Структурные формулы углеводородов с хлором

Мы приступаем к новому разделу - органической химии. Совершенно необязательно (и даже преступно по отношению к собственному времени!) знать наизусть, зубрить свойства органических веществ.

По мере изучения вы поймете, что свойства вещества определяются его строением, и научитесь легко предсказывать ход реакций ;)

В этой связи особый интерес представляет теория химического строения, которая была создана А.М. Бутлеровым в 1861 году. Она включает в себя несколько основных положений:

Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности, в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов отражает химическое строение.
Зная свойства веществ, можно установить их химическое строение, и наоборот, зная строение вещества можно сделать вывод о его свойствах.
Атомы или группы атомов оказывают взаимное влияние друг на друга непосредственно или через другие атомы
Свойства вещества зависят от количественного и качественного состава, а также от химического строения молекулы

Алканы (парафины) - насыщенные углеводороды, имеющие линейное или разветвленное строение, содержащие только простые связи. Относятся к алифатическим углеводородам, так как не содержат ароматических связей.

Алканы являются насыщенными соединениями - содержат максимально возможное число атомов водорода. Общая формула их гомологического ряда - C_nH_2n+2.

Номенклатура (от лат. nomen - имя + calare - созывать) - совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса "ан": метан, этан, пропан, бутан и т.д.

Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH₂

Перечисленные выше алканы, являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos - соответственный).

Названия алканов формируются по нескольким правилам. Если вы знаете их, можете пропустить этот пункт, однако я должен познакомить читателя с ними. Итак, алгоритм составления названий следующий:

В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода
Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал)
В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д.
Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи

Внимательно изучите составленные для различных веществ названия ниже.

В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

Изомерами (греч. isomeros - составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия).

Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной (геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах.

В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана C₅H₁₂ существует 3 структурных изомера.

Некоторые данные, касающиеся алканов, надо выучить:

В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм
Тип гибридизации атомов углерода - sp 3
Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28'

Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения.

В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C₈H₁₈, C₁₂H₂₆. Путем крекинга из нефти получают алканы.

В промышленности алканы получают путем:

В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен.

Гидрогенизацией угля (торфа, сланца)

Гидрированием оксида углерода II

В лабораторных условиях алканы получают следующими способами:

Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан.

Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена.

В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов.

В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия.

Гидрированием ненасыщенных углеводородов

Алканы - насыщенные углеводороды, не вступают в реакции гидрирования (присоединения водорода), гидратации (присоединения воды). Для алканов характерны реакции замещения, а не присоединения.

Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода, чуть труднее - у вторичного и значительно труднее - у первичного.

Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы, которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода.

Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму.

Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту - HNO₃ - можно представить как HO-NO₂.

Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты.

Пиролиз (греч. πῦρ - огонь + λύσις - разложение) - термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное отличие пиролиза от горения - в отсутствии кислорода.

В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl₃.

Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их химическое свойство.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Предельные углеводороды (алканы) – химически неактивные вещества. Они не реагируют с кислотами, основаниями, большинством металлов и неметаллов.
Для алканов характерны реакции з… и р…, а реакции присоединения невозможны.
1. Алканы реагируют с хлором по типу реакции замещения. Взаимодействие протекает по цепному механизму при УФ-облучении или при температуре 250–400 °C. В реакции последовательно один за другим могут заместиться все атомы водорода. Отметим, что вытесняемый хлором водород уводится в виде HCl:

2. Углеводороды горят на воздухе. Конечные продукты горения – у… газ и в. :

Если горит хлорированный углеводород, то наряду с СО₂ и Н₂О образуется HCl:

3. При нагревании алканов до 450–550 °С происходит расщепление сложных молекул на более простые (по числу атомов). Причем получаются углеводороды разных классов – предельные и непредельные (алкены, см. далее урок 8). Такой процесс называют крекингом и осуществляют его либо в присутствии катализаторов (Al₂O₃/SiO₂), либо без них. Например:

При повышении температуры до 550–650 °С происходит более глубокое расщепление – п… . В результате образуются уголь (кокс), простейшие алканы (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈), углеводороды других классов (этилен С₂Н₄, ацетилен С₂Н₂ и т. п.) и водород Н₂. Один из возможных вариантов следующий:

И… – третья разновидность термического разложения линейных (нормальных) углеводородов с превращением в разветвленные углеводороды. Обычно процесс ведут в присутствии катализаторов (AlCl₃, ZnCl₂ и др.). Как видно, при высоких температурах из одного и того же вещества могут образовываться смеси различных продуктов:

4. Смесь оксида углерода(II) и водорода – с….-газ – получают из метана двумя способами:
а) взаимодействием СН₄ с водой;
б) взаимодействием СН₄ с СО₂.
Реакции протекают при 800–900 °С и в присутствии катализаторов (Ni, MgO, Al₂O₃):

Циклоалканы в химических процессах ведут себя подобно алканам. Однако в отличие от алканов они способны к реакциям присоединения с разрывом цикла и превращением в линейные насыщенные соединения:

Для соединений с пяти- и шестичленными циклами характерны реакции замещения:

Упражнения.

1. Составьте уравнения реакций монохлорирования (введения одного атома хлора в молекулу):
а) этана (С₂Н₆); б) циклогексана (цикло-С₆Н₁₂).

2. Напишите три уравнения реакций нормального декана н-С₁₀Н₂₂:
а) горения;
б) крекинга при 500 °С с расщеплением исходной молекулы С₁₀ пополам – на алкан С₅ и алкен С₅;
в) термической изомеризации н-С₁₀Н₂₂ (кат. AlCl₃) в 2-метилнонан.

3. Какой объем кислорода израсходуется (н.у.) на сгорание 100 г гептана С₇Н₁₆?

4. При сгорании 1 л паров циклоалкана получается 6 л углекислого газа. Какая химическая формула циклоалкана?

5. Дифтордихлорметан (фреон-12), применяющийся как хладагент в холодильниках, получают действием фтороводорода на тетрахлорметан. Составьте уравнение этой реакции.

6. Хлорпроизводное предельного углеводорода имеет молекулярную массу 237. Состав этого соединения следующий: Cl – 89,9%, C– 10,1%. Найдите его молекулярную формулу.

В молекуле простейшего алкена – этилена:

Названия линейных углеводородов ряда этилена (алкенов) образуют из названий алканов путем замены суффикса -ан- на -ен- (для первых трех гомологов – С₂Н₄, С₃Н₆ и С₄Н₈ – возможно -илен-).
В табл. 7 приведены в сравнении молекулярные формулы и названия алканов и алкенов.

Углеводород	Формулы, различающиеся числом атомов С и Н
Алканы	СН₄ метан	С₂Н₆ этан	С₃Н₈ пропан	С₄Н₁₀ бутан	С₅Н₁₂ пентан	С₆Н₁₄ гексан
Алкены	Нет	С₂Н₄ этен (этилен)	С₃Н₆ пропен (пропилен)	С₄Н₈ бутен (бутилен)	С₅Н₁₀ пентен	С₆Н₁₂ гексен

1. Изомерия углеродной цепи (скелета), как у предельных углеводородов. В примерах а и б двойная связь сохраняется при С-1, а углеродный скелет изменяется:

2. Изомерия п…….. двойной связи в молекуле. Например, двойная связь расположена при С-1 (структуры а₁, а₂, б₁, б₂) и при С-2 (изомеры а₃, б₄, б₅):

3. Пространственная изомерия. Двойная связь С=С – жесткая конструкция. Вращение вокруг нее не происходит (запрещено, т. к. приводит к разрушению молекулы):

(Заметим, что вокруг одинарной связи С–С возможно свободное вращение, а разная запись

означает одно и то же соединение – 3,4-диметилгексан.)
Если атомы углерода при двойной связи имеют разные заместители А и В, то наблюдается пространственная цистрансизомерия:

Когда одинаковые заместители находятся по одну сторону двойной
связи – это цисизомер. В противоположном случае (одинаковые или старшие заместители друг напротив друга), по разные стороны двойной связи – это трансцизомер. Например:

Обратите внимание, что из пяти изомеров б₁–б₅ пентена С₅Н₁₀, различающихся углеродным скелетом или положением двойной связи, пространственная изомерия возможна только у изомера б₄:

Все остальные вещества содержат два одинаковых заместителя при углероде с двойной связью типа

и не имеют пространственных цистрансизомеров.
Названия разветвленных и замещенных алкенов составляют подобно названиям алканов. Сначала выбирают самую длинную, главную углеродную цепь, включающую двойную связь. Атомы углерода этой цепи нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе двойная связь. В названии вещества после перечисления всех заместителей с указанием их положения в главной углеродной цепи пишут название пронумерованного алкена. Положение двойной связи обозначают в конце названия (после суффикса -ен-) номером того атома С, от которого она начинается. Например:

Упражнения.

1. Определите принадлежность к классам углеводородов (алкан, циклоалкан, алкен, алкин) следующих веществ:

Поясните свой выбор.

3. Назовите алкены:

4. Напишите структурные формулы четырех изомеров гептена С₇Н₁₄, у которых в главной цепи 6 атомов С.

5. По названиям веществ составьте их структурные формулы:

3-этилгексен-3, 2-метилбутен-2, транс-дихлорэтилен, 5-хлор-2-метилпентен-2.

3. Уравнение реакции горения гептана:

V = 11•22,4 = 246,4 л О₂.

Ответ. 246,4 л кислорода.

4. Согласно закону Авогадро из схемы

следует, что n = 6, т.е. молекулярная формула циклоалкана – С₆Н₁₂.
Возможные структурные формулы циклоалкана состава С₆Н₁₂:

6. Хлорпроизводное предельного углеводорода не содержит атомов Н, его молекулярная формула С_nCl_2n+2 (в общей формуле алкана С_nH_2n+2 все атомы Н замещены на атомы Сl). Подставим в химическую формулу С_nCl_2n+2 относительные атомные массы элементов Аr (С) и Аr (Сl). Получим уравнение:

12n + 35,5(2n + 2) = 237.

Решим его относительно n и найдем, что n = 2.
Ответ. Формула хлоралкана – С₂Сl₆.

2. В молекуле пропилена

3. Названия алкенов по химическим формулам:

4. Четыре изомера гептена С₇Н₁₄ с главной цепью С₆:

5. Названия веществ и соответствующие им структурные формулы:

Ароматические соединения

Ароматические соединения (арены) – циклические соединения содержащие, как правило 5- и 6-членные циклы, имеющие замкнутую систему сопряженных связей. Боковые цепи не обязаны содержать сопряженные связи.

Ароматичность молекулы характеризует ее повышенную устойчивость, которая обусловлена делокализацией π-электронов в циклической системе.

1. Атомы углерода в состоянии sp 2 -гибридизации создают замкнутую систему.

2. Атомы углерода образуют единую плоскость.

3. Цикл из сопряженных связей включает в себя 4n + 2 π-электронов (где n – целое число). Этот принцип называется правилом Хюккеля.

В зависимости от n можно выделить следующие простейшие ароматические системы:

• Системами с 2 π-электронам являются производные катиона циклопропенилия и дикатионциклобутадиена.

• Системы с 10 π-электронами – это в первую очередь нафталин. Кроме того, широко встречается в природе конденсированные бензольные кольца. Другой представитель – азулен. Это изомер нафталина, содержащий в себе 5- и 7-членные кольца. Азулен часто встречается в эфирных маслах, но распространенность гораздо меньше, чем у бензола и нафталина.

Сюда же относятся индол, хинолин, изохинолин, хиназолин, хиноксалин, другие системы, основанные на бензольном кольце, конденсированном с другим кольцом, в котором находится гетероатом. Широко распространены в природе.

• Системы с 14 π-электронами: антрацен, фенантрен – конденсированные бензольные кольца обоих кольцах. Широко распространены в природе.

Для ароматических соединений часто используют тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т. п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова бензол (корень):

С₆H₅–CH₃	С₆H₅–C₂H₅	С₆H₅–C₃H₇
Метилбензол (толуол)	Этилбензол	Пропиленбензол

Если радикалов более одного, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерация организовывается таким образом, чтобы заместители имели наименьшую сумму номеров положений. Например:

1,2-Диметилбензол 1,3-Диметилбензол 1,4-Диметилбензол

Для дизамещенных бензолов R–C₆H₄–R распространен способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками:

орто- (о-) – заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. 1,2-положениях к опорному;
мета- (м-) – заместители через один атом углерода (в 1,3-положениях к опорному);
пара- (п-) – заместители на противоположных сторонах кольца (в 1,4-положениях к опорному).

1,2-Диметилбензол 1,3-Диметилбензол 1,4-Диметилбензол

положения заместителей для ди-, три- и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы);
углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3-х атомов углерода:

н-Пропилбензол Изопропилбензол (кумол)
изомерия заместителей R, начиная с R=С₂Н₅. Например, молекулярной формуле С₈Н₁₀ соответствуют 4 изомера:

Химические свойства ароматических соединений сильно отличаются от свойств других классов соединений из-за делокализации шести π-электронов в циклической системе, которые понижают энергию молекулы. В результате в молекуле повышается устойчивость. Арены практически не вступают в реакции присоединения или окисления, приводящие к нарушению ароматичности. Для них наиболее распространены реакции с сохранением ароматической системы, т. е. замещения атомов водорода в составе цикла.

Так как в бензольном кольце за счет системы сопряженных связей с обеих сторон от плоскости кольца наблюдается повышенная электронная плотность, то бензольное кольцо является нуклеофилом и склонно взаимодействовать с электрофильным реагентом. Поэтому для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.

Замена атома водорода в бензольном кольце на какой-либо из галогенов наблюдается, как правило, в присутствии катализаторов AlCl₃, AlBr₃, FeCl₃ (кислот Льюиса):

C₆H₆ + Cl₂		C₆H₅Cl	+ HCl.
Хлорбензол

Бензол хорошо взаимодействует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):

C₆H₆ + HNO₃		C₆H₅NO₂	+ H₂O.
Нитробензол

Алкильная группа замещает атом водорода в бензольном кольце при взаимодействии с алкилгалогенидами (реакция Фриделя–Крафтса) или алкенов с катализатором, например AlCl₃ (кислота Льюиса):

C₆H₆ + CH₃Cl		C₆H₅CH₃	+ HCl.
Толуол (метилбензол)

Гомологи бензола, содержащие боковые цепи, активнее вступают в реакции замещения.

Например, при нитровании толуола С₆Н₅CH₃ может происходить замещение не одного, а одновременно трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола:


Толуол	2,4,6-Тринитротолуол (тротил, тол)

В этом случае хорошо иллюстрируется взаимное влияние атомов в молекуле на реакционную способность вещества. С одной стороны, метильная группа СH₃ (за счет +I-эффекта) повышает электронную плотность в бензольном кольце в положениях 2, 4 и 6 и облегчает замещение именно в этих положениях.

Причиной именно такой ориентации при электрофильном замещении является взаимное влияние атомов в молекуле. В незамещенном бензоле С₆Н₆ электроны в кольце распределены равномерно, а в замещенных ароматических соединениях под влиянием заместителя происходит перераспределение электронов и образуются области повышенной и пониженной электронной плотности, что оказывает влияние направления реакций электрофильного замещения. Таким образом, атака нового заместителя определяется природой уже имеющегося заместителя.

Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т. е. оказывают ориентирующее действие.

По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода.

Орто-пара-ориентанты направляют замещение преимущественно в орто- и пара-положения.

К ним относятся электроннодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):

+M-эффект в этих группах сильнее, чем –I-эффект.

Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто- и пара-положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов.

Ориентанты 1-го рода повышают в бензольном кольце электронную плотность, это приводит к повышению его активности в реакциях электрофильного замещения (по сравнению с бензолом).

Галогены занимают особое место среди ориентантов 1-го рода, проявляющие электронно-акцепторные свойства: –F (+M бензол > нитробензол.

Но нужно учитывать, что под влиянием бензольного кольца группа СH₃ в толуоле становится активнее в реакциях окисления и радикального замещения по сравнению, например, с метаном СH₄.

Поэтому толуол (в отличие от метана) окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный раствор KMnO₄ при нагревании):

В реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматической структуры бензольного кольца, арены могут вступать с большим трудом.

Присоединение водорода к бензолу и его гомологам происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.

Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и т. п.). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений [5, 6].

Гомологи бензола, в отличие от самого бензола, окисляются легко. При обработке перманганатом калия будут окисляться только боковые цепи:

C₆H₅–CH₃ + 3[O]	→	C₆H₅–COOH	+ H₂O.
Толуол	Бензойная кислота

Наращивание боковой насыщенной цепи (этилбензол, пропилбензол и т. д.) также дает на выходе бензойную кислоту, так как разрыв связи происходит между двумя ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.

Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем алканы. Это объясняется влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.

Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено высоким содержанием углерода в их молекулах:

Бензол и его летучие гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

Уголь и нефть – основной источник ароматических углеводородов.

При коксовании каменного угля образуется каменноугольная смола, из которой выделяют бензол, толуол, ксилолы, нафталин и многие другие органические соединения.

а) дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) насыщенных УВ, состоящих, как минимум из 6 атомов углерода в основной цепи. Реакция проходит при нагревании в присутствии катализатора:

б) дегидрирование циклоалканов, состоящих из шести атомов:

Алкилирование бензола галогеналканами или алкенами в присутствии безводного хлорида алюминия:

Тримеризация алкинов над активированным углем (реакция Зелинского):

Бензол С₆Н₆ – основа для получения различных ароматических соединений – нитробензола, хлорбензола, анилина, фенола, стирола и т. д., применяемых в производстве лекарств, пластмасс, красителей, ядохимикатов и многих других органических веществ.

Толуол С₆Н₅–СН₃ используется для производства лекарственных и взрывчатых веществ (тротил, тол), а также красителей.

Ксилолы С₆Н₄(СН₃)₂ в виде смеси изомеров (орто-, мета- и пара-) применяется как растворитель.

Изопропилбензол (кумол) С₆Н₄–СН(СН₃)₂ – основа для получения фенола и ацетона.

Винилбензол (стирол) C₆H₅–CН=СН₂ используется для получения полистирола – важного для промышленности полимера.

Бензпире́н или бензапире́н – химическое соединение, относящееся к первому классу опасности. Источником его образования является сгорание углеводородного жидкого, твёрдого и (реже) газообразного топлива. Концентрируется преимущественно в почве, меньше – в воде. Из почвы мигрирует в ткани растений и продолжает своё движение дальше в пищевой цепочке.

Читайте также: