Πίνακας αντιδράσεων υδρογονανθράκων. Χαρακτηριστικές χημικές ιδιότητες υδρογονανθράκων. Μηχανισμοί αντίδρασης. Η δομή και οι ιδιότητες των υδρογονανθράκων

Χημικές ιδιότητες των αλκανίων

Τα αλκάνια (παραφίνες) είναι μη κυκλικοί υδρογονάνθρακες, στα μόρια των οποίων όλα τα άτομα άνθρακα συνδέονται μόνο με απλούς δεσμούς. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχουν πολλαπλοί, διπλοί ή τριπλοί δεσμοί στα μόρια των αλκανίων. Στην πραγματικότητα, τα αλκάνια είναι υδρογονάνθρακες που περιέχουν τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων υδρογόνου, και ως εκ τούτου ονομάζονται περιοριστικοί (κορεσμένοι).

Λόγω κορεσμού, τα αλκάνια δεν μπορούν να εισέλθουν σε αντιδράσεις προσθήκης.

Δεδομένου ότι τα άτομα άνθρακα και υδρογόνου έχουν αρκετά στενή ηλεκτραρνητικότητα, αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι οι δεσμοί CH στα μόριά τους είναι εξαιρετικά χαμηλής πολικότητας. Από αυτή την άποψη, για τα αλκάνια, οι αντιδράσεις που προχωρούν σύμφωνα με τον μηχανισμό της ριζικής υποκατάστασης, που συμβολίζεται με το σύμβολο S R, είναι πιο χαρακτηριστικές.

1. Αντιδράσεις υποκατάστασης

Σε αντιδράσεις αυτού του τύπου σπάνε δεσμοί άνθρακα-υδρογόνου.

RH + XY → RX + HY

Αλογόνωση

Τα αλκάνια αντιδρούν με αλογόνα (χλώριο και βρώμιο) υπό τη δράση υπεριώδους φωτός ή με ισχυρή θερμότητα. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα μείγμα παραγώγων αλογόνου με διαφορετικούς βαθμούς υποκατάστασης ατόμων υδρογόνου - μονο-, δι-τρι- κ.λπ. αλκάνια υποκατεστημένα με αλογόνο.

Στο παράδειγμα του μεθανίου, μοιάζει με αυτό:

Με την αλλαγή της αναλογίας αλογόνου/μεθανίου στο μείγμα αντίδρασης, είναι δυνατό να διασφαλιστεί ότι οποιοδήποτε συγκεκριμένο παράγωγο αλογόνου μεθανίου κυριαρχεί στη σύνθεση των προϊόντων.

μηχανισμός αντίδρασης

Ας αναλύσουμε τον μηχανισμό της αντίδρασης υποκατάστασης ελεύθερων ριζών χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεθανίου και χλωρίου. Αποτελείται από τρία στάδια:

έναρξη (ή έναρξη αλυσίδας) - η διαδικασία σχηματισμού ελεύθερων ριζών υπό τη δράση της ενέργειας από το εξωτερικό - ακτινοβολία με υπεριώδη ακτινοβολία ή θέρμανση. Σε αυτό το στάδιο, το μόριο χλωρίου υφίσταται ομολυτική διάσπαση του δεσμού Cl-Cl με το σχηματισμό ελεύθερων ριζών:

Οι ελεύθερες ρίζες, όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, ονομάζονται άτομα ή ομάδες ατόμων με ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια (Cl, H, CH 3, CH 2, κ.λπ.).

2. Ανάπτυξη αλυσίδας

Αυτό το στάδιο συνίσταται στην αλληλεπίδραση ενεργών ελεύθερων ριζών με ανενεργά μόρια. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται νέες ρίζες. Συγκεκριμένα, όταν οι ρίζες χλωρίου δρουν σε μόρια αλκανίου, σχηματίζεται μια ρίζα αλκυλίου και υδροχλώριο. Με τη σειρά της, η ρίζα αλκυλίου, συγκρουόμενη με μόρια χλωρίου, σχηματίζει ένα παράγωγο χλωρίου και μια νέα ρίζα χλωρίου:

3) Σπάσιμο (θάνατος) της αλυσίδας:

Εμφανίζεται ως αποτέλεσμα του ανασυνδυασμού δύο ριζών μεταξύ τους σε ανενεργά μόρια:

2. Αντιδράσεις οξείδωσης

Υπό κανονικές συνθήκες, τα αλκάνια είναι αδρανή σε σχέση με τόσο ισχυρά οξειδωτικά μέσα όπως τα πυκνά θειικά και νιτρικά οξέα, το υπερμαγγανικό και το διχρωμικό κάλιο (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).

Καύση σε οξυγόνο

Α) πλήρης καύση με περίσσεια οξυγόνου. Οδηγεί στο σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού:

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

Β) ατελής καύση με έλλειψη οξυγόνου:

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

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

Καταλυτική οξείδωση με οξυγόνο

Ως αποτέλεσμα της θέρμανσης των αλκανίων με οξυγόνο (~200 o C) παρουσία καταλυτών, μπορεί να ληφθεί από αυτά μια μεγάλη ποικιλία οργανικών προϊόντων: αλδεΰδες, κετόνες, αλκοόλες, καρβοξυλικά οξέα.

Για παράδειγμα, το μεθάνιο, ανάλογα με τη φύση του καταλύτη, μπορεί να οξειδωθεί σε μεθυλική αλκοόλη, φορμαλδεΰδη ή μυρμηκικό οξύ:

3. Θερμικοί μετασχηματισμοί αλκανίων

Ράγισμα

Το Cracking (από τα αγγλικά στο crack - to tear) είναι μια χημική διαδικασία που συμβαίνει σε υψηλή θερμοκρασία, ως αποτέλεσμα της οποίας ο σκελετός άνθρακα των μορίων αλκανίων σπάει με το σχηματισμό μορίων αλκενίου και αλκανίου με χαμηλότερο μοριακό βάρος σε σύγκριση με τα αρχικά αλκάνια. Για παράδειγμα:

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

Η ρηγμάτωση μπορεί να είναι θερμική ή καταλυτική. Για την υλοποίηση της καταλυτικής πυρόλυσης, λόγω της χρήσης καταλυτών, χρησιμοποιούνται σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τη θερμική πυρόλυση.

Αφυδρογόνωση

Η αποβολή του υδρογόνου συμβαίνει ως αποτέλεσμα της θραύσης των δεσμών C-H. πραγματοποιείται παρουσία καταλυτών σε υψηλές θερμοκρασίες. Η αφυδρογόνωση του μεθανίου παράγει ακετυλένιο:

2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2

Η θέρμανση του μεθανίου στους 1200 ° C οδηγεί στην αποσύνθεσή του σε απλές ουσίες:

CH 4 → C + 2H 2

Η αφυδρογόνωση άλλων αλκανίων δίνει αλκένια:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2

Κατά την αφυδρογόνωση n-Σχηματίζονται βουτάνιο, βουτένιο-1 και βουτένιο-2 (το τελευταίο με τη μορφή cis-Και έκσταση-ισομερή):

Αφυδροκυκλοποίηση

Ισομερισμός

Χημικές ιδιότητες κυκλοαλκανίων

Οι χημικές ιδιότητες των κυκλοαλκανίων με περισσότερα από τέσσερα άτομα άνθρακα στους κύκλους είναι γενικά σχεδόν ίδιες με εκείνες των αλκανίων. Για το κυκλοπροπάνιο και το κυκλοβουτάνιο, παραδόξως, οι αντιδράσεις προσθήκης είναι χαρακτηριστικές. Αυτό οφείλεται στην υψηλή τάση εντός του κύκλου, η οποία οδηγεί στο γεγονός ότι αυτοί οι κύκλοι τείνουν να σπάσουν. Έτσι, το κυκλοπροπάνιο και το κυκλοβουτάνιο προσθέτουν εύκολα βρώμιο, υδρογόνο ή υδροχλώριο:

Χημικές ιδιότητες αλκενίων

1. Αντιδράσεις προσθήκης

Δεδομένου ότι ο διπλός δεσμός στα μόρια αλκενίου αποτελείται από έναν ισχυρό δεσμό σίγμα και έναν ασθενή δεσμό pi, είναι αρκετά δραστικές ενώσεις που εισέρχονται εύκολα σε αντιδράσεις προσθήκης. Τα αλκένια συχνά εισέρχονται σε τέτοιες αντιδράσεις ακόμη και υπό ήπιες συνθήκες - στο κρύο, σε υδατικά διαλύματα και οργανικούς διαλύτες.

Υδρογόνωση αλκενίων

Τα αλκένια μπορούν να προσθέσουν υδρογόνο παρουσία καταλυτών (πλατίνα, παλλάδιο, νικέλιο):

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

Η υδρογόνωση των αλκενίων προχωρά εύκολα ακόμη και σε κανονική πίεση και ελαφρά θέρμανση. Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι οι ίδιοι καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αφυδρογόνωση των αλκανίων σε αλκένια, μόνο που η διαδικασία αφυδρογόνωσης προχωρά σε υψηλότερη θερμοκρασία και χαμηλότερη πίεση.

Αλογόνωση

Τα αλκένια εισέρχονται εύκολα σε αντίδραση προσθήκης με βρώμιο τόσο σε υδατικό διάλυμα όσο και σε οργανικούς διαλύτες. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης, αρχικά κίτρινα διαλύματα βρωμίου χάνουν το χρώμα τους, δηλ. ξεβάφω.

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

Υδροαλογόνωση

Είναι εύκολο να δούμε ότι η προσθήκη ενός υδραλογόνου σε ένα ασύμμετρο μόριο αλκενίου θα πρέπει θεωρητικά να οδηγήσει σε ένα μείγμα δύο ισομερών. Για παράδειγμα, όταν προστίθεται υδροβρώμιο στο προπένιο, θα πρέπει να ληφθούν τα ακόλουθα προϊόντα:

Ωστόσο, ελλείψει ειδικών συνθηκών (για παράδειγμα, παρουσία υπεροξειδίων στο μείγμα αντίδρασης), η προσθήκη ενός μορίου υδραλογόνου θα συμβεί αυστηρά επιλεκτικά σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov:

Η προσθήκη ενός υδραλογόνου σε ένα αλκένιο συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε το υδρογόνο συνδέεται με ένα άτομο άνθρακα με μεγαλύτερο αριθμό ατόμων υδρογόνου (περισσότερο υδρογονωμένα) και ένα αλογόνο συνδέεται με ένα άτομο άνθρακα με μικρότερο αριθμό ατόμων υδρογόνου (λιγότερο υδρογονωμένο).

Ενυδάτωση

Αυτή η αντίδραση οδηγεί στο σχηματισμό αλκοολών και επίσης προχωρά σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov:

Όπως μπορείτε να μαντέψετε, λόγω του γεγονότος ότι η προσθήκη νερού στο μόριο αλκενίου συμβαίνει σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov, ο σχηματισμός πρωτοταγούς αλκοόλης είναι δυνατός μόνο στην περίπτωση ενυδάτωσης αιθυλενίου:

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

Με αυτή την αντίδραση πραγματοποιείται η κύρια ποσότητα αιθυλικής αλκοόλης στη βιομηχανία μεγάλης παραγωγικής ικανότητας.

Πολυμερισμός

Μια ειδική περίπτωση της αντίδρασης προσθήκης είναι η αντίδραση πολυμερισμού, η οποία, σε αντίθεση με την αλογόνωση, την υδροαλογόνωση και την ενυδάτωση, προχωρά μέσω ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών:

Αντιδράσεις οξείδωσης

Όπως όλοι οι άλλοι υδρογονάνθρακες, τα αλκένια καίγονται εύκολα σε οξυγόνο για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Η εξίσωση για την καύση αλκενίων σε περίσσεια οξυγόνου έχει τη μορφή:

C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O

Σε αντίθεση με τα αλκάνια, τα αλκένια οξειδώνονται εύκολα. Υπό τη δράση υδατικού διαλύματος KMnO 4 σε αλκένια, αποχρωματισμός, ο οποίος είναι μια ποιοτική αντίδραση σε διπλούς και τριπλούς δεσμούς CC σε μόρια οργανικών ουσιών.

Η οξείδωση των αλκενίων με υπερμαγγανικό κάλιο σε ουδέτερο ή ελαφρώς αλκαλικό διάλυμα οδηγεί στο σχηματισμό διολών (διυδρικές αλκοόλες):

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

Σε ένα όξινο περιβάλλον, συμβαίνει μια πλήρης διάσπαση του διπλού δεσμού με τον μετασχηματισμό των ατόμων άνθρακα που σχημάτισαν τον διπλό δεσμό σε καρβοξυλικές ομάδες:

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 (θέρμανση)

Εάν ο διπλός δεσμός C=C βρίσκεται στο άκρο του μορίου του αλκενίου, τότε το διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζεται ως το προϊόν οξείδωσης του ακραίου ατόμου άνθρακα στον διπλό δεσμό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ενδιάμεσο προϊόν οξείδωσης, το μυρμηκικό οξύ, οξειδώνεται εύκολα από μόνο του σε περίσσεια ενός οξειδωτικού παράγοντα:

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 (θέρμανση)

Κατά την οξείδωση των αλκενίων, στην οποία το άτομο C στον διπλό δεσμό περιέχει δύο υποκαταστάτες υδρογονάνθρακα, σχηματίζεται μια κετόνη. Για παράδειγμα, η οξείδωση του 2-μεθυλβουτενίου-2 παράγει ακετόνη και οξικό οξύ.

Η οξείδωση των αλκενίων, η οποία σπάει τον σκελετό άνθρακα στον διπλό δεσμό, χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της δομής τους.

Χημικές ιδιότητες αλκαδιενίων

Αντιδράσεις προσθήκης

Για παράδειγμα, η προσθήκη αλογόνων:

Το βρωμιούχο νερό γίνεται άχρωμο.

Υπό κανονικές συνθήκες, η προσθήκη ατόμων αλογόνου συμβαίνει στα άκρα του μορίου βουταδιενίου-1,3, ενώ οι δεσμοί π σπάνε, τα άτομα βρωμίου συνδέονται με τα ακραία άτομα άνθρακα και τα ελεύθερα σθένη σχηματίζουν έναν νέο δεσμό π. Έτσι, σαν να υπάρχει «κίνηση» του διπλού δεσμού. Με περίσσεια βρωμίου, ένα ακόμη μόριο βρωμίου μπορεί να προστεθεί στη θέση του σχηματισμένου διπλού δεσμού.

αντιδράσεις πολυμερισμού

Χημικές ιδιότητες αλκυνίων

Τα αλκίνια είναι ακόρεστοι (ακόρεστοι) υδρογονάνθρακες και επομένως μπορούν να εισέλθουν σε αντιδράσεις προσθήκης. Μεταξύ των αντιδράσεων προσθήκης αλκυνίων, η ηλεκτροφιλική προσθήκη είναι η πιο κοινή.

Αλογόνωση

Δεδομένου ότι ο τριπλός δεσμός των μορίων αλκυνίου αποτελείται από έναν ισχυρότερο δεσμό σίγμα και δύο ασθενέστερους δεσμούς pi, μπορούν να προσκολλήσουν είτε ένα είτε δύο μόρια αλογόνου. Η προσθήκη δύο μορίων αλογόνου από ένα μόριο αλκυνίου γίνεται με τον ηλεκτροφιλικό μηχανισμό διαδοχικά σε δύο στάδια:

Υδροαλογόνωση

Η προσθήκη μορίων υδραλογόνου προχωρά επίσης με τον ηλεκτροφιλικό μηχανισμό και σε δύο στάδια. Και στα δύο στάδια, η προσθήκη προχωρά σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov:

Ενυδάτωση

Η προσθήκη νερού στα αλκίνια συμβαίνει παρουσία αλάτων ρουθίου σε ένα όξινο μέσο και ονομάζεται αντίδραση Kucherov.

Ως αποτέλεσμα της ενυδάτωσης της προσθήκης νερού στο ακετυλένιο, σχηματίζεται ακεταλδεΰδη (οξική αλδεΰδη):

Για τα ομόλογα ακετυλενίου, η προσθήκη νερού οδηγεί στο σχηματισμό κετονών:

Υδρογόνωση αλκυνίου

Τα αλκίνια αντιδρούν με το υδρογόνο σε δύο στάδια. Μέταλλα όπως η πλατίνα, το παλλάδιο, το νικέλιο χρησιμοποιούνται ως καταλύτες:

Τριμερισμός αλκυνίου

Όταν το ακετυλένιο περνά πάνω από ενεργό άνθρακα σε υψηλή θερμοκρασία, σχηματίζεται από αυτό ένα μείγμα διαφόρων προϊόντων, το κύριο από τα οποία είναι το βενζόλιο, προϊόν τριμερισμού ακετυλενίου:

Διμερισμός αλκυνίων

Το ακετυλένιο εισέρχεται επίσης σε μια αντίδραση διμερισμού. Η διαδικασία προχωρά παρουσία αλάτων χαλκού ως καταλύτες:

Οξείδωση αλκυνίου

Τα αλκίνια καίγονται στο οξυγόνο:

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

Η αλληλεπίδραση των αλκυνίων με τις βάσεις

Τα αλκίνια με τριπλό C≡C στο τέλος του μορίου, σε αντίθεση με άλλα αλκύνια, μπορούν να εισέλθουν σε αντιδράσεις στις οποίες το άτομο υδρογόνου στον τριπλό δεσμό αντικαθίσταται από ένα μέταλλο. Για παράδειγμα, το ακετυλένιο αντιδρά με αμίδιο του νατρίου σε υγρή αμμωνία:

HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,

και επίσης με ένα διάλυμα αμμωνίας οξειδίου του αργύρου, που σχηματίζει αδιάλυτες ουσίες που μοιάζουν με άλατα που ονομάζονται ακετυλενίδια:

Χάρη σε αυτή την αντίδραση, είναι δυνατό να αναγνωριστούν αλκίνια με τελικό τριπλό δεσμό, καθώς και να απομονωθεί ένα τέτοιο αλκύνιο από ένα μείγμα με άλλα αλκύνια.

Πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα ακετυλενίδια του αργύρου και του χαλκού είναι εκρηκτικές ουσίες.

Τα ακετυλίδια είναι σε θέση να αντιδρούν με παράγωγα αλογόνου, τα οποία χρησιμοποιούνται στη σύνθεση πιο πολύπλοκων οργανικών ενώσεων με τριπλό δεσμό:

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

Χημικές ιδιότητες αρωματικών υδρογονανθράκων

Η αρωματική φύση του δεσμού επηρεάζει τις χημικές ιδιότητες των βενζολίων και άλλων αρωματικών υδρογονανθράκων.

Ένα απλό σύστημα ηλεκτρονίων 6pi είναι πολύ πιο σταθερό από τους συμβατικούς δεσμούς pi. Επομένως, για τους αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οι αντιδράσεις υποκατάστασης είναι πιο χαρακτηριστικές από τις αντιδράσεις προσθήκης. Οι αρένες εισέρχονται σε αντιδράσεις υποκατάστασης με ηλεκτροφιλικό μηχανισμό.

Αντιδράσεις υποκατάστασης

Αλογόνωση

Περιέχων άζωτον

Η αντίδραση νίτρωσης εξελίσσεται καλύτερα υπό τη δράση όχι του καθαρού νιτρικού οξέος, αλλά του μίγματος του με πυκνό θειικό οξύ, το λεγόμενο μίγμα νιτροποίησης:

Αλκυλίωση

Η αντίδραση κατά την οποία ένα από τα άτομα υδρογόνου στον αρωματικό πυρήνα αντικαθίσταται από μια ρίζα υδρογονάνθρακα:

Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αλκένια αντί των αλογονωμένων αλκανίων. Ως καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αλογονίδια αλουμινίου, αλογονίδια σιδήρου σιδήρου ή ανόργανα οξέα.<

Αντιδράσεις προσθήκης

υδρογόνωση

Προσχώρηση χλωρίου

Προχωρά με έναν ριζικό μηχανισμό υπό έντονη ακτινοβολία με υπεριώδες φως:

Ομοίως, η αντίδραση μπορεί να προχωρήσει μόνο με χλώριο.

Αντιδράσεις οξείδωσης

Καύση

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

ατελής οξείδωση

Ο δακτύλιος βενζολίου είναι ανθεκτικός σε οξειδωτικά μέσα όπως KMnO 4 και K 2 Cr 2 O 7 . Η αντίδραση δεν πάει.

Διαίρεση των υποκαταστατών στον δακτύλιο βενζολίου σε δύο τύπους:

Εξετάστε τις χημικές ιδιότητες των ομολόγων βενζολίου χρησιμοποιώντας το τολουόλιο ως παράδειγμα.

Χημικές ιδιότητες του τολουολίου

Αλογόνωση

Το μόριο τολουολίου μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από θραύσματα μορίων βενζολίου και μεθανίου. Επομένως, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι χημικές ιδιότητες του τολουολίου θα πρέπει σε κάποιο βαθμό να συνδυάζουν τις χημικές ιδιότητες αυτών των δύο ουσιών που λαμβάνονται χωριστά. Συγκεκριμένα, αυτό ακριβώς παρατηρείται κατά την αλογόνωσή του. Γνωρίζουμε ήδη ότι το βενζόλιο εισέρχεται σε μια αντίδραση υποκατάστασης με το χλώριο μέσω ενός ηλεκτρόφιλου μηχανισμού και ότι πρέπει να χρησιμοποιηθούν καταλύτες (αλογονίδια αργιλίου ή σιδήρου) για να πραγματοποιηθεί αυτή η αντίδραση. Ταυτόχρονα, το μεθάνιο είναι επίσης ικανό να αντιδρά με το χλώριο, αλλά με μηχανισμό ελεύθερων ριζών, ο οποίος απαιτεί ακτινοβόληση του αρχικού μείγματος αντίδρασης με υπεριώδη ακτινοβολία. Το τολουόλιο, ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες υφίσταται χλωρίωση, μπορεί να δώσει είτε τα προϊόντα υποκατάστασης ατόμων υδρογόνου στον δακτύλιο βενζολίου - για αυτό πρέπει να χρησιμοποιήσετε τις ίδιες συνθήκες όπως στη χλωρίωση του βενζολίου ή τα προϊόντα υποκατάστασης των ατόμων υδρογόνου στη ρίζα του μεθυλίου, εάν είναι σε αυτήν, πώς να ενεργεί στο μεθάνιο με χλώριο όταν ακτινοβολείται με υπεριώδες φως:

Όπως μπορείτε να δείτε, η χλωρίωση του τολουολίου παρουσία χλωριούχου αλουμινίου οδήγησε σε δύο διαφορετικά προϊόντα - το ορθο- και το παρα-χλωροτολουόλιο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ρίζα μεθυλίου είναι ένας υποκαταστάτης του πρώτου είδους.

Εάν η χλωρίωση του τολουολίου παρουσία AlCl 3 πραγματοποιείται σε περίσσεια χλωρίου, είναι δυνατός ο σχηματισμός τολουολίου υποκατεστημένου με τριχλωρίδιο:

Ομοίως, όταν το τολουόλιο χλωριώνεται στο φως με υψηλότερη αναλογία χλωρίου/τολουολίου, μπορεί να ληφθεί διχλωρομεθυλοβενζόλιο ή τριχλωρομεθυλοβενζόλιο:

Περιέχων άζωτον

Η αντικατάσταση των ατόμων υδρογόνου για τη νιτροομάδα, κατά τη νίτρωση του τολουολίου με ένα μείγμα πυκνών νιτρικών και θειικών οξέων, οδηγεί σε προϊόντα υποκατάστασης στον αρωματικό πυρήνα και όχι στη ρίζα του μεθυλίου:

Αλκυλίωση

Όπως ήδη αναφέρθηκε, η ρίζα μεθυλίου είναι ένα προσανατολιστικό του πρώτου είδους, επομένως, η αλκυλίωση Friedel-Crafts οδηγεί σε προϊόντα υποκατάστασης στις θέσεις ορθο και παρά:

Αντιδράσεις προσθήκης

Το τολουόλιο μπορεί να υδρογονωθεί σε μεθυλοκυκλοεξάνιο χρησιμοποιώντας μεταλλικούς καταλύτες (Pt, Pd, Ni):

C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

ατελής οξείδωση

Κάτω από τη δράση ενός τέτοιου οξειδωτικού παράγοντα όπως ένα υδατικό διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου, η πλευρική αλυσίδα υφίσταται οξείδωση. Ο αρωματικός πυρήνας δεν μπορεί να οξειδωθεί υπό τέτοιες συνθήκες. Σε αυτή την περίπτωση, ανάλογα με το pH του διαλύματος, θα σχηματιστεί είτε ένα καρβοξυλικό οξύ είτε το άλας του.

Οι οριακές υδρογονάνθρακες έχουν στα μόριά τους μόνο δεσμούς χαμηλής πολικότητας και ασθενούς πόλωσης, οι οποίοι είναι ιδιαίτερα ανθεκτικοί, επομένως, υπό κανονικές συνθήκες, είναι ουσίες που είναι ελαφρώς χημικά ενεργές σε σχέση με τα πολικά αντιδραστήρια: δεν αλληλεπιδρούν με συμπυκνωμένα οξέα, ολόκληρα, αλκαλιμέταλλα, οξειδωτικά μέσα. Αυτός ήταν ο λόγος για το όνομά τους - παραφίνες.Το Parumaffinus είναι λατινικά για άσχετο. Οι χημικοί μετασχηματισμοί τους προχωρούν κυρίως σε υψηλές θερμοκρασίες και υπό τη δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας.

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι αντιδράσεων κορεσμένων υδρογονανθράκων: υποκατάσταση, οξείδωση και απομάκρυνση. Αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να προχωρήσουν είτε με σπάσιμο του δεσμού C-C (ενέργεια 83,6 kcal) είτε με διάσπαση του δεσμού C-H (ενέργεια 98,8 kcal/mol). Οι αντιδράσεις συχνά συνοδεύονται από ένα σπάσιμο του δεσμού C-H, tk. είναι πιο προσιτό στη δράση του αντιδραστηρίου, αν και ο δεσμός C-C απαιτεί λιγότερη ενέργεια για διάσπαση. Ως αποτέλεσμα τέτοιων αντιδράσεων, σχηματίζονται ενδιάμεσα πολύ ενεργά είδη - ρίζες αλειφατικών υδρογονανθράκων.

Παρασκευή και ιδιότητες αλειφατικών ριζών

1. Ο σχηματισμός ελεύθερων ριζών κατά την ομολυτική διάσπαση των δεσμών C-C ή C-H συμβαίνει σε θερμοκρασία 300-700 ° C ή υπό τη δράση αντιδραστηρίων ελεύθερων ριζών.

2. Η διάρκεια ζωής των ελεύθερων ριζών (αντίσταση) αυξάνεται από πρωτογενείς σε δευτερογενείς και τριτογενείς ρίζες:

β) Αλληλεπίδραση με ακόρεστες ενώσεις: η προσθήκη γίνεται και με το σχηματισμό μιας νέας ρίζας:

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

γ) -διάσπαση - ρίζες με μακρά ανθρακική αλυσίδα αποσυντίθενται με διάσπαση του δεσμού C-C στη θέση - στον άνθρακα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο.

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

δ) Δυσαναλογία - ανακατανομή του υδρογόνου που σχετίζεται με τη διάσπαση κατά μήκος του δεσμού C-H:

+ CH 3 - CH 2.

+ CH 3 - CH 3

ε) Ανασυνδυασμός - ο συνδυασμός ελεύθερων ριζών μεταξύ τους

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

Γνωρίζοντας τα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς των ελεύθερων ριζών, είναι ευκολότερο να κατανοήσουμε τους βασικούς νόμους των ειδικών αντιδράσεων των κορεσμένων υδρογονανθράκων.

Πληκτρολογώ. αντίδραση υποκατάστασης

1. Αντιδράσεις αλογόνωσης. Το πιο ενεργητικό αντιδραστήριο είναι το φθόριο. Η άμεση φθορίωση οδηγεί σε έκρηξη. Οι αντιδράσεις χλωρίωση.Μπορούν να προχωρήσουν υπό τη δράση των μορίων χλωρίου στο φως ήδη σε θερμοκρασία δωματίου. Η αντίδραση προχωρά σύμφωνα με τον μηχανισμό της αλυσίδας ελεύθερων ριζών και περιλαμβάνει τα ακόλουθα κύρια στάδια:

α) το πρώτο αργό στάδιο - έναρξη αλυσίδας:

Cl:ClCl. +Cl.

R: H + . Cl HCl + R.

β) ανάπτυξη αλυσίδας - ο σχηματισμός προϊόντων αντίδρασης με τον ταυτόχρονο σχηματισμό ελεύθερων ριζών που συνεχίζουν τη διαδικασία της αλυσίδας:

R. + Cl: Cl RCl + Cl.

R:H+Cl. HCl+R.

γ) ανοιχτό κύκλωμα:

Από το CI. το αντιδραστήριο είναι ενεργό, μπορεί να προσβάλει το μόριο του ήδη ληφθέντος παραγώγου χλωρίου, ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα μείγμα μονο- και πολυαλογονωμένων ενώσεων. Για παράδειγμα:

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

χλωριούχο μεθύλιο –HCl-HCl-HCl

χλωροφόρμιο μεθυλενοχλωρίδιο τέσσερα-

χλωριούχου άνθρακα

Αντίδραση βρωμίωσηςπροχωρά πολύ πιο δύσκολα, γιατί το βρώμιο είναι λιγότερο ενεργό από το χλώριο και αντιδρά κυρίως με το σχηματισμό πιο σταθερών τριτοταγών ή δευτερογενών ριζών. Σε αυτή την περίπτωση, το δεύτερο άτομο βρωμίου εισέρχεται συνήθως σε μια θέση δίπλα στο πρώτο, κυρίως στον δευτερογενή άνθρακα.

αντιδράσεις ιωδίωσηςπρακτικά δεν διαρρέουν, γιατί Το HI μειώνει τα προκύπτοντα αλκυλοϊωδίδια.

2. Περιέχων άζωτον- αντικατάσταση του ατόμου Η από την ομάδα NO 2 υπό τη δράση του νιτρικού οξέος. Πηγαίνει υπό τη δράση αραιού νιτρικού οξέος (12%) σε υψηλή θερμοκρασία 150 ° C υπό πίεση (αντίδραση Konovalov). Οι παραφίνες ισοδομής αντιδρούν πιο εύκολα, tk. Η υποκατάσταση γίνεται πιο εύκολα στο τριτοταγές άτομο άνθρακα:

Ο μηχανισμός της αντίδρασης νίτρωσης σχετίζεται με τον ενδιάμεσο σχηματισμό ελεύθερων ριζών. Η έναρξη διευκολύνεται από μια μερική διαδικασία οξείδωσης:

RH + HONO 2 ROH + HONO

νιτρώδες οξύ

HONO + HONO 2 HOH + 2 . ΟΧΙ 2

+ . ΟΧΙ 2

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

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

εκείνοι. η ριζική αντίδραση νίτρωσης υδρογονανθράκων δεν έχει αλυσιδωτό χαρακτήρα.

τύπου II. Αντιδράσεις οξείδωσης

Υπό κανονικές συνθήκες, οι παραφίνες δεν οξειδώνονται ούτε με οξυγόνο ούτε από ισχυρούς οξειδωτικούς παράγοντες (KMnO 4 , HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 , κ.λπ.).

Όταν μια ανοιχτή φλόγα εισάγεται σε ένα μείγμα υδρογονάνθρακα με αέρα, λαμβάνει χώρα πλήρης οξείδωση (καύση) του υδρογονάνθρακα σε CO 2 και H 2 O. Θέρμανση κορεσμένων υδρογονανθράκων σε μείγμα με αέρα ή οξυγόνο παρουσία καταλυτών για την οξείδωση Το MnO 2 και άλλα σε θερμοκρασία 300 ° C οδηγεί στην οξείδωσή τους με το σχηματισμό ενώσεων υπεροξειδίου. Η αντίδραση προχωρά με έναν αλυσιδωτό μηχανισμό ελεύθερων ριζών.

Και: R: H R . +Η. εκκίνηση κυκλώματος

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

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

υδροϋπεροξείδιο αλκανίου

O:R-O-O. +R. Ανοιχτό κύκλωμα R-O-O-R

υπεροξείδιο αλκανίου

Οι τριτογενείς μονάδες οξειδώνονται πιο εύκολα, οι δευτερεύουσες είναι πιο δύσκολες και οι πρωτεύουσες είναι ακόμα πιο δύσκολες. Τα προκύπτοντα υδροϋπεροξείδια αποσυντίθενται.

Πρωτογενή υδροϋπεροξείδιαόταν αποσυντίθενται, σχηματίζουν αλδεΰδες ή πρωτοταγή αλκοόλη, για παράδειγμα:

CH3-C-C-O: O-H CH3-C-O. + . OH CH 3 -C \u003d O + H 2 O

υδροϋπεροξείδιο αιθανίου ακεταλδεΰδη

CH 3 - CH 3

πλευρά

CH 3 - CH 2 OH + CH 3 - CH 2.

Δευτερεύοντα υδροϋπεροξείδιασχηματίζουν κετόνες ή δευτεροταγείς αλκοόλες κατά την αποσύνθεση, για παράδειγμα:

CH3-C-O:OH CH3-C-O. + . OH H 2 O + CH 3 -C \u003d O

CH 3 CH 3 CH 3

υδροϋπεροξείδιο προπανίου

CH 3 - CH 2 - CH 3

πλευρά

CH3-CH-OH + CH3-. CH-CH 3

ισοπροπυλική αλκοόλη

Τριτογενή υδροϋπεροξείδιασχηματίζουν κετόνες, καθώς και πρωτοταγείς και τριτοταγείς αλκοόλες, για παράδειγμα:

CH 3 CH 3 CH 3

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

υδροϋπεροξείδιο ισοβουτανίου

CH3-CH-CH3

πλευρά

Ισοβουτάνιο

CH3-C-CH3 + CH3-C-CH3

τριτ-βουτυλική αλκοόλη

Οποιοδήποτε υδροϋπεροξείδιο μπορεί επίσης να αποσυντεθεί με την απελευθέρωση ατομικού οξυγόνου: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],

που πηγαίνει σε περαιτέρω οξείδωση:

CH3-C + [O] CH3-C-OH

Επομένως, εκτός από τις αλκοόλες, τις αλδεΰδες και τις κετόνες, σχηματίζονται καρβοξυλικά οξέα.

Επιλέγοντας τις συνθήκες αντίδρασης, είναι δυνατό να ληφθεί ένα από οποιοδήποτε προϊόν. Για παράδειγμα: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.

Υδρογονάνθρακες DIENE (ΑΛΚΑΔΙΕΝΙΑ)

Οι υδρογονάνθρακες διενίου ή αλκαδιένια είναι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν δύο διπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα. Ο γενικός τύπος των αλκαδιενίων είναι C n H 2 n -2.
Ανάλογα με την αμοιβαία διάταξη των διπλών δεσμών, τα διένια χωρίζονται σε τρεις τύπους:

1) υδρογονάνθρακες με σωρευμέναδιπλούς δεσμούς, δηλ. δίπλα σε ένα άτομο άνθρακα. Για παράδειγμα, προπαδιένιο ή αλλένιο CH2 =C=CH2;

2) υδρογονάνθρακες με απομονωμένοςδιπλοί δεσμοί, δηλαδή χωρίζονται από δύο ή περισσότερους απλούς δεσμούς. Για παράδειγμα, πενταδιένιο -1,4 CH 2 \u003d CH–CH 2 - CH \u003d CH 2;

3) υδρογονάνθρακες με συζευγμένοδιπλούς δεσμούς, δηλ. χωρίζονται από έναν μόνο σύνδεσμο. Για παράδειγμα, βουταδιένιο -1,3 ή διβινύλιο CH 2 \u003d CH–CH \u003d CH 2, 2-μεθυλοβουταδιένιο -1,3 ή ισοπρένιο

2) αφυδρογόνωση και αφυδάτωση της αιθυλικής αλκοόλης με διέλευση ατμών αλκοόλης πάνω από θερμαινόμενους καταλύτες (μέθοδος του ακαδημαϊκού 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

Φυσικές ιδιότητες

Χημικές ιδιότητες

Τα άτομα άνθρακα στο μόριο 1,3-βουταδιενίου βρίσκονται στην υβριδική κατάσταση sp 2, πράγμα που σημαίνει ότι αυτά τα άτομα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και καθένα από αυτά έχει ένα p-τροχιακό που καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο και βρίσκεται κάθετα στο αναφερόμενο επίπεδο .

ένα)	σι)
Σχηματική αναπαράσταση της δομής των μορίων διδιβινυλίου (α) και κάτοψη του μοντέλου (β). Η επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων μεταξύ C 1 -C 2 και C 3 - C 4 είναι μεγαλύτερη από ότι μεταξύ C 2 - C 3 .

p-Τα τροχιακά όλων των ατόμων άνθρακα επικαλύπτονται μεταξύ τους, δηλ. όχι μόνο μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου, του τρίτου και του τέταρτου ατόμων, αλλά και μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου. Αυτό δείχνει ότι ο δεσμός μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου ατόμων άνθρακα δεν είναι ένας απλός δεσμός s, αλλά έχει μια ορισμένη πυκνότητα ηλεκτρονίων p, δηλ. αδύναμος διπλός δεσμός. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια s δεν ανήκουν σε αυστηρά καθορισμένα ζεύγη ατόμων άνθρακα. Στο μόριο, δεν υπάρχουν απλοί και διπλοί δεσμοί με την κλασική έννοια, και παρατηρείται μετεγκατάσταση των ηλεκτρονίων p, δηλ. ομοιόμορφη κατανομή της πυκνότητας p-ηλεκτρονίου σε όλο το μόριο με το σχηματισμό ενός νέφους p-ηλεκτρονίου.
Η αλληλεπίδραση δύο ή περισσότερων γειτονικών δεσμών p με το σχηματισμό ενός νέφους p-ηλεκτρονίου, με αποτέλεσμα τη μεταφορά της αλληλεπίδρασης των ατόμων σε αυτό το σύστημα, ονομάζεται αποτέλεσμα σύζευξης.
Έτσι, το μόριο -1,3 βουταδιενίου χαρακτηρίζεται από ένα σύστημα συζευγμένων διπλών δεσμών.
Αυτό το χαρακτηριστικό στη δομή των υδρογονανθράκων διενίου τους καθιστά ικανούς να προσθέτουν διάφορα αντιδραστήρια όχι μόνο σε γειτονικά άτομα άνθρακα (1,2-προσθήκη), αλλά και στα δύο άκρα του συζευγμένου συστήματος (1,4-προσθήκη) με το σχηματισμό διπλός δεσμός μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου ατόμων άνθρακα. Σημειώστε ότι το προϊόν με προσθήκη 1,4 είναι πολύ συχνά το κύριο προϊόν.
Εξετάστε τις αντιδράσεις αλογόνωσης και υδροαλογόνωσης συζευγμένων διενίων.

Πολυμερισμός ενώσεων διενίου

Σε απλοποιημένη μορφή, η αντίδραση πολυμερισμού του -1,3 βουταδιενίου σύμφωνα με το σχήμα προσθήκης 1,4 μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

––––®

Και οι δύο διπλοί δεσμοί του διενίου εμπλέκονται στον πολυμερισμό. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, σπάνε, τα ζεύγη ηλεκτρονίων που σχηματίζουν δεσμούς s διαχωρίζονται, μετά από τα οποία κάθε ασύζευκτο ηλεκτρόνιο συμμετέχει στο σχηματισμό νέων δεσμών: τα ηλεκτρόνια του δεύτερου και του τρίτου ατόμων άνθρακα, ως αποτέλεσμα γενίκευσης, δίνουν ένα διπλός δεσμός και τα ηλεκτρόνια των ακραίων ατόμων άνθρακα στην αλυσίδα, όταν γενικεύονται με ηλεκτρόνια τα αντίστοιχα άτομα ενός άλλου μορίου μονομερούς συνδέουν τα μονομερή σε μια πολυμερή αλυσίδα.

Το στοιχειακό κύτταρο του πολυβουταδιενίου αναπαρίσταται ως εξής:

Όπως μπορεί να φανεί, το προκύπτον πολυμερές χαρακτηρίζεται από έκσταση- τη διαμόρφωση του στοιχειακού στοιχείου του πολυμερούς. Ωστόσο, τα πιο πολύτιμα προϊόντα από πρακτική άποψη λαμβάνονται με στερεοκανονικό (με άλλα λόγια, χωρικά διατεταγμένο) πολυμερισμό υδρογονανθράκων διενίου σύμφωνα με το σχήμα προσθήκης 1,4 με τον σχηματισμό cis- διαμόρφωση της αλυσίδας πολυμερούς. Για παράδειγμα, cis-πολυβουταδιένιο

Φυσικά και συνθετικά λάστιχα

Το φυσικό καουτσούκ λαμβάνεται από τον γαλακτώδη χυμό (λάτεξ) του δέντρου καουτσούκ Hevea, το οποίο αναπτύσσεται στα τροπικά δάση της Βραζιλίας.

Όταν θερμαίνεται χωρίς πρόσβαση στον αέρα, το καουτσούκ αποσυντίθεται για να σχηματίσει έναν υδρογονάνθρακα διενίου - 2-μεθυλοβουταδιένιο-1,3 ή ισοπρένιο. Το καουτσούκ είναι ένα στερεοκανονικό πολυμερές στο οποίο τα μόρια ισοπρενίου συνδέονται μεταξύ τους σε ένα σχήμα 1,4 προσθήκης με cis- διαμόρφωση αλυσίδας πολυμερούς:

Το μοριακό βάρος του φυσικού καουτσούκ κυμαίνεται από 7 . 10 4 έως 2,5 . 10 6 .

έκσταση- Το πολυμερές ισοπρενίου εμφανίζεται επίσης φυσικά με τη μορφή γουταπέρκα.

Το φυσικό καουτσούκ έχει ένα μοναδικό σύνολο ιδιοτήτων: υψηλή ρευστότητα, αντοχή στη φθορά, συγκολλητικότητα, στεγανότητα από νερό και αέρια. Για να δώσει στο καουτσούκ τις απαραίτητες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες: αντοχή, ελαστικότητα, αντοχή σε διαλύτες και επιθετικά χημικά περιβάλλοντα, το καουτσούκ βουλκανίζεται με θέρμανση στους 130-140 ° C με θείο. Σε απλοποιημένη μορφή, η διαδικασία βουλκανισμού καουτσούκ μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

Τα άτομα θείου συνδέονται στο σημείο της διάσπασης κάποιων διπλών δεσμών και τα γραμμικά μόρια καουτσούκ "διασταυρώνονται" σε μεγαλύτερα τρισδιάστατα μόρια - λαμβάνεται καουτσούκ, το οποίο είναι πολύ ισχυρότερο από το μη βουλκανισμένο καουτσούκ. Τα καουτσούκ γεμάτα με ενεργό μαύρο άνθρακα χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ελαστικών αυτοκινήτων και άλλων προϊόντων από καουτσούκ.

Το 1932, ο S.V. Lebedev ανέπτυξε μια μέθοδο για τη σύνθεση συνθετικού καουτσούκ με βάση το βουταδιένιο που λαμβάνεται από αλκοόλη. Και μόνο στη δεκαετία του '50, εγχώριοι επιστήμονες πραγματοποίησαν καταλυτικό στερεοπολυμερισμό υδρογονανθράκων διενίου και έλαβαν στερεοκανονικό καουτσούκ, παρόμοιο σε ιδιότητες με το φυσικό καουτσούκ. Επί του παρόντος, το καουτσούκ παράγεται στη βιομηχανία,

Χαρακτηριστικές χημικές ιδιότητες υδρογονανθράκων: αλκάνια, αλκένια, διένια, αλκίνια, αρωματικοί υδρογονάνθρακες

Αλκάνια

Τα αλκάνια είναι υδρογονάνθρακες στα μόρια των οποίων τα άτομα συνδέονται με απλούς δεσμούς και αντιστοιχούν στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n+2)$.

Ομόλογη σειρά μεθανίου

Οπως ήδη γνωρίζετε, ομόλογαείναι ουσίες που έχουν παρόμοια δομή και ιδιότητες και διαφέρουν κατά μία ή περισσότερες ομάδες $CH_2$.

Οι οριακές υδρογονάνθρακες αποτελούν την ομόλογη σειρά μεθανίου.

Ισομερισμός και ονοματολογία

Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από τη λεγόμενη δομική ισομέρεια. Τα δομικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη δομή του σκελετού άνθρακα. Όπως ήδη γνωρίζετε, το απλούστερο αλκάνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή, είναι το βουτάνιο:

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα για τα αλκάνια τα βασικά της ονοματολογίας IUPAC:

1. Επιλογή του κύριου κυκλώματος.

Ο σχηματισμός του ονόματος ενός υδρογονάνθρακα ξεκινά με τον ορισμό της κύριας αλυσίδας - της μεγαλύτερης αλυσίδας ατόμων άνθρακα στο μόριο, που είναι, όπως ήταν, η βάση του.

Στα άτομα της κύριας αλυσίδας εκχωρούνται αριθμοί. Η αρίθμηση των ατόμων της κύριας αλυσίδας ξεκινά από το άκρο που βρίσκεται πιο κοντά στον υποκαταστάτη (δομές Α, Β). Εάν οι υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίση απόσταση από το άκρο της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο υπάρχουν περισσότεροι από αυτούς (δομή Β). Εάν διαφορετικοί υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίση απόσταση από τα άκρα της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο είναι πιο κοντά ο παλαιότερος (δομή Δ). Η αρχαιότητα των υποκαταστατών υδρογονάνθρακα καθορίζεται από τη σειρά με την οποία ακολουθεί το γράμμα με το οποίο αρχίζει το όνομά τους στο αλφάβητο: μεθύλιο (—$CH_3$), μετά προπύλιο ($—CH_2—CH_2—CH_3$), αιθύλιο ($—CH_2 —CH_3$ ) κ.λπ.

Σημειώστε ότι το όνομα του υποκατάστατου σχηματίζεται αντικαθιστώντας το επίθημα -έναστο επίθημα -λάσπηστο όνομα του αντίστοιχου αλκανίου.

3. Σχηματισμός ονόματος.

Οι αριθμοί υποδεικνύονται στην αρχή του ονόματος - οι αριθμοί των ατόμων άνθρακα στα οποία βρίσκονται οι υποκαταστάτες. Εάν υπάρχουν αρκετοί υποκαταστάτες σε ένα δεδομένο άτομο, τότε ο αντίστοιχος αριθμός στο όνομα επαναλαμβάνεται δύο φορές, χωριζόμενος με κόμματα ($2,2-$). Μετά τον αριθμό, μια παύλα υποδεικνύει τον αριθμό των υποκαταστατών ( di- δύο, τρία- τρεις, τετρα- τέσσερα, πεντά- πέντε) και το όνομα του αναπληρωτή ( μεθύλιο, αιθύλιο, προπύλιο). Στη συνέχεια, χωρίς κενά και παύλες - το όνομα της κύριας αλυσίδας. Η κύρια αλυσίδα ονομάζεται υδρογονάνθρακας - μέλος της ομόλογης σειράς μεθανίου ( μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο κ.λπ.).

Οι ονομασίες των ουσιών των οποίων οι δομικοί τύποι δίνονται παραπάνω είναι οι εξής:

- δομή Α: $2$ -μεθυλοπροπάνιο;

- Δομή Β: $3$ -αιθυλεξάνιο;

- Δομή Β: $2,2,4$ -τριμεθυλοπεντάνιο;

- δομή Γ: $2$ -μεθύλιο$4$-αιθυλεξάνιο.

Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκανίων

φυσικές ιδιότητες.Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι αέρια. Το απλούστερο από αυτά είναι το μεθάνιο - ένα άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο (η μυρωδιά του αερίου, με την οσμή που πρέπει να ονομάσετε $104 $, καθορίζεται από τη μυρωδιά των μερκαπτανών - ενώσεων που περιέχουν θείο που προστίθενται ειδικά στο μεθάνιο που χρησιμοποιείται σε οικιακή χρήση και βιομηχανικές συσκευές αερίου έτσι ώστε οι άνθρωποι που βρίσκονται κοντά τους να μυρίζουν τη διαρροή).

Οι υδρογονάνθρακες σύστασης από $С_5Н_(12)$ έως $С_(15)Н_(32)$ είναι υγρά. οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες είναι στερεά.

Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκανίων αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι ελάχιστα διαλυτοί στο νερό· οι υγροί υδρογονάνθρακες είναι κοινοί οργανικοί διαλύτες.

Χημικές ιδιότητες.

1. αντιδράσεις υποκατάστασης.Τα πιο χαρακτηριστικά των αλκανίων είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, κατά τις οποίες ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.

Ας παρουσιάσουμε τις εξισώσεις των πιο τυπικών αντιδράσεων.

Αλογόνωση:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

Σε περίπτωση περίσσειας αλογόνου, η χλωρίωση μπορεί να προχωρήσει περαιτέρω, μέχρι την πλήρη αντικατάσταση όλων των ατόμων υδρογόνου από χλώριο:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\κείμενο"διχλωρομεθάνιο(μεθυλενοχλωρίδιο)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\κείμενο"τριχλωρομεθάνιο(χλωροφόρμιο)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\κείμενο"τετραχλωρομεθάνιο(τετραχλωριούχος άνθρακας)")$.

Οι ουσίες που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ευρέως ως διαλύτες και πρώτες ύλες στην οργανική σύνθεση.

2. Αφυδρογόνωση (αποβολή υδρογόνου).Κατά τη διέλευση των αλκανίων πάνω από τον καταλύτη ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) σε υψηλή θερμοκρασία ($400-600°C$), ένα μόριο υδρογόνου διασπάται και σχηματίζεται ένα αλκένιο:

$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$

3. Αντιδράσεις που συνοδεύονται από την καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας.Όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες καίγονταιμε το σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Αέριοι υδρογονάνθρακες αναμεμειγμένοι με αέρα σε ορισμένες αναλογίες μπορούν να εκραγούν. Η καύση κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι μια εξώθερμη αντίδραση ελεύθερων ριζών, η οποία έχει μεγάλη σημασία όταν χρησιμοποιούνται αλκάνια ως καύσιμο:

$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$

Γενικά, η αντίδραση καύσης των αλκανίων μπορεί να γραφτεί ως εξής:

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

Θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων:

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

Η διαδικασία προχωρά σύμφωνα με τον μηχανισμό των ελεύθερων ριζών. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε ομολυτική ρήξη του δεσμού άνθρακα-άνθρακα και στο σχηματισμό ελεύθερων ριζών:

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

Αυτές οι ρίζες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ανταλλάσσοντας ένα άτομο υδρογόνου, με το σχηματισμό ενός μορίου αλκανίου και ενός μορίου αλκενίου:

$R—CH_2CH_2+CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

Οι αντιδράσεις θερμικής διάσπασης αποτελούν τη βάση της βιομηχανικής διαδικασίας - πυρόλυση υδρογονανθράκων. Αυτή η διαδικασία είναι το πιο σημαντικό στάδιο της διύλισης λαδιού.

Όταν το μεθάνιο θερμαίνεται σε θερμοκρασία $1000°C$, αρχίζει η πυρόλυση του μεθανίου - αποσύνθεση σε απλές ουσίες:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία $1500°C$, είναι δυνατός ο σχηματισμός ακετυλενίου:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Ισομερισμός.Όταν οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες θερμαίνονται με καταλύτη ισομερισμού (χλωριούχο αργίλιο), σχηματίζονται ουσίες με διακλαδισμένο σκελετό άνθρακα:

5. Αρωματοποίηση.Τα αλκάνια με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην αλυσίδα παρουσία καταλύτη κυκλοποιούνται για να σχηματίσουν βενζόλιο και τα παράγωγά του:

Ποιος είναι ο λόγος που τα αλκάνια εισέρχονται σε αντιδράσεις που προχωρούν σύμφωνα με τον μηχανισμό των ελεύθερων ριζών; Όλα τα άτομα άνθρακα στα μόρια αλκανίου βρίσκονται στην κατάσταση υβριδισμού $sp^3$. Τα μόρια αυτών των ουσιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ομοιοπολικούς μη πολικούς δεσμούς $C—C$ (άνθρακας—άνθρακας) και ασθενώς πολικούς δεσμούς $C—H$ (άνθρακας—υδρογόνο). Δεν περιέχουν περιοχές με υψηλή και χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων, εύκολα πολωμένους δεσμούς, δηλ. τέτοιους δεσμούς, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων στους οποίους μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων (ηλεκτροστατικά πεδία ιόντων). Επομένως, τα αλκάνια δεν θα αντιδράσουν με φορτισμένα σωματίδια, γιατί Οι δεσμοί στα μόρια των αλκανίων δεν διασπώνται από έναν ετερολυτικό μηχανισμό.

Αλκένια

Οι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες περιλαμβάνουν υδρογονάνθρακες που περιέχουν πολλαπλούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα σε μόρια. Απεριόριστες είναι αλκένια, αλκαδιένια (πολυένια), αλκίνια.Οι κυκλικοί υδρογονάνθρακες που περιέχουν διπλό δεσμό στον κύκλο (κυκλοαλκένια), καθώς και τα κυκλοαλκάνια με μικρό αριθμό ατόμων άνθρακα στον κύκλο (τρία ή τέσσερα άτομα) έχουν επίσης ακόρεστο χαρακτήρα. Η ιδιότητα του ακορέστου σχετίζεται με την ικανότητα αυτών των ουσιών να εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης, κυρίως υδρογόνου, με το σχηματισμό κορεσμένων ή κορεσμένων υδρογονανθράκων - αλκανίων.

Τα αλκένια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, έναν διπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα και που αντιστοιχεί στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n)$.

Το δεύτερο όνομά του ολεφίνες- τα αλκένια ελήφθησαν κατ' αναλογία με ακόρεστα λιπαρά οξέα (ελαϊκό, λινολεϊκό), τα υπολείμματα των οποίων αποτελούν μέρος υγρών λιπών - ελαίων (από λατ. έλαιο- λάδι).

Ομόλογη σειρά αιθενίου

Τα μη διακλαδισμένα αλκένια αποτελούν την ομόλογη σειρά του αιθενίου (αιθυλένιο):

$C_2H_4$ είναι αιθένιο, $C_3H_6$ είναι προπένιο, $C_4H_8$ είναι βουτένιο, $C_5H_(10)$ είναι πεντένιο, $C_6H_(12)$ είναι εξένιο, κ.λπ.

Ισομερισμός και ονοματολογία

Για τα αλκένια, όπως και για τα αλκάνια, η δομική ισομέρεια είναι χαρακτηριστική. Τα δομικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη δομή του σκελετού άνθρακα. Το απλούστερο αλκένιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή, είναι το βουτένιο:

Ένας ειδικός τύπος δομικής ισομέρειας είναι η ισομέρεια θέσης διπλού δεσμού:

$CH_3—(CH_2)↙(βουτένιο-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(βουτένιο-2)—CH_3$

Η σχεδόν ελεύθερη περιστροφή των ατόμων άνθρακα είναι δυνατή γύρω από έναν μόνο δεσμό άνθρακα-άνθρακα, έτσι τα μόρια των αλκανίων μπορούν να λάβουν μια μεγάλη ποικιλία σχημάτων. Η περιστροφή γύρω από τον διπλό δεσμό είναι αδύνατη, γεγονός που οδηγεί στην εμφάνιση ενός άλλου τύπου ισομερισμού στα αλκένια - γεωμετρικό, ή cis-trans ισομέρεια.

cis-ισομερή είναι διαφορετικά από έκσταση-ισομερή από τη χωρική διάταξη των θραυσμάτων του μορίου (σε αυτήν την περίπτωση, ομάδες μεθυλίου) σε σχέση με το επίπεδο δεσμού $π$ και, κατά συνέπεια, από τις ιδιότητες.

Τα αλκένια είναι ισομερή ως προς τα κυκλοαλκάνια (interclass ισομέρεια), για παράδειγμα:

Η ονοματολογία των αλκενίων που αναπτύχθηκε από την IUPAC είναι παρόμοια με την ονοματολογία των αλκανίων.

1. Επιλογή του κύριου κυκλώματος.

Ο σχηματισμός του ονόματος ενός υδρογονάνθρακα ξεκινά με τον ορισμό της κύριας αλυσίδας - της μεγαλύτερης αλυσίδας ατόμων άνθρακα σε ένα μόριο. Στην περίπτωση των αλκενίων, η κύρια αλυσίδα πρέπει να περιέχει διπλό δεσμό.

2. Ατομική αρίθμηση της κύριας αλυσίδας.

Η αρίθμηση των ατόμων της κύριας αλυσίδας ξεκινά από το άκρο στο οποίο είναι πλησιέστερος ο διπλός δεσμός. Για παράδειγμα, το σωστό όνομα σύνδεσης είναι:

$5$-μεθυλεξένιο-$2$, όχι $2$-μεθυλεξένιο-$4$, όπως θα περίμενε κανείς.

Εάν είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η αρχή της αρίθμησης των ατόμων στην αλυσίδα από τη θέση του διπλού δεσμού, τότε προσδιορίζεται από τη θέση των υποκαταστατών, όπως και για τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες.

3. Σχηματισμός ονόματος.

Τα ονόματα των αλκενίων σχηματίζονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα ονόματα των αλκανίων. Στο τέλος του ονόματος αναφέρετε τον αριθμό του ατόμου άνθρακα από το οποίο ξεκινά ο διπλός δεσμός και το επίθημα που δείχνει ότι η ένωση ανήκει στην κατηγορία των αλκενίων - -en.

Για παράδειγμα:

Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκενίων

φυσικές ιδιότητες.Οι τρεις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς αλκενίων είναι αέρια. Οι ουσίες της σύνθεσης $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ είναι υγρά. Τα ανώτερα αλκένια είναι στερεά.

Τα σημεία βρασμού και τήξης αυξάνονται φυσικά με την αύξηση του μοριακού βάρους των ενώσεων.

Χημικές ιδιότητες.

Αντιδράσεις προσθήκης.Θυμηθείτε ότι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των εκπροσώπων των ακόρεστων υδρογονανθράκων - αλκενίων είναι η ικανότητα να εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης. Οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις προχωρούν από τον μηχανισμό

1. υδρογόνωση αλκενίων.Τα αλκένια μπορούν να προσθέσουν υδρογόνο παρουσία καταλυτών υδρογόνωσης, μετάλλων - πλατίνα, παλλάδιο, νικέλιο:

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

Αυτή η αντίδραση προχωρά σε ατμοσφαιρική και υψηλή πίεση και δεν απαιτεί υψηλή θερμοκρασία, γιατί είναι εξώθερμος. Με αύξηση της θερμοκρασίας στους ίδιους καταλύτες, μπορεί να συμβεί η αντίστροφη αντίδραση, η αφυδρογόνωση.

2. Αλογόνωση (προσθήκη αλογόνων).Η αλληλεπίδραση ενός αλκενίου με βρωμιούχο νερό ή ένα διάλυμα βρωμίου σε οργανικό διαλύτη ($CCl_4$) οδηγεί σε γρήγορο αποχρωματισμό αυτών των διαλυμάτων ως αποτέλεσμα της προσθήκης ενός μορίου αλογόνου στο αλκένιο και του σχηματισμού διαλογόνων αλκανίων:

$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

$CH_3-(CH)↙(προπένιο)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-βρωμοπροπένιο)-CH_3$

Αυτή η αντίδραση υπόκειται σε Ο κανόνας του Markovnikov:

Όταν ένα υδραλογόνο προστίθεται σε ένα αλκένιο, το υδρογόνο συνδέεται με ένα περισσότερο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα, δηλ. το άτομο στο οποίο υπάρχουν περισσότερα άτομα υδρογόνου και το αλογόνο - στο λιγότερο υδρογονωμένο.

Η ενυδάτωση των αλκενίων οδηγεί στο σχηματισμό αλκοολών. Για παράδειγμα, η προσθήκη νερού σε αιθένιο αποτελεί τη βάση μιας από τις βιομηχανικές μεθόδους για την παραγωγή αιθυλικής αλκοόλης:

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

Σημειώστε ότι μια πρωτοταγής αλκοόλη (με μια υδροξοομάδα στον πρωτογενή άνθρακα) σχηματίζεται μόνο όταν το αιθένιο ενυδατώνεται. Όταν το προπένιο ή άλλα αλκένια ενυδατώνονται, σχηματίζονται δευτεροταγείς αλκοόλες.

Αυτή η αντίδραση προχωρά επίσης σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov - το κατιόν υδρογόνου συνδέεται με το περισσότερο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα και η υδροξοομάδα στο λιγότερο υδρογονωμένο.

5. Πολυμερισμός.Μια ειδική περίπτωση προσθήκης είναι η αντίδραση πολυμερισμού αλκενίων:

$nCH_2(=)↙(αιθένιο)CH_2(→)↖(UV φως,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(πολυαιθυλένιο)...)_n$

Αυτή η αντίδραση προσθήκης προχωρά με μηχανισμό ελεύθερων ριζών.

6. Αντίδραση οξείδωσης.

Όπως κάθε οργανική ένωση, τα αλκένια καίγονται σε οξυγόνο για να σχηματίσουν $CO_2$ και $H_2O$:

$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.

Γενικά:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

Σε αντίθεση με τα αλκάνια, τα οποία είναι ανθεκτικά στην οξείδωση στα διαλύματα, τα αλκένια οξειδώνονται εύκολα από τη δράση των διαλυμάτων υπερμαγγανικού καλίου. Σε ουδέτερα ή αλκαλικά διαλύματα, τα αλκένια οξειδώνονται σε διόλες (διυδρικές αλκοόλες) και οι ομάδες υδροξυλίου συνδέονται με εκείνα τα άτομα μεταξύ των οποίων υπήρχε διπλός δεσμός πριν από την οξείδωση:

Αλκαδιένια (διενικοί υδρογονάνθρακες)

Τα αλκαδιένια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, δύο διπλούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα και αντιστοιχούν στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n-2)$.

Ανάλογα με την αμοιβαία διάταξη των διπλών δεσμών, υπάρχουν τρεις τύποι διενίων:

- αλκαδιένια με σωρευμέναδιάταξη διπλών δεσμών:

- αλκαδιένια με συζευγμένοδιπλοί δεσμοί?

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

- αλκαδιένια με απομονωμένοςδιπλούς δεσμούς

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

Και οι τρεις τύποι αλκαδιενίων διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους ως προς τη δομή και τις ιδιότητες. Το κεντρικό άτομο άνθρακα (άτομο που σχηματίζει δύο διπλούς δεσμούς) στα αλκαδιένια με αθροιστικούς δεσμούς βρίσκεται στην κατάσταση υβριδισμού $sp$. Σχηματίζει δύο $σ$-δεσμούς που βρίσκονται στην ίδια ευθεία και κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, και δύο $π$-δεσμούς που βρίσκονται σε κάθετα επίπεδα. Οι δεσμοί $π$ σχηματίζονται λόγω μη υβριδοποιημένων ρ-τροχιακών κάθε ατόμου άνθρακα. Οι ιδιότητες των αλκαδιενίων με απομονωμένους διπλούς δεσμούς είναι πολύ συγκεκριμένες, γιατί συζευγμένα $π$-ομόλογα επηρεάζουν σημαντικά το ένα το άλλο.

Τα p-τροχιακά που σχηματίζουν συζευγμένους δεσμούς $π$-συνθέτουν πρακτικά ένα ενιαίο σύστημα (ονομάζεται $π$-σύστημα), επειδή p-τροχιακά γειτονικών $π$-δεσμών επικαλύπτονται μερικώς.

Ισομερισμός και ονοματολογία

Τα αλκαδιένια χαρακτηρίζονται τόσο από δομικό ισομερισμό όσο και από cis- και trans-ισομερισμό.

Δομική ισομέρεια.

— ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού:

— ισομερισμός της θέσης πολλαπλών δεσμών:

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

cis-, trans-ισομέρεια (χωρική και γεωμετρική)

Για παράδειγμα:

Τα αλκαδιένια είναι ισομερείς ενώσεις των τάξεων των αλκυνίων και των κυκλοαλκενίων.

Κατά το σχηματισμό του ονόματος του αλκαδιενίου, υποδεικνύονται οι αριθμοί των διπλών δεσμών. Η κύρια αλυσίδα πρέπει απαραίτητα να περιέχει δύο πολλαπλούς δεσμούς.

Για παράδειγμα:

Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκαδιενίων

φυσικές ιδιότητες.

Υπό κανονικές συνθήκες, το προπανδιένιο-1,2, το βουταδιένιο-1,3 είναι αέρια, το 2-μεθυλοβουταδιένιο-1,3 είναι πτητικό υγρό. Τα αλκαδιένια με απομονωμένους διπλούς δεσμούς (ο απλούστερος από αυτούς είναι το πενταδιένιο-1,4) είναι υγρά. Τα ανώτερα διένια είναι στερεά.

Χημικές ιδιότητες.

Οι χημικές ιδιότητες των αλκαδιενίων με απομονωμένους διπλούς δεσμούς διαφέρουν ελάχιστα από αυτές των αλκενίων. Τα αλκαδιένια με συζευγμένους δεσμούς έχουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά.

1. Αντιδράσεις προσθήκης.Τα αλκαδιένια είναι ικανά να προσθέτουν υδρογόνο, αλογόνα και υδραλογονίδια.

Ένα χαρακτηριστικό της προσθήκης σε αλκαδιένια με συζευγμένους δεσμούς είναι η ικανότητα σύνδεσης μορίων τόσο στις θέσεις 1 και 2 όσο και στις θέσεις 1 και 4.

Η αναλογία των προϊόντων εξαρτάται από τις συνθήκες και τη μέθοδο διεξαγωγής των αντίστοιχων αντιδράσεων.

2.αντίδραση πολυμερισμού.Η πιο σημαντική ιδιότητα των διενίων είναι η ικανότητα να πολυμερίζονται υπό την επίδραση κατιόντων ή ελεύθερων ριζών. Ο πολυμερισμός αυτών των ενώσεων είναι η βάση των συνθετικών καουτσούκ:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(βουταδιένιο-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\κείμενο"συνθετικό καουτσούκ βουταδιενίου")$ .

Ο πολυμερισμός των συζευγμένων διενίων προχωρά ως 1,4-προσθήκη.

Σε αυτή την περίπτωση, ο διπλός δεσμός αποδεικνύεται ότι είναι κεντρικός στον σύνδεσμο και ο στοιχειώδης σύνδεσμος, με τη σειρά του, μπορεί να λάβει και τα δύο cis-, και έκσταση-διαμόρφωση.

Αλκίνια

Τα αλκίνια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, έναν τριπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα και που αντιστοιχεί στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n-2)$.

Ομόλογη σειρά αιθίνης

Τα μη διακλαδισμένα αλκίνια αποτελούν την ομόλογη σειρά αιθυνίου (ακετυλένιο):

$C_2H_2$ - αιθίνιο, $C_3H_4$ - προπίνη, $C_4H_6$ - βουτίνη, $C_5H_8$ - πεντίνη, $C_6H_(10)$ - εξίνη, κ.λπ.

Ισομερισμός και ονοματολογία

Για τα αλκίνια, όπως και για τα αλκένια, η δομική ισομέρεια είναι χαρακτηριστική: ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού και ισομέρεια της θέσης του πολλαπλού δεσμού. Το απλούστερο αλκύνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή της θέσης πολλαπλών δεσμών της κατηγορίας αλκυνίων, είναι το βουτύλιο:

$CH_3—(CH_2)↙(butyn-1)—C≡CH$ $CH_3—(C≡C)↙(butyn-2)—CH_3$

Η ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού στα αλκίνια είναι δυνατή, ξεκινώντας από την πεντύν:

Εφόσον ο τριπλός δεσμός προσλαμβάνει μια γραμμική δομή της ανθρακικής αλυσίδας, το γεωμετρικό ( cis-, trans-) ο ισομερισμός δεν είναι δυνατός για τα αλκίνια.

Η παρουσία τριπλού δεσμού σε μόρια υδρογονανθράκων αυτής της κατηγορίας αντανακλάται από το επίθημα -σε, και η θέση του στην αλυσίδα - ο αριθμός του ατόμου άνθρακα.

Για παράδειγμα:

Τα αλκίνια είναι ισομερείς ενώσεις κάποιων άλλων τάξεων. Έτσι, η εξίνη (αλκύνιο), το εξαδιένιο (αλκαδιένιο) και το κυκλοεξένιο (κυκλοαλκένιο) έχουν τον χημικό τύπο $С_6Н_(10)$:

Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκυνίων

φυσικές ιδιότητες.Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκυνίων, καθώς και των αλκενίων, αυξάνονται φυσικά με την αύξηση του μοριακού βάρους των ενώσεων.

Τα αλκίνια έχουν μια συγκεκριμένη μυρωδιά. Είναι πιο διαλυτά στο νερό από τα αλκάνια και τα αλκένια.

Χημικές ιδιότητες.

Αντιδράσεις προσθήκης.Τα αλκίνια είναι ακόρεστες ενώσεις και εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης. Βασικά, αυτές είναι αντιδράσεις. ηλεκτρόφιλη προσθήκη.

1. Αλογόνωση (προσθήκη μορίου αλογόνου).Το αλκίνιο μπορεί να προσκολλήσει δύο μόρια αλογόνου (χλώριο, βρώμιο):

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

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

2. Υδροαλογόνωση (προσθήκη υδραλογόνου).Η αντίδραση προσθήκης υδραλογόνου, προχωρώντας σύμφωνα με τον ηλεκτρόφιλο μηχανισμό, προχωρά επίσης σε δύο στάδια και και στα δύο στάδια εκπληρώνεται ο κανόνας Markovnikov:

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

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

3. Ενυδάτωση (προσθήκη νερού).Μεγάλη σημασία για τη βιομηχανική σύνθεση κετονών και αλδεΰδων έχει η αντίδραση προσθήκης νερού (ενυδάτωση), η οποία ονομάζεται Η αντίδραση του Κουτσέροφ:

4. υδρογόνωση αλκυνίων.Τα αλκίνια προσθέτουν υδρογόνο παρουσία μεταλλικών καταλυτών ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Δεδομένου ότι ο τριπλός δεσμός περιέχει δύο αντιδραστικούς δεσμούς $π$, τα αλκάνια προσθέτουν υδρογόνο στα βήματα:

1) τριμερισμός.

Όταν το αιθύλιο περνάει πάνω από ενεργό άνθρακα, σχηματίζεται ένα μείγμα προϊόντων, ένα από τα οποία είναι το βενζόλιο:

2) διμερισμός.

Εκτός από τον τριμερισμό του ακετυλενίου, είναι επίσης δυνατός ο διμερισμός του. Κάτω από τη δράση μονοσθενών αλάτων χαλκού, σχηματίζεται βινυλακετυλένιο:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\κείμενο"βουτένιο-1-υν-3(βινυλακετυλένιο)")$

Αυτή η ουσία χρησιμοποιείται για την παραγωγή χλωροπρενίου:

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

ο πολυμερισμός του οποίου παράγει καουτσούκ χλωροπρενίου:

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

Οξείδωση αλκυνίου.

Η αιθίνη (ακετυλένιο) καίγεται σε οξυγόνο με την απελευθέρωση πολύ μεγάλης ποσότητας θερμότητας:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Αυτή η αντίδραση βασίζεται στη δράση ενός πυρσού οξυ-ακετυλενίου, η φλόγα του οποίου έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία (πάνω από $3000°C$), η οποία καθιστά δυνατή τη χρήση του για κοπή και συγκόλληση μετάλλων.

Στον αέρα, η ακετυλίνη καίγεται με καπνιστή φλόγα, γιατί. η περιεκτικότητα σε άνθρακα στο μόριό του είναι μεγαλύτερη από ότι στα μόρια του αιθανίου και του αιθενίου.

Τα αλκίνια, όπως και τα αλκένια, αποχρωματίζουν οξινισμένα διαλύματα υπερμαγγανικού καλίου. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνει η καταστροφή του πολλαπλού δεσμού.

Ιωνικοί (κανόνας V.V. Markovnikov) και μηχανισμοί ριζικής αντίδρασης στην οργανική χημεία

Τύποι χημικών αντιδράσεων στην οργανική χημεία

Οι αντιδράσεις των οργανικών ουσιών μπορούν τυπικά να χωριστούν σε τέσσερις κύριους τύπους: υποκατάσταση, προσθήκη, αποβολή (απομάκρυνση) και αναδιάταξη (ισομερισμός). Προφανώς, ολόκληρη η ποικιλία των αντιδράσεων των οργανικών ενώσεων δεν μπορεί να περιοριστεί στην προτεινόμενη ταξινόμηση (για παράδειγμα, αντιδράσεις καύσης). Ωστόσο, μια τέτοια ταξινόμηση θα βοηθήσει στη δημιουργία αναλογιών με τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μεταξύ ανόργανων ουσιών που είναι ήδη γνωστές σε εσάς από την πορεία της ανόργανης χημείας.

Κατά κανόνα, η κύρια οργανική ένωση που συμμετέχει στην αντίδραση ονομάζεται υπόστρωμα και το άλλο συστατικό της αντίδρασης θεωρείται υπό όρους ως αντιδραστήριο.

Αντιδράσεις υποκατάστασης

Οι αντιδράσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την αντικατάσταση ενός ατόμου ή ομάδας ατόμων στο αρχικό μόριο (υπόστρωμα) με άλλα άτομα ή ομάδες ατόμων ονομάζονται αντιδράσεις υποκατάστασης.

Οι αντιδράσεις υποκατάστασης περιλαμβάνουν κορεσμένες και αρωματικές ενώσεις όπως αλκάνια, κυκλοαλκάνια ή αρένες.

Ας δώσουμε παραδείγματα τέτοιων αντιδράσεων.

Υπό τη δράση του φωτός, τα άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο μεθανίου μπορούν να αντικατασταθούν από άτομα αλογόνου, για παράδειγμα, από άτομα χλωρίου:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$

Ένα άλλο παράδειγμα αντικατάστασης του υδρογόνου με αλογόνο είναι η μετατροπή του βενζολίου σε βρωμοβενζόλιο:

Η εξίσωση αυτής της αντίδρασης μπορεί να γραφτεί διαφορετικά:

Με αυτή τη μορφή γραφής, τα αντιδραστήρια, ο καταλύτης, οι συνθήκες αντίδρασης γράφονται πάνω από το βέλος και τα ανόργανα προϊόντα αντίδρασης γράφονται κάτω από αυτό.

Αντιδράσεις προσθήκης

Οι αντιδράσεις, ως αποτέλεσμα των οποίων δύο ή περισσότερα μόρια αντιδρώντων συνδυάζονται σε ένα, ονομάζονται αντιδράσεις προσθήκης.

Οι ακόρεστες ενώσεις, όπως τα αλκένια ή τα αλκίνια, εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης.

Ανάλογα με το ποιο μόριο δρα ως αντιδραστήριο, διακρίνονται οι αντιδράσεις υδρογόνωσης (ή αναγωγής), αλογόνωσης, υδροαλογόνωσης, ενυδάτωσης και άλλες αντιδράσεις προσθήκης. Κάθε ένα από αυτά απαιτεί ορισμένες προϋποθέσεις.

1. υδρογόνωση- η αντίδραση της προσθήκης ενός μορίου υδρογόνου σε έναν πολλαπλό δεσμό:

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

2.Υδροαλογόνωση— αντίδραση προσθήκης υδραλογόνου (υδροχλωρίωση):

$(CH_2=)↙(\text"αιθάνιο")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"χλωροαιθάνιο")-Cl$

3.Αλογόνωση- αντίδραση προσθήκης αλογόνου:

$(CH_2=)↙(\text"αιθάνιο")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1,2-διχλωροαιθάνιο")$

4. Πολυμερισμός- ένας ειδικός τύπος αντιδράσεων προσθήκης, κατά τις οποίες μόρια μιας ουσίας με μικρό μοριακό βάρος συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μόρια μιας ουσίας με πολύ υψηλό μοριακό βάρος - μακρομόρια.

Οι αντιδράσεις πολυμερισμού είναι οι διαδικασίες συνδυασμού πολλών μορίων μιας ουσίας χαμηλού μοριακού βάρους (μονομερούς) σε μεγάλα μόρια (μακρομόρια) ενός πολυμερούς.

Ένα παράδειγμα αντίδρασης πολυμερισμού είναι η παραγωγή πολυαιθυλενίου από αιθυλένιο (αιθένιο) υπό τη δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας και ενός εκκινητή πολυμερισμού ριζών $R:$

$(nCH_2=)↙(\text"ethene")CH_2(→)↖(\text"UV light,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" πολυαιθυλένιο ")$

Ο πιο χαρακτηριστικός ομοιοπολικός δεσμός των οργανικών ενώσεων σχηματίζεται όταν τα ατομικά τροχιακά επικαλύπτονται και ο σχηματισμός κοινών ζευγών ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα αυτού, σχηματίζεται ένα τροχιακό κοινό σε δύο άτομα, στο οποίο βρίσκεται ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Όταν ο δεσμός σπάσει, η μοίρα αυτών των κοινών ηλεκτρονίων μπορεί να είναι διαφορετική.

Τύποι αντιδρώντων σωματιδίων στην οργανική χημεία

Ένα τροχιακό με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο που ανήκει σε ένα άτομο μπορεί να επικαλύπτεται με ένα τροχιακό άλλου ατόμου που περιέχει επίσης ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού μηχανισμός ανταλλαγής:

$H + H→H:H,$ ή $H-H$

μηχανισμός ανταλλαγήςΟ σχηματισμός ενός ομοιοπολικού δεσμού πραγματοποιείται εάν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων σχηματίζεται από ασύζευκτα ηλεκτρόνια που ανήκουν σε διαφορετικά άτομα.

Η διαδικασία αντίθετη από το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού από τον μηχανισμό ανταλλαγής είναι η διάσπαση του δεσμού, κατά την οποία ένα ηλεκτρόνιο πηγαίνει σε κάθε άτομο. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται δύο αφόρτιστα σωματίδια με ασύζευκτα ηλεκτρόνια:

Τέτοια σωματίδια ονομάζονται ελεύθερες ρίζες.

ελεύθερες ρίζες- άτομα ή ομάδες ατόμων που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια.

Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα υπό τη δράση και με τη συμμετοχή ελεύθερων ριζών ονομάζονται αντιδράσεις ελεύθερων ριζών.

Στην πορεία της ανόργανης χημείας, αυτές είναι αντιδράσεις αλληλεπίδρασης υδρογόνου με οξυγόνο, αλογόνα, αντιδράσεις καύσης. Σημειώστε ότι οι αντιδράσεις αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από υψηλή ταχύτητα, απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας θερμότητας.

Ένας ομοιοπολικός δεσμός μπορεί επίσης να σχηματιστεί από τον μηχανισμό δότη-δέκτη. Ένα από τα τροχιακά ενός ατόμου (ή ανιόντος), στο οποίο βρίσκεται ένα μη κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων, επικαλύπτεται από ένα μη γεμάτο τροχιακό ενός άλλου ατόμου (ή κατιόντος), το οποίο έχει ένα μη γεμάτο τροχιακό, και σχηματίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός, για παράδειγμα :

$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"acceptor")→(H-O-H)↙(\text"donor")$

Η ρήξη ενός ομοιοπολικού δεσμού οδηγεί στο σχηματισμό θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων. δεδομένου ότι σε αυτήν την περίπτωση και τα δύο ηλεκτρόνια από το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων παραμένουν με ένα από τα άτομα, το δεύτερο άτομο έχει ένα μη γεμάτο τροχιακό:

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

Εξετάστε την ηλεκτρολυτική διάσταση των οξέων:

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

Μπορεί κανείς εύκολα να μαντέψει ότι ένα σωματίδιο που έχει ένα μη κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων $R:^(-)$, δηλ. ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν, θα έλκεται από θετικά φορτισμένα άτομα ή από άτομα στα οποία υπάρχει τουλάχιστον ένα μερικό ή αποτελεσματικό θετικό φορτίο. Τα σωματίδια με μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων ονομάζονται πυρηνόφιλους παράγοντες (πυρήνας- ο πυρήνας, το θετικά φορτισμένο μέρος του ατόμου), δηλαδή οι «φίλοι» του πυρήνα, το θετικό φορτίο.

Πυρηνόφιλα ($Nu$)- ανιόντα ή μόρια που έχουν ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν με μέρη των μορίων στα οποία συγκεντρώνεται ένα αποτελεσματικό θετικό φορτίο.

Παραδείγματα πυρηνόφιλων: $Cl^(-)$ (ιόν χλωρίου), $OH^(-)$ (ανιόν υδροξειδίου), $CH_3O^(-)$ (ανιόν μεθοξειδίου), $CH_3COO^(-)$ (οξικό ανιόν ).

Τα σωματίδια που έχουν ένα απλήρωτο τροχιακό, αντίθετα, θα τείνουν να το γεμίσουν και, ως εκ τούτου, θα έλκονται από τις περιοχές των μορίων που έχουν αυξημένη πυκνότητα ηλεκτρονίων, αρνητικό φορτίο και μη κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Είναι ηλεκτρόφιλα, «φίλοι» ενός ηλεκτρονίου, ενός αρνητικού φορτίου ή σωματιδίων με αυξημένη πυκνότητα ηλεκτρονίων.

ηλεκτρόφιλα- κατιόντα ή μόρια που έχουν ένα μη γεμάτο τροχιακό ηλεκτρονίων, που τείνουν να το γεμίζουν με ηλεκτρόνια, καθώς αυτό οδηγεί σε μια ευνοϊκότερη ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου.

Παραδείγματα ηλεκτρόφιλων: $NO_2$ (νιτροομάδα), -$COOH$ (καρβοξυλικό), -$CN$ (ομάδα νιτριλίου), -$COH$ (ομάδα αλδεΰδης).

Δεν είναι κάθε σωματίδιο με κενό τροχιακό ηλεκτρόφιλο. Έτσι, για παράδειγμα, τα κατιόντα αλκαλιμετάλλων έχουν τη διαμόρφωση αδρανών αερίων και δεν τείνουν να αποκτούν ηλεκτρόνια, αφού έχουν χαμηλή συγγένεια ηλεκτρονίων. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι, παρά την παρουσία ενός μη γεμισμένου τροχιακού, τέτοια σωματίδια δεν θα είναι ηλεκτρόφιλα.

Κύριοι μηχανισμοί αντίδρασης

Έχουμε εντοπίσει τρεις κύριους τύπους σωματιδίων που αντιδρούν - ελεύθερες ρίζες, ηλεκτρόφιλα, πυρηνόφιλα - και τρεις τύπους μηχανισμών αντίδρασης που αντιστοιχούν σε αυτά:

- ελεύθερες ρίζες

- ηλεκτρόφιλο;

- πυρηνόφιλο.

Εκτός από την ταξινόμηση των αντιδράσεων ανάλογα με τον τύπο των σωματιδίων που αντιδρούν, η οργανική χημεία διακρίνει τέσσερις τύπους αντιδράσεων σύμφωνα με την αρχή της αλλαγής της σύνθεσης των μορίων: προσθήκη, υποκατάσταση, εξάλειψη ή εξάλειψη (από lat. εξάλειψη- διαγραφή, διαχωρισμός) και αναδιάταξη. Δεδομένου ότι η προσθήκη και η υποκατάσταση μπορούν να συμβούν υπό τη δράση και των τριών τύπων δραστικών ειδών, μπορούν να διακριθούν αρκετοί κύριοι μηχανισμοί αντίδρασης.

1.Υποκατάσταση ελεύθερων ριζών:

$(CH_4)↙(\κείμενο"μεθάνιο")+Br_2(→)↖(\κείμενο"UV φως")(CH_3Br)↙(\κείμενο"βρωμομεθάνιο")+HBr$

2. Προσθήκη ελεύθερων ριζών:

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

3. Ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση:

4. Ηλεκτροφιλική σύνδεση:

$CH_3-(CH=)↙(\text"προπένιο")CH_2+HBr(→)↖(\text"λύση")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-βρωμοπροπάνιο")$

$CH_3(-C≡)↙(\text"propyne")CH+Cl_2(→)↖(\text"solution")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-dichloropropene")$

5. Πυρηνόφιλη προσθήκη:

Επιπλέον, θα εξετάσουμε τις αντιδράσεις διάσπασης ή αποβολής που λαμβάνουν χώρα υπό την επίδραση πυρηνόφιλων σωματιδίων - βάσεων.

6. Εξάλειψη:

$CH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\κείμενο"διάλυμα αλκοόλης")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$

Κανόνας του V. V. Markovnikov

Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των αλκενίων (ακόρεστοι υδρογονάνθρακες) είναι η ικανότητα να εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης. Οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις προχωρούν από τον μηχανισμό ηλεκτρόφιλη προσθήκη.

Υδροαλογόνωση (προσθήκη υδραλογόνου):

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

Αυτή η αντίδραση υπόκειται σε Ο κανόνας του V. V. Markovnikov:όταν ένα υδραλογόνο προστίθεται σε ένα αλκένιο, υδρογόνο προστίθεται σε ένα περισσότερο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα, δηλ. το άτομο στο οποίο υπάρχουν περισσότερα άτομα υδρογόνου και το αλογόνο - στο λιγότερο υδρογονωμένο.

Υδρογονάνθρακες, στα μόρια των οποίων τα άτομα συνδέονται με απλούς δεσμούς και που αντιστοιχούν στον γενικό τύπο C n H 2 n +2.
Στα μόρια αλκανίων, όλα τα άτομα άνθρακα βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp 3. Αυτό σημαίνει ότι και τα τέσσερα υβριδικά τροχιακά του ατόμου άνθρακα είναι πανομοιότυπα σε σχήμα, ενέργεια και κατευθύνονται στις γωνίες μιας ισόπλευρης τριγωνικής πυραμίδας - ενός τετραέδρου. Οι γωνίες μεταξύ των τροχιακών είναι 109° 28'.

Σχεδόν ελεύθερη περιστροφή είναι δυνατή γύρω από έναν μόνο δεσμό άνθρακα-άνθρακα και τα μόρια αλκανίου μπορούν να λάβουν μια μεγάλη ποικιλία σχημάτων με γωνίες στα άτομα άνθρακα κοντά στο τετραεδρικό (109 ° 28 ′), για παράδειγμα, σε ένα μόριο n-πεντάνιο.

Αξίζει ιδιαίτερα να υπενθυμίσουμε τους δεσμούς στα μόρια των αλκανίων. Όλοι οι δεσμοί στα μόρια των κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι απλοί. Η επικάλυψη εμφανίζεται κατά μήκος του άξονα,
που συνδέει τους πυρήνες των ατόμων, δηλαδή, αυτοί είναι δεσμοί σ. Οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι μη πολικοί και ελάχιστα πολωτικοί. Το μήκος του δεσμού C-C στα αλκάνια είναι 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). Οι δεσμοί C-H είναι κάπως βραχύτεροι. Η πυκνότητα ηλεκτρονίων μετατοπίζεται ελαφρώς προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο άνθρακα, δηλαδή ο δεσμός C-H είναι ασθενώς πολικός.

Η απουσία πολικών δεσμών στα μόρια των κορεσμένων υδρογονανθράκων οδηγεί στο γεγονός ότι είναι ελάχιστα διαλυτά στο νερό και δεν αλληλεπιδρούν με φορτισμένα σωματίδια (ιόντα). Τα πιο χαρακτηριστικά των αλκανίων είναι οι αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ελεύθερες ρίζες.

Ομόλογη σειρά μεθανίου

ομόλογα- ουσίες παρόμοιες σε δομή και ιδιότητες και που διαφέρουν κατά μία ή περισσότερες ομάδες CH 2.

Ισομερισμός και ονοματολογία

Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από τη λεγόμενη δομική ισομέρεια. Τα δομικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη δομή του σκελετού άνθρακα. Το απλούστερο αλκάνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή, είναι το βουτάνιο.

Βασικές αρχές της ονοματολογίας

1. Επιλογή του κύριου κυκλώματος.Ο σχηματισμός του ονόματος ενός υδρογονάνθρακα ξεκινά με τον ορισμό της κύριας αλυσίδας - της μεγαλύτερης αλυσίδας ατόμων άνθρακα σε ένα μόριο, που είναι, όπως ήταν, η βάση του.
2. Αρίθμηση ατόμων της κύριας αλυσίδας.Στα άτομα της κύριας αλυσίδας εκχωρούνται αριθμοί. Η αρίθμηση των ατόμων της κύριας αλυσίδας ξεκινά από το άκρο που βρίσκεται πιο κοντά στον υποκαταστάτη (δομές Α, Β). Εάν οι υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίση απόσταση από το άκρο της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο υπάρχουν περισσότεροι από αυτούς (δομή Β). Εάν διαφορετικοί υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίση απόσταση από τα άκρα της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο είναι πιο κοντά ο παλαιότερος (δομή Δ). Η αρχαιότητα των υποκαταστατών υδρογονάνθρακα καθορίζεται από τη σειρά με την οποία ακολουθεί το γράμμα με το οποίο αρχίζει το όνομά τους στο αλφάβητο: μεθύλιο (-CH 3), μετά αιθύλιο (-CH 2 -CH 3), προπύλιο (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) κ.λπ.
Σημειώστε ότι το όνομα του υποκατάστατου σχηματίζεται αντικαθιστώντας το επίθημα -an με το επίθημα - λάσπηστο όνομα του αντίστοιχου αλκανίου.
3. Σχηματισμός ονόματος. Οι αριθμοί υποδεικνύονται στην αρχή του ονόματος - οι αριθμοί των ατόμων άνθρακα στα οποία βρίσκονται οι υποκαταστάτες. Εάν υπάρχουν πολλοί υποκαταστάτες σε ένα δεδομένο άτομο, τότε ο αντίστοιχος αριθμός στο όνομα επαναλαμβάνεται δύο φορές χωρισμένος με κόμμα (2,2-). Μετά τον αριθμό, μια παύλα υποδεικνύει τον αριθμό των υποκαταστατών ( di- δύο, τρία- τρεις, τετρα- τέσσερα, πεντά- πέντε) και το όνομα του υποκαταστάτη (μεθύλιο, αιθύλιο, προπύλιο). Στη συνέχεια, χωρίς κενά και παύλες - το όνομα της κύριας αλυσίδας. Η κύρια αλυσίδα αναφέρεται ως υδρογονάνθρακας - μέλος της ομόλογης σειράς μεθανίου ( μεθάνιο CH 4, αιθάνιο C 2 H 6, προπάνιο C 3 H 8, C 4 H 10, πεντάνιο C 5 H 12, εξάνιο C 6 H 14, επτάνιο C 7 H 16, οκτάνιο C 8 H 18, νονάν C 9 H 20, πρύτανης C10H22).

Φυσικές ιδιότητες των αλκανίων

Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι αέρια. Το απλούστερο από αυτά είναι το μεθάνιο - ένα άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο (η μυρωδιά του "αερίου", έχοντας νιώσει την οποία, πρέπει να καλέσετε το 04, καθορίζεται από τη μυρωδιά των μερκαπτανών - ενώσεις που περιέχουν θείο που προστίθενται ειδικά στο μεθάνιο που χρησιμοποιείται σε οικιακές και βιομηχανικές συσκευές αερίου, ώστε οι άνθρωποι που βρίσκονται κοντά τους να μυρίζουν τη διαρροή).
Υδρογονάνθρακες σύνθεσης από C 4 H 12 έως C 15 H 32 - υγρά. οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες είναι στερεά. Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκανίων αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι ελάχιστα διαλυτοί στο νερό· οι υγροί υδρογονάνθρακες είναι κοινοί οργανικοί διαλύτες.

Χημικές ιδιότητες των αλκανίων

αντιδράσεις υποκατάστασης.
Τα πιο χαρακτηριστικά των αλκανίων είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, κατά τις οποίες ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα. Ας παρουσιάσουμε τις εξισώσεις των χαρακτηριστικών αντιδράσεων αλογόνωση:

Σε περίπτωση περίσσειας αλογόνου, η χλωρίωση μπορεί να προχωρήσει περαιτέρω, μέχρι την πλήρη αντικατάσταση όλων των ατόμων υδρογόνου από χλώριο:

Οι ουσίες που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ευρέως ως διαλύτες και πρώτες ύλες στην οργανική σύνθεση.
Αντίδραση αφυδρογόνωσης(διάσπαση υδρογόνου).
Κατά τη διέλευση των αλκανίων πάνω από τον καταλύτη (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) σε υψηλή θερμοκρασία (400-600 ° C), ένα μόριο υδρογόνου διασπάται και σχηματίζεται ένα αλκένιο:

Αντιδράσεις που συνοδεύονται από την καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας.
Όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες καίγονται με το σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Αέριοι υδρογονάνθρακες αναμεμειγμένοι με αέρα σε ορισμένες αναλογίες μπορούν να εκραγούν.
1. Καύση κορεσμένων υδρογονανθράκωνείναι μια εξώθερμη αντίδραση ελεύθερων ριζών, η οποία είναι πολύ σημαντική όταν χρησιμοποιούνται αλκάνια ως καύσιμο:

Γενικά, η αντίδραση καύσης των αλκανίων μπορεί να γραφτεί ως εξής:

2. Θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων.

3. Πυρόλυση. Όταν το μεθάνιο θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1000 ° C, αρχίζει η πυρόλυση του μεθανίου - αποσύνθεση σε απλές ουσίες:

Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1500 ° C, είναι δυνατός ο σχηματισμός ακετυλενίου:

4. Ισομερισμός. Όταν οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες θερμαίνονται με καταλύτη ισομερισμού (χλωριούχο αργίλιο), σχηματίζονται ουσίες με διακλαδισμένο σκελετό άνθρακα:

5. Αρωματοποίηση. Τα αλκάνια με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην αλυσίδα παρουσία καταλύτη κυκλοποιούνται για να σχηματίσουν βενζόλιο και τα παράγωγά του:

Τα αλκάνια εισέρχονται σε αντιδράσεις που προχωρούν σύμφωνα με τον μηχανισμό των ελεύθερων ριζών, αφού όλα τα άτομα άνθρακα στα μόρια των αλκανίων βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp 3. Τα μόρια αυτών των ουσιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ομοιοπολικούς μη πολικούς δεσμούς C-C (άνθρακας - άνθρακας) και ασθενώς πολικούς δεσμούς C-H (άνθρακας - υδρογόνο). Δεν έχουν περιοχές με υψηλή και χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων, εύκολα πολωμένους δεσμούς, δηλαδή τέτοιους δεσμούς, στους οποίους η πυκνότητα ηλεκτρονίων μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων (ηλεκτροστατικά πεδία ιόντων). Κατά συνέπεια, τα αλκάνια δεν θα αντιδράσουν με φορτισμένα σωματίδια, καθώς οι δεσμοί στα μόρια των αλκανίων δεν διασπώνται από έναν ετερολυτικό μηχανισμό.