Tabela reakcji węglowodorów. Charakterystyczne właściwości chemiczne węglowodorów. Mechanizmy reakcji. Budowa i właściwości węglowodorów
Właściwości chemiczne alkanów
Alkany (parafiny) to niecykliczne węglowodory, w cząsteczkach których wszystkie atomy węgla są połączone tylko pojedynczymi wiązaniami. Innymi słowy, w cząsteczkach alkanów nie ma wiązań wielokrotnych, podwójnych ani potrójnych. W rzeczywistości alkany są węglowodorami zawierającymi maksymalną możliwą liczbę atomów wodoru, dlatego nazywane są ograniczającymi (nasyconymi).
Ze względu na nasycenie alkany nie mogą wchodzić w reakcje addycji.
Ponieważ atomy węgla i wodoru mają dość bliską elektroujemność, prowadzi to do tego, że wiązania CH w ich cząsteczkach mają wyjątkowo niską polarność. Pod tym względem dla alkanów bardziej charakterystyczne są reakcje przebiegające zgodnie z mechanizmem podstawienia rodnikowego, oznaczanego symbolem S R.
1. Reakcje podstawienia
W reakcjach tego typu dochodzi do zerwania wiązań węgiel-wodór.
PR + XY → RX + HY
halogenowanie
Alkany reagują z halogenami (chlorem i bromem) pod wpływem światła ultrafioletowego lub silnego ciepła. W tym przypadku powstaje mieszanina pochodnych halogenów o różnych stopniach podstawienia atomów wodoru - mono-, di-tri-itd. alkany podstawione halogenem.
Na przykładzie metanu wygląda to tak:
Zmieniając stosunek halogen/metan w mieszaninie reakcyjnej, można zapewnić, że w składzie produktów dominuje jakakolwiek konkretna pochodna halogenu metanu.
mechanizm reakcji
Przeanalizujmy mechanizm reakcji podstawienia wolnorodnikowego na przykładzie oddziaływania metanu i chloru. Składa się z trzech etapów:
- inicjacja (lub inicjacja łańcucha) - proces powstawania wolnych rodników pod działaniem energii z zewnątrz - naświetlania światłem UV lub ogrzewania. Na tym etapie cząsteczka chloru ulega homolitycznemu rozszczepieniu wiązania Cl-Cl z utworzeniem wolnych rodników:
Wolne rodniki, jak widać na powyższym rysunku, nazywane są atomami lub grupami atomów z jednym lub więcej niesparowanymi elektronami (Cl, H, CH 3 , CH 2 itd.);
2. Rozwój łańcucha
Ten etap polega na oddziaływaniu aktywnych wolnych rodników z nieaktywnymi cząsteczkami. W takim przypadku powstają nowe rodniki. W szczególności, gdy rodniki chloru działają na cząsteczki alkanu, powstaje rodnik alkilowy i chlorowodór. Z kolei rodnik alkilowy zderzając się z cząsteczkami chloru tworzy pochodną chloru i nowy rodnik chloru:
3) Zerwanie (śmierć) łańcucha:
Występuje w wyniku rekombinacji dwóch rodników ze sobą w nieaktywne cząsteczki:
2. Reakcje utleniania
W normalnych warunkach alkany są obojętne w stosunku do silnych utleniaczy, takich jak stężony kwas siarkowy i azotowy, nadmanganian i dwuchromian potasu (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Spalanie w tlenie
A) całkowite spalanie z nadmiarem tlenu. Prowadzi do powstawania dwutlenku węgla i wody:
CH4 + 2O2 \u003d CO2 + 2H2O
B) niecałkowite spalanie z brakiem tlenu:
2CH4 + 3O2 \u003d 2CO + 4H2O
CH4 + O2 \u003d C + 2H2O
Katalityczne utlenianie tlenem
W wyniku ogrzewania alkanów z tlenem (~200 o C) w obecności katalizatorów można otrzymać z nich szeroką gamę produktów organicznych: aldehydy, ketony, alkohole, kwasy karboksylowe.
Na przykład metan, w zależności od rodzaju katalizatora, można utlenić do alkoholu metylowego, formaldehydu lub kwasu mrówkowego:
3. Przemiany termiczne alkanów
Pękanie
Cracking (z ang. crack – to tear) to proces chemiczny zachodzący w wysokiej temperaturze, w wyniku którego szkielet węglowy cząsteczek alkanów pęka z utworzeniem cząsteczek alkenów i alkanów o niższych masach cząsteczkowych w porównaniu do pierwotnych alkanów. Na przykład:
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
Kraking może być termiczny lub katalityczny. Do realizacji krakingu katalitycznego, dzięki zastosowaniu katalizatorów, stosuje się znacznie niższe temperatury w porównaniu do krakingu termicznego.
Odwodornienie
Eliminacja wodoru następuje w wyniku zerwania wiązań C-H; w obecności katalizatorów w podwyższonej temperaturze. W wyniku odwodornienia metanu powstaje acetylen:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Ogrzanie metanu do 1200°C prowadzi do jego rozkładu na proste substancje:
CH4 → C + 2H2
Odwodornienie innych alkanów daje alkeny:
do 2 H 6 → do 2 H 4 + H 2
Podczas odwodorniania n-butan, buten-1 i buten-2 (ten ostatni w postaci cis- oraz trans-izomery):
Dehydrocyklizacja
izomeryzacja
Właściwości chemiczne cykloalkanów
Właściwości chemiczne cykloalkanów z więcej niż czterema atomami węgla w cyklach są na ogół prawie identyczne z właściwościami alkanów. W przypadku cyklopropanu i cyklobutanu, co dziwne, charakterystyczne są reakcje addycji. Wynika to z wysokiego napięcia wewnątrz cyklu, co prowadzi do tego, że cykle te mają tendencję do pękania. Tak więc cyklopropan i cyklobutan łatwo dodają brom, wodór lub chlorowodór:
Właściwości chemiczne alkenów
1. Reakcje addycji
Ponieważ podwójne wiązanie w cząsteczkach alkenów składa się z jednego silnego wiązania sigma i jednego słabego wiązania pi, są to dość aktywne związki, które łatwo wchodzą w reakcje addycji. Alkeny często wchodzą w takie reakcje nawet w łagodnych warunkach - na zimno, w roztworach wodnych i rozpuszczalnikach organicznych.
Uwodornianie alkenów
Alkeny mogą dodawać wodór w obecności katalizatorów (platyna, pallad, nikiel):
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Uwodornianie alkenów przebiega łatwo nawet przy normalnym ciśnieniu i lekkim ogrzewaniu. Ciekawostką jest fakt, że te same katalizatory mogą być użyte do odwodornienia alkanów do alkenów, tylko proces odwodornienia przebiega w wyższej temperaturze i niższym ciśnieniu.
halogenowanie
Alkeny łatwo wchodzą w reakcję addycji z bromem zarówno w roztworze wodnym, jak iw rozpuszczalnikach organicznych. W wyniku oddziaływania początkowo żółte roztwory bromu tracą barwę, tj. odbarwiać.
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hydrohalogenacja
Łatwo zauważyć, że dodanie halogenowodoru do niesymetrycznej cząsteczki alkenu powinno teoretycznie prowadzić do mieszaniny dwóch izomerów. Na przykład dodając bromowodór do propenu, należy otrzymać następujące produkty:
Niemniej jednak, w przypadku braku określonych warunków (na przykład obecności nadtlenków w mieszaninie reakcyjnej), dodanie cząsteczki halogenowodoru nastąpi ściśle selektywnie zgodnie z regułą Markownikowa:
Dodanie halogenowodoru do alkenu następuje w ten sposób, że wodór przyłącza się do atomu węgla o większej liczbie atomów wodoru (bardziej uwodorniony), a halogen przyłącza się do atomu węgla o mniejszej liczbie atomów wodoru (mniej uwodorniony).
Uwodnienie
Ta reakcja prowadzi do powstania alkoholi, a także przebiega zgodnie z regułą Markownikowa:
Jak można się domyślić, w związku z tym, że dodanie wody do cząsteczki alkenu następuje zgodnie z regułą Markownikowa, powstanie pierwszorzędowego alkoholu jest możliwe tylko w przypadku hydratacji etylenu:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
To dzięki tej reakcji główna ilość alkoholu etylowego jest przeprowadzana w przemyśle o dużej wydajności.
Polimeryzacja
Szczególnym przypadkiem reakcji addycji jest reakcja polimeryzacji, która w przeciwieństwie do chlorowcowania, hydrohalogenacji i hydratacji przebiega poprzez mechanizm wolnorodnikowy:
Reakcje utleniania
Podobnie jak wszystkie inne węglowodory, alkeny łatwo spalają się w tlenie, tworząc dwutlenek węgla i wodę. Równanie spalania alkenów w nadmiarze tlenu ma postać:
C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2O
W przeciwieństwie do alkanów, alkeny łatwo ulegają utlenieniu. Pod wpływem wodnego roztworu KMnO 4 na alkeny następuje odbarwienie, które jest jakościową reakcją na podwójne i potrójne wiązania CC w cząsteczkach substancji organicznych.
Utlenianie alkenów nadmanganianem potasu w roztworze obojętnym lub lekko zasadowym prowadzi do powstania dioli (alkoholi dwuwodorotlenowych):
C 2 H 4 + 2 KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH – CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (chłodzenie)
W środowisku kwaśnym następuje całkowite rozszczepienie wiązania podwójnego z przekształceniem atomów węgla, które utworzyły wiązanie podwójne, w grupy karboksylowe:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2SO 4 + 17H 2O (ogrzewanie)
Jeśli wiązanie podwójne C=C znajduje się na końcu cząsteczki alkenu, wówczas dwutlenek węgla powstaje jako produkt utleniania skrajnego atomu węgla przy wiązaniu podwójnym. Wynika to z faktu, że pośredni produkt utleniania, kwas mrówkowy, sam łatwo utlenia się w nadmiarze środka utleniającego:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2SO 4 + 20H 2O (ogrzewanie)
Podczas utleniania alkenów, w których atom C przy podwójnym wiązaniu zawiera dwa podstawniki węglowodorowe, powstaje keton. Na przykład utlenianie 2-metylobutenu-2 daje aceton i kwas octowy.
Utlenianie alkenów, które rozbija szkielet węglowy przy podwójnym wiązaniu, służy do ustalenia ich struktury.
Właściwości chemiczne alkadienów
Reakcje addycji
Na przykład dodanie halogenów:
Woda bromowa staje się bezbarwna.
W normalnych warunkach na końcach cząsteczki butadienu-1,3 następuje addycja atomów halogenu, podczas gdy wiązania π zostają zerwane, atomy bromu przyłączają się do skrajnych atomów węgla, a wolne wartościowości tworzą nowe wiązanie π. Tak jakby następuje „ruch” wiązania podwójnego. Przy nadmiarze bromu w miejscu utworzonego wiązania podwójnego można dodać jeszcze jedną cząsteczkę bromu.
reakcje polimeryzacji
Właściwości chemiczne alkinów
Alkiny są nienasyconymi (nienasyconymi) węglowodorami i dlatego mogą wchodzić w reakcje addycji. Wśród reakcji addycji alkinów najpowszechniejsza jest addycja elektrofilowa.
halogenowanie
Ponieważ potrójne wiązanie cząsteczek alkinu składa się z jednego silniejszego wiązania sigma i dwóch słabszych wiązań pi, są one w stanie przyłączyć jedną lub dwie cząsteczki halogenu. Dodanie dwóch cząsteczek halogenu przez jedną cząsteczkę alkinu przebiega według mechanizmu elektrofilowego sekwencyjnie w dwóch etapach:
Hydrohalogenacja
Dodawanie cząsteczek halogenowodoru również przebiega na zasadzie mechanizmu elektrofilowego iw dwóch etapach. W obu etapach dodawanie przebiega zgodnie z regułą Markownikowa:
Uwodnienie
Dodanie wody do alkinów zachodzi w obecności soli rutu w środowisku kwaśnym i nazywa się reakcją Kucherowa.
W wyniku uwodnienia dodatku wody do acetylenu powstaje aldehyd octowy (aldehyd octowy):
W przypadku homologów acetylenu dodanie wody prowadzi do powstania ketonów:
Uwodornianie alkinów
Alkiny reagują z wodorem w dwóch etapach. Jako katalizatory stosuje się metale takie jak platyna, pallad, nikiel:
Trimeryzacja alkinów
Podczas przepuszczania acetylenu nad węglem aktywnym w wysokiej temperaturze powstaje z niego mieszanina różnych produktów, z których głównym jest benzen, produkt trimeryzacji acetylenu:
Dimeryzacja alkinów
Acetylen również wchodzi w reakcję dimeryzacji. Proces przebiega w obecności soli miedzi jako katalizatorów:
Utlenianie alkinów
Alkiny palą się w tlenie:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Oddziaływanie alkinów z zasadami
Alkiny z potrójnym C≡C na końcu cząsteczki, w przeciwieństwie do innych alkinów, mogą wchodzić w reakcje, w których atom wodoru w wiązaniu potrójnym jest zastępowany metalem. Na przykład acetylen reaguje z amidkiem sodu w ciekłym amoniaku:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
a także z roztworem amoniaku tlenku srebra, tworząc nierozpuszczalne, podobne do soli substancje zwane acetylenkami:
Dzięki tej reakcji możliwe jest rozpoznanie alkinów z końcowym potrójnym wiązaniem, a także wyizolowanie takiego alkinu z mieszaniny z innymi alkinami.
Należy zauważyć, że wszystkie acetylenki srebra i miedzi są substancjami wybuchowymi.
Acetylidy są zdolne do reagowania z pochodnymi halogenów, co jest wykorzystywane w syntezie bardziej złożonych związków organicznych z potrójnym wiązaniem:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Właściwości chemiczne węglowodorów aromatycznych
Aromatyczny charakter wiązania wpływa na właściwości chemiczne benzenów i innych węglowodorów aromatycznych.
Pojedynczy układ elektronów 6pi jest znacznie bardziej stabilny niż konwencjonalne wiązania pi. Dlatego dla węglowodorów aromatycznych reakcje podstawienia są bardziej charakterystyczne niż reakcje addycji. Areny wchodzą w reakcje substytucji za pomocą mechanizmu elektrofilowego.
Reakcje podstawienia
halogenowanie
Nitrowanie
Reakcja nitrowania przebiega najlepiej pod działaniem nie czystego kwasu azotowego, ale jego mieszaniny ze stężonym kwasem siarkowym, tzw. mieszaniny nitrującej:
alkilowanie
Reakcja, w której jeden z atomów wodoru w jądrze aromatycznym zostaje zastąpiony przez rodnik węglowodorowy:
Zamiast fluorowcowanych alkanów można również stosować alkeny. Jako katalizatory można stosować halogenki glinu, halogenki żelazowo-żelazowe lub kwasy nieorganiczne.<
Reakcje addycji
uwodornienie
Przystąpienie chloru
Postępuje według radykalnego mechanizmu pod intensywnym napromieniowaniem światłem ultrafioletowym:
Podobnie reakcja może przebiegać tylko z chlorem.
Reakcje utleniania
Spalanie
2C 6H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2O + Q
niepełne utlenianie
Pierścień benzenowy jest odporny na środki utleniające, takie jak KMnO 4 i K 2 Cr 2 O 7 . Reakcja nie idzie.
Podział podstawników w pierścieniu benzenowym na dwa typy:
Rozważ właściwości chemiczne homologów benzenu na przykładzie toluenu.
Właściwości chemiczne toluenu
halogenowanie
Cząsteczkę toluenu można uznać za składającą się z fragmentów cząsteczek benzenu i metanu. Dlatego logiczne jest założenie, że właściwości chemiczne toluenu powinny w pewnym stopniu łączyć właściwości chemiczne tych dwóch substancji wziętych z osobna. W szczególności dokładnie to obserwuje się podczas jego halogenowania. Wiemy już, że benzen wchodzi w reakcję podstawienia z chlorem na zasadzie mechanizmu elektrofilowego, a do przeprowadzenia tej reakcji muszą być użyte katalizatory (halogenki glinu lub żelaza). Jednocześnie metan może również reagować z chlorem, ale na zasadzie mechanizmu wolnorodnikowego, który wymaga naświetlenia początkowej mieszaniny reakcyjnej światłem UV. Toluen w zależności od warunków w jakich ulega chlorowaniu może dawać albo produkty podstawienia atomów wodoru w pierścieniu benzenowym – trzeba do tego zastosować takie same warunki jak przy chlorowaniu benzenu, albo produkty podstawienia atomów wodoru w rodniku metylowym, jeśli na nim, jak oddziaływać na metan z chlorem po naświetleniu promieniowaniem ultrafioletowym:
Jak widać chlorowanie toluenu w obecności chlorku glinu doprowadziło do powstania dwóch różnych produktów - orto- i para-chlorotoluenu. Wynika to z faktu, że rodnik metylowy jest podstawnikiem pierwszego rodzaju.
Jeśli chlorowanie toluenu w obecności AlCl 3 przeprowadza się w nadmiarze chloru, możliwe jest tworzenie toluenu podstawionego trichlorem:
Podobnie, gdy toluen jest chlorowany w świetle przy wyższym stosunku chloru do toluenu, można otrzymać dichlorometylobenzen lub trichlorometylobenzen:
Nitrowanie
Zastąpienie atomów wodoru grupą nitrową podczas nitrowania toluenu mieszaniną stężonych kwasów azotowego i siarkowego prowadzi do powstania produktów podstawienia w jądrze aromatycznym, a nie w rodniku metylowym:
alkilowanie
Jak już wspomniano, rodnik metylowy jest orientantem pierwszego rodzaju, dlatego jego alkilowanie Friedela-Craftsa prowadzi do produktów podstawienia w pozycjach orto i para:
Reakcje addycji
Toluen można uwodornić do metylocykloheksanu przy użyciu katalizatorów metalicznych (Pt, Pd, Ni):
C 6H 5CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2O
niepełne utlenianie
Pod działaniem takiego utleniacza, jak wodny roztwór nadmanganianu potasu, łańcuch boczny ulega utlenieniu. W takich warunkach jądro aromatyczne nie może ulec utlenieniu. W takim przypadku, w zależności od pH roztworu, powstanie kwas karboksylowy lub jego sól.
Węglowodory graniczne mają w swoich cząsteczkach tylko wiązania niskopolarne i słabo polaryzujące, które są bardzo trwałe, dlatego w normalnych warunkach są substancjami mało aktywnymi chemicznie w stosunku do odczynników polarnych: nie wchodzą w interakcje ze stężonymi kwasami, całościami, metale alkaliczne, utleniacze. To był powód ich nazwy - parafiny. Parumaffinus to po łacinie niepowiązany. Ich przemiany chemiczne zachodzą głównie w podwyższonej temperaturze i pod wpływem promieniowania UV.
Istnieją trzy główne typy reakcji węglowodorów nasyconych: podstawienie, utlenianie i eliminacja. Reakcje te mogą przebiegać albo przez zerwanie wiązania C-C (energia 83,6 kcal) albo przez zerwanie wiązania C-H (energia 98,8 kcal/mol). Reakcje często przebiegają z przerwą w wiązaniu CH, tk. jest bardziej dostępny dla działania odczynnika, chociaż wiązanie CC wymaga mniej energii do rozszczepienia. W wyniku takich reakcji pośrednio powstają bardzo aktywne związki - alifatyczne rodniki węglowodorowe.
Otrzymywanie i właściwości rodników alifatycznych
1. Powstawanie wolnych rodników podczas homolitycznego rozszczepienia wiązań C-C lub C-H zachodzi w temperaturze 300-700°C lub pod działaniem odczynników wolnorodnikowych.
2. Czas życia wolnych rodników (odporność) wzrasta od rodników pierwotnych do drugorzędowych i trzeciorzędowych:
b) Interakcja ze związkami nienasyconymi: addycja zachodzi również z utworzeniem nowego rodnika:
CH3. + CH 2 \u003d CH 2 CH 3 -CH 2 -CH 2.
c) -rozpad - rodniki o długim łańcuchu węglowym rozkładają się z przerwaniem wiązania C-C w pozycji - do węgla z niesparowanym elektronem.
CH 3 - CH 2: CH 2 - CH 2 . CH 3-CH 2 . + CH 2 \u003d CH 2
d) Dysproporcjonowanie - redystrybucja wodoru związana z rozpadem - wzdłuż wiązania C-H:
| + CH 3 -CH 2. | + CH 3 -CH 3 |
e) Rekombinacja - łączenie ze sobą wolnych rodników
CH 3 . + CH 3 . CH 3 -CH 3
Znając cechy zachowania się wolnych rodników, łatwiej zrozumieć podstawowe prawa specyficznych reakcji węglowodorów nasyconych.
Piszę. reakcja podstawienia
1. Reakcje halogenowania. Najbardziej energetycznym odczynnikiem jest fluor. Bezpośrednie fluorowanie powoduje eksplozję. Reakcje chlorowanie. Mogą przebiegać pod działaniem cząsteczek chloru w świetle już w temperaturze pokojowej. Reakcja przebiega zgodnie z mechanizmem łańcucha wolnorodnikowego i obejmuje następujące główne etapy:
a) pierwsza faza wolna - inicjacja łańcucha:
Cl:ClCl. + kl.
R: H + . Cl HCI + R.
b) rozwój łańcucha - powstawanie produktów reakcji z jednoczesnym powstawaniem wolnych rodników, które kontynuują proces łańcuchowy:
R. + Cl: Cl RCl + Cl.
R:H+Cl. HCI+R.
c) obwód otwarty:
Od CI. odczynnik jest aktywny, może atakować cząsteczkę otrzymanej już pochodnej chloru, w wyniku czego powstaje mieszanina związków mono- i polihalogenowanych. Na przykład:
CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4
chlorek metylu –HCl -HCl -HCl
chlorek metylenu chloroform cztero-
chlorek węgla
Reakcja bromowania przebiega znacznie trudniej, bo brom jest mniej aktywny niż chlor i reaguje głównie z tworzeniem bardziej stabilnych rodników trzeciorzędowych lub drugorzędowych. W tym przypadku drugi atom bromu zwykle zajmuje pozycję sąsiadującą z pierwszym, głównie przy węglu drugorzędowym.
reakcje jodowania praktycznie nie przeciekają, bo HI redukuje otrzymane jodki alkilu.
2. Nitrowanie- podstawienie atomu H grupą NO 2 pod działaniem kwasu azotowego. Poddaje się działaniu rozcieńczonego kwasu azotowego (12%) w wysokiej temperaturze 150°C pod ciśnieniem (reakcja Konowałowa). Łatwiej reagują parafiny o izostrukturze, tk. podstawienie zachodzi łatwiej na trzeciorzędowym atomie węgla:
Mechanizm reakcji nitrowania jest związany z pośrednim powstawaniem wolnych rodników. Inicjację ułatwia częściowo zachodzący proces utleniania:
PRAWA + GŁOŚNA 2 PRAWA + GŁOŚNA
kwas azotowy
HONO + HONO 2 HOH + 2 . NIE 2
| + . NIE 2 |
CH3-C-CH3+. NR 2CH 3-C-CH 3 + HNO 2
CH3-C-CH3+. NIE 2 CH 3 -C-CH 3
tych. rodnikowa reakcja nitrowania węglowodorów nie ma charakteru łańcuchowego.
II typ. Reakcje utleniania
W normalnych warunkach parafiny nie są utleniane ani przez tlen, ani przez silne utleniacze (KMnO 4 , HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 itp.).
Gdy otwarty płomień zostanie wprowadzony do mieszaniny węglowodoru z powietrzem, następuje całkowite utlenienie (spalenie) węglowodoru do CO 2 i H 2 O. Ogrzewanie nasyconych węglowodorów w mieszaninie z powietrzem lub tlenem w obecności katalizatorów utleniania MnO 2 i inne do temperatury 300 ° C prowadzi do ich utlenienia z utworzeniem związków nadtlenkowych. Reakcja przebiega według łańcuchowego mechanizmu wolnorodnikowego.
Oraz: R: H R . + H. inicjacja obwodu
R: R. + O: :O: R-O-O .
MALEŃSTWO. + R: H R-O-O-H + R .
wodoronadtlenek alkanu
O: R-O-O. + R. Otwarty obwód R-O-O-R
nadtlenek alkanu
Jednostki trzeciorzędowe najłatwiej utleniają się, drugorzędne są trudniejsze, a pierwszorzędne jeszcze trudniejsze. Powstałe wodoronadtlenki rozkładają się.
Pierwszorzędowe wodoronadtlenki po rozkładzie tworzą aldehydy lub pierwszorzędowe alkohole, na przykład:
CH3-C-C-O: OH CH3-C-O. + . OH CH3-C \u003d O + H2O
wodoronadtlenek etanu aldehyd octowy
CH 3 -CH 3
bok
CH3-CH2OH + CH3-CH2.
Wodoronadtlenki drugorzędowe podczas rozkładu tworzą ketony lub drugorzędowe alkohole, na przykład:
CH3-C-O:OH CH3-C-O. + . OH H2O + CH3-C \u003d O
CH 3 CH 3 CH 3
wodoronadtlenek propanu
CH 3 -CH 2 -CH 3
bok
CH3-CH-OH + CH3-. CH-CH 3
alkohol izopropylowy
Wodoronadtlenki trzeciorzędowe tworzą ketony oraz pierwszorzędowe i trzeciorzędowe alkohole, np.:
CH 3 CH 3 CH 3
CH3-C-CH3CH3-C: CH3+. OH CH 3 OH + CH 3-C \u003d O
wodoronadtlenek izobutanu
CH 3 -CH-CH 3
bok
izobutan
CH3-C-CH3 + CH3-C-CH3
alkohol tert-butylowy
Każdy wodoronadtlenek może również rozkładać się z uwolnieniem tlenu atomowego: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],
co idzie do dalszego utleniania:
CH3-C + [O] CH3-C-OH
Dlatego oprócz alkoholi, aldehydów i ketonów powstają kwasy karboksylowe.
Dobierając warunki reakcji można otrzymać dowolny produkt. Na przykład: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.
WĘGLOWODANY DIENU (ALKADIENY)
Węglowodory dienowe lub alkadieny to węglowodory nienasycone zawierające dwa podwójne wiązania węgiel-węgiel. Ogólny wzór alkadienów to CnH2n-2.
W zależności od wzajemnego ułożenia wiązań podwójnych dieny dzielą się na trzy typy:
1) węglowodory z skumulowane wiązania podwójne, tj. sąsiadujące z jednym atomem węgla. Na przykład propadien lub allen CH2=C=CH2;
2) węglowodory z odosobniony podwójne wiązania, tj. oddzielone dwoma lub więcej prostymi wiązaniami. Na przykład pentadien -1,4 CH 2 \u003d CH – CH 2 -CH \u003d CH 2;
3) węglowodory z skoniugowany wiązania podwójne, tj. oddzielone pojedynczym łączem. Na przykład butadien -1,3 lub diwinyl CH 2 \u003d CH-CH \u003d CH 2, 2-metylobutadien -1,3 lub izopren
2) odwodornienie i odwodnienie alkoholu etylowego przez przepuszczanie oparów alkoholu nad ogrzanymi katalizatorami (metoda akademika S.V. Lebiediewa)
2CH 3 CH 2 OH - - ~ 450 ° C; ZnO, Al2O3 ® CH 2 \u003d CH - CH \u003d CH 2 + 2H 2 O + H 2
Właściwości fizyczne
Właściwości chemiczne
Atomy węgla w cząsteczce 1,3-butadienu znajdują się w stanie hybrydowym sp 2, co oznacza, że atomy te znajdują się w tej samej płaszczyźnie i każdy z nich ma jeden p-orbital zajęty przez jeden elektron i położony prostopadle do wspomnianej płaszczyzny .
| a) | b) |
| Schematyczne przedstawienie struktury cząsteczek didiwinylu (a) i widok modelu z góry (b). Nakładanie się chmur elektronowych między C1-C2 i C3-C4 jest większe niż między C2-C3. |
|
p-orbitale wszystkich atomów węgla nakładają się na siebie, tj. nie tylko między pierwszym a drugim, trzecim a czwartym atomem, ale także między drugim a trzecim. To pokazuje, że wiązanie między drugim i trzecim atomem węgla nie jest prostym wiązaniem s, ale ma pewną gęstość p-elektronów, tj. słabe wiązanie podwójne. Oznacza to, że s-elektrony nie należą do ściśle określonych par atomów węgla. W cząsteczce nie występują wiązania pojedyncze i podwójne w klasycznym sensie, obserwuje się delokalizację elektronów p, tj. równomierny rozkład gęstości elektronów p w całej cząsteczce z utworzeniem pojedynczej chmury elektronów p.
Oddziaływanie dwóch lub więcej sąsiednich wiązań p z utworzeniem pojedynczej chmury p-elektronów, skutkujące przeniesieniem oddziaływania atomów w tym układzie, nazywa się efekt koniugacji.
Zatem cząsteczka -1,3-butadienu charakteryzuje się układem sprzężonych wiązań podwójnych.
Ta cecha budowy węglowodorów dienowych sprawia, że mogą one przyłączać różne reagenty nie tylko do sąsiednich atomów węgla (1,2-addycja), ale także do dwóch końców układu sprzężonego (1,4-addycja) z utworzeniem podwójne wiązanie między drugim a trzecim atomem węgla. Należy zauważyć, że produkt addycji 1,4 jest bardzo często produktem głównym.
Rozważ reakcje halogenowania i hydrohalogenacji sprzężonych dienów.
Polimeryzacja związków dienowych
W uproszczonej formie reakcję polimeryzacji -1,3-butadienu zgodnie ze schematem dodawania 1,4 można przedstawić następująco:
| ––––® | . |
W polimeryzacji biorą udział oba wiązania podwójne dienu. Podczas reakcji rozpadają się, pary elektronów tworzące wiązania s zostają rozdzielone, po czym każdy niesparowany elektron uczestniczy w tworzeniu nowych wiązań: elektrony drugiego i trzeciego atomu węgla w wyniku uogólnienia dają podwójne wiązanie i elektrony skrajnych atomów węgla w łańcuchu, po uogólnieniu z elektronami odpowiednie atomy innej cząsteczki monomeru łączą monomery w łańcuch polimerowy.
Elementarna komórka polibutadienu jest przedstawiona w następujący sposób:
.Jak widać, otrzymany polimer charakteryzuje się trans- konfiguracja komórki elementarnej polimeru. Jednak najbardziej wartościowe pod względem praktycznym produkty otrzymuje się przez stereoregularną (innymi słowy uporządkowaną przestrzennie) polimeryzację węglowodorów dienowych według schematu 1,4-addycji z utworzeniem cis- konfiguracja łańcucha polimerowego. Na przykład, cis- polibutadien
.Kauczuki naturalne i syntetyczne
Kauczuk naturalny pozyskiwany jest z mlecznego soku (lateksu) drzewa kauczukowego Hevea, które rośnie w lasach deszczowych Brazylii.
Podgrzana bez dostępu powietrza guma rozkłada się tworząc węglowodór dienowy - 2-metylobutadien-1,3 lub izopren. Guma jest stereoregularnym polimerem, w którym cząsteczki izoprenu są połączone ze sobą w schemacie addycji 1,4 z cis- konfiguracja łańcucha polimerowego:
Masa cząsteczkowa kauczuku naturalnego waha się od 7 . 10 4 do 2,5 . 10 6 .
trans- Polimer izoprenowy występuje również naturalnie w postaci gutaperki.
Kauczuk naturalny ma unikalny zestaw właściwości: wysoką płynność, odporność na zużycie, przyczepność, nieprzepuszczalność wody i gazów. Aby nadać gumie niezbędne właściwości fizyczne i mechaniczne: wytrzymałość, elastyczność, odporność na rozpuszczalniki i agresywne środowiska chemiczne, guma jest wulkanizowana przez podgrzanie siarki do temperatury 130-140 ° C. W uproszczonej formie proces wulkanizacji gumy można przedstawić w następujący sposób:
Atomy siarki przyczepiają się w miejscu zerwania niektórych wiązań podwójnych, a liniowe cząsteczki kauczuku są „sieciowane” w większe cząsteczki trójwymiarowe – uzyskuje się kauczuk, który jest znacznie mocniejszy niż kauczuk niezwulkanizowany. Gumy wypełnione sadzą aktywną znajdują zastosowanie w produkcji opon samochodowych oraz innych wyrobów gumowych.
W 1932 r. S.V. Lebiediew opracował metodę syntezy kauczuku syntetycznego na bazie butadienu otrzymanego z alkoholu. I dopiero w latach pięćdziesiątych krajowi naukowcy przeprowadzili katalityczną stereopolimeryzację węglowodorów dienowych i uzyskali stereoregularną gumę, podobną pod względem właściwości do kauczuku naturalnego. Obecnie guma jest produkowana w przemyśle,
Charakterystyczne właściwości chemiczne węglowodorów: alkany, alkeny, dieny, alkiny, węglowodory aromatyczne
alkany
Alkany to węglowodory, w których cząsteczkach atomy połączone są pojedynczymi wiązaniami i które odpowiadają ogólnemu wzorowi $C_(n)H_(2n+2)$.
Szereg homologiczny metanu
Jak już wiesz, homologi to substancje o podobnej budowie i właściwościach, różniące się jedną lub więcej grupami $CH_2$.
Węglowodory graniczne tworzą serię homologiczną metanu.
Izomeria i nomenklatura
Alkany charakteryzują się tzw. izomerią strukturalną. Izomery strukturalne różnią się między sobą budową szkieletu węglowego. Jak już wiesz, najprostszym alkanem, który charakteryzuje izomery strukturalne, jest butan:
Rozważmy bardziej szczegółowo dla alkanów podstawy nomenklatury IUPAC:
1. Wybór obwodu głównego.
Tworzenie nazwy węglowodoru rozpoczyna się od określenia głównego łańcucha - najdłuższego łańcucha atomów węgla w cząsteczce, który jest niejako jego podstawą.
2.
Atomy łańcucha głównego mają przypisane numery. Numeracja atomów łańcucha głównego rozpoczyna się od końca najbliższego podstawnikowi (struktury A, B). Jeżeli podstawniki znajdują się w równej odległości od końca łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, na którym jest ich więcej (struktura B). Jeżeli różne podstawniki znajdują się w równej odległości od końców łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, do którego starszy jest bliższy (struktura G). Starszeństwo podstawników węglowodorowych określa kolejność, w jakiej następuje ich nazwa w alfabecie: metyl (-$CH_3$), następnie propyl ($-CH_2-CH_2-CH_3$), etyl ($-CH_2 —CH_3$ ) itd.
Zwróć uwagę, że nazwa zamiennika jest tworzona przez zastąpienie sufiksu -en sufiks -muł w imieniu odpowiedniego alkanu.
3. Tworzenie nazw.
Liczby są wskazane na początku nazwy - liczby atomów węgla, przy których znajdują się podstawniki. Jeśli przy danym atomie występuje kilka podstawników, to odpowiednia liczba w nazwie powtarza się dwukrotnie, oddzielając je przecinkami ($2,2-$). Po liczbie myślnik wskazuje liczbę podstawników ( di- dwa, trzy- trzy, tetra- cztery, penta- pięć) i nazwisko zastępcy ( metyl, etyl, propyl). Następnie bez spacji i myślników - nazwa głównego łańcucha. Główny łańcuch nazywany jest węglowodorem - członkiem homologicznej serii metanu ( metan, etan, propan itp.).
Nazwy substancji, których wzory strukturalne podano powyżej, są następujące:
- struktura A: $2 $ -metylopropan;
- Struktura B: 3 $ -etyloheksan;
- Struktura B: $2,2,4$ -trimetylopentan;
- struktura Г: $2 $ -metyl$4$-etyloheksan.
Właściwości fizyczne i chemiczne alkanów
właściwości fizyczne. Pierwsi czterej przedstawiciele serii homologicznej metanu to gazy. Najprostszym z nich jest metan - gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu (zapach gazu, który po powąchaniu trzeba nazwać 104 $, określa zapach merkaptanów - związków zawierających siarkę specjalnie dodawanych do metanu używanego w gospodarstwie domowym i przemysłowych urządzeń gazowych, aby osoby znajdujące się w ich pobliżu mogły wyczuć wyciek).
Węglowodory o składzie od $С_5Н_(12)$ do $С_(15)Н_(32)$ są cieczami; cięższe węglowodory są ciałami stałymi.
Temperatury wrzenia i topnienia alkanów stopniowo rosną wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory są słabo rozpuszczalne w wodzie; ciekłe węglowodory są powszechnymi rozpuszczalnikami organicznymi.
Właściwości chemiczne.
1. reakcje podstawienia. Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje podstawienia wolnorodnikowego, podczas których atom wodoru jest zastępowany atomem halogenu lub jakąś grupą.
Przedstawmy równania najbardziej typowych reakcji.
halogenowanie:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
W przypadku nadmiaru halogenu chlorowanie może iść dalej, aż do całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru chlorem:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"dichlorometan(chlorek metylenu)")$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHCl_3)↙(\text"trichlorometan(chloroform)")$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"tetrachlorometan(tetrachlorek węgla)")$.
Otrzymane substancje są szeroko stosowane jako rozpuszczalniki i materiały wyjściowe w syntezie organicznej.
2. Odwodornienie (eliminacja wodoru). Podczas przejścia alkanów przez katalizator (Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) w wysokiej temperaturze (400-600°C) następuje odszczepienie cząsteczki wodoru i powstanie alkenu:
$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$
3. Reakcje, którym towarzyszy zniszczenie łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory nasycone palą się z tworzeniem się dwutlenku węgla i wody. Węglowodory gazowe zmieszane z powietrzem w określonych proporcjach mogą eksplodować. Spalanie węglowodorów nasyconych jest wolnorodnikową reakcją egzotermiczną, co ma ogromne znaczenie przy stosowaniu alkanów jako paliwa:
$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$
Ogólnie reakcję spalania alkanów można zapisać w następujący sposób:
$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Rozkład termiczny węglowodorów:
$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$
Proces przebiega zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym. Wzrost temperatury prowadzi do homolitycznego zerwania wiązania węgiel-węgiel i powstania wolnych rodników:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2+CH_2—R$.
Te rodniki oddziałują ze sobą, wymieniając atom wodoru, tworząc cząsteczkę alkanu i cząsteczkę alkenu:
$R—CH_2CH_2+CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Reakcje rozszczepienia termicznego leżą u podstaw procesu przemysłowego - krakingu węglowodorów. Proces ten jest najważniejszym etapem rafinacji ropy naftowej.
Gdy metan zostanie podgrzany do temperatury 1000°C, rozpoczyna się piroliza metanu - rozkład na substancje proste:
$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$
Po podgrzaniu do temperatury 1500°C możliwe jest tworzenie się acetylenu:
$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$
4. izomeryzacja. Gdy węglowodory liniowe są ogrzewane katalizatorem izomeryzacji (chlorek glinu), powstają substancje o rozgałęzionym szkielecie węglowym:
5. Aromatyzacja. Alkany z sześcioma lub więcej atomami węgla w łańcuchu w obecności katalizatora cyklizują do benzenu i jego pochodnych:
Z jakiego powodu alkany wchodzą w reakcje przebiegające zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym? Wszystkie atomy węgla w cząsteczkach alkanu są w stanie hybrydyzacji $sp^3$. Cząsteczki tych substancji zbudowane są z kowalencyjnych niepolarnych wiązań $C—C$ (węgiel-węgiel) i słabo polarnych wiązań $C—H$ (węgiel-wodór). Nie zawierają obszarów o dużej i małej gęstości elektronowej, łatwo polaryzowalnych wiązań, tj. takich wiązań, których gęstość elektronowa może ulec przesunięciu pod wpływem czynników zewnętrznych (pola elektrostatyczne jonów). Dlatego alkany nie będą reagować z naładowanymi cząstkami, ponieważ wiązania w cząsteczkach alkanów nie są rozrywane przez mechanizm heterolityczny.
alkeny
Węglowodory nienasycone obejmują węglowodory zawierające wielokrotne wiązania między atomami węgla w cząsteczkach. Nieograniczone są alkeny, alkadieny (polieny), alkiny. Węglowodory cykliczne zawierające wiązanie podwójne w cyklu (cykloalkeny), a także cykloalkany o małej liczbie atomów węgla w cyklu (trzy lub cztery atomy) również mają charakter nienasycony. Właściwość nienasycenia związana jest ze zdolnością tych substancji do wchodzenia w reakcje addycji, głównie wodoru, z tworzeniem nasyconych lub nasyconych węglowodorów - alkanów.
Alkeny to acykliczne węglowodory zawierające w cząsteczce oprócz wiązań pojedynczych jedno wiązanie podwójne między atomami węgla i odpowiadające wzorowi ogólnemu $C_(n)H_(2n)$.
Jego drugie imię olefiny- alkeny otrzymano przez analogię z nienasyconymi kwasami tłuszczowymi (oleinowym, linolowym), których pozostałości są częścią płynnych tłuszczów - olejów (z łac. oleum- olej).
Homologiczny szereg etenu
Nierozgałęzione alkeny tworzą homologiczną serię etenu (etylenu):
$C_2H_4$ to eten, $C_3H_6$ to propen, $C_4H_8$ to buten, $C_5H_(10)$ to penten, $C_6H_(12)$ to heksen itd.
Izomeria i nomenklatura
Dla alkenów, podobnie jak dla alkanów, charakterystyczna jest izomeria strukturalna. Izomery strukturalne różnią się między sobą budową szkieletu węglowego. Najprostszym alkenem, który charakteryzuje się izomerami strukturalnymi, jest buten:
Szczególnym typem izomerii strukturalnej jest izomeria pozycji podwójnego wiązania:
$CH_3—(CH_2)↙(buten-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(buten-2)—CH_3$
Możliwa jest prawie swobodna rotacja atomów węgla wokół pojedynczego wiązania węgiel-węgiel, więc cząsteczki alkanu mogą przybierać różnorodne kształty. Rotacja wokół podwójnego wiązania jest niemożliwa, co prowadzi do pojawienia się innego rodzaju izomerii w alkenach - izomerii geometrycznej lub cis-trans.
cis- izomery różnią się od trans- izomerów przez przestrzenne rozmieszczenie fragmentów cząsteczki (w tym przypadku grup metylowych) względem płaszczyzny wiązania $π$, a co za tym idzie, przez właściwości.
Alkeny są izomerami cykloalkanów (izomeria międzyklasowa), na przykład:
Nomenklatura alkenów opracowana przez IUPAC jest podobna do nomenklatury alkanów.
1. Wybór obwodu głównego.
Tworzenie nazwy węglowodoru rozpoczyna się od określenia głównego łańcucha - najdłuższego łańcucha atomów węgla w cząsteczce. W przypadku alkenów łańcuch główny musi zawierać wiązanie podwójne.
2. Numeracja atomów głównego łańcucha.
Numeracja atomów łańcucha głównego rozpoczyna się od końca, do którego jest najbliżej wiązania podwójnego. Na przykład poprawna nazwa połączenia to:
5$-metyloheksen-2$, a nie 2$-metyloheksen-4$, jak można by się spodziewać.
Jeśli nie można określić początku numeracji atomów w łańcuchu na podstawie pozycji wiązania podwójnego, to określa się to na podstawie pozycji podstawników, tak jak w przypadku węglowodorów nasyconych.
3. Tworzenie nazw.
Nazwy alkenów tworzone są w taki sam sposób jak nazwy alkanów. Na końcu nazwy podać numer atomu węgla, od którego zaczyna się wiązanie podwójne, oraz sufiks wskazujący, że związek należy do klasy alkenów - -en.
Na przykład:
Właściwości fizyczne i chemiczne alkenów
właściwości fizyczne. Pierwsi trzej przedstawiciele homologicznej serii alkenów to gazy; substancje o składzie $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ są cieczami; wyższe alkeny są ciałami stałymi.
Temperatury wrzenia i topnienia naturalnie rosną wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej związków.
Właściwości chemiczne.
Reakcje addycji. Przypomnijmy, że charakterystyczną cechą przedstawicieli węglowodorów nienasyconych - alkenów jest zdolność do wchodzenia w reakcje addycji. Większość z tych reakcji przebiega według mechanizmu
1. uwodornienie alkenów. Alkeny mogą dodawać wodór w obecności katalizatorów uwodornienia, metali - platyny, palladu, niklu:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Reakcja ta przebiega pod ciśnieniem atmosferycznym i podwyższonym i nie wymaga wysokiej temperatury, ponieważ jest egzotermiczny. Wraz ze wzrostem temperatury na tych samych katalizatorach może wystąpić reakcja odwrotna, odwodornienie.
2. Halogenowanie (dodawanie halogenów). Oddziaływanie alkenu z wodą bromową lub roztworem bromu w rozpuszczalniku organicznym ($CCl_4$) prowadzi do szybkiego odbarwienia tych roztworów w wyniku dodania cząsteczki halogenu do alkenu i powstania dihalogenowych alkanów:
$CH_2=CH_2+Br_2 → CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-(CH)↙(propen)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-bromopropen)-CH_3$
Tej reakcji podlega Reguła Markownikowa:
Kiedy halogenowodór jest dodawany do alkenu, wodór jest przyłączany do bardziej uwodornionego atomu węgla, tj. atom, przy którym jest więcej atomów wodoru, a halogen - do mniej uwodornionego.
Hydratacja alkenów prowadzi do powstania alkoholi. Na przykład dodanie wody do etenu leży u podstaw jednej z przemysłowych metod produkcji alkoholu etylowego:
$(CH_2)↙(eten)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(etanol)$
Należy zauważyć, że pierwszorzędowy alkohol (z grupą hydroksylową przy pierwszorzędowym węglu) powstaje tylko wtedy, gdy eten jest uwodniony. Kiedy propen lub inne alkeny są uwodnione, tworzą się drugorzędowe alkohole.
Ta reakcja również przebiega zgodnie z regułą Markownikowa - kation wodoru jest przyłączony do bardziej uwodornionego atomu węgla, a grupa hydroksylowa do mniej uwodornionego.
5. Polimeryzacja. Szczególnym przypadkiem dodawania jest reakcja polimeryzacji alkenów:
$nCH_2(=)↙(eten)CH_2(→)↖(światło UV,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(polietylen)...)_n$
Ta reakcja addycji przebiega według mechanizmu wolnorodnikowego.
6. Reakcja utleniania.
Jak każdy związek organiczny, alkeny spalają się w tlenie, tworząc $CO_2$ i $H_2O$:
$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.
Ogólnie:
$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$
W przeciwieństwie do alkanów, które są odporne na utlenianie w roztworach, alkeny łatwo ulegają utlenieniu pod wpływem działania roztworów nadmanganianu potasu. W roztworach obojętnych lub zasadowych alkeny utleniają się do dioli (alkoholi dwuwodorotlenowych), a grupy hydroksylowe przyłączają się do tych atomów, między którymi przed utlenieniem istniało wiązanie podwójne:
Alkadieny (węglowodory dienowe)
Alkadieny to acykliczne węglowodory zawierające w cząsteczce oprócz wiązań pojedynczych dwa wiązania podwójne między atomami węgla i odpowiadające wzorowi ogólnemu $C_(n)H_(2n-2)$.
W zależności od wzajemnego ułożenia wiązań podwójnych wyróżnia się trzy rodzaje dienów:
- alkadieny z skumulowane układ wiązań podwójnych:
- alkadieny z skoniugowany podwójne wiązania;
$CH_2=CH—CH=CH_2$;
- alkadieny z odosobniony podwójne wiązania
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Wszystkie trzy rodzaje alkadienów znacznie różnią się od siebie budową i właściwościami. Centralny atom węgla (atom, który tworzy dwa wiązania podwójne) w alkadienach z skumulowanymi wiązaniami jest w stanie hybrydyzacji $sp$. Tworzy dwa wiązania $σ$ leżące na tej samej prostej i skierowane w przeciwnych kierunkach oraz dwa wiązania $π$ leżące w płaszczyznach prostopadłych. Wiązania $π$ powstają z powodu niezhybrydyzowanych orbitali p każdego atomu węgla. Właściwości alkadienów z izolowanymi podwójnymi wiązaniami są bardzo specyficzne, ponieważ sprzężone wiązania $π$ istotnie wpływają na siebie.
p-orbitale tworzące sprzężone wiązania $π$ tworzą praktycznie jeden system (nazywa się to $π$-system), ponieważ p-orbitale sąsiednich wiązań $π$ częściowo się pokrywają.
Izomeria i nomenklatura
Alkadieny charakteryzują się zarówno izomerią strukturalną, jak i cis- i trans-izomerią.
Izomeria strukturalna.
— izomeria szkieletu węglowego:
— izomeria położenia wiązań wielokrotnych:
$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(butadien-1,2)$
cis-, trans- izomeria (przestrzenna i geometryczna)
Na przykład:
Alkadieny są związkami izomerycznymi klas alkinów i cykloalkenów.
Tworząc nazwę alkadienu, podaje się liczbę wiązań podwójnych. Główny łańcuch musi koniecznie zawierać dwa wiązania wielokrotne.
Na przykład:
Właściwości fizyczne i chemiczne alkadienów
właściwości fizyczne.
W normalnych warunkach propandien-1,2, butadien-1,3 są gazami, 2-metylobutadien-1,3 jest lotną cieczą. Alkadieny z izolowanymi wiązaniami podwójnymi (najprostszym z nich jest pentadien-1,4) są cieczami. Wyższe dieny są ciałami stałymi.
Właściwości chemiczne.
Właściwości chemiczne alkadienów z izolowanymi podwójnymi wiązaniami niewiele różnią się od właściwości alkenów. Alkadieny z wiązaniami sprzężonymi mają pewne szczególne cechy.
1. Reakcje addycji. Alkadieny mogą dodawać wodór, halogeny i halogenowodory.
Cechą addycji do alkadienów z wiązaniami sprzężonymi jest zdolność przyłączania cząsteczek zarówno w pozycjach 1 i 2, jak i w pozycjach 1 i 4.
Stosunek produktów zależy od warunków i sposobu prowadzenia odpowiednich reakcji.
2.reakcja polimeryzacji. Najważniejszą właściwością dienów jest zdolność do polimeryzacji pod wpływem kationów lub wolnych rodników. Polimeryzacja tych związków jest podstawą kauczuków syntetycznych:
$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"syntetyczny kauczuk butadienowy")$ .
Polimeryzacja sprzężonych dienów przebiega jako addycja 1,4.
W tym przypadku podwójne wiązanie okazuje się być centralne w łączeniu, a wiązanie elementarne z kolei może przyjmować oba cis-, oraz trans- konfiguracja.
alkiny
Alkiny to acykliczne węglowodory zawierające w cząsteczce, oprócz wiązań pojedynczych, jedno wiązanie potrójne między atomami węgla i odpowiadające wzorowi ogólnemu $C_(n)H_(2n-2)$.
Homologiczne serie etyny
Nierozgałęzione alkiny tworzą homologiczną serię etynu (acetylenu):
$C_2H_2$ - etyn, $C_3H_4$ - propylen, $C_4H_6$ - butyn, $C_5H_8$ - pentyna, $C_6H_(10)$ - heksyna, itd.
Izomeria i nomenklatura
Dla alkinów, podobnie jak dla alkenów, charakterystyczna jest izomeria strukturalna: izomeria szkieletu węglowego i izomeria położenia wiązania wielokrotnego. Najprostszym alkinem, który charakteryzuje się strukturalnymi izomerami pozycji wiązań wielokrotnych klasy alkinów, jest butyn:
$CH_3—(CH_2)↙(butyn-1)—C≡CH$ $CH_3—(C≡C)↙(butyn-2)—CH_3$
Możliwa jest izomeria szkieletu węglowego w alkinach, zaczynając od pentyn:
Ponieważ potrójne wiązanie zakłada liniową strukturę łańcucha węglowego, geometryczne ( cis-, trans-) izomeria nie jest możliwa dla alkinów.
Obecność potrójnego wiązania w cząsteczkach węglowodorów tej klasy odzwierciedla przyrostek -w, a jego pozycja w łańcuchu - liczba atomów węgla.
Na przykład:
Alkiny to związki izomeryczne niektórych innych klas. Tak więc heksyna (alkin), heksadien (alkadien) i cykloheksen (cykloalken) mają wzór chemiczny $С_6Н_(10)$:
Właściwości fizyczne i chemiczne alkinów
właściwości fizyczne. Temperatury wrzenia i topnienia alkinów, a także alkenów, naturalnie rosną wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej związków.
Alkiny mają specyficzny zapach. Są lepiej rozpuszczalne w wodzie niż alkany i alkeny.
Właściwości chemiczne.
Reakcje addycji. Alkiny są związkami nienasyconymi i wchodzą w reakcje addycji. Zasadniczo są to reakcje. dodatek elektrofilowy.
1. Halogenacja (dodanie cząsteczki halogenu). Alkin jest w stanie przyłączyć dwie cząsteczki halogenu (chlor, brom):
$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-dibromoetan),$
$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-tetrabromoetan)$
2. Hydrohalogenacja (dodatek halogenowodoru). Reakcja addycji halogenowodoru, przebiegająca zgodnie z mechanizmem elektrofilowym, również przebiega dwuetapowo i na obu etapach spełniona jest reguła Markownikowa:
$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-bromopropen),$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-dibromopropan)$
3. Nawodnienie (dodatek wody). Duże znaczenie dla przemysłowej syntezy ketonów i aldehydów ma reakcja addycji wody (hydratacja), która jest tzw Reakcja Kucherova:
4. uwodornienie alkinów. Alkiny dodają wodór w obecności katalizatorów metalicznych ($Pt, Pd, Ni$):
$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$
Ponieważ wiązanie potrójne zawiera dwa reaktywne wiązania $π$, alkany dodają wodór etapami:
1) trimeryzacja.
Kiedy etyn przepuszcza się przez węgiel aktywny, powstaje mieszanina produktów, z których jednym jest benzen:
2) dimeryzacja.
Oprócz trimeryzacji acetylenu możliwa jest również jego dimeryzacja. Pod działaniem jednowartościowych soli miedzi powstaje winyloacetylen:
$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"buten-1-yn-3(winyloacetylen)")$
Ta substancja służy do produkcji chloroprenu:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(chloropren)=CH_2$
którego polimeryzacja daje kauczuk chloroprenowy:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Utlenianie alkinów.
Etyna (acetylen) spala się w tlenie z wydzieleniem bardzo dużej ilości ciepła:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Reakcja ta polega na działaniu palnika acetylenowo-tlenowego, którego płomień ma bardzo wysoką temperaturę (ponad 3000°C), co umożliwia jego użycie do cięcia i spawania metali.
W powietrzu acetylen pali się dymiącym płomieniem, ponieważ. zawartość węgla w jego cząsteczce jest wyższa niż w cząsteczkach etanu i etenu.
Alkiny, podobnie jak alkeny, odbarwiają zakwaszone roztwory nadmanganianu potasu; w tym przypadku następuje zniszczenie wiązania wielokrotnego.
Mechanizmy reakcji jonowych (reguła V.V. Markownikowa) i rodnikowych w chemii organicznej
Rodzaje reakcji chemicznych w chemii organicznej
Reakcje substancji organicznych można formalnie podzielić na cztery główne typy: substytucja, addycja, eliminacja (eliminacja) i przegrupowanie (izomeryzacja). Oczywiście całej różnorodności reakcji związków organicznych nie da się sprowadzić do proponowanej klasyfikacji (na przykład reakcje spalania). Jednak taka klasyfikacja pomoże ustalić analogie z reakcjami zachodzącymi między substancjami nieorganicznymi znanymi Ci już z toku chemii nieorganicznej.
Z reguły główny związek organiczny biorący udział w reakcji nazywany jest substratem, a drugi składnik reakcji warunkowo uważany jest za odczynnik.
Reakcje podstawienia
Reakcje, które powodują zastąpienie jednego atomu lub grupy atomów w pierwotnej cząsteczce (substracie) innymi atomami lub grupami atomów, nazywane są reakcjami podstawienia.
W reakcjach podstawienia biorą udział związki nasycone i aromatyczne, takie jak alkany, cykloalkany czy areny.
Podajmy przykłady takich reakcji.
Pod wpływem światła atomy wodoru w cząsteczce metanu można zastąpić atomami halogenu, na przykład atomami chloru:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Innym przykładem zastąpienia wodoru halogenem jest konwersja benzenu do bromobenzenu:
Równanie tej reakcji można zapisać inaczej:
Przy tej formie zapisu odczynniki, katalizator, warunki reakcji są zapisane nad strzałką, a nieorganiczne produkty reakcji poniżej.
Reakcje addycji
Reakcje, w wyniku których dwie lub więcej cząsteczek reagentów łączą się w jedną, nazywane są reakcjami addycji.
Związki nienasycone, takie jak alkeny lub alkiny, wchodzą w reakcje addycji.
W zależności od tego, która cząsteczka działa jako odczynnik, wyróżnia się uwodornienie (lub redukcję), halogenowanie, hydrohalogenację, hydratację i inne reakcje addycji. Każdy z nich wymaga określonych warunków.
1. uwodornienie- reakcja przyłączenia cząsteczki wodoru do wiązania wielokrotnego:
$CH_3(-CH=)↙(\text"propen")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"propan")-CH_3$
2.Hydrohalogenacja— reakcja addycji halogenowodoru (chlorowodorowanie):
$(CH_2=)↙(\text"eten")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"chloroetan")-Cl$
3.halogenowanie- reakcja addycji halogenu:
$(CH_2=)↙(\text"eten")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1,2-dichloroetan")$
4. Polimeryzacja- specjalny rodzaj reakcji addycji, podczas których cząsteczki substancji o małej masie cząsteczkowej łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki substancji o bardzo dużej masie cząsteczkowej - makrocząsteczki.
Reakcje polimeryzacji to procesy łączenia wielu cząsteczek substancji o małej masie cząsteczkowej (monomeru) w duże cząsteczki (makrocząsteczki) polimeru.
Przykładem reakcji polimeryzacji jest wytwarzanie polietylenu z etylenu (etenu) pod działaniem promieniowania ultrafioletowego i rodnikowego inicjatora polimeryzacji $R:$
$(nCH_2=)↙(\text"eten")CH_2(→)↖(\text"Światło UV,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" polietylen ")$
Wiązanie kowalencyjne najbardziej charakterystyczne dla związków organicznych powstaje, gdy orbitale atomowe zachodzą na siebie i tworzą się wspólne pary elektronów. W wyniku tego powstaje orbital wspólny dla dwóch atomów, na którym znajduje się wspólna para elektronów. Gdy wiązanie zostanie zerwane, los tych wspólnych elektronów może być inny.
Rodzaje cząstek reaktywnych w chemii organicznej
Orbital z niesparowanym elektronem należącym do jednego atomu może nakładać się na orbital innego atomu, który również zawiera niesparowany elektron. Powoduje to utworzenie wiązania kowalencyjnego mechanizm wymiany:
$H + H→H:H,$ lub $H-H$
mechanizm wymiany Tworzenie wiązania kowalencyjnego jest realizowane, gdy wspólna para elektronów jest utworzona z niesparowanych elektronów należących do różnych atomów.
Procesem przeciwnym do tworzenia wiązania kowalencyjnego przez mechanizm wymiany jest zerwanie wiązania, w którym jeden elektron trafia do każdego atomu. W rezultacie powstają dwie nienaładowane cząstki z niesparowanymi elektronami:
Cząsteczki takie nazywane są wolne rodniki.
wolne rodniki- atomy lub grupy atomów, które mają niesparowane elektrony.
Reakcje zachodzące pod działaniem i przy udziale wolnych rodników nazywane są reakcjami wolnorodnikowymi.
W chemii nieorganicznej są to reakcje oddziaływania wodoru z tlenem, halogenami, reakcje spalania. Należy pamiętać, że reakcje tego typu charakteryzują się dużą szybkością, wydzielaniem dużej ilości ciepła.
Wiązanie kowalencyjne może być również utworzone przez mechanizm donor-akceptor. Na jeden z orbitali atomu (lub anionu), na którym znajduje się nieudostępniona para elektronów, nakłada się niewypełniony orbital innego atomu (lub kationu), który ma niewypełniony orbital, i powstaje wiązanie kowalencyjne, np. :
$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"akceptujący")→(H-O-H)↙(\text"dawca")$
Zerwanie wiązania kowalencyjnego prowadzi do powstania cząstek naładowanych dodatnio i ujemnie; ponieważ w tym przypadku oba elektrony ze wspólnej pary elektronów pozostają przy jednym z atomów, drugi atom ma niewypełniony orbital:
$R:|R=R:^(-)+R^(+)$
Rozważ dysocjację elektrolityczną kwasów:
$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$
Łatwo można się domyślić, że cząsteczka posiadająca niewspólną parę elektronową $R:^(-)$, czyli jon naładowany ujemnie, będzie przyciągana do atomów naładowanych dodatnio lub do atomów, na których występuje przynajmniej częściowy lub efektywny ładunek dodatni. Cząstki o niewspółdzielonych parach elektronowych to tzw czynniki nukleofilowe (jądro- jądro, dodatnio naładowana część atomu), czyli „przyjaciele” jądra, ładunek dodatni.
Nukleofile ($Nu$)- aniony lub cząsteczki, które mają samotną parę elektronów, które oddziałują z częściami cząsteczek, na których skoncentrowany jest efektywny ładunek dodatni.
Przykłady nukleofili: $Cl^(-)$ (jon chlorkowy), $OH^(-)$ (anion wodorotlenkowy), $CH_3O^(-)$ (anion metanolanowy), $CH_3COO^(-)$ (anion octanowy ).
Przeciwnie, cząstki, które mają niewypełniony orbital, będą miały tendencję do wypełniania go i dlatego będą przyciągane do obszarów cząsteczek, które mają zwiększoną gęstość elektronów, ładunek ujemny i nieudostępnioną parę elektronów. Są to elektrofile, „przyjaciele” elektronu, ładunek ujemny lub cząstki o zwiększonej gęstości elektronowej.
elektrofile- kationy lub cząsteczki, które mają niewypełniony orbital elektronowy, dążący do wypełnienia go elektronami, ponieważ prowadzi to do korzystniejszej konfiguracji elektronowej atomu.
Przykłady elektrofilów: $NO_2$ (grupa nitrowa), -$COOH$ (karboksyl), -$CN$ (grupa nitrylowa), -$COH$ (grupa aldehydowa).
Nie każda cząstka z pustym orbitalem jest elektrofilem. Na przykład kationy metali alkalicznych mają konfigurację gazów obojętnych i nie mają tendencji do pozyskiwania elektronów, ponieważ mają niskie powinowactwo elektronowe. Z tego możemy wywnioskować, że pomimo obecności niewypełnionego orbitalu takie cząstki nie będą elektrofilami.
Główne mechanizmy reakcji
Zidentyfikowaliśmy trzy główne rodzaje reagujących cząstek - wolne rodniki, elektrofile, nukleofile - oraz odpowiadające im trzy typy mechanizmów reakcji:
- wolne rodniki;
- elektrofilowy;
- nukleofilowe.
Oprócz klasyfikacji reakcji według rodzaju reagujących cząstek, chemia organiczna wyróżnia cztery rodzaje reakcji zgodnie z zasadą zmiany składu cząsteczek: dodawanie, podstawienie, eliminacja lub eliminacja (z łac. eliminacja- usuń, oddziel) i przegrupuj. Ponieważ addycja i substytucja mogą zachodzić pod działaniem wszystkich trzech rodzajów reaktywnych form, można wyróżnić kilka głównych mechanizmów reakcji.
1.Podstawienie wolnych rodników:
$(CH_4)↙(\text"metan")+Br_2(→)↖(\text"Światło UV")(CH_3Br)↙(\text"bromometan")+HBr$
2. Dodatek wolnych rodników:
$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"Światło UV,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Substytucja elektrofilowa:
4. Połączenie elektrofilowe:
$CH_3-(CH=)↙(\text"propen")CH_2+HBr(→)↖(\text"roztwór")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-bromopropan")$
$CH_3(-C≡)↙(\text"propyn")CH+Cl_2(→)↖(\text"roztwór")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-dichloropropen")$
5. Addycja nukleofilowa:
Ponadto rozważymy reakcje rozszczepienia lub eliminacji zachodzące pod wpływem cząstek nukleofilowych - zasad.
6. Eliminacja:
$CH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"roztwór alkoholu")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
Reguła VV Markownikowa
Charakterystyczną cechą alkenów (węglowodorów nienasyconych) jest zdolność do wchodzenia w reakcje addycji. Większość z tych reakcji przebiega według mechanizmu dodatek elektrofilowy.
Hydrohalogenacja (dodatek halogenowodoru):
$CH_3(-CH-)↙(\text"propen")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-bromopropan")$
Tej reakcji podlega Reguła VV Markownikowa: gdy halogenowodór dodaje się do alkenu, wodór dodaje się do bardziej uwodornionego atomu węgla, tj. atom, przy którym jest więcej atomów wodoru, a halogen - do mniej uwodornionego.
Węglowodory, w cząsteczkach których atomy są połączone pojedynczymi wiązaniami i które odpowiadają ogólnemu wzorowi C n H 2 n +2.
W cząsteczkach alkanów wszystkie atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp 3. Oznacza to, że wszystkie cztery orbitale hybrydowe atomu węgla mają identyczny kształt, energię i są skierowane w rogi trójkątnej piramidy równobocznej - czworościanu. Kąty między orbitalami wynoszą 109° 28'.
Możliwa jest prawie swobodna rotacja wokół pojedynczego wiązania węgiel-węgiel, a cząsteczki alkanów mogą przybierać różnorodne kształty z kątami przy atomach węgla zbliżonymi do czworościennych (109 ° 28 ′), na przykład w cząsteczce n-pentan.
Szczególnie warto przypomnieć wiązania w cząsteczkach alkanów. Wszystkie wiązania w cząsteczkach węglowodorów nasyconych są pojedyncze. Nakładanie się występuje wzdłuż osi,
łączące jądra atomów, czyli są to wiązania σ. Wiązania węgiel-węgiel są niespolaryzowane i słabo polaryzowalne. Długość wiązania C-C w alkanach wynosi 0,154 nm (1,54 · 10 - 10 m). Wiązania C-H są nieco krótsze. Gęstość elektronów jest nieco przesunięta w kierunku bardziej elektroujemnego atomu węgla, tj. wiązanie CH jest słabo polarne.
Brak wiązań polarnych w cząsteczkach węglowodorów nasyconych prowadzi do tego, że są one słabo rozpuszczalne w wodzie i nie oddziałują z naładowanymi cząstkami (jonami). Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje z udziałem wolnych rodników.
Szereg homologiczny metanu
homologi- substancje o podobnej strukturze i właściwościach, różniące się jedną lub więcej grupami CH2.
Izomeria i nomenklatura
Alkany charakteryzują się tzw. izomerią strukturalną. Izomery strukturalne różnią się między sobą budową szkieletu węglowego. Najprostszym alkanem, który charakteryzuje się izomerami strukturalnymi, jest butan. 
Podstawy nazewnictwa
1. Wybór obwodu głównego. Tworzenie nazwy węglowodoru rozpoczyna się od określenia głównego łańcucha - najdłuższego łańcucha atomów węgla w cząsteczce, który jest niejako jego podstawą.
2. Numeracja atomów łańcucha głównego. Atomy łańcucha głównego mają przypisane numery. Numeracja atomów łańcucha głównego rozpoczyna się od końca najbliższego podstawnikowi (struktury A, B). Jeżeli podstawniki znajdują się w równej odległości od końca łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, na którym jest ich więcej (struktura B). Jeżeli różne podstawniki znajdują się w równej odległości od końców łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, do którego starszy jest bliższy (struktura G). Starszeństwo podstawników węglowodorowych zależy od kolejności, w jakiej następuje ich nazwa w alfabecie: metyl (-CH 3), następnie etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) itd.
Zwróć uwagę, że nazwa zamiennika jest tworzona przez zastąpienie przyrostka -an przyrostkiem - muł w imieniu odpowiedniego alkanu.
3. Tworzenie nazw. Liczby są wskazane na początku nazwy - liczby atomów węgla, przy których znajdują się podstawniki. Jeśli przy danym atomie występuje kilka podstawników, to odpowiednia liczba w nazwie powtarza się dwukrotnie oddzielona przecinkiem (2,2-). Po liczbie myślnik wskazuje liczbę podstawników ( di- dwa, trzy- trzy, tetra- cztery, penta- pięć) i nazwę podstawnika (metyl, etyl, propyl). Następnie bez spacji i myślników - nazwa głównego łańcucha. Główny łańcuch jest określany jako węglowodór - członek serii homologicznej do metanu ( metan CH 4, etan C2H6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C5H12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dziekan C10H22).
Właściwości fizyczne alkanów
Pierwsi czterej przedstawiciele serii homologicznej metanu to gazy. Najprostszym z nich jest metan - gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu (zapach „gazu”, mając filc, który trzeba nazwać 04, określa zapach merkaptanów - związków zawierających siarkę, specjalnie dodawanych do metanu stosowanego w domowych i przemysłowych urządzeń gazowych, aby osoby znajdujące się w ich pobliżu mogły wyczuć wyciek).
Węglowodory o składzie od C 4 H 12 do C 15 H 32 - ciecze; cięższe węglowodory są ciałami stałymi. Temperatury wrzenia i topnienia alkanów stopniowo rosną wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory są słabo rozpuszczalne w wodzie; ciekłe węglowodory są powszechnymi rozpuszczalnikami organicznymi.
Właściwości chemiczne alkanów
reakcje podstawienia.
Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje podstawienia wolnorodnikowego, podczas których atom wodoru jest zastępowany atomem halogenu lub jakąś grupą. Przedstawmy równania reakcji charakterystycznych halogenowanie: 
W przypadku nadmiaru halogenu chlorowanie może iść dalej, aż do całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru chlorem: 
Otrzymane substancje są szeroko stosowane jako rozpuszczalniki i materiały wyjściowe w syntezie organicznej.
Reakcja odwodornienia(odszczepienie wodoru).
Podczas przejścia alkanów przez katalizator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) w wysokiej temperaturze (400-600 ° C) cząsteczka wodoru zostaje odszczepiona i powstaje alken:
Reakcje, którym towarzyszy zniszczenie łańcucha węglowego.
Wszystkie węglowodory nasycone spalają się z wytworzeniem dwutlenku węgla i wody. Węglowodory gazowe zmieszane z powietrzem w określonych proporcjach mogą eksplodować.
1. Spalanie węglowodorów nasyconych jest wolnorodnikową reakcją egzotermiczną, co jest bardzo ważne przy stosowaniu alkanów jako paliwa:
Ogólnie reakcję spalania alkanów można zapisać w następujący sposób:
2. Rozszczepianie termiczne węglowodorów.
Proces przebiega zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym. Wzrost temperatury prowadzi do homolitycznego zerwania wiązania węgiel-węgiel i powstania wolnych rodników.
Te rodniki oddziałują ze sobą, wymieniając atom wodoru, tworząc cząsteczkę alkanu i cząsteczkę alkenu:
Reakcje rozszczepienia termicznego leżą u podstaw procesu przemysłowego - krakingu węglowodorów. Proces ten jest najważniejszym etapem rafinacji ropy naftowej.
3. Piroliza. Po podgrzaniu metanu do temperatury 1000 ° C rozpoczyna się piroliza metanu - rozkład na proste substancje: 
Po podgrzaniu do temperatury 1500 ° C możliwe jest tworzenie acetylenu:
4. izomeryzacja. Gdy węglowodory liniowe są ogrzewane katalizatorem izomeryzacji (chlorek glinu), powstają substancje o rozgałęzionym szkielecie węglowym: 
5. Aromatyzacja. Alkany z sześcioma lub więcej atomami węgla w łańcuchu w obecności katalizatora cyklizują do benzenu i jego pochodnych: 
Alkany wchodzą w reakcje przebiegające zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym, ponieważ wszystkie atomy węgla w cząsteczkach alkanów są w stanie hybrydyzacji sp 3. Cząsteczki tych substancji zbudowane są z kowalencyjnych niepolarnych wiązań C-C (węgiel - węgiel) oraz słabo polarnych wiązań C-H (węgiel - wodór). Nie posiadają obszarów o dużej i małej gęstości elektronowej, wiązań łatwo polaryzowalnych, czyli takich, w których gęstość elektronowa może ulec przesunięciu pod wpływem czynników zewnętrznych (pola elektrostatyczne jonów). W konsekwencji alkany nie będą reagować z naładowanymi cząstkami, ponieważ wiązania w cząsteczkach alkanów nie są rozrywane przez mechanizm heterolityczny. 
