C8H18 + C8H16

18.

Дегидрирование
Образование:
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:
а) CH3-CH3 → CH2=CH2 + H2 (этан → этен);
б) CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2 (пропан → пропен).
Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt,
Ni, Al2O3, Cr2O3.
2) В углеродном скелете 4 (бутан, изобутан) или 5
(пентан, 2-метилбутан, неопентан) атомов углерода —
получение алкадиенов; выделение водорода.

19.

3) В углеродном скелете 6 (гексан) и более атомов
углерода — получение бензола и его производных:
г) CH3-CH2-CH2-CH2CH2-CH2-CH2-CH3 (н-октан)
п-ксилол, параллельно м-ксилол, параллельно
этилбензол + 4H2.
CH3
CH3
CH3
CH2
CH3
CH3
п-ксилол
м-ксилол
этилбензол
→

20.

Конверсия метана
В присутствии никелевого катализатора протекает
реакция:
CH4 + H2O → CO + 3H2.
Продукт этой реакции (смесь CO и H2) называется
«синтез-газом».
Синтез Фишера — Тропша
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O

21.

Реакции электрофильного замещения
Изомеризация:
Под действием катализатора (например, AlCl3)
происходит изомеризация алкана: например, бутан
(C4H10), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl3),
превращается из н-бутана в 2-метилпропан (изобутан).
CH3
AlCl3
CH3
CH2
CH2 CH3
CH3
CH
CH3
н-Бутан
изо-Бутан

22.

Получение
Главным источником алканов (а также других
углеводородов) являются нефть и природный газ,
которые обычно встречаются совместно.
Восстановление галогенпроизводных алканов, спиртов,
карбонильных соединений.
Гидрирование непредельных углеводородов:
CnH2n + H2 → CnH2n+2
CnH2n-2 + 2H2 → CnH2n+2
Катализатором реакции являются соединения никеля,
платины или палладия.

23.

Газификация твердого топлива (Процессы Бертло,
Шрёдера, Бергиуса)
Проходит при повышенной температуре и давлении.
Катализатор — Ni (для Бертло), Mo (для Шрёдера) или
без катализатора (для Бергиуса):
C + 2H2 → CH4

24.

Из солей карбоновых кислот при повышенной
температуре (реакция Дюма, пиролиз).
Пиролизом называют термическое разложение
веществ без доступа воздуха.
При нагревании твердых солей карбоновых кислот с
щелочами образуется предельный углеводород,
содержащий на один атом углерода меньше, чем в
кислоте, образующей исходную соль.
CH3COONa(тв.) + NaOH/Ca(OH)2(тв.) → Na2CO3 + CH4↑

25.

Из галогеналканов:
А) синтез Вюрца:
СН3 – Cl + 2Na + Cl – CH3 → СН3 – СН3 + 2NaCl
Практическое значение этот способ имеет только для
получения симметричных алканов с четным числом
атомов углерода.
Б) синтез Вюрца – Гриньяра:
СН3 – Cl + Mg →CH3 – Mg – Cl (реактив Гриньяра)
CH3 – Mg – Cl + Cl – CH2 – CH3 + MgCl2
Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы и другие
металлы, например литий, магний, цинк.

26.

Электролиз солей карбоновых кислот (синтез
Кольбе)
2R–COONa +2H2O → R–R + 2CO2 + H2+2NaOH
Разложение карбида Al водой или кислотами
Al4C3 + 12 H2O → 3СН4 + 4Al(OH)3
Al4C3 + 12 НCl → 3СН4 + 4AlCl3
Этим способом в лабораторных условиях можно
получить метан.