Гомологический ряд алканов

Алканы (парафины) – линейные органические углеводороды, атомы которых соединены одинарными связями. Они служат топливом для машинных механизмов, а в микробиологической промышленности применяется с целью получения белков.

Формула алканов: .

Изомерия и гомологический ряд

Для алканов свойственны следующие виды изомерии.

1. Структурная (по углеродному скелету).
2. Пространственная:
   •  Конформационная (поворотная) – обусловлена возможностью поворота группировок относительно одинарной связи;
   •  Оптическая – следствие хиральности, т.е. недостатка симметрии относительно правой и левой стороны молекулы.

Гомологи алканов в соответствии с систематической номенклатурой называются по следующей схеме. 

1. Нахождение главной цепи. Для нее характерно наибольшее количество углеродных атомов.
2. Нумерация атомов. Она берет начало с конца, ближнего к заместителю. Если заместители равноудалены, то нумерация начинается со стороны старшего заместителя или оттуда, где их больше. Старшинство соответствует алфавитному порядку (бутил –C4H11 старше, чем пропил –C2H5).
3. Название. Сначала присваиваются порядковые номера углеродным атомам заместителей. Если при одном атоме не один заместитель, то номер повторяется несколько раз (например, 3,3-). После этого номера называется заместитель с приставкой. Затем указывается название главной цепи.

Первый представитель гомологического ряда алканов — метан. Его продолжают гомологи метана.  Ряд продолжается посредством добавления группы –СН2- к углеродной цепи.

Таблица гомологического ряда и номенклатура алканов

Электронное строение

Имеют форму тетраэдра. Следовательно, гибридные облака одинаковы. Углы между облаками — 109° 28’. Связи одинарны. Атомы углерода в алканах находятся в -гибридизации.

Связь «углерод-углерод» неполярна. Длина ее — 0,154 нм, а энергия – 350 КДж/моль. Данная связь довольно прочная, поэтому реакции проходят в жестких условиях.

Физические свойства

Температуры плавления и кипения зависит от длины молекулы. Чем больше главная цепь, тем температура выше. Первые пять алканов гомологического ряда находятся в газовом состоянии. Углеводороды, содержащие с 5 до 15 атомов, — жидкости. Последующие алканы – твердые.

Газоорбразные и твердые не имеют запаха, в отличие от жидкостей. Все парафины бесцветны и не растворимы в воде.

Способы получения

Алканы в природе находят в:

1. природном газе;
2. болотном газе;
3. рудничном газе;
4. горном воске.

Природные смеси трудно разделимы, поэтому есть синтетические метод.

1. Восстановление алкил-галогенидов. Реакция идет под действием катализатора.
2. Гидрирование. Реакция идет под действием катализатора (никеля, платины, палладия)
3. Гидролиз магний-органических соединений. Идет в присутствии серной кислоты.
4. Реакция Вюрца

Такая реакция сопровождается увеличением углеродной цепи в структурной формуле. Она часто используется для симметричных молекул, т.к. из нескольких исходных веществ получается смесь.

R-Cl + 2 Na + Cl-R’ → R-R’ + R-R + R’-R’ + 2 NaCl

1. Реакция Кольбе. Электролиз раствора солей и карбоновых кислот.
2. Синтез Фишера-Тропша. В промышленности из смеси угарного газа и водорода под воздействием температуры, катализатора и давления получают различные алканы.
3. Реакция Дюма. Декарбоксилирование – процесс отщепления молекулы углекислого газа из карбоксильной (-COOH) или карбоксилатной (-COOMe) группы.

Химические свойства

Алканы – это органические соединения, которым не свойственны реакции присоединения. Для этого класса характерны:

1. разложение,
2. замещение,
3. окисление.

Связь «углерод-водород» разрывается гомолитически, т.е. каждому оторвавшемуся атому достается по одному электрону. В процессе образуются радикалы.

Реакции замещения водорода

1. Галогенирование. Данный вид реакции проходит под действием света. Особенностью галогенирования является то, что замещение водорода происходит у наименее гидрированного углерода.
2. Нитрование. Эта реакция была открыта в 1888 году ученым Коноваловым. Она проводится с помощью азотной кислоты, концентрация которой 13-14 %, при температуре 140°С.

Позднее был разработан метод парофазного нитрования. В нем используется азотная кислота в парах при температуре 250°С.

Это интересно:

Общая формула циклоалканов

Окисление алкенов перманганатом калия

Реакции разложения

1. Дегидрирование и дегидроциклизация

Дегидрирование – процесс отщепления водорода. Идет в присутствии никеля, платины, железа.

В реакциях с соединениями из 2-4 атомов углерода рвутся связи «углерод-водород» и образуются углеводороды с кратными связями.

Алканы с пятью и более атомами углерода образуют цикл. Реакции происходят в присутствии платины.

Алканы с углеродной цепью из шести и более атомов образуют замкнутые циклы.

2. Пиролиз метана

Проводится при температуре до 1500°С. Нагревают долго и медленно.

Если нагревать быстро, то образуется ацетилен.

3. Крекинг

Это разложение молекулы на короткие алканы и алкены. Существуют:

• термический – проходит при нагревании без доступа воздуха;
• каталитический – протекает в присутствии катализаторов.

Реакции окисления алканов

Парафины – это малополярные соединения. Не окисляются в нормальных условиях.

1. Горение

Алканы под действием кислорода образуют углекислый газ и воду.

При недостатке кислорода:

2. Окисление под действием катализатора

Это один из способов синтеза уксусной кислоты, метанола или муравьиной кислоты в промышленных масштабах.

Изомеризация алканов

Под действием температуры и катализаторов из неразветвленных парафинов образуются изомеры алканов.

Газообразные алканы используют как топливо, а жидкие – в качестве растворителей. Вазелин – один из представителей твердых алканов. Он широко применяется в медицине.

Алканы в нормальных условиях инертны и их реакции протекают в жестких условиях. Из-за своей предельности им характерны реакции присоединения.  Им свойственен радикальный механизм. Алканы – это составная часть нефти, которая применяется во многих сферах. Поэтому парафины имеют большое значение в жизни человека.