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: С 4 Н 10 , С 5 Н 12 , С 6 Н 14 . 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) HNO 3 (разб.)/t°, р; 2) H 2 SO 4 (конц.)/20°С; 3) О 2 (пламя); 4) KMnO 4 /H 2 O, 20°C; 5) SO 2 +Cl 2 /hn; 6) HNO 3 (конц.)/20°С; 7) Br 2 /hn, 20°C; 8) Br 2 /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% HNO 3 , 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 С 5 Н 12 , 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 n H 2 n . Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp 2 -гибридизации.
Три гибридных sp 2 -орбитали такого атома углерода расположены в плоскости; угол между ними 120°. Перпендикулярно этой плоскости расположена негибридизованная р-орбиталь.
Модель молекулы этена (этилена) СН 2 = СН 2
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, H 2 SO 4 , 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.
Гептан с трудом вступает в какие-либо реакции. У этого органического вещества существует девять (а если считать еще и оптические , то можно выделить 11 изомеров). Все они имеют одинаковую эмпирическую формулу С7Н16, но различаются по структуре и, соответственно, по физическим свойствам.
Все изомеры – это бесцветные прозрачные легковоспламеняющиеся жидкости с резким запахом. Их температура кипения колеблется от 79,20оС (2.2-Диметилпентан) до 98,43оС (н-гептан). А плотность лежит в пределах от 0,6727 грамм/см3 (2,4-Диметилпентан) до 0,6982 грамм/см3 (3-Этилпентан).
Изомеры гептана практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются во многих органических жидкостях. Они малоактивны, однако могут участвовать в реакциях, протекающих с образованием свободных радикалов. Например, в реакциях галогенирования, при повышенной температуре или УФ-облучении. Однако таким образом можно осуществить фторирование, хлорирование или бромирование , а йод в реакцию с этими веществами не вступает.
Известно, что также могут участвовать в реакциях сульфохлорирования, каталитического окисления. Они способны разлагаться (для этого необходима либо весьма высокая температура, свыше 1000оС, либо присутствие специального катализатора, что позволяет проводить реакцию при более низких температурах, порядка 400 – 500оС), а также гореть в атмосфере кислорода, с образованием воды и углекислого газа. Эта реакция протекает по следующей формуле: 2 С7Н14 + 21О2 = 14СО2 + 14Н2О
При недостатке кислорода реакция может привести либо к образованию угарного газа, выглядеть формула будет так: С7Н14 + 7О2 = 7СО + 7Н2О.
Либо к образованию углерода. В этом случае записать ее можно в виде реакции: 2С7Н14 + 7О2 = 14С + 14Н2О
Как применяются изомеры гептана
Н-Гептан служит сырьем для получения некоторых видов органических соединений. Кроме того, он применяется в качестве первичного эталона при определении детонационных свойств топлива, поскольку его октановое число (показатель, характеризующий способность топлива сопротивляться самовоспламенению при сжатии) равно 0. А один из изомеров этого органического вещества 2,2,3-Триметилбутан, напротив, повышает октановое число топлива, и поэтому широко используется как присадка к нему.
Гептан (от др.-греч. ἑπτά - семь) СН 3 (СН 2) 5 СН 3 - органическое соединение класса алканов. Гептан и его изомеры - бесцветные жидкости, хорошо растворимые в большинстве органических растворителей, нерастворимые в воде. Обладают всеми химическими свойствами алканов.
Физические и химические свойства
Бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость с температурой вспышки минус 4°С, температурой самовоспламенения 223°С. Область воспламенения паров гептана в воздухе 1,1-6,7% (по объему).
Аналогичны химическим свойствам других высших алканов.
Безопасность
Эталонный нормальный гептан представляет собой углеводород парафинового ряда, обладает наркотическим раздражающим действием. Длительная работа с гептаном вызывает легкое раздражение кожи и нарушение пищеварения.
Предельно допустимая концентрация паров гептана в воздухе производственных помещений (в пересчете на углерод) 300 мг/м 3 .
Концентрацию паров гептана определяют линейноколористическим методом с помощью универсального газоанализатора.
Аппаратура и коммуникации должны быть герметизированы, помещения должны быть оборудованы надлежащей вентиляцией. При работах, связанных с получением нормального гептана персонал должен проходить медицинский осмотр раз в 12 мес.
В качестве индивидуальных средств защиты применяют фильтрующий противогаз марки А, специальную одежду, специальную обувь и предохранительные приспособления согласно действующим типовым отраслевым нормам.
При загорании эталонного нормального гептана необходимо применять следующие средства пожаротушения: песок, химическую пену, тонкораспыленную воду, инертный газ, асбестовое одеяло, порошковые и газовые огнетушители.