3.4 Характерные химические свойства углеводородов: алканов, циклоалканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов

Видеоурок 1: Алканы: Химические свойства



Видеоурок 2: Циклоалканы: Химические свойства



Видеоурок 3: Алкены: Химические свойства



Видеоурок 4: Алкадиены (диены): Химические свойства



Видеоурок 5: Алкины: Химические свойства



Лекция: Характерные химические свойства углеводородов: алканов, циклоалканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов

Химические свойства алканов и циклоалканов

Алканы - нециклические углеводороды. Атомы углерода в данных соединениях имеют sp3-гибридизацию. В молекулах данных углеводородах все атомы углерода связаны только одинарными неполярными и малополярными С—С связями. Перекрывание орбиталей происходит по оси, соединяющей ядра атомов. Это σ-связи. Данные органические соединения содержат максимальное число атомов водорода, поэтому их называют предельными (насыщенными). Из - за насыщенности, алканы не способны вступать в реакции присоединения. Поскольку атомы углерода и водорода имеют схожие электроотрицательности, данный фактор приводит к тому, что связи С-Н в их молекулах малополярны. Из - за этого, для алканов присущи реакции, проходящие с участием свободных радикалов.

1. Реакции замещения. Как было сказано, это наиболее характерные для алканов реакции. В таких реакциях происходит разрыв связей углерод-водород. Рассмотрим некоторые виды реакций замещения:

  • Галогенирование. Алканы реагируют с галогенами (хлором и бромом) при воздействии ультрафиолетового света или сильном нагревании. К примеру: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl. При избыточном содержании галогена реакция продолжается до образования смеси галогенпроизводных различной степени замещения атомов водорода: моно-, ди- три- и т.д. К примеру, реакция образования дихлорметана (хлористого метилена): CH3Cl + Cl2HCl + CH2Cl2.
  • Нитрование (реакция Коновалова). При нагревании и давлении алканы реагируют с разбавленной азотной кислотой. Впоследствии атом водорода замещается на нитрогруппу NO2 и образуется нитроалкан. Общий вид данной реакции: R-H + HO-NO2 → R-NO2 + H2O. Где R-H — алкан, R-NO2 — нитроалкан.
2. Реакции окисления. В обычных условиях алканы не реагируют с сильными окислителями (конц. серной и азотной кислотами, перманганатом калия КMnО4 и дихроматом калия К2Cr2О7). 

  • Для получения энергии широко применяются реакции горения алканов:  
а) При полном сгорании при избытке кислорода образуются углекислый газ и вода: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
б) Частичное сгорание при недостатке кислорода: CH4 + O→ C + 2H2O. Эта реакция используется в промышленности для получения сажи. 

  • Нагревание алканов с кислородом (~200оС) с использованием катализаторов приводит к разрыву части связей С–С и С–Н. В результате образуются альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. Например, при неполном окислении бутана получают уксусную кислоту: CH3—CH2-/-CH2—CH3 + 3O→ 2CH3СООН + 2Н2О.

  • Важное значение имеет реакция метана и водяного пара с образованием смеси газов оксида углерода (II) с водородом. Протекает при t 8000C: CH4 + Н2О → 3Н2 +СО. Данная реакция также позволяет получить различные углеводороды.

3. Термические превращения алканов. Нагревание алканов без доступа воздуха до высоких t приводит к разрыву связи С-С.  К данному типу реакций относятся крекинг и изомеризация, используемые для переработки нефти. Также к данным реакциям относится дегидрирование, необходимое для получения алкенов, алкадиенов и ароматических углеводородов.

  • Результатом крекинга становится разрыв углеродного скелета молекул алканов. Общий вид крекинга алканов при t 450-7000C: CnH2n+2 → Cn-kH2(n-k)+2 + CkH2k.  При нагревании до 10000С метан разлагается до простых веществ: CH4→ С + 2Н2Данная реакция называется пиролизом метана. При нагревании метана до 15000С образуется ацетилен: 2CH4→ C2H2 + 3Н2.

  • Изомеризация. Если при крекинге использовать катализатор хлорид алюминия алканы с нормальной цепью превращаются в алканы с разветвленной цепью:
 



  • Дегидрирование, т.е. отщепление водорода происходит в присутствии катализаторов и при t 400-6000С.  В результате связь С—Н разрывается, образуется алкен: CH3—CH3 → CH2=CH2 + H2 или алкадиен: CH3—CH2—CH2—CH3 → СН2=СН—СН=СН2 + 2H2.


Химические свойства циклоалканов с числом атомов углерода в циклах больше четырех практически схожи со свойствами алканов. Однако для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Это объясняется большим напряжением внутри цикла, которое приводит к стремлении циклов к разрыву и раскрытию. Так циклопропан и циклобутан легко присоединяют бром, водород или хлороводород. Например:






Химические свойства алкенов 

1. Реакции присоединения. Алкены - активные соединения, потому что двойная связь в их молекулах состоит из одной прочной сигма- и одной слабой пи-связи. В реакции присоединения алкены часто вступают даже на холоде, в водных растворах и органических растворителях. 

  • Гидрирование, т.е. присоединение водорода возможно в присутствии катализаторов: CH3—СН=СН2 + Н2 → CH3—СН2—СН3. Для дегидрирования алканов до алкенов применяются те же катализаторы. Но процесс дегидрирования будет проходить при более высокой t и меньшем давлении. 

  • Галогенирование. Легко возникают реакции алкенов с бромом в водном растворе и в органических растворителях. В результате желтые растворы брома теряют свою окраску, то есть обесцвечиваются: СН2=СН+ Br2 → CH2BrCH2Br

  • Гидрогалогенирование. Присоединение молекулы галогеноводорода к молекуле несимметричного алкена приводит к смеси двух изомеров. В отсутствие специфических условий присоединение происходит селективно, по правилу В.В. Марковникова. Существует следующая закономерность присоединения: водород присоединяется к тому атому углерода, у которого больше атомов водорода, а галоген — к атому углерода с меньшим числом атомов водорода: СН2=СН—СН3 + HBr → СН3—СНBr—СН3. Образовался 2-бромпропан.

  • Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Так как присоединение воды к молекуле алкена происходит согласно правилу Марковникова, образование первичного спирта возможно только при гидратации этилена: CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH.  

  • Полимеризация протекает по свободно-радикальному механизму: nCH2=CH→ (CH2CH2—)n. Образовался полиэтилен.

2. Реакции окисления. Алкены, как и все остальные углеводороды сгорают в кислороде. Уравнение горения алкенов в избытке кислорода имеет вид: CnH2n+2 + O2 → nCO2 + (n+1)H2O. Образовались углекислый газ и вода.

Алкены достаточно легко окисляются. При действии на алкены водного раствора KMnO4, происходит обесцвечивание.  

Окисление алкенов перманганатом калия в нейтральном или слабощелочном растворе образует диолы: C2H4 + 2KMnO4 + 2H2O → CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH (охлаждение). 

В кислой среде проходит полный разрыв двойной связи с последующим превращение атомов углерода, образовывавших двойную связь в карбоксильные группы: 5CH3CH=CHCH2CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 5CH3COOH + 5C2H5COOH + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 17H2O (нагревание). 

Когда двойная С=С связь располагается в конце молекулы алкена, в роли продукта окисления крайнего углеродного атома при двойной связи будет выступать углекислый газ. Данный процесс связан с тем, что промежуточный продукт окисления, а именно муравьиная кислота, достаточно просто окисляется в избытке окислителя: 5CH3CH=CH2 + 10KMnO4 + 15H2SO4 → 5CH3COOH + 5CO2 + 10MnSO4 + 5K2SO4 + 20H2O (нагревание). 

Химические свойства алкинов

Алкины - ненасыщенные углеводороды, вступающие в реакции присоединения.  

  • Галогенирование алкинов приводит к присоединению их молекул как к одной, так и двум молекулам галогена. Это объясняется наличием в тройной связи молекул алкинов одной прочной сигма-связи и двух непрочных пи-связей. Присоединение одной молекулой алкина двух молекул галогена протекает по электрофильному механизму последовательно, в две стадии. 













  • Гидрогалогенирование также протекает по электрофильному механизму и в две стадии. В обоих стадиях присоединение молекул галогеноводорода соответствует правилу Марковникова. 






  • Гидратация проходит с участием солей ртути в кислой среде и именуется реакцией Кучерова: 













  • Гидрирование (реакция с водородом) алкинов происходит в две фазы. В качестве катализаторов применяют такие металлы, как платина, палладий, никель. 










  • Тримеризация алкинов, к примеру ацетилена. Если пропустить данное вещество над активированным углем при высокой t образуется смесь различных продуктов, основным из которых является бензол:






  • Димеризация алкинов протекает в присутствии солей меди как катализаторов: HC≡CH + HC≡CHH2C=CHC≡CH

  • Окисление алкинов: СnH2n-2 + (3n+1)/2 O2 → nCO2 + (n+1)H2O

  • Алкины с тройной C≡C на конце молекулы взаимодействуют с основаниями. Например, реакция ацетилена с амидом натрия в жидком аммиаке: HC≡CH + NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3. Реакция с аммиачным раствором оксида серебра образует ацетилениды (нерастворимые солеподобные вещества). Данную реакцию проводят если необходимо распознать алкины с концевой тройной связью или выделить такой алкин из смеси с другими алкинами. Все ацетилениды серебра и меди являются взрывоопасными веществами. Ацетилениды способны реагировать с галогенпроизводными. Данная возможность используется для синтеза более сложных органических соединений с тройной связью: СН3-C≡CН + NaNН2 → СН3-C≡CNa + NН3; СН3-C≡CNa + CH3Br → СН3-C≡C-СН3 + NaBr.

Химические свойства диенов

По своим химическим свойствам алкадиены схожи с алкенами. Но есть некоторые особенности:  

  • Галогенирование. Алкадиены способны присоединяться с водородом, галогенами и галогеноводородами в положениях 1,2-присоединения: CH2=CH—CH=CH2 + Br2CH2=CH—CHBr—CH2Br
       а также 1,4-присоединения: CH2=CH—CH=CH2 + Br2BrCH2CH=CHCH2Br

  • Полимеризация: nCH2=CH-CH=CHt,Na→ (-CH2-CH=CH-CH2-)n. Так получают синтетический каучук.

Химические свойства ароматических углеводородов (аренов)

Молекула арены отличаются от молекул других углеводородов наличием ароматических колец:

Это уже знакомая вам структура бензола. Единая 6пи–электронная система аренов более устойчива, чем обычные пи-связи. Поэтому для них характерны реакции замещения, в которые они вступают по электрофильному механизму.


Рассмотрим химические свойства важнейшего ароматического соединения - бензола (С6Н6) и одного из его производных - толуола (C7H8):

Химические свойства бензола

1. Реакции замещения:

  • Галогенирование бензола приводит к замещению атома водорода на атом галогена:

















  • Нитрование. Лучше всего нитрование проходит под действием нитрующей смеси в составе азотной и концентрированной серной кислот. Механизм нитрования выглядит следующим образом:





На выходе образовался нитробензол (C6H5NO2).


  • Алкилирование приводит к замещению атома водорода на углеводородный радикал. В качестве катализаторов используют галогениды Al, FeIII или неорганические кислоты:














2. Реакции присоединения:

  • Гидрирование возможно при высоких температурах и в присутствии катализаторов:








  • Хлорирование протекает по радикальному механизму при интенсивном облучении ультрафиолетовым светом:   














3. Реакции окисления:

  • Горение: 6Н6 + 15О2 → 12СО2 + 6Н2О+Q. 
  • Бензольное кольцо устойчиво к действию таких окислителей как KMnO4 и K2Cr2O7. Реакция не идет. 


Рассмотрим химические свойства толуола - метилбензола, химическая формула которого C₇H₈







1. Реакции замещения (по электрофильному механизму):

Напомним, что электрофильные реакции протекают под действием частиц - электрофилов, имеющих незаполненную орбиталь. При составлении данного типа реакций помните, что алкильный заместитель бензола - метил СН3 имеет положительный индуктивный эффект, а значит является ориентантом I рода.

  • Галогенирование. Молекулу толуола можно рассматривать в качестве состоящей из фрагментов молекул бензола и метана. Свойства толуола должны сочетать свойства этих двух веществ, взятых по отдельности. В частности, именно это наблюдается при галогенировании: 







На выходе получили орто-бромтолуол и пара-бромтолуол.

  • Нитрование толуола смесью концентрированных азотной и серной кислот, приводит к продуктам замещения в ароматическом ядре, а не в метильном радикале. 














  • Алкилирование толуола:
















2. Реакции присоединения: 

  • Хлорирование толуола, в присутствии хлорида алюминия, приводит к образованию двух разных продуктов – орто- и пара-хлортолуола:








При хлорировании толуола в присутствии AlCl3 в избытке хлора образуется трихлорзамещенный толуол. Если хлорирование провести на свету при большем соотношении хлор/толуол можно получить дихлорметилбензол или трихлорметилбензол. 

  • Гидрирование до метилциклогексана при использовании металлических катализаторов (Pt, Pd, Ni):
     







  • Горение: С6Н5СН3 + 9O2 → 7СO2 + 4Н2O

  • При действии водного раствора перманганата калия окислению подвергается боковая цепь толуола, а не ароматическое ядро:
     




При этом в зависимости от pH раствора будет образовываться либо карбоновая кислота, либо ее соль.

Предыдущий урок
Следующий урок

Больше интересных статей:

  • 3.3 Классификация органических веществ. Номенклатура органических веществ (тривиальная и международная)
  • 2.3 Характерные химические свойства простых веществ неметаллов: водорода, галогенов, кислорода, серы, азота, фосфора, углерода, кремния
  • 2.2 Характерные химические свойства и получение простых веществ - металлов: щелочных, щелочноземельных, алюминия; переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа)
  • 2.1.3 «Просвещенный абсолютизм». Законодательное оформление сословного строя
  • 1.2.1 Возникновение государственности у восточных славян. Князья и дружина. Вечевые порядки. Принятие христианства
  • Оставить комментарий