جدول تفاعلات الهيدروكربونات. الخصائص الكيميائية المميزة للهيدروكربونات. آليات التفاعل. هيكل وخصائص الهيدروكربونات
الخواص الكيميائية للألكانات
الألكانات (البارافينات) عبارة عن هيدروكربونات غير حلقية ، في جزيئاتها جميع ذرات الكربون متصلة فقط بواسطة روابط مفردة. بمعنى آخر ، لا توجد روابط متعددة أو مزدوجة أو ثلاثية في جزيئات الألكانات. في الواقع ، الألكانات عبارة عن هيدروكربونات تحتوي على أكبر عدد ممكن من ذرات الهيدروجين ، وبالتالي فهي تسمى الحد (المشبعة).
بسبب التشبع ، لا يمكن للألكانات الدخول في تفاعلات إضافة.
نظرًا لأن ذرات الكربون والهيدروجين لها كهرسلبية قريبة إلى حد ما ، فإن هذا يؤدي إلى حقيقة أن روابط CH في جزيئاتها ذات قطبية منخفضة للغاية. في هذا الصدد ، بالنسبة للألكانات ، تكون التفاعلات التي تتم وفقًا لآلية الاستبدال الجذري ، والتي يُشار إليها بالرمز S R ، أكثر تميزًا.
1. ردود فعل الاستبدال
في تفاعلات من هذا النوع ، تنكسر روابط الكربون والهيدروجين.
RH + XY → RX + HY
الهلجنة
تتفاعل الألكانات مع الهالوجينات (الكلور والبروم) تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية أو مع حرارة شديدة. في هذه الحالة ، يتم تكوين خليط من مشتقات الهالوجين بدرجات مختلفة من استبدال ذرات الهيدروجين - أحادي ، ثنائي ثلاثي ، إلخ. الألكانات المستبدلة بالهالوجين.
في مثال الميثان ، يبدو كالتالي:
من خلال تغيير نسبة الهالوجين / الميثان في خليط التفاعل ، من الممكن التأكد من أن أي مشتق معين من مشتق الهالوجين من الميثان يسود في تكوين المنتجات.
آلية التفاعل
دعونا نحلل آلية تفاعل استبدال الجذور الحرة باستخدام مثال تفاعل الميثان والكلور. وهو يتألف من ثلاث مراحل:
- بدء (أو بدء السلسلة) - عملية تكوين الجذور الحرة تحت تأثير الطاقة من الخارج - التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية أو التسخين. في هذه المرحلة ، يخضع جزيء الكلور لانقسام متجانس لرابطة Cl-Cl مع تكوين الجذور الحرة:
الجذور الحرة ، كما يتضح من الشكل أعلاه ، تسمى الذرات أو مجموعات الذرات مع واحد أو أكثر من الإلكترونات غير المزدوجة (Cl ، H ، CH 3 ، CH 2 ، إلخ) ؛
2. تطوير السلسلة
تتكون هذه المرحلة من تفاعل الجذور الحرة النشطة مع الجزيئات غير النشطة. في هذه الحالة ، يتم تشكيل جذور جديدة. على وجه الخصوص ، عندما تعمل جذور الكلور على جزيئات الألكان ، يتم تكوين جذور ألكيل وكلوريد الهيدروجين. بدوره ، فإن جذور الألكيل ، التي تصطدم بجزيئات الكلور ، تشكل مشتق الكلور وجذر كلور جديد:
3) كسر (موت) السلسلة:
يحدث نتيجة إعادة اتحاد جذرين مع بعضهما البعض في جزيئات غير نشطة:
2. تفاعلات الأكسدة
في الظروف العادية ، تكون الألكانات خاملة فيما يتعلق بعوامل مؤكسدة قوية مثل أحماض الكبريتيك والنتريك المركزة والبرمنجنات وثاني كرومات البوتاسيوم (KMnO 4، K 2 Cr 2 O 7).
الاحتراق في الأكسجين
أ) الاحتراق الكامل مع وجود فائض من الأكسجين. يؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد الكربون والماء:
CH 4 + 2O 2 \ u003d CO 2 + 2H 2 O
ب) الاحتراق غير الكامل مع نقص الأكسجين:
2CH 4 + 3O 2 \ u003d 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 \ u003d C + 2H 2 O
الأكسدة التحفيزية بالأكسجين
نتيجة لتسخين الألكانات بالأكسجين (~ 200 درجة مئوية) في وجود المحفزات ، يمكن الحصول على مجموعة متنوعة من المنتجات العضوية منها: الألدهيدات ، والكيتونات ، والكحوليات ، والأحماض الكربوكسيلية.
على سبيل المثال ، يمكن أن يتأكسد الميثان ، اعتمادًا على طبيعة العامل الحفاز ، إلى كحول الميثيل ، أو الفورمالديهايد ، أو حمض الفورميك:
3. التحولات الحرارية للألكانات
تكسير
التكسير (من اللغة الإنجليزية إلى الكراك - إلى التمزق) هو عملية كيميائية تحدث عند درجة حرارة عالية ، ونتيجة لذلك ينكسر الهيكل الكربوني لجزيئات الألكان مع تكوين جزيئات الألكان والألكان ذات الأوزان الجزيئية المنخفضة مقارنة بالألكانات الأصلية. على سبيل المثال:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH \ u003d CH 2
يمكن أن يكون التكسير حراريًا أو محفزًا. لتنفيذ التكسير التحفيزي ، بسبب استخدام المحفزات ، يتم استخدام درجات حرارة أقل بكثير مقارنة بالتكسير الحراري.
نزع الهيدروجين
يحدث التخلص من الهيدروجين نتيجة كسر روابط الكربون الهيدروجينية ؛ أجريت في وجود محفزات في درجات حرارة مرتفعة. ينتج عن نزع الهيدروجين من الميثان الأسيتيلين:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
يؤدي تسخين الميثان إلى 1200 درجة مئوية إلى تحلله إلى مواد بسيطة:
CH 4 → C + 2H 2
يعطي نزع الهيدروجين عن الألكانات الأخرى الألكينات:
ج 2 س 6 ← ج 2 س 4 + ح 2
عند نزع الهيدروجين ن- يتم تكوين - البيوتين ، البيوتين - 1 والبيوتين - 2 (الأخير في الشكل رابطة الدول المستقلة-و نشوة-نظائر):
نزع الماء
الأزمرة
الخواص الكيميائية للألكانات الحلقية
تتطابق الخصائص الكيميائية للألكانات الحلقية التي تحتوي على أكثر من أربع ذرات كربون في الدورات عمومًا تقريبًا مع تلك الخاصة بالألكانات. بالنسبة إلى السيكلوبروبان والسيكلوبوتان ، من الغريب أن تكون تفاعلات الإضافة مميزة. ويرجع ذلك إلى التوتر الشديد داخل الدورة ، مما يؤدي إلى حقيقة أن هذه الدورات تميل إلى الانكسار. لذا فإن السيكلوبروبان والسيكلوبوتان يضيفان البروم أو الهيدروجين أو كلوريد الهيدروجين بسهولة:
الخواص الكيميائية للألكينات
1. تفاعلات الإضافة
نظرًا لأن الرابطة المزدوجة في جزيئات الألكين تتكون من رابطة سيجما قوية واحدة ورابطة pi ضعيفة ، فهي مركبات نشطة تمامًا تدخل بسهولة في تفاعلات الإضافة. غالبًا ما تدخل الألكينات في مثل هذه التفاعلات حتى في ظل ظروف معتدلة - في البرد ، في المحاليل المائية والمذيبات العضوية.
هدرجة الألكينات
الألكينات قادرة على إضافة الهيدروجين في وجود المحفزات (البلاتين ، البلاديوم ، النيكل):
CH 3 -CH \ u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
تستمر هدرجة الألكينات بسهولة حتى عند الضغط العادي والتسخين الخفيف. حقيقة مثيرة للاهتمام هي أنه يمكن استخدام نفس المحفزات لنزع الهيدروجين من الألكانات إلى الألكينات ، فقط عملية نزع الهيدروجين تستمر عند درجة حرارة أعلى وضغط أقل.
الهلجنة
تدخل الألكينات بسهولة في تفاعل إضافة مع البروم في كل من محلول مائي وفي مذيبات عضوية. نتيجة للتفاعل ، تفقد المحاليل الصفراء من البروم لونها ، أي تلطيخ.
CH 2 \ u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
الهالوجين المائي
من السهل ملاحظة أن إضافة هاليد الهيدروجين إلى جزيء ألكين غير متماثل يجب أن يؤدي نظريًا إلى خليط من أيزومرين. على سبيل المثال ، عند إضافة بروميد الهيدروجين إلى البروبين ، يجب الحصول على المنتجات التالية:
ومع ذلك ، في حالة عدم وجود شروط محددة (على سبيل المثال ، وجود بيروكسيدات في خليط التفاعل) ، ستحدث إضافة جزيء هاليد الهيدروجين بشكل انتقائي وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف:
تحدث إضافة هاليد الهيدروجين إلى ألكين بطريقة يتم فيها ربط الهيدروجين بذرة كربون مع عدد أكبر من ذرات الهيدروجين (أكثر هدرجة) ، والهالوجين مرتبط بذرة كربون بعدد أقل من ذرات الهيدروجين (أقل مهدرجة).
ترطيب
يؤدي رد الفعل هذا إلى تكوين الكحوليات ، ويستمر أيضًا وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف:
كما قد تتخيل ، نظرًا لحقيقة أن إضافة الماء إلى جزيء الألكين يحدث وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف ، فإن تكوين الكحول الأولي ممكن فقط في حالة ترطيب الإيثيلين:
CH 2 \ u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
من خلال هذا التفاعل يتم تنفيذ الكمية الرئيسية من الكحول الإيثيلي في الصناعة ذات السعة الكبيرة.
البلمرة
حالة محددة لتفاعل الإضافة هي تفاعل البلمرة ، والذي ، على عكس الهالوجين والهالوجين المائي والترطيب ، يستمر من خلال آلية الجذور الحرة:
تفاعلات الأكسدة
مثل جميع الهيدروكربونات الأخرى ، تحترق الألكينات بسهولة في الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. معادلة احتراق الألكينات في الأكسجين الزائد لها الشكل:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
على عكس الألكانات ، تتأكسد الألكينات بسهولة. تحت تأثير محلول مائي من KMnO 4 على الألكينات ، تغير اللون ، وهو تفاعل نوعي لروابط CC المزدوجة والثلاثية في جزيئات المواد العضوية.
تؤدي أكسدة الألكينات مع برمنجنات البوتاسيوم في محلول محايد أو قلوي قليلاً إلى تكوين ديول (كحول ثنائي الهيدروجين):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH – CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (تبريد)
في البيئة الحمضية ، يحدث انقسام كامل للرابطة المزدوجة مع تحول ذرات الكربون التي شكلت الرابطة المزدوجة إلى مجموعات الكربوكسيل:
5CH 3 CH = CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (تدفئة)
إذا كانت الرابطة المزدوجة C = C في نهاية جزيء الألكين ، فإن ثاني أكسيد الكربون يتشكل كمنتج أكسدة لذرة الكربون القصوى عند الرابطة المزدوجة. هذا يرجع إلى حقيقة أن منتج الأكسدة الوسيط ، حمض الفورميك ، يتأكسد بسهولة من تلقاء نفسه في وجود فائض من عامل مؤكسد:
5CH 3 CH = CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (تدفئة)
في أكسدة الألكينات ، حيث تحتوي ذرة C في الرابطة المزدوجة على بدائل هيدروكربونية ، يتم تكوين كيتون. على سبيل المثال ، ينتج عن أكسدة 2-ميثيل بوتين -2 الأسيتون وحمض الخليك.
يتم استخدام أكسدة الألكينات ، التي تكسر الهيكل الكربوني للرابطة المزدوجة ، لتأسيس هيكلها.
الخواص الكيميائية للكادين
تفاعلات الإضافة
على سبيل المثال ، إضافة الهالوجينات:
يصبح ماء البروم عديم اللون.
في ظل الظروف العادية ، تحدث إضافة ذرات الهالوجين في نهايات جزيء بوتادين 1.3 ، بينما تتكسر روابط ، وترتبط ذرات البروم بذرات الكربون القصوى ، وتشكل التكافؤات الحرة رابطة جديدة. وهكذا ، كما لو كانت هناك "حركة" للرابطة المزدوجة. مع وجود فائض من البروم ، يمكن إضافة جزيء بروم آخر في موقع الرابطة المزدوجة المشكلة.
تفاعلات البلمرة
الخواص الكيميائية للألكينات
الألكينات عبارة عن هيدروكربونات غير مشبعة (غير مشبعة) وبالتالي فهي قادرة على الدخول في تفاعلات إضافية. من بين تفاعلات الإضافة للألكينات ، تعد الإضافة المحبة للكهرباء هي الأكثر شيوعًا.
الهلجنة
نظرًا لأن الرابطة الثلاثية لجزيئات alkyne تتكون من رابطة سيجما أقوى واثنين من روابط pi الأضعف ، فهي قادرة على ربط جزيء أو اثنين من جزيئات الهالوجين. تتم إضافة جزيئين هالوجين بواسطة جزيء ألكين واحد بواسطة آلية الإلكتروفيليك بالتتابع على مرحلتين:
الهالوجين المائي
تتم أيضًا إضافة جزيئات هاليد الهيدروجين بواسطة آلية الإلكتروفيلي وعلى مرحلتين. في كلتا المرحلتين ، تتم الإضافة وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف:
ترطيب
تحدث إضافة الماء إلى الألكينات في وجود أملاح الروثيوم في وسط حمضي ويسمى تفاعل كوتشيروف.
نتيجة لترطيب إضافة الماء إلى الأسيتيلين ، يتشكل الأسيتالديهيد (ألدهيد الأسيتيك):
بالنسبة لمتناظرات الأسيتيلين ، تؤدي إضافة الماء إلى تكوين الكيتونات:
هدرجة ألكين
تتفاعل الألكينات مع الهيدروجين في خطوتين. تستخدم المعادن مثل البلاتين والبلاديوم والنيكل كمحفزات:
تقليم ألكين
عندما يتم تمرير الأسيتيلين فوق الكربون المنشط عند درجة حرارة عالية ، يتم تكوين خليط من المنتجات المختلفة منه ، وأهمها البنزين ، وهو منتج من مادة الأسيتيلين:
قلة الألكينات
يدخل الأسيتيلين أيضًا في تفاعل ثنائي الأبعاد. تستمر العملية في وجود أملاح النحاس كمحفزات:
أكسدة ألكين
الألكينات تحترق في الأكسجين:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
تفاعل الألكينات مع القواعد
الألكينات ذات C≡C ثلاثية في نهاية الجزيء ، على عكس الألكينات الأخرى ، قادرة على الدخول في تفاعلات يتم فيها استبدال ذرة الهيدروجين في الرابطة الثلاثية بمعدن. على سبيل المثال ، يتفاعل الأسيتيلين مع أميد الصوديوم في الأمونيا السائلة:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ،
وأيضًا بمحلول الأمونيا من أكسيد الفضة ، مما يؤدي إلى تكوين مواد غير قابلة للذوبان تشبه الملح تسمى الأسيتيلينيدات:
بفضل هذا التفاعل ، من الممكن التعرف على الألكينات برابطة ثلاثية طرفية ، وكذلك عزل ألكين من خليط مع ألكينات أخرى.
وتجدر الإشارة إلى أن جميع أسيتلينيدات الفضة والنحاس هي مواد متفجرة.
الأسيتيلات قادرة على التفاعل مع مشتقات الهالوجين ، والتي تستخدم في تركيب مركبات عضوية أكثر تعقيدًا مع رابطة ثلاثية:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH 3 -C≡CNa + CH 3 Br → CH 3 -C≡C-CH 3 + NaBr
الخواص الكيميائية للهيدروكربونات العطرية
تؤثر الطبيعة العطرية للرابطة على الخصائص الكيميائية للبنزين والهيدروكربونات العطرية الأخرى.
يعد نظام الإلكترون الواحد 6pi أكثر استقرارًا من روابط pi التقليدية. لذلك ، بالنسبة للهيدروكربونات العطرية ، تكون تفاعلات الاستبدال مميزة أكثر من تفاعلات الإضافة. تدخل Arenes في تفاعلات الاستبدال بواسطة آلية إلكتروفيلية.
تفاعلات الاستبدال
الهلجنة
النترات
يستمر تفاعل النترات بشكل أفضل تحت تأثير ليس حمض النيتريك النقي ، ولكن خليطه مع حمض الكبريتيك المركز ، ما يسمى بخليط النيتريك:
الألكلة
التفاعل الذي يتم فيه استبدال إحدى ذرات الهيدروجين في النواة العطرية بجذر هيدروكربوني:
يمكن أيضًا استخدام الألكينات بدلاً من الألكانات المهلجنة. يمكن استخدام هاليدات الألومنيوم أو هاليدات الحديد أو الأحماض غير العضوية كمحفزات.<
تفاعلات الإضافة
الهدرجة
الحصول على الكلور
إنها تنطلق بآلية جذرية تحت إشعاع مكثف بالأشعة فوق البنفسجية:
وبالمثل ، يمكن أن يستمر التفاعل مع الكلور فقط.
تفاعلات الأكسدة
الإحتراق
2C 6 H 6 + 15O 2 \ u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
أكسدة غير كاملة
حلقة البنزين مقاومة للعوامل المؤكسدة مثل KMnO 4 و K 2 Cr 2 O 7. رد الفعل لا يذهب.
تقسيم البدائل في حلقة البنزين إلى نوعين:
ضع في اعتبارك الخصائص الكيميائية لمتجانسات البنزين باستخدام التولوين كمثال.
الخواص الكيميائية للتولوين
الهلجنة
يمكن اعتبار أن جزيء التولوين يتكون من أجزاء من جزيئات البنزين والميثان. لذلك ، من المنطقي أن نفترض أن الخواص الكيميائية للتولوين يجب أن تجمع إلى حد ما الخصائص الكيميائية لهاتين المادتين المأخوذة بشكل منفصل. على وجه الخصوص ، هذا هو بالضبط ما يتم ملاحظته أثناء الهالوجين. نحن نعلم بالفعل أن البنزين يدخل في تفاعل استبدال مع الكلور بواسطة آلية محبة للكهرباء ، ويجب استخدام المحفزات (الألومنيوم أو هاليدات الحديديك) لتنفيذ هذا التفاعل. في الوقت نفسه ، الميثان قادر أيضًا على التفاعل مع الكلور ، ولكن بواسطة آلية الجذور الحرة ، والتي تتطلب تشعيع خليط التفاعل الأولي مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية. التولوين ، اعتمادًا على الظروف التي يخضع فيها للكلور ، قادر على إعطاء إما نواتج استبدال ذرات الهيدروجين في حلقة البنزين - لهذا تحتاج إلى استخدام نفس الشروط كما في كلورة البنزين ، أو منتجات الاستبدال من ذرات الهيدروجين في جذر الميثيل ، إذا كان عليه ، كيفية التصرف على الميثان بالكلور عند تعريضه للإشعاع فوق البنفسجي:
كما ترون ، أدت كلورة التولوين في وجود كلوريد الألومنيوم إلى منتجين مختلفين - أورثو وبارا كلورو تولين. هذا يرجع إلى حقيقة أن جذر الميثيل هو بديل من النوع الأول.
إذا تم إجراء كلورة التولوين في وجود AlCl 3 بما يزيد عن الكلور ، فمن الممكن تكوين التولوين المستبدل بثلاثي الكلور:
وبالمثل ، عندما تتم معالجة التولوين بالكلور في الضوء بنسبة أعلى من الكلور / التولوين ، يمكن الحصول على ثنائي كلورو ميثيل بنزين أو ثلاثي كلورو ميثيل بنزين:
النترات
يؤدي استبدال مجموعة النتروجين بذرات الهيدروجين ، أثناء نترات التولوين بمزيج من أحماض النيتريك والكبريتيك المركزة ، إلى استبدال المنتجات في النواة العطرية ، وليس في جذر الميثيل:
الألكلة
كما ذكرنا سابقًا ، فإن جذري الميثيل هو موجه من النوع الأول ، وبالتالي ، تؤدي ألكلة Friedel-Crafts إلى منتجات بديلة في مواضع ortho و para:
تفاعلات الإضافة
يمكن هدرجة التولوين إلى ميثيل سيكلوهكسان باستخدام محفزات معدنية (Pt، Pd، Ni):
ج 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
أكسدة غير كاملة
تحت تأثير عامل مؤكسد مثل محلول مائي من برمنجنات البوتاسيوم ، تخضع السلسلة الجانبية للأكسدة. لا يمكن أن تتأكسد النواة العطرية في ظل هذه الظروف. في هذه الحالة ، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للمحلول ، سيتم تكوين حمض الكربوكسيل أو الملح.
تحتوي الهيدروكربونات المحدودة في جزيئاتها فقط على روابط ذات قطبية منخفضة وروابط ضعيفة الاستقطاب ، وهي شديدة التحمل ، وبالتالي ، في ظل الظروف العادية ، فهي مواد نشطة كيميائيًا قليلاً فيما يتعلق بالكواشف القطبية: فهي لا تتفاعل مع الأحماض المركزة ، الكل ، معادن قلوية وعوامل مؤكسدة. كان هذا سبب تسميتهم - البارافينات. Parumaffinus لاتينية لا علاقة لها. تستمر تحولاتها الكيميائية بشكل رئيسي عند درجات حرارة مرتفعة وتحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من تفاعلات الهيدروكربونات المشبعة: الاستبدال والأكسدة والتخلص. يمكن أن تستمر هذه التفاعلات إما عن طريق كسر رابطة C-C (الطاقة 83.6 kcal) أو عن طريق كسر رابطة C-H (الطاقة 98.8 kcal / mol). غالبًا ما تأتي ردود الفعل مع انقطاع في رابطة C-H ، tk. يمكن الوصول إليه بشكل أكبر من خلال عمل الكاشف ، على الرغم من أن الرابطة C-C تتطلب طاقة أقل للانقسام. نتيجة لمثل هذه التفاعلات ، تتشكل الأنواع النشطة جدًا على الفور - جذور الهيدروكربون الأليفاتية.
تحضير وخصائص الجذور الأليفاتية
1. يحدث تكوين الجذور الحرة أثناء الانقسام المتماثل للروابط C-C أو C-H عند درجة حرارة 300-700 درجة مئوية أو تحت تأثير كواشف الجذور الحرة.
2. يزيد عمر الجذور الحرة (المقاومة) من الجذور الأولية إلى الثانوية والثالثة:
ب) التفاعل مع المركبات غير المشبعة: تحدث الإضافة مع تكوين جذري جديد أيضًا:
CH3. + CH 2 \ u003d CH 2 CH 3 -CH 2 -CH 2.
ج) -التحلل - تتحلل الجذور ذات السلسلة الكربونية الطويلة مع كسر الرابطة C-C في -التحول إلى الكربون مع إلكترون غير مزدوج.
CH 3 - CH 2: CH 2 - CH 2. CH 3 -CH 2. + CH 2 \ u003d CH 2
د) عدم التناسب - إعادة توزيع الهيدروجين المرتبط بـ -التحلل على طول رابطة C-H:
| + CH 3 -CH 2. | + CH 3 -CH 3 |
ه) إعادة التركيب - مزيج من الجذور الحرة مع بعضها البعض
CH 3. + CH 3. CH 3 -CH 3
من خلال معرفة ميزات سلوك الجذور الحرة ، من الأسهل فهم القوانين الأساسية لتفاعلات محددة للهيدروكربونات المشبعة.
انا اطبع. تفاعل الاستبدال
1. تفاعلات الهالوجين. الكاشف الأكثر نشاطا هو الفلور. تؤدي الفلورة المباشرة إلى حدوث انفجار. ردود الفعل الكلورة.يمكنهم المضي قدمًا تحت تأثير جزيئات الكلور في الضوء الموجود بالفعل في درجة حرارة الغرفة. يستمر التفاعل وفقًا لآلية سلسلة الجذور الحرة ويتضمن المراحل الرئيسية التالية:
أ) المرحلة الأولى البطيئة - بدء السلسلة:
Cl: ClCl. + Cl.
R: H +. Cl حمض الهيدروكلوريك + ر.
ب) تطوير السلسلة - تشكيل منتجات التفاعل مع التكوين المتزامن للجذور الحرة التي تواصل عملية السلسلة:
تم العثور على R. + Cl: Cl RCl + Cl.
R: H + Cl. حمض الهيدروكلوريك + R.
ج) الدائرة المفتوحة:
منذ CI. الكاشف نشط ، يمكنه مهاجمة جزيء مشتق الكلور الذي تم الحصول عليه بالفعل ، ونتيجة لذلك ، يتم تكوين خليط من المركبات أحادية ومتعددة الهالوجينات. على سبيل المثال:
CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4
كلوريد الميثيل - HCl - HCl - HCl
كلوريد الميثيلين كلوروفورم أربعة-
كلوريد الكربون
تفاعل البرومأكثر صعوبة ، لأن البروم أقل نشاطًا من الكلور ويتفاعل بشكل أساسي مع تكوين جذور ثالثة أو ثانوية أكثر استقرارًا. في هذه الحالة ، تدخل ذرة البروم الثانية في العادة موقعًا مجاورًا للأول ، خاصة عند الكربون الثانوي.
تفاعلات اليودعمليا لا تسرب ، لأن HI يقلل من اليود الألكيل الناتج.
2. النترات- استبدال ذرة الهيدروجين بمجموعة NO 2 تحت تأثير حمض النيتريك. يمر تحت تأثير حمض النيتريك المخفف (12٪) عند درجة حرارة عالية تصل إلى 150 درجة مئوية تحت الضغط (تفاعل كونوفالوف). تتفاعل البارافينات ذات البنية المتساوية بسهولة أكبر ، tk. يحدث الاستبدال بسهولة أكبر في ذرة الكربون الثالثة:
ترتبط آلية تفاعل النترات بالتكوين الوسيط للجذور الحرة. يتم تسهيل البدء من خلال عملية أكسدة تحدث جزئيًا:
RH + HONO 2 ROH + HONO
حمض النيتروز
HONO + HONO 2 HOH + 2. لا 2
| +. لا 2 |
CH 3 -C-CH 3 +. لا 2 CH 3 -C-CH 3 + HNO 2
CH 3 -C-CH 3 +. لا 2 CH 3 -C-CH 3
أولئك. التفاعل الجذري لنترة الهيدروكربونات ليس له طابع تسلسلي.
النوع الثاني. تفاعلات الأكسدة
في ظل الظروف العادية ، لا تتأكسد البارافينات إما بالأكسجين أو بعوامل مؤكسدة قوية (KMnO 4 ، HNO 3 ، K 2 Cr 2 O 7 ، إلخ).
عندما يتم إدخال لهب مكشوف في خليط من الهيدروكربون مع الهواء ، يحدث الأكسدة الكاملة (الاحتراق) للهيدروكربون إلى CO 2 و H 2 O. تسخين الهيدروكربونات المشبعة في خليط مع الهواء أو الأكسجين في وجود محفزات لأكسدة يؤدي MnO 2 وغيره إلى درجة حرارة 300 درجة مئوية إلى أكسدة هذه المركبات مع تكوين مركبات البيروكسيد. يستمر التفاعل بواسطة آلية الجذور الحرة المتسلسلة.
و: R: H R. + ح. بدء الدائرة
R: R. + O:: O: R-O-O.
R-O-O. + R: H R-O-O-H + R.
ألكان هيدروبيروكسيد
O: R-O-O. + ر. الدائرة المفتوحة R-O-O-R
بيروكسيد الألكان
الوحدات الثلاثية تتأكسد بسهولة ، والوحدات الثانوية أكثر صعوبة ، والوحدات الأولية أكثر صعوبة. تتحلل الأكاسيد المائية الناتجة.
هيدروبيروكسيدات الأوليةعندما تتحلل ، فإنها تشكل الألدهيدات أو الكحول الأساسي ، على سبيل المثال:
CH 3 -C-C-O: O-H CH 3-C-O. +. OH CH 3 -C \ u003d O + H 2 O
هيدروبيروكسيد الإيثان أسيتالديهيد
CH 3 -CH 3
جانب
CH 3 -CH 2 OH + CH 3 -CH 2.
هيدروبيروكسيدات ثانويةتشكل الكيتونات أو الكحولات الثانوية عند التحلل ، على سبيل المثال:
CH 3-C-O: OH CH 3-C-O. +. OH H 2 O + CH 3 -C \ u003d O
CH 3 CH 3 CH 3
هيدروبيروكسيد البروبان
CH 3 -CH 2 -CH 3
جانب
CH 3 -CH-OH + CH 3 -. CH-CH 3
ايزوبروبيل
هيدروبيروكسيدات ثالثيةتشكل الكيتونات ، وكذلك الكحوليات الأولية والثالثية ، على سبيل المثال:
CH 3 CH 3 CH 3
CH 3 -C-CH 3 CH 3 -C: CH 3 +. OH CH 3 OH + CH 3 -C \ u003d O
هيدروبيروكسيد الأيزوبيوتان
CH 3-CH-CH 3
جانب
ايزوبيوتان
CH 3 -C-CH 3 + CH 3 -C-CH 3
كحول ثلاثي بوتيل
يمكن أن يتحلل أي هيدروبيروكسيد أيضًا مع إطلاق الأكسجين الذري: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O] ،
الذي يذهب إلى مزيد من الأكسدة:
CH 3 -C + [O] CH 3 -C-OH
لذلك ، بالإضافة إلى الكحول والألدهيدات والكيتونات ، تتشكل الأحماض الكربوكسيلية.
من خلال اختيار شروط التفاعل ، يمكن الحصول على واحد من أي منتج. على سبيل المثال: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.
ديين الهيدروكربونات (القاديين)
هيدروكربونات ديين أو ألكاديين هي هيدروكربونات غير مشبعة تحتوي على رابطتين مزدوجتين من الكربون والكربون. الصيغة العامة للكادين هي C n H 2 n -2.
اعتمادًا على الترتيب المتبادل للروابط المزدوجة ، تنقسم الديانات إلى ثلاثة أنواع:
1) الهيدروكربونات مع تراكمتروابط مزدوجة ، أي بجوار ذرة كربون واحدة. على سبيل المثال ، بروبادين أو ألين CH 2 = C = CH 2 ؛
2) الهيدروكربونات مع معزولروابط مزدوجة ، أي مفصولة بروابط بسيطة أو أكثر. على سبيل المثال ، البنتاديين -1.4 CH 2 \ u003d CH – CH 2 -CH \ u003d CH 2 ؛
3) الهيدروكربونات مع مترافقروابط مزدوجة ، أي مفصولة برابط واحد. على سبيل المثال ، بوتادين -1،3 أو ديفينيل CH 2 \ u003d CH – CH \ u003d CH 2 ، 2-ميثيل بوتادين -1،3 أو أيزوبرين
2) نزع الهيدروجين وتجفيف الكحول الإيثيلي عن طريق تمرير بخار الكحول فوق المحفزات الساخنة (طريقة الأكاديمي S.V. Lebedev)
2CH 3 CH 2 OH - - ~ 450 درجة مئوية ؛ ZnO ، Al2O3 ® CH 2 \ u003d CH - CH \ u003d CH 2 + 2H 2 O + H 2
الخصائص الفيزيائية
الخواص الكيميائية
تكون ذرات الكربون في جزيء 1.3-بوتادين في الحالة الهجينة sp 2 ، مما يعني أن هذه الذرات تقع في نفس المستوى ولكل منها مدار p واحد يشغله إلكترون واحد وتقع بشكل عمودي على المستوى المذكور .
| أ) | ب) |
| التمثيل التخطيطي لهيكل جزيئات الديديفينيل (أ) والمنظر العلوي للنموذج (ب). تداخل سحب الإلكترون بين C 1 -C 2 و C 3 -C 4 أكبر من C 2 -C 3. |
|
تتداخل المدارات p لجميع ذرات الكربون مع بعضها البعض ، أي ليس فقط بين الذرات الأولى والثانية والثالثة والرابعة ، ولكن أيضًا بين الثانية والثالثة. يوضح هذا أن الرابطة بين ذرات الكربون الثانية والثالثة ليست رابطة s بسيطة ، ولكنها تحتوي على كثافة معينة من الإلكترونات p ، أي ضعف الرابطة المزدوجة. هذا يعني أن الإلكترونات s لا تنتمي إلى أزواج محددة بدقة من ذرات الكربون. في الجزيء ، لا توجد روابط مفردة ومزدوجة بالمعنى الكلاسيكي ، ويلاحظ عدم تمركز الإلكترونات p ، أي توزيع موحد لكثافة الإلكترون p في جميع أنحاء الجزيء مع تكوين سحابة إلكترونية واحدة.
يسمى تفاعل اثنين أو أكثر من الروابط p المتجاورة مع تكوين سحابة إلكترونية واحدة ، مما يؤدي إلى نقل تفاعل الذرات في هذا النظام ، تأثير الاقتران.
وهكذا ، يتميز جزيء -1،3 بوتادين بنظام من الروابط المزدوجة المترافقة.
هذه الميزة في بنية هيدروكربونات ديين تجعلها قادرة على إضافة العديد من الكواشف ليس فقط إلى ذرات الكربون المجاورة (1،2-إضافة) ، ولكن أيضًا إلى طرفي النظام المترافق (1،4-الإضافة) مع تكوين رابطة مزدوجة بين ذرات الكربون الثانية والثالثة. لاحظ أن منتج الإضافة 1،4 غالبًا ما يكون المنتج الرئيسي.
ضع في اعتبارك تفاعلات الهالوجين والهالوجين المائي للديينات المترافقة.
بلمرة مركبات ديين
في شكل مبسط ، يمكن تمثيل تفاعل البلمرة -1،3 بوتادين وفقًا لمخطط الإضافة 1.4 على النحو التالي:
| ––––® | . |
تشارك كل من الروابط المزدوجة للديين في البلمرة. أثناء التفاعل ، تنكسر ، يتم فصل أزواج الإلكترونات التي تشكل روابط s ، وبعد ذلك يشارك كل إلكترون غير مزدوج في تكوين روابط جديدة: إلكترونات ذرات الكربون الثانية والثالثة ، كنتيجة للتعميم ، تعطي الرابطة المزدوجة ، وإلكترونات ذرات الكربون القصوى في السلسلة ، عند تعميمها مع الإلكترونات ، تربط الذرات المقابلة لجزيء مونومر آخر المونومرات في سلسلة بوليمر.
يتم تمثيل الخلية الأولية للبولي بوتادين على النحو التالي:
.كما يتضح ، يتميز البوليمر الناتج بـ نشوة- تكوين الخلية الأولية للبوليمر. ومع ذلك ، يتم الحصول على المنتجات الأكثر قيمة من الناحية العملية عن طريق البلمرة المجسمة (بمعنى آخر ، مرتبة مكانيًا) لهيدروكربونات ديين وفقًا لمخطط الإضافة 1.4 مع التكوين رابطة الدول المستقلة- تكوين سلسلة البوليمر. على سبيل المثال، رابطة الدول المستقلة-بولي بوتادين
.المطاط الطبيعي والاصطناعي
يتم الحصول على المطاط الطبيعي من النسغ اللبني (اللاتكس) لشجرة المطاط Hevea ، التي تنمو في الغابات المطيرة في البرازيل.
عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء ، يتحلل المطاط لتشكيل هيدروكربون دييني - 2-ميثيل بوتادين -1،3 أو أيزوبرين. المطاط عبارة عن بوليمر مجسم منتظم ترتبط فيه جزيئات الأيزوبرين ببعضها البعض في مخطط إضافة 1.4 مع رابطة الدول المستقلة- تكوين سلسلة البوليمر:
يتراوح الوزن الجزيئي للمطاط الطبيعي من 7 . 10 4 إلى 2.5 . 10 6 .
نشوة- يوجد أيضًا بوليمر الأيزوبرين بشكل طبيعي في شكل جوتا بيرشا.
يتميز المطاط الطبيعي بمجموعة فريدة من الخصائص: سيولة عالية ، ومقاومة للتآكل ، وقابلية للالتصاق ، ونفاذية للماء والغاز. لإعطاء المطاط الخصائص الفيزيائية والميكانيكية الضرورية: القوة والمرونة ومقاومة المذيبات والبيئات الكيميائية العدوانية ، تتم فلكنة المطاط بالتسخين حتى 130-140 درجة مئوية بالكبريت. في شكل مبسط ، يمكن تمثيل عملية تقسية المطاط على النحو التالي:
يتم ربط ذرات الكبريت عند نقطة كسر بعض الروابط المزدوجة ويتم "تشابك" جزيئات المطاط الخطية في جزيئات أكبر ثلاثية الأبعاد - يتم الحصول على المطاط ، وهو أقوى بكثير من المطاط غير المبركن. يتم استخدام المطاط المملوء بأسود الكربون النشط في صناعة إطارات السيارات ومنتجات المطاط الأخرى.
في عام 1932 ، طور S.V. Lebedev طريقة لتخليق المطاط الصناعي على أساس البوتادين المستخرج من الكحول. وفقط في الخمسينيات من القرن الماضي ، أجرى العلماء المحليون بلمرة تجسيمية تحفيزية لهيدروكربونات ديين وحصلوا على مطاط مجسم مماثل في خصائص المطاط الطبيعي. في الوقت الحاضر ، يتم إنتاج المطاط في الصناعة ،
الخصائص الكيميائية المميزة للهيدروكربونات: الألكانات ، والألكينات ، والدينات ، والألكينات ، والهيدروكربونات العطرية
الألكانات
الألكانات عبارة عن هيدروكربونات ترتبط الذرات في جزيئاتها بروابط مفردة والتي تتوافق مع الصيغة العامة $ C_ (n) H_ (2n + 2) $.
سلسلة متماثلة من الميثان
كما تعلم بالفعل ، المتجانساتهي مواد متشابهة في التركيب والخصائص وتختلف بمجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات $ CH_2 $.
تشكل الهيدروكربونات المحدودة سلسلة متجانسة من الميثان.
التماثل والتسمية
تتميز الألكانات بما يسمى التماثل البنيوي. تختلف الايزومرات الهيكلية عن بعضها البعض في هيكل الهيكل الكربوني. كما تعلم بالفعل ، فإن أبسط ألكان ، والذي يتميز بأيزومرات بنيوية ، هو البيوتان:
دعونا نفكر بمزيد من التفصيل بالنسبة للألكانات في أساسيات تسميات IUPAC:
1. اختيار الدائرة الرئيسية.
يبدأ تكوين اسم الهيدروكربون بتعريف السلسلة الرئيسية - وهي أطول سلسلة من ذرات الكربون في الجزيء ، والتي هي ، كما كانت ، أساسها.
2.
يتم تخصيص أرقام لذرات السلسلة الرئيسية. يبدأ ترقيم ذرات السلسلة الرئيسية من النهاية الأقرب إلى البديل (الهياكل أ ، ب). إذا كانت البدائل على مسافة متساوية من نهاية السلسلة ، فسيبدأ الترقيم من النهاية التي يوجد بها عدد أكبر منهم (البنية B). إذا كانت البدائل المختلفة على مسافة متساوية من نهايات السلسلة ، فإن الترقيم يبدأ من النهاية التي يكون الأقدم أقرب إليها (الهيكل D). يتم تحديد أقدمية بدائل الهيدروكربون بالترتيب الذي يتبعه الحرف الذي يبدأ به اسمها في الأبجدية: الميثيل (- $ CH_3 $) ، ثم البروبيل ($ —CH_2 — CH_2 — CH_3 $) ، والإيثيل ($ —CH_2 —CH_3 $) وما إلى ذلك.
لاحظ أن اسم البديل يتكون عن طريق استبدال اللاحقة -enلاحقة -مبتباسم الألكان المقابل.
3. تشكيل الاسم.
يشار إلى الأرقام في بداية الاسم - عدد ذرات الكربون التي توجد بها البدائل. إذا كان هناك عدة بدائل في ذرة معينة ، فسيتم تكرار الرقم المقابل في الاسم مرتين ، مفصولة بفاصلات (2.2 دولار - دولار). بعد الرقم ، تشير الواصلة إلى عدد البدائل ( دي- اثنين، ثلاثة- ثلاثة، تترا- أربعة ، بنتا- خمسة) واسم النائب ( ميثيل ، إيثيل ، بروبيل). ثم بدون مسافات وواصلات - اسم السلسلة الرئيسية. تسمى السلسلة الرئيسية باسم الهيدروكربون - وهو عضو في سلسلة متجانسة من الميثان ( الميثان ، الإيثان ، البروبان ، إلخ.).
أسماء المواد التي ورد ذكر صيغتها الهيكلية أعلاه هي كما يلي:
- الهيكل أ: 2 دولار ميثيل بروبان.
- الهيكل ب: 3 دولارات -إيثيلهكسان.
- الهيكل ب: 2،2،4 دولار -تريميثيل البنتان.
- الهيكل Г: $ 2 $ -الميثيل$4$-إيثيلهكسان.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألكانات
الخصائص الفيزيائية.أول أربعة ممثلين لسلسلة متجانسة من الميثان هم غازات. أبسطها هو الميثان - وهو غاز عديم اللون ، لا طعم له ولا رائحة (رائحة الغاز ، عند شم الرائحة التي تحتاج إلى الاتصال بـ 104 دولارات ، يتم تحديدها من خلال رائحة المركابتان - مركبات تحتوي على الكبريت تضاف خصيصًا إلى الميثان المستخدم في المنزل و أجهزة الغاز الصناعية حتى يتمكن الأشخاص القريبون منها من شم رائحة التسرب).
الهيدروكربونات المكونة من $ С_5Н_ (12) $ إلى $ С_ (15) Н_ (32) $ عبارة عن سوائل ؛ الهيدروكربونات الثقيلة هي مواد صلبة.
تزداد نقاط غليان وانصهار الألكانات تدريجياً مع زيادة طول سلسلة الكربون. جميع الهيدروكربونات ضعيفة الذوبان في الماء ؛ الهيدروكربونات السائلة هي مذيبات عضوية شائعة.
الخواص الكيميائية.
1. تفاعلات الاستبدال.أكثر ما يميز الألكانات هو تفاعلات استبدال الجذور الحرة ، والتي يتم خلالها استبدال ذرة الهيدروجين بذرة هالوجين أو مجموعة ما.
دعونا نقدم معادلات التفاعلات الأكثر نموذجية.
الهلجنة:
$ CH_4 + Cl_2 → CH_3Cl + HCl $.
في حالة وجود فائض من الهالوجين ، يمكن أن تذهب الكلورة إلى أبعد من ذلك ، حتى الاستبدال الكامل لجميع ذرات الهيدروجين بالكلور:
$ CH_3Cl + Cl_2 → HCl + (CH_2Cl_2) ↙ (\ text "ثنائي كلورو ميثان (كلوريد الميثيلين)") $،
$ CH_2Cl_2 + Cl_2 → HCl + (CHСl_3) ↙ (\ text "trichloromethane (chloroform)") $،
$ CHCl_3 + Cl_2 → HCl + (CCl_4) ↙ (\ text "رباعي كلورو الميثان (رابع كلوريد الكربون)") $.
تستخدم المواد الناتجة على نطاق واسع كمذيبات ومواد أولية في التخليق العضوي.
2. نزع الهيدروجين (التخلص من الهيدروجين).أثناء مرور الألكانات فوق المحفز ($ Pt ، Ni ، Al_2O_3 ، Cr_2O_3 $) عند درجة حرارة عالية ($ 400-600 ° C $) ، ينفصل جزيء الهيدروجين ويتكون ألكين:
$ CH_3 — CH_3 → CH_2 = CH_2 + H_2 $
3. ردود الفعل المصحوبة بتدمير سلسلة الكربون.جميع الهيدروكربونات المشبعة يحترقونمع تكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. يمكن أن تنفجر الهيدروكربونات الغازية الممزوجة بالهواء بنسب معينة. احتراق الهيدروكربونات المشبعة هو تفاعل طارد للحرارة للجذور الحرة ، وهو ذو أهمية كبيرة عند استخدام الألكانات كوقود:
$ CH_4 + 2O_2 → CO_2 + 2H_2O + 880 كيلوجول
بشكل عام ، يمكن كتابة تفاعل احتراق الألكانات على النحو التالي:
$ C_ (n) H_ (2n + 2) + ((3n + 1) / (2)) O_2 → nCO_2 + (n + 1) H_2O $
الانهيار الحراري للهيدروكربونات:
$ C_ (n) H_ (2n + 2) (→) ↖ (400-500 درجة مئوية) C_ (n-k) H_ (2 (n-k) +2) + C_ (k) H_ (2k) $
تستمر العملية وفقًا لآلية الجذور الحرة. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تمزق التحلل المتماثل لرابطة الكربون والكربون وتشكيل الجذور الحرة:
$ R — CH_2CH_2: CH_2 — R → R — CH_2CH_2 + CH_2 — R $.
تتفاعل هذه الجذور مع بعضها البعض ، وتتبادل ذرة الهيدروجين ، مع تكوين جزيء ألكان وجزيء ألكين:
$ R — CH_2CH_2 + CH_2 — R → R — CH = CH_2 + CH_3 — R $.
تفاعلات الانقسام الحراري تكمن وراء العملية الصناعية - التكسير الهيدروكربوني. هذه العملية هي أهم مرحلة في تكرير النفط.
عندما يتم تسخين الميثان إلى درجة حرارة 1000 درجة مئوية ، يبدأ الانحلال الحراري للميثان - التحلل إلى مواد بسيطة:
$ CH_4 (→) ↖ (1000 درجة مئوية) C + 2H_2 $
عند التسخين إلى درجة حرارة 1500 درجة مئوية ، يكون تكوين الأسيتيلين ممكنًا:
$ 2CH_4 (→) ↖ (1500 درجة مئوية) CH = CH + 3H_2 $
4. الأزمرة.عندما يتم تسخين الهيدروكربونات الخطية باستخدام محفز مشابه (كلوريد الألومنيوم) ، تتشكل المواد ذات الهيكل الكربوني المتفرع:
5. أرمتة.الألكانات التي تحتوي على ست ذرات كربون أو أكثر في السلسلة في وجود محفز يتم تدويرها لتكوين البنزين ومشتقاته:
ما سبب دخول الألكانات في تفاعلات تسير وفق آلية الجذور الحرة؟ جميع ذرات الكربون في جزيئات الألكان في حالة التهجين $ sp ^ 3 $. يتم بناء جزيئات هذه المواد باستخدام روابط تساهمية غير قطبية $ C-C $ (كربون-كربون) روابط قطبية ضعيفة $ C-H $ (كربون-هيدروجين) روابط. لا تحتوي على مناطق ذات كثافة إلكترون عالية ومنخفضة ، روابط قابلة للاستقطاب بسهولة ، أي مثل هذه الروابط ، وهي كثافة الإلكترون التي يمكن تغييرها تحت تأثير العوامل الخارجية (الحقول الكهروستاتيكية للأيونات). لذلك ، لن تتفاعل الألكانات مع الجسيمات المشحونة ، لأن لا يتم كسر الروابط في جزيئات الألكان بواسطة آلية التحلل غير المتجانسة.
الألكينات
تشمل الهيدروكربونات غير المشبعة الهيدروكربونات التي تحتوي على روابط متعددة بين ذرات الكربون في الجزيئات. عدد غير محدود ألكينات ، ألكاديين (بوليينات) ، ألكينات.تحتوي الهيدروكربونات الحلقية التي تحتوي على رابطة مزدوجة في الدورة (الألكينات الحلقية) ، وكذلك الألكانات الحلقية مع عدد صغير من ذرات الكربون في الدورة (ثلاث أو أربع ذرات) أيضًا على طابع غير مشبع. ترتبط خاصية عدم التشبع بقدرة هذه المواد على الدخول في تفاعلات إضافة ، وبشكل أساسي الهيدروجين ، مع تكوين الهيدروكربونات - الألكانات المشبعة أو المشبعة.
الألكينات عبارة عن هيدروكربونات لا حلقية تحتوي في الجزيء ، بالإضافة إلى روابط مفردة ، على رابطة مزدوجة واحدة بين ذرات الكربون وتتوافق مع الصيغة العامة $ C_ (n) H_ (2n) $.
اسمه الثاني الأوليفينات- تم الحصول على الألكينات عن طريق القياس مع الأحماض الدهنية غير المشبعة (الأوليك ، اللينوليك) ، والتي تشكل بقاياها جزءًا من الدهون السائلة - الزيوت (من اللات. أوليوم- زيت).
سلسلة متماثلة من الإيثين
تشكل الألكينات غير الممنوحة سلسلة متجانسة من الإيثيلين (الإيثيلين):
$ C_2H_4 $ إيثين ، $ C_3H_6 $ بروبين ، $ C_4H_8 $ بيوتين ، $ C_5H_ (10) $ بنتين ، $ C_6H_ (12) $ هكسين ، إلخ.
التماثل والتسمية
بالنسبة للألكينات ، وكذلك للألكانات ، فإن التماثل البنيوي هو سمة مميزة. تختلف الايزومرات الهيكلية عن بعضها البعض في هيكل الهيكل الكربوني. أبسط ألكين ، والذي يتميز بأيزومرات بنيوية ، هو البيوتين:
نوع خاص من التماكب الهيكلي هو تماثل موضع الرابطة المزدوجة:
$ CH_3— (CH_2) ↙ (بيوتين -1) —CH = CH_2 $ $ CH_3— (CH = CH) ↙ (بيوتين -2) —CH_3 $
يمكن تقريبًا الدوران الحر لذرات الكربون حول رابطة كربون-كربون واحدة ، لذلك يمكن أن تتخذ جزيئات الألكان مجموعة متنوعة من الأشكال. إن الدوران حول الرابطة المزدوجة أمر مستحيل ، مما يؤدي إلى ظهور نوع آخر من التماكب في الألكينات - هندسية ، أو تماثل رابطة الدول المستقلة.
رابطة الدول المستقلة-ايزومرات مختلفة عن نشوة-الأيزومرات بالترتيب المكاني لشظايا الجزيء (في هذه الحالة ، مجموعات الميثيل) بالنسبة إلى المستوى $ π $ -bond ، وبالتالي حسب الخصائص.
الألكينات هي أيزومرية إلى ألكانات حلقيّة (تماثل بين الطبقات) ، على سبيل المثال:
تشبه تسمية الألكينات التي طورتها IUPAC تسمية الألكانات.
1. اختيار الدائرة الرئيسية.
يبدأ تكوين اسم الهيدروكربون بتعريف السلسلة الرئيسية - أطول سلسلة من ذرات الكربون في الجزيء. في حالة الألكينات ، يجب أن تحتوي السلسلة الرئيسية على رابطة مزدوجة.
2. الترقيم الذري للسلسلة الرئيسية.
يبدأ ترقيم ذرات السلسلة الرئيسية من نهاية الرابطة المزدوجة الأقرب إليها. على سبيل المثال ، اسم الاتصال الصحيح هو:
5 دولارات-ميثيلهكسين- 2 دولار ، وليس 2 دولار-ميثيلهكسين- 4 دولارات ، كما هو متوقع.
إذا كان من المستحيل تحديد بداية ترقيم الذرات في السلسلة من خلال موضع الرابطة المزدوجة ، فسيتم تحديدها من خلال موضع البدائل ، تمامًا كما هو الحال بالنسبة للهيدروكربونات المشبعة.
3. تشكيل الاسم.
تتشكل أسماء الألكينات بنفس طريقة أسماء الألكانات. في نهاية الاسم ، حدد عدد ذرة الكربون التي تبدأ عندها الرابطة المزدوجة ، واللاحقة تشير إلى أن المركب ينتمي إلى فئة الألكينات - -en.
على سبيل المثال:
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألكينات
الخصائص الفيزيائية.الممثلون الثلاثة الأوائل للسلسلة المتجانسة من الألكينات هم غازات ؛ مواد التركيب $ C_5H_ (10) $ - $ C_ (16) H_ (32) $ عبارة عن سوائل ؛ الألكينات الأعلى هي مواد صلبة.
تزداد نقاط الانصهار والغليان بشكل طبيعي مع زيادة الوزن الجزيئي للمركبات.
الخواص الكيميائية.
تفاعلات الإضافة.تذكر أن السمة المميزة لممثلي الهيدروكربونات غير المشبعة - الألكينات هي القدرة على الدخول في تفاعلات إضافة. تستمر معظم ردود الفعل هذه من خلال الآلية
1. هدرجة الألكينات.الألكينات قادرة على إضافة الهيدروجين في وجود محفزات الهدرجة والمعادن - البلاتين والبلاديوم والنيكل:
$ CH_3 — CH_2 — CH = CH_2 + H_2 (→) ↖ (Pt) CH_3 — CH_2 — CH_2 — CH_3 $.
يحدث هذا التفاعل عند الضغط الجوي والضغط المرتفع ولا يتطلب درجة حرارة عالية ، لأن طارد للحرارة. مع زيادة درجة حرارة نفس المحفزات ، يمكن أن يحدث التفاعل العكسي ، نزع الهيدروجين.
2. الهلجنة (إضافة الهالوجينات).يؤدي تفاعل ألكين مع ماء بروم أو محلول بروم في مذيب عضوي ($ CCl_4 $) إلى تغير سريع في لون هذه المحاليل نتيجة إضافة جزيء هالوجين إلى الألكين وتكوين ألكانات ثنائي الهالوجين:
$ CH_2 = CH_2 + Br_2 → CH_2Br— CH_2Br $.
3.
$ CH_3- (CH) ↙ (بروبين) = CH_2 + HBr → CH_3- (CHBr) ↙ (2-بروموبروبين) -CH_3 $
رد الفعل هذا يخضع ل حكم ماركوفنيكوف:
عندما يضاف هاليد الهيدروجين إلى ألكين ، يتم ربط الهيدروجين بذرة كربون مهدرجة أكثر ، أي الذرة التي يوجد بها المزيد من ذرات الهيدروجين ، والهالوجين - للذرة الأقل هدرجة.
يؤدي ترطيب الألكينات إلى تكوين الكحولات. على سبيل المثال ، تشكل إضافة الماء إلى الإيثين أساس إحدى الطرق الصناعية لإنتاج الكحول الإيثيلي:
$ (CH_2) ↙ (إيثين) = CH_2 + H_2O (→) ↖ (t، H_3PO_4) CH_3- (CH_2OH) ↙ (إيثانول) $
لاحظ أن الكحول الأساسي (مع مجموعة الهيدروكسو عند الكربون الأولي) يتكون فقط عندما يتم ترطيب الإيثين. عندما يتم ترطيب البروبين أو الألكينات الأخرى ، تتشكل كحولات ثانوية.
يستمر هذا التفاعل أيضًا وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف - كاتيون الهيدروجين مرتبط بذرة الكربون المهدرجة ، ومجموعة الهيدروكسو بالذرة الأقل هدرجة.
5. البلمرة.حالة خاصة للإضافة هي تفاعل البلمرة للألكينات:
$ nCH_2 (=) ↙ (إيثين) CH_2 (→) ↖ (ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، R) (... (- CH_2-CH_2-) ↙ (بولي إيثيلين) ...) _ n $
يستمر تفاعل الإضافة هذا بواسطة آلية الجذور الحرة.
6. تفاعل الأكسدة.
مثل أي مركبات عضوية ، تحترق الألكينات في الأكسجين لتكوين $ CO_2 $ و $ H_2O $:
دولار CH_2 = CH_2 + 3O_2 → 2CO_2 + 2H_2O دولار.
على العموم:
$ C_ (n) H_ (2n) + (3n) / (2) O_2 → nCO_2 + nH_2O $
على عكس الألكانات ، التي تقاوم الأكسدة في المحاليل ، تتأكسد الألكينات بسهولة عن طريق عمل محاليل برمنجنات البوتاسيوم. في المحاليل المحايدة أو القلوية ، تتأكسد الألكينات إلى ديول (كحول ثنائي الهيدروكسيل) ، وترتبط مجموعات الهيدروكسيل بتلك الذرات التي كانت توجد بينها رابطة مزدوجة قبل الأكسدة:
Alkadienes (ديين الهيدروكربونات)
Alkadienes عبارة عن هيدروكربونات لا حلقية تحتوي في الجزيء ، بالإضافة إلى روابط مفردة ، على رابطتين مزدوجتين بين ذرات الكربون وتتوافق مع الصيغة العامة $ C_ (n) H_ (2n-2) $.
اعتمادًا على الترتيب المتبادل للروابط المزدوجة ، هناك ثلاثة أنواع من الديانات:
- الكاديين مع تراكمتترتيب الروابط المزدوجة:
- الكاديين مع مترافقسندات مزدوجة؛
$ CH_2 = CH - CH = CH_2 $ ؛
- الكاديين مع معزولسندات مزدوجة
$ CH_2 = CH - CH_2 - CH = CH_2 $.
تختلف جميع أنواع الأكادين الثلاثة اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض في التركيب والخصائص. تكون ذرة الكربون المركزية (الذرة التي تشكل رابطتين مزدوجتين) في الألكاديين مع الروابط المتراكمة في حالة التهجين $ sp $. إنها تشكل سندات $ $ - ملقاة على نفس الخط المستقيم وموجهة في اتجاهين متعاكسين ، واثنتين من السندات $ $ تقعان في مستويين متعامدين. تتشكل السندات $ π $ -bonds بسبب المدارات p غير المهجنة لكل ذرة كربون. خصائص الألكاديين مع الروابط المزدوجة المعزولة محددة للغاية ، لأن تؤثر سندات $ π $ -bonds المقترنة بشكل كبير على بعضها البعض.
تشكل المدارات p التي تشكل سندات مترافقة $ $ -bond عمليًا نظامًا واحدًا (يطلق عليه $ π $ -system) ، لأن تتداخل المدارات p في السندات المجاورة $ $-Bonds جزئيًا.
التماثل والتسمية
تتميز Alkadienes بكل من التماكب البنيوي و cis- و trans-isomerism.
التماثل الهيكلي.
— تماثل الهيكل العظمي الكربوني:
— تماثل موضع الروابط المتعددة:
$ (CH_2 = CH-CH = CH_2) ↙ (بوتادين -1،3) $ $ (CH_2 = C = CH-CH_3) ↙ (بوتادين -1،2) $
رابطة الدول المستقلة ، عبر-التماثل (المكاني والهندسي)
على سبيل المثال:
Alkadienes هي مركبات متزامنة من فئات الألكينات والألكينات الحلقية.
عند تكوين اسم Alkadiene ، يشار إلى عدد الروابط المزدوجة. يجب أن تحتوي السلسلة الرئيسية بالضرورة على سندات متعددة.
على سبيل المثال:
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكادين
الخصائص الفيزيائية.
في ظل الظروف العادية ، يعتبر propandien-1،2 ، بوتادين -1،3 غازات ، 2-ميثيل بوتادين -1،3 سائل متطاير. Alkadienes ذات الروابط المزدوجة المعزولة (أبسطها pentadiene-1،4) هي سوائل. الديانات الأعلى هي مواد صلبة.
الخواص الكيميائية.
تختلف الخواص الكيميائية للألكاديين ذات الروابط المزدوجة المعزولة قليلاً عن تلك الموجودة في الألكينات. تتميز Alkadienes ذات الروابط المترافقة ببعض الميزات الخاصة.
1. تفاعلات الإضافة. Alkadienes قادر على إضافة الهيدروجين ، والهالوجينات ، وهاليدات الهيدروجين.
ميزة إضافة الألكاديين مع الروابط المترافقة هي القدرة على ربط الجزيئات في كل من الموضعين 1 و 2 ، وفي الموضعين 1 و 4.
تعتمد نسبة المنتجات على شروط وطريقة تنفيذ التفاعلات المقابلة.
2.تفاعل البلمرة.أهم خاصية للدين هي القدرة على البلمرة تحت تأثير الكاتيونات أو الجذور الحرة. بلمرة هذه المركبات هي أساس المطاط الصناعي:
$ nCH_2 = (CH-CH = CH_2) ↙ (بوتادين -1،3) → ((... -CH_2-CH = CH-CH_2— ...) _ n) ↙ (\ text "مطاط بوتادين صناعي") $ .
تتم بلمرة الديانات المترافقة كإضافة 1،4.
في هذه الحالة ، يتضح أن الرابطة المزدوجة تكون مركزية في الارتباط ، ويمكن للرابط الأولي بدوره أن يأخذ كلاهما رابطة الدول المستقلة-، و نشوة-إعدادات.
ألكينز
الألكينات عبارة عن هيدروكربونات لا حلقية تحتوي في الجزيء ، بالإضافة إلى روابط مفردة ، على رابطة ثلاثية واحدة بين ذرات الكربون وتتوافق مع الصيغة العامة $ C_ (n) H_ (2n-2) $.
سلسلة متماثلة من الإيثين
تشكل الألكينات غير الممنوحة سلسلة متجانسة من ethyne (الأسيتيلين):
$ C_2H_2 $ - ethyne ، $ C_3H_4 $ - propyne ، $ C_4H_6 $ - butyne ، $ C_5H_8 $ - pentine ، $ C_6H_ (10) $ - هيكسين ، إلخ.
التماثل والتسمية
بالنسبة للألكينات ، وكذلك للألكينات ، فإن التماثل البنيوي هو سمة مميزة: تماثل الهيكل الكربوني والتشابه لموضع الرابطة المتعددة. أبسط ألكين ، والذي يتميز بأيزومرات بنيوية لموضع الرابطة المتعددة لفئة ألكين ، هو بوتين:
$ CH_3— (CH_2) ↙ (butyn-1) —C≡CH $ $ CH_3— (C≡C) ↙ (butyn-2) —CH_3 $
إن تماثل الهيكل الكربوني في الألكينات ممكن ، بدءًا من البنتين:
نظرًا لأن الرابطة الثلاثية تفترض بنية خطية لسلسلة الكربون ، فإن الشكل الهندسي ( رابطة الدول المستقلة ، عبر-) التماثل غير ممكن بالنسبة للألكينات.
تنعكس اللاحقة وجود رابطة ثلاثية في جزيئات الهيدروكربون من هذه الفئة -في، وموقعه في السلسلة - عدد ذرة الكربون.
على سبيل المثال:
الألكينات هي مركبات متشابهة لبعض الأصناف الأخرى. لذلك ، الهكسين (ألكين) ، هيكسادين (ألكاديين) وسيكلو هكسين (سيكلو ألكين) لها الصيغة الكيميائية $ С_6Н_ (10) $:
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألكينات
الخصائص الفيزيائية.تزداد نقاط غليان وانصهار الألكينات وكذلك الألكينات بشكل طبيعي مع زيادة الوزن الجزيئي للمركبات.
الألكينات لها رائحة معينة. وهي أكثر قابلية للذوبان في الماء من الألكانات والألكينات.
الخواص الكيميائية.
تفاعلات الإضافة.الألكينات هي مركبات غير مشبعة وتدخل في تفاعلات إضافة. في الأساس ، هذه ردود أفعال. إضافة اليكتروفيليك.
1. الهلجنة (إضافة جزيء الهالوجين). Alkyne قادر على إرفاق جزيئين هالوجين (الكلور ، البروم):
$ CH≡CH + Br_2 → (CHBr = CHBr) ↙ (1،2-ثنائي بروموإيثان) ، $
دولار CHBr = CHBr + Br_2 → (CHBr_2-CHBr_2) ↙ (1،1،2،2-tetrabromoethane) $
2. الهالوجين المائي (إضافة هاليد الهيدروجين).تفاعل إضافة هاليد الهيدروجين ، وفقًا لآلية الإلكتروفيلي ، يستمر أيضًا على مرحلتين ، وفي كلتا المرحلتين يتم استيفاء قاعدة ماركوفنيكوف:
$ CH_3-C≡CH + Br → (CH_3-CBr = CH_2) ↙ (2-بروموبروبين) ، $
$ CH_3-CBr = CH_2 + HBr → (CH_3-CHBr_2-CH_3) ↙ (2،2-ثنائي بروموبروبان) $
3. الترطيب (إضافة الماء).من الأهمية بمكان للتخليق الصناعي للكيتونات والألدهيدات تفاعل إضافة الماء (الترطيب) ، والذي يسمى رد فعل كوتشيروف:
4. هدرجة الألكينات.تضيف الألكينات الهيدروجين في وجود محفزات معدنية ($ Pt، Pd، Ni $):
$ R-C≡C-R + H_2 (→) ↖ (Pt) R-CH = CH-R ، $
$ R-CH = CH-R + H_2 (→) ↖ (Pt) R-CH_2-CH_2-R $
نظرًا لأن الرابطة الثلاثية تحتوي على رابطين تفاعليين $ π $ ، فإن الألكانات تضيف الهيدروجين بخطوات:
1) التشذيب.
عندما يتم تمرير الإيثين فوق الكربون المنشط ، يتم تكوين خليط من المنتجات ، أحدها البنزين:
2) ديميريزيشن.
بالإضافة إلى تقليم الأسيتيلين ، من الممكن أيضًا تقليله. تحت تأثير أملاح النحاس أحادية التكافؤ ، يتكون فينيل أسيتيلين:
$ 2HC≡CH → (HC≡C-CH = CH_2) ↙ (\ text "بيوتين-1-yn-3 (فينيل أسيتيلين)") $
تستخدم هذه المادة لإنتاج الكلوروبرين:
$ HC≡C-CH = CH_2 + HCl (→) ↖ (CaCl) H_2C = (CCl-CH) ↙ (كلوروبرين) = CH_2 $
البلمرة التي ينتج عنها مطاط الكلوروبرين:
$ nH_2C = CCl-CH = CH_2 → (...- H_2C-CCl = CH-CH_2 -...) _ n $
أكسدة ألكين.
يحترق الإيثين (الأسيتيلين) في الأكسجين مع إطلاق كمية كبيرة جدًا من الحرارة:
$ 2C_2H_2 + 5O_2 → 4CO_2 + 2H_2O + 2600kJ $ يعتمد هذا التفاعل على عمل شعلة أوكسي أسيتيلين ، والتي يكون لهبها درجة حرارة عالية جدًا (أكثر من 3000 $ درجة مئوية) ، مما يجعل من الممكن استخدامها لقطع ولحام المعادن.
في الهواء ، يحترق الأسيتيلين بلهب مدخن ، لأنه. محتوى الكربون في جزيئه أعلى منه في جزيئات الإيثان والإيثين.
تعمل الألكينات ، مثل الألكينات ، على إزالة لون المحاليل المحمضة لبرمنجنات البوتاسيوم ؛ في هذه الحالة ، يحدث تدمير السندات المتعددة.
Ionic (حكم V.V. Markovnikov) وآليات التفاعل الجذري في الكيمياء العضوية
أنواع التفاعلات الكيميائية في الكيمياء العضوية
يمكن تقسيم تفاعلات المواد العضوية رسميًا إلى أربعة أنواع رئيسية: الاستبدال والإضافة والقضاء (الإقصاء) وإعادة الترتيب (الأزمرة). من الواضح أن المجموعة الكاملة من تفاعلات المركبات العضوية لا يمكن اختزالها إلى التصنيف المقترح (على سبيل المثال ، تفاعلات الاحتراق). ومع ذلك ، فإن مثل هذا التصنيف سيساعد في إنشاء تشابهات مع التفاعلات التي تحدث بين المواد غير العضوية المألوفة لك بالفعل من مسار الكيمياء غير العضوية.
كقاعدة عامة ، يُطلق على المركب العضوي الرئيسي المشارك في التفاعل اسم الركيزة ، ويُنظر إلى المكون الآخر للتفاعل على أنه كاشف.
تفاعلات الاستبدال
التفاعلات التي تؤدي إلى استبدال ذرة واحدة أو مجموعة ذرات في الجزيء الأصلي (ركيزة) بذرات أو مجموعات ذرات أخرى تسمى تفاعلات الاستبدال.
تتضمن تفاعلات الاستبدال مركبات مشبعة وعطرية مثل الألكانات أو الألكانات الحلقية أو الأرينات.
دعونا نعطي أمثلة على ردود الفعل هذه.
تحت تأثير الضوء ، يمكن استبدال ذرات الهيدروجين في جزيء الميثان بذرات الهالوجين ، على سبيل المثال ، بواسطة ذرات الكلور:
$ CH_4 + Cl_2 → CH_3Cl + HCl $
مثال آخر على استبدال الهيدروجين بالهالوجين هو تحويل البنزين إلى بروموبنزين:
يمكن كتابة معادلة هذا التفاعل بشكل مختلف:
باستخدام هذا الشكل من الكتابة ، تتم كتابة الكواشف ، والمحفز ، وظروف التفاعل فوق السهم ، وتكتب منتجات التفاعل غير العضوي تحته.
تفاعلات الإضافة
التفاعلات ، التي ينتج عنها اتحاد جزيئين أو أكثر من المواد المتفاعلة في واحد ، تسمى تفاعلات الإضافة.
تدخل المركبات غير المشبعة ، مثل الألكينات أو الألكينات ، في تفاعلات إضافة.
اعتمادًا على الجزيء الذي يعمل ككاشف ، يتم تمييز الهدرجة (أو الاختزال) ، والهالوجين ، والهيدروجين ، والترطيب ، وتفاعلات الإضافة الأخرى. كل واحد منهم يتطلب شروطا معينة.
1. الهدرجة- تفاعل إضافة جزيء الهيدروجين إلى رابطة متعددة:
$ CH_3 (-CH =) ↙ (\ text "propene") CH_2 + H_2 (→) ↖ (Pt) CH_3 (-CH_2-) ↙ (\ text "propane") - CH_3 $
2.الهالوجين المائي- تفاعل إضافة هاليد الهيدروجين (المعالجة بالكلورة):
$ (CH_2 =) ↙ (\ text "ethene") CH_2 + HCl → CH_3 (-CH_2-) ↙ (\ text "كلورو إيثان") - Cl $
3.الهلجنة- تفاعل إضافة الهالوجين:
$ (CH_2 =) ↙ (\ text "ethene") CH_2 + Cl_2 → (CH_2Cl-CH_2Cl) ↙ (\ text "1.2-dichloroethane") $
4. البلمرة- نوع خاص من تفاعلات الإضافة ، يتم خلالها دمج جزيئات مادة ذات وزن جزيئي صغير مع بعضها البعض لتكوين جزيئات مادة ذات وزن جزيئي مرتفع جدًا - الجزيئات الكبيرة.
تفاعلات البلمرة هي عمليات الجمع بين العديد من جزيئات مادة منخفضة الوزن الجزيئي (مونومر) في جزيئات كبيرة (جزيئات كبيرة) من البوليمر.
مثال على تفاعل البلمرة هو إنتاج البولي إيثيلين من الإيثيلين (الإيثين) تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية وبادئ البلمرة الجذري $ R: $
$ (nCH_2 =) ↙ (\ text "ethene") CH_2 (→) ↖ (\ text "UV light، R") ((...- CH_2-CH_2 -...) _ n) ↙ (\ text "polyethylene ") $
تتشكل الرابطة التساهمية الأكثر تميزًا للمركبات العضوية عندما تتداخل المدارات الذرية وتشكل أزواج إلكترونية مشتركة. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مدار مشترك بين ذرتين ، حيث يوجد زوج إلكترون مشترك. عندما يتم كسر الرابطة ، يمكن أن يكون مصير هذه الإلكترونات الشائعة مختلفًا.
أنواع الجسيمات التفاعلية في الكيمياء العضوية
يمكن أن يتداخل المدار الذي يحتوي على إلكترون غير مزدوج ينتمي إلى ذرة واحدة مع مدار ذرة أخرى تحتوي أيضًا على إلكترون غير مزدوج. ينتج عن هذا تكوين رابطة تساهمية آلية التبادل:
$ H + H → H: H أو $ أو $ H-H $
آلية التبادليتحقق تكوين الرابطة التساهمية إذا تم تكوين زوج إلكترون مشترك من إلكترونات غير زوجية تنتمي إلى ذرات مختلفة.
العملية المعاكسة لتكوين رابطة تساهمية بواسطة آلية التبادل هي كسر الرابطة ، حيث يذهب إلكترون واحد إلى كل ذرة. نتيجة لذلك ، يتكون جسيمان غير مشحون بإلكترونات غير متزاوجة:
تسمى هذه الجسيمات الشوارد الحرة.
الشوارد الحرة- الذرات أو مجموعات الذرات التي تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة.
تسمى ردود الفعل التي تحدث تحت الفعل وبمشاركة الجذور الحرة بردود الفعل الراديكالية الحرة.
في سياق الكيمياء غير العضوية ، هذه هي تفاعلات تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين ، الهالوجينات ، تفاعلات الاحتراق. يرجى ملاحظة أن ردود الفعل من هذا النوع تتميز بالسرعة العالية ، وإطلاق كمية كبيرة من الحرارة.
يمكن أيضًا تكوين رابطة تساهمية بواسطة آلية متلقي المانح. أحد مدارات الذرة (أو الأنيون) ، التي يوجد عليها زوج إلكترون غير مشترك ، يتداخل مع مدار غير مملوء لذرة أخرى (أو كاتيون) ، والتي لها مدار غير مملوء ، وتتشكل رابطة تساهمية ، على سبيل المثال :
$ H ^ (+) + (: O-H ^ (-)) ↙ (\ text "Acceptor") → (H-O-H) ↙ (\ text "الجهة المانحة") $
يؤدي تمزق الرابطة التساهمية إلى تكوين جسيمات موجبة وسالبة الشحنة ؛ نظرًا لأنه في هذه الحالة يظل كلا الإلكترونين من زوج الإلكترون المشترك مع إحدى الذرات ، فإن الذرة الثانية لها مدار غير مملوء:
$ R: | R = R: ^ (-) + R ^ (+) $
ضع في اعتبارك التفكك الإلكتروليتي للأحماض:
$ H: | Cl = H ^ (+) + Cl ^ (-) $
يمكن للمرء أن يخمن بسهولة أن الجسيم الذي يحتوي على زوج إلكترون غير مشترك $ R: ^ (-) $ ، أي أيون سالب الشحنة ، سينجذب إلى ذرات موجبة الشحنة أو إلى ذرات يوجد عليها على الأقل شحنة موجبة جزئية أو فعالة. تسمى الجسيمات التي تحتوي على أزواج إلكترونية غير مشتركة العوامل النووية (نواة- النواة ، الجزء الموجب الشحنة من الذرة) ، أي "أصدقاء" النواة ، الشحنة الموجبة.
نيوكليوفيلز (نو $)- الأنيونات أو الجزيئات التي لها زوج وحيد من الإلكترونات يتفاعل مع أجزاء من الجزيئات التي تتركز عليها شحنة موجبة فعالة.
أمثلة على nucleophiles: $ Cl ^ (-) $ (كلوريد أيون) ، $ OH ^ (-) $ (أنيون هيدروكسيد) ، $ CH_3O ^ (-) $ (ميثوكسيد أنيون) ، $ CH_3COO ^ (-) $ (أسيتات أنيون ).
على العكس من ذلك ، ستميل الجسيمات التي لها مدار غير مملوء إلى ملئه ، وبالتالي ستنجذب إلى مناطق الجزيئات التي تحتوي على كثافة إلكترون متزايدة وشحنة سالبة وزوج إلكترون غير مشترك. وهي عبارة عن مركبات كهربائية ، "أصدقاء" للإلكترون ، أو شحنة سالبة ، أو جسيمات ذات كثافة إلكترون متزايدة.
اليكتروفيل- الكاتيونات أو الجزيئات التي لها مدار إلكترون غير مملوء ، تميل إلى ملئه بالإلكترونات ، لأن هذا يؤدي إلى تكوين إلكتروني أكثر ملاءمة للذرة.
أمثلة على المواد الكهربائية: NO_2 $ (مجموعة نيترو) ، - $ COOH $ (كربوكسيل) ، - $ CN $ (مجموعة نتريل) ، - $ COH $ (مجموعة ألدهيد).
ليس كل جسيم بمدار فارغ عبارة عن جسيم كهربائي. لذلك ، على سبيل المثال ، تحتوي الكاتيونات الفلزية القلوية على تكوين غازات خاملة ولا تميل إلى اكتساب الإلكترونات ، نظرًا لأن لديها تقارب إلكترون منخفض. من هذا المنطلق يمكننا أن نستنتج أنه على الرغم من وجود مدار غير مملوء ، فإن هذه الجسيمات لن تكون عبارة عن مركبات كهربائية.
آليات التفاعل الرئيسية
لقد حددنا ثلاثة أنواع رئيسية من الجسيمات المتفاعلة - الجذور الحرة ، والمركبات الكهربائية ، والنيوكليوفيلات - وثلاثة أنواع من آليات التفاعل المقابلة لها:
- الجذور الحرة؛
- محبة للكهرباء.
- محبة النواة.
بالإضافة إلى تصنيف التفاعلات وفقًا لنوع الجسيمات المتفاعلة ، تميز الكيمياء العضوية أربعة أنواع من التفاعلات وفقًا لمبدأ تغيير تكوين الجزيئات: الإضافة ، أو الاستبدال ، أو الحذف ، أو الحذف (من خطوط الطول. إزالة- الحذف والتقسيم) وإعادة الترتيب. نظرًا لأن الإضافة والاستبدال يمكن أن يحدثا تحت تأثير جميع الأنواع الثلاثة من الأنواع التفاعلية ، يمكن تمييز العديد من آليات التفاعل الرئيسية.
1.استبدال الجذور الحرة:
$ (CH_4) ↙ (\ text "methane") + Br_2 (→) ↖ (\ text "UV light") (CH_3Br) ↙ (\ text "bromomethane") + HBr $
2. إضافة الجذور الحرة:
$ nCH_2 = CH_2 (→) ↖ (\ نص "ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، R") (...- CH_2-CH_2 -...) _ n $
3. الاستبدال الكهربائي:
4. اتصال كهربائي:
$ CH_3- (CH =) ↙ (\ text "propene") CH_2 + HBr (→) ↖ (\ text "solution") (CH_3-CHBr-CH_3) ↙ (\ text "2-bromopropane") $
$ CH_3 (-C≡) ↙ (\ text "propyne") CH + Cl_2 (→) ↖ (\ text "solution") (CH_3-CCl = CHCl) ↙ (\ text "1،2-dichloropropene") $
5. إضافة محبة النواة:
بالإضافة إلى ذلك ، سننظر في تفاعلات الانقسام أو الإزالة التي تحدث تحت تأثير الجسيمات النووية - القواعد.
6. إزالة:
$ CH_3-CHBr-CH_3 + هيدروكسيد الصوديوم (→) ↖ (\ نص "محلول كحول") CH_3-CH = CH_2 + NaBr + H_2O $
حكم V.V.Markovnikov
السمة المميزة للألكينات (الهيدروكربونات غير المشبعة) هي القدرة على الدخول في تفاعلات إضافة. تستمر معظم ردود الفعل هذه من خلال الآلية إضافة اليكتروفيليك.
الهالوجين المائي (إضافة هاليد الهيدروجين):
$ CH_3 (-CH-) ↙ (\ text "propene") CH_2 + HBr → CH_3 (-CHBr-CH_3) ↙ (\ text "2-bromopropane") $
رد الفعل هذا يخضع ل حكم في.ماركوفنيكوف:عندما يضاف هاليد الهيدروجين إلى ألكين ، يضاف الهيدروجين إلى ذرة كربون مهدرجة أكثر ، أي الذرة التي يوجد بها المزيد من ذرات الهيدروجين ، والهالوجين - للذرة الأقل هدرجة.
الهيدروكربونات ، في الجزيئات التي ترتبط ذراتها بروابط مفردة والتي تتوافق مع الصيغة العامة C n H 2 n +2.
في جزيئات الألكان ، تكون جميع ذرات الكربون في حالة تهجين sp 3. هذا يعني أن المدارات الأربعة المختلطة لذرة الكربون متطابقة في الشكل والطاقة وموجهة إلى زوايا هرم مثلث متساوي الأضلاع - رباعي الوجوه. الزوايا بين المدارات هي 109 ° 28 '.
يمكن تقريبًا الدوران الحر حول رابطة كربون-كربون واحدة ، ويمكن لجزيئات الألكان أن تتخذ مجموعة متنوعة من الأشكال بزوايا عند ذرات الكربون القريبة من رباعي السطوح (109 ° 28 ′) ، على سبيل المثال ، في الجزيء ن-البنتان.
يجدر بشكل خاص أن نتذكر الروابط في جزيئات الألكانات. جميع الروابط في جزيئات الهيدروكربونات المشبعة أحادية. يحدث التداخل على طول المحور ،
تربط نوى الذرات ، أي هذه روابط. روابط الكربون - الكربون غير قطبية وقابلة للاستقطاب بشكل سيئ. يبلغ طول الرابطة C-C في الألكانات 0.154 نانومتر (1.54 10 - 10 م). روابط C-H أقصر إلى حد ما. يتم إزاحة كثافة الإلكترون قليلاً نحو ذرة الكربون الأكثر كهربيًا ، أي أن الرابطة C-H قطبية ضعيفة.
يؤدي عدم وجود روابط قطبية في جزيئات الهيدروكربونات المشبعة إلى حقيقة أنها ضعيفة الذوبان في الماء ولا تتفاعل مع الجسيمات المشحونة (الأيونات). أكثر ما يميز الألكانات هي التفاعلات التي تتضمن الجذور الحرة.
سلسلة متماثلة من الميثان
المتجانسات- مواد متشابهة في التركيب والخصائص وتختلف في مجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات الميثان.
التماثل والتسمية
تتميز الألكانات بما يسمى التماثل البنيوي. تختلف الايزومرات الهيكلية عن بعضها البعض في هيكل الهيكل الكربوني. أبسط ألكان ، الذي يتميز بأيزومرات بنيوية ، هو البيوتان. 
اساسيات التسمية
1. اختيار الدائرة الرئيسية.يبدأ تكوين اسم الهيدروكربون بتعريف السلسلة الرئيسية - وهي أطول سلسلة من ذرات الكربون في الجزيء ، والتي تشكل ، كما كانت ، أساسها.
2. ترقيم ذرات السلسلة الرئيسية.يتم تخصيص أرقام لذرات السلسلة الرئيسية. يبدأ ترقيم ذرات السلسلة الرئيسية من النهاية الأقرب إلى البديل (الهياكل أ ، ب). إذا كانت البدائل على مسافة متساوية من نهاية السلسلة ، فسيبدأ الترقيم من النهاية التي يوجد بها عدد أكبر منهم (البنية B). إذا كانت البدائل المختلفة على مسافة متساوية من نهايات السلسلة ، فإن الترقيم يبدأ من النهاية التي يكون الأقدم أقرب إليها (الهيكل D). يتم تحديد أقدمية بدائل الهيدروكربونات بالترتيب الذي يتبع به الحرف الذي يبدأ به اسمها في الأبجدية: ميثيل (-CH 3) ، ثم إيثيل (-CH 2 -CH 3) ، بروبيل (-CH 2 -CH 2 -CH 3) إلخ.
لاحظ أن اسم البديل يتكون عن طريق استبدال اللاحقة -an باللاحقة- الطميباسم الألكان المقابل.
3. تشكيل الاسم. يشار إلى الأرقام في بداية الاسم - عدد ذرات الكربون التي توجد بها البدائل. إذا كان هناك عدة بدائل في ذرة معينة ، فسيتم تكرار الرقم المقابل في الاسم مرتين مفصولة بفاصلة (2،2-). بعد الرقم ، تشير الواصلة إلى عدد البدائل ( دي- اثنين، ثلاثة- ثلاثة، تترا- أربعة ، بنتا- خمسة) واسم البديل (ميثيل ، إيثيل ، بروبيل). ثم بدون مسافات وواصلات - اسم السلسلة الرئيسية. يشار إلى السلسلة الرئيسية باسم الهيدروكربون - وهو عضو في سلسلة الميثان المتجانسة ( الميثان CH 4 ، الإيثانج 2 ح 6 ، البروبانج 3 هـ 8 ، ج 4 ح 10 ، البنتانج 5 ح 12 ، الهكسانج 6 ح 14 ، هيبتانج 7 ح 16 ، أوكتانج 8 ح 18 ، نونانج 9 ح 20 ، عميدج 10 ح 22).
الخصائص الفيزيائية للألكانات
أول أربعة ممثلين لسلسلة متجانسة من الميثان هم غازات. أبسطها هو الميثان - غاز عديم اللون ، لا طعم له ولا رائحة (رائحة "الغاز" ، بعد أن شعرت ، تحتاج إلى الاتصال بالرقم 04 ، يتم تحديدها من خلال رائحة المركابتان - مركبات تحتوي على الكبريت مضافة خصيصًا إلى الميثان المستخدم في أجهزة الغاز المنزلية والصناعية حتى يتمكن الأشخاص القريبون منها من شم رائحة التسرب).
هيدروكربونات تكوين من C 4 H 12 إلى C 15 H 32 - سوائل ؛ الهيدروكربونات الثقيلة هي مواد صلبة. تزداد نقاط غليان وانصهار الألكانات تدريجياً مع زيادة طول سلسلة الكربون. جميع الهيدروكربونات ضعيفة الذوبان في الماء ؛ الهيدروكربونات السائلة هي مذيبات عضوية شائعة.
الخواص الكيميائية للألكانات
تفاعلات الاستبدال.
أكثر ما يميز الألكانات هو تفاعلات استبدال الجذور الحرة ، والتي يتم خلالها استبدال ذرة الهيدروجين بذرة هالوجين أو مجموعة ما. دعونا نقدم معادلات التفاعلات المميزة الهالوجين: 
في حالة وجود فائض من الهالوجين ، يمكن أن تذهب الكلورة إلى أبعد من ذلك ، حتى الاستبدال الكامل لجميع ذرات الهيدروجين بالكلور: 
تستخدم المواد الناتجة على نطاق واسع كمذيبات ومواد أولية في التخليق العضوي.
تفاعل نزع الهيدروجين(انقسام الهيدروجين).
أثناء مرور الألكانات فوق المحفز (Pt ، Ni ، Al 2 0 3 ، Cr 2 0 3) عند درجة حرارة عالية (400-600 درجة مئوية) ، ينفصل جزيء الهيدروجين ويتكون ألكين:
ردود الفعل المصحوبة بتدمير سلسلة الكربون.
تحترق جميع الهيدروكربونات المشبعة بتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. يمكن أن تنفجر الهيدروكربونات الغازية الممزوجة بالهواء بنسب معينة.
1. احتراق الهيدروكربونات المشبعةهو تفاعل طارد للحرارة للجذور الحرة ، وهو أمر مهم جدًا عند استخدام الألكانات كوقود:
بشكل عام ، يمكن كتابة تفاعل احتراق الألكانات على النحو التالي:
2. الفصل الحراري للهيدروكربونات.
تستمر العملية وفقًا لآلية الجذور الحرة. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تمزق التحلل المتماثل في الرابطة الكربونية والكربون وتشكيل الجذور الحرة.
تتفاعل هذه الجذور مع بعضها البعض ، وتتبادل ذرة الهيدروجين ، مع تكوين جزيء ألكان وجزيء ألكين:
تفاعلات الانقسام الحراري تكمن وراء العملية الصناعية - التكسير الهيدروكربوني. هذه العملية هي أهم مرحلة في تكرير النفط.
3. الانحلال الحراري. عندما يتم تسخين الميثان إلى درجة حرارة 1000 درجة مئوية ، يبدأ الانحلال الحراري للميثان - التحلل إلى مواد بسيطة: 
عند التسخين إلى درجة حرارة 1500 درجة مئوية ، يكون تكوين الأسيتيلين ممكنًا:
4. الأزمرة. عندما يتم تسخين الهيدروكربونات الخطية باستخدام محفز مشابه (كلوريد الألومنيوم) ، تتشكل المواد ذات الهيكل الكربوني المتفرع: 
5. أرمتة. الألكانات التي تحتوي على ست ذرات كربون أو أكثر في السلسلة في وجود محفز يتم تدويرها لتكوين البنزين ومشتقاته: 
تدخل الألكانات في تفاعلات تستمر وفقًا لآلية الجذور الحرة ، نظرًا لأن جميع ذرات الكربون في جزيئات الألكان تكون في حالة تهجين sp 3. يتم بناء جزيئات هذه المواد باستخدام روابط C-C (كربون - كربون) غير قطبية غير قطبية وروابط C-H (كربون - هيدروجين) ضعيفة القطبية. ليس لديهم مناطق ذات كثافة إلكترون عالية ومنخفضة ، روابط سهلة الاستقطاب ، أي ، مثل هذه الروابط ، كثافة الإلكترون التي يمكن تغييرها تحت تأثير العوامل الخارجية (الحقول الكهروستاتيكية للأيونات). وبالتالي ، لن تتفاعل الألكانات مع الجسيمات المشحونة ، لأن الروابط في جزيئات الألكان لا تتكسر بواسطة آلية التحلل غير المتجانسة. 
