Лекция « Алканы » Лихошерстова Е.В. Красноярск 2012

1. Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения и социального развития РоссийскойФедерацииФармацевтический колледж Лекция «Алканы» Лихошерстова Е.В. Красноярск 2012

2. План лекции 1.Понятие об алканах, гомологический ряд и общая формула алканов. Строение молекулы метана и других алканов. Изомерия алканов. Физические свойства алканов. Алканы в природе. 2.Промышленные способы получения метана. Лабораторные способы получения алканов: реакция Вюрца, гидролиз карбида кальция, гидрирование алканов. 3.Химические свойства алканов: реакции замещения. Механизм реакции радикального замещения, его стадии. Реакции горения, окисления, термического разложения, изомеризации. 4.Понятие о циклоалканах и их свойствах.

3. Класс предельные углеводороды – алканы (парафины). • 1. Общая характеристика и определение класса. • Алканы - вещества, состоящие из С и Н, причем углеродные атомы до предела насыщены атомами водорода. Между атомами углерода образуется простая сигма связь. • Энергия образования сигма связи в алканах высокая, что объясняет химическую инертность этих соединений, за что они названы парафинами. При нормальных условиях они не взаимодействуют с кислотами, щелочами, трудно окисляются. Для алканов типичными являются реакции замещения и разложения. • Гомологический ряд. • Гомологи – вещества, имеющие одинаковое строение, свойства, но различаются на несколько групп СН2 . • СН4 метан • С2Н6 СН3 СН3этан • С3Н8 Н3С  СН2 СН3пропан • Н3С  СН2 СН2 СН3бутан • С5Н12пентан • С6Н14гексанС7Н16 гептан • С8Н18 октан • С9Н20нонан • С10Н21 деканОбщая формула Сn H2n+2

4. Свойство гомологов изменяться закономерно с увеличением числа С  Н атомовtº кипения, tº плавления, удельный вес. Зная свойства 1го гомолога можно предсказать свойства последующих. С1  С4- газы С5  С14- жидкости С15и выше - твёрдые В гомологическом ряде проявляется один из законов природы – переход количественных изменений в качественные. Алкилы (радикалы). СnН2n + 1 Если от каждого гомолога СН4отнять по атому водорода, то образуется группа атомов со свободной валентностью, эта частица называется радикал (R). • Радикалы активны, существуют доли секунды. Соединяются с такими же радикалами или атомами, образуя новые молекулы. • –СН3 метил • - СН2 СН3 этил • - СН2 СН2 СН3 (пропил) • СН3 •  • - СН3 С изопропил •  • Н

5. Изомерия • Изомерия алканов зависит от углеродного скелета. • У бутана два изомера, у кентана – 3, у гексана – 5, у гектана – 9, у октана – 18 и т.д. • С5Н12 • СН3 СН2 СН2 СН2 СН3н – пентан • СН3 СН  СН2 СН3 2-метил бутан •  • СН3 • СН3 •  • СН2 С  С 2,2-диметилпропан •  • СН3

6. Номенклатура алканов. • Для алканов типичной является международная номенклатура. По данной номенклатуре выбирают самую длинную углеродную цепь. • Нумеруют углеродные атомы в цепи, начиная с того конца, где ближе расположены меньшие из радикалов и где их больше. • выносят цифры, указывающие, при каких углеродных атомах находится радикал. Считают, называют их. Заканчивают название алканом прямой цепи. • СН3 • 543 • Н3С  СН2 С СН3 • 2 • СН3С  СН3 2, 2, 3, 3 - тетраметилпентан • 1 СН3

7. Большинство алканов распространены в природе в составе природного газа, нефти и продуктов её переработки. Твёрдые углеводороды помимо нефти входят в состав природного минерального сырья – озокерита. • В промышленных условиях и в лабораториях некоторые алканы получают синтетически. • 1. Гидрирование непредельных углеводородов. • t, Ni • Н3С  СН  СН2 + Н2 СН3СН2 СН3 • пропан • пропен • 2. Из галогенопроизводных углеводородов при обработке их щелочными металлами (реакция Вюрца). В данной реакции образуются алканы с более длинным углеродным скелетом или разветвленной структуры. • t • СН3СН2 (Cl + 2Na + I)  СН3NaCl + NaI + СН3СН2 СН3 • хлорэтанйодметан пропан • t • СН3СН2 СН2Br + 2K  2KBr + СН3СН2 СН2 СН3

8. 3. Крекинг алканов. • t450500C, Р 25 атм. • СН3СН2 СН2 СН2 СН3-------- СН3СН3 + СН2 = СН3 СН2 • этан пропен • 4. Лабораторный способ - разложение солей карбоновых кислот сухими щелочами. • О t • СН3 — С + NaОН  СН4 + Na2CО3 • ОNa • ацетат натрия сухая щелочь • (сухой) • Оt • СН3 — СН2 — СН2 — С + NaОН  СН3 — СН2 — СН3 + Na2CО3 • ОNa • бутират натрия сухая щелочь пропан

9. Физические свойства • В природе алканы встречаются в виде трех агрегатных состояний: жидком, твердом и газообразном. С1-С4-газы, бесцветные, без запаха, нерастворимы в воде, плохо – в органических растворителях. С воздухом дают взрывчатые смеси. Жидкие (С5-С14) обладают запахом бензина, керосина, нерастворимы в воде, сами-хорошие растворители. Твердые алканы (С14 и выше)-твердые, без запаха, жирные на ощупь, нерастворимы в воде, растворяются в жидких алканах. Примером смеси жидких, твердых и газообразных алканов является нефть. Озокерит является природным источником твердых алканов. Его используют при ревматических заболеваниях подобно парафину. • Химические свойства • Алканам характерна прочная σ –связь, поэтому для них характерны реакции расщепления, замещения. • Реакции замещения. • Значение имеют реакции алканов с галогенами, образуется различные галоидопроизводные углеводородов. Со взрывом идет реакция со фтором, при ярком солнце – с хлором и бромом. С йодом идет очень медленно. При галогенировании идет постепенное замещение атомов водорода на атомы галогена. • Н Н •  свет  • Н  С  Н + ClClHCl + Н С  Н - хлорметан •  • Н Cl

10. Н Cl •  • Н  С  Н + ClClHCl Н С  Н - дихлорметан •  • Н Cl • Н2С + Cl2HCCl3 + HCl • хлороформ • HCCl3 + Cl2 CCl4 + HCl • Все галогенопроизводные метана используются промышленностью в очень больших количествах. • Гомологи метана галогенируются легче, особенно те, которые имеют в молекуле третичные или вторичные углеродные атомы. • Галогенопроизводные применяются в технике, медицине, органическом синтезе.

11. Взаимодействие алканов с азотной кислотой (HNO3) (реакция нитрования). • Реакция Коновалова • Н Н • t • СН3 С  СН3 + НОNO2H2О + СН3 С  СН32 - нитропропан •  • Н NO2 • нитропроизводные применяется в составе реактивного топлива, для получения аминов. • Аналогично протекает реакция сульфирования. • Реакции разложения. • Разложение алканов протекает по С  С цепи. При термическом крекинге образуются молекулы предельного и непредельного углеводородов. • t 500ºC • С6Н14 С3Н8 + С3Н6 • Р 25 атм пропан пропен • При температуре и катализаторе идёт каталитический крекинг при этом молекула алкана может превратиться в циклические или ароматические соединения.

12. В процессах каталитического крекинга некоторые алканы могут изомеризоваться. • (Соединения с прямым скелетом могут разветвляться). • Важным свойством алканов является реакция дегидрирования – отщепление водорода. При этом образуются алкены, алкины. • Н Н • t, Ni • Н3С  С  С  Н H2 + СН3 СН = СН2 • пропен • Н Н • пропан

13. Механизм реакции замещения и разложения • Все реакции в алканах протекают по свободно-радикальному механизму. Инициатором в реакции выступает яркий солнечный свет. Начинается процесс с расщепления молекул галогена и образования свободных радикалов. Эти радикалы (атомы хлора Cl) активно взаимодействуют с алканами. • свет • : ClCl: Cl + Cl • RR • H H •  • H  C  H + ClHCl +  CH •  • H H • R – метил • H3C + Cl CH3Cl + Cl •  • Cl

14. Отдельные представители • Значение из группы алканов имеют: метан, вазелиновое масло, вазелин, парафин. • СН4 находит широкое применение в химической промышленности, быту. Газ обладает высокой теплотворной способностью. • t • СН4 + 2О2 СО2 + Н2О + Q • Из СН4можно получить более тысячи соединений. • t 1000С • 2СН4 С2Н2 + 3Н2 • ацетилен • свет • СН4 + 3Cl2HCCl3 + 3HCl • хлороформ • t 1500С • СН4 С + 2Н2 • сажа • Сажа используется для вулканизации каучука, получения красителей, черной туши. • Водород используется для получения HCl, NH3, для гидрирования жиров в промышленности. • t, катализатор • СН4 + Н2О ---------- СО2 + 3Н2синтез – газ.

15. Вазелиновое масло – смесь алкановС10 – С14 • Жидковатая маслообразная смесь без запаха, применяется при выпечке хлеба для смазки форм, в фармации, как слабительное при хронических запорах (особенно у детей). • Вазелин – смесь жидких и твёрдых углеводородов с С14 – С25 – полужидкая бесцветная масса без запаха, нерастворима в воде, легче воды, без вкуса, не впитывается кожей. Применяется как основа для мазей и в косметологии. • Парафин - смесь твёрдых углеводородов с С17 – С25 – беловатый или желтоватый, жирный на ощупь, обладает большой теплоемкостью, при повышении температуры плавится. Применяется в медицине при ревматических заболеваниях, артритах, как противовоспалительное средство. В пищевой промышленности – для предохранения продуктов от порчи (сыр). Применяется для изготовления свечей, мастики и крема для обуви

16. Ответить на вопросы • Запишите общую формулу алканов. 2. Постройте изомер октана с двумя четвертичными атомами углерода и назвать изомер. С8Н18 3.Что такое крегинг? Какие виды крекинга вы знаете? 4.Приведите уравнение реакции Вюрца. 5. Приведите уравнение реакции Коновалова.

17. Основные источники: • Тюкавкина Н.А., Лузин А.П., Зурабян С.Э. Органическая химия. Москва. "Медицина", 2002. – 512с. • Дополнительные источники: • Артеменко А.И. Органическая химия.: Изд. 2-е, испр. – М.: Высшая школа, 2001. – 536 с. • Габриелян О.С. Практикум по общей, неорганической и органической химии: Уч. пос. для студ. проф. уч. завед. - М.: Академия, 2007.- 256 с. • Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/ • КонТрен - Химия для всех. Учебно-информационный сайт. Студентам ХФ, учителям химии, школьникам и абитуриентам[Электронный ресурс]. URL: http://kontren.narod.ru/