Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Октября 2011 в 14:11, лекция
Органическая химия изучает соединения углерода – углеводороды и их производные. Углеводородами называют простейшие органические вещества, в состав которых входят атомы только двух элементов – углерода и водорода. Говоря о производных, имеют в виду более сложные вещества, которые могут быть получены замещением атомов водорода в углеводородах на атомы других элементов (O, S, N, P, Cl и т.д.) или на сложные группировки атомов.
Гомологические
ряды – явление общее для
1.2. Строение алканов
Общая черта в строении насыщенных соединений – простая или одинарная связь между атомами углерода. Такую связь называют s-связью, которая образуется в результате перекрывания sp3 – орбитали одного атома углерода с sp3 – орбиталью другого атома углерода. Ось симметрии этой связи совпадает с прямой, соединяющей ядра атомов углерода. s-связь между атомами углерода и водорода формируется в результате перекрывания s – орбитали водорода с sp3 – орбиталью углерода (рис. 6).
В этане длина
углерод-углеродной связи С –
С равна 0,154 нм, С – Н связи
0,110 нм, а валенный
угол равен 109°5/ (рис. 7).
Как
уже отмечалось, изомерия проявляется
в существовании различных
Первые члены гомологического ряда парафинов – метан, этан, пропан существуют только в одной форме, они не имеют изомеров. У бутана возможно два изомера. Для углеводорода С5Н12 (пентан) известны три изомера. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле возрастает и число теоретически возможных изомеров. Так, для гексана оно равно 5, октана – 18, нонана – 35 и т.д.
Как строятся названия изомеров?
Существуют различные системы номенклатуры органических соединений. На международных совещаниях химиков была выработана международная систематическая номенклатура. В основу её положено название углеводородов нормального (неразветвлённого) строения: метана, этана, пропана и т.д.
Чтобы составить название углеводорода с разветвлённой цепью, его рассматривают как продукт замещения атомов водорода в нормальном углеводороде углеводородными радикалами.
Углеводородными радикалами называют одновалентные остатки, получающиеся при отнятии атома водорода от алканов. Их называют ещё алкильными радикалами или алкилами. Например, если у метана (СН4) отнять один атом водорода, получается радикал метил (СН3 –), у этана (СН6) – радикал этил (С2Н5 –) и т.д. (см. табл.2). Название радикалов производится от названия углеводородов с заменой окончания АН на ИЛ.
При составлении названия углеводорода необходимо:
Все эти правила легко понять на следующих примерах. Назовём все возможные изомеры бутана.
СН3 – СН2 – СН2 – СН3
н-бутан изобутан или
(н – нормального строения) 2 – метилпропан
У пентана три изомера:
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3
н-пентан изопентан или изопентан или
и последнее правило:
3-метил
5-этил гептан
По рациональной (или ядерной) номенклатуре
алканы рассматривают как производные
простейшего углеводорода – метана,
в молекуле которого один или несколько
углеродных атомов замещены на радикалы.
Эти заместители (радикалы) называют
по старшинству (от менее сложных к более
сложным). Если эти заместители одинаковые,
то указывают их количество. За ядро принимают
атом углерода, имеющий наибольшее количество
заместителей. В основу названия включают
слово «метан»:
тетраметилметан метилэтилизопропилметан
(2,2-диметилпропан) (2,3-диметилпентан)
1.4. Химические свойства
предельных углеводородов
В химическом отношении алканы мало активны, за что и были названы парафинами (от латинского parum affinis – лишённые сродства). Химическое поведение насыщенных углеводородов определяется характером и прочностью имеющихся в их молекулах s-связей. Наиболее характерные для алканов – реакции замещения: галогенирование, нитрование. Они протекают по радикальному механизму (SR). Наиболее изучен механизм замещения водорода в алканах при их хлорировании.
1. Хлорирование. В обычных условиях молекулярный хлор практически не реагирует с насыщенными углеводородами. Только в атомарном состоянии они способны вырывать атом водорода из молекулы алкана. Для этого необходим разрыв молекулы галогена до свободных атомов, которые инициируют цепную реакцию. Процесс протекает энергично на свету или при достаточно высокой температуре (250 – 400 °С). Молекула хлора расщепляется на два атома. Эта стадия называется зарождение цепи.
Cl : Cl Cl× + Cl×
В следующей стадии атом хлора атакует атом водорода в молекуле метана, при этом образуется свободный радикал – метил:
Н3С:Н + × Cl H3C × + H:Cl
Затем
метильный радикал атакует
H3C × + Cl:Cl H3C:Cl + Cl×
Атом хлора атакует следующую молекулу и т.д.:
СН3Сl + × Cl × CH2Cl + HCl
× CH2Cl + Cl:Cl CH2Cl2 + HCl
Такой процесс называется развитие цепи.
Возможен и другой процесс – обрыв цепи: два метильных радикала взаимодействуют между собой, два атома хлора и т.д.
H3C × + ×СН3 СН3 – СН3
Cl × + × Cl Cl2
Таким образом, процесс галогенирования относится к цепным реакциям. В результате замещения атома водорода в метане галогеном можно получать различные производные: одно-, ди-, три-, тетра-галогензамещённые метана:
СН4 + Cl2 ® CH3Cl + HCl
хлорметан
CH3Cl + Cl2 ® CH2Cl2 + HCl
дихлорметан
CH2Cl2 + Cl2 ® CHCl3 + HCl
трихлорметан (хлороформ)
CHCl3 + Cl2 ® CCl4 + HCl
тетрахлорид углерода
2. Нитрование. При обычных температурах алканы устойчивы к действию концентрированной азотной кислоты. Однако при нагревании их с разбавленной азотной кислотой до 140 °С и высоком давлении идёт реакция нитрования – замещения водорода на нитрогруппу. Эта реакция впервые была описана М.И. Коноваловым (1889 г.).
Азотная
кислота распадается с
HNO3 D HO× + NO2×
Далее идёт замещение по SR механизму:
СН4 + ×ОН ® ×СН3 + Н2О