Tabelle der Reaktionen von Kohlenwasserstoffen. Charakteristische chemische Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen. Reaktionsmechanismen. Die Struktur und Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Alkane (Paraffine) sind nicht-cyclische Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen alle Kohlenstoffatome nur durch Einfachbindungen verbunden sind. Mit anderen Worten, es gibt keine Mehrfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen in den Molekülen von Alkanen. Tatsächlich sind Alkane Kohlenwasserstoffe, die die maximal mögliche Anzahl von Wasserstoffatomen enthalten, und werden daher als limitierend (gesättigt) bezeichnet.

Aufgrund der Sättigung können Alkane keine Additionsreaktionen eingehen.

Da Kohlenstoff- und Wasserstoffatome eine ziemlich ähnliche Elektronegativität haben, führt dies dazu, dass die CH-Bindungen in ihren Molekülen eine extrem niedrige Polarität haben. In dieser Hinsicht sind für Alkane Reaktionen charakteristischer, die nach dem Mechanismus der radikalischen Substitution ablaufen, bezeichnet durch das Symbol S R .

1. Substitutionsreaktionen

Bei Reaktionen dieser Art werden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufgebrochen.

RH + XY → RX + HY

Halogenierung

Alkane reagieren mit Halogenen (Chlor und Brom) unter Einwirkung von UV-Licht oder starker Hitze. In diesem Fall wird eine Mischung von Halogenderivaten mit unterschiedlichen Substitutionsgraden von Wasserstoffatomen gebildet - Mono-, Di-Tri- usw. Halogen-substituierte Alkane.

Am Beispiel von Methan sieht das so aus:

Durch Änderung des Halogen/Methan-Verhältnisses in der Reaktionsmischung ist es möglich sicherzustellen, dass irgendein bestimmtes Methan-Halogen-Derivat in der Zusammensetzung der Produkte vorherrscht.

Reaktionsmechanismus

Analysieren wir den Mechanismus der radikalischen Substitutionsreaktion am Beispiel der Wechselwirkung von Methan und Chlor. Es besteht aus drei Stufen:

1. Initiierung (oder Ketteninitiierung) - der Prozess der Bildung freier Radikale unter Einwirkung von Energie von außen - Bestrahlung mit UV-Licht oder Erwärmung. In diesem Stadium erfährt das Chlormolekül eine homolytische Spaltung der Cl-Cl-Bindung unter Bildung freier Radikale:

Freie Radikale nennt man, wie aus obiger Abbildung ersichtlich, Atome oder Atomgruppen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen (Cl, H, CH 3 , CH 2 etc.);

2. Kettenentwicklung

Dieses Stadium besteht in der Wechselwirkung aktiver freier Radikale mit inaktiven Molekülen. Dabei werden neue Radikale gebildet. Insbesondere beim Einwirken von Chlorradikalen auf Alkanmoleküle entsteht ein Alkylradikal und Chlorwasserstoff. Das Alkylradikal wiederum bildet bei Kollision mit Chlormolekülen ein Chlorderivat und ein neues Chlorradikal:

3) Bruch (Tod) der Kette:

Tritt als Ergebnis der Rekombination zweier Radikale miteinander zu inaktiven Molekülen auf:

2. Oxidationsreaktionen

Unter normalen Bedingungen sind Alkane gegenüber so starken Oxidationsmitteln wie konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure, Permanganat und Kaliumdichromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7) inert.

Verbrennung in Sauerstoff

A) vollständige Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss. Führt zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

B) unvollständige Verbrennung mit Sauerstoffmangel:

2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 \u003d C + 2 H 2 O

Katalytische Oxidation mit Sauerstoff

Durch das Erhitzen von Alkanen mit Sauerstoff (~200 o C) in Gegenwart von Katalysatoren kann eine Vielzahl organischer Produkte daraus erhalten werden: Aldehyde, Ketone, Alkohole, Carbonsäuren.

Beispielsweise kann Methan je nach Art des Katalysators zu Methylalkohol, Formaldehyd oder Ameisensäure oxidiert werden:

3. Thermische Umwandlungen von Alkanen

Knacken

Cracken (von englisch to crack - to tear) ist ein chemischer Prozess, der bei hoher Temperatur auftritt, wodurch das Kohlenstoffgerüst von Alkanmolekülen unter Bildung von Alkenen und Alkanmolekülen mit niedrigeren Molekulargewichten im Vergleich zu den ursprünglichen Alkanen bricht. Zum Beispiel:

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

Das Cracken kann thermisch oder katalytisch sein. Für die Durchführung des katalytischen Crackens werden aufgrund des Einsatzes von Katalysatoren im Vergleich zum thermischen Cracken deutlich niedrigere Temperaturen verwendet.

Dehydrierung

Die Abspaltung von Wasserstoff erfolgt durch Aufbrechen der C-H-Bindungen; in Gegenwart von Katalysatoren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Bei der Dehydrierung von Methan entsteht Acetylen:

2CH4 → C2H2 + 3H2

Das Erhitzen von Methan auf 1200 ° C führt zu seiner Zersetzung in einfache Substanzen:

CH4 → C + 2H2

Die Dehydrierung anderer Alkane ergibt Alkene:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2

Beim Dehydrieren n-Butan, Buten-1 und Buten-2 (letzteres in der Form cis- und Trance-Isomere):

Dehydrocyclisierung

Isomerisierung

Chemische Eigenschaften von Cycloalkanen

Die chemischen Eigenschaften von Cycloalkanen mit mehr als vier Kohlenstoffatomen in den Ringen sind im Allgemeinen fast identisch mit denen von Alkanen. Für Cyclopropan und Cyclobutan sind merkwürdigerweise Additionsreaktionen charakteristisch. Dies liegt an der hohen Spannung innerhalb des Kreislaufs, die dazu führt, dass diese Zyklen zum Brechen neigen. So fügen Cyclopropan und Cyclobutan leicht Brom, Wasserstoff oder Chlorwasserstoff hinzu:

Chemische Eigenschaften von Alkenen

1. Additionsreaktionen

Da die Doppelbindung in Alkenmolekülen aus einer starken Sigma-Bindung und einer schwachen Pi-Bindung besteht, sind sie ziemlich aktive Verbindungen, die leicht Additionsreaktionen eingehen. Alkene gehen solche Reaktionen oft schon unter milden Bedingungen ein – in der Kälte, in wässrigen Lösungen und organischen Lösungsmitteln.

Hydrierung von Alkenen

Alkene können in Gegenwart von Katalysatoren (Platin, Palladium, Nickel) Wasserstoff addieren:

CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3

Die Hydrierung von Alkenen verläuft auch bei Normaldruck und leichtem Erhitzen problemlos. Eine interessante Tatsache ist, dass die gleichen Katalysatoren für die Dehydrierung von Alkanen zu Alkenen verwendet werden können, nur dass der Dehydrierungsprozess bei einer höheren Temperatur und einem niedrigeren Druck abläuft.

Halogenierung

Alkene gehen sowohl in wässriger Lösung als auch in organischen Lösungsmitteln leicht eine Additionsreaktion mit Brom ein. Durch die Wechselwirkung verlieren zunächst gelbe Bromlösungen ihre Farbe, d.h. verfärben.

CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br

Hydrohalogenierung

Es ist leicht einzusehen, dass die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein unsymmetrisches Alkenmolekül theoretisch zu einem Gemisch aus zwei Isomeren führen sollte. Wenn zum Beispiel Bromwasserstoff zu Propen hinzugefügt wird, sollten die folgenden Produkte erhalten werden:

In Ermangelung spezifischer Bedingungen (z. B. Vorhandensein von Peroxiden in der Reaktionsmischung) erfolgt die Addition eines Halogenwasserstoffmoleküls jedoch streng selektiv gemäß der Markovnikov-Regel:

Die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Alken erfolgt so, dass Wasserstoff an ein Kohlenstoffatom mit einer größeren Anzahl von Wasserstoffatomen (stärker hydriert) und ein Halogen an ein Kohlenstoffatom mit einer geringeren Anzahl von Wasserstoffatomen gebunden wird (weniger hydriert).

Flüssigkeitszufuhr

Diese Reaktion führt zur Bildung von Alkoholen und verläuft ebenfalls nach der Markovnikov-Regel:

Wie Sie sich vorstellen können, ist die Bildung von primärem Alkohol aufgrund der Tatsache, dass die Addition von Wasser an das Alkenmolekül gemäß der Markovnikov-Regel erfolgt, nur im Fall der Ethylenhydratation möglich:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

Durch diese Reaktion wird die Hauptmenge an Ethylalkohol in der Großindustrie hergestellt.

Polymerisation

Ein Sonderfall der Additionsreaktion ist die Polymerisationsreaktion, die im Gegensatz zu Halogenierung, Hydrohalogenierung und Hydratation über einen freien Radikalmechanismus abläuft:

Oxidationsreaktionen

Wie alle anderen Kohlenwasserstoffe verbrennen Alkene leicht in Sauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Die Gleichung für die Verbrennung von Alkenen in überschüssigem Sauerstoff hat die Form:

C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O

Anders als Alkane werden Alkene leicht oxidiert. Unter Einwirkung einer wässrigen Lösung von KMnO 4 auf Alkene Verfärbung, die eine qualitative Reaktion auf Doppel- und Dreifach-CC-Bindungen in Molekülen organischer Substanzen ist.

Die Oxidation von Alkenen mit Kaliumpermanganat in neutraler oder leicht alkalischer Lösung führt zur Bildung von Diolen (zweiwertige Alkohole):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (Kühlung)

Im sauren Milieu erfolgt eine vollständige Spaltung der Doppelbindung mit der Umwandlung der die Doppelbindung bildenden Kohlenstoffatome in Carboxylgruppen:

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 (Heizen)

Befindet sich die C=C-Doppelbindung am Ende des Alkenmoleküls, so entsteht Kohlendioxid als Oxidationsprodukt des äußersten Kohlenstoffatoms an der Doppelbindung. Dies liegt daran, dass das Oxidationszwischenprodukt Ameisensäure in einem Überschuss an Oxidationsmittel leicht von selbst oxidiert wird:

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 (Erhitzen)

Bei der Oxidation von Alkenen, bei denen das C-Atom an der Doppelbindung zwei Kohlenwasserstoffsubstituenten enthält, entsteht ein Keton. Beispielsweise entstehen bei der Oxidation von 2-Methylbuten-2 Aceton und Essigsäure.

Die Oxidation von Alkenen, die das Kohlenstoffgerüst an der Doppelbindung aufbricht, dient zur Strukturaufklärung.

Chemische Eigenschaften von Alkadienen

Additionsreaktionen

Zum Beispiel die Zugabe von Halogenen:

Bromwasser wird farblos.

Unter normalen Bedingungen erfolgt die Addition von Halogenatomen an den Enden des Butadien-1,3-Moleküls, während π-Bindungen aufgebrochen werden, Bromatome an die äußersten Kohlenstoffatome gebunden werden und freie Valenzen eine neue π-Bindung bilden. Also so, als ob es eine "Bewegung" der Doppelbindung gibt. Bei einem Überschuss an Brom kann an der Stelle der gebildeten Doppelbindung ein weiteres Brommolekül angelagert werden.

Polymerisationsreaktionen

Chemische Eigenschaften von Alkinen

Alkine sind ungesättigte (ungesättigte) Kohlenwasserstoffe und daher in der Lage, Additionsreaktionen einzugehen. Unter den Additionsreaktionen für Alkine ist die elektrophile Addition die häufigste.

Halogenierung

Da die Dreifachbindung von Alkinmolekülen aus einer stärkeren Sigma-Bindung und zwei schwächeren Pi-Bindungen besteht, können sie entweder ein oder zwei Halogenmoleküle anlagern. Die Addition von zwei Halogenmolekülen an ein Alkinmolekül verläuft nach dem elektrophilen Mechanismus sequentiell in zwei Stufen:

Hydrohalogenierung

Auch die Anlagerung von Halogenwasserstoffmolekülen erfolgt nach dem elektrophilen Mechanismus und in zwei Stufen. Die Addition erfolgt in beiden Stufen nach der Markovnikov-Regel:

Flüssigkeitszufuhr

Die Addition von Wasser an Alkine erfolgt in Gegenwart von Ruthiumsalzen in einem sauren Medium und wird als Kucherov-Reaktion bezeichnet.

Durch die Hydratation der Addition von Wasser an Acetylen entsteht Acetaldehyd (Essigaldehyd):

Bei Acetylen-Homologen führt die Zugabe von Wasser zur Bildung von Ketonen:

Alkin-Hydrierung

Alkine reagieren mit Wasserstoff in zwei Schritten. Als Katalysatoren werden Metalle wie Platin, Palladium, Nickel verwendet:

Alkin-Trimerisierung

Wenn Acetylen bei hoher Temperatur über Aktivkohle geleitet wird, entsteht daraus ein Gemisch verschiedener Produkte, von denen das Hauptprodukt Benzol ist, ein Produkt der Acetylentrimerisierung:

Dimerisierung von Alkinen

Auch Acetylen geht eine Dimerisierungsreaktion ein. Der Prozess läuft in Gegenwart von Kupfersalzen als Katalysatoren ab:

Alkin-Oxidation

Alkine brennen in Sauerstoff:

C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O

Die Wechselwirkung von Alkinen mit Basen

Alkine mit einem dreifachen C≡C am Molekülende sind im Gegensatz zu anderen Alkinen in der Lage, Reaktionen einzugehen, bei denen das Wasserstoffatom in der Dreifachbindung durch ein Metall ersetzt wird. Beispielsweise reagiert Acetylen mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,

und auch mit einer Ammoniaklösung von Silberoxid, die unlösliche salzartige Substanzen bildet, die Acetylenide genannt werden:

Dank dieser Reaktion ist es möglich, Alkine mit einer endständigen Dreifachbindung zu erkennen und ein solches Alkin aus einem Gemisch mit anderen Alkinen zu isolieren.

Es ist zu beachten, dass alle Silber- und Kupferacetylenide explosive Stoffe sind.

Acetylide können mit Halogenderivaten reagieren, was bei der Synthese komplexerer organischer Verbindungen mit einer Dreifachbindung verwendet wird:

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

Chemische Eigenschaften aromatischer Kohlenwasserstoffe

Die aromatische Natur der Bindung beeinflusst die chemischen Eigenschaften von Benzolen und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen.

Ein einzelnes 6pi-Elektronensystem ist viel stabiler als herkömmliche Pi-Bindungen. Daher sind für aromatische Kohlenwasserstoffe Substitutionsreaktionen charakteristischer als Additionsreaktionen. Arene gehen über einen elektrophilen Mechanismus Substitutionsreaktionen ein.

Substitutionsreaktionen

Halogenierung

Nitrierung

Am besten verläuft die Nitrierreaktion unter Einwirkung nicht reiner Salpetersäure, sondern deren Mischung mit konzentrierter Schwefelsäure, dem sogenannten Nitriergemisch:

Alkylierung

Die Reaktion, bei der eines der Wasserstoffatome am aromatischen Kern durch ein Kohlenwasserstoffradikal ersetzt wird:

Anstelle von halogenierten Alkanen können auch Alkene verwendet werden. Als Katalysatoren können Aluminiumhalogenide, Eisenhalogenide oder anorganische Säuren verwendet werden.<

Additionsreaktionen

Hydrierung

Beitritt von Chlor

Unter intensiver Bestrahlung mit ultraviolettem Licht verläuft sie nach einem radikalischen Mechanismus:

Ebenso kann die Reaktion nur mit Chlor ablaufen.

Oxidationsreaktionen

Verbrennung

2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q

unvollständige Oxidation

Der Benzolring ist beständig gegen Oxidationsmittel wie KMnO 4 und K 2 Cr 2 O 7 . Die Reaktion geht nicht.

Aufteilung der Substituenten im Benzolring in zwei Typen:

Betrachten Sie die chemischen Eigenschaften von Benzolhomologen am Beispiel von Toluol.

Chemische Eigenschaften von Toluol

Halogenierung

Das Toluolmolekül kann als aus Fragmenten von Benzol- und Methanmolekülen bestehend betrachtet werden. Daher ist es logisch anzunehmen, dass die chemischen Eigenschaften von Toluol bis zu einem gewissen Grad die chemischen Eigenschaften dieser beiden Substanzen, getrennt betrachtet, kombinieren sollten. Genau dies wird insbesondere bei seiner Halogenierung beobachtet. Wir wissen bereits, dass Benzol durch einen elektrophilen Mechanismus eine Substitutionsreaktion mit Chlor eingeht, und dass Katalysatoren (Aluminium- oder Eisenhalogenide) verwendet werden müssen, um diese Reaktion durchzuführen. Gleichzeitig kann Methan auch mit Chlor reagieren, jedoch über einen radikalischen Mechanismus, der eine Bestrahlung der anfänglichen Reaktionsmischung mit UV-Licht erfordert. Toluol kann je nach den Bedingungen, unter denen es chloriert wird, entweder die Produkte der Substitution von Wasserstoffatomen im Benzolring liefern - dafür müssen Sie die gleichen Bedingungen wie bei der Chlorierung von Benzol verwenden, oder die Produkte der Substitution von Wasserstoffatomen im Methylradikal, wenn darauf, wie man mit Chlor auf Methan einwirkt, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird:

Wie Sie sehen können, führte die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von Aluminiumchlorid zu zwei verschiedenen Produkten – ortho- und para-Chlortoluol. Dies liegt daran, dass der Methylrest ein Substituent erster Art ist.

Wird die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von AlCl 3 im Chlorüberschuss durchgeführt, ist die Bildung von Trichlor-substituiertem Toluol möglich:

In ähnlicher Weise kann bei der Lichtchlorierung von Toluol bei einem höheren Chlor / Toluol-Verhältnis Dichlormethylbenzol oder Trichlormethylbenzol erhalten werden:

Nitrierung

Die Substitution von Wasserstoffatomen für die Nitrogruppe während der Nitrierung von Toluol mit einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure führt zu Substitutionsprodukten im aromatischen Kern und nicht im Methylradikal:

Alkylierung

Wie bereits erwähnt, ist der Methylrest ein Orientierungsstoff erster Art, daher führt seine Friedel-Crafts-Alkylierung zu Substitutionsprodukten in ortho- und para-Stellung:

Additionsreaktionen

Toluol kann mit Metallkatalysatoren (Pt, Pd, Ni) zu Methylcyclohexan hydriert werden:

C 6 H 5 CH 3 + 9 O 2 → 7 CO 2 + 4 H 2 O

unvollständige Oxidation

Unter der Wirkung eines solchen Oxidationsmittels wie einer wässrigen Lösung von Kaliumpermanganat wird die Seitenkette oxidiert. Der aromatische Kern kann unter solchen Bedingungen nicht oxidiert werden. Dabei entsteht je nach pH-Wert der Lösung entweder eine Carbonsäure oder deren Salz.

Grenzkohlenwasserstoffe haben in ihren Molekülen nur schwach polarisierende Bindungen mit geringer Polarität, die sehr haltbar sind, daher sind sie unter normalen Bedingungen chemisch geringfügig aktive Substanzen gegenüber polaren Reagenzien: sie interagieren nicht mit konzentrierten Säuren, Alkalimetalle, Oxidationsmittel. Dies war der Grund für ihren Namen - Paraffine. Parumaffinus ist lateinisch für nicht verwandt. Ihre chemischen Umwandlungen laufen hauptsächlich bei erhöhten Temperaturen und unter Einwirkung von UV-Strahlung ab.

Es gibt drei Haupttypen von Reaktionen gesättigter Kohlenwasserstoffe: Substitution, Oxidation und Eliminierung. Diese Reaktionen können entweder durch Aufbrechen der C-C-Bindung (Energie 83,6 kcal) oder durch Aufbrechen der C-H-Bindung (Energie 98,8 kcal/mol) ablaufen. Reaktionen gehen oft mit einem Bruch der C-H-Bindung einher, tk. sie ist der Wirkung des Reagenz besser zugänglich, obwohl die C-C-Bindung weniger Energie zur Spaltung benötigt. Als Ergebnis solcher Reaktionen werden intermediär sehr aktive Spezies gebildet - aliphatische Kohlenwasserstoffradikale.

Herstellung und Eigenschaften aliphatischer Reste

1. Die Bildung freier Radikale während der homolytischen Spaltung von C-C- oder C-H-Bindungen erfolgt bei einer Temperatur von 300-700 ° C oder unter Einwirkung von Radikalreagenzien.

2. Die Lebensdauer freier Radikale (Resistenz) nimmt von primären zu sekundären und tertiären Radikalen zu:

b) Wechselwirkung mit ungesättigten Verbindungen: Addition erfolgt auch unter Bildung eines neuen Radikals:

CH3. + CH 2 \u003d CH 2 CH 3 -CH 2 -CH 2.

c) -Zerfall - Radikale mit langer Kohlenstoffkette zerfallen unter Bruch der C-C-Bindung in -Position zum Kohlenstoff mit einem ungepaarten Elektron.

CH3-CH2: CH2-CH2. CH3-CH2. + CH 2 \u003d CH 2

d) Disproportionierung - Umverteilung von Wasserstoff, verbunden mit -Zerfall entlang der C-H-Bindung:

e) Rekombination - die Kombination von freien Radikalen miteinander

CH3 . +CH3. CH3-CH3

Wenn man die Merkmale des Verhaltens freier Radikale kennt, ist es einfacher, die Grundgesetze bestimmter Reaktionen gesättigter Kohlenwasserstoffe zu verstehen.

Ich tippe. Substitutionsreaktion

1. Halogenierungsreaktionen. Das energiereichste Reagenz ist Fluor. Direkte Fluorierung führt zu einer Explosion. Die Reaktionen Chlorierung. Sie können bereits bei Raumtemperatur unter Einwirkung von Chlormolekülen im Licht ablaufen. Die Reaktion verläuft nach dem Radikalkettenmechanismus und umfasst folgende Hauptstufen:

a) die erste langsame Stufe - Ketteninitiierung:

Cl:ClCl. +Kl.

R: H + . Cl HCl + R.

b) Kettenentwicklung - die Bildung von Reaktionsprodukten bei gleichzeitiger Bildung von freien Radikalen, die den Kettenprozess fortsetzen:

R. + Cl: ClRCl + Cl.

R:H+Cl. HCl+R.

c) Unterbrechung:

Seit CI. das Reagenz aktiv ist, kann es das Molekül des bereits erhaltenen Chlorderivats angreifen, wodurch ein Gemisch aus mono- und polyhalogenierten Verbindungen gebildet wird. Zum Beispiel:

CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4

Methylchlorid –HCl –HCl –HCl

Methylenchlorid Chloroform vier-

Kohlenstoffchlorid

Bromierungsreaktion verläuft viel schwieriger, weil Brom ist weniger aktiv als Chlor und reagiert hauptsächlich unter Bildung stabilerer tertiärer oder sekundärer Radikale. In diesem Fall tritt das zweite Bromatom normalerweise in eine Position neben dem ersten ein, hauptsächlich am sekundären Kohlenstoffatom.

Jodierungsreaktionen praktisch nicht auslaufen, weil HI reduziert die entstehenden Alkyliodide.

2. Nitrierung- Substitution des H-Atoms durch die NO 2 -Gruppe unter Einwirkung von Salpetersäure. Es geht unter Einwirkung von verdünnter Salpetersäure (12 %) bei einer hohen Temperatur von 150 °C unter Druck (Konovalov-Reaktion). Paraffine mit Isostruktur reagieren leichter, tk. Die Substitution erfolgt leichter am tertiären Kohlenstoffatom:

Der Mechanismus der Nitrierungsreaktion ist mit der intermediären Bildung freier Radikale verbunden. Die Initiierung wird durch einen teilweise ablaufenden Oxidationsprozess erleichtert:

RH + HONO 2 ROH + HONO

Salpetersäure

HONO + HONO 2 HOH + 2 . NEIN 2

CH3-C-CH3+. NO 2 CH 3 -C-CH 3 + HNO 2

CH3-C-CH3+. NO 2 CH 3 -C-CH 3

diese. die Radikalreaktion der Nitrierung von Kohlenwasserstoffen hat keinen Kettencharakter.

Typ II. Oxidationsreaktionen

Unter normalen Bedingungen werden Paraffine weder durch Sauerstoff noch durch starke Oxidationsmittel (KMnO 4 , HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 usw.) oxidiert.

Beim Einbringen einer offenen Flamme in ein Gemisch aus Kohlenwasserstoff mit Luft erfolgt eine vollständige Oxidation (Verbrennung) des Kohlenwasserstoffs zu CO 2 und H 2 O. Erhitzen von gesättigten Kohlenwasserstoffen im Gemisch mit Luft oder Sauerstoff in Gegenwart von Oxidationskatalysatoren MnO 2 und andere bis zu einer Temperatur von 300 ° C führt zu ihrer Oxidation unter Bildung von Peroxidverbindungen. Die Reaktion verläuft über einen kettenfreien Radikalmechanismus.

Und: R: H R . +H. Schaltungsinitiierung

R:R. + O: :O: R-O-O .

R-O-O. + R: H R-O-O-H + R .

Alkanhydroperoxid

O:R-O-O. +R. R-O-O-R Unterbrechung

Alkanperoxid

Die tertiären Einheiten werden am leichtesten oxidiert, die sekundären sind schwieriger und die primären noch schwieriger. Die entstehenden Hydroperoxide zerfallen.

Primäre Hydroperoxide Bei der Zersetzung bilden sie Aldehyde oder einen primären Alkohol, zum Beispiel:

CH 3 -C-C-O: O-HCH 3 -C-O. + . OH CH 3 -C \u003d O + H 2 O

Ethanhydroperoxid Acetaldehyd

CH3-CH3

Seite

CH3-CH2OH + CH3-CH2.

Sekundäre Hydroperoxide bilden Ketone oder sekundäre Alkohole bei der Zersetzung, zum Beispiel:

CH 3 -C-O:OHCH 3 -C-O. + . OH H 2 O + CH 3 -C \u003d O

CH 3 CH 3 CH 3

Propanhydroperoxid

CH3-CH2-CH3

Seite

CH 3 -CH-OH + CH 3 -. CH-CH 3

Isopropylalkohol

Tertiäre Hydroperoxide bilden Ketone, sowie primäre und tertiäre Alkohole, zum Beispiel:

CH 3 CH 3 CH 3

CH3-C-CH3CH3-C:CH3+. OH CH 3 OH + CH 3 -C \u003d O

Isobutanhydroperoxid

CH3-CH-CH3

Seite

Isobutan

CH3-C-CH3 + CH3-C-CH3

tert-Butylalkohol

Jedes Hydroperoxid kann sich auch unter Freisetzung von atomarem Sauerstoff zersetzen: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],

was zur weiteren Oxidation führt:

CH 3 -C + [O]CH 3 -C-OH

Daher entstehen neben Alkoholen, Aldehyden und Ketonen Carbonsäuren.

Durch Wahl der Reaktionsbedingungen ist es möglich, eines der Produkte zu erhalten. Zum Beispiel: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.

DIENKOHLENWASSERSTOFFE (ALKADIENE)

Dienkohlenwasserstoffe oder Alkadiene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthalten. Die allgemeine Formel von Alkadienen ist C n H 2 n -2.
Abhängig von der gegenseitigen Anordnung von Doppelbindungen werden Diene in drei Typen eingeteilt:

1) Kohlenwasserstoffe mit kumuliert Doppelbindungen, d.h. neben einem Kohlenstoffatom. Beispielsweise Propadien oder Allen CH 2 =C=CH 2 ;

2) Kohlenwasserstoffe mit isoliert Doppelbindungen, d.h. durch zwei oder mehr einfache Bindungen getrennt. Zum Beispiel Pentadien -1,4 CH 2 \u003d CH-CH 2 -CH \u003d CH 2;

3) Kohlenwasserstoffe mit konjugiert Doppelbindungen, d.h. durch einen einzigen Link getrennt. Zum Beispiel Butadien -1,3 oder Divinyl CH 2 \u003d CH–CH \u003d CH 2, 2-Methylbutadien -1,3 oder Isopren

2) Dehydrierung und Dehydratisierung von Ethylalkohol durch Leiten von Alkoholdampf über erhitzte Katalysatoren (Methode des Akademikers S. V. Lebedev)

2CH 3 CH 2 OH - - ~ 450 ° C; ZnO, Al2O3 ® CH 2 \u003d CH - CH \u003d CH 2 + 2H 2 O + H 2

Physikalische Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Die Kohlenstoffatome im 1,3-Butadien-Molekül befinden sich im sp 2 -Hybridzustand, was bedeutet, dass diese Atome in derselben Ebene angeordnet sind und jedes von ihnen ein p-Orbital hat, das von einem Elektron besetzt ist und senkrecht zu dieser Ebene angeordnet ist .

p-Orbitale aller Kohlenstoffatome überlappen miteinander, d.h. nicht nur zwischen dem ersten und zweiten, dritten und vierten Atom, sondern auch zwischen dem zweiten und dritten. Dies zeigt, dass die Bindung zwischen dem zweiten und dritten Kohlenstoffatom keine einfache s-Bindung ist, sondern eine bestimmte Dichte an p-Elektronen aufweist, d.h. schwache Doppelbindung. Das bedeutet, dass s-Elektronen nicht zu fest definierten Paaren von Kohlenstoffatomen gehören. Im Molekül gibt es keine Einfach- und Doppelbindungen im klassischen Sinne, und es wird eine Delokalisierung von p-Elektronen beobachtet, d.h. gleichmäßige Verteilung der p-Elektronendichte im gesamten Molekül unter Bildung einer einzelnen p-Elektronenwolke.
Die Wechselwirkung zweier oder mehrerer benachbarter p-Bindungen unter Bildung einer einzigen p-Elektronenwolke, die zur Übertragung der Wechselwirkung von Atomen in dieses System führt, wird als bezeichnet Konjugationseffekt.
So ist das -1,3-Butadien-Molekül durch ein System konjugierter Doppelbindungen gekennzeichnet.
Dieses Merkmal in der Struktur von Dienkohlenwasserstoffen macht sie in der Lage, verschiedene Reagenzien nicht nur an benachbarte Kohlenstoffatome (1,2-Addition), sondern auch an die beiden Enden des konjugierten Systems (1,4-Addition) unter Bildung von zu addieren eine Doppelbindung zwischen dem zweiten und dritten Kohlenstoffatom. Beachten Sie, dass das 1,4-Additionsprodukt sehr oft das Hauptprodukt ist.
Betrachten Sie die Reaktionen der Halogenierung und Hydrohalogenierung von konjugierten Dienen.

Polymerisation von Dienverbindungen

Vereinfacht lässt sich die Polymerisationsreaktion von -1,3-Butadien nach dem Additionsschema 1,4 wie folgt darstellen:

An der Polymerisation sind beide Doppelbindungen des Diens beteiligt. Während der Reaktion brechen sie, die Elektronenpaare, die s-Bindungen bilden, werden getrennt, wonach jedes ungepaarte Elektron an der Bildung neuer Bindungen beteiligt ist: Die Elektronen des zweiten und dritten Kohlenstoffatoms ergeben als Ergebnis der Verallgemeinerung a Doppelbindung und die Elektronen der äußersten Kohlenstoffatome in der Kette, wenn sie mit Elektronen verallgemeinert werden, verbinden die entsprechenden Atome eines anderen Monomermoleküls die Monomere zu einer Polymerkette.

Die Elementarzelle von Polybutadien wird wie folgt dargestellt:

Wie zu sehen ist, ist das resultierende Polymer gekennzeichnet durch Trance- die Konfiguration der Elementarzelle des Polymers. Die praktisch wertvollsten Produkte werden jedoch durch stereoreguläre (dh räumlich geordnete) Polymerisation von Dienkohlenwasserstoffen nach dem 1,4-Additionsschema mit Bildung erhalten cis- Konfiguration der Polymerkette. Zum Beispiel, cis- Polybutadien

Natürliche und synthetische Kautschuke

Naturkautschuk wird aus dem Milchsaft (Latex) des Hevea-Kautschukbaums gewonnen, der in den Regenwäldern Brasiliens wächst.

Beim Erhitzen ohne Zugang zu Luft zersetzt sich Kautschuk unter Bildung eines Dienkohlenwasserstoffs - 2-Methylbutadien-1,3 oder Isopren. Kautschuk ist ein stereoreguläres Polymer, in dem Isoprenmoleküle in einem 1,4-Additionsschema miteinander verbunden sind cis- Polymerkettenkonfiguration:

Das Molekulargewicht von Naturkautschuk reicht von 7 . 10 4 bis 2,5 . 10 6 .

Trance- Isoprenpolymer kommt auch natürlich in Form von Guttapercha vor.

Naturkautschuk hat einzigartige Eigenschaften: hohe Fließfähigkeit, Verschleißfestigkeit, Haftfähigkeit, Wasser- und Gasundurchlässigkeit. Um Gummi die notwendigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu verleihen: Festigkeit, Elastizität, Beständigkeit gegen Lösungsmittel und aggressive chemische Umgebungen, wird Gummi durch Erhitzen auf 130-140 ° C mit Schwefel vulkanisiert. Vereinfacht lässt sich der Prozess der Gummivulkanisation wie folgt darstellen:

An der Stelle, an der einige Doppelbindungen gebrochen werden, werden Schwefelatome angelagert und die linearen Kautschukmoleküle werden zu größeren dreidimensionalen Molekülen "vernetzt" - es entsteht ein Kautschuk, der viel stärker ist als unvulkanisierter Kautschuk. Mit Aktivruß gefüllte Kautschuke werden bei der Herstellung von Autoreifen und anderen Gummiprodukten verwendet.

1932 entwickelte S. V. Lebedev ein Verfahren zur Synthese von synthetischem Kautschuk auf der Basis von aus Alkohol gewonnenem Butadien. Und erst in den fünfziger Jahren führten einheimische Wissenschaftler eine katalytische Stereopolymerisation von Dienkohlenwasserstoffen durch und erhielten stereoregulären Kautschuk, dessen Eigenschaften dem Naturkautschuk ähneln. Derzeit wird Gummi in der Industrie hergestellt,

Charakteristische chemische Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen: Alkane, Alkene, Diene, Alkine, aromatische Kohlenwasserstoffe

Alkane

Alkane sind Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verknüpft sind und die der allgemeinen Formel $C_(n)H_(2n+2)$ entsprechen.

Homologe Reihe von Methan

Wie du bereits weißt, Homologe sind Substanzen, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich durch eine oder mehrere $CH_2$-Gruppen unterscheiden.

Grenzkohlenwasserstoffe bilden die homologe Reihe von Methan.

Isomerie und Nomenklatur

Alkane sind durch die sogenannte Strukturisomerie gekennzeichnet. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Wie Sie bereits wissen, ist das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, Butan:

Betrachten wir für Alkane die Grundlagen der IUPAC-Nomenklatur genauer:

1. Wahl des Hauptstromkreises.

Die Bildung des Namens eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette - der längsten Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül, die sozusagen seine Basis darstellt.

2.

Den Atomen der Hauptkette sind Nummern zugeordnet. Die Numerierung der Atome der Hauptkette beginnt am Ende, das dem Substituenten am nächsten liegt (Strukturen A, B). Sind die Substituenten gleich weit vom Kettenende entfernt, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sie mehr sind (Struktur B). Sind verschiedene Substituenten gleich weit von den Enden der Kette entfernt, so beginnt die Nummerierung an dem Ende, dem der ältere näher ist (Struktur D). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (—$СН_3$), затем пропил ($—СН_2—СН_2—СН_3$), этил ($—СН_2—СН_3$ ) usw.

Beachten Sie, dass der Name des Stellvertreters durch Ersetzen des Suffixes gebildet wird -en zu suffixieren -Schlick im Namen des entsprechenden Alkans.

3. Namensbildung.

Zahlen sind am Anfang des Namens angegeben - die Anzahl der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Sind an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden, so wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal, getrennt durch Kommata, wiederholt ($2.2-$). Nach der Zahl gibt ein Bindestrich die Anzahl der Substituenten an ( di- zwei, drei- drei, Tetra- vier, Penta- fünf) und der Name des Stellvertreters ( Methyl, Ethyl, Propyl). Dann ohne Leerzeichen und Bindestriche - der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet - ein Mitglied der homologen Reihe von Methan ( Methan, Ethan, Propan usw.).

Die Namen der Substanzen, deren Strukturformeln oben angegeben sind, lauten wie folgt:

- Struktur A: $2$ -Methylpropan;

- Struktur B: $3$ -Ethylhexan;

- Struktur B: $2,2,4$ -Trimethylpentan;

- Struktur Г: $2$ -Methyl$4$-Ethylhexan.

Physikalische und chemische Eigenschaften von Alkanen

physikalische Eigenschaften. Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste von ihnen ist Methan - ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas (der Gasgeruch, den Sie beim Riechen mit 104 $ bezeichnen müssen, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt - schwefelhaltige Verbindungen, die speziell dem im Haushalt verwendeten Methan zugesetzt werden). Industriegasgeräte, damit Personen in ihrer Nähe das Leck riechen können).

Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung $С_5Н_(12)$ bis $С_(15)Н_(32)$ sind Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe.

Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen allmählich mit zunehmender Kohlenstoffkettenlänge. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich, flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.

Chemische Eigenschaften.

1. Substitutionsreaktionen. Die charakteristischsten Alkane sind radikalische Substitutionsreaktionen, bei denen ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine andere Gruppe ersetzt wird.

Stellen wir die Gleichungen der charakteristischsten Reaktionen vor.

Halogenierung:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

Bei einem Halogenüberschuss kann die Chlorierung weiter gehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"Dichlormethan(methylenchlorid)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"Trichlormethan(Chloroform)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"Tetrachlormethan(Tetrachlorkohlenstoff)")$.

Die resultierenden Substanzen werden in großem Umfang als Lösungsmittel und Ausgangsmaterialien in der organischen Synthese verwendet.

2. Dehydrierung (Abspaltung von Wasserstoff). Beim Durchgang von Alkanen über den Katalysator ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) bei hoher Temperatur ($400-600°C$) wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und ein Alken gebildet:

$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$

3. Reaktionen, die von der Zerstörung der Kohlenstoffkette begleitet sind. Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe brennen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren. Die Verbrennung von gesättigten Kohlenwasserstoffen ist eine radikalische exotherme Reaktion, die bei der Verwendung von Alkanen als Brennstoff von großer Bedeutung ist:

$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$

Allgemein kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Thermischer Abbau von Kohlenwasserstoffen:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Der Prozess verläuft nach dem Radikalmechanismus. Eine Temperaturerhöhung führt zu einem homolytischen Bruch der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale:

$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2+CH_2—R$.

Diese Radikale interagieren miteinander unter Austausch eines Wasserstoffatoms unter Bildung eines Alkanmoleküls und eines Alkenmoleküls:

$R—CH_2CH_2+CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

Thermische Spaltungsreaktionen liegen dem industriellen Prozess zugrunde – dem Cracken von Kohlenwasserstoffen. Dieser Prozess ist die wichtigste Phase der Ölraffination.

Wenn Methan auf eine Temperatur von $1000°C$ erhitzt wird, beginnt die Pyrolyse von Methan – Zersetzung in einfache Substanzen:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von $1500°C$ ist die Bildung von Acetylen möglich:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst:

5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette werden in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten cyclisiert:

Was ist der Grund dafür, dass Alkane nach dem Radikalmechanismus ablaufende Reaktionen eingehen? Alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen befinden sich im $sp^3$-Hybridisierungszustand. Die Moleküle dieser Substanzen sind aus kovalenten unpolaren $C-C$-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren $C-H$-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie enthalten keine Bereiche mit hoher und niedriger Elektronendichte, leicht polarisierbare Bindungen, d.h. solche Bindungen, deren Elektronendichte sich unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Felder von Ionen) verschieben kann. Daher reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, weil Bindungen in Alkanmolekülen werden nicht durch einen heterolytischen Mechanismus aufgebrochen.

Alkene

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe umfassen Kohlenwasserstoffe, die Mehrfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen in Molekülen enthalten. Unbegrenzt sind Alkene, Alkadiene (Polyene), Alkine. Auch cyclische Kohlenwasserstoffe mit einer Doppelbindung im Ring (Cycloalkene) sowie Cycloalkane mit einer geringen Anzahl an Kohlenstoffatomen im Ring (drei oder vier Atome) haben ungesättigten Charakter. Die Eigenschaft der Ungesättigtheit ist mit der Fähigkeit dieser Substanzen verbunden, Additionsreaktionen, hauptsächlich Wasserstoff, unter Bildung von gesättigten oder gesättigten Kohlenwasserstoffen - Alkanen - einzugehen.

Alkene sind acyclische Kohlenwasserstoffe, die neben Einfachbindungen eine Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatomen im Molekül enthalten und der allgemeinen Formel $C_(n)H_(2n)$ entsprechen.

Sein zweiter Name Olefine- Alkene wurden in Analogie zu ungesättigten Fettsäuren (Ölsäure, Linolsäure) gewonnen, deren Reste Bestandteil flüssiger Fette sind - Öle (von lat. Oleum- Öl).

Homologe Reihe von Ethen

Unverzweigte Alkene bilden die homologe Reihe von Ethen (Ethylen):

$C_2H_4$ ist Ethen, $C_3H_6$ ist Propen, $C_4H_8$ ist Buten, $C_5H_(10)$ ist Penten, $C_6H_(12)$ ist Hexen usw.

Isomerie und Nomenklatur

Sowohl für Alkene als auch für Alkane ist Strukturisomerie charakteristisch. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alken, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Buten:

Eine besondere Art der Strukturisomerie ist die Doppelbindungsstellungsisomerie:

$CH_3–(CH_2)↙(Buten-1)–CH=CH_2$ $CH_3–(CH=CH)↙(Buten-2)–CH_3$

Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation von Kohlenstoffatomen möglich, sodass Alkanmoleküle eine Vielzahl von Formen annehmen können. Eine Rotation um die Doppelbindung ist nicht möglich, was zum Auftreten einer anderen Art von Isomerie in Alkenen führt - der geometrischen oder cis-trans-Isomerie.

cis- Isomere unterscheiden sich von Trance- Isomere durch die räumliche Anordnung von Fragmenten des Moleküls (in diesem Fall Methylgruppen) relativ zur $π$-Bindungsebene und folglich durch Eigenschaften.

Alkene sind isomer zu Cycloalkanen (Interklassenisomerie), zum Beispiel:

Die von der IUPAC entwickelte Nomenklatur der Alkene ähnelt der Nomenklatur der Alkane.

1. Wahl des Hauptstromkreises.

Die Bildung des Namens eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette - der längsten Kette von Kohlenstoffatomen in einem Molekül. Bei Alkenen muss die Hauptkette eine Doppelbindung enthalten.

2. Atomnummerierung der Hauptkette.

Die Numerierung der Atome der Hauptkette beginnt mit dem Ende, dem die Doppelbindung am nächsten ist. Der korrekte Verbindungsname lautet beispielsweise:

$5$-Methylhexen-$2$, nicht $2$-Methylhexen-$4$, wie man erwarten könnte.

Lässt sich der Beginn der Nummerierung der Atome in der Kette nicht durch die Stellung der Doppelbindung bestimmen, so wird sie wie bei gesättigten Kohlenwasserstoffen durch die Stellung der Substituenten bestimmt.

3. Namensbildung.

Die Namen von Alkenen werden auf die gleiche Weise gebildet wie die Namen von Alkanen. Geben Sie am Ende des Namens die Nummer des Kohlenstoffatoms an, an dem die Doppelbindung beginnt, und das Suffix, das angibt, dass die Verbindung zur Klasse der Alkene gehört - -en.

Zum Beispiel:

Physikalische und chemische Eigenschaften von Alkenen

physikalische Eigenschaften. Die ersten drei Vertreter der homologen Reihe der Alkene sind Gase; Stoffe der Zusammensetzung $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ sind Flüssigkeiten; höhere Alkene sind Feststoffe.

Die Siede- und Schmelzpunkte steigen naturgemäß mit zunehmendem Molekulargewicht der Verbindungen an.

Chemische Eigenschaften.

Additionsreaktionen. Denken Sie daran, dass eine Besonderheit der Vertreter ungesättigter Kohlenwasserstoffe - Alkene - die Fähigkeit ist, Additionsreaktionen einzugehen. Die meisten dieser Reaktionen laufen nach dem Mechanismus ab

1. Hydrierung von Alkenen. Alkene können in Gegenwart von Hydrierungskatalysatoren, Metallen - Platin, Palladium, Nickel - Wasserstoff hinzufügen:

$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.

Diese Reaktion läuft bei atmosphärischem und erhöhtem Druck ab und erfordert keine hohe Temperatur, weil ist exotherm. Bei Temperaturerhöhung an den gleichen Katalysatoren kann es zur Rückreaktion, der Dehydrierung, kommen.

2. Halogenierung (Addition von Halogenen). Die Wechselwirkung eines Alkens mit Bromwasser oder einer Lösung von Brom in einem organischen Lösungsmittel ($CCl_4$) führt zu einer schnellen Verfärbung dieser Lösungen durch die Anlagerung eines Halogenmoleküls an das Alken und die Bildung von Dihalogenalkanen:

$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(Propen)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-Brompropen)-CH_3$

Diese Reaktion unterliegt Markownikowsche Regel:

Wenn ein Halogenwasserstoff an ein Alken addiert wird, wird Wasserstoff an ein stärker hydriertes Kohlenstoffatom gebunden, d.h. das Atom, an dem sich mehr Wasserstoffatome befinden, und das Halogen - dem weniger hydrierten.

Die Hydratisierung von Alkenen führt zur Bildung von Alkoholen. Beispielsweise liegt einer der industriellen Methoden zur Herstellung von Ethylalkohol die Zugabe von Wasser zu Ethen zugrunde:

$(CH_2)↙(Ethen)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(Ethanol)$

Beachten Sie, dass ein primärer Alkohol (mit einer Hydroxogruppe am primären Kohlenstoff) nur gebildet wird, wenn Ethen hydratisiert wird. Wenn Propen oder andere Alkene hydratisiert werden, werden sekundäre Alkohole gebildet.

Auch diese Reaktion verläuft gemäß der Markovnikov-Regel – das Wasserstoffkation ist an das stärker hydrierte Kohlenstoffatom gebunden und die Hydroxogruppe an das weniger hydrierte.

5. Polymerisation. Ein Sonderfall der Addition ist die Polymerisationsreaktion von Alkenen:

$nCH_2(=)↙(Ethen)CH_2(→)↖(UV-Licht,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(Polyethylen)...)_n$

Diese Additionsreaktion verläuft nach einem radikalischen Mechanismus.

6. Oxidationsreaktion.

Wie alle organischen Verbindungen verbrennen Alkene in Sauerstoff zu $CO_2$ und $H_2O$:

$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.

Im Algemeinen:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

Im Gegensatz zu Alkanen, die in Lösungen oxidationsbeständig sind, werden Alkene leicht durch die Einwirkung von Kaliumpermanganatlösungen oxidiert. In neutralen oder alkalischen Lösungen werden Alkene zu Diolen (zweiwertigen Alkoholen) oxidiert und Hydroxylgruppen an die Atome gebunden, zwischen denen vor der Oxidation eine Doppelbindung bestand:

Alkadiene (Dienkohlenwasserstoffe)

Alkadiene sind acyclische Kohlenwasserstoffe, die neben Einfachbindungen zwei Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen im Molekül enthalten und der allgemeinen Formel $C_(n)H_(2n-2)$ entsprechen.

Abhängig von der gegenseitigen Anordnung von Doppelbindungen gibt es drei Arten von Dienen:

- Alkadiene mit kumuliert Anordnung der Doppelbindungen:

- Alkadiene mit konjugiert Doppelbindungen;

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

- Alkadiene mit isoliert Doppelbindungen

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

Alle drei Arten von Alkadienen unterscheiden sich in Struktur und Eigenschaften deutlich voneinander. Das zentrale Kohlenstoffatom (ein Atom, das zwei Doppelbindungen bildet) in Alkadienen mit kumulierten Bindungen befindet sich im $sp$-Hybridisierungszustand. Es bildet zwei $σ$-Bindungen, die auf derselben Geraden liegen und in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, und zwei $π$-Bindungen, die in senkrechten Ebenen liegen. $π$-Bindungen werden aufgrund nicht hybridisierter p-Orbitale jedes Kohlenstoffatoms gebildet. Die Eigenschaften von Alkadienen mit isolierten Doppelbindungen sind sehr spezifisch, weil konjugierte $π$-Bindungen beeinflussen sich gegenseitig signifikant.

p-Orbitale, die konjugierte $π$-Bindungen bilden, bilden praktisch ein einziges System (man nennt es ein $π$-System), weil p-Orbitale benachbarter $π$-Bindungen überlappen teilweise.

Isomerie und Nomenklatur

Alkadiene sind sowohl durch strukturelle Isomerie als auch durch cis- und trans-Isomerie gekennzeichnet.

Strukturelle Isomerie.

— Isomerie des Kohlenstoffgerüsts:

— Isomerie der Stellung von Mehrfachbindungen:

$(CH_2=CH-CH=CH_2)↙(Butadien-1,3)$ $(CH_2=C=CH-CH_3)↙(Butadien-1,2)$

cis-, trans- Isomerie (räumlich und geometrisch)

Zum Beispiel:

Alkadiene sind isomere Verbindungen aus den Klassen der Alkine und Cycloalkene.

Bei der Namensbildung des Alkadiens wird die Zahl der Doppelbindungen angegeben. Die Hauptkette muss zwingend zwei Mehrfachbindungen enthalten.

Zum Beispiel:

Physikalische und chemische Eigenschaften von Alkadienen

physikalische Eigenschaften.

Propandien-1,2, Butadien-1,3 sind unter Normalbedingungen Gase, 2-Methylbutadien-1,3 ist eine flüchtige Flüssigkeit. Alkadiene mit isolierten Doppelbindungen (das einfachste davon ist Pentadien-1,4) sind Flüssigkeiten. Höhere Diene sind Feststoffe.

Chemische Eigenschaften.

Die chemischen Eigenschaften von Alkadienen mit isolierten Doppelbindungen unterscheiden sich kaum von denen von Alkenen. Alkadiene mit konjugierten Bindungen haben einige Besonderheiten.

1. Additionsreaktionen. Alkadiene können Wasserstoff, Halogene und Halogenwasserstoffe addieren.

Ein Merkmal der Addition an Alkadiene mit konjugierten Bindungen ist die Fähigkeit, Moleküle sowohl in den Positionen 1 und 2 als auch in den Positionen 1 und 4 zu binden.

Das Verhältnis der Produkte hängt von den Bedingungen und der Art der Durchführung der entsprechenden Reaktionen ab.

2.Polymerisationsreaktion. Die wichtigste Eigenschaft von Dienen ist die Fähigkeit, unter dem Einfluss von Kationen oder freien Radikalen zu polymerisieren. Die Polymerisation dieser Verbindungen ist die Grundlage für Synthesekautschuke:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(Butadien-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"synthetischer Butadienkautschuk")$ .

Die Polymerisation konjugierter Diene verläuft als 1,4-Addition.

In diesem Fall erweist sich die Doppelbindung als zentral in der Verknüpfung, und die elementare Verknüpfung wiederum kann beide aufnehmen cis-, so und Trance- Aufbau.

Alkine

Alkine sind acyclische Kohlenwasserstoffe, die neben Einfachbindungen eine Dreifachbindung zwischen Kohlenstoffatomen im Molekül enthalten und der allgemeinen Formel $C_(n)H_(2n-2)$ entsprechen.

Homologe Reihe von Ethin

Unverzweigte Alkine bilden die homologe Reihe von Ethin (Acetylen):

$C_2H_2$ - Ethin, $C_3H_4$ - Propin, $C_4H_6$ - Butin, $C_5H_8$ - Pentin, $C_6H_(10)$ - Hexin usw.

Isomerie und Nomenklatur

Sowohl für Alkine als auch für Alkene ist eine strukturelle Isomerie charakteristisch: Isomerie des Kohlenstoffgerüsts und Isomerie der Position der Mehrfachbindung. Das einfachste Alkin, das durch Strukturisomere der Mehrfachbindungsstellung der Alkinklasse gekennzeichnet ist, ist Butin:

$CH_3 – (CH_2)↙(Butin-1) – C≡CH$ $CH_3 – (C≡C)↙(Butin-2) – CH_3$

Die Isomerie des Kohlenstoffgerüsts in Alkinen ist ausgehend von Pentin möglich:

Da die Dreifachbindung eine lineare Struktur der Kohlenstoffkette annimmt, ist die geometrische ( cis-, trans-) Isomerie ist bei Alkinen nicht möglich.

Das Vorhandensein einer Dreifachbindung in Kohlenwasserstoffmolekülen dieser Klasse wird durch das Suffix wiedergegeben -in, und seine Position in der Kette - die Nummer des Kohlenstoffatoms.

Zum Beispiel:

Alkine sind isomere Verbindungen einiger anderer Klassen. Hexin (Alkin), Hexadien (Alkadien) und Cyclohexen (Cycloalken) haben also die chemische Formel $С_6Н_(10)$:

Physikalische und chemische Eigenschaften von Alkinen

physikalische Eigenschaften. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkinen sowie Alkenen steigen naturgemäß mit zunehmendem Molekulargewicht der Verbindungen.

Alkine haben einen spezifischen Geruch. Sie sind besser wasserlöslich als Alkane und Alkene.

Chemische Eigenschaften.

Additionsreaktionen. Alkine sind ungesättigte Verbindungen und gehen Additionsreaktionen ein. Im Grunde sind das Reaktionen. elektrophile Addition.

1. Halogenierung (Addition eines Halogenmoleküls). Alkin ist in der Lage, zwei Halogenmoleküle (Chlor, Brom) zu binden:

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-Dibromethan),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-Tetrabromethan)$

2. Hydrohalogenierung (Addition von Halogenwasserstoff). Die nach dem elektrophilen Mechanismus ablaufende Additionsreaktion von Halogenwasserstoff verläuft ebenfalls zweistufig, und auf beiden Stufen ist die Markovnikov-Regel erfüllt:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-Brompropen),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-Dibrompropan)$

3. Hydratation (Zugabe von Wasser). Von großer Bedeutung für die industrielle Synthese von Ketonen und Aldehyden ist die sogenannte Wasseradditionsreaktion (Hydratation). Kucherovs Reaktion:

4. Hydrierung von Alkinen. Alkine addieren Wasserstoff in Gegenwart von Metallkatalysatoren ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Da die Dreifachbindung zwei reaktive $π$-Bindungen enthält, fügen Alkane schrittweise Wasserstoff hinzu:

1) Trimerisierung.

Wenn Ethin über Aktivkohle geleitet wird, entsteht ein Produktgemisch, von dem eines Benzol ist:

2) Dimerisierung.

Neben der Trimerisierung von Acetylen ist auch dessen Dimerisierung möglich. Unter Einwirkung von einwertigen Kupfersalzen entsteht Vinylacetylen:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"Buten-1-in-3(vinylacetylen)")$

Dieser Stoff wird zur Herstellung von Chloropren verwendet:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(Chloropren)=CH_2$

deren Polymerisation Chloroprenkautschuk ergibt:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Alkin-Oxidation.

Ethin (Acetylen) verbrennt in Sauerstoff unter Freisetzung sehr großer Wärmemengen:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Diese Reaktion basiert auf der Wirkung eines Sauerstoff-Acetylen-Brenners, dessen Flamme eine sehr hohe Temperatur (mehr als $3000°C$) hat, was ihre Verwendung ermöglicht zum Schneiden und Schweißen von Metallen.

An der Luft verbrennt Acetylen mit rauchiger Flamme, weil. der Kohlenstoffgehalt in seinem Molekül ist höher als in den Molekülen von Ethan und Ethen.

Alkine entfärben wie Alkene angesäuerte Lösungen von Kaliumpermanganat; in diesem Fall kommt es zur Zerstörung der Mehrfachbindung.

Ionische (V. V. Markovnikov-Regel) und radikalische Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie

Arten chemischer Reaktionen in der organischen Chemie

Die Reaktionen organischer Substanzen lassen sich formal in vier Haupttypen einteilen: Substitution, Addition, Eliminierung (Eliminierung) und Umlagerung (Isomerisierung). Offensichtlich lässt sich die ganze Vielfalt der Reaktionen organischer Verbindungen nicht auf die vorgeschlagene Einteilung reduzieren (z. B. Verbrennungsreaktionen). Eine solche Einteilung hilft jedoch, Analogien zu den Reaktionen herzustellen, die zwischen anorganischen Stoffen ablaufen, die Ihnen bereits aus dem Kurs der anorganischen Chemie bekannt sind.

In der Regel wird die an der Reaktion beteiligte organische Hauptverbindung als Substrat bezeichnet, und die andere Komponente der Reaktion wird bedingt als Reagenz betrachtet.

Substitutionsreaktionen

Reaktionen, die zum Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe im ursprünglichen Molekül (Substrat) durch andere Atome oder Atomgruppen führen, werden als Substitutionsreaktionen bezeichnet.

An Substitutionsreaktionen sind gesättigte und aromatische Verbindungen wie Alkane, Cycloalkane oder Arene beteiligt.

Lassen Sie uns Beispiele für solche Reaktionen geben.

Unter Lichteinwirkung können Wasserstoffatome in einem Methanmolekül durch Halogenatome ersetzt werden, beispielsweise durch Chloratome:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$

Ein weiteres Beispiel für den Ersatz von Wasserstoff durch Halogen ist die Umwandlung von Benzol in Brombenzol:

Die Gleichung für diese Reaktion kann auch anders geschrieben werden:

Bei dieser Schreibweise stehen über dem Pfeil die Reagenzien, der Katalysator, die Reaktionsbedingungen und darunter die anorganischen Reaktionsprodukte.

Additionsreaktionen

Reaktionen, bei denen sich zwei oder mehr Moleküle von Reaktanten zu einem verbinden, werden als Additionsreaktionen bezeichnet.

Ungesättigte Verbindungen wie Alkene oder Alkine gehen Additionsreaktionen ein.

Je nachdem, welches Molekül als Reagens fungiert, werden Hydrierung (oder Reduktion), Halogenierung, Hydrohalogenierung, Hydratation und andere Additionsreaktionen unterschieden. Jeder von ihnen erfordert bestimmte Bedingungen.

1. Hydrierung- die Reaktion der Addition eines Wasserstoffmoleküls an eine Mehrfachbindung:

$CH_3(-CH=)↙(\text"Propen")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"Propan")-CH_3$

2.Hydrohalogenierung— Halogenwasserstoff-Additionsreaktion (Hydrochlorierung):

$(CH_2=)↙(\text"Ethen")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"Chlorethan")-Cl$

3.Halogenierung- Halogenadditionsreaktion:

$(CH_2=)↙(\text"Ethen")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1.2-Dichlorethan")$

4. Polymerisation- eine besondere Art von Additionsreaktionen, bei der Moleküle eines Stoffes mit kleinem Molekulargewicht miteinander verbunden werden, um Moleküle eines Stoffes mit sehr hohem Molekulargewicht zu bilden - Makromoleküle.

Polymerisationsreaktionen sind Prozesse, bei denen viele Moleküle einer Substanz mit niedrigem Molekulargewicht (Monomer) zu großen Molekülen (Makromolekülen) eines Polymers kombiniert werden.

Ein Beispiel für eine Polymerisationsreaktion ist die Herstellung von Polyethylen aus Ethylen (Ethen) unter Einwirkung von UV-Strahlung und einem radikalischen Polymerisationsinitiator $R:$

$(nCH_2=)↙(\text"Ethen")CH_2(→)↖(\text"UV-Licht,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" Polyethylen ")$

Die für organische Verbindungen charakteristischste kovalente Bindung wird gebildet, wenn sich Atomorbitale überlappen und die Bildung gemeinsamer Elektronenpaare. Dadurch entsteht ein zwei Atomen gemeinsames Orbital, auf dem sich ein gemeinsames Elektronenpaar befindet. Wenn die Bindung gebrochen wird, kann das Schicksal dieser gemeinsamen Elektronen anders sein.

Arten reaktiver Teilchen in der organischen Chemie

Ein Orbital mit einem ungepaarten Elektron, das zu einem Atom gehört, kann mit einem Orbital eines anderen Atoms überlappen, das ebenfalls ein ungepaartes Elektron enthält. Dadurch entsteht eine kovalente Bindung Austauschmechanismus:

$H + H→H:H,$ oder $H-H$

Austauschmechanismus Die Bildung einer kovalenten Bindung wird realisiert, wenn aus ungepaarten Elektronen verschiedener Atome ein gemeinsames Elektronenpaar gebildet wird.

Der Prozess, der der Bildung einer kovalenten Bindung durch den Austauschmechanismus entgegengesetzt ist, ist der Bindungsbruch, bei dem ein Elektron zu jedem Atom geht. Dadurch entstehen zwei ungeladene Teilchen mit ungepaarten Elektronen:

Solche Teilchen werden genannt freie Radikale.

freie Radikale- Atome oder Atomgruppen mit ungepaarten Elektronen.

Als Radikalreaktionen werden Reaktionen bezeichnet, die unter Einwirkung und Beteiligung freier Radikale ablaufen.

Im Rahmen der Anorganischen Chemie sind dies Reaktionen der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Sauerstoff, Halogene, Verbrennungsreaktionen. Bitte beachten Sie, dass Reaktionen dieser Art durch hohe Geschwindigkeit und Freisetzung einer großen Wärmemenge gekennzeichnet sind.

Eine kovalente Bindung kann auch durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus gebildet werden. Eines der Orbitale eines Atoms (oder Anions), auf dem sich ein nicht geteiltes Elektronenpaar befindet, wird von einem unbesetzten Orbital eines anderen Atoms (oder Kations), das ein unbesetztes Orbital hat, überlappt, und es entsteht beispielsweise eine kovalente Bindung :

$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"Akzeptor")→(H-O-H)↙(\text"Spender")$

Der Bruch einer kovalenten Bindung führt zur Bildung von positiv und negativ geladenen Teilchen; da in diesem Fall beide Elektronen des gemeinsamen Elektronenpaares bei einem der Atome verbleiben, hat das zweite Atom ein unbesetztes Orbital:

$R:|R=R:^(-)+R^(+)$

Betrachten Sie die elektrolytische Dissoziation von Säuren:

$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$

Man kann leicht erraten, dass ein Teilchen mit einem freien Elektronenpaar $R:^(-)$, also einem negativ geladenen Ion, von positiv geladenen Atomen oder von Atomen angezogen wird, auf denen zumindest teilweise oder effektiv positiv geladen ist. Teilchen mit ungeteilten Elektronenpaaren werden genannt nukleophile Mittel (Kern- der Kern, der positiv geladene Teil des Atoms), dh die "Freunde" des Kerns, die positive Ladung.

Nukleophile ($Nu$)- Anionen oder Moleküle, die ein einsames Elektronenpaar haben, das mit Teilen der Moleküle wechselwirkt, auf denen eine effektive positive Ladung konzentriert ist.

Beispiele für Nucleophile: $Cl^(-)$ (Chlorid-Ion), $OH^(-)$ (Hydroxid-Anion), $CH_3O^(-)$ (Methoxid-Anion), $CH_3COO^(-)$ (Acetat-Anion). ).

Im Gegensatz dazu neigen Teilchen mit einem ungefüllten Orbital dazu, es zu füllen, und werden daher von den Bereichen der Moleküle angezogen, die eine erhöhte Elektronendichte, eine negative Ladung und ein nicht geteiltes Elektronenpaar aufweisen. Sie sind Elektrophile, „Freunde“ eines Elektrons, einer negativen Ladung oder Teilchen mit erhöhter Elektronendichte.

Elektrophile- Kationen oder Moleküle, die ein unbefülltes Elektronenorbital haben und dazu neigen, es mit Elektronen zu füllen, da dies zu einer günstigeren elektronischen Konfiguration des Atoms führt.

Beispiele für Elektrophile: $NO_2$ (Nitrogruppe), -$COOH$ (Carboxylgruppe), -$CN$ (Nitrilgruppe), -$COH$ (Aldehydgruppe).

Nicht jedes Teilchen mit leerem Orbital ist ein Elektrophil. So haben beispielsweise Alkalimetallkationen die Konfiguration von Edelgasen und neigen nicht zur Aufnahme von Elektronen, da sie eine geringe Elektronenaffinität haben. Daraus können wir schließen, dass solche Teilchen trotz des Vorhandenseins eines ungefüllten Orbitals keine Elektrophile sind.

Hauptreaktionsmechanismen

Wir haben drei Haupttypen von reagierenden Teilchen identifiziert – freie Radikale, Elektrophile, Nucleophile – und drei ihnen entsprechende Typen von Reaktionsmechanismen:

- freie Radikale;

- elektrophil;

- nukleophil.

Neben der Einteilung von Reaktionen nach der Art der reagierenden Teilchen unterscheidet die organische Chemie vier Reaktionsarten nach dem Prinzip der Veränderung der Zusammensetzung von Molekülen: Addition, Substitution, Eliminierung oder Eliminierung (von lat. Beseitigung- löschen, abspalten) und neu anordnen. Da Addition und Substitution unter Einwirkung aller drei Arten von reaktiven Spezies auftreten können, können mehrere Hauptreaktionsmechanismen unterschieden werden.

1.Radikalische Substitution:

$(CH_4)↙(\text"Methan")+Br_2(→)↖(\text"UV-Licht")(CH_3Br)↙(\text"Bromethan")+HBr$

2. Zusatz von freien Radikalen:

$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"UV-Licht,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$

3. Elektrophile Substitution:

4. Elektrophile Verbindung:

$CH_3-(CH=)↙(\text"Propen")CH_2+HBr(→)↖(\text"Lösung")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-Brompropan")$

$CH_3(-C≡)↙(\text"Propin")CH+Cl_2(→)↖(\text"Lösung")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-Dichlorpropen")$

5. Nucleophile Addition:

Darüber hinaus werden wir die Spaltungs- oder Eliminierungsreaktionen betrachten, die unter dem Einfluss von nukleophilen Partikeln - Basen - stattfinden.

6. Beseitigung:

$CH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"alkoholische Lösung")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$

Regel von V. V. Markovnikov

Eine Besonderheit von Alkenen (ungesättigte Kohlenwasserstoffe) ist die Fähigkeit, Additionsreaktionen einzugehen. Die meisten dieser Reaktionen laufen nach dem Mechanismus ab elektrophile Addition.

Hydrohalogenierung (Addition von Halogenwasserstoff):

$CH_3(-CH-)↙(\text"Propen")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-Brompropan")$

Diese Reaktion unterliegt V. V. Markovnikovs Regel: Wenn ein Halogenwasserstoff an ein Alken addiert wird, wird Wasserstoff an ein stärker hydriertes Kohlenstoffatom addiert, d.h. das Atom, an dem sich mehr Wasserstoffatome befinden, und das Halogen - dem weniger hydrierten.

Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verbunden sind und die der allgemeinen Formel C n H 2 n+2 entsprechen.
In Alkanmolekülen befinden sich alle Kohlenstoffatome in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung. Dies bedeutet, dass alle vier Hybridorbitale des Kohlenstoffatoms in Form und Energie identisch sind und auf die Ecken einer gleichseitigen dreieckigen Pyramide - eines Tetraeders - gerichtet sind. Die Winkel zwischen den Orbitalen betragen 109° 28'.

Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation möglich, und Alkanmoleküle können eine Vielzahl von Formen mit Winkeln an Kohlenstoffatomen nahe dem Tetraeder (109 ° 28 ') annehmen, beispielsweise in einem Molekül n-Pentan.

Es lohnt sich besonders, an die Bindungen in den Molekülen der Alkane zu erinnern. Alle Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe sind einfach. Die Überlappung erfolgt entlang der Achse,
die Kerne von Atomen verbinden, d.h. es handelt sich um σ-Bindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind unpolar und schlecht polarisierbar. Die Länge der C-C-Bindung in Alkanen beträgt 0,154 nm (1,54 · 10 - 10 m). C-H-Bindungen sind etwas kürzer. Die Elektronendichte ist leicht in Richtung des elektronegativeren Kohlenstoffatoms verschoben, d. h. die C-H-Bindung ist schwach polar.

Das Fehlen polarer Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe führt dazu, dass sie in Wasser schlecht löslich sind und nicht mit geladenen Teilchen (Ionen) interagieren. Die charakteristischsten Alkane sind Reaktionen, an denen freie Radikale beteiligt sind.

Homologe Reihe von Methan

Homologe- Substanzen, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich durch eine oder mehrere CH 2 -Gruppen unterscheiden.

Isomerie und Nomenklatur

Alkane sind durch die sogenannte Strukturisomerie gekennzeichnet. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Butan.

Grundlagen der Nomenklatur

1. Auswahl des Hauptstromkreises. Die Bildung des Namens eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette - der längsten Kette von Kohlenstoffatomen in einem Molekül, die sozusagen seine Basis darstellt.
2. Nummerierung der Atome der Hauptkette. Den Atomen der Hauptkette sind Nummern zugeordnet. Die Numerierung der Atome der Hauptkette beginnt am Ende, das dem Substituenten am nächsten liegt (Strukturen A, B). Sind die Substituenten gleich weit vom Kettenende entfernt, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sie mehr sind (Struktur B). Sind verschiedene Substituenten gleich weit von den Enden der Kette entfernt, so beginnt die Nummerierung an dem Ende, dem der ältere näher ist (Struktur D). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем этил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3 ) usw.
Beachten Sie, dass der Name des Stellvertreters gebildet wird, indem das Suffix -an durch das Suffix - ersetzt wird. Schlick im Namen des entsprechenden Alkans.
3. Namensbildung. Zahlen sind am Anfang des Namens angegeben - die Anzahl der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Sind an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden, so wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal getrennt durch ein Komma (2,2-) wiederholt. Nach der Zahl gibt ein Bindestrich die Anzahl der Substituenten an ( di- zwei, drei- drei, Tetra- vier, Penta- fünf) und den Namen des Substituenten (Methyl, Ethyl, Propyl). Dann ohne Leerzeichen und Bindestriche - der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet - ein Mitglied der Methan-homologen Reihe ( Methan CH4, Ethan C 2 H 6, Propan C 3 H 8, C 4 H 10, Pentan C 5 H 12, Hexan C 6 H 14, Heptan C 7 H 16, Oktan C 8 H 18, Nonan C 9 H 20, Dean C 10 H 22).

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste von ihnen ist Methan - ein farbloses, geschmackloses und geruchloses Gas (der Geruch von "Gas", das Sie 04 nennen müssen, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt - schwefelhaltige Verbindungen, die speziell dem verwendeten Methan zugesetzt werden Haushalts- und Industriegasgeräte, damit Personen in ihrer Nähe das Leck riechen können).
Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung von C 4 H 12 bis C 15 H 32 - Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen allmählich mit zunehmender Kohlenstoffkettenlänge. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich, flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Substitutionsreaktionen.
Die charakteristischsten Alkane sind radikalische Substitutionsreaktionen, bei denen ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine andere Gruppe ersetzt wird. Stellen wir die Gleichungen der charakteristischen Reaktionen vor Halogenierung:


Bei einem Halogenüberschuss kann die Chlorierung weiter gehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor:

Die resultierenden Substanzen werden in großem Umfang als Lösungsmittel und Ausgangsmaterialien in der organischen Synthese verwendet.
Dehydrierungsreaktion(Wasserstoffabspaltung).
Beim Durchgang von Alkanen über den Katalysator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) bei hoher Temperatur (400-600 ° C) wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und ein Alken gebildet:


Reaktionen, die von der Zerstörung der Kohlenstoffkette begleitet werden.
Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe verbrennen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren.
1. Verbrennung von gesättigten Kohlenwasserstoffen ist eine freiradikalische exotherme Reaktion, die bei der Verwendung von Alkanen als Brennstoff sehr wichtig ist:

Allgemein kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:

2. Thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen.

Der Prozess verläuft nach dem Radikalmechanismus. Eine Temperaturerhöhung führt zu einem homolytischen Bruch der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale.

Diese Radikale interagieren miteinander unter Austausch eines Wasserstoffatoms unter Bildung eines Alkanmoleküls und eines Alkenmoleküls:

Thermische Spaltungsreaktionen liegen dem industriellen Prozess zugrunde – dem Cracken von Kohlenwasserstoffen. Dieser Prozess ist die wichtigste Phase der Ölraffination.

3. Pyrolyse. Wenn Methan auf eine Temperatur von 1000 ° C erhitzt wird, beginnt die Pyrolyse von Methan - Zersetzung in einfache Substanzen:

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 1500 ° C ist die Bildung von Acetylen möglich:

4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst:

5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette werden in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten cyclisiert:

Alkane gehen Reaktionen ein, die nach dem Radikalmechanismus ablaufen, da sich alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung befinden. Die Moleküle dieser Substanzen sind aus kovalenten unpolaren C-C-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren C-H-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie haben keine Bereiche mit hoher und niedriger Elektronendichte, leicht polarisierbare Bindungen, d. h. solche Bindungen, bei denen sich die Elektronendichte unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Felder von Ionen) verschieben kann. Folglich reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, da Bindungen in Alkanmolekülen nicht durch einen heterolytischen Mechanismus aufgebrochen werden.