Химические свойства алканов

А.В. Варламов, Е.А. Сорокина, Никитина Е.В.

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для студентов I курса специальности «Лечебное дело»

Москва

Издательство Российского университета дружбы народов

2009

А.В. Варламов, Е.А. Сорокина, Никитина Е.В.

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для студентов I курса специальности «Лечебное дело»

Москва

Издательство Российского университета дружбы народов

УГЛЕВОДОРОДЫ

Органические соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Скелет их молекул построен только из атомов углерода. В зависимости от последовательности соединения атомов углерода в углеродном скелете молекулы различают углеводороды линейного, разветвленного и циклического строения.

Углерод может находится в sp³-, sp²-, sp-гибридизованном состоянии. В зависимости от этого характер связей между атомами углерода может различаться (s- и p-связи). Существуют насыщенные (алканы), ненасыщенные (алкены и алкины) и ароматические углеводороды. Многообразие их обусловлено существованием гомологов (т.е. углеводородов, различающихся числом атомов углерода в цепи) и изомеров (углеводороды, отличающиеся порядком соединения атомов углерода). В зависимости от их молекулярной массы углеводороды при обычных условиях могут быть газообразными, жидкими или твердыми. Они не растворимы в воде. Все они горят. В зависимости от процентного содержания углерода в молекуле углеводорода пламя имеет различную окраску, что позволяет сделать предварительное предположение о содержании углерода в молекуле. Так, метан и другие, низкомолекулярные алканы горят на воздухе неокрашенным пламенем, алкены и алкины – светящемся пламенем. Алкины и ароматические углеводороды сильно коптят, так как не весь углерод успевает сгореть.

АЛКАНЫ

Алканами называются углеводороды, в которых атомы углерода и водорода соединены между собой только s-связями. Углерод в алканах находится в sp³-гибридизации. Общая формула С_nH₂_n+2. В алканах углерод образует максимальное для него количество s-связей, поэтому алканы еще называют насыщенными углеводородами. sp³-Гибридизованный атом углерода имеет тетраэдрическое строение, угол между связями 109°28^¢.Начиная с четвертого члена гомологического ряда возможно существование изомеров.

Основные природные источники насыщенных углеводородов – нефть и природный газ. Однако из нефти трудно выделить индивидуальные углеводороды, поэтому необходимо прибегать к синтетическим методам.

Способы получения алканов

Химические свойства алканов определяются их строением. Алканы при обычных условиях не обесцвечивают бромную воду и раствор марганцовокислого калия. Насыщенные углеводороды способны только к реакциям замещения. Для них возможно окисление при повышенной температуре, нитрование и сульфоокисление или сульфохлорирование. При высокой температуре алканы подвергаются крекингу. Эти реакции протекают по радикальному механизму, так как только такая высокоактивная частица как радикал может разрушить прочную С-Н или С-С – связи.

Химические свойства алканов

На схеме представлено два типа реакций: разложение и замещение. Все они протекают как радикальные. Гомолитическое расщепление С-Н связей протекает либо под действием нагревания (дегидрирование), либо под действием радикальных частиц образующихся из реагентов (Br•, Cl•, NO2•). Окисление происходит только в жестких условиях (высокая температура).

Пример механизма реакции радикального замещения:

При бромировании и нитровании по Коновалову образуются преимущественно вторичные и третичные галоидные алкилы и нитрозамещённые, так как вторичные радикалы более устойчивы по сравнению с первичными.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Опыт 1. Горение алканов.

Поместите в фарфоровые чашечки 2 мл гептана и 0.5 г парафина, подожгите. (Опыт выполняется под тягой). Проследите за характером пламени. Напишите уравнения горения гептана и парафина. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 2.Взаимодействие алканов с бромом.

Налейте в две пробирки по 1 мл бромной воды. В одну пробирку добавьте 1 мл н-гептана, в другую – 1 мл циклогексана. Встряхните содержимое пробирок. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 3.Взаимодействие алканов с раствором перманганата калия.

В две пробирки налейте по 1 мл раствора перманганата калия. В первую пробирку добавьте 1 мл гептана, а во вторую – 1 мл циклогексана. Встряхните пробирки. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 4.Получение метана.

Пробирку с газоотводной трубкой, в которую помещена смесь ацетата натрия и натронной извести (смесь гидроксида натрия и оксида кальция), нагрейте в пламени горелки до тех пор, пока не начнёт выделяться газ. (Чтобы увидеть выделение газа, опустите газоотводную трубку в пробирку с 2 мл воды). Подожгите газ. Докажите что выделяющийся газ – алкан (опыты 2 и 3).

Уравнение реакции образования метана из ацетата натрия.

Задачи (алканы)

1. Какова общая формула гомологического ряда алканов? Напишите структурные формулы и назовите изомеры состава: С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₁₄. Укажите в этих формулах первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

2. Напишите структурные формулы изомеров гептана, содержащих третичные и четвертичные атомы углерода и назовите их.

3. Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие углеводороды:

4. С какими из приведенных соединений реагирует н-бутан в указанных условиях? 1) HNO₃ (разб.)/t°, р; 2) H₂SO₄ (конц.)/20°С; 3) О₂ (пламя); 4) KMnO₄/H₂O, 20°C; 5) SO₂+Cl₂/hn; 6) HNO₃ (конц.)/20°С; 7) Br₂/hn, 20°C; 8) Br₂/20°C (в темноте). Напишите уравнения этих реакции.

5. Какие, монохлорпроизводные образуются при хлорировании: а) пропана, б) 2-метилбутана, в) 2,2-диметилпропана? Каковы условия реакции? Каков механизм реакции?

6. При хлорировании 2-метилпропана в условиях радикального замещения получаются 2 изомерных монохлорпроизводных. Какова их структура, и какой из них образуется легче? Каковы условия реакции?

7. Напишите реакцию нитрования по Коновалову (10% HNO₃, 140°С, давление) для следующих углеводородов: этана, пропана, 2-метилбутана. Назовите продукты реакции. Какой из них будет образовываться легче всего? Укажите механизм реакции.

8. Напишите структурную формулу углеводорода состава С₅Н₁₂, если при его бромировании получается только третичное бромпроизводное.

9. Напишите механизм реакции фотохимического сульфохлорирования н-гексана. Что такое СМС? На каких свойствах основано их применение?

10. Получите этан всеми известными Вам методами, дайте определение s-связи. Каковы её основные отличия от ионной связи?

АЛКЕНЫ

Алкенами называются углеводороды, имеющие между атомами углерода двойные связи. Они имеют общую формулу C_nH₂_n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации.

Три гибридных sp²-орбитали такого атома углерода расположены в плоскости; угол между ними 120°. Перпендикулярно этой плоскости расположена негибридизованная р-орбиталь.

Модель молекулы этена (этилена) СН₂ = СН₂

Одна из кратных связей, образованная за счёт перекрывания гибридных орбиталей, называется s-связью. Другая связь, образованная за счёт бокового перекрывания р_z-орбиталей, называется p-связью. Она менее прочна, чем s-связь. Электроны p-связи более подвижны, чем электроны s-связи. В алкенах p-связь расположена в плоскости перпендикулярной плоскости расположения s-связей.

Для этиленовых углеводородов возможно два типа изомерии: структурная (изомерия цепи и изомерия положения кратной связи) и геометрическая (цис-транс) изомерия. Геометрическая изомерия обусловлена различным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи.

У цис-изомеров заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи, у транс-изомеров – поразные. Транс-изомеры термодинамически более устойчивы, чем цис-, так как у них отсутствует стерическое (пространственное взаимодействие между заместителями).

Методы получения алкенов основаны на отщеплении водорода, галогенов, воды или галогеноводородов под действием нагревания или соответствующих реагентов (NaOH/ спирт, H₂SO₄, t°C).

Химические свойства алкенов связаны с наличием у них p-связи, которая легко переходит в более устойчивые s-связи, т.е. вступает в реакцию присоединения.

Также легко происходит окисление двойных связей водным раствором перманганата калия.

Эти реакции называются реакциями электрофильного присоединения и протекают в две стадии.

Присоединение к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова. Преимущественное образование вторичных и третичных производных обусловлено тем, что промежуточно образуется наиболее стабильный третичный или вторичный катион.

Для идентификации алкенов используется их способность к реакциям присоединения. Алкены обычно при комнатной температуре присоединяют бром, образуя бесцветные бромпроизводные, т.е. происходит обесцвечивание бромной воды.

Так же легко происходит обесцвечивание водного раствора перманганата калия. Это тоже проба на двойную связь.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Опыт 1. Горение алкенов.