Характерные химические свойства углеводородов: алканов, циклоалканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов (бензола и гомологов бензола, стирола)

Углеводороды – это органические соединения, которые состоят из углерода и водорода (иногда замещается на группы). Существует огромное количество углеводородов и для них существует множество классификаций.

По составу углеродного скелета делятся на:

  1. ациклические (алифатические) – определяются по числу атомов, с которыми связан углерод;

  2. циклические – имеют замкнутую цепь:
    • карбоциклические – в цикле присутствуют только атомы углерода,
    • гетероциклические – присутствуют не только атому углерода. 

По наличию кратных связей и открытости цепи:

  1. предельные – не имеют кратных связей:
    • алканы,
    • циклоалканы.

  2. непредельные – имеют кратные связи:
    • алкены,
    • диены,
    • алкины.

  3.  ароматические – имеют бензольное кольцо:
    • бензол,
    • гомологи бензола,
    • арены. 

Предельные углеводороды

Химические свойства алканов

Алканы (парафины) – это соединения, для которых характерна sp3-гибридизация и наличие только σ-связи. Используются как источник энергии в промышленности и помощник в получении белка в микробиологии. 

I. Реакции замещения

Эти реакции сопровождаются гомолитическим разрывом, который начинается в неорганических молекулах. 

Реакции замещения являются основным типом реакций, которые характерны для молекул алканов. В связи с высокой энергией ионизации в молекуле алканов очень насыщенные связи, из –за чего химическое взаимодействие затруднено. Общим для реакций замещения являются жесткость условий и наличие сильных окислителей.

  1. Галогенирование

    В ходе взаимодействия с хлором или бромом получается взрывчатое вещество, имеющее практическое значение. Взаимодействие с фтором провоцирует взрыв, не имеющее промышленного отклика. А реакция с йодом протекает очень медленно, поэтому редко проводится. 

    Идет под воздействием света. 

    CnH2n+2 + Hal2 → CnH2n+1-Hal + HHal 

    Замещение водорода проходит у наименее гидрированного атома углерода. 


  2. Нитрование

    1888 год – Коновалов открыл реакцию взаимодействия алканов с азотной кислотой (13-14 %) под воздействием температуры в 140°С. Она используется для производства ракетного топлива и взрывчатых веществ. 

    CnH2n+2 + HO-NO2 → CnH2n+1-NO2 + H2O


  3. Сульфирование

    CnH2n+2 + HO-SO3H → CnH2n+1-SO3H + H2


  4. Сульфахлорирование 

    CnH2n+2 + SO2 + Cl2 → CnH2n+1-SO2-Cl + HCl

    Эту реакцию используют при мыловарении и в производстве синтетических моющих средств. 

II. Реакции с разрывом углерод-углеродной связи

Энергия связи «углерод-углерод» высокая, поэтому она достаточно прочная. Реакций, сопровождающихся разрывом этой связи, немного и все они проходят в жестких условиях. 

  1. Окисление

    При нормальных условиях алканы не реагируют с сильными окислителями, такими как серная кислота, перманганат или дихромат калия. 

    • Горение

      CnH2n+2 + О2 → СО2 + Н2О

      Алканы горят бесцветным или голубоватым пламенем. У метана, этана, пропана, бутана и пентана копоть не наблюдается, а у соединений с длинными углеродными цепями она есть. 

    • Медленное окисление 

      Идет в присутствии катализатора.

       2 CH4 + O2 → 2 СH3OH

      4 C4H10 + 5 O2 → 4 CH3-COOH + 2 H2O


  2. Крекинг

    Это химический процесс, протекающий при действии высоких температур. В результате углеродная цепь рвется, и образуются молекулы алкана и алкена.

    С7Н16 → СН3-СН2-СН2-СН3 + СН3-СН=СН2 

    Крекинг бывает: термическим; каталитическим. 

    Для каталитической реакции используются катализаторы и меньшие температуры.

III. Реакции с разрывом углерод-водородной связи

Алканы – это вещества, с помощью которых можно получить соединения с кратными связями. 

  1. Дегидрирование

    Отщепление водорода осуществляется в присутствии катализаторов и при высоких температурах. 

    2 CH4 → C2H2 + 3 H2 

    При дегидрировании алканов с длинными углеродными цепями образуются алкены.

    СН3-СН3 → СН2=СН2 + Н2 


  2. Дегидроциклизация

    С7Н16 → С6Н5-СН3 + 4 Н2


  3. Изомеризация

    Нагревание линейных алканов с катализатором провоцирует образование веществ с разветвленным углеродным скелетом.

    CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH(CH3)-CH2-CH3 

    Из алканов получают топливо, которое широко используют в микробиологии, биотехнологиях, органическом синтезе. 

Химические и физические свойства циклоалканов

Циклоалканы (нафтены) – это насыщенные циклические углеводороды. Циклоалканы по физическим свойствам схожи с линейными алканами. Циклопропан и циклобутан – это газы, а начиная с циклопентана – жидкости с температурой кипения и плотностью выше, чем у соответствующих парафинов. Не растворяются в воде, но растворимы в эфирах. 

I. Реакции присоединения

Реакционная способность зависит от размера цикла. Низшие циклоалканы напоминают алкены, а высшие – алканы. 

  1. Галогенирование

    Действие галогена различно в зависимости от условий.

    • Малые циклы под действием света

      Малые циклы под действием света

    • Малые циклы в нормальных условиях

      Малые циклы в нормальных условиях

    • Средние циклы под воздействием света (реакция замещения) 

      1.3. Средние циклы под воздействием света (реакция замещения)

  2. Взаимодействие с галогеноводородами

    Реакция протекает в водном растворе. 

    Взаимодействие с галогеноводородами

    В случае несимметричных молекулах соблюдается правило Марковникова.

    правило Марковникова

  3. Гидрирование 

    Реакция проходит при высоких температурах и под действием таких катализаторов как никель, платина. 

    Гидрирование 

II. Дегидрирование 

Высокие температуры (500°С) по-разному действуют на малые и большие циклы. 

  • Малые

    Дегидрирование - Малые

  • Большие

    Дегидрирование - Большие

III. Горение

Устойчивость к окислителям повышается по гомологическому ряду. 

C6H12 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Q 

Циклоалканы содержатся в нефтяных продуктах, и вырабатывается некоторыми видами растений. В природе они способны подвергаться микробиологическому окислению. 

Непредельные углеводороды

Химические и физические свойства алкенов

Алкены (этиленовые углеводороды) – органические соединения, содержащие одну двойную связь. Температура плавления и кипения увеличивается по гомологическому ряду. При нормальных условиях с этена по бутен – газы, с пентена по гептадецен – жидкости, а далее твердые вещества. Они не растворяются в воде, но растворимы в эфирах. 

π- связь менее прочная, чем σ-связь. Это связано с тем, что у негибридных облаков глубина перекрывания меньше. Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения. Кроме того, алкены – это доноры электронов и их рассматривают как основания Льюиса. 

I. Реакции присоединения

Электроны π-связи находятся вне плоскости, поэтому они более доступны для атакующей электрофильной частицы. 

  1. Гидрирование

    Реакция протекает под воздействием температуры и катализатора никеля. 

    CH3-CH=CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3


  2. Гидрогалогенирование

    CH2=CH2 + HCl → CH3-CH2-Cl 

    Реакционная способность уменьшается в ряду HJ-HBr-HCl-HF. В этих реакциях действует правило Марковникова. Он утверждал, что при взаимодействии галогеноводородов или воды с несимметричными алкенами, водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, а галоген – к менее. 

    Правило имеет несколько исключений.

    • Перекисный эффект Карыша.

      Реакция подразумевает присоединение бромоводорода в присутствии перекиси водорода. 

      CH3-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2-Br

    • Присутствие в молекуле алкена электроно-акцепторных функциональных групп в sp3-части. 

      F3C-CH=CH2 + HBr → F3C-CH2-CH2-Br


  3. Галогенирование

    CH2=CH2 + Br2 → Br-CH2-CH2-Br


  4. Гидратация

    Спирты образуются при присоединении алкенов с водой в присутствии серной кислоты, высоких температурах и при оксиде алюминия.

    CH2=CH2 + HOH → CH3-CH2-OH 

II. Реакции полимеризации

Полимер – это соединение, состоящее из множества мономеров. Полимеризация не приводит к изменению качественного и количественного состава мономеров. Получение полиэтилена из этена имеет цепной или ступенчатый характер. 

  • n CH2=CH2 → (-CH2-CH2-)
  • n CH3-CH=CH2 → (-CH2-CH(CH3)-)n 

III. Реакции замещения (галогенирование)

Реакции замещения водорода могут проходить и у непредельных алкенов, но в их sp3-части. Проходят при жестких условиях – температура свыше 500°С.

CH3-CH2-CH2=CH2 + Cl2 → CH3-CH(Cl)-CH=CH2 + HCl 

IV. Окисление

Идет легко и образует разные продукты в зависимости от условий. 

  1. Горение

    Алкены горят желтым светящимся пламенем. 

    CnH2n + O2 → CO2 + H2O


  2. Неполное окисление

    Осуществляется в нейтральной среде при окислении с помощью перманганата калия. В результате образуются диолы, причем гидроксильные группы присоединяются к атомам углерода кратной связи.

     3 CH2=CH2 +4 H2O + 2 KMnO4 → 3 HO-CH2-CH2-OH + 2 MnO2 + 2 KOH 


  3. Жесткое окисление

    Проходит в кислой среде. При окислении с помощью кипящего раствора перманганата калия происходит полное разрушение кратной связи, и атомы углероды способны создать карбоновую кислоту или углекислый газ. 

    5 CH2=CH2 +18 H2SO4 + 12 KMnO4→ 10 CO2 + 12 MnSO4 + 6 K2SO4 + 28 H2O
    CH3-CH=CH2 + 3 H2SO4 + 2 KMnO4 → CH3-COOH + CO2 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 4 H2O

    В симметричной молекуле алкена образуется две молекулы одной и той же кислоты. 

    Если в соединении при кратной связи содержится два углеродных заместителя, то при окислении происходит образование кетона.

    5 (CH3)2-C=CH-CH3 + 8 KMnO4 + 9 H2SO4 → 5 CH3-COOH + 5 CH3-C(O)-CH3 + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 9 H2O

    Жесткое окисление проходит и в щелочной среде. 

    CH3-CH=CH2 + 10 KMnO4 + 13 KOH → CH3-COOH + K2SO4 + 10 K2MnO4 + 8 H2O

    Те же реакции проходят в присутствии дихромата калия. 

    Алкены – это исходный продукт в производстве полимеров и других органических веществ. 

Химические и физические свойства диенов

Алкадиены – это органические соединения, имеющие две двойные связи. Существует несколько видов диенов:

  1. с кумулированными связями – примыкают к одному углеродному атому - СН2=С=СН2;
  2. с изолированными связями – разделены одном атомом углерода – СН2=СН-СН2-СН-СН2;
  3.  с конъюгированными связями – разделены одной одинарной связью – СН2=СН-СН-СН2.

В нормальных условиях пропадиен и бутадиен-1,3 являются газами, а изопрен – летучей жидкостью. Алкадиены с изолированными связями – жидкости. Высшие диены находятся в твердом состоянии. 

I. Реакции присоединения

У кумулированых и изолированных сначала взаимодействует с реагентом одна связь, а затем другая. А у сопряженных кратные связи образуют единую систему в центре молекулы, при этом параллельно идет процесс присоединения.

  1. Гидрирование

    CH2=CH-CH=CH2 + H2 → CH3-CH=CH-CH3


  2. Галогенирование

    CH2=CH-CH=CH2 + Br2 → Br-CH2-CH=CH-CH2-Br С помощью этой реакции обесцвечивание бромная вода. 


  3. Гидрогалогенирование

    Реакция идет при нагревании в 60°С.

    CH2=CH-CH=CH2 + HBr → Br-CH2-CH=CH-CH3

II. Полимеризация 

В процессе этих реакций образуются эластомеры (синтетические каучуки). Проводится в присутствии натрия. 

CH2=CH-CH=CH2 → (-CH2-CH=CH-CH2-)n 

Алкадиены могут обесцвечивать раствор перманганата калия. 

Из диенов получают каучуки, из которых производят резину различных марок. 

Химические и физические свойства алкинов

Алкины – это органические соединения, имеющие одну тройную связь. По гомологическому ряду температура плавления и кипения увеличивается. В нормальных условиях этин, пропин, бутин – газы, с пентина по гексадецентин – это жидкости, а далее, по увеличению молекулярной массы, - твердые вещества. Температуры кипения у алкинов выше, чем у соответствующих алкенов. Плохо растворяются в воде, хорошо – в органических растворителях. 

I. Реакции присоединения

В процессе реакции присоединение происходит сначала по одной π-связи, а затем по другой. Идут по механизмам электрофильного и нуклеофильного присоединения. 

Электрофильное присоединение

  1. Гидрирование

    Идет под действием катализатора никеля. 

    CH≡CH + H2 → CH2=CH2 
    CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3 


  2. Галогенирование

    CH≡CH + Cl2 → Cl-CH=CH-Cl 
    Cl-CH=CH-Cl + Cl2 → Cl-CH(Cl)-CH(Cl)-Cl


  3. Гидрогалогенирование

    CH≡CH + HCl → CH2=CH-Cl
    CH2=CH-Cl + HCl → CH3-CH(Cl)-Cl


  4. Гидратация (реакция Кучерова)

      Вышеперечисленные реакции могут подразумевать как присоединение одной молекулы, так и нескольких. В гидратации возможно присоединение только одной молекулы воды. Реакция Кучерова проходит при температуре в 70°С и катализатора в виде сульфата ртути.

    CH≡CH + H2O → CH3-CHO 

Нуклеофильное присоединение

  1. Присоединение синильной кислоты

    Проходит в присутствии меди в аммиачном растворе. 

    CH≡CH + HCN → CH2-CH-CN 


  2. Присоединение уксусной кислоты

    CH≡CH + CH3-COOH → CH3-C(O)-O-CH=CH2


  3. Присоединение спиртов

    CH≡CH + R-OH → CH2=CH-O-R



  4.  

II. Полимеризация

  • Димеризация

    Протекает в присутствии солей меди и повышенных температурах.

    CH≡CH + CH≡CH → СH2=CH-C≡CH


  • Тримеризация (реакция Зелинского)

    Протекает в присутствии активированного углерода и температурах свыше 500°С.  3

    CH≡CH → C6H6

III. Реакции замещения

Замещение происходи у водорода, стоящего при углероде с кратной связью. 

  1. Взаимодействие с амидом натрия

    CH≡CH + NaNH2 → NaC≡CH + NH3 


  2. Взаимодействие с аммикатами серебра или одновалентной медью

    CH≡CH + Ag2O → Ag-C≡C-Ag + H2O
    CH≡CH + 2 [Ag(NH3)2]OH → CH3-C≡C-Ag + 4 NH3 + 2 H2O
    CH≡C-CH3 + [Cu(NH3)2]OH → CH3-C≡C-Cu + 2 NH3 + 2 H2O

    Получающиеся соединения взрывоопасны. Чтобы их нейтрализовать, необходимо залить их соляной кислотой. 

IV. Окисление

  1. Горение

    Этин горит с большим выделением тепла. 

    2 CH≡CH + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O + Q 


  2. Неполное окисление

    В нейтральной и слабощелочной средах образуются соли щавелевой кислоты , а окисление гомологов провоцирует разрыв тройной связи с образование солей карбоновых кислот.

    3 CH≡CH + 8 KMnO4 → 3 KOOC-COOK + 8MnO2 + 2 KOH + 2 H2

    3 CH3- C≡CH + 8 KMnO4 → CH3-COOK + 8 MnO2 + 2 K2SO4 + KHCO3 + H2O

    В кислой среде окислитель расщепляет кратную связь с образованием карбоновых кислот. 

    CH≡CH + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 → 2 CO2 + 2 MnSO4 + 4 H2O + K2SO4 
    5 CH≡CH + 8 KMnO4 + 12 H2SO4 → 5 HOOC-COOH+ 8 MnSO4 + 12 H2O + 4 K2SO4 
    5 CH3- C≡CH + 8 KMnO4 + 5 H2SO4 → 5 CH3-COOH + 5 CO2+ 8 MnSO4 + 2 K2SO4 + 12 H2O

    Только ацетилен используется в промышленности, и именно он является важным химическим сырьем.

Ароматические углеводороды

Химические и физические свойства бензола

Наличие ароматического кольца влияет на характер химических реакций. Единая 6π-система электронов устойчива, поэтому ароматическим углеводородам характерны реакции электрофильного замещения. 

Бензол – это бесцветная жидкость, имеющая резкий запах. Горит сильно коптящим пламенем. Образует с воздухом взрывчатые смеси. 

I. Реакции замещения 

Реакции замещения 

Все эти реакции протекают по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения. 


II. Реакции присоединения

Протекают только в жестких условиях. Присоединяться способны только богатые энергией реагенты. 

  1. Гидрирование

    Идет под воздействием температуры и катализаторов в виде платины. 

    Гидрирование


  2. Галогенирование под воздействием света

    Галогенирование под воздействием света


  3. Окисление

    При нормальных условиях азотная кислота, хромовая кислота и др. не могут окислить бензол. Он окисляется только в жестких условиях под действием кислорода, катализатора оксида ванадия и при температуре в 450°С.

    Окисление

Химические и физические свойства гомологов бензола

У гомологов бензола такие же физические свойства, что и у самого бензола. Во многом и химические свойства схожи.

I. Электрофильное замещение Радикалы гомологов бензола повышают электронную плотность на кольце в орто- и параположениях. 

  1. Галогенирование в ядро

    Катализатор – хлорид алюминия.

    Катализатор – хлорид алюминия


  2. Нитрование в ядро

    Нитрование в ядро


  3. Сульфирование в ядро

    Сульфирование в ядро


  4. Алкилирование в ядро

    Алкилирование в ядро

II. Реакции по боковой цепи

  1. Галогенирование

    Осуществляется в присутствии света. Принцип замещения схож с реакцией алканов. 

    C6H5-CH3 + Cl2 → C6H5-CH2-Cl + HCl 


  2. Окисление

    В отличие от бензола его гомологи способны вступать в реакции окисления. 

    C6H5-CH3 + [O] → C6H5-COOH + H2O C6H5-CH2-CH3 + [O] → C6H5-COOH + CO2

     Окисление дизамещенных гомологов происходит по такому же принципу. 


  3. Получение непредельных соединений

    Реакция проходит под действием оксида цинка. 

    C6H5-CH2-CH3 → C6H5-CH=CH2

Химические и физические свойства стирола

Стирол – это бесцветная жидкость, имеющая резкий запах. Плохо растворяется в воде, но хорошо в органических растворителях. 

I. Реакции присоединения

  1. Гидрогалогенирование

    C6H5-CH=CH2 + HCl → C6H5-C(Cl)-CH3


  2. Галогенирование

    Стирол обесцвечивает бромную воду. Реакция идет не по бензольному кольцу, а по виниловой группе. 

    C6H5-CH=CH2 + Br2 → C6H5-CH(Br)-CH2-Br

II. Полимеризация

В ходе реакции образуется полистирол – твердая стекловидная масса. 

n C6H5-CH=CH2 → (-CH2-CH-(C6H5)-)n 

При производстве полимеров активно используется стирол. На его основе создаются полистирол, пенопласт, пластики. 


 

Смотри также:

26 сентября 2020, 21:44

Комментарии

Для добавления комментариев необходимо авторизоваться.