Ogļūdeņražu reakciju tabula. Ogļūdeņražu raksturīgās ķīmiskās īpašības. Reakcijas mehānismi. Ogļūdeņražu struktūra un īpašības
Alkānu ķīmiskās īpašības
Alkāni (parafīni) ir necikliski ogļūdeņraži, kuru molekulās visi oglekļa atomi ir saistīti tikai ar atsevišķām saitēm. Citiem vārdiem sakot, alkānu molekulās nav vairāku, dubultu vai trīskāršu saišu. Faktiski alkāni ir ogļūdeņraži, kas satur maksimāli iespējamo ūdeņraža atomu skaitu, un tāpēc tos sauc par ierobežojošiem (piesātinātiem).
Piesātinājuma dēļ alkāni nevar iesaistīties pievienošanas reakcijās.
Tā kā oglekļa un ūdeņraža atomiem ir diezgan cieša elektronegativitāte, tas noved pie tā, ka CH saitēm to molekulās ir ārkārtīgi zema polaritāte. Šajā sakarā alkāniem raksturīgākas ir reakcijas, kas notiek pēc radikāļu aizstāšanas mehānisma, ko apzīmē ar simbolu S R.
1. Aizvietošanas reakcijas
Šāda veida reakcijās tiek pārtrauktas oglekļa-ūdeņraža saites.
RH + XY → RX + HY
Halogenēšana
Alkāni reaģē ar halogēniem (hloru un bromu) ultravioletās gaismas iedarbībā vai ar spēcīgu karstumu. Šajā gadījumā veidojas halogēna atvasinājumu maisījums ar dažādu ūdeņraža atomu aizvietošanas pakāpi - mono-, di-tri- utt. ar halogēnu aizvietoti alkāni.
Metāna piemērā tas izskatās šādi:
Mainot halogēna/metāna attiecību reakcijas maisījumā, iespējams nodrošināt, ka produktu sastāvā dominē kāds konkrēts metāna halogēna atvasinājums.
reakcijas mehānisms
Analizēsim brīvo radikāļu aizvietošanas reakcijas mehānismu, izmantojot metāna un hlora mijiedarbības piemēru. Tas sastāv no trim posmiem:
- iniciācija (vai ķēdes iniciācija) - brīvo radikāļu veidošanās process enerģijas iedarbībā no ārpuses - apstarošana ar UV gaismu vai karsēšana. Šajā posmā hlora molekulā notiek Cl-Cl saites homolītiska šķelšanās, veidojot brīvos radikāļus:
Brīvos radikāļus, kā redzams attēlā iepriekš, sauc par atomiem vai atomu grupām ar vienu vai vairākiem nepāra elektroniem (Cl, H, CH 3, CH 2 utt.);
2. Ķēdes attīstība
Šis posms sastāv no aktīvo brīvo radikāļu mijiedarbības ar neaktīvām molekulām. Šajā gadījumā veidojas jauni radikāļi. Jo īpaši, kad hlora radikāļi iedarbojas uz alkāna molekulām, veidojas alkilradikālis un hlorūdeņradis. Savukārt alkilradikālis, saduroties ar hlora molekulām, veido hlora atvasinājumu un jaunu hlora radikāli:
3) ķēdes pārrāvums (nāve):
Rodas divu radikāļu rekombinācijas rezultātā savā starpā neaktīvās molekulās:
2. Oksidācijas reakcijas
Normālos apstākļos alkāni ir inerti pret tādiem spēcīgiem oksidētājiem kā koncentrēta sērskābe un slāpekļskābe, permanganāts un kālija dihromāts (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Degšana skābeklī
A) pilnīga sadegšana ar skābekļa pārpalikumu. Izraisa oglekļa dioksīda un ūdens veidošanos:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
B) nepilnīga sadegšana ar skābekļa trūkumu:
2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 \u003d C + 2H 2 O
Katalītiskā oksidēšana ar skābekli
Karsējot alkānus ar skābekli (~200 o C) katalizatoru klātbūtnē, no tiem var iegūt visdažādākos organiskos produktus: aldehīdus, ketonus, spirtus, karbonskābes.
Piemēram, metānu atkarībā no katalizatora veida var oksidēt par metilspirtu, formaldehīdu vai skudrskābi:
3. Alkānu termiskās pārvērtības
Krekings
Krekinga (no angļu valodas uz crack - to tear) ir ķīmisks process, kas notiek augstā temperatūrā, kā rezultātā alkāna molekulu oglekļa karkass saplīst, veidojoties alkēnam un alkāna molekulām ar mazāku molekulmasu, salīdzinot ar oriģinālajiem alkāniem. Piemēram:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH2
Krekinga var būt termiska vai katalītiska. Katalītiskā krekinga īstenošanai, pateicoties katalizatoru izmantošanai, tiek izmantotas ievērojami zemākas temperatūras, salīdzinot ar termisko krekingu.
Dehidrogenēšana
Ūdeņraža izvadīšana notiek C-H saišu pārraušanas rezultātā; veic katalizatoru klātbūtnē paaugstinātā temperatūrā. Metāna dehidrogenēšana rada acetilēnu:
2CH4 → C2H2+3H2
Metāna karsēšana līdz 1200 ° C noved pie tā sadalīšanās vienkāršās vielās:
CH4 → C+2H2
Citu alkānu dehidrogenēšana dod alkēnus:
C2H6 → C2H4+H2
Dehidrogenējot n veidojas -butāns, butēns-1 un butēns-2 (pēdējais formā cis- un transs-izomēri):
Dehidrociklizācija
Izomerizācija
Cikloalkānu ķīmiskās īpašības
Cikloalkānu ķīmiskās īpašības, kuru ciklos ir vairāk nekā četri oglekļa atomi, parasti ir gandrīz identiskas alkānu ķīmiskajām īpašībām. Ciklopropānam un ciklobutānam, dīvainā kārtā, ir raksturīgas pievienošanas reakcijas. Tas ir saistīts ar lielo spriedzi ciklā, kas noved pie tā, ka šiem cikliem ir tendence pārtraukt. Tātad ciklopropāns un ciklobutāns viegli pievieno bromu, ūdeņradi vai hlorūdeņradi:
Alkēnu ķīmiskās īpašības
1. Pievienošanas reakcijas
Tā kā dubultsaite alkēna molekulās sastāv no vienas spēcīgas sigma saites un vienas vājas pi saites, tie ir diezgan aktīvi savienojumi, kas viegli nonāk pievienošanās reakcijās. Alkēni bieži vien nonāk šādās reakcijās pat vieglos apstākļos - aukstumā, ūdens šķīdumos un organiskos šķīdinātājos.
Alkēnu hidrogenēšana
Alkēni spēj pievienot ūdeņradi katalizatoru (platīna, pallādija, niķeļa) klātbūtnē:
CH3-CH \u003d CH2+H2 → CH3-CH2-CH3
Alkēnu hidrogenēšana norit viegli pat normālā spiedienā un nelielā karsēšanā. Interesants fakts ir tas, ka tos pašus katalizatorus var izmantot alkānu dehidrogenēšanai par alkēniem, tikai dehidrogenēšanas process notiek augstākā temperatūrā un zemākā spiedienā.
Halogenēšana
Alkēni viegli nonāk pievienošanās reakcijā ar bromu gan ūdens šķīdumā, gan organiskos šķīdinātājos. Mijiedarbības rezultātā sākotnēji dzeltenie broma šķīdumi zaudē krāsu, t.i. mainīt krāsu.
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hidrohalogenēšana
Ir viegli redzēt, ka, pievienojot nesimetriskai alkēna molekulai ūdeņraža halogenīdu, teorētiski vajadzētu radīt divu izomēru maisījumu. Piemēram, ja propēnam pievieno ūdeņraža bromīdu, jāiegūst šādi produkti:
Tomēr, ja nav īpašu apstākļu (piemēram, peroksīdu klātbūtne reakcijas maisījumā), ūdeņraža halogenīda molekula tiks pievienota stingri selektīvi saskaņā ar Markovņikova likumu:
Ūdeņraža halogenīda pievienošana alkēnam notiek tā, ka ūdeņradis tiek pievienots oglekļa atomam ar lielāku ūdeņraža atomu skaitu (vairāk hidrogenēts), un halogēns tiek pievienots oglekļa atomam ar mazāku ūdeņraža atomu skaitu. (mazāk hidrogenēts).
Hidratācija
Šī reakcija noved pie spirtu veidošanās, kā arī notiek saskaņā ar Markovņikova likumu:
Kā jūs varētu uzminēt, ņemot vērā to, ka ūdens pievienošana alkēna molekulai notiek saskaņā ar Markovņikova likumu, primārā spirta veidošanās ir iespējama tikai etilēna hidratācijas gadījumā:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
Tieši ar šo reakciju lieljaudas rūpniecībā tiek iegūts galvenais etilspirta daudzums.
Polimerizācija
Īpašs pievienošanas reakcijas gadījums ir polimerizācijas reakcija, kas atšķirībā no halogenēšanas, hidrohalogenēšanas un hidratācijas notiek caur brīvo radikāļu mehānismu:
Oksidācijas reakcijas
Tāpat kā visi citi ogļūdeņraži, alkēni viegli sadedzina skābeklī, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdeni. Vienādojums alkēnu sadegšanai skābekļa pārpalikumā ir šāds:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Atšķirībā no alkāniem alkēni viegli oksidējas. KMnO 4 ūdens šķīduma iedarbībā uz alkēniem, krāsas maiņa, kas ir kvalitatīva reakcija uz dubultajām un trīskāršajām CC saitēm organisko vielu molekulās.
Alkēnu oksidēšana ar kālija permanganātu neitrālā vai viegli sārmainā šķīdumā izraisa diolu (dihidrospirtu) veidošanos:
C2H4 + 2KMnO4 + 2H2O → CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH (dzesēšana)
Skābā vidē pilnīga dubultās saites šķelšanās notiek, pārveidojot oglekļa atomus, kas veidoja dubultsaiti, karboksilgrupās:
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 (apkure)
Ja dubultā C=C saite atrodas alkēna molekulas galā, tad oglekļa dioksīds veidojas kā galējā oglekļa atoma oksidācijas produkts pie dubultsaites. Tas ir saistīts ar faktu, ka oksidācijas starpprodukts skudrskābe pati par sevi viegli oksidējas oksidētāja pārpalikumā:
5CH 3 CH=CH 2 + 10 KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10 MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20 H 2 O (apkure)
Oksidējot alkēnus, kuros C atoms pie dubultsaites satur divus ogļūdeņraža aizvietotājus, veidojas ketons. Piemēram, 2-metilbutēna-2 oksidēšana rada acetonu un etiķskābi.
Alkēnu oksidēšana, kas sadala oglekļa skeletu pie dubultās saites, tiek izmantota, lai noteiktu to struktūru.
Alkadiēnu ķīmiskās īpašības
Papildinājuma reakcijas
Piemēram, halogēnu pievienošana:
Broma ūdens kļūst bezkrāsains.
Normālos apstākļos halogēna atomu pievienošana notiek butadiēna-1,3 molekulas galos, kamēr π saites tiek pārtrauktas, broma atomi tiek piesaistīti galējiem oglekļa atomiem, un brīvās valences veido jaunu π saiti. Tādējādi it kā notiek dubultsaites "kustība". Ar broma pārpalikumu izveidotās dubultās saites vietā var pievienot vēl vienu broma molekulu.
polimerizācijas reakcijas
Alkīnu ķīmiskās īpašības
Alkīni ir nepiesātināti (nepiesātināti) ogļūdeņraži, un tāpēc tie spēj iesaistīties pievienošanas reakcijās. No alkīnu pievienošanas reakcijām visizplatītākā ir elektrofīlā pievienošana.
Halogenēšana
Tā kā alkīna molekulu trīskāršā saite sastāv no vienas spēcīgākas sigma saites un divām vājākām pi saitēm, tās spēj piesaistīt vienu vai divas halogēna molekulas. Divu halogēna molekulu pievienošana vienai alkīna molekulai notiek ar elektrofilā mehānisma palīdzību secīgi divos posmos:
Hidrohalogenēšana
Ūdeņraža halogenīdu molekulu pievienošana notiek arī ar elektrofīlo mehānismu un divos posmos. Abos posmos pievienošana notiek saskaņā ar Markovņikova likumu:
Hidratācija
Ūdens pievienošana alkīniem notiek rutija sāļu klātbūtnē skābā vidē, un to sauc par Kučerova reakciju.
Hidratācijas rezultātā, pievienojot ūdeni acetilēnam, veidojas acetaldehīds (etiķskābes aldehīds):
Acetilēna homologiem ūdens pievienošana izraisa ketonu veidošanos:
Alkīna hidrogenēšana
Alkīni reaģē ar ūdeņradi divos posmos. Kā katalizatori tiek izmantoti tādi metāli kā platīns, pallādijs, niķelis:
Alkīna trimerizācija
Augstā temperatūrā laižot acetilēnu virs aktivētās ogles, no tā veidojas dažādu produktu maisījums, no kuriem galvenais ir benzols, acetilēna trimerizācijas produkts:
Alkīnu dimerizācija
Acetilēns arī nonāk dimerizācijas reakcijā. Process notiek vara sāļu kā katalizatora klātbūtnē:
Alkīna oksidēšana
Alkīni deg skābeklī:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Alkīnu mijiedarbība ar bāzēm
Alkīni ar trīskāršu C≡C molekulas galā, atšķirībā no citiem alkīniem, spēj iesaistīties reakcijās, kurās ūdeņraža atoms trīskāršajā saitē tiek aizstāts ar metālu. Piemēram, acetilēns reaģē ar nātrija amīdu šķidrā amonjakā:
HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,
un arī ar sudraba oksīda amonjaka šķīdumu, veidojot nešķīstošas sāļiem līdzīgas vielas, ko sauc par acetilēnīdiem:
Pateicoties šai reakcijai, ir iespējams atpazīt alkīnus ar gala trīskāršo saiti, kā arī izolēt šādu alkīnu no maisījuma ar citiem alkīniem.
Jāņem vērā, ka visi sudraba un vara acetilēni ir sprādzienbīstamas vielas.
Acetilīdi spēj reaģēt ar halogēna atvasinājumiem, ko izmanto sarežģītāku organisko savienojumu ar trīskāršo saiti sintēzē:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3 -C≡C-CH3 + NaBr
Aromātisko ogļūdeņražu ķīmiskās īpašības
Saites aromātiskais raksturs ietekmē benzolu un citu aromātisko ogļūdeņražu ķīmiskās īpašības.
Viena 6pi elektronu sistēma ir daudz stabilāka nekā parastās pi saites. Tāpēc aromātiskajiem ogļūdeņražiem aizvietošanas reakcijas ir raksturīgākas nekā pievienošanas reakcijas. Arēni nonāk aizvietošanas reakcijās ar elektrofīla mehānisma palīdzību.
Aizvietošanas reakcijas
Halogenēšana
Nitrēšana
Nitrēšanas reakcija vislabāk norit nevis tīras slāpekļskābes iedarbībā, bet gan tās maisījumā ar koncentrētu sērskābi, tā saukto nitrēšanas maisījumu:
Alkilēšana
Reakcija, kurā viens no ūdeņraža atomiem aromātiskajā kodolā tiek aizstāts ar ogļūdeņraža radikāli:
Halogenēto alkānu vietā var izmantot arī alkēnus. Kā katalizatorus var izmantot alumīnija halogenīdus, dzelzs halogenīdus vai neorganiskās skābes.<
Papildinājuma reakcijas
hidrogenēšana
Hlora pievienošanās
Tas notiek ar radikālu mehānismu, intensīvi apstarojot ar ultravioleto gaismu:
Līdzīgi reakcija var notikt tikai ar hloru.
Oksidācijas reakcijas
Degšana
2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
nepilnīga oksidēšana
Benzola gredzens ir izturīgs pret oksidētājiem, piemēram, KMnO 4 un K 2 Cr 2 O 7 . Reakcija nepāriet.
Aizvietotāju iedalījums benzola gredzenā divos veidos:
Apsveriet benzola homologu ķīmiskās īpašības, izmantojot toluolu kā piemēru.
Toluola ķīmiskās īpašības
Halogenēšana
Toluola molekulu var uzskatīt par tādu, kas sastāv no benzola un metāna molekulu fragmentiem. Tāpēc ir loģiski pieņemt, ka toluola ķīmiskajām īpašībām zināmā mērā jāapvieno šo divu vielu ķīmiskās īpašības atsevišķi. Jo īpaši tas ir tieši tas, kas tiek novērots tās halogenēšanas laikā. Mēs jau zinām, ka benzols ar elektrofīlu mehānismu nonāk aizvietošanas reakcijā ar hloru, un šīs reakcijas veikšanai ir jāizmanto katalizatori (alumīnija vai dzelzs halogenīdi). Tajā pašā laikā metāns spēj reaģēt arī ar hloru, bet ar brīvo radikāļu mehānismu, kas prasa sākotnējās reakcijas maisījuma apstarošanu ar UV gaismu. Toluols atkarībā no apstākļiem, kādos tas tiek hlorēts, var dot vai nu ūdeņraža atomu aizvietošanas produktus benzola gredzenā - šim nolūkam ir jāizmanto tie paši apstākļi kā benzola hlorēšanai, vai arī aizvietošanas produktus. ūdeņraža atomu metilradikālā, ja uz tā, kā iedarboties uz metānu ar hloru, kad to apstaro ar ultravioleto gaismu:
Kā redzat, toluola hlorēšana alumīnija hlorīda klātbūtnē radīja divus dažādus produktus - orto- un para-hlortoluolu. Tas ir saistīts ar faktu, ka metilgrupa ir pirmā veida aizvietotājs.
Ja toluola hlorēšana AlCl 3 klātbūtnē tiek veikta, pārsniedzot hlora daudzumu, ir iespējama ar trihloru aizvietota toluola veidošanās:
Līdzīgi, ja toluolu hlorē gaismā ar lielāku hlora/toluola attiecību, var iegūt dihlormetilbenzolu vai trihlormetilbenzolu:
Nitrēšana
Ūdeņraža atomu aizstāšana ar nitrogrupu, nitrējot toluolu ar koncentrētas slāpekļskābes un sērskābes maisījumu, noved pie aizvietošanas produktiem aromātiskajā kodolā, nevis metilradikālā:
Alkilēšana
Kā jau minēts, metilradikālis ir pirmā veida orientants, tāpēc tā Fridel-Crafts alkilēšana noved pie aizvietošanas produktiem orto un para pozīcijās:
Papildinājuma reakcijas
Toluolu var hidrogenēt līdz metilcikloheksānam, izmantojot metāla katalizatorus (Pt, Pd, Ni):
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
nepilnīga oksidēšana
Šāda oksidētāja kā kālija permanganāta ūdens šķīduma iedarbībā sānu ķēde tiek oksidēta. Šādos apstākļos aromātiskais kodols nevar tikt oksidēts. Šajā gadījumā atkarībā no šķīduma pH veidosies vai nu karbonskābe, vai tās sāls.
Limit ogļūdeņražu molekulās ir tikai zemas polaritātes un vāji polarizējošas saites, kas ir ļoti izturīgas, tāpēc normālos apstākļos tās ir vielas, kas ir nedaudz ķīmiski aktīvas attiecībā pret polārajiem reaģentiem: nesadarbojas ar koncentrētām skābēm, veselām, sārmu metāli, oksidētāji. Tas bija iemesls viņu vārdam - parafīni. Parumaffinus latīņu valodā nozīmē nesaistīts. To ķīmiskās pārvērtības galvenokārt notiek paaugstinātā temperatūrā un UV starojuma ietekmē.
Ir trīs galvenie piesātināto ogļūdeņražu reakciju veidi: aizstāšana, oksidēšana un eliminācija. Šīs reakcijas var notikt, vai nu pārraujot C-C saiti (enerģija 83,6 kcal), vai pārraujot C-H saiti (enerģija 98,8 kcal/mol). Reakcijas bieži notiek ar C-H saites pārtraukumu, tk. tas ir vairāk pieejams reaģenta darbībai, lai gan C-C saitei ir nepieciešams mazāk enerģijas šķelšanai. Šādu reakciju rezultātā starpposmā veidojas ļoti aktīvas sugas - alifātiskie ogļūdeņražu radikāļi.
Alifātisko radikāļu sagatavošana un īpašības
1. Brīvo radikāļu veidošanās C-C vai C-H saišu homolītiskās šķelšanās laikā notiek 300-700 ° C temperatūrā vai brīvo radikāļu reaģentu iedarbībā.
2. Brīvo radikāļu kalpošanas laiks (rezistence) palielinās no primārajiem uz sekundārajiem un terciārajiem radikāļiem:
b) Mijiedarbība ar nepiesātinātiem savienojumiem: pievienošanās notiek arī, veidojoties jaunam radikālim:
CH3. + CH2 \u003d CH2CH3-CH2-CH2.
c) -sabrukšana - radikāļi ar garu oglekļa ķēdi sadalās ar C-C saites pārrāvumu -pozīcijā pret oglekli ar nepāra elektronu.
CH3-CH2: CH2-CH2. CH3-CH2. + CH2 \u003d CH2
d) Disproporcija — ūdeņraža pārdale, kas saistīta ar sabrukšanu gar C-H saiti:
| + CH3-CH2. | + CH3-CH3 |
e) Rekombinācija – brīvo radikāļu savstarpēja kombinācija
CH 3 . + CH 3 . CH3-CH3
Zinot brīvo radikāļu uzvedības īpatnības, ir vieglāk izprast piesātināto ogļūdeņražu specifisko reakciju pamatlikumus.
Es rakstu. aizstāšanas reakcija
1. Halogenēšanas reakcijas. Enerģiskākais reaģents ir fluors. Tiešā fluorēšana izraisa sprādzienu. Reakcijas hlorēšana. Tie var turpināties hlora molekulu iedarbībā gaismā jau istabas temperatūrā. Reakcija notiek saskaņā ar brīvo radikāļu ķēdes mehānismu un ietver šādus galvenos posmus:
a) pirmais lēnais posms - ķēdes uzsākšana:
Cl:ClCl. +Cl.
R: H+. Cl HCl + R.
b) ķēdes attīstība - reakcijas produktu veidošanās ar vienlaicīgu brīvo radikāļu veidošanos, kas turpina ķēdes procesu:
R. + Cl: Cl RCl + Cl.
R:H+Cl. HCl+R.
c) atvērta ķēde:
Kopš CI. reaģents ir aktīvs, tas var uzbrukt jau iegūtā hlora atvasinājuma molekulai, kā rezultātā veidojas mono- un polihalogenētu savienojumu maisījums. Piemēram:
CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4
metilhlorīds –HCl –HCl –HCl
metilēnhlorīds hloroforms četri
oglekļa hlorīds
Bromēšanas reakcija norit daudz grūtāk, jo broms ir mazāk aktīvs nekā hlors un reaģē galvenokārt ar stabilāku terciāro vai sekundāro radikāļu veidošanos. Šajā gadījumā otrais broma atoms parasti nonāk pozīcijā, kas atrodas blakus pirmajam, galvenokārt pie sekundārā oglekļa.
jodēšanas reakcijas praktiski neizplūst, jo HI reducē iegūtos alkiljodīdus.
2. Nitrēšana- H atoma aizstāšana ar NO 2 grupu slāpekļskābes ietekmē. Tas nonāk atšķaidītas slāpekļskābes (12%) iedarbībā augstā temperatūrā 150 ° C zem spiediena (Konovalova reakcija). Izostruktūras parafīni reaģē vieglāk, tk. aizvietošana notiek vieglāk pie terciārā oglekļa atoma:
Nitrēšanas reakcijas mehānisms ir saistīts ar starpposma brīvo radikāļu veidošanos. Iniciāciju veicina daļēji notiekošs oksidācijas process:
RH + HONO 2 ROH + HONO
slāpekļskābe
HONO + HONO 2 HOH + 2 . NĒ 2
| + . NĒ 2 |
CH3-C-CH3+. NO 2 CH 3 -C-CH 3 + HNO 2
CH3-C-CH3+. NO2CH3-C-CH3
tie. ogļūdeņražu nitrēšanas radikālai reakcijai nav ķēdes rakstura.
II tips. Oksidācijas reakcijas
Parastos apstākļos parafīnus neoksidē ne skābeklis, ne spēcīgi oksidētāji (KMnO 4 , HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 u.c.).
Ievadot atklātu liesmu ogļūdeņraža maisījumā ar gaisu, notiek pilnīga ogļūdeņraža oksidēšanās (sadegšana) līdz CO 2 un H 2 O. Piesātināto ogļūdeņražu karsēšana maisījumā ar gaisu vai skābekli katalizatoru klātbūtnē oksidēšanai. MnO 2 un citi līdz 300 ° C temperatūrai noved pie to oksidēšanās, veidojot peroksīda savienojumus. Reakcija notiek ar ķēdes brīvo radikāļu mehānismu.
Un: R: H R . +H. ķēdes uzsākšana
R:R. + O: :O: R-O-O .
R-O-O. + R: H R-O-O-H + R .
alkāna hidroperoksīds
O:R-O-O. +R. R-O-O-R atvērta ķēde
alkāna peroksīds
Terciārās vienības ir visvieglāk oksidētas, sekundārās ir grūtāk, bet primārās ir vēl grūtāk. Iegūtie hidroperoksīdi sadalās.
Primārie hidroperoksīdi sadaloties, tie veido aldehīdus vai primāro spirtu, piemēram:
CH3-C-C-O: O-H CH3-C-O. + . OH CH 3 -C \u003d O + H 2 O
etāna hidroperoksīda acetaldehīds
CH3-CH3
pusē
CH3-CH2OH + CH3-CH2.
Sekundārie hidroperoksīdi sadaloties veido ketonus vai sekundāros spirtus, piemēram:
CH3-C-O:OH CH3-C-O. + . OH H 2 O + CH 3 -C \u003d O
CH 3 CH 3 CH 3
propāna hidroperoksīds
CH3-CH2-CH3
pusē
CH3-CH-OH + CH3-. CH-CH 3
izopropilspirts
Terciārie hidroperoksīdi veido ketonus, kā arī primāros un terciāros spirtus, piemēram:
CH 3 CH 3 CH 3
CH3-C-CH3CH3-C: CH3+. OH CH 3 OH + CH 3 -C \u003d O
izobutāna hidroperoksīds
CH3-CH-CH3
pusē
Izobutāns
CH3-C-CH3 + CH3-C-CH3
terc-butilspirts
Jebkurš hidroperoksīds var arī sadalīties, izdalot atomu skābekli: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],
kas nonāk tālākā oksidācijā:
CH3-C + [O]CH3-C-OH
Tāpēc papildus spirtiem, aldehīdiem un ketoniem veidojas karbonskābes.
Izvēloties reakcijas apstākļus, iespējams iegūt kādu no jebkura produkta. Piemēram: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.
DIENE ogļūdeņraži (ALKADIENES)
Diēna ogļūdeņraži jeb alkadiēni ir nepiesātināti ogļūdeņraži, kas satur divas dubultās oglekļa-oglekļa saites. Alkadiēnu vispārīgā formula ir C n H 2 n -2.
Atkarībā no divkāršo saišu savstarpējās izkārtojuma diēnus iedala trīs veidos:
1) ogļūdeņraži ar kumulēti dubultās saites, t.i. blakus vienam oglekļa atomam. Piemēram, propadiēns vai alēns CH2=C=CH2;
2) ogļūdeņraži ar izolēts dubultās saites, t.i., atdalītas ar divām vai vairākām vienkāršām saitēm. Piemēram, pentadiēns -1,4 CH 2 \u003d CH–CH 2 -CH \u003d CH 2;
3) ogļūdeņraži ar konjugēts dubultās saites, t.i. atdalītas ar vienu saiti. Piemēram, butadiēns -1,3 vai divinilCH 2 \u003d CH–CH \u003d CH 2, 2-metilbutadiēns -1,3 vai izoprēns
2) etilspirta dehidrogenēšana un dehidratācija, laižot spirta tvaikus virs sakarsētiem katalizatoriem (akadēmiķa S. V. Ļebedeva metode)
2CH 3 CH 2 OH - - ~ 450 ° С; ZnO, Al2O3 ® CH 2 \u003d CH - CH \u003d CH 2 + 2H 2 O + H 2
Fizikālās īpašības
Ķīmiskās īpašības
Oglekļa atomi 1,3-butadiēna molekulā atrodas sp 2 hibrīda stāvoklī, kas nozīmē, ka šie atomi atrodas vienā plaknē un katram no tiem ir viena p-orbitāle, kuru aizņem viens elektrons un kas atrodas perpendikulāri minētajai plaknei. .
| a) | b) |
| Didivinilmolekulu struktūras shematisks attēlojums (a) un modeļa skats no augšas (b). Elektronu mākoņu pārklāšanās starp C 1 - C 2 un C 3 - C 4 ir lielāka nekā starp C 2 - C 3 . |
|
Visu oglekļa atomu p-orbitāles pārklājas viena ar otru, t.i. ne tikai starp pirmo un otro, trešo un ceturto atomu, bet arī starp otro un trešo. Tas parāda, ka saite starp otro un trešo oglekļa atomu nav vienkārša s-saite, bet tai ir noteikts p-elektronu blīvums, t.i. vāja dubultsaite. Tas nozīmē, ka s-elektroni nepieder pie stingri noteiktiem oglekļa atomu pāriem. Molekulā nav vienkāršas un dubultās saites klasiskajā izpratnē, un tiek novērota p-elektronu delokalizācija, t.i. vienmērīgs p-elektronu blīvuma sadalījums visā molekulā, veidojoties vienam p-elektronu mākonim.
Divu vai vairāku blakus esošo p-saišu mijiedarbību ar viena p-elektronu mākoņa veidošanos, kā rezultātā notiek atomu mijiedarbības pārnešana šajā sistēmā, sauc. konjugācijas efekts.
Tādējādi -1,3 butadiēna molekulu raksturo konjugētu dubultsaišu sistēma.
Šī diēna ogļūdeņražu struktūras iezīme padara tos spējīgus pievienot dažādus reaģentus ne tikai blakus esošajiem oglekļa atomiem (1,2-pievienojums), bet arī abiem konjugētās sistēmas galiem (1,4-pievienojums), veidojot dubultsaite starp otro un trešo oglekļa atomu. Ņemiet vērā, ka 1,4 piedevas produkts ļoti bieži ir galvenais produkts.
Apsveriet konjugēto diēnu halogenēšanas un hidrohalogenēšanas reakcijas.
Diēnu savienojumu polimerizācija
Vienkāršotā veidā -1,3 butadiēna polimerizācijas reakciju saskaņā ar pievienošanas shēmu 1,4 var attēlot šādi:
| ––––® | . |
Polimerizācijā ir iesaistītas abas diēna dubultās saites. Reakcijas laikā tie saplīst, tiek atdalīti elektronu pāri, kas veido s-saites, pēc kā katrs nepāra elektrons piedalās jaunu saišu veidošanā: otrā un trešā oglekļa atoma elektroni vispārināšanas rezultātā dod a. dubultsaite un ķēdes galējo oglekļa atomu elektroni, vispārinot ar elektroniem, citas monomēra molekulas attiecīgie atomi savieno monomērus polimēra ķēdē.
Polibutadiēna elementārā šūna ir attēlota šādi:
.Kā redzams, iegūto polimēru raksturo transs- polimēra elementārās šūnas konfigurācija. Taču praktiski visvērtīgākos produktus iegūst stereoregulāri (citiem vārdiem sakot, telpiski sakārtotā) diēna ogļūdeņražu polimerizācijā pēc 1,4 pievienošanas shēmas ar veidošanos. cis- polimēru ķēdes konfigurācija. Piemēram, cis- polibutadiēns
.Dabīgās un sintētiskās gumijas
Dabīgo kaučuku iegūst no Hevea gumijas koka piena sulas (lateksa), kas aug Brazīlijas lietus mežos.
Sildot, nepiekļūstot gaisam, gumija sadalās, veidojot diēna ogļūdeņradi - 2-metilbutadiēnu-1,3 vai izoprēnu. Gumija ir stereoregulārs polimērs, kurā izoprēna molekulas ir savienotas viena ar otru 1,4 pievienošanas shēmā ar cis- polimēru ķēdes konfigurācija:
Dabiskā kaučuka molekulmasa svārstās no 7 . 10 4 līdz 2,5 . 10 6 .
transs- Izoprēna polimērs dabā sastopams arī gutaperčas formā.
Dabīgajam kaučukam ir unikāls īpašību kopums: augsta plūstamība, nodilumizturība, lipīgums, ūdens un gāzes necaurlaidība. Lai piešķirtu gumijai nepieciešamās fizikālās un mehāniskās īpašības: izturību, elastību, izturību pret šķīdinātājiem un agresīvu ķīmisko vidi, gumiju vulkanizē, karsējot līdz 130-140 ° C ar sēru. Vienkāršotā veidā gumijas vulkanizācijas procesu var attēlot šādi:
Dažu dubultsaišu pārraušanas vietā tiek piesaistīti sēra atomi un lineārās gumijas molekulas tiek "savienotas" lielākās trīsdimensiju molekulās - tiek iegūta gumija, kas ir daudz stiprāka par nevulkanizētu gumiju. Ar aktīvo ogli pildītas gumijas tiek izmantotas automašīnu riepu un citu gumijas izstrādājumu ražošanā.
1932. gadā S.V.Ļebedevs izstrādāja metodi sintētiskā kaučuka sintēzei, kuras pamatā ir no spirta iegūts butadiēns. Un tikai piecdesmitajos gados vietējie zinātnieki veica diēna ogļūdeņražu katalītisko stereopolimerizāciju un ieguva stereoregulāru gumiju, kas pēc īpašībām ir līdzīga dabiskajam kaučukam. Pašlaik gumiju ražo rūpniecībā,
Ogļūdeņražu raksturīgās ķīmiskās īpašības: alkāni, alkēni, diēni, alkīni, aromātiskie ogļūdeņraži
Alkāni
Alkāni ir ogļūdeņraži, kuru molekulās atomi ir saistīti ar vienotām saitēm un kas atbilst vispārīgajai formulai $C_(n)H_(2n+2)$.
Homoloģiskā metāna sērija
Kā jūs jau zināt, homologi ir vielas, kas pēc struktūras un īpašībām ir līdzīgas un atšķiras ar vienu vai vairākām $CH_2$ grupām.
Limit ogļūdeņraži veido homologu metāna sēriju.
Izomērisms un nomenklatūra
Alkānus raksturo tā sauktā strukturālā izomērija. Strukturālie izomēri atšķiras viens no otra oglekļa skeleta struktūrā. Kā jūs jau zināt, vienkāršākais alkāns, kam raksturīgi strukturālie izomēri, ir butāns:
Ļaujiet mums sīkāk apsvērt IUPAC nomenklatūras pamatus alkāniem:
1. Galvenās ķēdes izvēle.
Ogļūdeņraža nosaukuma veidošanās sākas ar galvenās ķēdes definīciju - garāko oglekļa atomu ķēdi molekulā, kas it kā ir tās pamatā.
2.
Galvenās ķēdes atomiem tiek piešķirti numuri. Galvenās ķēdes atomu numerācija sākas no aizvietotājam tuvākā gala (struktūras A, B). Ja aizvietotāji atrodas vienādā attālumā no ķēdes gala, tad numerācija sākas no gala, kurā to ir vairāk (struktūra B). Ja dažādi aizvietotāji atrodas vienādā attālumā no ķēdes galiem, tad numerācija sākas no gala, kuram tuvāk atrodas vecākais (struktūra G). Ogļūdeņražu aizvietotāju vecums tiek noteikts pēc secības, ar kādu alfabētā seko burts, ar kuru sākas to nosaukums: metils (—$CH_3$), tad propils ($—CH_2—CH_2—CH_3$), etils ($—CH_2). —CH_3$ ) utt.
Ņemiet vērā, ka aizstājēja nosaukums tiek veidots, aizstājot sufiksu -lv piedēklim - dūņas atbilstošā alkāna vārdā.
3. Vārda veidošana.
Cipari ir norādīti nosaukuma sākumā - oglekļa atomu skaits, pie kuriem atrodas aizvietotāji. Ja pie dotā atoma ir vairāki aizvietotāji, tad attiecīgais skaitlis nosaukumā atkārtojas divas reizes, atdalot ar komatiem ($2.2-$). Aiz skaitļa defise norāda aizvietotāju skaitu ( di- divi, trīs- trīs, tetra- četri, penta- pieci) un deputāta vārds ( metils, etils, propils). Tad bez atstarpēm un defisēm - galvenās ķēdes nosaukums. Galvenā ķēde tiek saukta par ogļūdeņradi - metāna homologās sērijas locekli ( metāns, etāns, propāns utt.).
Vielu nosaukumi, kuru strukturālās formulas ir dotas iepriekš, ir šādi:
- struktūra A: $ 2 $ -metilpropāns;
- Struktūra B: 3 USD -etilheksāns;
- Struktūra B: $2,2,4$ -trimetilpentāns;
- struktūra Г: $ 2 $ -metils$4$-etilheksāns.
Alkānu fizikālās un ķīmiskās īpašības
fizikālās īpašības. Pirmie četri metāna homologās sērijas pārstāvji ir gāzes. Vienkāršākais no tiem ir metāns - bezkrāsaina, bez garšas un smaržas gāze (gāzes smaku, kuru sasmaržojot jāsauc 104$, nosaka merkaptānu smarža - sēru saturoši savienojumi, kas speciāli pievienoti metānam, ko izmanto sadzīves un rūpnieciskās gāzes iekārtas, lai tuvumā esošie cilvēki varētu sajust noplūdes smaku).
Ogļūdeņraži ar sastāvu no $С_5Н_(12)$ līdz $С_(15)Н_(32)$ ir šķidrumi; smagāki ogļūdeņraži ir cietas vielas.
Alkānu viršanas un kušanas temperatūra pakāpeniski palielinās, palielinoties oglekļa ķēdes garumam. Visi ogļūdeņraži slikti šķīst ūdenī; šķidrie ogļūdeņraži ir izplatīti organiskie šķīdinātāji.
Ķīmiskās īpašības.
1. aizstāšanas reakcijas. Alkāniem raksturīgākās ir brīvo radikāļu aizvietošanas reakcijas, kuru laikā ūdeņraža atoms tiek aizstāts ar halogēna atomu vai kādu grupu.
Iesniegsim raksturīgāko reakciju vienādojumus.
Halogenēšana:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
Halogēna pārpalikuma gadījumā hlorēšana var notikt tālāk, līdz visu ūdeņraža atomu pilnīgai aizstāšanai ar hloru:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\teksts"dihlormetāns(metilēnhlorīds)")$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"trihlormetāns(hloroforms)")$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\teksts"tetrahlormetāns(tetrahloroglekļa hlorīds)")$.
Iegūtās vielas plaši izmanto kā šķīdinātājus un izejvielas organiskajā sintēzē.
2. Dehidrogenēšana (ūdeņraža izvadīšana). Alkāniem pārejot pāri katalizatoram ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) augstā temperatūrā ($400-600°C$), tiek atdalīta ūdeņraža molekula un veidojas alkēns:
$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$
3. Reakcijas, ko pavada oglekļa ķēdes iznīcināšana. Visi piesātinātie ogļūdeņraži deg ar oglekļa dioksīda un ūdens veidošanos. Gāzveida ogļūdeņraži, kas noteiktās proporcijās sajaukti ar gaisu, var eksplodēt. Piesātināto ogļūdeņražu sadegšana ir brīvo radikāļu eksotermiska reakcija, kurai ir liela nozīme, izmantojot alkānus kā degvielu:
$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$
Kopumā alkānu sadegšanas reakciju var uzrakstīt šādi:
$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Ogļūdeņražu termiskā sadalīšanās:
$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$
Process notiek saskaņā ar brīvo radikāļu mehānismu. Temperatūras paaugstināšanās izraisa oglekļa-oglekļa saites homolītisku pārrāvumu un brīvo radikāļu veidošanos:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R—R—CH_2CH_2+CH_2—R$.
Šie radikāļi mijiedarbojas viens ar otru, apmainoties ar ūdeņraža atomu, veidojot alkāna molekulu un alkēna molekulu:
$R—CH_2CH_2+CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Termiskās sadalīšanas reakcijas ir rūpnieciskā procesa – ogļūdeņražu krekinga – pamatā. Šis process ir vissvarīgākais naftas rafinēšanas posms.
Kad metāns tiek uzkarsēts līdz $1000°C$ temperatūrai, sākas metāna pirolīze – sadalīšanās vienkāršās vielās:
$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$
Sildot līdz $1500°C$ temperatūrai, iespējama acetilēna veidošanās:
$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$
4. Izomerizācija. Karsējot lineāros ogļūdeņražus ar izomerizācijas katalizatoru (alumīnija hlorīdu), veidojas vielas ar sazarotu oglekļa karkasu:
5. Aromatizācija. Alkāni ar sešiem vai vairāk oglekļa atomiem ķēdē katalizatora klātbūtnē tiek ciklizēti, veidojot benzolu un tā atvasinājumus:
Kāds ir iemesls, kāpēc alkāni nonāk reakcijās, kas notiek saskaņā ar brīvo radikāļu mehānismu? Visi alkāna molekulās esošie oglekļa atomi atrodas $sp^3$ hibridizācijas stāvoklī. Šo vielu molekulas ir veidotas, izmantojot kovalentās nepolārās $C-C$ (oglekļa-oglekļa) saites un vāji polārās $C-H$ (oglekļa-ūdeņraža) saites. Tie nesatur apgabalus ar augstu un zemu elektronu blīvumu, viegli polarizējamām saitēm, t.i. tādas saites, kurās elektronu blīvums var tikt nobīdīts ārējo faktoru (jonu elektrostatisko lauku) ietekmē. Tāpēc alkāni nereaģēs ar lādētām daļiņām, jo saites alkānu molekulās nepārrauj heterolītisks mehānisms.
Alkēni
Nepiesātinātie ogļūdeņraži ietver ogļūdeņražus, kas satur vairākas saites starp oglekļa atomiem molekulās. Neierobežoti ir alkēni, alkadiēni (poliēni), alkīni. Nepiesātināts raksturs ir arī cikliskajiem ogļūdeņražiem, kas ciklā satur dubultsaiti (cikloalkāni), kā arī cikloalkāniem ar nelielu oglekļa atomu skaitu ciklā (trīs vai četri atomi). Nepiesātinājuma īpašība ir saistīta ar šo vielu spēju iesaistīties pievienošanās reakcijās, galvenokārt ar ūdeņradi, veidojot piesātinātus vai piesātinātus ogļūdeņražus - alkānus.
Alkēni ir acikliski ogļūdeņraži, kas molekulā papildus vienvietīgām saitēm satur vienu dubultsaiti starp oglekļa atomiem un atbilst vispārīgajai formulai $C_(n)H_(2n)$.
Tā otrais nosaukums olefīni- alkēni tika iegūti pēc analoģijas ar nepiesātinātajām taukskābēm (oleīns, linolskābe), kuru atliekas ir daļa no šķidrajiem taukiem - eļļām (no lat. oleum- eļļa).
Homologa etēna sērija
Nesazaroti alkēni veido homologu etēna (etilēna) sēriju:
$C_2H_4$ ir etēns, $C_3H_6$ ir propēns, $C_4H_8$ ir butēns, $C_5H_(10)$ ir pentēns, $C_6H_(12)$ ir heksēns utt.
Izomērisms un nomenklatūra
Alkāniem, kā arī alkāniem raksturīga strukturāla izomērija. Strukturālie izomēri atšķiras viens no otra oglekļa skeleta struktūrā. Vienkāršākais alkēns, kam raksturīgi strukturālie izomēri, ir butēns:
Īpašs strukturālās izomērijas veids ir dubultsaites pozīcijas izomērija:
$CH_3—(CH_2)↙(butēns-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(butēns-2)—CH_3$
Gandrīz brīva oglekļa atomu rotācija ir iespējama ap vienu oglekļa-oglekļa saiti, tāpēc alkāna molekulas var iegūt ļoti dažādas formas. Rotācija ap dubultsaiti nav iespējama, kas izraisa cita veida izomērijas parādīšanos alkēnos - ģeometrisko vai cis-trans izomēriju.
cis- izomēri atšķiras no transs- izomēri pēc molekulas fragmentu (šajā gadījumā metilgrupu) telpiskā izvietojuma attiecībā pret $π$-saites plakni un līdz ar to pēc īpašībām.
Alkēni ir izomēri cikloalkāniem (starpklašu izomērija), piemēram:
IUPAC izstrādātā alkēnu nomenklatūra ir līdzīga alkānu nomenklatūrai.
1. Galvenās ķēdes izvēle.
Ogļūdeņraža nosaukuma veidošanās sākas ar galvenās ķēdes definīciju - garāko oglekļa atomu ķēdi molekulā. Alkēnu gadījumā galvenajā ķēdē jābūt dubultai saitei.
2. Galvenās ķēdes atomu numerācija.
Galvenās ķēdes atomu numerācija sākas no gala, kuram dubultsaite ir vistuvāk. Piemēram, pareizais savienojuma nosaukums ir:
$5$-metilheksēns-$2$, nevis $2$-metilheksēns-$4$, kā varētu gaidīt.
Ja atomu numerācijas sākumu ķēdē nav iespējams noteikt pēc dubultās saites stāvokļa, tad to nosaka pēc aizvietotāju stāvokļa, tāpat kā piesātinātajiem ogļūdeņražiem.
3. Vārda veidošana.
Alkēnu nosaukumi veidojas tāpat kā alkānu nosaukumi. Nosaukuma beigās norādiet oglekļa atoma numuru, pie kura sākas dubultā saite, un sufiksu, kas norāda, ka savienojums pieder pie alkēnu klases - -lv.
Piemēram:
Alkēnu fizikālās un ķīmiskās īpašības
fizikālās īpašības. Pirmie trīs alkēnu homologās sērijas pārstāvji ir gāzes; vielas ar sastāvu $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ ir šķidrumi; augstākie alkēni ir cietas vielas.
Viršanas un kušanas temperatūra dabiski palielinās, palielinoties savienojumu molekulmasai.
Ķīmiskās īpašības.
Papildinājuma reakcijas. Atgādiniet, ka nepiesātināto ogļūdeņražu - alkēnu - pārstāvju atšķirīgā iezīme ir spēja iesaistīties pievienošanas reakcijās. Lielākā daļa šo reakciju notiek mehānisma dēļ
1. alkēnu hidrogenēšana. Alkēni spēj pievienot ūdeņradi hidrogenēšanas katalizatoru klātbūtnē, metālus - platīnu, pallādiju, niķeli:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Šī reakcija norisinās atmosfēras un paaugstinātā spiedienā un tai nav nepieciešama augsta temperatūra, jo ir eksotermisks. Paaugstinoties temperatūrai uz tiem pašiem katalizatoriem, var notikt apgrieztā reakcija, dehidrogenēšana.
2. Halogenēšana (halogēnu pievienošana). Alkēna mijiedarbība ar broma ūdeni vai broma šķīdumu organiskā šķīdinātājā ($CCl_4$) izraisa šo šķīdumu strauju krāsas maiņu, jo alkēnam tiek pievienota halogēna molekula un veidojas dihalogēna alkāni:
$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-(CH)↙(propēns)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-brompropēns)-CH_3$
Šī reakcija ir pakļauta Markovņikova likums:
Kad alkēnam pievieno ūdeņraža halogenīdu, ūdeņradis tiek pievienots vairāk hidrogenētam oglekļa atomam, t.i. atoms, kurā ir vairāk ūdeņraža atomu, un halogēns - mazāk hidrogenētajam.
Alkēnu hidratācija izraisa spirtu veidošanos. Piemēram, ūdens pievienošana etēnam ir viena no rūpnieciskajām metodēm etilspirta iegūšanai:
$(CH_2)↙(etēns)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(etanols)$
Ņemiet vērā, ka primārais spirts (ar hidroksogrupu pie primārā oglekļa) veidojas tikai tad, kad etēns ir hidratēts. Kad propēns vai citi alkēni tiek hidratēti, veidojas sekundārie spirti.
Arī šī reakcija norit saskaņā ar Markovņikova likumu - ūdeņraža katjons ir pievienots vairāk hidrogenētajam oglekļa atomam, bet hidroksogrupa - mazāk hidrogenētajam.
5. Polimerizācija.Īpašs pievienošanas gadījums ir alkēnu polimerizācijas reakcija:
$nCH_2(=)↙(etēns)CH_2(→)↖(UV gaisma,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(polietilēns)...)_n$
Šī pievienošanas reakcija notiek ar brīvo radikāļu mehānismu.
6. Oksidācijas reakcija.
Tāpat kā visi organiskie savienojumi, alkēni deg skābeklī, veidojot $CO_2$ un $H_2O$:
$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.
Vispārīgi:
$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$
Atšķirībā no alkāniem, kas ir izturīgi pret oksidēšanos šķīdumos, alkēni viegli oksidējas, iedarbojoties ar kālija permanganāta šķīdumiem. Neitrālos vai sārmainos šķīdumos alkēni tiek oksidēti par dioliem (dihidrogēniem spirtiem), un hidroksilgrupas tiek pievienotas tiem atomiem, starp kuriem pirms oksidācijas pastāvēja dubultsaite:
Alkadiēni (diēna ogļūdeņraži)
Alkadiēni ir acikliski ogļūdeņraži, kas molekulā papildus atsevišķām saitēm satur divas dubultsaites starp oglekļa atomiem un atbilst vispārējai formulai $C_(n)H_(2n-2)$.
Atkarībā no divkāršo saišu savstarpējās izkārtošanās izšķir trīs veidu diēnus:
- alkadiēni ar kumulēti dubultsaišu izkārtojums:
- alkadiēni ar konjugēts dubultās saites;
$CH_2=CH—CH=CH_2$;
- alkadiēni ar izolēts dubultās saites
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Visi trīs alkadiēnu veidi būtiski atšķiras viens no otra pēc struktūras un īpašībām. Centrālais oglekļa atoms (atoms, kas veido divas dubultās saites) alkadiēnos ar kumulatīvām saitēm atrodas $sp$-hibridizācijas stāvoklī. Tas veido divas $σ$ saites, kas atrodas uz vienas taisnas līnijas un ir vērstas pretējos virzienos, un divas $π$ saites, kas atrodas perpendikulārās plaknēs. $π$-saites veidojas katra oglekļa atoma nehibridizēto p-orbitāļu dēļ. Alkadiēnu īpašības ar izolētām dubultsaitēm ir ļoti specifiskas, jo konjugētās $π$-obligācijas būtiski ietekmē viena otru.
p-orbitāles, kas veido konjugētas $π$-saites, veido praktiski vienu sistēmu (to sauc par $π$-sistēmu), jo blakus esošo $π$ obligāciju p-orbitāles daļēji pārklājas.
Izomērisms un nomenklatūra
Alkadiēnus raksturo gan strukturāla izomērija, gan cis- un trans-izomerisms.
Strukturālā izomērija.
— oglekļa skeleta izomērija:
— vairāku saišu pozīcijas izomērija:
$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(butadiēns-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(butadiēns-1,2)$
cis-, trans- izomērija (telpiskā un ģeometriskā)
Piemēram:
Alkadiēni ir alkīnu un cikloalkēnu klases izomēri savienojumi.
Veidojot alkadiēna nosaukumu, tiek norādīts dubultsaišu skaits. Galvenajā ķēdē obligāti jābūt divām vairākām saitēm.
Piemēram:
Alkadiēnu fizikālās un ķīmiskās īpašības
fizikālās īpašības.
Normālos apstākļos propandiēns-1,2, butadiēns-1,3 ir gāzes, 2-metilbutadiēns-1,3 ir gaistošs šķidrums. Alkadiēni ar izolētām dubultsaitēm (vienkāršākā no tām ir pentadiēns-1,4) ir šķidrumi. Augstākās diēnas ir cietas vielas.
Ķīmiskās īpašības.
Alkadiēnu ķīmiskās īpašības ar izolētām dubultsaitēm maz atšķiras no alkēnu ķīmiskajām īpašībām. Alkadiēniem ar konjugētām saitēm ir dažas īpašas iezīmes.
1. Papildinājuma reakcijas. Alkadiēni spēj pievienot ūdeņradi, halogēnus un ūdeņraža halogenīdus.
Alkadiēnu ar konjugētām saitēm pievienošanas iezīme ir spēja piesaistīt molekulas gan 1. un 2. pozīcijā, gan 1. un 4. pozīcijā.
Produktu attiecība ir atkarīga no attiecīgo reakciju veikšanas apstākļiem un metodes.
2.polimerizācijas reakcija. Svarīgākā diēnu īpašība ir spēja polimerizēties katjonu vai brīvo radikāļu ietekmē. Šo savienojumu polimerizācija ir sintētisko kaučuku pamatā:
$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(butadiēns-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"sintētiskā butadiēna gumija")$ .
Konjugēto diēnu polimerizācija notiek kā 1,4-pievienošana.
Šajā gadījumā dubultsaite izrādās galvenā saitē, un elementārā saite savukārt var aizņemt abus cis-, un transs- konfigurācija.
Alkīni
Alkīni ir acikliski ogļūdeņraži, kas molekulā papildus atsevišķajām saitēm satur vienu trīskāršu saiti starp oglekļa atomiem un atbilst vispārējai formulai $C_(n)H_(2n-2)$.
Homologa etīna sērija
Nesazaroti alkīni veido homologu etīna (acetilēna) sēriju:
$C_2H_2$ - etīns, $C_3H_4$ - propīns, $C_4H_6$ - butīns, $C_5H_8$ - pentīns, $C_6H_(10)$ - heksīns utt.
Izomērisms un nomenklatūra
Alkīniem, kā arī alkēniem raksturīga strukturālā izomērija: oglekļa skeleta izomērija un daudzkārtējās saites pozīcijas izomērija. Vienkāršākais alkīns, kam raksturīgi alkīnu klases daudzkārtējās saites pozīcijas strukturālie izomēri, ir butīns:
$CH_3—(CH_2)↙(butin-1)—C≡CH$ $CH_3—(C≡C)↙(butin-2)—CH_3$
Oglekļa skeleta izomērija alkīnos ir iespējama, sākot no pentīna:
Tā kā trīskāršā saite pieņem oglekļa ķēdes lineāru struktūru, ģeometriskā ( cis-, trans-) alkīniem izomērija nav iespējama.
Trīskāršās saites klātbūtni šīs klases ogļūdeņražu molekulās atspoguļo sufikss -in, un tā atrašanās vieta ķēdē - oglekļa atoma numurs.
Piemēram:
Alkīni ir dažu citu klašu izomēru savienojumi. Tātad heksīnam (alkīnam), heksadiēnam (alkadiēnam) un cikloheksēnam (cikloalkēnam) ir ķīmiskā formula $С_6Н_(10)$:
Alkīnu fizikālās un ķīmiskās īpašības
fizikālās īpašības. Alkīnu, kā arī alkēnu viršanas un kušanas temperatūra dabiski palielinās, palielinoties savienojumu molekulmasai.
Alkīniem ir specifiska smarža. Tie ir labāk šķīst ūdenī nekā alkāni un alkēni.
Ķīmiskās īpašības.
Papildinājuma reakcijas. Alkīni ir nepiesātināti savienojumi un nonāk pievienošanās reakcijās. Būtībā tās ir reakcijas. elektrofīlā pievienošana.
1. Halogenēšana (halogēna molekulas pievienošana). Alkīns spēj piesaistīt divas halogēna molekulas (hlors, broms):
$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-dibrometāns),$
$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-tetrabrometāns)$
2. Hidrohalogenēšana (ūdeņraža halogenīda pievienošana).Ūdeņraža halogenīda pievienošanas reakcija, kas notiek pēc elektrofilā mehānisma, arī notiek divos posmos, un abos posmos tiek izpildīts Markovņikova noteikums:
$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-brompropēns),$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-dibrompropāns)$
3. Hidratācija (ūdens pievienošana). Liela nozīme ketonu un aldehīdu rūpnieciskajā sintēzē ir ūdens pievienošanas reakcijai (hidratācijai), ko sauc. Kučerova reakcija:
4. alkīnu hidrogenēšana. Alkīni pievieno ūdeņradi metālu katalizatoru ($Pt, Pd, Ni$) klātbūtnē:
$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$
Tā kā trīskāršā saite satur divas reaktīvas $π$ saites, alkāni pievieno ūdeņradi pa soļiem:
1) trimerizācija.
Kad etīns tiek izlaists pār aktivēto ogli, veidojas produktu maisījums, no kuriem viens ir benzols:
2) dimerizācija.
Papildus acetilēna trimerizācijai ir iespējama arī tā dimerizācija. Vienvērtīgo vara sāļu iedarbībā veidojas vinilacetilēns:
$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\teksts"butēn-1-in-3(vinilacetilēns)")$
Šo vielu izmanto hloroprēna ražošanai:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(hloroprēns)=CH_2$
kuras polimerizācijas rezultātā iegūst hloroprēna gumiju:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Alkīnu oksidēšana.
Etīns (acetilēns) sadedzina skābeklī, izdalot ļoti lielu siltuma daudzumu:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Šīs reakcijas pamatā ir skābekļa-acetilēna degļa darbība, kuras liesmai ir ļoti augsta temperatūra (vairāk nekā $3000°C$), kas ļauj to izmantot. metālu griešanai un metināšanai.
Gaisā acetilēns deg ar dūmakainu liesmu, jo. oglekļa saturs tā molekulā ir lielāks nekā etāna un etēna molekulās.
Alkīni, tāpat kā alkēni, atkrāso paskābinātus kālija permanganāta šķīdumus; šajā gadījumā notiek daudzkārtējās saites iznīcināšana.
Jonu (V.V. Markovņikova likums) un radikālo reakciju mehānismi organiskajā ķīmijā
Ķīmisko reakciju veidi organiskajā ķīmijā
Organisko vielu reakcijas formāli var iedalīt četros galvenajos veidos: aizstāšana, pievienošana, eliminācija (eliminācija) un pārkārtošanās (izomerizācija). Acīmredzot visu organisko savienojumu reakciju dažādību nevar reducēt līdz piedāvātajai klasifikācijai (piemēram, sadegšanas reakcijas). Tomēr šāda klasifikācija palīdzēs izveidot analoģijas ar reakcijām, kas notiek starp neorganiskām vielām, kuras jums jau ir pazīstamas no neorganiskās ķīmijas kursa.
Parasti galveno organisko savienojumu, kas piedalās reakcijā, sauc par substrātu, un otru reakcijas sastāvdaļu nosacīti uzskata par reaģentu.
Aizvietošanas reakcijas
Reakcijas, kuru rezultātā viens atoms vai atomu grupa sākotnējā molekulā (substrātā) tiek aizstāti ar citiem atomiem vai atomu grupām, sauc par aizvietošanas reakcijām.
Aizvietošanas reakcijas ietver piesātinātus un aromātiskus savienojumus, piemēram, alkānus, cikloalkānus vai arēnus.
Sniegsim šādu reakciju piemērus.
Gaismas iedarbībā ūdeņraža atomus metāna molekulā var aizstāt ar halogēna atomiem, piemēram, ar hlora atomiem:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Vēl viens piemērs ūdeņraža aizstāšanai ar halogēnu ir benzola pārvēršana brombenzolā:
Šīs reakcijas vienādojumu var uzrakstīt dažādi:
Izmantojot šo rakstīšanas veidu, virs bultiņas ir uzrakstīti reaģenti, katalizators, reakcijas apstākļi, un zem tās ir uzrakstīti neorganiskie reakcijas produkti.
Papildinājuma reakcijas
Reakcijas, kuru rezultātā divas vai vairākas reaģentu molekulas apvienojas vienā, sauc par pievienošanās reakcijām.
Nepiesātinātie savienojumi, piemēram, alkēni vai alkīni, nonāk pievienošanas reakcijās.
Atkarībā no tā, kura molekula darbojas kā reaģents, izšķir hidrogenēšanu (vai reducēšanu), halogenēšanu, hidrohalogenēšanu, hidratāciju un citas pievienošanas reakcijas. Katrs no tiem prasa noteiktus nosacījumus.
1. hidrogenēšana- ūdeņraža molekulas pievienošanas reakcija daudzkārtējai saitei:
$CH_3(-CH=)↙(\teksts"propēns")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\teksts"propāns")-CH_3$
2.Hidrohalogenēšana— ūdeņraža halogenīda pievienošanas reakcija (hidrohlorēšana):
$(CH_2=)↙(\teksts"etēns")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\teksts"hloretāns")-Cl$
3.Halogenēšana- halogēna pievienošanas reakcija:
$(CH_2=)↙(\teksts"etēns")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\teksts"1,2-dihloretāns")$
4. Polimerizācija- īpaša veida pievienošanas reakcijas, kuru laikā vielas ar mazu molekulmasu molekulas tiek apvienotas savā starpā, veidojot vielas ar ļoti augstu molekulmasu molekulas - makromolekulas.
Polimerizācijas reakcijas ir process, kurā daudzas zemas molekulmasas vielas (monomēra) molekulas tiek apvienotas lielās polimēra molekulās (makromolekulās).
Polimerizācijas reakcijas piemērs ir polietilēna ražošana no etilēna (etēna) ultravioletā starojuma un radikālas polimerizācijas iniciatora iedarbībā $R:$
$(nCH_2=)↙(\text"etēns")CH_2(→)↖(\teksts"UV gaisma,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" polietilēns ")$
Organiskajiem savienojumiem raksturīgākā kovalentā saite veidojas, kad atomu orbitāles pārklājas un veidojas kopīgi elektronu pāri. Tā rezultātā veidojas diviem atomiem kopīga orbitāle, uz kuras atrodas kopīgs elektronu pāris. Kad saite tiek pārrauta, šo kopīgo elektronu liktenis var būt atšķirīgs.
Reaktīvo daļiņu veidi organiskajā ķīmijā
Orbitāle ar nepāra elektronu, kas pieder vienam atomam, var pārklāties ar cita atoma orbitāli, kurā ir arī nepāra elektrons. Tā rezultātā veidojas kovalentā saite apmaiņas mehānisms:
$H+H→H:H,$ vai $H-H$
apmaiņas mehānisms Kovalentās saites veidošanās tiek realizēta, ja tiek izveidots kopīgs elektronu pāris no nepāra elektroniem, kas pieder pie dažādiem atomiem.
Process, kas ir pretējs kovalentās saites veidošanai, izmantojot apmaiņas mehānismu, ir saites pārraušana, kurā viens elektrons nonāk katrā atomā. Rezultātā veidojas divas neuzlādētas daļiņas ar nepāra elektroniem:
Šādas daļiņas sauc brīvie radikāļi.
brīvie radikāļi- atomi vai atomu grupas, kurām ir nepāra elektroni.
Reakcijas, kas notiek darbības laikā un ar brīvo radikāļu līdzdalību, sauc par brīvo radikāļu reakcijām.
Neorganiskās ķīmijas gaitā tās ir ūdeņraža mijiedarbības reakcijas ar skābekli, halogēniem, degšanas reakcijas. Lūdzu, ņemiet vērā, ka šāda veida reakcijas raksturo liels ātrums, liela siltuma daudzuma izdalīšanās.
Kovalento saiti var veidot arī donora-akceptora mehānisms. Viena no atoma (vai anjona) orbitālēm, uz kuras atrodas nedalīts elektronu pāris, pārklājas ar cita atoma (vai katjona) neaizpildītu orbitāli, kuram ir neaizpildīta orbitāle, un veidojas, piemēram, kovalentā saite. :
$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\teksts"akceptors")→(H-O-H)↙(\teksts"donors")$
Kovalentās saites pārrāvums noved pie pozitīvi un negatīvi lādētu daļiņu veidošanās; tā kā šajā gadījumā abi elektroni no kopējā elektronu pāra paliek vienā no atomiem, otrajam atomam ir neaizpildīta orbitāle:
$R:|R=R:^(-)+R^(+)$
Apsveriet skābju elektrolītisko disociāciju:
$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$
Var viegli uzminēt, ka daļiņa, kurai ir nedalīts elektronu pāris $R:^(-)$, t.i., negatīvi lādēts jons, tiks piesaistīts pozitīvi lādētiem atomiem vai atomiem, uz kuriem ir vismaz daļējs vai efektīvs pozitīvais lādiņš. Daļiņas ar nedalītiem elektronu pāriem sauc nukleofīli aģenti (kodols- kodols, pozitīvi lādētā atoma daļa), tas ir, kodola "draugi", pozitīvais lādiņš.
Nukleofili ($Nu$)- anjoni vai molekulas, kurām ir vientuļš elektronu pāris, kas mijiedarbojas ar molekulu daļām, uz kurām ir koncentrēts efektīvs pozitīvais lādiņš.
Nukleofilu piemēri: $Cl^(-)$ (hlorīda jons), $OH^(-)$ (hidroksīda anjons), $CH_3O^(-)$ (metoksīda anjons), $CH_3COO^(-)$ (acetāta anjons) ).
Daļiņām, kurām ir nepiepildīta orbitāle, gluži pretēji, ir tendence to aizpildīt, un tāpēc tās tiks piesaistītas tiem molekulu reģioniem, kuriem ir palielināts elektronu blīvums, negatīvs lādiņš un nedalīts elektronu pāris. Tie ir elektrofili, elektrona, negatīva lādiņa vai daļiņas ar paaugstinātu elektronu blīvumu.
elektrofili- katjoni vai molekulas, kurām ir neaizpildīta elektronu orbitāle, kas tiecas to piepildīt ar elektroniem, jo tas noved pie labvēlīgākas atoma elektroniskās konfigurācijas.
Elektrofilu piemēri: $NO_2$ (nitrogrupa), -$COOH$ (karboksilgrupa), -$CN$ (nitrila grupa), -$COH$ (aldehīda grupa).
Ne katra daļiņa ar tukšu orbitāli ir elektrofils. Tā, piemēram, sārmu metālu katjoniem ir inertu gāzu konfigurācija, un tiem nav tendence iegūt elektronus, jo tiem ir zema elektronu afinitāte. No tā mēs varam secināt, ka, neskatoties uz nepiepildītas orbitāles klātbūtni, šādas daļiņas nebūs elektrofīlas.
Galvenie reakcijas mehānismi
Mēs esam identificējuši trīs galvenos reaģējošo daļiņu veidus - brīvos radikāļus, elektrofilus, nukleofilus - un trīs tiem atbilstošus reakcijas mehānismu veidus:
- brīvie radikāļi;
- elektrofīls;
- nukleofīls.
Papildus reakciju klasifikācijai pēc reaģējošo daļiņu veida organiskā ķīmija izšķir četrus reakciju veidus pēc molekulu sastāva maiņas principa: pievienošana, aizstāšana, eliminācija vai eliminācija (no lat. likvidēšana- dzēst, atdalīt) un pārkārtošanu. Tā kā pievienošana un aizstāšana var notikt visu trīs veidu reaktīvo sugu ietekmē, var izdalīt vairākus galvenos reakcijas mehānismus.
1.Brīvo radikāļu aizstāšana:
$(CH_4)↙(\teksts"metāns")+Br_2(→)↖(\teksts"UV gaisma")(CH_3Br)↙(\teksts"brommetāns")+HBr$
2. Brīvo radikāļu papildinājums:
$nCH_2=CH_2(→)↖(\teksts"UV gaisma,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Elektrofīlā aizstāšana:
4. Elektrofīlais savienojums:
$CH_3-(CH=)↙(\teksts"propēns")CH_2+HBr(→)↖(\teksts"šķīdums")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\teksts"2-brompropāns")$
$CH_3(-C≡)↙(\teksts"propīns")CH+Cl_2(→)↖(\teksts"šķīdums")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\teksts"1,2-dihlorpropēns")$
5. Nukleofīlā pievienošana:
Turklāt mēs aplūkosim šķelšanās vai eliminācijas reakcijas, kas notiek nukleofīlo daļiņu - bāzu ietekmē.
6. Izslēgšana:
$CH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\teksts"spirta šķīdums")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
V. V. Markovņikova noteikums
Alkēnu (nepiesātināto ogļūdeņražu) atšķirīgā iezīme ir spēja iesaistīties pievienošanas reakcijās. Lielākā daļa šo reakciju notiek mehānisma dēļ elektrofīlā pievienošana.
Hidrohalogenēšana (ūdeņraža halogenīda pievienošana):
$CH_3(-CH-)↙(\teksts"propēns")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\teksts"2-brompropāns")$
Šī reakcija ir pakļauta V. V. Markovņikova likums: kad alkēnam pievieno ūdeņraža halogenīdu, ūdeņradis tiek pievienots vairāk hidrogenētam oglekļa atomam, t.i. atoms, kurā ir vairāk ūdeņraža atomu, un halogēns - mazāk hidrogenētajam.
Ogļūdeņraži, kuru molekulās atomi ir savienoti ar vienotām saitēm un kuri atbilst vispārīgajai formulai C n H 2 n +2.
Alkānu molekulās visi oglekļa atomi atrodas sp 3 hibridizācijas stāvoklī. Tas nozīmē, ka visas četras oglekļa atoma hibrīdorbitāles ir identiskas pēc formas, enerģijas un ir vērstas uz vienādmalu trīsstūrveida piramīdas – tetraedra – stūriem. Leņķi starp orbitālēm ir 109° 28'.
Ap vienu oglekļa-oglekļa saiti ir iespējama gandrīz brīva rotācija, un alkāna molekulas var iegūt ļoti dažādas formas ar leņķiem pie oglekļa atomiem, kas ir tuvu tetraedriskam (109 ° 28 ′), piemēram, molekulā. n-pentāns.
Īpaši vērts atgādināt par saitēm alkānu molekulās. Visas saites piesātināto ogļūdeņražu molekulās ir atsevišķas. Pārklāšanās notiek gar asi,
kas savieno atomu kodolus, t.i., tās ir σ-saites. Oglekļa-oglekļa saites ir nepolāras un slikti polarizējamas. C-C saites garums alkānos ir 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H saites ir nedaudz īsākas. Elektronu blīvums ir nedaudz nobīdīts uz elektronnegatīvāko oglekļa atomu, t.i., CH saite ir vāji polāra.
Polāro saišu trūkums piesātināto ogļūdeņražu molekulās noved pie tā, ka tie slikti šķīst ūdenī un nesadarbojas ar lādētām daļiņām (joniem). Alkāniem raksturīgākās ir reakcijas, kurās iesaistīti brīvie radikāļi.
Homoloģiskā metāna sērija
homologi- vielas, kas pēc struktūras un īpašībām ir līdzīgas un atšķiras ar vienu vai vairākām CH 2 grupām.
Izomērisms un nomenklatūra
Alkānus raksturo tā sauktā strukturālā izomērija. Strukturālie izomēri atšķiras viens no otra oglekļa skeleta struktūrā. Vienkāršākais alkāns, kam raksturīgi strukturāli izomēri, ir butāns. 
Nomenklatūras pamati
1. Galvenās ķēdes izvēle. Ogļūdeņraža nosaukuma veidošanās sākas ar galvenās ķēdes definīciju - garāko oglekļa atomu ķēdi molekulā, kas it kā ir tās pamatā.
2. Galvenās ķēdes atomu numerācija. Galvenās ķēdes atomiem tiek piešķirti numuri. Galvenās ķēdes atomu numerācija sākas no aizvietotājam tuvākā gala (struktūras A, B). Ja aizvietotāji atrodas vienādā attālumā no ķēdes gala, tad numerācija sākas no gala, kurā to ir vairāk (struktūra B). Ja dažādi aizvietotāji atrodas vienādā attālumā no ķēdes galiem, tad numerācija sākas no gala, kuram tuvāk atrodas vecākais (struktūra G). Ogļūdeņražu aizvietotāju vecums tiek noteikts pēc secības, ar kādu alfabētā seko burts, ar kuru sākas to nosaukums: metils (-CH 3), tad etils (-CH 2 -CH 3), propils (-CH 2 -CH 2 -CH3) utt.
Ņemiet vērā, ka aizstājēja nosaukums tiek veidots, aizstājot sufiksu -an ar sufiksu - dūņas atbilstošā alkāna vārdā.
3. Vārda veidošana. Cipari ir norādīti nosaukuma sākumā - oglekļa atomu skaits, pie kuriem atrodas aizvietotāji. Ja pie dotā atoma ir vairāki aizvietotāji, tad attiecīgais skaitlis nosaukumā atkārtojas divas reizes, atdalot to ar komatu (2,2-). Aiz skaitļa defise norāda aizvietotāju skaitu ( di- divi, trīs- trīs, tetra- četri, penta- pieci) un aizvietotāja nosaukums (metil, etil, propil). Tad bez atstarpēm un defisēm - galvenās ķēdes nosaukums. Galvenā ķēde tiek saukta par ogļūdeņradi - metāna homologās sērijas locekli ( metāns CH 4, etāns C 2 H 6, propāns C3H8, C4H10, pentāns C5H12, heksāns C6H14, heptāns C 7 H 16, oktānskaitlis C 8 H 18, nonan C 9 H 20, prāvests C10H22).
Alkānu fizikālās īpašības
Pirmie četri metāna homologās sērijas pārstāvji ir gāzes. Vienkāršākais no tiem ir metāns – bezkrāsaina, bez garšas un smaržas gāze ("gāzes" smaku, sajutusi, kas, jāzvana 04, nosaka merkaptānu smarža - sēru saturoši savienojumi, kas speciāli pievienoti metānam, ko izmanto sadzīves un rūpnieciskās gāzes iekārtas, lai tuvumā esošie cilvēki varētu sajust noplūdes smaku).
Ogļūdeņraži ar sastāvu no C 4 H 12 līdz C 15 H 32 - šķidrumi; smagāki ogļūdeņraži ir cietas vielas. Alkānu viršanas un kušanas temperatūra pakāpeniski palielinās, palielinoties oglekļa ķēdes garumam. Visi ogļūdeņraži slikti šķīst ūdenī; šķidrie ogļūdeņraži ir izplatīti organiskie šķīdinātāji.
Alkānu ķīmiskās īpašības
aizstāšanas reakcijas.
Alkāniem raksturīgākās ir brīvo radikāļu aizvietošanas reakcijas, kuru laikā ūdeņraža atoms tiek aizstāts ar halogēna atomu vai kādu grupu. Iesniegsim raksturīgo reakciju vienādojumus halogenēšana: 
Halogēna pārpalikuma gadījumā hlorēšana var notikt tālāk, līdz visu ūdeņraža atomu pilnīgai aizstāšanai ar hloru: 
Iegūtās vielas plaši izmanto kā šķīdinātājus un izejvielas organiskajā sintēzē.
Dehidrogenēšanas reakcija(ūdeņraža atdalīšana).
Alkāniem pārejot pāri katalizatoram (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) augstā temperatūrā (400-600 ° C), tiek atdalīta ūdeņraža molekula un veidojas alkēns:
Reakcijas, ko pavada oglekļa ķēdes iznīcināšana.
Visi piesātinātie ogļūdeņraži sadedzina, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdeni. Gāzveida ogļūdeņraži, kas noteiktās proporcijās sajaukti ar gaisu, var eksplodēt.
1. Piesātināto ogļūdeņražu sadedzināšana ir brīvo radikāļu eksotermiska reakcija, kas ir ļoti svarīga, izmantojot alkānus kā degvielu:
Kopumā alkānu sadegšanas reakciju var uzrakstīt šādi:
2. Ogļūdeņražu termiskā sadalīšana.
Process notiek saskaņā ar brīvo radikāļu mehānismu. Temperatūras paaugstināšanās izraisa oglekļa-oglekļa saites homolītisku pārrāvumu un brīvo radikāļu veidošanos.
Šie radikāļi mijiedarbojas viens ar otru, apmainoties ar ūdeņraža atomu, veidojot alkāna molekulu un alkēna molekulu:
Termiskās sadalīšanas reakcijas ir rūpnieciskā procesa – ogļūdeņražu krekinga – pamatā. Šis process ir vissvarīgākais naftas rafinēšanas posms.
3. Pirolīze. Kad metāns tiek uzkarsēts līdz 1000 ° C temperatūrai, sākas metāna pirolīze - sadalīšanās vienkāršās vielās: 
Sildot līdz 1500 ° C temperatūrai, ir iespējama acetilēna veidošanās:
4. Izomerizācija. Karsējot lineāros ogļūdeņražus ar izomerizācijas katalizatoru (alumīnija hlorīdu), veidojas vielas ar sazarotu oglekļa karkasu: 
5. Aromatizācija. Alkāni ar sešiem vai vairāk oglekļa atomiem ķēdē katalizatora klātbūtnē tiek ciklizēti, veidojot benzolu un tā atvasinājumus: 
Alkāni iesaistās reakcijās, kas notiek saskaņā ar brīvo radikāļu mehānismu, jo visi alkāna molekulu oglekļa atomi atrodas sp 3 hibridizācijas stāvoklī. Šo vielu molekulas ir veidotas, izmantojot kovalentās nepolārās C-C (oglekļa - oglekļa) saites un vāji polārās C-H (oglekļa - ūdeņraža) saites. Tajos nav apgabalu ar augstu un zemu elektronu blīvumu, viegli polarizējamām saitēm, t.i., tādām saitēm, kurās elektronu blīvums var tikt nobīdīts ārējo faktoru (jonu elektrostatisko lauku) ietekmē. Līdz ar to alkāni nereaģēs ar lādētām daļiņām, jo saites alkāna molekulās netiek pārrautas ar heterolītisku mehānismu. 
