Алкан название соединения. А.Х.Амирова, учитель химии (г. Екатеринбург). Строение и номенклатура

Предельные углеводороды - это такие соединения, которые представляют собой молекулы, состоящие из атомов углерода, находящихся в состоянии гибридизации sp 3 . Они связаны между собой исключительно ковалентными сигма-связями. Название «предельные» или «насыщенные» углеводороды исходит из того факта, что эти соединения не имеют возможности присоединять какие-либо атомы. Они предельны, полностью насыщены. Исключение составляют циклоалканы.

Что такое алканы?

Алканы - это углеводороды предельные, а их углеродная цепь незамкнута и состоит из атомов углерода, связанных между собой при помощи одинарных связей. Она не содержит иных (то есть двойных, как у алкенов, или же тройных, как у алкилов) связей. Алканы также называют парафинами. Это название они получили, так как общеизвестные парафины являются смесью преимущественно данных предельных углеводородов С 18 -С 35 с особой инертностью.

Общие сведения об алканах и их радикалах

Их формула: С n Р 2 n +2 , здесь n больше или равно 1. Молярная масса вычисляется по формуле: М = 14n + 2. Характерная особенность: окончания в их названиях - «-ан». Остатки их молекул, которые образуются в результате замещения водородных атомов на иные атомы, имеют название алифатических радикалов, или алкилов. Их обозначают буквой R. Общая формула одновалентных алифатических радикалов: С n Р 2 n +1 , здесь n больше или равно 1. Молярная масса алифатических радикалов вычисляется по формуле: М = 14n + 1. Характерная особенность алифатических радикалов: окончания в названиях «-ил». Молекулы алканов имеют свои особенности строения:

• связь С-С характеризуется длиной 0,154 нм;
• связь С-Н характеризуется длиной 0,109 нм;
• валентный угол (угол между связями углерод-углерод) равен 109 градусов и 28 минут.

Начинают гомологический ряд алканы: метан, этан, пропан, бутан и так далее.

Физические свойства алканов

Алканы - это вещества, которые не имеют цвета и нерастворимы в воде. Температура, при которой алканы начинают плавиться, и температура, при которой они закипают, повышаются в соответствии с увеличением молекулярной массы и длины углеводородной цепи. От менее разветвленных к более разветвленным алканам температуры кипения и плавления понижаются. Газообразные алканы способны гореть бледно-голубым либо бесцветным пламенем, при этом выделяется довольно много тепла. СН 4 -С 4 Н 10 представляют собой газы, у которых отсутствует также и запах. С 5 Н 12 -С 15 Н 32 - это жидкости, которые обладают специфическим запахом. С 15 Н 32 и так далее - это твердые вещества, которые также не имеют запаха.

Химические свойства алканов

Данные соединения являются малоактивными в химическом плане, что можно объяснить прочностью трудноразрываемых сигма-связей - С-С и С-Н. Также стоит учитывать, что связи С-С неполярны, а С-Н малополярны. Это малополяризуемые виды связей, относящиеся к сигма-виду и, соответственно, разрываться по наибольшей вероятности они станут по механизму гомолитическому, в результате чего будут образовываться радикалы. Таким образом, химические свойства алканов в основном ограничиваются реакциями радикального замещения.

Реакции нитрования

Алканы взаимодействуют только с азотной кислотой с концентрацией 10% либо с оксидом четырехвалентного азота в газовой среде при температуре 140°С. Реакция нитрования алканов носит название реакции Коновалова. В результате образуются нитросоединения и вода: CH 4 + азотная кислота (разбавленная) = CH 3 - NO 2 (нитрометан) + вода.

Реакции горения

Предельные углеводороды очень часто применяются как топливо, что обосновано их способностью к горению: С n Р 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n СО 2 .

Реакции окисления

В химические свойства алканов также входит их способность к окислению. В зависимости от того, какие условия сопровождают реакцию и как их изменяют, можно из одного и того же вещества получить различные конечные продукты. Мягкое окисление метана кислородом при наличии катализатора, ускоряющего реакцию, и температуры около 200 °С может дать в результате следующие вещества:

1) 2СН 4 (окисление кислородом) = 2СН 3 ОН (спирт - метанол).

2) СН 4 (окисление кислородом) = СН 2 О (альдегид - метаналь или формальдегид) + Н 2 О.

3) 2СН 4 (окисление кислородом) = 2НСООН (карбоновая кислота - метановая или муравьиная) + 2Н 2 О.

Также окисление алканов может производиться в газообразной или жидкой среде воздухом. Такие реакции приводят к образованию высших жирных спиртов и соответствующих кислот.

Отношение к нагреванию

При температурах, не превышающих +150-250°С, обязательно в присутствии катализатора, происходит структурная перестройка органических веществ, которая заключается в изменении порядка соединения атомов. Данный процесс называется изомеризацией, а вещества, полученные в результате реакции - изомерами. Таким образом, из нормального бутана получается его изомер - изобутан. При температурах 300-600°С и наличии катализатора происходит разрыв связей С-Н с образованием молекул водорода (реакции дегидрирования), молекул водорода с замыканием углеродной цепи в цикл (реакции циклизации или ароматизации алканов):

1) 2СН 4 = С 2 Н 4 (этен) + 2Н 2.

2) 2СН 4 = С 2 Н 2 (этин) + 3Н 2.

3) С 7 Н 16 (нормальный гептан) = С 6 Н 5 - СН 3 (толуол) + 4Н 2 .

Реакции галогенирования

Такие реакции заключаются во введении в молекулу органического вещества галогенов (их атомов), в результате чего образуется связь С-галоген. При взаимодействии алканов с галогенами образуются галогенпроизводные. Данная реакция обладает специфическими особенностями. Она протекает по механизму радикальному, и чтобы ее проинициировать, необходимо на смесь галогенов и алканов воздействовать ультрафиолетовым излучением или же просто нагреть ее. Свойства алканов позволяют реакции галогенирования протекать, пока не будет достигнуто полное замещение на атомы галогена. То есть хлорирование метана не закончится одной стадией и получением метилхлорида. Реакция пойдет далее, будут образовываться все возможные продукты замещения, начиная с хлорметана и заканчивая тетрахлорметаном. Воздействие хлора при данных условиях на другие алканы приведет к образованию различных продуктов, полученных в результате замещения водорода у различных атомов углерода. От температуры, при которой идет реакция, будет зависеть соотношение конечных продуктов и скорость их образования. Чем длиннее углеводородная цепь алкана, тем легче будет идти данная реакция. При галогенировании сначала будет замещаться атом углерода наименее гидрированый (третичный). Первичный вступит в реакцию после всех остальных. Реакция галогенирования будет происходить поэтапно. На первом этапе заместиться только один атом водорода. C растворами галогенов (хлорной и бромной водой) алканы не взаимодействуют.

Реакции сульфохлорирования

Химические свойства алканов также дополняются реакцией сульфохлорирования (она носит название реакции Рида). При воздействии ультрафиолетового излучения алканы способны реагировать со смесью хлора и диоксида серы. В результате образуется хлороводород, а также алкильный радикал, который присоединяет к себе диоксид серы. В результате получается сложное соединение, которое становится стабильным благодаря захвату атома хлора и разрушения очередной его молекулы: R-H + SO 2 + Cl 2 + ультрафиолетовое излучение = R-SO 2 Cl + HCl. Образовавшиеся в результате реакции сульфонилхлориды находят широкое применение в производстве поверхностно-активных веществ.

Всего известно 390 веществ, относящихся к классу алканов. Международный союз теоретической и прикладной химии - ИЮПАК или IUPAC - разработал номенклатуру алканов, чтобы легко называть каждое соединение, зная только его формулу.

Общие правила

Название алканов характеризуется суффиксом -ан. Первые четыре представителя гомологического ряда - метан, этан, пропан, бутан - имеют исторически сложившиеся названия. Приставка в названиях остальных алканов указывает на количество атомов углерода в веществе:

• пент- - пять;
• гекс- - шесть;
• гепт- - семь;
• окт- - восемь;
• нон- - девять;
• дек- - десять.

Рис. 1. Гомологический ряд алканов.

Единица - ун- или ген-, два - до-, три - три-, четыре - тетра-.

Приставки и суффиксы сохраняются у всех веществ. Начиная с декана, к названиям прибавляется корень. Он меняется в каждой десятке веществ, на что указывает приставка. Например, эйкозан содержит 20 углеродов, триаконтан - 30, тетраконтан - 40, пентаконтан - 50.

Названия этих веществ переходят в следующую десятку с прибавлением приставок и суффиксов. Например, за эйкозаном следуют генэйкозан, докозан, трикозан, за триаконтаном - гентриаконтан, дотриаконтан, тритриаконтан, тетратриаконтан и т.д.

Названия разветвлённых цепей

Вещества с одинаковым количеством атомов, но с разным их расположением, называются изомерами. Сравните бутан и изобутан. В обоих случаях формула C 4 H 10 , но атомы расположены по-разному. В первом случае цепь длиннее, во втором - короче на одно звено. Названия изомеров соответствуют названиям алканов с приставкой изо-.

Рис. 2. Бутан и изобутан.

Для более точного названия и указания местоположения радикала используется отдельная номенклатура. Правила определения названия разветвлённой цепи:

• принять за главную цепь наиболее длинную или с наибольшим количеством разветвлений - это будет основное название вещества (в изобутане самая длинная цепь содержит три углерода - это пропан);
• пронумеровать атомы углерода, начиная с того конца, к которому примыкает радикал (в изопентане алкил смещён к правому концу);
• если алкилы находятся с двух концов, выбрать конец с радикалом, содержащим меньшее количество атомов углерода;
• если число атомов углерода в равноудалённых алкилах одинаково, выбрать конец с наибольшим количеством разветвлений;
• назвать соединение, указав через запятую номера атомов, у которых находятся радикалы (2,2,3-, 1,4-);
• указать приставку, соответствую количеству алкилов (ди-, три-);
• перечислить радикалы (метил-, хлорметил-);
• завершить названием главной цепи (-пропан, -бутан, -пентан).

В структурных формулах алкилы пишутся через вертикальную черту сверху и снизу атома углерода. Допустимо написание радикалов в скобках после атома углерода. Например, 2-метилбутан - CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 .

Примеры

Несколько примеров номенклатуры алканов с разветвлённой структурой представлено в таблице.

Рис. 3. Примеры структурных формул с названиями.

Что мы узнали?

Названия алканов в соответствии с номенклатурой ИЮПАК складываются из суффикса -ан, приставки, указывающей на количество атомов углерода, и корня названия каждого десятого гомолога. Названия четырёх первых алканов следует запомнить. Разветвлённые молекулы включают перечисление номеров атомов, у которых находятся радикалы, приставку, указывающую их количество, перечисления радикалов и название главной цепи.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 171.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алканы – предельные (алифатические) углеводороды, состав которых выражается формулой C n H 2 n +2 .

Алканы образуют гомологический ряд, каждое химическое соединение которого по составу отличается от последующего и предыдущего на одинаковое число атомов углерода и водорода – CH 2 , а вещества, входящие в гомологический ряд, называются гомологами. Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.

Таблица 1. Гомологический ряд алканов.

В молекулах алканов выделяют первичные (т.е. связанные одной связью), вторичные (т.е. связанные двумя связями), третичные (т.е. связанные тремя связями) и четвертичные (т.е. связанные четырьмя связями) атомы углерода.

C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – первичные, 2- вторичные атомы углерода)

CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3- третичный атом углерода)

CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4- четвертичный атом углерода)

Для алканов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета). Так, у пентана имеются следующие изомеры:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (пентан)

CH 3 –CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 (2-метилбутан)

CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 – диметилпропан)

Для алканов, начиная с гептана, характерна оптическая изомерия.

Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в sp 3 –гибридизации. Углы между связями в молекулах алканов 109,5.

Химические свойства алканов

При обычных условиях алканы химически инертны — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами. Это объясняется высокой прочностью -связей С-С и С-Н. Неполярные связи С-С и С-Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакция в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.

Реакции радикального замещения имеют цепной характер. Основные стадии: зарождение (инициирование) цепи (1) – происходит под действием УФ-излучения и приводит к образованию свободных радикалов, рост цепи (2) – происходит за счет отрыва атома водорода от молекулы алкана; обрыв цепи (3) – происходит при столкновении двух одинаковых или разных радикалов.

X:X → 2X . (1)

R:H + X . → HX + R . (2)

R . + X:X → R:X + X . (2)

R . + R . → R:R (3)

R . + X . → R:X (3)

X . + X . → X:X (3)

Галогенирование. При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:

CH 3 Cl +Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)

CH 2 Cl 2 +Cl 2 = CHCl 3 + HCl (трихлорметан)

CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (тетрахлорметан)

Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (нитроэтан) + H 2 O

Сульфохлорирование и сульфоокисление. Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды:

R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl

Реакция сульфоокисления протекает аналогично, только в этом случае образуются алкансульфоновые кислоты:

R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H

Крекинг – радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:

С 8 H 18 = C 4 H 10 (бутан)+ C 3 H 8 (пропан)

2CH 4 = C 2 H 2 (ацетилен) + 3H 2

Окисление . При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:

C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O

Физические свойства алканов

При обычных условиях С 1 -С 4 – газы, С 5 -С 17 – жидкости, начиная с С 18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Так, метан СН 4 (болотный, рудничий газ) – газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в этаноле, эфире, углеводородах, но плохо растворимый в воде. Метан используют в качестве высококалорийного топлива в составе природного газа, в качестве сырья для производства водорода, ацетилена, хлороформа и других органических веществ в промышленных масштабах.

Пропан С 3 Н 8 и бутан С 4 Н 10 – газы, применяемые в быту, в качестве балонных газов, за счет легкой сжижаемости. Пропан используется в качестве автомобильного топлива, поскольку является более экологически чистым, чем бензин. Бутан – сырье для получения 1,3 –бутадиена, использующегося в производстве синтетического каучука.

Получение алканов

Алканы получают из природных источников – природного газа (80-90% — метан, 2-3% — этан и другие предельные углеводороды), угля, торфа, древесины, нефти и горного воска.

Выделяют лабораторные и промышленные способы получения алканов. В промышленности алканы получают из битумного угля (1) или по реакции Фишера-Тропша (2):

nC + (n+1)H 2 = C n H 2 n +2 (1)

nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2 n +2 + H 2 O (2)

К лабораторным способам получения алканов относят: гидрирование непредельных углеводородов при нагревании и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1), взаимодействием воды с металлоорганическими соединениями (2), электролизом карбоновых кислот (3), по реакциям декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.

R 1 -C≡C-R 2 (алкин) → R 1 -CH = CH-R 2 (алкен) → R 1 -CH 2 – CH 2 -R 2 (алкан) (1)

R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (алкан) + Mg(OH)Cl (2)

CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +

2CH 3 COO — → 2CO 2 + C 2 H 6 (этан) (3)

CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)

R 1 -Cl +2Na +Cl-R 2 →2NaCl + R 1 -R 2 (5)

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана.
Решение	Запишем уравнение реакции первой стадии хлорирования метана (т.е. в реакции галогенирования происходит замещения всего одного атома водорода, в результате чего образуется монохлорпроизводное): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (хлорметан) Найдем количество вещества метана: v(CH 4) = V(CH 4)/V m v(CH 4) = 11,2/22,4 = 0,5 моль По уравнению реакции количество моль хлора и количество моль метана равны 1 моль, следовательно, практическое количество моль хлора и метана также будет одинаковым и будет равно: v(Cl 2) = v(CH 4) = 0,5 моль Зная количество вещества хлора можно найти его массу (что и поставлено в вопросе задачи). Масса хлора рассчитывается как произведение количества вещества хлора на его молярную массу (молекулярная масса 1 моль хлора; молекулярная масса рассчитывается с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева). Масса хлора будет равна: m(Cl 2) = v(Cl 2)×M(Cl 2) m(Cl 2) = 0,5×71 = 35,5 г
Ответ	Масса хлора равна 35,5 г

В органической химии используют несколько систем номенклатуры соединений. В частности: тривиальные названия, рациональную номенклатуру и систематическую IUPAC номенклатуру.

Тривиальные названия часто отражают историю открытия соединения, источник его получения, свойства соединения и т.д., но не отражают строения вещества. Первые четыре алкана носят тривиальные названия. Это: метан (СН 4), этан (С 2 Н 6), пропан (С 3 Н 8), бутан (С 4 Н 10). Название «этан» происходит от латинского слова «эфир», т.к. радикал С 2 Н 5 входит в состав эфира. После бутана названия алканов образуют прибавляя окончание «ан» к греческому числительному, отражающему число атомов углерода в молекуле (табл. 1)

Таблица 1

Название алканов

При выводе формул углеводородов исходят из общепринятого положения о четырехвалентности углерода и из отличительной особенности атомов углерода к взаимному соединению.

Первые три члена гомологического ряда алканов существуют каждый лишь в одной форме, т.е. в ином порядке атомы углерода в их молекулах соединить нельзя:

Иначе обстоит дело с алканами с числом углеродных атомов четыре и более. Например для С 4 Н 10 можно написать две скелетные формулы (в этих формулах атомы водородов не обозначают):

Углеводород со скелетной формулой 1 имеет неразветвленную углеродную цепь, каждый атом углерода в нем связан не более, чем с двумя углеродами. Неразветвленность цепи отражается в названии приставкой «нормальный» (н-). Углеводород 2 имеет разветвленную углеродную цепь, один из атомов углерода связан с тремя углеродами. Соединения 1 и 2 различаются порядком связи атомов друг с другом: это структурные изомеры . Чтобы различать их, один назвали бутан (иногда н-бутаном, как сокращение тривиального названия «нормальный бутан»), второй – изобутаном.

В нормальных алканах все атомы углерода образуют единую протяженную цепь, хотя скелет такой молекулы может быть записан с изгибами:

Число возможных изомеров резко увеличивается с увеличением числа атомов углерода в молекуле. В связи с этим, префикс изо применяют в тривиальном названии только того изомера, который имеет одно углеродное разветвление у предпоследнего углеродного атома протяженной цепи. Например, скелетные формулы изогексана и изогептана:

Из приведенных структурных формул видно, что не все атомы углерода в них равноценны между собой. Каждый из них соединен с различным числом атомов углерода. Атом углерода, связанный с одним атомом углерода, называют первичным ; связанный с двумя – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным :

Подобным образом классифицируют и атомы водорода. Водородные атомы называют первичными, вторичными или третичными, так же как и атомы углерода, с которыми они связаны.

Рассмотрим две сокращенные структурные формулы:

Обе имеют четыре атома углерода в самой длинной цепи и на­зываются как бутаны. Различие заключается в замене одного из Н-атомов у отмеченного звездочкой атома углерода на группу СН 3 . Замены такого рода называют замещением, а группа СН 3 играет здесь роль заместителя. Таким образом, второе из приведенных выше соединений является замещенным бутаном.

Группировки атомов, имеющие неспаренный электрон, назы­вают по правилам IUPAC радикалами. Когда речь идет о замести­теле, то неспаренный электрон обозначают черточкой, как в СН 3 -. Для обозначения свободных радикалов употребляют точку, например СН 3 . Для того, чтобы избежать путаницы, большинство химиков пред­почитают в первом случае название группы, а во втором - сво­бодные радикалы.

СН 3 -является группой, которую можно образовать отщеплением атома водорода от метана СН 4 . Еще одним примером может служить группа СН 3 СН 2 -, образуемая из нормального алкана этана. Целый ряд подобных групп можно образовать из нормальных алканов. В общем виде их называют алкильными группами, а ин­дивидуальные названия дают, заменяя в названиях алканов суф­фикс (окончание) ан на ил. Например:

СН 3 - СН 3 СН 2 - или С 2 Н 5 - СН 3 СН 2 СН 2 - или С 3 Н 7 -

метил этил пропил

Группы, производимые от изоалканов, называют по тому же принципу, как и группы, производящиеся от нормальных алканов, суффикс ан заменяют на суффикс ил. Например:

Свободная валентность этих групп находится на противоположном конце от разветвления. Разветвле­ние же, как и прежде, состоит из одного атома углерода и находится у предпоследнего атома самой длинной углеродной цепи.

Есть еще одна изо -группа, не имеющая соответствующего ей разветвленного алкана. Это изопропильная группа. Ее формула:

Соответствующий углеводород является пропаном.

Формулы алкильных групп всегда можно узнать по черточке, указывающей свободную валентность:

СН 3 СН 2 СН 3 СН 3 СН 2 СН 2 - или С 3 Н 7 -

пропан пропильная группа

Когда подобные группы связаны с атомом углерода цепи, их записывают в линейной структурной формуле в скобках вслед за этим атомом углерода:

СН 3 СН(СН 3)СН 2 СН(СН 3) 2 изображает

Двухвалентные радикалы, образованные удалением двух атомов водорода от одного и того же атома углерода, имеют в названии суффикс илиден (исключение – «метилен» для СН 2 =). Если два атома водорода удаляются от двух разных концевых атомов углерода, то такие радикалы называют: этилен, триметилен и т.д. (исключение: пропилен). Названия важнейших ациклических одно- и двухвалентных углеводородных радикалов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Названия важнейших углеводородных радикалов

Для того, чтобы назвать насыщенный углеводород с разветвленной цепью углеродных атомов надо прежде всего выбрать главную цепь. Главной цепью считают самую длинную цепь углеродных атомов. Если таких две или более, то выбирают наиболее сложную, т.е. имеющую наибольшее число разветвлений.

Далее атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе примыкает любой из радикалов. Эти цифры называют локантами. Если разные алкилы находятся на равном расстоянии от концов цепи, то выбор начала нумерации определяет старший, т.е. радикал с меньшим числом атомов углерода. При равном числе атомов углерода старшим считается наиболее разветвленный радикал. Если на обоих концах цепи стоят одинаковые радикалы, то учитывается наличие следующих радикалов и нумерация начинается с того конца, где больше разветвлений.

Для удобства определения главной цепи и начала нумерации пользуются правилом наименьшей суммы номеров, т.е. выбирают главную цепь и начало нумерации так, чтобы сумма номеров, обозначающих положение заместителей, была наименьшей.

При составлении названия следует иметь в виду, что в правилах IUPAC предпочтение отдается перечислению заместителей в алфавитном порядке. Алфавитный порядок имеет тот существенный недостаток, что он оказывается разным на разных языках. Однако, алфавитный порядок при явном недостатке, заключающемся в отсутствии межъязыковой однозначности, все же удобен, т.к. для каждого языка устанавливает однозначную последовательность, не требуя разработки сложных правил старшинства. Удобства алфавитного расположения очевидны и особенно наглядны при построении названий полифункциональных соединений и поиске соединений в литературе по их названиям.

Что касается положения цифр (локантов) в названиях, то следует учесть, что правила IUPAC не определяют таких деталей записи названий.

В англо-амери­канском варианте расположение локантов отрывает их от тех ча­стей названия, к которым локанты относятся, и тем самым затруд­няет понимание названий. Традиция отечественной номенкла­туры - помещать локанты перед префиксами (приставками) и после суффиксов - разумна, т.к. позволяет максимально разгру­зить словесную часть названия от цифр и в то же время увеличивает наглядность названия.

Если к главной цепи примыкают два или большее число одинаковых заместителей, то для указания на это используют соответствующие префиксы: ди при двух оди­наковых заместителях, три при трех, тетра при четырех, пента при пяти и т. д. В качестве примера рассмотрим соединение, ко­торое обычно (хотя и неправильно) называют «изооктаном». Углеродный скелет этого соединения:

Систематическое название этого вещества 2,2,4-триметилпентан. Префикс три указывает, что в нем имеются три метильных группы, цифры 2,2,4- определяют их положение, т. е. являются локантами. Для отделения цифр друг от друга используются запятые, а для отделения цифр от слов - дефисы. Последняя из называемых групп пишется слитно с названием главной цепи.

Еще одно соединение, которому надо дать название:

Это 2,4-диметил-5-этилгептан. Префиксы ди, три и т. д. не принимаются во внимание при определении алфавитного порядка.

Хотя «д» в русском алфавите следует раньше «м» и «т», но «ди» и «три» говорят о числе заместителей, сами же заместители (ме­тил, этил) следует располагать в названии именно в указанном алфавитном порядке: сначала метил (диметил-, триметил- и т. д.), потом этил (диэтил-, триэтил-, тетраэтил- и т. д.).

Существует простой способ проверки полноты составленных названий. Для этого надо подсчитать сумму атомов углерода, обозначенных в наз­вании, и проверить, совпадает ли она с числом С-атомов в формуле. Например, соединение

Это 2,4-диметил-5-этилгептан. Проверку производят следующим образом:

Фрагменты названия Число С-атомов

2,4-диметил 2 (по 1 для каждого метила)

В углеродном скелете действительно 11 атомов.

Разветвленные алкильные группы называют подобно развет­вленным алканам. Важным отличием является то, что связанный с главной цепью углеродный атом всегда получает номер 1. На­пример:

Для ряда замещающих групп в правилах IUPAC сохранены тривиальные названия.

Изо -названия для разветвленных алкильных групп приме­няются только для первых членов ряда, включая изогексил; точно так же название изогексан является последним из допускае­мых правилами изо-названий алканов.

Рациональная номенклатура, в отличии от тривиальных названий, базируется на строении молекул. Названия сложных структур строят из названия «блоков», т.е. радикалов, связанных с основным, наиболее важным узлом молекулы. По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, у которого атомы водорода замещены соответствующими радикалами. Выбор «метанового» углерода произвольный, поэтому одно соединение может иметь по рациональной номенклатуре несколько названий.

2.2. Номенклатура алкенов

Алкены или олефины – это углеводороды, содержащие одну двойную углерод-углеродную связь. Как и в случае алканов, существует несколько различных систем номенклатуры алкенов.

Для простейших алкенов используют тривиальные названия:

По рациональной номенклатуре алкены рассматривают как производные этилена. Например:

По систематической IUPAC номенклатуре названия алкенов образуются из названий соответствующих алканов заменой окончания ан на ен.

В названиях двух первых членов гомологического ряда алкенов нет никакой неопределенности. Названиям этен и пропен могут отвечать только формулы СН 2 =СН 2 и СН 3 СН=СН 2 . Бутен и все последующие члены ряда имеют по несколько изомеров, различающихся, в частности, положением двойной связи. Например, бутены могут иметь следующую структуру:

Проблема названий решается при помощи нумерации атомов углерода в цепи. Ее начинают с того конца, который ближе к двойной связи:

Локантом двойной связи служит меньший из номеров атомов, связанных двойной связью, как показано ниже:

В английском оригинале эти названия записаны иначе: 1-бутен; 2-бутен (или бут-1-ен; бут-2-ен). В русской номенклатуре, установилась традиция: располагать локанты перед приставками (префиксами), но после суффиксов. Такая запись во многих случаях позволяет полностью разгрузить от цифр словесную часть названия. Кроме того, локанты при этом всегда располагаются рядом с кратными связями, к которым они относятся, и это облегчает расшифровку названия.

Разветвленные (замещенные) алкены называют подобно раз­ветвленным алканам. Нумеруют атомы углерода, называют глав­ную цепь, к этому названию прибавляют название заместителя, вместе с соответствующим локантом. Например:

Если имеется несколько цепей одинаковой длины, то в ка­честве главной цепи выбирают ту из них, в которой содержится двойная связь. При­веденный ниже углеводород должен быть назван как производное пентена, но не пентана:

В некоторых случаях самая длинная протяженная цепь углеродных атомов может и не оказаться главной. Например:

Правильное название этого соединения производится от пентена, хотя в нем имеется цепь из шести атомов углерода.

У соединений с одной или несколькими двойными связями проявляется особый вид пространственной изомерии, называемый геометрической или цис-, транс-изомерией.

Пространственная изомерия алкенов обусловлена различным положением заместителей в пространстве относительно плоскости π-связи. Геометрическая изомерия невозможна, если заместители при любом атоме углерода двойной связи одинаковы (пропилен, бутен-1, изобутилен).

Для обозначения геометрических изомеров предложены буквенные обозначения: Z – для цис- и E для транс-изомеров:

Если у атомов углерода, связанных двойной связью, три или четыре заместителя различные, то обозначения Z или E выбирают по пространственному расположению двух самых старших групп. Если оба старших заместителя расположены по одну сторону плоскости, в которой находится двойная связь, то изомер относится к Z-ряду, в противном случае – к E-ряду:

Радикалы, производимые от алкенов, называют заменяя окончание ен на енил.

Во всех радикалах, кроме этенильного, надо проводить нумера­цию. Атом углерода со свободной валентностью всегда получает номер 1.

В правилах IUPAC разрешены несистематические названия нескольких алкенильных радикалов: винил, аллил, изопропилиден.

алканом или парафином (историческое название, которое также имеет другие значения), является ациклический насыщенный углеводород. Другими словами, алкан состоит из водорода и атомов углерода, расположенных в древовидной структуре, в которой все углерод-углеродные связи являются одиночными.

Алканы имеют общую химическую формулу C n H 2n + 2 . Алканы варьируются по сложности от простейшего случая метана, CH 4 , где n = 1 (иногда называемая исходной молекулой), до сколь угодно больших молекул.

Химическая структура метана, простейший алкан

Кроме этого стандартного определения названная Международным союзом теоретической и прикладной химии, в использовании некоторых авторов термин алкана применяется к любому насыщенному углеводороду, в том числе те, которые являются либо моноциклическими (т.е. циклоалканы) или полициклическими.

В алкане, каждый атом углерода имеет 4 связи (либо С-С или С-Н), и каждый атом водорода присоединен к одному из атомов углерода (как в С-Н-связи). Самая длинная серия связанных атомов углерода в молекуле известна как ее углеродный скелет или углеродная основа. Число атомов углерода можно рассматривать как размер алкана.

Одна группа высших алканов представляет собой воски, твердые вещества при стандартных температуре окружающей среды и давлении (СТиДОС(Стандартная температура и давление окружающей среды)), для которых число атомов углерода в углеродной цепи больше, что примерно в 17 раз.

С повторными -CH 2 — звеньями алканы составляют гомологичный ряд органических соединений, в которых группы отличаются молекулярной массой кратным 14,03 мк (общая масса каждой такой метиленовой звеновой единицы, которая содержит единственный атом углерода с массой 12,01 мк и два атома водорода с массой ~ 1,01 мк каждый).

Алканы не очень реакционноспособны и обладают небольшой биологической активностью. Их можно рассматривать как молекулярные деревья, на которых могут быть подвешены более активные / реакционноспособные функциональные группы биологических молекул.

Алканы имеют два основных источника: нефть (сырая нефть) и природный газ.

Алкильная группа, обычно сокращенно обозначаемая символом R, представляет собой функциональную группу, которая, подобно алкану, состоит исключительно из связанных атомов ациклически связанных атомов углерода и водорода, например метильной или этильной группы.

Структура классификации

Насыщенными углеводородами являются углеводороды, имеющие только отдельные ковалентные связи между их атомами углерода. Они могут представлять:

• Линейную (общая формула C n H 2n + 2), в которой атомы углерода соединены в змееподобной структуреe.
• Разветвленную (общую формулу C n H2 n + 2 , n> 2), где углеродный скелет отщепляется в одном или нескольких направлениях.
• Циклическую (общую формулу C n H 2n , n> 3), где углеродная цепь связана с образованием петли.

Изобутана для 2-метилпропана
Изопентан для 2-метилбутана
Неопентана для 2,2-диметилпропана.

Химические свойства алканов

— вы можете изучить по данной , в полном, понятном изложении.

Физические свойства алканов

Все алканы бесцветны и не имеют запаха.

Таблица алканов.

Алкан	Формула	Точка кипения [° C]	Точка плавления [° C]	Плотность [г · см-3] (при 20 ° C)
Метан	CH 4	−162	−182	Газ
Этан	C 2 H 6	-89	−183	Газ
Пропан	C 3 H 8	−42	−188	Газ
Бутан	C 4 H 10	0	−138	0.626
Пентан	C 5 H 12	36	−130	0.659
Гексан	C 6 H 14	69	−95	0.684
Гептан	C 7 H 16	98	−91	0.684
Октан	C 8 H 18	126	−57	0.718
Нонан	C 9 H 20	151	−54	0.730
Декан	C 10 H 22	174	−30	0.740
Ундекан	C 11 H 24	196	-26	0.749
Додекан	C 12 H 26	216	−10	0.769
Пентадекан	C 15 H 32	270	10-17	0.773
Гексадекан	C 16 H 34	287	18	Твердый
Эйкозан	C 20 H 42	343	37	Твердый
Триконтан	C 30 H 62	450	66	Твердый
Тетроконтан	C 40 H 82	525	82	Твердый
Пентоконтан	С 50 H 102	575	91	Твердый
Гексоконтан	C 60 H 122	625	100	Твердый

Точка кипения

Алканы испытывают межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Более сильные межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса вызывают более высокие точки кипения алканов.

Для силы Ван-Дер-Ваальсовых сил существует два детерминанта:

• Число электронов, окружающих молекулу, которое увеличивается с молекулярной массой алкана
• Площадь поверхности молекулы

В стандартных условиях от CH 4 до C 4 H 10 алканы являются газообразными; От C 5 H 12 до C 17 H 36 они являются жидкостями; И после C 18 H 38 они являются твердыми. По мере того как температура кипения алканов в первую очередь определяются по весу, она не должна быть неожиданностью, что точка кипения имеет почти линейную зависимость с размером (молекулярная масса) молекулы. Как правило, температура кипения повышается на 20-30 ° C для каждого углерода, добавляемого в цепь. Это правило применяется и к другим гомологичным рядам.

В физической химии силы Ван-дер-Ваальса (или ван-дер-ваальсово взаимодействие), названные в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван дер Ваальса, являются остаточными силами притяжения или отталкивания между молекулами или атомными группами, которые не возникают из ковалентных связей. Можно показать, что силы Ван-дер-Ваальса имеют то же происхождение, что и эффект Казимира, обусловленный квантовыми взаимодействиями с полем нулевой точки. Возникающие в результате силы Ван-дер-Ваальса могут быть притягивающими или отталкивающими.

Прямоцепной алкан будет иметь точку кипения выше, чем алкан с разветвленной цепью из-за большей площади поверхности, находящейся в контакте, таким образом, большие силы Ван-дер-Ваальса между соседними молекулами. Например, сравните изобутан (2-метилпропан) и н-бутан (бутан), которые кипят при -12 и 0 ° С, и 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан, которые кипят при 50 и 58 ° С, соответственно. В последнем случае две молекулы 2,3-диметилбутана могут «защелкиваться» друг с другом лучше, чем крестообразный 2,2-диметилбутан, поэтому большие силы Ван-дер-Ваальса

С другой стороны, циклоалканы, как правило, имеют более высокие точки кипения, чем их линейные аналоги из-за заблокированных конформаций молекул, которые дают плоскость межмолекулярного контакта.

Точки плавления

Точки плавления алканов имеют сходную тенденцию к точкам кипения по той же причине, что и выше. То есть, (при прочих равных условиях) тем больше молекуле, тем выше температура плавления. Существует одно существенное различие между точками кипения и температурами плавления. Твердые вещества имеют более жесткую и фиксированную структуру, чем жидкости. Эта жесткая структура требует энергию для разрушения. Таким образом, для лучшего соединения твердых структур потребуется больше энергии для разрыва. Для алканов это видно на графике выше (то есть на зеленой линии). Нечетные алканы имеют более низкую тенденцию к плавлению, чем четные алканы. Это объясняется тем, что даже пронумерованные алканы хорошо укладываются в твердой фазе, образуя хорошо организованную структуру, которая требует больше энергии для разрыва. Алканы с нечетными номерами укладываются хуже, и поэтому организованная структура уплотнения с более «рыхлой» требует меньше энергии для разрыва.

Точки плавления алканов с разветвленной цепью могут быть либо выше, либо ниже, чем у соответствующих алканов с прямой цепью, опять же в зависимости от способности рассматриваемого алкана хорошо укладываться в твердой фазе: это особенно справедливо для изоалканов (2 -метильные изомеры), которые часто имеют температуры плавления выше, чем температуры линейных аналогов.

Проводимость и растворимость

Алканы не проводят электричество и не поляризуются электрическим полем. По этой причине они не образуют водородных связей и нерастворимы в полярных растворителях, таких как вода. Поскольку водородные связи между отдельными молекулами воды выровнены вдали от молекулы алкана, сосуществование алкана и воды приводит к увеличению молекулярного порядка (уменьшение энтропии). Поскольку между молекулами воды и молекулами алкана нет значительного сцепления, второй закон термодинамики предполагает, что это уменьшение энтропии должно быть минимизировано путем сведения к минимуму контакта между алканом и водой: алканы, как говорят, являются гидрофобными в том смысле, что они отталкивают воду.

Их растворимость в неполярных растворителях относительно хорошая, свойство, которое называется липофильностью. Различные алканы, например, смешиваются во всех пропорциях между собой.

Плотность алканов обычно увеличивается с числом атомов углерода, но остается меньше, чем у воды. Следовательно, алканы образуют верхний слой в качестве алкана-водной смеси.

Молекулярная геометрия

Молекулярная структура алканов непосредственно влияет на их физические и химические характеристики. Он получен из электронной конфигурации углерода, которая имеет четыре валентных электрона. Атомы углерода в алканов всегда sp 3 гибридизовали, то есть, что валентные электроны, как говорят, в четырех эквивалентных орбиталей, полученных из комбинации 2 s орбитальных и трех 2р-орбиталей. Эти орбитали, имеющие одинаковые энергии, расположены пространственно в виде тетраэдра, угол между ними cos -1 (- 1/3) ≈ 109,47 °.

Длины связей и валентные углы

Молекула алкана имеет только одинарные связи C-H и C-C. Первые являются следствием перекрытия sp 3 орбитали углерода с 1s-орбиталью водорода; Последний — перекрытием двух sp 3 -орбиталей на разных атомах углерода. Длины связей составляют 1,09 × 10 -10 м для связи C-H и 1,54 × 10 -10 мкм для связи C-C.

Пространственное расположение связей похоже на пространственное расположение четырех sp3-орбиталей — они расположены тетраэдрически с углом 109,47 ° между ними. Структурные формулы, которые представляют собой облигацию как под прямым углом друг к другу, в то время как и общие и полезные, не соответствуют действительности.

Конформация

Структурная формула и углы связи обычно недостаточны для полного описания геометрии молекулы. Существует еще одна степень свободы для каждого углерод-углеродной связи: торсионный угол между атомами или группами, связанными с атомами на каждом конце связи. Пространственное расположение, описываемое углами кручения молекулы, известно как его форма.

Этан образует простейший случай для изучения конформации алканов, так как существует только одна связь C-C. Если посмотреть вниз по оси C-C-связи, то увидите так называемую проекцию Ньюмана. Атомы водорода как на переднем, так и на заднем углеродном атоме имеют угол 120 ° между ними, что обусловлено проекцией основания тетраэдра на плоскую плоскость. Однако угол кручения между данным атомом водорода, присоединенным к переднему углероду, и заданным атомом водорода, присоединенным к заднему углероду, может свободно изменяться от 0 ° до 360 °. Это является следствием свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи. Несмотря на эту кажущуюся свободу, важны только две предельные конформации: затменная конформация и ступенчатая конформация.

Шариковые и двухшнековые модели двух ротамеров этана

Две конформации, также известные как ротамеры, различаются по энергии: шахматная конформация составляет 12,6 кДж / моль ниже по энергии (более стабильной), чем затмеваемая конформация (наименее стабильная).

Это различие в энергии между двумя конформациями, называемое энергией кручения, мало по сравнению с тепловой энергией молекулы этана при температуре окружающей среды. Постоянное вращение вокруг связи C-C. Время, необходимое для перехода молекулы этана из одной шахматной конформации в другую, что эквивалентно вращению одной группы СН3 на 120 ° относительно другой, составляет порядка 10 -11 с.

Проекции двух конформаций этана: затмивление на левой стороне, в шахматном порядке справа.

Высшие алканы является более сложные, но основанные на аналогичных принципах, при этом антиперипланарная конформация всегда наиболее благоприятна вокруг каждой углерод-углеродной связи. По этой причине алканы обычно показаны зигзагообразно на диаграммах и в моделях. Фактическая структура всегда будет несколько отличаться от этих идеализированных форм, так как различия в энергии между конформациями малы по сравнению с тепловой энергией молекул, так как молекулы алканов не имеют фиксированной структурной формы, независимо от того, что может показывать модель.

Спектроскопические свойства

Практически все органические соединения содержат углерод-углеродные и углерод-водородные связи и поэтому показывают некоторые особенности алканов в их спектрах. Алканы отличаются отсутствием других групп и, следовательно, отсутствием других характерных спектроскопических признаков различных функциональных групп, таких как -ОН, -CHO, -COOH и т.д.

Инфракрасная спектроскопия

Углеродно-водородный метод растяжения дает сильное поглощение между 2850 и 2960 см -1 , в то время как углерод-углеродный режим растяжения поглощает от 800 до 1300 см -1 . Методы изгиба углерод-водород зависят от природы группы: метильные группы показывают полосы при 1450 см -1 и 1375 см -1 , в то время как метиленовые группы показывают полосы при 1465 см -1 и 1450 см -1 . Углеродные цепи с более чем четырьмя атомами углерода демонстрируют слабое поглощение при температуре около 725 см -1 .

ЯМР-спектроскопия

Протон-резонансы алканов обычно обнаруживаются при δH = 0,5-1,5. Резонансы углерода 13 зависят от числа атомов водорода, связанных с углеродом: δ C = 8-30 (первичный, метил, -CH 3), 15-55 (вторичный, метилен, -CH 2 -), 20-60 (третичный, Метин, С-Н) и четвертичный. Углерод-13-резонанс четвертичных атомов углерода характеризуется слабостью из-за отсутствия ядерного эффекта Оверхаузера и длительным временем релаксации и может быть пропущен в слабых образцах или образцах, которые не были проработаны в течение достаточно длительного времени.

Масс-спектрометрия

Алканы обладают высокой энергией ионизации, а у молекулярной ион обычно слабый. Фрагментацию фрагментации может быть трудно интерпретировать, но в случае разветвленных алканов углеродная цепь предпочтительно расщепляется на третичных или четвертичных углеродах из-за относительной стабильности полученных свободных радикалов. Фрагмент, являющийся результатом потери одной метильной группы (М-15), часто отсутствует, а другой фрагмент часто отделен интервалами четырнадцати массовых единиц, что соответствует последовательной потере СН 2 -групп.

Способы получения алканов

О способах получения алканов, вы так же сможете узнать и изучить по данной .