Материал: Ткачёв С.В. Введение в органическую химию

10. Укажите общую формулу сложного эфира:

4. УГЛЕВОДОРОДЫ. ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Углеводороды — самые простые органические соединения. В состав углеводородов входят только два элемента: углерод и водород. В зависимости от характера связей между атомами в углеродной цепи углеводороды делят на предельные (насыщенные), непредельные (ненасыщенные) и ароматические углеводороды.

Предельные углеводороды. Углеводороды с общей формулой CnH2n+2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными (насыщенными) углеводородами или алканами (парафинами). В общей формуле буква n — число атомов углерода в молекуле данного углеводорода.

Группа соединений, в которой каждый следующий член отличается от предыдущего на одну метиленовую группу (–СН2–), называется гомологическим рядом. Сходные по химическим свойствам соединения в гомологическом ряду называются гомологами. Например, гомологический ряд метана дан в табл. 2.

Остаток углеводорода без одного атома водорода называется алкильной группой или радикалом. Названия алкильных групп образуются от названий соответствующих алканов заменой окончания -ан на окончание -ил.

10

4.1. ЭЛЕКТРОННОЕ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ АЛКАНОВ

Простейший представитель алканов — метан СН4. Строение его молекулы можно выразить структурной (а) или электронной (б) формулой:

Однако эти формулы не отражают пространственного строения молекулы.

Экспериментально установлено, что молекула метана СН4 имеет форму тетраэдра с углом в 109028 между связями С – Н (рис. 3). Поскольку в молекуле метана четыре связи атома углерода расположены тетраэдрически и практически одинаковы, то для объяснения этого факта американский химик Л. Полинг в 1931 г. ввел понятие гибридизации. Сразу отметим, что гибридизиция — это не процесс, в результате которого атомы изменяются, а это просто способ, удобный для объяснения экспериментальных фактов. Согласно Л. Полингу гибридизация — это образование новых орбиталей с одинаковой энергией и симметрично расположенных в пространстве. Новые орбитали он назвал смешанными

или гибридными.

Как известно, в основном (невозбужденном) состоянии атом углерода имеет электронную конфигурацию 1s22s22p2, что изображается следующей схемой:

При образовании химической связи атом углерода переходит в возбужденное состояние и один из 2s-электронов переходит на 2р-орбиталь:

sр3 – гибридные орбитали

В возбужденном состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона: один 2s-электрон и три 2р-электрона — 1s22s12p3. При «сме-

11

шивании» одной 2s-орбитали и трех 2р-орбиталей образуются четыре одинаковые sp3-гибридные орбитали (sp3-гибридизация). Все четыре sp3-гибридные орбитали строго ориентированы в пространстве, образуя тетраэдр (рис. 3).

Н

109028

Н

С

Н

Н

Рис. 3. Образование четырех связей между sp3-гибридными орбиталями атома углерода и 1s-орбиталью атома водорода в молекуле метана

sp3-Гибридные орбитали перекрываются с 1s-орбиталями четырех атомов водорода. Образуется прочная тетраэдрическая молекула с четырьмя -связями, которые направлены под углом 109028 друг к другу (рис. 3). В молекулах алканов в образовании -связей всегда участвуют гибридные sp3-орбитали. Например, молекула этана С2Н6 образована перекрыванием двух гибридных орбиталей атомов углерода с углом 109028 между связями С – Н (рис. 4). Во всех других алканах углеродная цепь имеет в пространстве форму зигзага также с углом в 109028 между связями С – Н (рис. 5).

Для атома углерода возможны еще sp2- и sp-гибридизации, которые описываются в разделах, посвященных химическим свойствам непредельных углеводородов и бензолу. О типе гибридизации орбиталей, участвующих в образовании связей, судят по величинам углов между связями в молекуле.

Рис. 4. Образование молекулы этана

12

Рис. 5. Зигзагообразное строение углеродных цепей

4.2. ИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНОВ

Вокруг -связей возможно свободное вращение. Из-за этого в гомологическом ряду алканов наблюдается только изомерия цепи, которая характеризуется различным порядком соединения атомов углерода. Метан, этан и пропан не имеют изомеров. Бутан существует в виде двух изомеров; пентан — трех. С увеличением числа атомов углерода в молекуле число возможных изомеров увеличивается. Гексан существует в виде пяти изомеров, декан С10Н22 имеет семьдесят пять изомеров.

Для составления названий предельных углеводородов с разветвленной цепью, его рассматривают как продукт замещения атомов водорода различными радикалами. Затем поступают так.

1.Выбирают в формуле наиболее длинную углеводородную цепь и нумеруют атомы углерода с того конца, к которому ближе разветвление.

2.Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают их место у нумерованных атомов углерода. Если у одного

итого же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда номер повторяют дважды.

Число одинаковых радикалов указывают при помощи чисел на греческом языке («ди-два», «три-три», «тетра-четыре» и т. д.).

Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в нумерованной цепи. Названия углеводородов, начиная с пентана, образованы от греческих названий чисел. Для обозначения формулы углеводородов нормального строения в начале формулы названия ставят букву н: н-бутан, н-гексан и т. д.

4.3.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Унормальных алканов с увеличением длины углеводородной цепи повышаются температуры кипения и увеличиваются плотности. Метан, этан, пропан и бутан при нормальных условиях — газы, от пентана до

13

пентадекана (С15Н32) — жидкости, а следующие гомологи — твердые вещества. Температура кипения н-алканов выше, чем разветвленных изомеров. Алканы неполярны и поэтому практически нерастворимы в воде. Но они растворяются в органических растворителях, например, в бензоле

ичетыреххлористом углероде. В чистом состоянии алканы бесцветны

иимеют слабый запах.

Алканы широко распространены в природе, содержатся в нефти, природных и попутных газах.

4.4.ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

1.При обычных условиях алканы химически малоактивны и не реагируют со щелочами, кислотами и окислителями. Для алканов характерны реакции замещения, так как все атомы в молекуле связаны прочными

-связями.

При нагревании алканы вступают в реакции замещения с галогенами (реакции галогенирования), с разбавленной азотной (реакции нитрования) и концентрированной серной (реакции сульфирования) кислотами.

При нагревании смеси метана с хлором (реакция хлорирования) выше 100 С или при освещении образуется смесь хлоропроизводных метана: хлорметан, дихлорметан, трихлорметан и тетрахлорметан. Эта реакция называется цепной реакцией и осуществляется в три стадии.

А. Инициирование (зарождение цепи). Гомолитическое расщепле-

ние молекулы хлора с образованием свободных радикалов: Cl

h h

Cl Cl Cl + Cl

Свободные радикалы — это атомы или группы атомов с неспаренными электронами ( H, Cl, CH3)

Б. Развитие цепи. Радикалы хлора взаимодействуют с углеводородом и образуются свободные углеводородные радикалы.

Н

Cl + Н СН HCl + CH3

Н

14