Kuidas eristada alkaane. Alkaanide struktuurne isomeeria. Mis on isomeerid

Alkaanid ehk alifaatsed küllastunud süsivesinikud on avatud (mittetsüklilise) ahelaga ühendid, mille molekulides on süsinikuaatomid omavahel seotud σ sidemega. Alkaanides olev süsinikuaatom on sp 3 hübridisatsiooni olekus.

Alkaanid moodustavad homoloogse rea, milles iga liige erineb konstantse struktuuriüksuse -CH 2 - võrra, mida nimetatakse homoloogiliseks erinevuseks. Lihtsaim esindaja on metaan CH4.

• Alkaanide üldvalem: C n H 2n+2

Isomerism Alates butaanist C 4 H 10 iseloomustab alkaane struktuurne isomeeria. Struktuursete isomeeride arv suureneb koos süsinikuaatomite arvuga alkaani molekulis. Seega on pentaani C5H12 puhul teada kolm isomeeri, oktaani jaoks C8H18-18, dekaani C10H22-75 puhul.

Alkaanide puhul esineb lisaks struktuursele isomeeriale konformatsiooniline isomeeria ja alates heptaanist enantiomeeria:

IUPAC nomenklatuur Alkaanide nimetustes kasutatakse eesliiteid n-, teine-, iso, tert-, neo:

• n- tähendab süsivesinikahela normaalset (korrodeerimata) struktuuri;
• teine- kehtib ainult ringlussevõetud butüüli kohta;
• tert- tähendab tertsiaarse struktuuriga alküülrühma;
• iso oksad keti lõpus;
• neo kasutatakse kvaternaarse süsinikuaatomiga alküüli jaoks.

Eesliited iso Ja neo on kokku kirjutatud ja n-, teine-, tert- sidekriipsuga

Hargnenud alkaanide nomenklatuur põhineb järgmistel põhireeglitel:

• Nime konstrueerimiseks valitakse välja pikk süsinikuaatomite ahel ja nummerdatakse see araabia numbritega (locants), alustades otsast, millele asendaja asub lähemal, näiteks:

• Kui sama alküülrühm esineb rohkem kui üks kord, asetatakse nimes selle ette korrutavad eesliited di-(enne täishäälikut di-), kolm-, tetra- jne ja tähistage iga alküüli eraldi numbriga, näiteks:

Tuleb märkida, et komplekssete jääkide (rühmade) korral on eesliidete korrutamine nagu bis-, tris-, tetrakis- muud.

• Kui peaahela külgharudesse paigutatakse erinevad alküülasendajad, siis järjestatakse need ümber tähestikulises järjekorras (korrutavate eesliidetega di-, tetra- jne, samuti eesliited n-, teine-, tert- ei võeta arvesse), näiteks:

• Kui pikima keti jaoks on võimalik kaks või enam varianti, siis valige see, millel on maksimaalne arv külgharusid.
• Komplekssete alküülrühmade nimetused on konstrueeritud samade põhimõtete järgi nagu alkaanide nimetused, kuid alküülahela numeratsioon on alati autonoomne ja algab süsinikuaatomiga, millel on vaba valents, näiteks:

• Kui seda kasutatakse sellise rühma nimes, pannakse see sulgudesse ja kogu rühma nime esimene täht võetakse arvesse tähestikulises järjekorras:

Tööstuslikud ekstraheerimismeetodid 1. Alkaanide gaasi eraldamine. Maagaas koosneb peamiselt metaanist ja väikestest etaani, propaani ja butaani lisanditest. Madalatel temperatuuridel rõhu all olev gaas jagatakse sobivateks fraktsioonideks.

2. Alkaanide ekstraheerimine õlist. Toornafta puhastatakse ja töödeldakse (destilleerimine, fraktsioneerimine, krakkimine). Segud või üksikud ühendid saadakse töödeldud toodetest.

3. Söe hüdrogeenimine (F. Bergiuse meetod, 1925). Kõva- või pruunsüsi autoklaavides 30 MPa juures katalüsaatorite (Fe, Mo, W, Ni oksiidid ja sulfiidid) juuresolekul süsivesinike keskkonnas hüdrogeenitakse ja muundatakse alkaanideks, nn mootorikütuseks:

nC+ (n+1)H2 = CnH2n+2

4. Alkaanide oksosüntees (F. Fischeri meetod – G. Tropsch, 1922). Fischer-Tropschi meetodil saadakse alkaanid sünteesgaasist. Sünteesgaas on erineva vahekorraga CO ja H 2 segu. Seda saadakse metaanist ühe reaktsiooniga, mis toimub temperatuuril 800–900 °C nikkeloksiidi NiO juuresolekul, mis on kantud Al2O3-le:

CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2

CH4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2

2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

Alkaanid saadakse reaktsioonil (temperatuur umbes 300 °C, Fe-Co katalüsaator):

nCO + (2n+1)H2 → CnH 2n+2 + nH2O

Saadud süsivesinike segu, mis koosneb peamiselt alkaanidest struktuuriga (n = 12-18), nimetatakse "süntiiniks".

5. Kuivdestilleerimine. Alkaane saadakse suhteliselt väikestes kogustes kivisöe, põlevkivi, puidu ja turba kuivdestilleerimisel või kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta. Saadud segu ligikaudne koostis on 60% vesinikku, 25% metaani ja 3-5% etüleeni.

Laboratoorsed ekstraheerimismeetodid 1. Valmistamine haloalküülidest

1.1. Reaktsioon metallilise naatriumiga (Wurz, 1855). Reaktsioon koosneb leelismetalli interaktsioonist haloalküülrühmaga ja seda kasutatakse kõrgemate sümmeetriliste alkaanide sünteesiks:

2CH3-I + 2Na ⇄ CH3-CH3 + 2NaI

Kui reaktsioonis osaleb kaks erinevat haloalküülrühma, moodustub alkaanide segu:

3CH3-I + 3CH3CH2-I + 6Na → CH3-CH3 + CH3CH2CH3 + CH3CH2CH2CH3 + 6NaI

1.2 Koostoime liitiumdialküülkuraadiga. Meetod (mida mõnikord nimetatakse E. Core - H. House reaktsiooniks) hõlmab reaktiivsete liitiumdialküülkupraatide R 2 CuLi interaktsiooni haloalküülidega. Esiteks, liitiummetall reageerib eetrikeskkonnas haloalkaaniga. Seejärel reageerib vastav alküülliitium vask(I)halogeniidiga, moodustades lahustuva liitiumdialküülkupraadi:

CH3Cl + 2Li → CH3Li + LiCl

2CH 3 Li + CuI → (CH 3 ) 2 CuLi + LiI

Kui selline liitiumdialküülkupraat reageerib vastava haloalküüliga, moodustub lõppühend:

(CH3)2CuLi + 2CH3(CH2)6CH2-I → 2CH3(CH2)6CH2-CH3 + LiI + CuI

Meetod võimaldab saavutada primaarsete haloalküülide kasutamisel alkaanide saagist peaaegu 100%. Nende sekundaarse või tertsiaarse struktuuriga on saagis 30-55%. Liitiumdialküülkupraadi alküülkomponendi olemus mõjutab alkaani saagist vähe.

1.3 Haloalküülide redutseerimine. Haloalküüle on võimalik redutseerida katalüütiliselt ergastatud molekulaarse vesiniku, aatomvesiniku, joodiga jne:

CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (Pd katalüsaator)

CH3CH2I + 2H → CH3CH3 + HI

CH 3 I + HI → CH 4 + I 2

Meetodil puudub preparatiivne väärtus, sageli kasutatakse tugevat redutseerijat - joodi.

2. Valmistamine karboksüülhapete sooladest.
2.1 Soolade elektrolüüs (Kolbe, 1849). Kolbe reaktsioon hõlmab karboksüülhappe soolade vesilahuste elektrolüüsi:

R-COONa ⇄ R-COO - + Na +

Anoodil oksüdeerub karboksüülhappe anioon, moodustades vaba radikaali ja on kergesti dekarboksüülitud või CO 2 toimel elimineeritud. Alküülradikaalid muudetakse rekombinatsiooni tõttu edasi alkaanideks:

R-COO - → R-COO . + e -

R-COO. →R. +CO2

R. +R. → R-R

Kolbe preparatiivset meetodit peetakse efektiivseks vastavate karboksüülhapete juuresolekul ja teiste sünteesimeetodite kasutamise võimatusel.

2.2 Karboksüülhapete soolade liitmine leelisega. Karboksüülhapete leelismetallisoolad moodustavad leelisega kombineerituna alkaane:

CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3

3. Hapnikku sisaldavate ühendite redutseerimine(alkoholid, ketoonid, karboksüülhapped) . Redutseerivad ained on ülalmainitud ühendid. Kõige sagedamini kasutatakse joodi, mis on võimeline redutseerima isegi ketoone: Alkaanide neli esimest esindajat metaanist butaaniks (C1-C4) on gaasid, pentaanist pentadekaanini (C5-C15 - vedelikud, heksadekaanist). (C 16) – tahked ained Nende molekulmasside suurenemine toob kaasa keemis- ja sulamistemperatuuri tõusu, kusjuures hargnenud ahelaga alkaanid keevad madalamal temperatuuril kui normaalstruktuuriga alkaanid. Seda seletatakse madalama van der Waalsi interaktsiooniga hargnenud süsivesinike molekulid vedelas olekus Paarisarvuga homoloogide sulamistemperatuur on vastavalt paaritute puhul kõrgem.

Alkaanid on veest palju kergemad, mittepolaarsed ja raskesti polariseeruvad, kuid lahustuvad enamikus mittepolaarsetes lahustites, tänu millele võivad nad ise olla paljude orgaaniliste ühendite lahustiks.

alkaan või parafiin(ajalooline nimetus, millel on ka teisi tähendusi) on atsükliline küllastunud süsivesinik. Teisisõnu, alkaan koosneb vesinikust ja süsinikuaatomitest, mis on paigutatud puutaoliseks struktuuriks, milles kõik süsinik-süsinik sidemed on üksikud.

Alkaanidel on üldine keemiline valem CnH2n+2. Alkaanide keerukus ulatub kõige lihtsamast metaani juhtumist, CH 4, kus n = 1 (mida mõnikord nimetatakse ka algseks molekuliks), suvaliselt suurtele molekulidele.

Metaani, lihtsaima alkaani keemiline struktuur

Peale selle standardse definitsiooni, mida nimetab Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit, kehtib mõnede autorite kasutuses termin alkaan mis tahes küllastunud süsivesinike kohta, kaasa arvatud need, mis on kas monotsüklilised (st tsükloalkaanid) või polütsüklilised.

Alkaanis on igal süsinikuaatomil 4 sidet (kas C-C või C-H) ja iga vesinikuaatom on seotud ühe süsinikuaatomiga (nagu C-H side). Pikimat seotud süsinikuaatomite seeriat molekulis tuntakse selle süsinikuskeleti või süsiniku karkassina. Süsinikuaatomite arvu võib pidada alkaani suuruseks.

Üks kõrgemate alkaanide rühm on vahad, tahked ained standardsel ümbritseval temperatuuril ja rõhul (STAP), mille süsinikuaatomite arv süsinikuahelas on umbes 17 korda suurem.

Korduvaga -CH2- alkaanid moodustavad orgaaniliste ühendite homoloogse seeria, milles rühmad erinevad molekulmassi poolest 14,03 μm kordselt (iga sellise metüleenühiku kogumass, mis sisaldab ühte süsinikuaatomit massiga 12,01 μm ja kahte vesinikuaatomit iga mass ~ 1,01 μm).

Alkaanid ei ole väga reaktiivsed ja neil on väike bioloogiline aktiivsus. Neid võib pidada molekulaarpuudeks, millele saab suspendeerida bioloogiliste molekulide aktiivsemad/reaktiivsemad funktsionaalrühmad.

Alkaanidel on kaks peamist allikat: nafta (toornafta) ja maagaas.

Alküülrühm, mida tavaliselt lühendatakse kui R, on funktsionaalne rühm, mis, nagu alkaan, koosneb ainult seotud atsüklilistest süsiniku- ja vesinikuaatomitest, nagu metüül- või etüülrühm.

Klassifikatsiooni struktuur

Küllastunud süsivesinikud on süsivesinikud, mille süsinikuaatomite vahel on ainult üksikud kovalentsed sidemed. Nad võivad esindada:

• Lineaarne (üldvalem C n H 2n + 2), milles süsinikuaatomid on ühendatud madu sarnase struktuuriga.
• Hargnenud (üldvalem C n H2 n + 2, n> 2), kus süsiniku karkass on ühes või mitmes suunas lõhenenud.
• Tsükliline (üldvalem C n H 2n, n> 3), kus süsinikahel on ühendatud ahela moodustamiseks.

Isobutaan 2-metüülpropaani jaoks
Isopentaan 2-metüülbutaani jaoks
Neopetaan 2,2-dimetüülpropaani jaoks.

Alkaanide keemilised omadused

- saate seda uurida terviklikus ja arusaadavas esitluses.

Alkaanide füüsikalised omadused

Kõik alkaanid on värvitud ja lõhnatud.

Alkaanide tabel.

Alkaan	Valem	Keemistemperatuur [°C]	Sulamistemperatuur [°C]	Tihedus [g cm-3] (temperatuuril 20 °C)
metaan	CH 4	−162	−182	Gaas
Etaan	C2H6	-89	−183	Gaas
Propaan	C3H8	−42	−188	Gaas
butaan	C4H10	0	−138	0.626
Pentaan	C5H12	36	−130	0.659
Heksaan	C6H14	69	−95	0.684
Heptaan	C7H16	98	−91	0.684
oktaanarv	C8H18	126	−57	0.718
Nonan	C9H20	151	−54	0.730
Dean	C10H22	174	−30	0.740
Undekan	C11H24	196	-26	0.749
Dodekaan	C12H26	216	−10	0.769
Pentadekaan	C15H32	270	10-17	0.773
Heksadekaan	C16H34	287	18	Tahke
Eikosan	C20H42	343	37	Tahke
Tricontan	C30H62	450	66	Tahke
Tetrocontan	C 40 H 82	525	82	Tahke
Pentocontan	C 50 H 102	575	91	Tahke
Heksokontaan	C 60 H 122	625	100	Tahke

Keemispunkt

Alkaanid kogevad molekulidevahelisi van der Waalsi jõude. Tugevamad molekulidevahelised van der Waalsi jõud põhjustavad alkaanide kõrgemaid keemispunkte.

Van Der Waalsi jõudude tugevust määravad kaks tegurit:

• Molekuli ümbritsevate elektronide arv, mis suureneb alkaani molekulmassiga
• Molekuli pindala

Standardtingimustes alates CH 4 kuni C 4 H 10 on alkaanid gaasilised; C5H12 kuni C17H36 on need vedelikud; Ja pärast C18H38 on need tahked. Kuna alkaanide keemistemperatuurid määratakse peamiselt massi järgi, ei tohiks olla üllatav, et keemistemperatuuril on peaaegu lineaarne seos molekuli suuruse (molekulmassiga). Tavaliselt tõuseb keemistemperatuur 20–30 °C iga ahelasse lisatud süsiniku kohta. See reegel kehtib ka teiste homoloogsete seeriate kohta.

Füüsikalises keemias on hollandi teadlase Johannes Diederik van der Waalsi järgi nime saanud van der Waalsi jõud (või van der Waalsi vastasmõjud) molekulide või aatomirühmade vahelised tõmbe- või tõukejõud jääkjõud, mis ei teki kovalentsetest sidemetest. Võib näidata, et van der Waalsi jõudude päritolu on sama, mis Casimiri efektil, tulenevalt kvantinteraktsioonidest nullpunktiväljaga. Sellest tulenevad van der Waalsi jõud võivad olla atraktiivsed või tõrjuvad.

Sirge ahelaga alkaani keemistemperatuur on kõrgem kui hargnenud ahelaga alkaanil, kuna kontaktpind on suurem, seega on külgnevate molekulide vahel suuremad van der Waalsi jõud. Näiteks võrrelge isobutaani (2-metüülpropaan) ja n-butaani (butaan), mis keevad temperatuuril -12 ja 0 °C, ning 2,2-dimetüülbutaani ja 2,3-dimetüülbutaani, mis keevad temperatuuril 50 ja 58 °C, vastavalt . Viimasel juhul suudavad kaks 2,3-dimetüülbutaani molekuli paremini "klõpsata" kui ristikujuline 2,2-dimetüülbutaan, sellest tulenevad suured van der Waalsi jõud.

Teisest küljest kipuvad tsükloalkaanidel olema kõrgemad keemistemperatuurid kui nende lineaarsetel kolleegidel, kuna need on molekulide lukustatud konformatsioonid, mis tagavad molekulidevahelise kontakti tasapinna.

Sulamispunktid

Alkaanide sulamistemperatuurid sarnanevad nende keemistemperatuuridega samal põhjusel, nagu eespool. See tähendab, et (kui muud asjad on võrdsed), mida suurem on molekul, seda kõrgem on sulamistemperatuur. Keemis- ja sulamispunktide vahel on üks oluline erinevus. Tahketel ainetel on jäigem ja kindlam struktuur kui vedelikel. See jäik struktuur nõuab lagunemiseks energiat. Seega kulub tahkete struktuuride paremaks sidumiseks purunemiseks rohkem energiat. Alkaanide puhul on seda näha ülaltoodud graafikul (st roheline joon). Paarituarvuliste alkaanidel on väiksem kalduvus sulada kui paarisarvulistel alkaanidel. Seda seletatakse asjaoluga, et paaritud alkaanid pakivad tahkes faasis hästi, moodustades hästi organiseeritud struktuuri, mille purunemiseks on vaja rohkem energiat. Paaritu numbriga alkaanid pakendavad halvemini ja seetõttu vajab korrastatud kompaktne struktuur lõdvema struktuuriga purunemiseks vähem energiat.

Hargnenud ahelaga alkaanide sulamistemperatuurid võivad olla kõrgemad või madalamad kui vastavatel sirge ahelaga alkaanidel, olenevalt jällegi kõnealuse alkaani võimest tahkes faasis hästi kuhjuda: see kehtib eriti isoalkaanide (2-metüül) kohta. isomeerid), mille sulamistemperatuur on sageli kõrgem kui nende lineaarsetel analoogidel.

Juhtivus ja lahustuvus

Alkaanid ei juhi elektrit ega polariseeri neid elektrivälja toimel. Sel põhjusel ei moodusta nad vesiniksidemeid ja ei lahustu polaarsetes lahustites, näiteks vees. Kuna üksikute veemolekulide vahelised vesiniksidemed on alkaanimolekulist eemale joondatud, põhjustab alkaani ja vee kooseksisteerimine molekulide järjestuse suurenemist (entroopia vähenemist). Kuna veemolekulide ja alkaanimolekulide vahel puudub oluline sidusus, viitab termodünaamika teine ​​seadus, et seda entroopia vähenemist tuleks minimeerida, minimeerides alkaani ja vee kontakti: alkaanid on väidetavalt hüdrofoobsed selles mõttes, et nad tõrjuvad vett.

Nende lahustuvus mittepolaarsetes lahustites on suhteliselt hea, seda omadust nimetatakse lipofiilsuseks. Erinevaid alkaane näiteks segatakse omavahel igas vahekorras.

Alkaanide tihedus suureneb üldiselt koos süsinikuaatomite arvuga, kuid jääb väiksemaks kui vee tihedus. Seetõttu moodustavad alkaanid pealmise kihi alkaani-vee seguna.

Molekulaargeomeetria

Alkaanide molekulaarstruktuur mõjutab otseselt nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi. See tuleneb süsiniku elektronkonfiguratsioonist, millel on neli valentselektroni. Alkaanides olevad süsinikuaatomid on alati sp 3 hübridiseerunud, see tähendab, et valentselektronid on väidetavalt neljal ekvivalentsel orbitaalil, mis on tuletatud 2 s orbitaali ja kolme 2p orbitaali kombinatsioonist. Need sama energiaga orbitaalid on ruumiliselt paigutatud tetraeedri kujul, nendevaheline nurk cos -1 (- 1/3) ≈ 109,47 °.

Sideme pikkused ja sidemete nurgad

Alkaani molekulis on ainult C-H ja C-C üksiksidemed. Esimesed on süsiniku sp 3 orbitaali ja vesiniku orbitaali 1s kattumise tagajärg; Viimane on tingitud kahe sp 3 orbitaali kattumisest erinevatel süsinikuaatomitel. Sideme pikkused on C-H sideme puhul 1,09 × 10 -10 m ja C-C sideme puhul 1,54 × 10 -10 μm.

Sidemete ruumiline paigutus on sarnane nelja sp3 orbitaali omaga - need on paigutatud tetraeedriliselt ja nendevaheline nurk on 109,47°. Struktuurivalemid, mis esitavad sidemeid üksteise suhtes täisnurga all, kuigi üldised ja kasulikud, ei vasta tõele.

Konformatsioon

Struktuurivalem ja sideme nurgad on tavaliselt ebapiisavad molekuli geomeetria täielikuks kirjeldamiseks. Iga süsinik-süsinik sideme jaoks on veel üks vabadusaste: väändenurk sideme mõlemas otsas aatomitega seotud aatomite või rühmade vahel. Molekuli pöördenurkade abil kirjeldatud ruumilist paigutust nimetatakse selle kujuks.

Etaan on alkaanide konformatsiooni uurimiseks kõige lihtsam juhtum, kuna seal on ainult üks C-C side. Kui vaatate C-C sideme telge alla, näete seda, mida nimetatakse Newmani projektsiooniks. Nii esi- kui ka tagumise süsinikuaatomi vesinikuaatomite vaheline nurk on 120°, mis on tingitud tetraeedri aluse projektsioonist tasasele tasapinnale. Väändenurka eesmise süsiniku külge kinnitatud antud vesinikuaatomi ja tagumise süsiniku külge kinnitatud vesinikuaatomi vahel võib aga vabalt muuta vahemikus 0° kuni 360°. See on vaba pöörlemise tagajärg lihtsa süsinik-süsinik sideme ümber. Vaatamata sellele näilisele vabadusele on olulised ainult kaks äärmuslikku konformatsiooni: varjutav konformatsioon ja astmeline konformatsioon.

Kahe etaanrotameeri kuul- ja kaksikkruvi mudelid

Need kaks konformatsiooni, tuntud ka kui rotameerid, erinevad energia poolest: astmeline konformatsioon on energialt 12,6 kJ/mol madalam (stabiilsem) kui varjutatud konformatsioon (kõige vähem stabiilne).

See energiaerinevus kahe konformatsiooni vahel, mida nimetatakse väändeenergiaks, on väike võrreldes etaanimolekuli soojusenergiaga ümbritseva keskkonna temperatuuril. Pidev pöörlemine ümber C-C sideme. Aeg, mis kulub etaanimolekuli üleminekuks ühest astmelisest konformatsioonist teise, mis võrdub ühe CH3 rühma pöörlemisega 120 ° teise suhtes, on suurusjärgus 10–11 s.

Kahe etaani konformatsiooni projektsioonid: vasakul pool varjutatud, paremal malelaud.

Kõrgemad alkaanid on keerulisemad, kuid põhinevad sarnastel põhimõtetel, kusjuures iga süsinik-süsinik sideme ümber eelistatakse alati antiperiplanaarset konformatsiooni. Sel põhjusel on alkaanid diagrammidel ja mudelitel tavaliselt näidatud siksakilise mustriga. Tegelik struktuur erineb alati mõnevõrra nendest idealiseeritud vormidest, kuna konformatsioonide vahelised energiaerinevused on molekulide soojusenergiaga võrreldes väikesed, kuna alkaani molekulidel ei ole kindlat struktuurivormi, hoolimata sellest, mida mudel võib näidata.

Spektroskoopilised omadused

Peaaegu kõik orgaanilised ühendid sisaldavad süsinik-süsinik ja süsinik-vesinik sidemeid ning seetõttu on nende spektris mõned alkaanide tunnused. Alkaanid eristuvad teiste rühmade puudumisega ja seetõttu erinevate funktsionaalrühmade, nagu -OH, -CHO, -COOH jne, muude iseloomulike spektroskoopiliste tunnuste puudumisega.

Infrapunaspektroskoopia

Süsinik-vesinik venitusrežiim annab tugeva neeldumise vahemikus 2850 kuni 2960 cm -1, süsinik-süsinik venitusrežiim aga 800 kuni 1300 cm -1. Süsinik-vesiniku painutamise meetodid sõltuvad rühma olemusest: metüülrühmadel on ribad 1450 cm -1 ja 1375 cm -1 juures, metüleenrühmadel aga 1465 cm -1 ja 1450 cm -1. Rohkem kui nelja süsinikuaatomiga süsinikuahelad näitavad nõrka neeldumist umbes 725 cm -1 juures.

NMR spektroskoopia

Alkaanide prootonresonants on tavaliselt leitud δH = 0,5-1,5 juures. Süsiniku 13 resonantsid sõltuvad süsinikuga seotud vesinikuaatomite arvust: δ C = 8-30 (primaarne, metüül, -CH3), 15-55 (sekundaarne, metüleen, -CH2 -), 20-60 (tertsiaarne , Metin , C-H) ja kvaternaarne. Kvaternaarsete süsinikuaatomite süsinik-13 resonantsi iseloomustab nõrkus, mis on tingitud tuuma Overhauseri efekti puudumisest ja pikkadest lõõgastusaegadest ning nõrkade proovide või proovide puhul, mida pole piisavalt kaua töödeldud, võib see puududa.

Massispektromeetria

Alkaanidel on kõrge ionisatsioonienergia, samas kui molekulaarsetel ioonidel on tavaliselt nõrk ionisatsioonienergia. Fragmenteerumise killustumist võib olla raske tõlgendada, kuid hargnenud alkaanide puhul lõhustatakse süsinikuahel eelistatavalt tertsiaarsete või kvaternaarsete süsiniku juurest tulenevalt tekkivate vabade radikaalide suhtelisest stabiilsusest. Ühe metüülrühma (M-15) kadumisest tulenev fragment puudub sageli ja teine ​​fragment on sageli eraldatud neljateistkümne massiühiku pikkuse intervalliga, mis vastab CH2 rühmade järjestikusele kadumisele.

Alkaanide valmistamise meetodid

Samuti saate sellest artiklist õppida ja uurida alkaanide saamise meetodeid.

Alkaanide struktuur

Alkaanid on süsivesinikud, mille molekulides on aatomid ühendatud üksiksidemetega ja mis vastavad üldvalemile C n H 2n+2. Alkaani molekulides on kõik süsinikuaatomid olekus sp 3 -hübridisatsioon.

See tähendab, et süsinikuaatomi kõik neli hübriidorbitaali on kuju, energia poolest identsed ja suunatud võrdkülgse kolmnurkse püramiidi nurkade poole. tetraeeder. Orbitaalide vahelised nurgad on 109° 28′. Peaaegu vaba pöörlemine on võimalik ühe süsinik-süsinik sideme ümber ja alkaanimolekulid võivad võtta väga erinevaid kujundeid, mille süsinikuaatomite nurgad on tetraeedrile lähedased (109° 28′), näiteks n-pentaani molekulis.

Eriti tasub meenutada sidemeid alkaanide molekulides. Kõik sidemed küllastunud süsivesinike molekulides on üksikud. Kattuvus toimub piki aatomite tuumasid ühendavat telge, st seda σ võlakirjad. Süsinik-süsinik sidemed on mittepolaarsed ja halvasti polariseeruvad. C-C sideme pikkus alkaanides on 0,154 nm (1,54 10 10 m). CH-sidemed on mõnevõrra lühemad. Elektrontihedus on veidi nihutatud elektronegatiivsema süsinikuaatomi suunas, st CH-side on nõrgalt polaarne.

Metaani homoloogne seeria

Homoloogid- ained, mis on struktuurilt ja omadustelt sarnased ning erinevad üks või mitu CH rühma 2 .

Küllastunud süsivesinikud moodustavad metaani homoloogse seeria.

Alkaanide isomeeria ja nomenklatuur

Alkaanidele on iseloomulikud nn struktuurne isomeeria. Struktuuriisomeerid erinevad üksteisest süsiniku skeleti struktuuri poolest. Lihtsaim alkaan, mida iseloomustavad struktuursed isomeerid, on butaan.

Vaatleme üksikasjalikumalt alkaanide põhinomenklatuuri IUPAC.

1. Põhiahela valik. Süsivesiniku nime kujunemine algab põhiahela määratlusega - pikima süsinikuaatomite ahelaga molekulis, mis on justkui selle aluseks.

2. Peaahela aatomite nummerdamine. Peaahela aatomitele on määratud numbrid. Peaahela aatomite nummerdamine algab otsast, millele asendaja on kõige lähemal (struktuurid A, B). Kui asendajad asuvad ahela lõpust võrdsel kaugusel, siis nummerdamine algab otsast, kus neid on rohkem (struktuur B). Kui erinevad asendajad asuvad ahela otstest võrdsel kaugusel, siis nummerdamine algab otsast, millele vanem on kõige lähemal (struktuur D). Süsivesinikasendajate vanemus määratakse selle järgi, millises järjekorras nende nimi algab tähestikus: metüül (-CH 3), seejärel propüül (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etüül (-CH 2 -CH3) jne.

Pange tähele, et asendaja nimi moodustatakse, kui vastava alkaani nimes asendatakse järelliide -ane sufiksiga -üül.

3. Nime kujunemine. Nime alguses on näidatud numbrid - süsinikuaatomite numbrid, millel asendajad asuvad. Kui antud aatomi juures on mitu asendajat, siis kordub nimes vastav number kaks korda, eraldades need komaga (2,2-). Numbri järel tähistab sidekriips asendajate arvu (di - kaks, kolm - kolm, tetra - neli, penta - viis) ja asendaja nime (metüül, etüül, propüül). Seejärel ilma tühikute ja sidekriipsudeta peaahela nimi. Peaahelat nimetatakse süsivesinikuks – metaani (metaan, etaan, propaan jne) homoloogse seeria liige.

Ainete nimetused, mille struktuurivalemid on ülaltoodud, on järgmised:

Struktuur A: 2-metüülpropaan;

Struktuur B: 3-etüülheksaan;

Struktuur B: 2,2,4-trimetüülpentaan;

Struktuur D: 2-metüül-4-etüülheksaan.

Küllastunud süsivesinike puudumine molekulides polaarsed sidemed viib nendeni vees halvasti lahustuv, ei interakteeru laetud osakestega (ioonidega). Kõige iseloomulikumad alkaanide reaktsioonid on need, mis hõlmavad vabad radikaalid.

Alkaanide füüsikalised omadused

Metaani homoloogse seeria neli esimest esindajat on gaasid. Lihtsaim neist on metaan - värvitu, maitsetu ja lõhnatu gaas ("gaasi lõhn", kui tunnete seda, peate helistama numbril 04, määrab merkaptaanide lõhn - väävlit sisaldavad ühendid, mis on spetsiaalselt lisatud kasutatavale metaanile majapidamis- ja tööstuslikes gaasiseadmetes, et nende kõrval asuvad inimesed saaksid lekke lõhna järgi tuvastada).

Süsivesinikud koostisega alates KOOS 5 N 12 enne KOOS 15 N 32 - vedelikud; raskemad süsivesinikud on tahked ained. Alkaanide keemis- ja sulamistemperatuur tõuseb järk-järgult süsinikuahela pikkuse suurenemisega. Kõik süsivesinikud lahustuvad vees halvasti. Vedelad süsivesinikud on tavalised orgaanilised lahustid.

Alkaanide keemilised omadused

Asendusreaktsioonid.

Kõige iseloomulikumad reaktsioonid alkaanidele on vabade radikaalide asendamine, mille käigus vesinikuaatom asendub halogeeniaatomi või mõne rühmaga.

Toome välja iseloomulikud võrrandid halogeenimisreaktsioonid:

Halogeeni liia korral võib kloorimine minna kaugemale, kuni kõigi vesinikuaatomite täielik asendamine klooriga:

Saadud aineid kasutatakse laialdaselt orgaaniliste sünteeside lahustite ja lähteainetena.

Dehüdrogeenimisreaktsioon(vesiniku võtmine).

Kui alkaanid juhitakse üle katalüsaatori (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) kõrgel temperatuuril (400–600 °C), elimineeritakse vesiniku molekul ja alkeen:

Reaktsioonid, millega kaasneb süsinikuahela hävimine. Kõik küllastunud süsivesinikud põlevad süsihappegaasi ja vee moodustumisega. Teatud vahekorras õhuga segatud gaasilised süsivesinikud võivad plahvatada.

1. Küllastunud süsivesinike põletamine on vabade radikaalide eksotermiline reaktsioon, mis on alkaanide kütusena kasutamisel väga oluline:

Üldiselt võib alkaanide põlemisreaktsiooni kirjutada järgmiselt:

2. Süsivesinike termiline lõhustamine.

Protsess kulgeb vastavalt vabade radikaalide mehhanism. Temperatuuri tõus toob kaasa süsinik-süsinik sideme homolüütilise lõhustumise ja vabade radikaalide moodustumise.

Need radikaalid interakteeruvad üksteisega, vahetades vesinikuaatomit, moodustades molekuli alkaan ja alkeeni molekul:

Tööstusprotsessi aluseks on termilise lagunemise reaktsioonid - süsivesinike krakkimine. See protsess on nafta rafineerimise kõige olulisem etapp.

3. Pürolüüs. Kui metaani kuumutatakse temperatuurini 1000 °C, metaani pürolüüs- lagunemine lihtsateks aineteks:

Kuumutamisel temperatuurini 1500 °C tekib atsetüleen:

4. Isomerisatsioon. Kui lineaarseid süsivesinikke kuumutatakse isomerisatsioonikatalüsaatoriga (alumiiniumkloriid), siis ained, millel on hargnenud süsinikskelett:

5. Aromatiseerimine. Alkaanid, mille ahelas on kuus või enam süsinikuaatomit, tsüklistuvad katalüsaatori juuresolekul, moodustades benseeni ja selle derivaate:

Alkaanid osalevad reaktsioonides, mis kulgevad vastavalt vabade radikaalide mehhanismile, kuna alkaanimolekulides on kõik süsinikuaatomid sp 3 hübridisatsiooni olekus. Nende ainete molekulid on ehitatud kovalentsete mittepolaarsete C-C (süsinik-süsinik) sidemete ja nõrgalt polaarsete C-H (süsinik-vesinik) sidemete abil. Need ei sisalda suurenenud või vähenenud elektrontihedusega piirkondi ega kergesti polariseeritavaid sidemeid, st selliseid, milles elektrontihedus võib välistegurite (ioonide elektrostaatilise välja) mõjul nihkuda. Järelikult alkaanid ei reageeri laetud osakestega, kuna alkaanimolekulides olevad sidemed ei katke heterolüütilise mehhanismi toimel.

Kasulik oleks alustada alkaanide mõiste määratlusega. Need on küllastunud või küllastunud. Võime ka öelda, et need on süsinikud, milles C-aatomite ühendus toimub lihtsate sidemete kaudu. Üldvalem on: CnH₂n+ 2.

On teada, et H- ja C-aatomite arvu suhe nende molekulides on teiste klassidega võrreldes maksimaalne. Kuna kõik valentsid on hõivatud kas C- või H-ga, ei ole alkaanide keemilised omadused selgelt väljendatud, mistõttu nende teine ​​​​nimetus on fraas küllastunud või küllastunud süsivesinikud.

On ka vanem nimi, mis peegeldab kõige paremini nende suhtelist keemilist inertsust - parafiinid, mis tähendab "puudub afiinsus".

Niisiis, meie tänase vestluse teema on: "Alkaanid: homoloogiline seeria, nomenklatuur, struktuur, isomeeria." Samuti esitatakse andmed nende füüsikaliste omaduste kohta.

Alkaanid: struktuur, nomenklatuur

Nendes on C-aatomid olekus, mida nimetatakse sp3 hübridisatsiooniks. Sellega seoses saab alkaani molekuli demonstreerida tetraeedriliste C-struktuuride komplektina, mis on ühendatud mitte ainult üksteisega, vaid ka H-ga.

C- ja H-aatomite vahel on tugevad, väga madala polaarsusega s-sidemed. Aatomid pöörlevad alati ümber lihtsate sidemete, mistõttu alkaanimolekulid võtavad erineva kuju ning sideme pikkus ja nendevaheline nurk on konstantsed väärtused. Kujundeid, mis muutuvad üksteiseks molekuli pöörlemise tõttu ümber σ sidemete, nimetatakse tavaliselt konformatsioonideks.

H-aatomi eraldamise protsessis kõnealusest molekulist moodustuvad 1-valentsed liigid, mida nimetatakse süsivesinikradikaalideks. Need ilmnevad mitte ainult, vaid ka anorgaaniliste ühendite tulemusena. Kui lahutate küllastunud süsivesiniku molekulist 2 vesinikuaatomit, saate 2-valentsed radikaalid.

Seega võib alkaanide nomenklatuur olla:

• radiaalne (vana versioon);
• asendamine (rahvusvaheline, süstemaatiline). Selle pakkus välja IUPAC.

Radiaalse nomenklatuuri tunnused

Esimesel juhul iseloomustatakse alkaanide nomenklatuuri järgmiselt:

1. Süsivesinike käsitlemine metaani derivaatidena, milles 1 või mitu H-aatomit on asendatud radikaalidega.
2. Suur mugavus mitte väga keeruliste ühenduste korral.

Asendusnomenklatuuri tunnused

Alkaanide asendusnomenklatuuril on järgmised omadused:

1. Nimetuse aluseks on 1 süsinikuahel, ülejäänud molekulaarseid fragmente peetakse asendajateks.
2. Kui on mitu identset radikaali, märgitakse number nende nime ette (rangelt sõnadega) ja radikaalarvud eraldatakse komadega.

Keemia: alkaanide nomenklatuur

Mugavuse huvides on teave esitatud tabeli kujul.

Aine nimetus	Nime alus (juur)	Molekulaarvalem	Süsiniku asendaja nimi	Süsiniku asendaja valem

Ülaltoodud alkaanide nomenklatuur sisaldab ajalooliselt välja kujunenud nimetusi (küllastunud süsivesinike seeria esimesed 4 liiget).

5 või enama C-aatomiga paisumata alkaanide nimed on tuletatud kreeka numbritest, mis kajastavad antud arvu C-aatomiid Seega näitab järelliide -an, et aine pärineb küllastunud ühendite seeriast.

Voldimata alkaanide nimetuste koostamisel valitakse põhiahelaks see, mis sisaldab maksimaalselt C-aatomeid. See nummerdatakse nii, et asendajate arv oleks kõige väiksem. Kahe või enama sama pikkusega ahela korral muutub peamiseks see, mis sisaldab kõige rohkem asendajaid.

Alkaanide isomeeria

Nende seeria lähtesüsivesinik on metaan CH4. Iga järgneva metaani seeria esindaja puhul täheldatakse metüleenrühmas - CH₂ erinevust eelmisest. Seda mustrit saab jälgida kogu alkaanide seerias.

Saksa teadlane Schiel tegi ettepaneku nimetada see seeria homoloogiliseks. Kreeka keelest tõlgituna tähendab see "sarnane, sarnane".

Seega on homoloogne seeria seotud orgaaniliste ühendite kogum, millel on sama struktuur ja sarnased keemilised omadused. Homoloogid on antud sarja liikmed. Homoloogiline erinevus on metüleenrühm, milles 2 naaberhomoloogi erinevad.

Nagu varem mainitud, saab iga küllastunud süsivesiniku koostist väljendada üldvalemiga CnH₂n + 2. Seega on homoloogse seeria järgmine liige pärast metaani etaan - C2H₆. Selle struktuuri muundamiseks metaanist on vaja 1 H aatom asendada CH₃-ga (joonis allpool).

Iga järgneva homoloogi struktuuri saab samamoodi tuletada eelmisest. Selle tulemusena moodustub etaanist - C3H8 propaan.

Mis on isomeerid?

Need on ained, millel on identne kvalitatiivne ja kvantitatiivne molekulaarne koostis (identne molekulvalem), kuid erinev keemiline struktuur ja ka erinevad keemilised omadused.

Eespool käsitletud süsivesinikud erinevad sellise parameetri poolest nagu keemistemperatuur: -0,5° - butaan, -10° - isobutaan. Seda tüüpi isomeeriat nimetatakse süsiniku skeleti isomeeriks, see kuulub struktuuritüüpi.

Struktuursete isomeeride arv suureneb kiiresti, kui süsinikuaatomite arv suureneb. Seega vastab C10H22 75 isomeerile (välja arvatud ruumilised) ja C15H32 puhul on juba teada 4347 isomeeri, C20H42 puhul - 366 319.

Niisiis, on juba selgeks saanud, mis on alkaanid, homoloogsed seeriad, isomeeria, nomenklatuur. Nüüd tasub liikuda edasi IUPAC-i järgi nimede koostamise reeglite juurde.

IUPAC nomenklatuur: nimede moodustamise reeglid

Esiteks tuleb süsivesinike struktuurist leida pikim ja maksimaalselt asendajaid sisaldav süsinikuahel. Seejärel peate nummerdama ahela C-aatomid, alustades lõpust, millele asendaja on kõige lähemal.

Teiseks on alus hargnemata küllastunud süsivesiniku nimetus, mis C-aatomite arvu poolest vastab põhiahelale.

Kolmandaks, enne alust on vaja märkida asukohtade numbrid, mille lähedal asendajad asuvad. Asendajate nimed kirjutatakse nende järele sidekriipsuga.

Neljandaks, kui erinevatel C-aatomitel on identsed asendajad, ühendatakse lokandid ja nime ette ilmub korrutav eesliide: di - kahe identse asendaja jaoks, kolm - kolme jaoks, tetra - neli, penta - viie jaoks. jne. Numbrid tuleb eraldada üksteisest komaga ja sõnadest sidekriipsuga.

Kui sama C-aatom sisaldab korraga kahte asendajat, kirjutatakse ka lokant kaks korda.

Nende reeglite järgi moodustatakse alkaanide rahvusvaheline nomenklatuur.

Newmani prognoosid

See Ameerika teadlane pakkus välja spetsiaalsed projektsioonivalemid konformatsioonide graafiliseks demonstreerimiseks – Newmani projektsioonid. Need vastavad vormidele A ja B ning on esitatud alloleval joonisel.

Esimesel juhul on see A-suletud konformatsioon ja teisel juhul B-inhibeeritud konformatsioon. Asendis A asuvad H-aatomid üksteisest minimaalsel kaugusel. See vorm vastab kõrgeimale energiaväärtusele, kuna nendevaheline tõrjumine on suurim. Tegemist on energeetiliselt ebasoodsa olekuga, mille tulemusena kipub molekul sealt lahkuma ja liikuma stabiilsemasse asendisse B. Siin on H-aatomid üksteisest võimalikult kaugel. Seega on nende positsioonide energiavahe 12 kJ/mol, mille tõttu on vaba pöörlemine ümber telje metüülrühmi ühendavas etaanmolekulis ebaühtlane. Pärast energeetiliselt soodsasse asendisse sisenemist jääb molekul seal püsima ehk teisisõnu “aeglustub”. Sellepärast nimetatakse seda pärsitud. Tulemuseks on see, et 10 tuhat etaanimolekuli on toatemperatuuril inhibeeritud konformatsioonis. Ainult ühel on erinev kuju – varjatud.

Küllastunud süsivesinike saamine

Artiklist on juba teada saanud, et tegemist on alkaanidega (nende struktuuri ja nomenklatuuri kirjeldati üksikasjalikult varem). Kasulik oleks kaaluda nende hankimise viise. Need vabanevad looduslikest allikatest, nagu nafta, looduslik ja kivisüsi. Kasutatakse ka sünteetilisi meetodeid. Näiteks H₂ 2H₂:

1. Hüdrogeenimisprotsess CnH₂n (alkeenid) → CnH₂n+2 (alkaanid)← CnH₂n-2 (alküünid).
2. C- ja H-monooksiidi segust - sünteesgaas: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH2O.
3. Karboksüülhapetest (nende sooladest): elektrolüüs anoodil, katoodil:

• Kolbe elektrolüüs: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
• Dumas-reaktsioon (sulam leelisega): CH3COONa+NaOH (t)→CH₄+Na2CO3.

1. Õli krakkimine: CnH₂n+2 (450-700°) → CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
2. Kütuse (tahke) gaasistamine: C+2H₂→CH4.
3. Vähema C-aatomiga komplekssete alkaanide (halogeenderivaatide) süntees: 2CH3Cl (klorometaan) +2Na →CH3-CH3 (etaan) +2NaCl.
4. Metaniidide (metallikarbiidide) lagunemine vee toimel: Al₄C3+12H₂O→4Al(OH3)↓+3CH₄.

Küllastunud süsivesinike füüsikalised omadused

Mugavuse huvides on andmed rühmitatud tabelisse.

Valem	Alkaan	Sulamistemperatuur °C	Keemistemperatuur °C	Tihedus, g/ml
				0,415 temperatuuril t = -165 °С
				0,561 temperatuuril t = -100 °C
				0,583 temperatuuril t = -45 °C
				0,579 temperatuuril t = 0 °C
	2-metüülpropaan			0,557 temperatuuril t = -25 °C
	2,2-dimetüülpropaan
	2-metüülbutaan
	2-metüülpentaan
	2,2,3,3-tetrametüülbutaan
	2,2,4-trimetüülpentaan
n-C10H22
n-C11H24	n-Undekaan
n-C12H26	n-dodekaan
n-C13H28	n-tridekaan
n-C14H30	n-tetradekaan
n-C15H32	n-pentadekaan
n-C16H34	n-heksadekaan
n-C20H42	n-eikosaan
n-C3₀H₆2	n-triakontaan		1 mmHg St
n-C40H82	n-tetrakontaan		3 mmHg Art.
n-C50H102	n-pentakontan		15 mmHg Art.
n-C60H122	n-heksakontaan
n-C70H142	n-heptakontaan
n-C100H202

Järeldus

Artiklis vaadeldi sellist mõistet nagu alkaanid (struktuur, nomenklatuur, isomeeria, homoloogsed seeriad jne). Veidi räägitakse radiaalsete ja asendusnomenklatuuride omadustest. Kirjeldatakse alkaanide saamise meetodeid.

Lisaks loetletakse artiklis üksikasjalikult kogu alkaanide nomenklatuur (test võib aidata teil saadud teavet omastada).

Alkaanide füüsikalised omadused

Tavalistes tingimustes on alkaanide (C1-C4) homoloogse seeria neli esimest liiget gaasid. Tavalised alkaanid pentaanist heptadekaanini (C5-C17) on vedelikud, alates C 18-st ja üle selle on tahked ained. Kui süsinikuaatomite arv ahelas suureneb, s.t. Suhtelise molekulmassi suurenemisega alkaanide keemis- ja sulamistemperatuur tõuseb.

Kui molekulis on sama arv süsinikuaatomeid, on hargnenud alkaanidel madalam keemistemperatuur kui tavalistel alkaanidel.

Alkaanid on vees praktiliselt lahustumatud, sest nende molekulid on madala polaarsusega ega interakteeru veemolekulidega. Vedelalkaanid segunevad üksteisega kergesti. Need lahustuvad hästi mittepolaarsetes orgaanilistes lahustites, nagu benseen, süsiniktetrakloriid jne.

Struktuur

Lihtsaima alkaani - metaani - molekul on korrapärase tetraeedri kujuga, mille keskel on süsinikuaatom ja tippudes vesinikuaatomid. C-H sidemete telgede vahelised nurgad on 109°28" (joonis 29).

Teiste küllastunud süsivesinike molekulides on sidemete (nii C-H kui ka C-C) vahelised nurgad sama tähendusega. Molekulide kuju kirjeldamiseks kasutatakse aatomiorbitaalide hübridisatsiooni kontseptsioon(vt I osa, §6).

Alkaanides on kõik süsinikuaatomid olekus sp 3 - hübridisatsioon (joonis 30).

Seega ei asu süsinikuahela süsinikuaatomid sirgjooneliselt. Naabersüsinikuaatomite vaheline kaugus (aatomite tuumade vahel) on rangelt fikseeritud - see on keemilise sideme pikkus(0,154 nm). Kaugus C 1 - C 3, C 2 - C 4 jne. (läbi ühe aatomi) on samuti konstantsed, sest sidemete vaheline nurk on konstantne - side nurk.

Kaugemate süsinikuaatomite vahelised kaugused võivad muutuda (teatud piirides) s-sidemete ümber pöörlemise tulemusena. See pöörlemine ei häiri s-sideme moodustavate orbitaalide kattumist, kuna sellel sidemel on teljesuunaline sümmeetria.

Ühe molekuli erinevaid ruumilisi vorme, mis on tekkinud aatomirühmade pöörlemisel ümber s-sidemete nimetatakse konformatsioonid(joonis 31).

Konformatsioonid erinevad energia poolest, kuid see erinevus on väike (12-15 kJ/mol). Alkaanide konformatsioonid, milles aatomid asuvad üksteisest võimalikult kaugel, on stabiilsemad (elektronkihtide tõrjumine). Üleminek ühelt konformatsioonilt teisele toimub soojusliikumise energia tõttu. Konformatsiooni kujutamiseks kasutatakse spetsiaalseid ruumivalemeid (Newmani valemeid).

Ärge olge segaduses!

On vaja eristada mõisteid konformatsioon ja konfiguratsioon.

Erinevad konformatsioonid võivad muutuda üksteiseks ilma keemilisi sidemeid purustamata. Ühe konfiguratsiooniga molekuli teisendamiseks teise konfiguratsiooniga molekuliks on vaja keemiliste sidemete katkemist.

Nelja tüüpi isomeeria Alkaane iseloomustavad kaks: süsiniku skeleti isomeeria ja optiline isomeeria (vt osa

Keemilised sidemed alkaanides, nende purunemine ja teke määrab alkaanide keemilised omadused. C-C ja C-H sidemed on kovalentsed, lihtsad (s-sidemed), praktiliselt mittepolaarsed, üsna tugevad, seega:

1) alkaanid osalevad kõige sagedamini reaktsioonides, mis hõlmavad sidemete hemolüütilist lõhustumist;

2) võrreldes teiste klasside orgaaniliste ühenditega on alkaanidel madal reaktsioonivõime (selleks nimetatakse neid parafiinid- "omadusteta"). Seega on alkaanid vastupidavad hapete, leeliste ja oksüdeerivate ainete (näiteks kaaliumpermanganaadi) vesilahuste toimele isegi keetmisel.

Alkaanid ei reageeri neile muude molekulide lisamisega, sest Alkaanide molekulides ei ole mitut sidet.

Alkaanid lagunevad tugeval kuumutamisel plaatina või nikli kujul olevate katalüsaatorite juuresolekul ja alkaanidest eemaldatakse vesinik.

Alkaanid võivad läbida isomeerimisreaktsioone. Nende tüüpiline reaktsioon on asendusreaktsioon, kulgeb radikaalse mehhanismi kaudu.

Keemilised omadused

Radikaalse nihke reaktsioonid

Näiteks kaaluge alkaanide vastastikmõju halogeenidega. Fluor reageerib väga jõuliselt (tavaliselt plahvatusega) – sel juhul katkevad kõik C-H ja C-C sidemed ning selle tulemusena tekivad CF 4 ja HF ühendid. Reaktsioonil pole praktilist tähtsust. Jood ei interakteeru alkaanidega. Reaktsioonid kloori või broomiga toimuvad kas valguse või tugeva kuumusega; sel juhul moodustuvad mono- kuni polühalogeen-asendatud alkaanid, näiteks:

CH3-CH3 +Cl2® hv CH3-CH2-Cl+HCl

Metaani halogeenderivaatide moodustumine toimub ahela kaudu vaba radikaal mehhanism. Valguse mõjul lagunevad kloori molekulid anorgaanilisteks radikaalideks:

Anorgaaniline radikaal Cl. eraldab metaani molekulist ühe elektroniga vesinikuaatomi, moodustades HC1 ja vaba radikaali CH3

Vaba radikaal interakteerub Cl 2 kloori molekuliga, moodustades halogeeni derivaadi ja kloori radikaali.

Oksüdatsioonireaktsioon algab vesinikuaatomi eraldamisega hapnikumolekuli poolt (mis on diradikaal) ja kulgeb seejärel hargnenud ahelreaktsioonina. Reaktsiooni käigus suureneb radikaalide arv. Protsess on kaasas

vabastades suurel hulgal soojust, katkevad mitte ainult C-H sidemed, vaid ka C-C sidemed, nii et selle tulemusena tekib süsinikmonooksiid (IV) ja vesi. Reaktsioon võib kulgeda põlemisena või viia plahvatuseni.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ® 2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O

Tavalistel temperatuuridel oksüdatsioonireaktsiooni ei toimu; seda saab käivitada kas süüte või elektrilahendusega.

Tugeval kuumutamisel (üle 1000°C) lagunevad alkaanid täielikult süsinikuks ja vesinikuks. Seda reaktsiooni nimetatakse pürolüüs.

CH4® 1200°C+2H2

Alkaanide, eriti metaani, kergel oksüdeerimisel atmosfäärihapnikuga erinevate katalüsaatorite juuresolekul võib saada metüülalkoholi, formaldehüüdi ja sipelghapet.

Kui metaan lasta väga kiiresti läbi kuumutatud tsooni ja seejärel kohe veega jahutada, on tulemuseks atsetüleen.

See reaktsioon on tööstusliku sünteesi aluseks, mida nimetatakse pragunemine(mittetäielik lagunemine) metaani.

Metaani homoloogide krakkimine toimub madalamal temperatuuril (umbes 600 °C). Näiteks propaani krakkimine hõlmab järgmisi etappe:

Seega põhjustab alkaanide krakkimine madalama molekulmassiga alkaanide ja alkeenide segu moodustumist.

Alkaanide kuumutamine temperatuurini 300-350 °C (pragunemist pole veel toimunud) katalüsaatori (Pt või Ni) juuresolekul põhjustab dehüdrogeenimine- vesiniku eemaldamine.

Kui lahjendatud lämmastikhape toimib alkaanidele temperatuuril 140 °C ja madalal rõhul, toimub radikaalne reaktsioon:

CH3-CH3 + HNO3®CH3-CH2-NO2 + H2O Isomerisatsioon

Teatud tingimustel võivad tavalised alkaanid muutuda hargnenud ahelaga alkaanideks.

Alkaanide valmistamine

Vaatleme alkaanide tootmist metaani tootmise näitel. Metaan on looduses laialt levinud. See on paljude tuleohtlike gaaside, nii looduslike (90-98%) kui tehislike gaaside põhikomponent, mis eraldub puidu, turba, kivisöe kuivdestilleerimisel, samuti õli krakkimise käigus. Maagaasid, eriti naftaväljadelt pärinevad gaasid, sisaldavad lisaks metaanile ka etaani, propaani, butaani ja pentaani.

Metaan vabaneb soode põhjast ja kaevandustes söekihtidest, kus see tekib taimejäätmete aeglasel lagunemisel ilma õhu juurdepääsuta. Seetõttu nimetatakse metaani sageli rabagaasiks või tuledambiks.

Laboris toodetakse metaani naatriumatsetaadi ja naatriumhüdroksiidi segu kuumutamisel:

CH 3 COONa + NaOH® 200 ° Na2CO3 +CH4

või kui alumiiniumkarbiid interakteerub veega: Al 4 Cl 3 +12H 2 O® 4Al(OH) 3 + 3CH 4

Viimasel juhul osutub metaan väga puhtaks.

Metaani saab toota lihtsatest ainetest katalüsaatori juuresolekul kuumutamisel:

C+2H2 ® Ni CH 4 8 ka vesigaasil põhineva sünteesi teel

CO+3H2® Ni CH4 +H2O

See meetod on tööstusliku tähtsusega. Tavaliselt kasutatakse aga maagaasidest saadavat metaani või söe koksimisel ja nafta rafineerimisel tekkinud gaase.

Metaani homoloogid, nagu metaan, saadakse laboritingimustes vastavate orgaaniliste hapete soolade kaltsineerimisel leelistega. Teine meetod on Wurtzi reaktsioon, st. monohalogeeni derivaatide kuumutamine naatriummetalliga, näiteks:

C2H5Br+2Na+BrC2H6® C2H5-C2H5 +2NaBr

Tehnoloogias kasutatakse sünteesi tehnilise bensiini (6-10 süsinikuaatomit sisaldava süsivesinike segu) tootmiseks.

süsinikmonooksiidist (II) ja vesinikust katalüsaatori (koobaltiühendi) juuresolekul ja kõrgendatud rõhul. Protsess

saab väljendada võrrandiga

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

I Niisiis on alkaanide peamised allikad maagaas ja nafta. Mõned küllastunud süsivesinikud sünteesitakse aga teistest ühenditest.

Alkaanide rakendused

Enamikku alkaane kasutatakse kütusena. Pragunemine ja

Nende dehüdrogeenimine toob kaasa küllastumata süsivesinikud, mis

millest saadakse palju muid orgaanilisi aineid.

Metaan moodustab põhiosa maagaasidest (60-99%). osa

maagaaside hulka kuuluvad propaan ja butaan. Vedelad süsivesinikud

kasutatakse kütusena sisepõlemismootorites, autodes, lennukites jne. Puhastatud vedeliku segu

ja tahked alkaanid moodustavad vaseliini. Kõrgemad alkaanid on

algmaterjalid sünteetiliste detergentide tootmiseks. Isomerisatsiooni teel saadud alkaane kasutatakse kvaliteetse bensiini ja kummi tootmisel. Allpool on diagramm metaani kasutamisest

Tsükloalkaanid

Struktuur

Tsükloalkaanid on küllastunud süsivesinikud, mille molekulid sisaldavad süsinikuaatomite suletud ringi.

Tsükloalkaanid (tsükloparafiinid) moodustavad homoloogse seeria üldvalemiga C n H 2 n, mille esimene liige on

tsüklopropaan C 3 H 6, sest Ringi moodustamiseks peab olema vähemalt kolm süsinikuaatomit.

Tsükloalkaanidel on mitu nimetust: tsükloparafiinid, nafteenid, tsüklaanid, polümetüleenid. Mõnede ühenduste näited:

Valem C n H 2 n on iseloomulik tsükloparafiinidele ja täpselt sama valem kirjeldab alkeenide (küllastumata süsivesinikud, millel on üks mitmikside) homoloogset seeriat. Sellest võime järeldada, et iga tsükloalkaan on isomeerne vastava alkeeniga - see on näide “klassidevahelisest” isomeeriast.

Tsükloalkaanid jagunevad rõnga suuruse alusel mitmeks rühmaks, millest vaatleme kahte: väikest (C 3, C 4) ja tavalist (C 5 - C 7) tsüklit.

Tsükloalkaanide nimed konstrueeritakse, lisades vastava süsinikuaatomite arvuga alkaani nimele eesliide tsüklo-. Nummerdamine tsüklis viiakse läbi nii, et asendajad saaksid väikseimad numbrid.

Tsükloalkaanide struktuurivalemid on tavaliselt kirjutatud lühendatult, kasutades tsükli geomeetrilist kuju ja jättes välja süsiniku- ja vesinikuaatomite sümbolid. Näiteks:

Tsükloalkaanide struktuurse isomeeria määrab tsükli suurus (tsüklobutaan ja metüültsüklopropaan on isomeerid) ja asendajate asukoht tsüklis (näiteks 1,1- ja 1,2-dimetüülbutaan), samuti nende struktuur .

Ruumiisomeeria on iseloomulik ka tsükloalkaanidele, sest see on seotud asendajate erineva paigutusega tsükli tasapinna suhtes. Kui asendajad asuvad tsükli tasapinna ühel küljel, saadakse cis-isomeerid ja vastaskülgedel trans-isomeerid.