Алканы: Часть 3

Видео

Конспект

Изомерия.

Для алканов характерна только структурная изомерия углеродного скелета. Общей формуле алканов C_{n}H_{2n+2} соответствуют только предельные насыщенные углеводороды, поэтому межклассовых изомеров у алканов нет (рис. 5). Пространственная изомерия (геометрическая и оптическая) для алканов не характерна.

5.jpeg Физические свойства.

В гомологическом ряду алканов по мере увеличения количества атомов углеродоа наблюдается закономерное изменение физических свойств: повышение температур кипения и плавления, увеличение плотности и переход в более твёрдое агрегатное состояние при нормальных условиях. Разветвленные алканы ввиду меньшей упорядоченности укладки молекул имеют меньшие температуры плавления и кипения в сравнении с неразветвленными. Основные представители алканов могут быть сгруппированы и описаны следующим образом:

C_1 – C_4 – газообразные вещества. Имеют низкие Т _{пл} и Т _{кип} ;

C_5 – C_{15} – жидкие вещества с характерным запахом;

C_16 – C_\infty – твердые воскообразные вещества, жирные на ощупь (парафины). Все алканы легче воды, не смешиваются с водой и не смачиваются. Таким образом, алканы могут быть отделены от воды и водных растворов на основании разности плотностей с помощью делительной воронки, что часто используется на практике в органическом синтезе (рис. 6).

6.jpeg Химические свойства.

Алканы устойчивы к окислению наиболее распространёнными окислителями ( KMnO_4 , K_{2}Cr_{2}O_{7} и др.) ввиду того, что не содержат в структуре слабых кратных связей. Для алканов характерны реакции замещения, в реакции присоединения алканы не вступают. Причем реакции замещения идут по радикальному механизму (с образованием промежуточных частиц – радикалов). Далее рассмотрим отдельные химические реакции:

Галогенирование алканов ( +Cl_2, +Br_2 ).

Условия генерирования радикалов:

облучение (hv);

добавление органических и неорганических перекисей ( H_{2}O_{2} , R_{2}O_{2} );

повышенные температуры (400-500 ^\circ C).

Фторирование алканов происходит слишком не селективно, а потому на практике не используется. Иодирование осуществляется слишком медленно. Галогенирование алканов идёт ступенчато и формула продукта, в первую очередь, определяется соотношением реагентов (рис. 7). Так в результате последовательного добавления молекул хлора к метану можно получить четыре разных галогенпроизводных: хлорметан, дихлорметан (хлористый метилен), трихлорметан (хлороформ) и тетрахлорметан (четыреххлористый углерод).

Галогенирование алканов идёт ступенчато и формула продукта, в первую очередь, определяется соотношением реагентов (рис. 7). Так в результате последовательного добавления молекул хлора к метану можно получить четыре разных галогенпроизводных: хлорметан, дихлорметан (хлористый метилен), трихлорметан (хлороформ) и тетрахлорметан (четыреххлористый углерод).

7.jpeg В процессе радикальных реакций происходит образование очень реакционноспособных частиц – радикалов. Рассмотрим механизм (т.е. последовательность элементарных стадий) реакции радикального хлорирования метана подробнее.

Механизм радикального хлорирования метана:

I. Зарождение цепи/инициирование.

Первоначально под действием внешних факторов происходит гомолитический разрыв связи в молекуле галогена, что приводит к образованию двух радикалов – частиц, имеющих один неспаренный электрон на внешнем электронном слое.

замена1 II. Рост/развитие цепи.

Далее образовавшийся радикал взаимодействует с молекулами, участвующими в реакции. При столкновении хлор-радикала с молекулой метана происходит образование молекулы хлороводорода и генерирование метил-радикала. Комбинация реакций, приводящих к генерации исходного радикал, получила название звена цепи.

замена2 В подобных реакциях образование радикала водорода \cdot H не происходит из-за высокой энергии активации соответствующей реакции.

III. Обрыв цепи

При столкновении двух радикалов образуется нейтральная молекула и процесс прекращается. Полностью реакция остановится, когда все радикалы «потратятся» и приведут к образованию нейтральных молекул.

замена3 Видно, что в результате помимо целевого продукта хлорметана возможно образование молекулы этана. В нашем случае он является побочным продуктом (неожидаемым и образующимся в меньшинстве). Понимание механизма реакций позволяет подобрать наиболее оптимальные условия и свести протекание побочных реакций к минимуму.