Для циклоалканов характерна структурная изомерия: Изомерия циклоалканов

Строение. Изомерия и номенклатура — Циклоалканы — Предельные углеводороды — Органическая химия

10 января 2007

Циклоалканы — это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда:/>

    циклопропан                  циклобутан

Общая формула гомологического ряда циклоалканов C_nH_2n. Точно такой же формулой описывается гомологический ряд алкенов. Из чего следует, что каждому циклоалкану изомерен соответствующий алкен. Это пример так называемой «межклассовой» изомерии ./>

Строение. Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp³-гибридизации и образует четыре s-связи С-С и С-Н. Углы между связями зависят от размера цикла. В простей­ших циклах С₃ и С₄ углы между связями С-С сильно отличаются от гетраэдрического угла 109,5°, что создает в молекулах напря­жение и обеспечивает их высокую реакционную способность. Свободное вращение вокруг связей С-С, образующих цикл, невозможно.

Изомерия и номенклатура. 1) Для циклоалканов как и для всех классов органических соединений, характерна изомерия углеродного скелета (структурная изомерия). Структурная изомерия для циклоалканов, во-первых, обусловлена размером цикла. Так, существует два циклоалкана формулы С

2) Отсутствие свободного вращения вокруг связей С-С в цикле создает предпосылки для существования пространствен­ных изомеров у некоторых замещенных циклоалканов. Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН₃ могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):/>

    цис-изомер              транс-изомер

По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых мы рассмотрим малые (С₃, С₄) и обычные (С

Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода. Нумерацию в цикле производят таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера.

Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и  опуская символы атомов углерода и водорода.

Циклоалканы, подготовка к ЕГЭ по химии

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены) — циклические насыщенные углеводороды, по химическому строению близкие к алканам. Содержат только простые одинарные сигма связи (σ-связи), не содержат ароматических связей.

Циклоалканы имеют большую плотность и более высокие температуры плавления, кипения, чем соответствующие алканы. Общая формула их гомологического ряда — C_nH_2n.

Номенклатура и изомерия циклоалканов

Как и у алканов, атомы углерода циклоалканов находятся в sp³ гибридизации.

Помимо изомерии углеродного скелета, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами и пространственная геометрическая изомерия в виде существования цис- и транс-изомеров.

Получение циклоалканов

В промышленности циклоалканы получают несколькими способами:

• Из ароматических углеводородов

Циклоалканы можно получить гидрированием (присоединением водорода) бензола и его гомологов.

• Циклизация алканов

При наличии катализатора и повышенной температуры алканы способны образовывать цикл, отщепляя при этом водород.

В лабораторных условиях циклоалканы можно получить реакцией дегалогенирования дигалогеналканов.

• Дегалогенирование дигалогеналканов (внутримолекулярная реакция Вюрца)

Химические свойства циклоалканов

Важно заметить, что циклопропан и циклобутан вступают в реакции присоединения, проявляя свойства ненасыщенных соединений. Для циклопентана и циклогексана реакции присоединения не характерны, они преимущественно вступают в реакции замещения.

• Гидрирование

Наиболее легко в реакции гидрирования вступают циклопропан и циклобутан. Циклопентан и циклогексан не вступают в реакции гидрирования (в рамках вопросов ЕГЭ — не вступают, но на самом деле эти реакции идут, просто крайне затруднены).

• Галогенирование

Без освещения реакция циклопропана и циклобутана с хлором идет по типу присоединения. При освещении хлор образует свободные радикалы, реакция идет, как и у алканов, по механизму замещения.

У циклопентана и циклогексана реакция идет только путем замещения.

• Гидрогалогенирование

В реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения, вступают циклопропан и циклобутан.

• Дегидрирование

При отщеплении водорода от циклогексана образуется бензол, при наличии радикалов — гомологи бензола.

• Изомеризация

В ходе нагревания с катализатором — AlCl₃ циклоалканы образуют изомеры.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Циклоалканы

Циклоалканы

Нелюбин Владислав, Бочков Иван 10А

Циклоалканы, также нафтены, циклоны или циклопарафины – ациклические насыщенные углеводороды, по химическим свойствам близки к предельным углеводородам. Входят в состав нефти. Циклоалканы открыты В.В. Марковниковым в 1883 году. (Циклопарафины главным образом находятся в составе некоторых нефтей. Отсюда и другое название циклопарафинов — нафтены)

Номенклатура:

Циклоалканы – это циклические углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей и соответствующие общей формуле: Cnh3n.

Циклопропан:                                          Циклогексан:

Прочность связей в циклических соединениях зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла. Она определяется степенью его напряженности, обусловленной изменением валентных углов атомов цикла и отклонением этих атомов от нормального направления.
Для циклопропана межъядерные углы составляют 60º, как в равностороннем треугольнике, для циклобутана – 90º, как в квадрате, а в циклопентане – 108º, как в правильном пятиугольнике. Нормальный валентный угол для атома углерода – 109,5º. Поэтому при расположении в названных соединениях всех атомов углерода в одной плоскости уменьшение валентных углов составляет в циклопропане – 49,5º, в циклобутане – 19,5º, в циклопентане – 1,5º.

Для циклогексана, как правильного шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º. Если бы молекула циклогексана имела плоское строение, то отклонение от нормального валентного угла атома углерода составляло:109,5º–120º = 10,5º.
Однако циклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемой молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его существования в двух конформациях «кресла» и «ванны». Конформация «кресла» менее напряжена, поэтому циклогексан существует преимущественно в виде конформеров I и III, причем цикл претерпевает непрерывную инверсию  с промежуточным образованием конформера II:

ось симметрии                         II                                     III      
I                                                                         

Двенадцать связей С-Н, которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся на два типа. Шесть связей направлены радиально от кольца к периферии молекулы и называются экваториальными связями (e- связи), остальные шесть связей направлены параллельно друг другу и оси симметрии и называются аксиальными (a- связи). Три аксиальные связи направлены в одну сторону от плоскости цикла, а три – в другую (имеется чередование: вверх-вниз)

Физические свойства:

При обычных условиях первые два члена ряда (С₃ — С₄) — газы, (С₅ — С₁₆) — жидкости, начиная с С₁₇ — твёрдые вещества.  Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов Циклоалканы в воде практически не растворяются, зато растворяются в химических растворителях.  При увеличении числа атомов углерода  возрастает молярная масса, следовательно, увеличивается температура плавления.

Таблица физических свойств: 

Для циклоалканов характерна пространственная изомерия и изомерия углеродного скелета. Также, поскольку формулы циклоалканов и алкенов совпадают, то изомерами циклоалканов являются и алкены.

При наличии двух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия. Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться по одну сторону плоскости кольца (такой изомер называется цис-изомером) и по разные стороны (такой изомер называется транс-изомером).

Естественно, что при наложении друг на друга моделей цис- и транс- изомеров они не совмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим его замыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла и образованием новой связи с другой стороны цикла.

Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии. При наложении модели молекулы цис-изомера с одинаковыми заместителями и ее зеркального отражения они совмещаются, в то время как таковое невозможно для цис-изомера с различными заместителями. Для транс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможно как при одинаковых, так и различающихся заместителях.

Химические свойства:

Химические свойства циклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, тем не менее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла 109°28’, свойственного sp3-гибридизованному атому углерода.

Это приводит к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действием реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакции присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакций присоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду: циклопропан > циклобутан >> циклопентан.

Наиболее устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие виды напряжения.

Реакции:

Малые циклы (C3, C4, C5) вступают в реакцию гидрирования:

Циклопропан вступает в реакции галогенирования и гидрогалогенирования:

В других циклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому строению молекул. Поэтому для циклоалканов (С5 и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т.е. реакции замещения:

Им также характерны реакции дегидрирования, и окисления в присутствии катализатора:

Получение циклоалканов:

 1)    При переработке нефти:

2)  Дегалогенирование дегалогенпроизводных:

3) Гидрирование бензола и его гомологов:    

4)Получение пиролизом солей дикарбоновых кислот. Циклопентан и циклогексан образуются при пиролизе (нагревании без доступа воздуха) кальциевых солей соответственно гександикарбоновой и гептандикарбоновой кислот и воставлении образующихся кетонов:

Значение для человека.

Циклоалканы находят применение в разных областях  хозяйства. Так, циклопентан используется в разных синтезах и как добавка к моторному топливу для повышения качества. Циклогексан используется для синтеза полупродуктов при производстве синтетических волокон нейлона и капрона.

Циклопропан используют в медицине  как наркотический препарат (в соединении с кислородом), он оказывает сильнейшее обезболивающее действие. Также циклоалканы содержатся в сильнейших растительных ядах, зафиксировано примерно 100 тыс. смертей после отравление ими. Циклоалканы присутствуют в незаменимых гормонах, без которых человеку не выжить, в желчных кислотах, и в половых гормонах — тестостерон, — основной мужской половой гормон, без которого невозможно размножение.

ЗАДАНИЯ:
Номенклатура
1.1) Выберите из данных названий корректные:
2,3-диметилциклопропан, 1-метил-4-бутилциклопентан, 1,5-диметилциклогексан, изопропил-циклобутан, 1-метил-3-этилциклобутан, циклоэтан, циклопентан,  1,2-диизобутанциклобутан, 1,2-дибутадиенциклопентан, бутил-циклобутан.
1.2) Из предыдущего пункта выберите вещества, которые существуют, но имеют другое название. Дайте им правильное название.

Изомерия углеродного скелета
2.1) Напишите всех изомеров циклопентана (и дайте название). К каким классам веществ они принадлежат?
2.2) Чего больше – изомеров декана или циклодекана? Чего больше – алканов вида C100h302 или циклоалканов вида C100h300?

Химические свойства:
3.1)Почему в реакции с малым циклом он распадается, в отличие от большого цикла? Какой цикл является самым устойчивым?
3.2) Получите за несколько реакций из циклогексана фенолят натрия. Какое наименьшее число реакций вам понадобилось?

Напоминание:  По правилам международной номенклатуры главной считается цепь углеродных атомов, образующая цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавление приставки “цикло” (циклобутан, циклопентан). При наличии заместителей нумерацию углеродных атомов в кольце проводят так, чтобы номера заместителей были как можно меньше. Если заместитель один, его номер в цикле не пишется.

ОТВЕТЫ:

1.1)    1-метил-3-этилциклобутан, циклопентан, 1,2-диизобутанциклобутан, бутил-циклобутан.
1.2)    2,3-диметилциклопропан – 1,2-диметилциклопропан, 1-метил-4-бутилциклопентан – 1-бутил-3-метилциклопентан.
2.1)    Это циклоалканы и алкены. Циклоалканы: метил – циклобутан, 1,2-диметилциклопропан,этил-циклопропан. Алкены: пентен-1, пентен-2, 2-метилбутен-1, 3-метилбутен-1, 2-метилбутен-2, 2,2-диметилпропен.
2.2)     Изомеров циклодекана, циклоалканов вида C100h300.
3.1)     В малых циклах большое напряжение, они стремятся раскрыться под действием реагентов. Самым устойчивым является шестичленный цикл.
3.2)     К примеру: циклогексан – бензол – хлорбензол — фенол – фенолят натрия. Возможно, можно получить быстрее, чем за 4 реакции

ВИДЕО:

Видео YouTube

Видео YouTube

Видеоурок по химии «Циклоалканы»

Урок позволяет сформировать у учащихся представления о циклоалканах как о карбоциклических соединениях. Он познакомит их с общей формулой класса, номенклатурой и изомерией циклоалканов, их физическими и химическими свойствами, а также способами получения циклоалканов. Как известно, атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей и циклов.

Первым, кто выдвинул идею о том, что атомы углерода образуют циклы, был А. Кекуле (1829−1896). Считают, что такая идея возникла у него после того, как он увидел в зоопарке обезьян, которые схватили друг друга за лапы и хвосты. Некоторые считают, что во сне ему приснилась извивающаяся змея, которая ухватила себя за хвост и замерла.

В молекуле циклоалканов атомы углерода связаны между собой одинарными ковалентными связями. Для циклоалканов характерна sp³-гибридизация атомных орбиталей. На свойства циклоалканов оказывает влияние устойчивость цикла, которая зависит от его размера. Например, углеродная цепь более устойчива, если валентный угол близок к тетраэдрическому. Поэтому трёх-и четырёхчленные циклы менее устойчивы, чем пяти-и шестичленные.

Общая формула циклоалканов отличается от общей формулы алканов, так как для того, чтобы образовался цикл, нужно отщепить у алкана 2 атома водорода. И общая формула циклоалканов будет C_nH_2n. Например, у гексана формула С₆Н₁₄, а у циклогексана С₆Н₁₂.

Циклоалканы относятся к карбоциклическим соединениям, то есть соединениям, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.

Таким образом, циклоалканы — органические соединения, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.

Молекулы циклоалканов могут содержать заместители, связанные с циклом: метилциклопропан, 1,3-диметилциклопентан, метилциклогексан.

Рассмотрим изомерию циклоалканов: например, циклоалканы могут различаться числом атомов углерода в цикле.

Как, например, метилциклопетан и циклогексан. Изомерные циклоалканы различаются и строением заместителей. Например, этилциклобутан и 1,2-диметилциклобутан. Циклоалканы различаются также положением заместителей в цикле. Например, 1,1-диметилциклобутан и 1,3-диметилциклобутан.

Составим всевозможные изомеры к циклоалкану состава С₅Н₁₀. Это цикл, который состоит из пяти томов углерода, — циклопентан, затем четыре атома углерода могут образовывать цикл, а один атом углерода входить в состав заместителя. Это метилциклобутан. Существуют также изомерные циклоалканы состава С₅Н₁₀, молекулы которых включают цикл из трех атомов углерода. В этом случае с циклом связаны либо две метильные группы, причем метильные группы могут находиться как у одного атома углерода, так и у соседних, либо одна этильная группа: 1,1-диметилциклопропан, 1,2-диметилциклопропан, этилциклопропан.

Кроме того, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами. Так, между собой будут изомерны циклобутан и бутен-1.

Для циклоалканов, содержащих два и более заместителя, возможна пространственная изомерия — конформационная изомерия. При этом происходит превращение одной формы в другую без разрыва связей, а происходит лишь разворот атомов относительно друг друга. То есть молекула как бы выворачивается. Эти структуры между собой являются конформерами. Конформерами циклогексана будут «кресло», «ванна» или «лодка», также «твист».

Рассмотрим номенклатуру циклоалканов. Основные принципы построения названий такие же, как и в случае алканов, только вместо наиболее длинной углеродной цепи (главной цепи) в качестве основы выбирают цикл. Атомы углерода в цикле нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Принадлежность соединения к классу циклоалканов указывает приставка цикло- и суффикс — ан-.

По своим физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан — газы, С₅ — С₁₀ — бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы являются твердыми веществами.

Циклоалканы практически нерастворимы в воде.

Химические свойства циклоалканов с различным числом атомов углерода в цикле существенно различаются. Например, для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Циклопентан и циклогексан, наоборот, по химическим свойствам близки к алканам: так же, как и алканы, они не реагируют с кислотами и щелочами, но для них характерны реакции замещения с галогенами.

Циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды. Так, при горении циклогексана образуется углекислый газ и вода.

Трёх и четырёхчленные циклы менее устойчивы, поэтому для них характерны реакции присоединения.

Реакции галогенирования. В реакции циклобутана с хлором идёт реакция присоединения, в результате образуется 1,4-дихлобутан, а в реакции циклогексана с хлором идёт реакция замещения, в результате реакции образуется хлорциклогексан.

Пяти- и шестичленные циклы вступают и в реакцию нитрирования. Так, в реакции циклогексана с азотной кислотой образуется нитроциклогексан.

При повышенной температуре циклоалканы вступают в реакции присоединения. Так, при гидрировании циклопропана образуется пропан.

Циклоалканы вступают в реакции дегидрирования. При пропускании паров циклогексана над нагретым никелевым, платиновым или палладиевым катализатором образуется бензол.

В конце 19 века химики установили, что в состав нефти входят циклоалканы. Изучением их строения и свойств занимался русский химик

В. В. Марковников. Именно он назвал эти соединения нафтенами (от греч. naphtha — нефть). Особенно велико содержание нафтенов в бакинской нефти, откуда их можно выделить фракционной перегонкой.

Циклоалканы можно получить при гидрировании бензола и его гомологов. Так, при гидрировании метилбензола образуется метилциклогексан.

Циклоалканы можно получить и при дегалогенировании дигалогенпроизводных. Так, при действии цинка или магния на 1,3-дибромпропан образуется циклопропан.

Циклоалканы встречаются в природе. Они входят в состав нефти. Циклоалканы являются компонентами бензина. Из циклогексана получают капролактам — исходное вещество для синтеза капрона. Циклопропан применяется в медицине как обезболивающее средство.

Урок химии в 10-м классе. Тема: «Циклоалканы»

Тема: Циклоалканы. (Циклопарафины. Нафтены.)

Цели: Изучить циклоалканы, как один из классов карбоциклических  соединений.  

ТДЦ

Образовательные:

— продолжить формирование понятия об основных классах углеводородов;
— начать формировать понятие о  карбоциклических соединениях;           
— изучить строение, номенклатуру и изомерию циклоалканов;
— рассмотреть основные способы получения и применения циклоалканов;
— изучить химические свойства циклоалканов и генетическую связь с другими классами углеводородов.

Развивающие:

 — развивать когнитивную сферу учащихся ;
— развивать общеучебные умения и навыки учащихся;
— развивать умения анализировать и делать самостоятельные выводы;

Воспитательные:

— прививать культуру умственного труда и сотрудничества;
— воспитывать дисциплинированность;
— воспитывать коллективизм и чувство ответственности;
— способствовать созданию благоприятного психо-эмоционального климата на уроке;

Тип урока:  урок усвоения новых знаний.

Методы усвоения: словесные ( рассказ, объяснение, беседа; демонстрационные, немостративные).

ФОПД: фронтальная, индивидуально-обособленная, групповая (динамические группы).

Технология: элементы технологии «Сотрудничества» и «Проблемного обучения».

Оборудование: модели молекул Стюарта-Бриглеба.

1. Организационный момент. Вступление. Оценка эмоционального состояния учащихся по 10-балльной шкале.

2. Изучение новой темы. По ходу объяснений учитель на доске, а учащиеся у себя в тетрадях делают опорный конспект:                                                             

Циклоалканы.

Циклоалканы относятся к карбоциклическим углеводородам.

Карбоциклическими углеводородами называют вещества, молекулы которых содержат замкнутую цепь атомов углерода (цикл).

Строение.
Циклоалканы – это циклические углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей и соответствующие общей формуле .  (sp³- гибридизация).

Изомерия и номенклатура.

Для циклоалканов характерна структурная изомерия, связанная с размером цикла:

— со взаимным расположением заместителей в кольце:

-Со строением заместителя:

Межклассовая изомерия.

Циклоалканы изомерны алкенам .

Для циклоалканов содержащих 2 и более заместителя, возможна пространственная изомерия.

Получение.

1. Гидрирование бензола.

2. Дегалогенирование дигалогенопроизводных .

3. Пиролиз солей дикарбоновых кислот.

Химические свойства.

Реакции присоединения.

1.  Гидрирование (при повышенной температуре):

2. Галогенирование (бромирование).

3. Гидрогалогенирование:

Реакции замещения.

1.Галогенирование (бромирование):

2.Нитрование:

Реакции дегидрирования. (р. разложения)

3. Закрепление. Ответить на вопросы 1-4, с.121.

Тест.

1.Укажите, какие из веществ, формулы которых приведены ниже, являются изомерами н-гексена:

2.Общая формула гомологического ряда циклоалканов:

3. Сколько различных циклопарафинов соответствует молекулярной формуле

а) 4                                              б) 2
в) 5                                              г) 3

4.Уравнение полного сгорания циклопропана:

5.Сколько  веществ соответствует молекулярной формуле

а) 5                                                          б) 6
в) 7                                                          г) 8

6. Тип гибридизации циклоалканов:
а) sp³  —                                                    б) sp²  —
в) sp –

7.Тип ковалентной связи у циклоалканов:

а) σ – связи                                              б) π — связи       
в) σ и π связи  

8. Типы изомерии у циклоалканов:
а) структурная                                        б) межклассовая  
в) геометрическая                                  г) структурная, межклассовая и геометрическая

Д/з: § 15. Самостоятельно изучить применение и генетическую связь циклоалканов с другими классами органических соединений.

Циклоалканы. — химия, уроки

План учебного занятия № 20

Дата Предмет Химия группа

Ф.И.О. преподавателя: Кайырбекова И.А.

Тема: Циклоалканы.

Цели: Изучить циклоалканы, как один из классов карбоциклических  соединений.  

Задачи: Образовательные:

— продолжить формирование понятия об основных классах углеводородов; начать формировать понятие о  карбоциклических соединениях; изучить строение, номенклатуру и изомерию циклоалканов; рассмотреть основные способы получения и применения циклоалканов; изучить химические свойства циклоалканов и генетическую связь с другими классами углеводородов.

Развивающие:

 — развивать когнитивную сферу учащихся ; общеучебные умения и навыки учащихся;  развивать умения анализировать и делать самостоятельные выводы;

Воспитательные:

— прививать культуру умственного труда и сотрудничества; воспитывать дисциплинированность; коллективизм и чувство ответственности; способствовать созданию благоприятного психо-эмоционального климата на уроке;

Тип урока:  урок усвоения новых знаний.

ІІ. Ожидаемые результаты:

А) Учащиеся должны знать: строение, свойства циклоалканов

Ә) Учащиеся должны уметь: сравнивать, доказывать

б) учащиеся должны владеть: работы с химическими реактивами соблюдая ТБ

ІІІ. Метод и приемы каждого этапа занятия: словесно- наглядный, объяснительно- илюстративный IV. Средства: интерактивная доска, учебник

Ход урока

1. Организационный момент. Вступление. Оценка эмоционального состояния учащихся по 10-балльной шкале.

2. Актуализация опорных знании:

Решить задачу:

При сжигании 2,1 г вещества образуется 6,6 г оксида углерода (IV) и 2,7 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 2,91. Определите молекулярную формулу данного вещества.
3. Фронтальная беседа по вопросам:
а) Какие вещества называют гомологами? изомерами?
б) Почему углеводороды называют предельными?
в) Почему углеводородная цепь (у предельных углеводородов) имеет зигзагообразное строение? Почему эта цепь может принимать в пространстве разные формы?
г) Почему атомы углерода соединяются в цепи?
д) В чем причина многообразия органических соединений?

II. Изучение нового материала (лекция)
1. Понятие о циклопарафинах.
Кроме рассмотренных предельных углеводородов с открытой цепью атомов — парафинов, существуют углеводороды замкнутого, циклического строения. Их называют циклопарафинами, например:

Общая формула циклопарафинов: С_пН_2п.
Циклопарафины называют также циклоалканами. Пяти- и шестичленные циклопарафины были впервые открыты в нефти профессором Московского университета В. В. Марковниковым. Отсюда их другое название — нафтены. Молекулы циклопарафинов часто содержат боковые углеродные цепи:

2. Строение циклопарафинов. Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp³-гибридизации и образует четыре δ-связи С — С и С — Н. В простейших циклах С₃ и С₄ углы между связями С — С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109°28 что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность. 

Свободное вращение вокруг связей С-С, образующих цикл, невозможно.
3. Изомерия и номенклатура. Для циклоалканов характерны два вида изомерии.
а) 1-й вид — структурная изомерия — изомерия углеродного скелета Но структурная изомерия может быть обусловлена разными причинами.  Во-первых, размером цикла. Например, для циклоалкана С₄Н₈ существует два вещества: Также к структурной изомерии относится межклассовая. Например, для вещества С₄Н₈ можно записать структурные формулы веществ, относящихся к разным классам углеводородов.

б) 2-й вид — пространственная изомерия у некоторых замещенных циклоалканов обусловлена отсутствием свободного вращения вокруг связей С — С в цикле.Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропанадве группы СН₃ могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер).

4. Физические свойства циклопарафинов.
При обычных условиях первые два члена ряда (С₃ и С₄) — газы, C₅ – С₁₀ — жидкости, высшие — твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов, как и их плотности, несколько выше, чем у парафинов с равным числом атомов углерода. Как и парафины, циклоалканы практически нерастворимы в воде.

5. Химические свойства.
По химическим свойствам циклоалканы, в частности циклопентан и циклогексан, сходны с предельными углеводородами. Они химически малоактивны, горючи, вступают в реакцию замещения с галогенами.
в) Также они вступают в реакцию дегидрирования в присутствии никелевого катализатора. По химическому характеру малые циклы (циклопропан и циклобутан) склонны к реакциям присоединения, в результате которых происходит разрыв цикла и образуются парафины и их производные, чем они напоминают ненасыщенные соединения.

а) Присоединение брома
Получение циклопарафинов.

а) Циклопентан, циклогексан и их производные составляют основную часть некоторых сортов нефти. Поэтому их получают в основном из нефти.

б) Общим способом получения циклоалканов является действие металлов на дигалогенопроизводные алканов.

7.Применение циклоалканов. широко используются для синтеза красителей, медикаментов и т.д. Циклопропан применяют для наркоза. Циклопентан используется как добавка к моторному топливу для повышения качества последнего и в разных синтезах. Циклогексан используют главным образом для синтеза адипиновой кислоты и капролактама — полупродуктов для производства синтетических волокон найлон и капрон.

IV. Закрепление знаний и умений.

Задача 1. При сгорании вещества массой 4,2 г образуется 13,2 г оксида углерода (IV) и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 2,9. Определите молек. формулу данного

вещества.

Задача 2. При сгорании 7,5 г вещества образуется 11 г оксида углерода (IV) и 4,5 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 14. Определите молекулярную формулу данного вещества.

V. Домашнее задание: Конспект читать. 11-13 упр стр 38

№1.Закончите уравнения: циклопропан + водород; сгорания циклопропана; циклогексана.

№2. Составьте уравнения реакции, при помощи которых можно получить: циклобутан из бутана; бутан из циклобутана; углекислый газ из циклопропана; бензол из гексана.

№3 Определите объем циклобутана, если при его сжигании выделилось 134,4 литра углекислого газа.

Циклоалканы

1. Понятие о циклопарафинах.
Кроме рассмотренных предельных углеводородов с открытой цепью атомов — парафинов, существуют углеводороды замкнутого, циклического строения. Их называют циклопарафинами, например:
Общая формула циклопарафинов: С_пН_2п.
Циклопарафины называют также циклоалканами. Пяти- и шестичленные циклопарафины были впервые открыты в нефти профессором Московского университета В. В. Марковниковым. Отсюда их другое название — нафтены. Молекулы циклопарафинов часто содержат боковые углеродные цепи:
2. Строение циклопарафинов. Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp³-гибридизации и образует четыре δ-связи С — С и С — Н. В простейших циклах С₃ и С₄ углы между связями С — С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109°28 что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность. 

3. Изомерия и номенклатура. Для циклоалканов характерны два вида изомерии.
а) 1-й вид — структурная изомерия — изомерия углеродного скелета Но структурная изомерия может быть обусловлена разными причинами.  Во-первых, размером цикла. Например, для циклоалкана С₄Н₈ существует два вещества: Также к структурной изомерии относится межклассовая. Например, для вещества С₄Н₈ можно записать структурные формулы веществ, относящихся к разным классам углеводородов.

б) 2-й вид — пространственная изомерия у некоторых замещенных циклоалканов обусловлена отсутствием свободного вращения вокруг связей С — С в цикле.Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропанадве группы СН₃ могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер).

4. Физические свойства циклопарафинов.
При обычных условиях первые два члена ряда (С₃ и С₄) — газы, C₅ – С₁₀ — жидкости, высшие — твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов, как и их плотности, несколько выше, чем у парафинов с равным числом атомов углерода. Как и парафины, циклоалканы практически нерастворимы в воде.

5. Химические свойства.
По химическим свойствам циклоалканы, в частности циклопентан и циклогексан, сходны с предельными углеводородами. Они химически малоактивны, горючи, вступают в реакцию замещения с галогенами.
в) Также они вступают в реакцию дегидрирования в присутствии никелевого катализатора. По химическому характеру малые циклы (циклопропан и циклобутан) склонны к реакциям присоединения, в результате которых происходит разрыв цикла и образуются парафины и их производные, чем они напоминают ненасыщенные соединения.

а) Присоединение брома

Получение циклопарафинов.

а) Циклопентан, циклогексан и их производные составляют основную часть некоторых сортов нефти. Поэтому их получают в основном из нефти.

б) Общим способом получения циклоалканов является действие металлов на дигалогенопроизводные алканов.

7.Применение циклоалканов. широко используются для синтеза красителей, медикаментов и т.д. Циклопропан применяют для наркоза. Циклопентан используется как добавка к моторному топливу для повышения качества последнего и в разных синтезах. Циклогексан используют главным образом для синтеза адипиновой кислоты и капролактама — полупродуктов для производства синтетических волокон найлон и капрон.

V. Домашнее задание: Конспект

№1.Закончите уравнения: циклопропан + водород; сгорания циклопропана; циклогексана.

№2. Составьте уравнения реакции, при помощи которых можно получить: циклобутан из бутана; бутан из циклобутана; углекислый газ из циклопропана; бензол из гексана.

№3 Определите объем циклобутана, если при его сжигании выделилось 134,4 литра углекислого газа.

Характерные химические свойства углеводородов. Механизмы реакций | ЕГЭ по химии

Характерные химические свойства углеводородов: алканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов

Алканы

Алканы — углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле $С_{n}Н_{2n+2}$.

Гомологический ряд метана

Как вы уже знаете, гомологи — это вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп $СН_2$.

Предельные углеводороды составляют гомологический ряд метана.

Изомерия и номенклатура

Для алканов характерна так называемая структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Как вам уже известно, простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан:

Рассмотрим подробнее для алканов основы номенклатуры ИЮПАК:

1. Выбор главной цепи.

Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.

2. Нумерация атомов главной цепи.

Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (—$СН_3$), затем пропил ($—СН_2—СН_2—СН_3$), этил ($—СН_2—СН_3$) и т. д.

Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.

3. Формирование названия.

В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую ($2.2-$). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д.).

Названия веществ, структурные формулы которых приведены выше, следующие:

— структура А: $2$-метилпропан;

— структура Б: $3$-этилгексан;

— структура В: $2,2,4$-триметилпентан;

— структура Г: $2$-метил $4$-этилгексан.

Физические и химические свойства алканов

Физические свойства. Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы. Простейший из них — метан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах газа, почувствовав который, надо звонить $104$, определяется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах, для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от $С_5Н_{12}$ до $С_{15}Н_{32}$ — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые вещества.

Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.

Химические свойства.

1. Реакции замещения. Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения наиболее характерных реакций.

Галогенирование:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+{CH_2Cl_2}↙{\text»дихлорметан(хлористый метилен)»}$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+{CHСl_3}↙{\text»трихлорметан(хлороформ)»}$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+{CCl_4}↙{\text»тетрахлорметан(четыреххлористый углерод)»}$.

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.

2. Дегидрирование (отщепление водорода). В ходе пропускания алканов над катализатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при высокой температуре ($400–600°С$) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:

$CH_3—CН_3→СH_2=CH_2+Н_2↑$

3. Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться. Горение предельных углеводородов — это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

$C_{n}H_{2n+2}+({3n+1}/{2})O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термическое расщепление углеводородов:

$C_{n}H_{2n+2}{→}↖{400-500°C}C_{n-k}H_{2(n-k)+2}+C_{k}H_{2k}$

Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов:

$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена:

$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса — крекинга углеводородов. Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.

При нагревании метана до температуры $1000°С$ начинается пиролиз метана — разложение на простые вещества:

$CH_4{→}↖{1000°C}C+2H_2↑$

При нагревании до температуры $1500°С$ возможно образование ацетилена:

$2CH_4{→}↖{1500°C}CH=CH+3H_2↑$

4. Изомеризация. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:

5. Ароматизация. Алканы с шестью и более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизируются с образованием бензола и его производных:

В чем причина того, что алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму? Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных $С—С$ (углерод — углерод) связей и слабополярных $С—Н$ (углерод — водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т.е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т.к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Алкены

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкадиены (полиены), алкины. Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалкены), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома). Свойство непредельности связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных, углеводородов — алканов.

Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n}$.

Свое второе название — олефины — алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров — масел (от лат. oleum — масло).

Гомологический ряд этена

Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена):

$С_2Н_4$ — этен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_{10}$ — пентен, $С_6Н_{12}$ — гексен и т. д.

Изомерия и номенклатура

Для алкенов, так же, как и для алканов, характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, — это бутен:

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:

$СН_3—{СН_2}↙{бутен-1}—СН=СН_2$ $СН_3—{СН=СН}↙{бутен-2}—СН_3$

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии — геометрической, или цис-транс изомерии.

Цис-изомеры отличаются от транс-изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости $π$-связи, а следовательно, и свойствами.

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

Номенклатура алкенов, разработанная ИЮПАК, схожа с номенклатурой алканов.

1. Выбор главной цепи.

Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.

2. Нумерация атомов главной цепи.

Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь. Например, правильное название соединения:

$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, как можно было бы предположить.

Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей, так же, как для предельных углеводородов.

3. Формирование названия.

Названия алкенов формируются так же, как и названия алканов. В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, — -ен.

Например:

Физические и химические свойства алкенов

Физические свойства. Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы; вещества состава $С_5Н_{10}$ – $С_{16}Н_{32}$ — жидкости; высшие алкены — твердые вещества.

Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Химические свойства.

Реакции присоединения. Напомним, что отличительной чертой представителей непредельных углеводородов — алкенов является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

1. Гидрирование алкенов. Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования, металлов — платины, палладия, никеля:

$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.

Эта реакция протекает при атмосферном и повышенном давлении и не требует высокой температуры, т.к. является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция — дегидрирование.

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе ($CCl_4$) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалоген алканов:

$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода).

$CH_3-{CH}↙{пропен}=CH_2+HBr→CH_3-{CHBr}↙{2-бромпропен}-CH_3$

Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:

При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т.е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.

4. Гидратация (присоединение воды).

Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта:

${CH_2}↙{этен}=CH_2+H_2O{→}↖{t,H_3PO_4}CH_3-{CH_2OH}↙{этанол}$

Обратите внимание на то, что первичный спирт (с гидроксогруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.

Эта реакция протекает также в соответствии с правилом Марковникова — катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа — к менее гидрированному.

5. Полимеризация. Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:

$nCH_2{=}↙{этен}CH_2{→}↖{УФ-свет,R}(…{-CH_2-CH_2-}↙{полиэтилен}…)_n$

Эта реакция присоединения протекает по свободнорадикальному механизму.

6. Реакция окисления.

Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием $СО_2$ и $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2↑+2Н_2О$.

В общем виде:

$C_{n}H_{2n}+{3n}/{2}O_2→nCO_2↑+nH_2O$

В отличие от алканов, которые устойчивы к окислению в растворах, алкены легко окисляются под действием растворов перманганата калия. В нейтральных или щелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:

Алкадиены (диеновые углеводороды)

Алкадиены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, две двойные связи между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.

В зависимости от взаимного расположения двойных связей различают три вида диенов:

— алкадиены с кумулированным расположением двойных связей:

$CH_2=C=CH_2$;

— алкадиены с сопряженными двойными связями;

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

— алкадиены с изолированными двойными связями

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

Эти все три вида алкадиенов существенно отличаются друг от друга по строению и свойствам. Центральный атом углерода (атом, образующий две двойные связи) в алкадиенах с кумулированными связями находится в состоянии $sp$-гибридизации. Он образует две $σ$-связи, лежащие на одной прямой и направленные в противоположные стороны, и две $π$-связи, лежащие в перпендикулярных плоскостях. $π$-Связи образуются за счет негибридизированных р-орбиталей каждого атома углерода. Свойства алкадиенов с изолированными двойными связями весьма специфичны, т.к. сопряженные $π$-связи существенно влияют друг на друга.

р-Орбитали, образующие сопряженные $π$-связи, составляют практически единую систему (ее называют $π$-системой), т.к. р-орбитали соседних $π$-связей частично перекрываются.

Изомерия и номенклатура

Для алкадиенов характерна как структурная изомерия, так и цис-, транс-изомерия.

Структурная изомерия.

— изомерия углеродного скелета:

— изомерия положения кратных связей:

${CH_2=CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}$ ${CH_2=C=CH—CH_3}↙{бутадиен-1,2}$

Цис-, транс-изомерия (пространственная и геометрическая)

Например:

Алкадиены изомерны соединениям классов алкинов и циклоалкенов.

При формировании названия алкадиена указывают номера двойных связей. Главная цепь должна обязательно содержать две кратные связи.

Например:

Физические и химические свойства алкадиенов

Физические свойства.

В обычных условиях пропандиен-1,2, бутадиен-1,3 — газы, 2-метилбутадиен-1,3 — летучая жидкость. Алкадиены с изолированными двойными связями (простейший из них — пентадиен-1,4) — жидкости. Высшие диены — твердые вещества.

Химические свойства.

Химические свойства алкадиенов с изолированными двойными связями мало отличаются от свойств алкенов. Алкадиены с сопряженными связями обладают некоторыми особенностями.

1. Реакции присоединения. Алкадиены способны присоединять водород, галогены, галогеноводороды.

Особенностью присоединения к алкадиенам с сопряженными связями является способность присоединять молекулы как в положениях 1 и 2, так и в положениях 1 и 4.

Соотношение продуктов зависит от условий и способа проведения соответствующих реакций.

2. Реакция полимеризации. Важнейшим свойством диенов является способность полимеризоваться под воздействием катионов или свободных радикалов. Полимеризация этих соединений является основой синтетических каучуков:

$nCH_2={CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}→{(… —CH_2—CH=CH—CH_2— …)_n}↙{\text»синтетический бутадиеновый каучук»}$.

Полимеризация сопряженных диенов протекает как 1,4-присоединение.

В этом случае двойная связь оказывается центральной в звене, а элементарное звено, в свою очередь, может принимать как цис-, так и транс-конфигурацию.

Алкины

Алкины — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну тройную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.

Гомологический ряд этина

Неразветвленные алкины составляют гомологический ряд этина (ацетилена):

$С_2Н_2$ — этин, $С_3Н_4$ — пропин, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_{10}$ — гексин и т. д.

Изомерия и номенклатура

Для алкинов, так же как и для алкенов, характерна структурная изомерия: изомерия углеродного скелета и изомерия положения кратной связи. Простейший алкин, для которого характерны структурные изомеры положения кратной связи класса алкинов, — это бутин:

$СН_3—{СН_2}↙{бутин-1}—С≡СН$ $СН_3—{С≡С}↙{бутин-2}—СН_3$

Изомерия углеродного скелета у алкинов возможна, начиная с пентина:

Так как тройная связь предполагает линейное строение углеродной цепи, геометрическая (цис-, транс-) изомерия для алкинов невозможна.

Наличие тройной связи в молекулах углеводородов этого класса отражается суффиксом -ин, а ее положение в цепи — номером атома углерода.

Например:

Алкинам изомерны соединения некоторых других классов. Так, химическую формулу $С_6Н_{10}$ имеют гексин (алкин), гексадиен (алкадиен) и циклогексен (циклоалкен):

Физические и химические свойства алкинов

Физические свойства. Температуры кипения и плавления алкинов, так же, как и алкенов, закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Алкины имеют специфический запах. Они лучше растворяются в воде, чем алканы и алкены.

Химические свойства.

Реакции присоединения. Алкины относятся к непредельным соединениям и вступают в реакции присоединения. В основном это реакции электрофильного присоединения.

1. Галогенирование (присоединение молекулы галогена). Алкин способен присоединить две молекулы галогена (хлора, брома):

$CH≡CH+Br_2→{CHBr=CHBr}↙{1,2-дибромэтан},$

$CHBr=CHBr+Br_2→{CHBr_2-CHBr_2}↙{1,1,2,2-тетрабромэтан}$

2. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода). Реакция присоединения галогеноводорода, протекающая по электрофильному механизму, также идет в две стадии, причем на обеих стадиях выполняется правило Марковникова:

$CH_3-C≡CH+Br→{CH_3-CBr=CH_2}↙{2-бромпропен},$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→{CH_3-CHBr_2-CH_3}↙{2,2-дибромпропан}$

3. Гидратация (присоединение воды). Боль шое значение для промышленного синтеза кетонов и альдегидов имеет реакция присоединения воды (гидратация), которую называют реакцией Кучерова:

4. Гидрирование алкинов. Алкины присоединяют водород в присутствии металлических катализаторов ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH_2-CH_2-R$

Так как тройная связь содержит две реакционноспособные $π$-связи, алканы присоединяют водород ступенчато:

1) тримеризация.

При пропускании этина над активированным углем образуется смесь продуктов, одним из которых является бензол:

2) димеризация.

Помимо тримеризации ацетилена, возможна его димеризация. Под действием солей одновалентной меди образуется винилацетилен:

$2HC≡CH→{HC≡C-CH=CH_2}↙{\text»бутен-1-ин-3(винилацетилен)»}$

Это вещество используется для получения хлоропрена:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl{→}↖{CaCl}H_2C={CCl-CH}↙{хлоропрен}=CH_2$

полимеризацией которого получают хлоропреновый каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(…-H_2C-CCl=CH-CH_2-…)_n$

Окисление алкинов.

Этин (ацетилен) горит в кислороде с выделением очень большого количества теплоты:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2↑+2H_2O+2600кДж$ На этой реакции основано действие кислородно-ацетиленовой горелки, пламя которой имеет очень высокую температуру (более $3000°С$), что позволяет использовать ее для резки и сварки металлов.

На воздухе ацетилен горит коптящим пламенем, т.к. содержание углерода в его молекуле выше, чем в молекулах этана и этена.

Алкины, как и алкены, обесцвечивают подкисленные растворы перманганата калия; при этом происходит разрушение кратной связи.

Ионный (правило В. В. Марковникова) и радикальный механизмы реакции в органической химии

Типы химических реакций в органической химии

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации). Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести к предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам из курса неорганической химии реакциями, протекающими между неорганическими веществами.

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.

Реакции замещения

Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения.

В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие как алканы, циклоалканы или арены.

Приведем примеры таких реакций.

Под действием света атомы водорода в молекуле метана способны замещаться на атомы галогена, например, на атомы хлора:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$

Другим примером замещения водорода на галоген является превращение бензола в бромбензол:

Уравнение этой реакции может быть записано иначе:

При этой форме записи реагенты, катализатор, условия проведения реакции записывают над стрелкой, а неорганические продукты реакции — под ней.

Реакции присоединения

Реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну, называют реакциями присоединения.

В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие как алкены или алкины.

В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают гидрирование (или восстановление), галогенирование, гидрогалогенирование, гидратацию и другие реакции присоединения. Каждая из них требует определенных условий.

1. Гидрирование — реакция присоединения молекулы водорода по кратной связи:

$CH_3{-CH=}↙{\text»пропен»}CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3{-CH_2-}↙{\text»пропан»}-CH_3$

2. Гидрогалогенирование — реакция присоединения галогеноводорода (гидрохлорирование):

${CH_2=}↙{\text»этен»}CH_2+HCl→CH_3{-CH_2-}↙{\text»хлорэтан»}-Cl$

3. Галогенирование — реакция присоединения галогена:

${CH_2=}↙{\text»этен»}CH_2+Cl_2→{CH_2Cl-CH_2Cl}↙{\text»1.2-дихлорэтан»}$

4. Полимеризация — особый тип реакций присоединения, в ходе которых молекулы вещества с небольшой молекулярной массой соединяются друг с другом с образованием молекул вещества с очень высокой молекулярной массой — макромолекул.

Реакции полимеризации — это процессы соединения множества молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

Примером реакции полимеризации может служить получение полиэтилена из этилена (этена) под действием ультрафиолетового излучения и радикального инициатора полимеризации $R:$

${nCH_2=}↙{\text»этен»}CH_2{→}↖{\text»УФ-свет,R»}{(…-CH_2-CH_2-…)_n}↙{\text»полиэтилен»}$

Наиболее характерная для органических соединений ковалентная связь образуется при перекрывании атомных орбиталей и образовании общих электронных пар. В результате этого образуется общая для двух атомов орбиталь, на которой находится общая электронная пара. При разрыве связи судьба этих общих электронов может быть разной.

Типы реакционноспособных частиц в органической химии

Орбиталь с неспаренным электроном, принадлежащая одному атому, может перекрываться с орбиталью другого атома, на которой также находится неспаренный электрон. При этом происходит образование ковалентной связи по обменному механизму:

$H•+•H→H:H,$ или $H-H$

Обменный механизм образования ковалентной связи реализуется в том случае, если общая электронная пара образуется из неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам.

Процессом, противоположным образованию ковалентной связи по обменному механизму, является разрыв связи, при котором к каждому атому отходит по одному электрону. В результате этого образуются две незаряженные частицы, имеющие неспаренные электроны:

$R:R=R•+R•$

Такие частицы называются свободными радикалами.

Свободные радикалы — атомы или группы атомов, имеющие неспаренные электроны.

Реакции, которые протекают под действием и при участии свободных радикалов, называются свободнорадикальными реакциями.{-}$ (ацетат-анион).

Частицы, имеющие незаполненную орбиталь, напротив, будут стремиться заполнить ее и, следовательно, будут притягиваться к участкам молекул, на которых присутствует повышенная электронная плотность, отрицательный заряд, неподеленная электронная пара. Они являются электрофилами, «друзьями» электрона, отрицательного заряда или частиц с повышенной электронной плотностью.

Электрофилы — катионы или молекулы, имеющие незаполненную эле к трон ную орбиталь, стремящиеся к заполнению ее электронами, так как это приводит к более выгодной электронной конфигурации атома.

Примеры электрофилов: $NO_2$ (нитрогруппа), —$СООН$ (карбоксил), —$СN$ (нитрильная группа), —$СОН$ (альдегидная группа).

Не любая частица с незаполненной орбиталью является электрофилом. Так, например, катионы щелочных металлов имеют конфигурацию инертных газов и не стремятся к приобретению электронов, так как имеют низкое сродство к электрону. Из этого можно сделать вывод, что, несмотря на наличие у них незаполненной орбитали, подобные частицы не будут являться электрофилами.

Основные механизмы протекания реакций

Мы выделили три основных типа реагирующих частиц — свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы — и три соответствующих им типа механизма реакций:

— свободнорадикальные;

— электрофильные;

— нуклеофильные.

Кроме классификации реакций по типу реагирующих частиц, в органической химии различают четыре вида реакций по принципу изменения состава молекул: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от лат. eliminaue — удалять, отщеплять) и перегруппировки. Так как присоединение и замещение могут происходить под действием всех трех типов реакционноспособных частиц, можно выделить несколько основных механизмов протекания реакций.

1. Свободнорадикальное замещение:

${CH_4}↙{\text»метан»}+Br_2{→}↖{\text»УФ-свет»}{CH_3Br}↙{\text»бромметан»}+HBr$

2. Свободнорадикальное присоединение:

$nCH_2=CH_2{→}↖{\text»УФ-свет,R»}(…-CH_2-CH_2-…)_n$

3. Электрофильное замещение:

4. Электрофильное присоединение:

$CH_3-{CH=}↙{\text»пропен»}CH_2+HBr{→}↖{\text»раствор»}{CH_3-CHBr-CH_3}↙{\text»2-бромпропан»}$

$СH_3{-C≡}↙{\text»пропин»}CH+Cl_2{→}↖{\text»раствор»}{CH_3-CCl=CHCl}↙{\text»1,2-дихлорпропен»}$

5. Нуклеофильное присоединение:

Кроме того, мы рассмотрим реакции отщепления, или элиминирования, которые идут под воздействием нуклеофильных частиц — оснований.

6. Элиминирование:

$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH{→}↖{\text»спиртовой раствор»}CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$

Можно считать, что в этой реакции происходит отщепление молекулы бромводорода от молекулы 2-бромпропана. В присутствии щелочи образуются бромид натрия и вода.

Правило В. В. Марковникова

Отличительной чертой алкенов (непредельных углеводородов) является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводо рода):

$СH_3{-CH-}↙{\text»пропен»}CH_2+HBr→CH_3{-CHBr-CH_3}↙{\text»2-бромпропан»}$

Эта реакция подчиняется правилу В. В. Марковникова: при присоединении галогенводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т.е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.

Циклоалканов | Введение в химию

Цель обучения

• Определите общие свойства циклоалканов

Ключевые моменты

• Циклоалканы с одним кольцом в углеродной основной цепи имеют химическую формулу C _n H _2n .
• Циклоалканы названы аналогично их линейным аналогам, но с префиксом «цикло-», так что, например, трехуглеродное кольцо будет циклопропаном.
• Кольцевая структура не позволяет циклоалканам достигать тетраэдрической конфигурации вокруг своих атомов углерода, что приводит к деформации кольца.

Срок

• изомер Любое из двух или более соединений с одинаковой молекулярной формулой, но с разной структурой.

Общие свойства циклических органических соединений

Циклоалканы — это насыщенные углеводороды, содержащие кольцо в углеродной основе. Аналогичные кольцевые структуры, содержащие двойные и тройные связи, известны как циклоалкены и циклоалкины.Циклоалканы с одним кольцом имеют химическую формулу C _n H _2n .

Циклоалканы, как и алканы, подвержены межмолекулярным силам, называемым лондонскими силами дисперсии. Эти слабые межмолекулярные взаимодействия приводят к относительно низким температурам плавления и кипения. Подобно алканам, циклоалканы не обладают особой реакционной способностью, за исключением самых маленьких и наиболее напряженных циклоалканов.

Циклоалкановые структуры

Циклоалканы состоят из sp ³ гибридизированных атомов углерода и водорода, соединенных сигма-связями.Однако, в отличие от линейных углеводородов, которые могут достичь более стабильной тетраэдрической конфигурации вокруг каждого атома углерода в основной цепи, валентные углы в циклоалканах ограничены, вызывая деформацию кольца.

Для достижения более оптимальной конфигурации кольца образуют складчатую, а не плоскую структуру. Циклогексан образует конфигурацию, называемую конфигурацией стула , вместе с менее устойчивой конфигурацией лодки .