Основные свойства органических веществ

1

Основные свойства органических веществ

Углеводороды – органические соединения, в состав которых входят

только два элемента: углерод и водород.

Например: CH4, C2H6, C3H6, C6H6, C8H10 и т.п.  В общем виде – СxHy

Углеводороды имеют важное научное и практическое значение. Во-

первых, представления о строении и свойствах этих веществ служат

основой для изучения органических соединений других классов, т.к.

молекулы любых органических веществ содержат углеводородные

фрагменты. Во-вторых, знание свойств углеводородов позволяет по-

нять исключительную ценность этих соединений как исходного сырья

для синтеза самых разнообразных органических веществ, широко ис-

пользуемых человеком.

Углеводороды содержатся в земной коре в составе нефти, каменного

и бурого углей, природного и попутного газов, сланцев и торфа. Запа-

сы этих полезных ископаемых на Земле не безграничны. Однако до

настоящего времени они расходуются главным образом в качестве

топлива (двигатели внутреннего сгорания, тепловые электростанции,

котельные) и лишь незначительная часть используется как сырье в

химической промышленности. Так, до 85% всей добываемой нефти

идет на получение горюче-смазочных материалов и лишь около 15%

применяется как химическое сырье. Поэтому важнейшей задачей явля-

ется поиск и разработка альтернативных источников энергии, которые

позволят более рационально использовать углеводородное сырье. 

Алканы, имея общую формулу СnH2n+2, представляют собой ряд род-

ственных соединений с однотипной структурой, в котором каждый

последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу 26

атомов (-CH2-). Такая последовательность соединений называется го-

мологическим рядом (от греч. homolog - сходный), отдельные члены

этого ряда – гомологами, а группа атомов, на которую различаются

соседние гомологи, – гомологической разностью.

Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз

к предыдущей цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшие-

ся валентности до 4-х атомами водорода. Другой вариант – добавление

в цепь группы -СН2-:

CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (со-

держит 1 атом C);

CH3-CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);

CH3-CH2-CH3  – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);

CH3-CH2-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – бутан (4 атома С).

Суффикс -ан является характерным для названия всех алка-

нов.(рис.1) Начиная с пятого гомолога, название алкана образуется из

греческого числительного, указывающего число атомов углерода в

молекуле, и суффикса -ан: пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16,

октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.

Гомологи отличаются молекулярной массой, и следовательно, фи-

зическими характеристиками. С увеличением числа углеродных ато-

мов в молекуле алкана (с ростом молекулярной массы) в гомологиче-

ском ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств

гомологов (переход количества в качество): повышаются температуры

кипения и плавления, увеличивается плотность. Алканы от СН4 до

С4Н10– газы, от С5Н12 до С17Н36 – жидкости, далее – твердые вещества. 

Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические

связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами. По-

этому, зная химические свойства одного из членов гомологического

ряда, можно предсказать химическое поведение и других членов этого

ряда. 

Для получения гомологов используются общие методы синтеза.

Алканы выделяют из природных источников (природный и попут-

ный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические

методы. Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соеди-

нениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул

высших алканов получается очень ценное сырье для органического

синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др. 

Гидрирование непредельных углеводородов:

Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и

давлении, катализатор Ni):

Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов: 

Реакция Вюpца: синтез более сложных алканов из галогенопроиз-28

водных с меньшим числом атомов углеpода:

Из солей карбоновых кислот сплавление со щелочью (реакция Дю-

ма) 

Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

Химические свойства алканов

Реакции замещения. В молекулах алканов связи C-Н пространст-

венно более доступны для атаки другими частицами, чем менее проч-

ные связи C-C. В определенных условиях происходит разрыв именно

С-Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы

или группы атомов.

Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более

атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции на-

зывают галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция

алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании. 

Хлорирование метана: СН4 + Cl2 → СН3Cl + HCl            (свет, УФ)

                                                                                    хлорметан        хлороводород     

При хлорировании или бромировании алкана с вторичными или

третичными атомами углерода легче всего идет замещение водорода у

третичного атома, труднее у вторичного и еще труднее у первичного.

Это объясняется большей устойчивостью третичных и вторичных уг-

леводородных радикалов по сравнению с первичными вследствие де-

локализации неспаренного электрона. Поэтому, например, при броми-

ровании пропана основным продуктом реакции является 2-бром-

пропан: 

Алканы обесцвечивают раствор брома при нагревании, вступая в

реакцию радикального замещения. На алканы действует разбавленная

азотная кислота при нагревании и давлении. В результате происходит

замещение атома водорода на остаток азотной кислоты – нитрогруппу

NO2. Эту реакцию называют реакцией нитрования, а продукты реак-

ции – нитросоединениями.  29

При нитровании алканов также соблюдается порядок реакционной

способности С–Н-связей, характерный для реакций радикального за-

мещения: 

Дегидрирование алканов. При нагревании алканов в присутствии

катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет

разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних угле-

родных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом

углеродных атомов в молекуле:

При t = 1500°С происходит межмолекулярное дегидрирование ме-

тана по схеме: 

Эта реакция используется для промышленного получения ацетиле-

на.

Изомеризация алканов. Алканы нормального строения под влияни-

ем катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветв-

ленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции

изомеризации. В этих pреакциях участвуют алканы, молекулы которых

содержат не менее 4-х углеродных атомов.

Реакции окисления алканов.  В органической химии реакции окис-

ления и восстановления рассматриваются как реакции, связанные с

потерей и приобретением органическим соединением атомов водорода

и кислорода. Эти процессы, естественно, сопровождаются изменением

степеней окисления атомов. Окисление органического вещества – вве-30

дение в его состав кислорода и (или) отщепление водорода. Восста-

новление - обратный процесс (введение водорода и отщепление кисло-

рода). Учитывая состав алканов (СnH2n+2), можно сделать вывод о их

неспособности вступать в реакции восстановления, но возможности

участвовать в реакциях окисления. При обычной температуре алканы

не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7,

KMnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом

в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где уг-

лерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углево-

дородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается

выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция). 

Применение алканов. Предельные углеводороды находят широкое

применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности че-

ловека. 

Газообразные алканы (метан и пропан-бутановая смесь) использу-

ются в качестве ценного топлива. Жидкие углеводороды составляют

значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются

в качестве растворителей. Вазелиновое масло (смесь жидких углево-

дородов с числом атомов углерода до 15) – прозрачная жидкость без

запаха и вкуса, используется в медицине, парфюмерии и косметике.

Вазелин (смесь жидких и твердых предельных углеводородов с числом

углеродных атомов до 25) применяется для приготовления мазей, ис-

пользуемых в медицине. Парафин (смесь твеpдых алканов С19–С35) –

белая твердая масса без запаха и вкуса (tпл. = 50–70°C) – применяется

для изготовления свечей, пропитки спичек и упаковочной бумаги, для

тепловых процедур в медицине и т.д. Нормальные предельные углево-

дороды средней молекулярной массы используются как питательный

субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.  Большое зна-

чение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются

как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов. В

современной нефтехимической промышленности предельные углево-

дороды являются базой для получения разнообразных органических

соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов

для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, мою-

щих средств и многих других веществ.

Алкены, имеют общую формулу СnH2n По систематической но-

менклатуре названия алкенов производят от названий соответствую-31

щих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суф-

фикса –ан на –ен: 

2 атома С → этан → этен;

3 атома С → пропан → пропен и т.д. 

Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно

включала в себя двойную связь (т.е. она может быть не самой длин-

ной) Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной

связи конца цепи. Цифра, обозначающая положение двойной связи,

ставится обычно после суффикса –ен. Например:

Для простейших алкенов применяются также исторически сло-

жившиеся названия: этилен (этен), пропилен (пропен), бутилен (бутен-

1), изобутилен (2-метилпропен) и т.п. В номенклатуре различных клас-

сов органических соединений наиболее часто используются следую-

щие одновалентные радикалы алкенов:

Изомерия углеродного скелета (начиная с С4Н8):

Изомерия положения двойной связи (начиная с С4Н8): 32

Межклассовая изомерия с циклоалканами, начиная с С3Н6:

Пространственная изомерия алкенов. Вращение атомов вокруг

двойной связи невозможно без ее разрыва. Это обусловлено особенно-

стями строения π-связи (π-электронное облако сосредоточено над и

под плоскостью молекулы). Вследствие жесткой закрепленности ато-

мов поворотная изомерия относительно двойной связи не проявляется.

Но становится возможной цис-транс-изомерия. Алкены, имеющие у

каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные замес-

тители, могут существовать в виде двух пространственных изомеров,

отличающихся расположением заместителей относительно плоскости

π-связи.

Так, в молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут на-

ходиться либо по одну сторону от двойной связи в цис-изомере, либо

по разные стороны в транс-изомере. Цис-транс-изомерия не проявля-

ется, если хотя бы один из атомов С при двойной связи имеет 2 одина-

ковых заместителя. Например, бутен-1 СН2=СН–СН2–СН3 не имеет

цис- и транс-изомеров, т.к. 1-й атом С связан с двумя одинаковыми

атомами Н. Изомеры цис- и транс- отличаются не только физическими,

но и химическими свойствами, т.к. сближение или удаление частей

молекулы друг от друга в пространстве способствует или препятствует

химическому взаимодействию. 

Получение алкенов. В природе алкены встречаются в значительно

меньшей степени, чем предельные углеводороды, по-видимому, вслед-

ствие своей высокой реакционной способности. Поэтому их получают

с использованием различных реакций.

Крекинг алканов: 

Отщепление (элиминирование) двух атомов или групп атомов от

соседних атомов углерода с образованием между ними π-связи. 33

Дегидрогалогенирование галогеналканов при действии спиртового

раствора щелочи 

Дегидратация спиртов при повышенной температуре (выше 140° C)

в присутствии водоотнимающих реагентов 

Реакции элиминирования идут в соответствии с правилом Зайцева:

отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и де-

гидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизиро-

ванного атома углерода. Такие алкены обладают более низкой энерги-

ей.

Дегалогенирование дигалогеналканов, имеющих атомы галогена у

соседних атомов углерода, при действии активных металлов: 

Дегидрирование алканов при 500°С: 

Химические свойства алкенов

Реакции присоединения к алкенам идут по месту разрыва двойной

связи Алкены вступают в разнообразные реакции присоединения. 34

Присоединение галогенов по двойной связи С=С происходит легко

в обычных условиях (при комнатной температуре, без катализатора).

Например, быстрое обесцвечивание красно-бурой окраски раствора

брома в воде (бромной воды) служит качественной реакцией на нали-

чие двойной связи:

Еще легче происходит присоединение хлора:

Эти реакции протекают по механизму электрофильного присоеди-

нения с гетеролитическим разрывом связей в молекуле галогена.

Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов)

Реакция идет по механизму электрофильного присоединения с ге-