При наличии разных заместителей их названия расставляют по алфавиту, т. е., например, сначала метил, а затем этил.
Для некоторых разветвленных предельных углеводородов используются, наравне с систематическими, традиционные названия, например, для алканов состава С4Н10 и С5Н12 с формулами:
Такие же названия используются для разветвленных радикалов:
При обычных условиях первые алканы – метан, этан, пропан и бутан (С1—С4) – представляют собой газы без цвета и запаха, малорастворимые в воде. Последующие гомологи (С5—C15) – жидкости (при 20 °C), высшие гомологи (C16 и выше) – твердые вещества.
В алканах атомные орбитали углерода имеют sр3-гибридизацию; четыре электронных облака атома углерода направлены в вершины тетраэдра под углами 109,5°. Ковалентные связи, образуемые каждым атомом углерода, в алканах малополярны.
Поэтому алканы – сравнительно инертные вещества, вступают только в реакции замещения, протекающие с симметричным (радикальным) разрывом связей С – Н. Эти реакции обычно идут в жестких условиях (высокая температура, освещение). В результате становится возможным замещение водорода на галоген (CI, Br) и нитрогруппу (NO2), например, при обработке метана хлором:
Вторая и последующие стадии реакции протекают легче, чем первая, из-за смещения электронной плотности к атому хлора:
и увеличения подвижности остающихся атомов водорода. Названия продуктов: СН3Cl – хлорметан, СН2Cl2 – дихлорметан, СНCl3 – трихлорметан (хлороформ), СCl4 – тетрахлорметан (тетрахлорид углерода).
В тех алканах, где кроме первичных есть также вторичные и третичные атомы углерода, замещение обычно протекает с образованием смеси однозамещенных продуктов (т. е. в каждой молекуле замещается один атом водорода), например:
Циклоалканы – предельные углеводороды циклического строения, общая формула гомологического ряда СnH2n (п 3), формула совпадает с таковой для алкенов. Важнейшие циклоалканы:
При комнатной температуре С5Н10 и С6Н12 – бесцветные жидкости, малорастворимые в воде. Химические свойства циклоалканов подобны свойствам алканов, например:
Получение: источниками алканов и циклоалканов в промышленности служат нефть, природный газ, каменный уголь. В лаборатории применяют такие способы синтеза алканов:
1) реакция Вюрца – действие натрия на галогенпроизводные углеводородов:
2) каталитическое гидрирование этиленовых углеводородов (катализаторы Pt, Pd, Ni):
3) сплавление солей карбоновых кислот с гидроксидом натрия:
Циклоалканы синтезируют из дигалогенпроизводных алканов:
Алканы широко используются как исходное сырье в химической промышленности, моторное топливо (бензин, керосин и др.); циклоалканы применяются в органическом синтезе.
При горении метана выделяется много теплоты:
Поэтому его (в виде природного газа) применяют в качестве топлива в быту и в промышленности.
9.2. Алкены. Алкадиены
Алкены (олефины) – это углеводороды, в молекулах которых содержатся атомы углерода, соединенные между собой двойной связью (непредельные углеводороды ряда этилена). Простейший представитель — этилен С2Н4, общая формула гомологического ряда этиленовых углеводородов СnН2n (при п ≥ 2).
Систематические названия олефинов производятся от корней названий алканов с заменой суффикса – ан → – ен:
Сохраняются также традиционные названия с заменой суффикса – ан на – илен: С2Н4 – этилен, С3Н6 – пропилен, С4Н8 – бутилен; использование названия амилен для алкена С5Н10 не рекомендуется.
Положение двойной связи С=С в изомерах строения (начиная с алкена С4) указывается цифрой после названия:
Радикал этилена – этенил СН2=СН – обычно называют винил, пропена – пропенил СН2=СН – СН2 – именуют аллил.
Другой вид изомерии в непредельных углеводородах, помимо структурной изомерии, осуществляется потому, что атомы углерода, образующие двойную связь, находятся в sр2-гибридном состоянии; σ-составляющая двойной связи С=С и σ-связи С – Н лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу, а π-составляющая двойной связи С=С представляет собой электронное облако, вытянутое в направлении, перпендикулярном плоскости о-связей. Следствием такого строения алкенов является возможность геометрической изомерии (или цис-транс-изомерии) в зависимости от положения заместителей (атомов или радикалов):
(цис – от лат. «рядом, по одну сторону», транс – от лат. «напротив, по разные стороны»).
Алкены С2—С4 при комнатной температуре – бесцветные газы со слабым запахом нефти, малорастворимые в воде; алкены С5—C18 – жидкости, алкены C19 и выше – твердые вещества.
Важнейшие химические свойства алкенов определяются тем, что в силу меньшей прочности π-связи (по сравнению с σ-связью) она легко разрывается, в результате чего протекают реакции присоединения и образуются насыщенные органические соединения. Как правило, такие реакции идут в мягких условиях, часто на холоду и в растворителях, например воде, тетрахлорметане СCl4 и др.:
Аналогично протекает взаимодействие алкенов с бромоводородом:
Присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам теоретически может привести к двум продуктам:
Согласно правилу Марковникова, присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам протекает так, что водород направляется к атому углерода, который уже содержит большее число атомов водорода. В приведенной выше реакции продуктом будет 2-иодпропан СН3СН(I)СН3.
По правилу Марковникова протекает и реакция гидратации, т. е. реакция присоединения воды в присутствии серной кислоты. Она происходит в две стадии:
а) вначале образуется алкилсерная кислота, т. е. H2SO4 присоединяется к алкену:
б) затем происходит ее необратимый гидролиз:
Алкены обесцвечивают раствор перманганата калия на холоду в нейтральной среде, при этом образуются гликоли (двухатомные спирты):
Алкены способны вступать в реакции полимеризации:
Качественные реакции на алкены – обесцвечивание бромной воды и раствора КMnO4 (уравнения реакций см. выше).
Алкадиены – непредельные углеводороды, в молекулах которых содержатся две связи С=С. Общая формула алкадиенов СnН2n-2 (n ≥ 3), формула совпадает с таковой для алкинов.
Примеры:
Большое практическое значение имеют сопряженные диены, в молекулах которых связи С=С разделены одинарной связью С – С:
Дивинил и изопрен – традиционные названия.
Дивинил – бесцветный, легко сжижающийся (при -4,5 °C) газ, изопрен – низкокипящая (34,1 °C) жидкость.
Алкадиены вступают в те же реакции присоединения, что и алкены. Сопряженные диены имеют особые свойства, в частности, в реакциях присоединения; они образуют продукты 1,4-присоединения с одной двойной связью посредине:
(далее возможно образование 1, 2, 3, 4-тетрабромбутана).
Алкадиены способны полимеризоваться с образованием каучуков:
Полиметилбутадиеновый каучук – это полимер, существующий в природе (натуральный каучук), а полибутадиеновый каучук получен искусственно (С. В. Лебедев, 1932 г.) и называется синтетическим каучуком.
Получение: для алкенов в промышленности используют метод каталитического дегидрирования алканов:
В лаборатории алкены получают:
1) дегидратацией спиртов (отщепление воды от спиртов):
