Применение и получение предельных углеводородов

Н₃С—  - первичный одновалентный радикал (метил);

(СН₃)₂СН—  - вторичный одновалентный радикал (изопропил);

(СН₃)₃С—  - третичный одновалентный радикал (mpem-бутил).

1.2. Номенклатура и изомерия

Номенклатура. Для  названия предельных углеводородов  применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

Названия первых четырех членов гомологического  ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).

Общее (родовое) название предельных углеводородов  — алканы. Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:

В формуле молекулы алкана выбирают главную цепь — самую длинную.

Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). Если заместителей несколько, то поступают  так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими. Заместители перечисляют по алфавиту.

3. Углеводород  называют в таком порядке: вначале  указывают (цифрой) место расположения  заместителя, затем называют этот заместитель (радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи. Таким образом, углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).

Если в главной  цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным, которое ставят перед названием этих заместителей. Приставки ди-, три-, тетра- и т.д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.

Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия: изобутан, изопентан, неопентад.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают  как производные простейшего  углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

Свою номенклатуру имеют и радикалы (углеводородные радикалы). Одновалентные радикалы называют алкилами и обозначают буквой R или Alk. Их общая формула C_nH_2n + 1. Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т.д.). Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение — радикал метилен ==СН₂). Трехвалентные радикалы имеют суффикс -илидин (исключение — радикал метин ººСН).

Изомерия.

Для алканов  характерен самый простой вид  изомерии — структурная изомерия.

В молекулах  метана, этана и пропана может  быть только один порядок соединения атомов.

Если в молекуле алкана содержится более трех углеродных атомов, то порядок их соединения может быть различным — появляется возможность изомерии. Например, для углеводорода С₄Н₁₀ возможны две структуры:

Один из этих изомеров (н-бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение). Таким образом, молекулы бутана и изобутана, имея одинаковый состав, различаются между собой химическим строением, т.е. они являются структурными изомерами. Изомеры обладают сходными химическими свойствами и различными — физическими.

Атомы углерода в алканах могут различаться  по характеру своего соединения с другими углеродными атомами. Атом углерода, связанный только с одним углеродным атомом, называется первичным, с двумя — вторичным, с тремя — третичным и, наконец, с четырьмя — четвертичным.

Здесь первичные  углеродные атомы обведены кружком, вторичный — квадратом, третичный — треугольником, четвертичный — пунктирным кружком.

Такое деление  имеет большое значение, так как  водородные атомы при первичном, вторичном и третичном углеродных атомах обладают различной реакционной  способностью.

В ряду радикалов мы также встречаемся с явлением изомерии (см. табл. 2). Причем число изомеров у радикалов значительно больше, чем у соответствующих им алканов. Например, пропан, как известно, изомеров не имеет, а радикал пропил имеет два изомера: н-пропил и изо-пропил:  

|

СН₃—СН₃—СН₂—  и Н₃С—СН—СН₃

Это связано  с тем, что свободная валентность  может находиться при разных углеродных атомах (вторичном и третичном).

1.3. Получение алканов

Для получения  алканов используют в основном природные  источники. Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы — из нефти. Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск (озокерит) — разновидность твердого природного битума.

Многие предельные углеводороды можно получать методом гидрирования углей:  

_{500 °С}

nC + 2nН₂ ®  С_nН_{2n + 2}  

^{оксиды  железа}

Так как при  этом из твердого угля образуется смесь  жидких продуктов, процесс называется сжижением угля.

С этой же целью  используют смесь оксида углерода и  водорода (синтез-газ) в присутствии катализатора (кобальта или никеля):   

_{200 °С}

nCО + (2n + 1)Н2 ®  С_nН_{2n + 2} + n Н2О  

  ^кат.

Образующиеся  алканы находят применение в качестве моторного топлива (синтетический  бензин — "синтин").

Для получения  алканов часто применяют лабораторные методы - органический синтез.

1. Гидрирование  этиленовых и ацетиленовых углеводородов  в присутствии катализатора (Pt, Pd, Ni): 

 Pt   Pt

H2C==CH2 + H2 ® H3C—CH3  H—CººC—H + 2H2 ® H3C—CH3  

этилен  этан  ацетилен  этан

2. Действие металлического натрия на галогенопроизводные алканов (галогеналкилы) — реакция французского химика А.Вюрца:

Н3С—I + 2Na + I—СН3 ® Н3С—СН3 + 2NaI

^{йодистый  метил}

Этот синтез служит для получения алканов  из однородных галогеналкилов. Если в  реакцию вводят два различных галогеналкила, то образуется не один продукт, а их смесь. Например:

Н3С—I + 2Na + I—С2Н5 ® Н3С—С2Н5 + 2NaI 

  ^пропан

Н5С2—I + 2Na + I—С2Н5 ® Н5С2—С2Н5 + 2NaI  

  ^бутан

3. Сплавление  солей карбоновых кислот со  щелочами:

Н3С—СOONa + NaOH ® СН4 + Na2CО3

4. Восстановление галогенопроизводных: 

 Pt

Н3С—С1 + Н2 ® CH4 + НС1

^{хлористый метил}

1.4. Физические и химические свойства

Физические свойства. Первые четыре члена гомологического  ряда метана — газообразные вещества, начиная с пентана — жидкости, а углеводороды с числом углеродных атомов 16 и выше — твердые вещества (при обычной температуре). Температура кипения алканов с разветвленной цепью ниже, чем соединений нормального строения (табл. 3).

Алканы —  неполярные соединения и трудно поляризуемые. Они легче воды и в ней практически не растворяются. Не растворяются также в других растворителях с высокой полярностью. Жидкие алканы — хорошие растворители для многих органических веществ.

Метан и этан, а также высшие алканы не имеют  запаха, но среди других легколетучих низших углеводородов встречаются соединения, обладающие слабым запахом.

Алканы —  горючие вещества. Метан горит  бесцветным пламенем.

Таблица 3. Физические свойства алканов