Углерод, конечно, нельзя отнести к числу наиболее распространенных химических элементов. В земной коре его всего лишь 0,12 %. Но от всех остальных элементов он отличается исключительным разнообразием химических соединений. Число известных в настоящее время соединений углерода более чем вдвое превышает количество соединений всех остальных элементов, вместе взятых.
Такое своеобразие углерода объясняется особыми способностями его атомов к образованию химических связей. Как правило, углерод четырехвалентен. Его атомы могут присоединяться друг к другу с образованием более или менее длинных цепей, а также колец.
Остающиеся при этом свободные единицы валентности легко насыщаются водородом. В результате получаются углеводороды. С простейшим из них - метаном - мы уже познакомились. Следующий, более сложный углеводород называется этаном. Его молекула содержит два атома углерода и шесть атомов водорода. Присоединение третьего атома углерода и насыщение свободных валентностей водородом приводит к образованию пропана с формулой С 3 Н 8 .
Следующий углеводород с четырьмя атомами углерода называется бутаном и имеет состав С 4 Н 10 . Так же можно составить все более длинные углеродные цепи. Сейчас известны члены ряда с более чем 100 атомами углерода. Углеводороды от метана до бутана при нормальных условиях газообразны. Начиная с пентана, у которого пять атомов углерода, они представляют собой жидкости. Соединения, содержащие 17 и больше атомов углерода, при комнатной температуре являются твердыми веществами.
Углеводороды метан, этан, пропан, бутан и т. д. образуют ряд соединений, очень близких друг к другу по строению и химическим свойствам. В таблице «Ряд алканов» указаны названия и формулы важнейших членов этого ряда. Очевидно, что каждое последующее вещество отличается по составу от предыдущего наличием дополнительной группы СН 2 . Поэтому общая формула углеводородов с п атомами углерода СnН 2 n+2. Таким образом, число атомов водорода в молекуле на 2 больше, чем удвоенное число атомов углерода.
Ряд алканов
|
Число атомов углерода |
Брутто-формула |
Название |
Эти два дополнительных атома водорода находятся по концам углеродной цепи. Такой ряд соединений называется гомологическим рядом. Названия отдельных членов приведенного ряда углеводородов оканчиваются суффиксом «ан», и все вместе они называются алканами.
Жидкие и твердые алканы содержатся, главным образом, в нефти, а также в смоле, полученной из бурого угля. Алканы преимущественно с шестью - десятью атомами углерода, например октан, входят в состав бензина. Следующие за ними в ряду жидкие алканы - главная составная часть дизельного топлива и смазочных масел. Смесь твердых углеводородов этого ряда получила название парафин.
Известны алканы не только с прямой, но и с разветвленной углеродной цепью. Например, для углеводорода С 4 Н 10 возможны два варианта строения:
Для следующего за ним углеводорода C 5 H 12 возможны уже три структуры:
У высших членов ряда число таких форм быстро возрастает. Расчет показывает, что для C 10 H 12 возможно уже 75, для C 13 H 28 - 802, а для С 20 Н 42 - 366 319 различных структур! Такие соединения, которые отличаются друг от друга только строением, но не составом, называются изомерами. Впрочем, как в природе, так и в технике чаще встречаются углеводороды с прямой углеродной цепью.
Схема лекции
1. Номенклатура и изомерия.
2. Номенклатура.
3. Способы получения.
4. Физические свойства и строение.
5. Химические свойства.
6. Свойства ковалентной связи.
7. Теория молекулярных орбиталей.
8. Гибридизация.
9. Классификация органических реакций.
10. Классификация органических соединений.
1. Номенклатура и изомерия.
Определение : Органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода - называются углеводородами .
Предельными насыщенными углеводородами, алканами - называются органические соединения построенные из атомов углерода и водорода, в молекулах которых каждый атом углерода соединен с соседним атомом углерода не более чем одной связью (одной валентностью). Валентности, не затраченные на соединение с атомами углерода насыщенны водородом. Все атомы углерода находятся в состоянии sр 3 -гибридизации.
Предельные углеводороды образуют гомологический ряд с общей формулой С n Н 2n+2 . Родоначальником гомологического ряда алканов является метан. Первые десять членов гомологического ряда алканов:
Метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан. гептан, октан, нонан, декан .
Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем одним соседним атомом углерода – называется первичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем двумя соседними атомомами углерода – называется вторичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем тремя соседними атомами углерода – называется третичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с четырьмя соседними атомами углерода – называется четвертичным.
Для алканов характерна структурная изомерия. Начиная с бутана – четвертого члена гомологического ряда одной молекулярной формуле могут соответствовать несколько структур:
У бутана могут существовать два изомера, у пентана – три, у гексана – пять и т. д. Число изомеров для любого гомолога можно вычислить по формуле, если известно число изомеров у предшествующего члена гомологического ряда.
Строение молекул изомерных соединений можно представить как углеродный остов, к которому присоединены одновалентные группы или остатки молекул алканов. Такие остатки носят особое название.
Определение : Остаток молекулы алкана после отнятия атома водорода называется радикалом. В данном случае алкил или алкильный радикал.
Одновалентные радикалы называется по исходной молекуле алкана. При этом суффикс «ан» предельных углеводородов - заменяется на «ил». Например:
В
зависимости от того, какой атом несет
неспаренный электрон различают первичные,
вторичные и третичные радикалы.
Неразветвленный первичный радикал
называют нормальными и обозначают
строчной буквой «н
-».
Многообразие структур органических соединений отражает номенклатура – система названий, в которой каждому названию соответствует только одно соединение.
2. Номенклатура.
В органической химии три номенклатуры. Но каждому названию должно соответствовать.
1. Тривиальная номенклатура – это система исторически сложившихся названий, но применяемых до настоящего времени. Эти названия даны в ранний период развития органической химии и не отражают строение молекул. Примерами тривиальных названий являются названия первых четырех членов гомологического ряда алканов.
2. Строение молекул учитывает рациональная номенклатура. За основу названия органического соединения принимается название первого члена гомологического ряда. Остальные соединения рассматриваются как его производные, в которых атомы водорода замещены на алкильные радикалы. Например:
Алкильные радикалы перечисляются в порядке возрастания массы. Радикал нормального строения старше радикала изомерного строения. Если замещающих радикалов больше одного, то их количество обозначается префиксами ди -три -тетра - .
По мере роста количества соединений использование рациональной номенклатуры стало неудобным, и химики перешли к рассмотрению уже атома или группы атомов, а структуру, сформированную цепью углеродных атомов.
3. Рассмотрение наибольшей цепи проводится в систематической номенклатуре. Основы систематической номенклатуры были заложены на съезде химиков в 1892г в Женеве. Что дало основу для названия номенклатуры – женевская. Усовершенствована систематическая номенклатура была на съезде в 1930г в Льеже. Появилась Льежская номенклатура. Современный вариант систематической номенклатуры принят международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC) в 1957г. и усовершенствован в 1965г.
Для того чтобы назвать органическое соединение по систематической номенклатуре необходимо:
Выбрать самую длинную (главную) цепь;
Определиться со старшинством групп;
Пронумеровать главную цепь, придавая старшей группе наименьший из номеров локантов;
Перечислить префиксы;
Составить полное название соединения.
.
Алканы - название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины - исторически сохранившееся название предельных углеводородов.
В молекулах этих соединений все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены. Вот почему эти углеводороды не способны к реакциям присоединения. В этой связи данному классу углеводородов можно дать такое определение:
Углеводороды с общей формулой C n H 2n+2 , которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами)
.
Простейшим представителем предельных углеводородов является метан.
Строение молекулы метана.
Молекулярная формула метана CH 4 .
Так как в гибридизации участвуют s
- электрон и три p
- электрона, то такой ее вид называется sp 3 - гибридизацией.
Валентный угол: 109
градусов.
Гомологи метана.
Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. "гомолог" - сходный). В из молекулах имеются два, три, четыре и более атомов углерода. Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH 2 . Например, если мысленно к молекуле метана CH 4 добавить группу CH 2 (группу CH 2 называют гомологической разностью), то получается следующий углеводород ряда метана - этан C 2 H 6 и т.д.
Гомологический рад метана.
CH 4 - Метан
C 2 H 6 - Этан
C 3 H 8 - Пропан
C 4 H 10 - Бутан
C 5 H 12 - Пентан
C 6 H 14 - Гексан
C 7 H 16 - Гептан
C 9 H 20 - Нонан
Изомерия и номенклатура.
Для составления названий предельных углеводородов с разветвленной цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названий данного углеводорода придерживаются определенного порядка:
- Выбирают в формуле наиболее длинную углеродную цепь и символы атомов углерода нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление.
- Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают место у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того 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.
Нахождение в природе.
Простейший представитель предельных углеводородов - метан - образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80 -97% ). Он содержится и в газах, выделяющихся при добыче нефти. В состав природного газа и нефтяных газов входят также этан C 2 H 6 , пропан C 3 H 8 , бутан C 4 H 10 и некоторые другие. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержаться в нефти.
Физические свойства.
Метан - газ без цвета и запаха, почти в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде. Этан, пропан, бутан при нормальных условиях - газы, от пентана до пентадекана - жидкости, а следующие гомологи - твердые вещества.
С увеличением относительных молекулярных масс предельных углеводородов закономерно повышаются их температуры кипения и плавления.
Если загородный дом расположен невдалеке от сетевых магистралей, то выбор отопительной системы очевиден: на данный момент природный газ является самым экономичным видом топлива. Но и при отсутствии центрального газоснабжения многие домовладельцы отдают предпочтение газовому отоплению. Для этого используются автономные системы, работающие на сжиженном газе.
Первым членом семьи является метан. Он образован атомом углерода, окруженным 4 атомами водорода. Другие члены отличаются добавлением атома углерода. Имена наиболее известных. В заключение отметим, что алканы имеют следующую молекулярную формулу. Они являются частью серии, называемой гомологичной. Это помогает нам понять их физические свойства, поскольку, зная одну из тех, мы можем экстраполировать результаты на другие. Основные физические характеристики.
Этан чрезвычайно широко распространен (один из постоянных компонентов природного газа). Вступает во все реакции, характерные для алканов, прежде всего – галогенирования. Оно протекает под действием ультрафиолетового облучения, в ходе которого образуются свободные радикалы – инициаторы, может быть ускорено путем нагрева. Этилен используется в промышленности: является сырьем для получения дихлорэтана, винилацетата, окиси этилена, полиэтилена разных марок, стирола, который, в свою очередь, идет на производство полистирола. Также из этилена получают этиловый спирт, уксусную кислоту, этиленгликоль. Мало того – этот газ используется для ускорения созревания овощей и фруктов.
Если загородный дом расположен невдалеке от сетевых магистралей, то выбор отопительной системы очевиден: на данный момент природный газ является самым экономичным видом топлива. Но и при...
Алканы (метан и его гомологи) имеют общую формулу C n H 2n +2. Первые четыре углеводорода называют метан, этан, пропан, бутан. Названия высших членов этого ряда состоят из корня – греческого числительного и суффикса -ан. Названия алканов положены в основу номенклатуры IUPAC.Правила систематической номенклатуры:
- Правило главной цепи.
Главную цепь выбирают, руководствуясь последовательно следующими критериями:
- Максимальное число функциональных заместителей.
- Максимальное число кратных связей.
- Максимальная протяженность.
- Максимальное число боковых углеводородных групп.
- Правило наименьших номеров (локантов).
Главную цепь нумеруют от одного конца до другого арабскими цифрами. Каждый заместитель получает номер того атома углерода главной цепи, к которому он присоединен. Последовательность нумерации выбирают таким образом, чтобы сумма номеров заместителей (локантов) была наименьшей. Это правило применяется и при нумерации моноциклических соединений.
- Правило радикалов.
Все углеводородные боковые группы рассматривают как одновалентные (односвязные) радикалы. Если боковой радикал сам содержит боковые цепи, то в нем по приведенным выше правилам выбирается дополнительная главная цепь, которая нумеруется, начиная с атома углерода, присоединенного к главной цепи.
- Правило алфавитного порядка.
Название соединения начинают с перечисления заместителей, указывая их названия в алфавитном порядке. Названию каждого заместителя предшествует его номер в главной цепи. Наличие нескольких заместителей обозначают префиксами-числителями: ди-, три-, тетра- и т. д. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи.
В табл. 12.1 приведены названия первых пяти углеводородов, их радикалов, возможных изомеров и соответствующие им формулы. Названия радикалов заканчиваются суффиксом -ил.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 12.1. Алканы ациклопического ряда C n H 2 n +2 . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Пример. Назвать все изомеры гексана.
Пример. Назвать алкан следующего строения
В этом примере из двух двенадцатиатомных цепей выбрана та, в которой сумма номеров наименьшая (правило 2).
Используя названия разветвленных радикалов, приведенных в табл. 12.2,
|
||||||||||||||||||||
Таблица 12.2. Названия развлетвленных радикалов. |
название этого алкана несколько упрощается:
10-трет-бутил-2,2-(диметил)-7-пропил-4-изопропил-3-этил-додекан.
При замыкании углеводородной цепи в цикл с потерей двух атомов водорода образуются моноциклоалканы с общей формулой C n H 2n . Циклизация начинается с C 3, названия образуются от C n с префиксом цикло:
Полициклические алканы. Их названия образуются посредством приставки бицикло-, трицикло- и т. д. Бициклические и трициклические соединения содержат соответственно два и три цикла в молекуле, для описания их строения в квадратных скобках указывают в порядке уменьшения число атомов углерода в каждой из цепей, соединяющих узловые атомы; под формулой название атома:
Этот трициклический углеводород обычно называют адамантаном (от чешского адамант – алмаз), поскольку он представляет комбинацию трех сконденсированных циклогексановых колец в форме, приводящей к такому расположению атомов углерода в кристаллической решетке, которое свойственно алмазу.
Циклические углеводороды с одним общим атомом углерода называются спиранами, например, спиро-5,5-ундекан:
Плоские циклические молекулы неустойчивы, поэтому образуются различные конформационные изомеры. В отличие от конфигурационных изомеров (пространственное расположение атомов в молекуле без учета ориентации) конформационные изомеры различаются между собой только поворотом атомов или радикалов вокруг формально простых связей при сохранении конфигурации молекул. Энергия образования стабильного конформера называется конформационной .
Конформеры находятся в динамическом равновесии и превращаются друг в друга через нестабильные формы. Неустойчивость плоских циклов вызвана значительной деформацией валентных углов. При сохранении тетраэдрических валентных углов для циклогексана C 6H 12 возможны две устойчивые конформации: в форме кресла (а) и в форме ванны (б):
|
|
|
