какие типы изомерии характерны для алканов

Гомологический ряд алканов

Алканы (парафины) – линейные органические углеводороды, атомы которых соединены одинарными связями. Они служат топливом для машинных механизмов, а в микробиологической промышленности применяется с целью получения белков.

Изомерия и гомологический ряд

Для алканов свойственны следующие виды изомерии.

Гомологи алканов в соответствии с систематической номенклатурой называются по следующей схеме.

Таблица гомологического ряда и номенклатура алканов

Электронное строение

Имеют форму тетраэдра. Следовательно, гибридные облака одинаковы. Углы между облаками — 109° 28’. Связи одинарны. Атомы углерода в алканах находятся в -гибридизации.

Связь «углерод-углерод» неполярна. Длина ее — 0,154 нм, а энергия – 350 КДж/моль. Данная связь довольно прочная, поэтому реакции проходят в жестких условиях.

Физические свойства

Температуры плавления и кипения зависит от длины молекулы. Чем больше главная цепь, тем температура выше. Первые пять алканов гомологического ряда находятся в газовом состоянии. Углеводороды, содержащие с 5 до 15 атомов, — жидкости. Последующие алканы – твердые.

Газоорбразные и твердые не имеют запаха, в отличие от жидкостей. Все парафины бесцветны и не растворимы в воде.

Способы получения

Алканы в природе находят в:

Природные смеси трудно разделимы, поэтому есть синтетические метод.

Такая реакция сопровождается увеличением углеродной цепи в структурной формуле. Она часто используется для симметричных молекул, т.к. из нескольких исходных веществ получается смесь.

R-Cl + 2 Na + Cl-R’ → R-R’ + R-R + R’-R’ + 2 NaCl

Химические свойства

Алканы – это органические соединения, которым не свойственны реакции присоединения. Для этого класса характерны:

Связь «углерод-водород» разрывается гомолитически, т.е. каждому оторвавшемуся атому достается по одному электрону. В процессе образуются радикалы.

Реакции замещения водорода

Позднее был разработан метод парофазного нитрования. В нем используется азотная кислота в парах при температуре 250°С.

Реакции разложения

1. Дегидрирование и дегидроциклизация

Дегидрирование – процесс отщепления водорода. Идет в присутствии никеля, платины, железа.

В реакциях с соединениями из 2-4 атомов углерода рвутся связи «углерод-водород» и образуются углеводороды с кратными связями.

Алканы с пятью и более атомами углерода образуют цикл. Реакции происходят в присутствии платины.

Алканы с углеродной цепью из шести и более атомов образуют замкнутые циклы.

Проводится при температуре до 1500°С. Нагревают долго и медленно.

Если нагревать быстро, то образуется ацетилен.

Это разложение молекулы на короткие алканы и алкены. Существуют:

Реакции окисления алканов

Парафины – это малополярные соединения. Не окисляются в нормальных условиях.

Алканы под действием кислорода образуют углекислый газ и воду.

При недостатке кислорода:

2. Окисление под действием катализатора

Это один из способов синтеза уксусной кислоты, метанола или муравьиной кислоты в промышленных масштабах.

Изомеризация алканов

Под действием температуры и катализаторов из неразветвленных парафинов образуются изомеры алканов.

Газообразные алканы используют как топливо, а жидкие – в качестве растворителей. Вазелин – один из представителей твердых алканов. Он широко применяется в медицине.

Алканы в нормальных условиях инертны и их реакции протекают в жестких условиях. Из-за своей предельности им характерны реакции присоединения. Им свойственен радикальный механизм. Алканы – это составная часть нефти, которая применяется во многих сферах. Поэтому парафины имеют большое значение в жизни человека.

Источник

Какие типы изомерии характерны для алканов

I. АЛКАНЫ (предельные углеводороды, парафины)

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.
Парафины– исторически сложившееся название, отражающее свойства этих соединений (от лат. parrum affinis – имеющий мало сродства, малоактивный).
Предельными, или насыщенными, эти углеводороды называют в связи с полным насыщением углеродной цепи атомами водорода.

Простейшие представители алканов:

Модели молекул:

Теперь можно вывести общую формулу алканов. Число атомов углерода в ряду алканов примем за n, тогда число атомов водорода составит величину 2n+2. Следовательно, состав алканов соответствует общей формуле C_nH_2n+2.
Поэтому часто используется такое определение:

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109 о 28′, что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН₄ – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

1. Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С₄Н₁₀.

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Например, алкан состава C₄H₁₀ может существовать в виде двух структурных изомеров:

а алкан С 5 Н 12 – в виде трех структурных изомеров,отличающихся строением углеродной цепи:

При выводе структурных формул изомеров используют следующие приемы.

Алканы, начиная с этана H₃C–СН₃, существуют в различных пространственных формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию.

Различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей С–С, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).

Поворотные изомеры молекулы представляют собой энергетически неравноценные ее состояния. Их взаимопревращение происходит быстро и постоянно в результате теплового движения. Поэтому поворотные изомеры не удается выделить в индивидуальном виде, но их существование доказано физическими методами. Некоторые конформации более устойчивы (энергетически выгодны) и молекула пребывает в таких состояниях более длительное время.

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.

Изомерия этого вида называется оптической, изомеры – оптическими изомерами или оптическими антиподами:

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии.
Таким образом,

оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

Источник

Какие типы изомерии характерны для алканов

Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами.

1. Вид изомерии, при которой вещества отличаются друг от друга порядком связи атомов в молекуле, называется структурной изомерией. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами.

2. Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия).

В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или пространственные (стереохимические) формулы.

2.1. Углеводородные цепи молекул алканов могут вращаться вокруг простых связей, принимать различные геометрические формы и переходить друг в друга.

Различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путем поворота вокруг C–C связей, называются конформациями или поворотными изомерами (конформерами), а данный вид изомерии – конформационной (поворотной) изомерией.

2.2. Для предельных углеводородов, начиная с гептана, характерен еще один вид пространственной изомерии, когда два изомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют зеркальной, или оптической изомерией.

Источник

Алканы

Алканы – это предельные углеводороды, содержащие только одинарные связи между атомами С–С в молекуле, т.е. содержащие максимальное количество водорода.

Гомологический ряд алканов

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН₂– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь алкана.

Общая формула гомологического ряда алканов C_nH_2n+2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, начиная с C₁₈ – твердые вещества.

Все алканы легче воды, не растворимы в воде и не смешиваются с ней.

Строение алканов

В молекулах алканов встречаются химические связи C–H и С–С.

Связь C–H ковалентная слабополярная, связь С–С – ковалентная неполярная. Это одинарные σ-связи. Атомы углерода в алканах образуют по четыре σ-связи. Следовательно, гибридизация атомов углерода в молекулах алканов – sp 3 :

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в алканах направлены в пространстве под углом 109 о 28′ друг к другу:

Это соответствует тетраэдрическому строению молекулы.

Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов углерода.

Изомерия алканов

Структурная изомерия

Для алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.

Бутан	Изобутан

С увеличением числа атомов углерода в молекуле увеличивается количество изомеров, соответствующих данной формуле.

Количество изомеров в ряду алканов:

Оптическая изомерия

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными заместителями (атомами или атомными группами), например:

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурой, но различным пространственным строением.Молекулы таких соединений относятся друг к другу, как зеркальные изображение и предмет. При этом никаким вращением нельзя получить одну молекулу из другой.

Номенклатура алканов

Например, алкан имеет название 2-метилпропан. Для простейших алканов (метан, этан, пропан, бутан и изобутан) используют тривиальные названия. Начиная с пятиатомного углероводорода, в названии неразветвленных (нормальных) алканов используют корень, который показывает число атомов углерода в молекуле, и добавляют соответствующий суффикс (для алканов – ан, для алкенов – ен, и т.д.). Название разветвленных алканов строится по следующим правилам: 1. Выбирают главную углеродную цепь. При этом считают, что углеводородные радикалы, которые не входят в главной цепь, являются в ней заместителями. При этом главная цепь должна быть самой длинной. Например, в молекуле на рисунке главной является цепь, отмеченная на рисунке а: а б Главная цепь должна быть самой разветвленной. Например, в молекуле, изображенной на рисунках а и б, выделены цепи с одинаковым числом атомов углерода. Но главной будет цепь, изображенная на рисунке а, т.к. от нее отходит 2 заместителя, а от цепи на рисунке б – только один: а б 2. Нумеруют атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы углерода, которые соединены с заместителями, получили минимальные возможные номера. Причем нумерацию следует начинать с более близкого к старшей группе конца цепи. 3. Называют все радикалы, указывая впереди цифры, которые обозначают их расположение в главной цепи. Например, 2-метилпропан: Для одинаковых заместителей эти цифры указывают через запятую, при этом количество одинаковых заместителей обозначается приставками ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т.д. Например, 2,2-диметилпропан или 2,2,3-триметилпентан. 4. Названия заместителей со всеми приставками и цифрами располагают в алфавитном порядке. Например: 2,2-диметил-3-этилпентан. 5. Называют главную углеродную цепь, т.е. соответствующий нормальный алкан. Например, название молекулы на рисунке: Химические свойства алканов Алканы – предельные углеводороды, поэтому они не могут вступать в реакции присоединения. Для предельных углеводородов характерны реакции: Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны только радикальные реакции. Алканы устойчивы к действию сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой. 1. Реакции замещения В молекулах алканов связи С–Н более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи С–С. 1.1. Галогенирование Алканы реагируют с хлором и бромом на свету или при нагревании. При хлорировании метана сначала образуется хлорметан: Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана: Химическая активность хлора выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно. При хлорировании алканов с углеродным скелетом, содержащим более 3 атомов углерода, образуется смесь хлорпроизводных. Например, при хлорировании пропана образуются 1-хлорпропан и 2-хлопропан: Бромирование протекает более медленно и избирательно. Избирательность бромирования: сначала замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем атом водорода у вторичного атома углерода, и только затем первичный атом. С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н Например, при бромировании 2-метилпропана преимущественно образуется 2-бром-2-метилпропан: Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму. Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон. Первая стадия. Инициирование цепи. Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала: Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом. Вторая стадия. Развитие цепи. Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород. При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора: Третья стадия. Обрыв цепи. При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается. Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала: 1.2. Нитрование алканов Алканы взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140 о С и под давлением. Атом водорода в алкане замещается на нитрогруппу NO2. При этом процесс протекает также избирательно. С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н Например. При нитровании пропана образуется преимущественно 2-нитропропан: 2. Реакции разложения 2.1. Дегидрирование и дегидроциклизация Дегидрирование – это реакция отщепления атомов водорода. В качестве катализаторов дегидрирования используют никель Ni, платину Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка и др. Уравнение дегидрирования алканов в общем виде: При дегидрировании алканов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, разрываются связи С–Н у соседних атомов углерода и образуются двойные и тройные связи. Например, п ри дегидрировании этана образуются этилен или ацетилен: При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2: Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3: Алканы с более длинным углеродным скелетом, содержащие 5 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют циклические соединения. При этом протекает дегидроциклизация – процесс отщепления водорода с образованием замкнутого цикла. Пентан и его гомологи, содержащие пять атомов углерода в главной цепи, при нагревании над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи: Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды. Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол: Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол: 2.2. Пиролиз (дегидрирование) метана Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен: Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена. 2.3. Крекинг Крекинг – это реакция разложения алкана с длинной углеродной цепью на алканы с более короткой углеродной цепью и алкены. Крекинг бывает термический и каталитический. Термический крекинг протекает при сильном нагревании без доступа воздуха. При этом получается смесь алканов и алкенов с различной длиной углеродной цепи и различной молекулярной массой. Каталитический крекинг проводят при более низкой температуре в присутствии катализаторов. Процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования. Катализаторы каталитического крекинга – цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия). 3. Реакции окисления алканов Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.). 3.1. Полное окисление – горение Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты. Уравнение сгорания алканов в общем виде: При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С. Например, горение пропана в недостатке кислорода: Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода: Эта реакция используется для получения сажи. 3.2. Каталитическое окисление Продукт реакции – так называемый «синтез-газ». 4. Изомеризация алканов Под действием катализатора и при нагревании неразветвленные алканы, содержащие не менее четырех атомов углерода в основной цепи, могут превращаться в более разветвленные алканы. Например, н-бутан под действием катализатора хлорида алюминия и при нагревании превращается в изобутан: Получение алканов 1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца) Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета. Например, хлорметан реагирует с натрием с образованием этана: Хлорэтан взаимодействует с натрием с образованием бутана: Реакция больше подходит для получения симметричных алканов. При проведении синтеза со смесью разных галогеналканов образуется смесь разных алканов. Например, при взаимодействии хлорметана и хлорэтана с натрием помимо пропана образуются этан и бутан. 2. Электролиз солей карбоновых кислот (электролиз по Кольбе ) Это электролиз водных растворов солей карбоновых кислот. 2R–COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + 2CO2 + R–R В водном растворе ацетат натрия практически полностью диссоциирует: CH3COONa → CH3COO – + Na + При этом на катод притягиваются катионы натрия Na + и молекулы воды H2O. Разряжаться на катоде будут молекулы воды: Kатод(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH – На аноде окисляются ацетат-ионы, а именно, атом углерода карбоксильной группы. При этом от карбоксильной группы отрывается углекислый газ и остаются метильные радикалы, которые образуют газообразный этан: Aнод(+): 2CH3COO – – 2e = 2CO2 + CH3–CH3 Суммарное уравнение электролиза водного раствора ацетата натрия: 4. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма) Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении. R–COONa + NaOH → R–H + Na2CO3 Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты. 5. Гидрирование алкенов, алкинов, циклоалканов, алкадиенов При гидрировании этилена образуется этан: При полном гидрировании ацетилена также образуется этан: При гидрировании циклопропана образуется пропан: 6. Синтез Фишера-Тропша Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды: Это промышленный процесс получения алканов. 7. Получение алканов в промышленности Источник ← антхилл в мобайл легенд что Разбираемся с понятием развал схождения в автомобильном мире → Вам также понравится Что такое консервный уровень в geometry dash 04.06.202210.06.2022 admin 0 автор говорит что успешность выполнения любой деятельности 02.06.202203.06.2022 admin 0 какие социальные причины влияли на урбанизацию какими темпами увеличивалось население города 04.06.202207.06.2022 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.