Tillbaka framåt
Uppmärksamhet! Förhandsvisningar av bilder är endast i informationssyfte och representerar kanske inte alla funktioner i presentationen. Om du är intresserad detta jobb, ladda ner den fullständiga versionen.
Mål: introducera mättade kolvätens kemiska egenskaper, lära ut hur man skriver ekvationer kemiska reaktioner, ange villkoren för deras förekomst. Fortsätta bildandet av ideologiska begrepp: om naturens kännedom, orsak och verkan mellan sammansättning, struktur, egenskaper och användning av mättade kolväten.
Lektionstyp: lära sig nytt material.
Typ av lektion: samtal, föreläsning.
Lektionsmetoder:
Träningen är dialogisk och demonstrativ.
Undervisning – informativ, förklarande.
Lektionsutrustning: dator, projektor, ljus, tändstickor.
1. Uppdatera.
1. Vilka organiska ämnen klassificeras som kolväten? (Kolväten är organiska föreningar som består av två grundämnen: kol och väte.)
2. Vad kallas mättade kolväten enligt den internationella nomenklaturen? (Alkaner.)
3. Ge den allmänna formeln för alkaner. (C n H 2n+2 .)
4. Skriv formlerna för alkaner som innehåller kolatomer: a) 16; b) 21; c) 23. (C16H34, C21H44, C23H48.)
5. Ange vilken typ av hybridisering som är karakteristisk för mättade kolväten. ( sp 3-G hybridisering.)
6. Nämn vinkeln och bindningslängden som är karakteristiska för alkaner. (Vinkeln är 109°28" och kol-kolbindningens längd är 0,154 nm.)
2. Studera nytt material.
I normala förhållanden Alkaner är kemiskt inerta. De är resistenta mot verkan av många reagens: de interagerar inte med koncentrerad svavelsyra och salpetersyror, med koncentrerade och smälta alkalier, de oxideras inte av starka oxidationsmedel - kaliumpermanganat KMnO 4, etc.
Den kemiska stabiliteten hos alkaner förklaras av deras höga hållfasthet s-C-C och CH-bindningar, såväl som deras icke-polaritet. Icke-polär S-S anslutningar och CH i alkaner är inte benägna för jonisk klyvning, men kan brytas ned homolytiskt under påverkan av aktiva fria radikaler. Därför kännetecknas alkaner av radikalreaktioner, vilket resulterar i föreningar där väteatomer ersätts med andra atomer eller grupper av atomer.
Följaktligen går alkaner in i reaktioner som fortskrider enligt radikalsubstitutionsmekanismen, betecknad med symbolen S R (från engelska, substitutionsradikalisk). Enligt denna mekanism ersätts väteatomer lättast vid tertiära, sedan vid sekundära och primära kolatomer.
2.1. Halogenering.
När alkaner reagerar med halogener (klor och brom) under påverkan av UV-strålning eller hög temperatur, bildas en blandning av produkter från mono- till polyhalogensubstituerade alkaner.
CH4+CL2->CH3CL-klormetan
CH3CL + CL2 ->CH2CL2 - diklormetan
CH2CL2 + CL2 -> CHCL3 - triklormetan
CHCL 3 + CL 2 -> CCL 4 - koltetroklorid
2.2. Nitrering.
Trots det faktum att alkaner under normala förhållanden inte interagerar med koncentrerad salpetersyra, när de värms upp till 140°C med utspädd (10%) salpetersyra under tryck, inträffar en nitreringsreaktion - ersättandet av en väteatom med en nitrogrupp (M.I. Konovalovs reaktion). Alla alkaner genomgår en nitreringsreaktion, men reaktionshastigheten och utbytena av nitroföreningar är låga. De bästa resultaten observeras med alkaner som innehåller tertiära kolatomer.
CH3-CH3 + HNO3 -> CH3-CH2-NO2 + H2O.
2.3. Isomerisering.
Under påverkan av katalysatorer, när de värms upp, genomgår kolväten med normal struktur isomerisering - omarrangemang av kolskelettet med bildning av grenade alkaner.
2.4. Termisk nedbrytning.
CH4->C + 2H2
C2H2->2C +H2
Krackning- vid höga temperaturer i närvaro av katalysatorer spjälkas mättade kolväten, vilket kallas krackning. Under krackning sker homolytisk brytning av kol-kolbindningar för att bilda mättade och omättade kolväten med kortare kedjor.
C8H18-> C4H10 + C4H8
Dessa reaktioner är av stor industriell betydelse. På så sätt omvandlas högkokande oljefraktioner (eldningsolja) till bensin, fotogen och andra värdefulla produkter.
En ökning av processtemperaturen leder till djupare nedbrytning av kolväten och i synnerhet till dehydrering, d.v.s. till eliminering av väte. Sålunda leder metan vid 1500°C till acetylen.
2CH4-> C2H2 + 3H2
2.5. Oxidation.
Under normala förhållanden är alkaner resistenta mot syre och oxidationsmedel. När de antänds i luft brinner alkaner, förvandlas till koldioxid och vatten och avger stora mängder värme.
CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H 2 O
C5H12 + 8O2 -> 5CO2 + 6H2O
C n H 2n +2 + (Зn+1)/2О 2 = nСО 2 + (n+1)Н 2 О.
(Demonstration av att bränna ett ljus)
3. Ansökan ( självständigt arbete med lärobokstext ).
Den första i serien av alkaner - metan– är huvudkomponenten i naturgaser och tillhörande gaser och används i stor utsträckning som industri- och hushållsgas. Det bearbetas industriellt till acetylen, kimrök, fluor och klorderivat.
De nedre delarna av den homologa serien används för att erhålla motsvarande omättade föreningar genom dehydreringsreaktion. En blandning av propan och butan används som hushållsbränsle.
Mellanelementen i den homologa serien används som lösningsmedel och motorbränslen. Högre alkaner används för att producera högre fettsyror, syntetiska fetter, smörjoljor, etc.
4. Läxa: punkt 11, utför övning. 4, 5.
Grunden för allt organiskt materialär föreningar som består av två grundämnen - kol och väte. Det räcker enkel komposition De fick sitt namn - kolväten. Detta är en klass av föreningar som varierar i struktur, kemiska bindningar, egenskaper. De är i sin tur indelade i grupper - rader:
1) Mättade kolväten
a) Alkaner
2) Omättade kolväten:
a) Alkener
b) Alkyner
Alla kolväten är färglösa. Under normala förhållanden kan de vara i fast, flytande eller gasformigt tillstånd. Deras aggregationstillstånd beror på massan av ämnets molekyler. Ju större massa molekyler är, desto svårare är det att bryta bindningarna mellan dem, eftersom med ökande massa som regel ökar attraktionen mellan molekyler och processerna för smältning och avdunstning blir svårare. Molekylmassan påverkar också densiteten hos ett ämne: med dess ökning ökar kolvätets densitet.
En gemensam egenskap för alla kolväten, liksom alla organiska föreningar, är förbränning - oxidation med syre. Till exempel, gasspisar bränner en av komponenterna i naturgas - propan.
När man brinner plastföremål Många giftiga ämnen släpps ut som förorenar atmosfären. Att andas in rök från en brand som bränner polymerer och plaster är extremt skadligt.
Källan till naturliga alkaner är olja, associerade och naturgaser. Naturgas innehåller mer än 90 % metan. Förutom metan innehåller den etan, propan, butan, lite kväve, koldioxid och ibland vätesulfid.
Olja
Petroleum är en blandning av olika alkaner och andra föreningar. Den innehåller flytande, fasta och ofta gasformiga kolväten. Gasformiga kolväten lösta i olja står under tryck i jordens tarmar och när de når ytan separeras de från flytande olja och bildar så kallade tillhörande gaser. De innehåller mindre metan, och andelen etan, propan och butan i dem är mycket större än i naturgas. Det är tydligt att associerade gaser inte är mindre värda än naturgas. Och ändå, sedan urminnes tider, har tillhörande gaser bränts på fält. Som ett resultat förstörs inte bara värdefulla råvaror, utan även skador på miljön.
Alkener och alkyner finns praktiskt taget aldrig i naturen. De erhålls från aclaner genom eliminering av väte i närvaro av en katalysator, såsom nickel. Sådana reaktioner kallas dehydrering.
Naturgas är det mest ekonomiska och miljövänliga bränslet. Det används på värmekraftverk, fabriker och i vardagen. Flytande kolväten används som bränsle.
Både mättade och omättade kolväten behövs inte bara inom energisektorn utan även inom den kemiska industrin. De fungerar som råmaterial för produktion av många nödvändiga ämnen: plast, syntetiska fibrer, lacker och färger, mediciner, aceton, alkohol, sot, väte och andra.
För att erhålla brännbart bränsle bearbetas olja genom destillation. Dess väsen ligger i det faktum att när olja värms upp till en viss temperatur, en efter en, avdunstar kolväten och kondenserar sedan. Det är så de får bränsle. Destillationsresterna används inom den kemiska industrin och för vägbeläggning.
DIENE HYDROCARBONS (ALKADIENE)
Dienkolväten eller alkadiener är omättade kolväten som innehåller två dubbla kol-kolbindningar. Den allmänna formeln för alkadiener är CnH2n-2.
Beroende på relativ position Dubbelbindningsdiener är indelade i tre typer:
1) kolväten med ackumulerade dubbelbindningar, dvs. intill en kolatom. Till exempel propadien eller allen CH2=C=CH2;
2) kolväten med isolerat dubbelbindningar, d.v.s. åtskilda av två eller flera enkla bindningar. Till exempel pentadien -1,4 CH2=CH–CH2–CH=CH2;
3) kolväten med konjugerad dubbelbindningar, dvs. åtskilda av en enkel anslutning. Till exempel butadien -1,3 eller divinyl CH 2 =CH–CH=CH 2, 2-metylbutadien -1,3 eller isopren
2) dehydrering och dehydrering av etylalkohol genom att leda alkoholånga över upphettade katalysatorer (metod av Academician S.V. Lebedev)
2CH3CH2OH –– ~450 °C; ZnO,Al2O3® CH2=CH–CH=CH2 + 2H2O + H2
Kemiska egenskaper
Kolatomerna i 1,3-butadienmolekylen är i sp 2-hybridtillståndet, vilket innebär att dessa atomer är belägna i samma plan och var och en av dem har en p-orbital, upptagen av en elektron och placerad vinkelrätt mot nämnda plan .
| a) | b) |
| Schematisk representation av strukturen för didivinylmolekyler (a) och ovanifrån av modellen (b). Överlappningen av elektronmoln mellan C 1 –C 2 och C 3 –C 4 är större än mellan C 2 –C 3 . |
|
p- Orbitalerna för alla kolatomer överlappar varandra, d.v.s. inte bara mellan den första och andra, tredje och fjärde atomen, utan också mellan den andra och tredje. Detta visar att bindningen mellan den andra och tredje kolatomen inte är en enkel s-bindning, utan har en viss densitet av p-elektroner, d.v.s. dubbelbindningens svaga karaktär. Det betyder att s-elektroner inte tillhör strikt definierade par av kolatomer. I molekylen finns inga enkel- och dubbelbindningar i klassisk mening utan delokalisering av p-elektroner observeras, d.v.s. likformig fördelning av p-elektrondensitet genom hela molekylen med bildandet av ett enda p-elektronmoln.
Interaktionen mellan två eller flera angränsande p-bindningar med bildandet av ett enda p-elektronmoln, vilket resulterar i överföring av ömsesidig påverkan av atomer i detta system, kallas kopplingseffekt.
Sålunda kännetecknas -1,3-butadienmolekylen av ett system av konjugerade dubbelbindningar.
Denna egenskap i strukturen hos dienkolväten gör dem kapabla att tillsätta olika reagens inte bara till angränsande kolatomer (1,2-addition), utan också till de två ändarna av det konjugerade systemet (1,4-addition) med bildning av en dubbelbindning mellan den andra och tredje kolatomen. Observera att mycket ofta är 1,4-tilläggsprodukten den huvudsakliga.
Låt oss överväga reaktionerna av halogenering och hydrohalogenering av konjugerade diener.
Polymerisation av dienföreningar
I en förenklad form kan polymerisationsreaktionen av -1,3-butadien enligt additionsschema 1,4 representeras enligt följande:
| ––––® | . |
Båda dubbelbindningarna av dien deltar i polymerisationen. Under reaktionen bryts de, elektronpar som bildar s-bindningar separeras, varefter varje oparad elektron deltar i bildandet av nya bindningar: elektronerna i den andra och tredje kolatomen, som ett resultat av generalisering, ger en dubbel bindning, och elektronerna i de yttersta kolatomerna i kedjan, när de generaliseras med elektroner, länkar motsvarande atomer från en annan monomermolekyl samman monomererna till en polymerkedja.
Elementcellen av polybutadien representeras enligt följande:
.Såsom kan ses karakteriseras den resulterande polymeren Trans- konfiguration av polymerens elementcell. De mest praktiskt värdefulla produkterna erhålls emellertid genom stereoregelbunden (med andra ord rumsligt ordnad) polymerisation av dienkolväten enligt 1,4-additionsschemat med bildningen cis- konfiguration av polymerkedjan. Till exempel, cis- polybutadien
.Naturliga och syntetiska gummin
Naturgummi erhålls från mjölksaften (latex) från det gummibärande Hevea-trädet, som växer i de tropiska skogarna i Brasilien.
När det upphettas utan tillgång till luft, sönderdelas gummi och bildar dienkolväte - 2-metylbutadien-1,3 eller isopren. Gummi är en stereoregelbunden polymer där isoprenmolekyler är kopplade till varandra enligt 1,4-additionsschemat med cis- polymerkedjekonfiguration:
Molekylvikten för naturgummi sträcker sig från 7 . 10 4 till 2,5 . 10 6 .
Trans– Isoprenpolymer förekommer även i naturen som guttaperka.
Naturgummi har en unik uppsättning egenskaper: hög fluiditet, slitstyrka, vidhäftningsförmåga, vatten- och gasogenomtränglighet. För att ge gummi de nödvändiga fysiska och mekaniska egenskaperna: styrka, elasticitet, motståndskraft mot lösningsmedel och aggressiva kemiska miljöer, vulkaniseras gummit genom uppvärmning till 130-140°C med svavel. I en förenklad form kan gummivulkaniseringsprocessen representeras enligt följande:
Svavelatomer tillsätts på platsen där vissa dubbelbindningar bryts och de linjära gummimolekylerna "tvärbinds" till större tredimensionella molekyler - resultatet är gummi som är mycket starkare än ovulkaniserat gummi. Gummi i form av gummi fyllda med aktivt kolsvart används för tillverkning av bildäck och andra gummiprodukter.
1932 utvecklade S.V. Lebedev en metod för syntes av syntetiskt gummi baserat på butadien, erhållet från alkohol. Och först på femtiotalet utförde inhemska forskare den katalytiska stereopolymerisationen av dienkolväten och erhöll stereoregelbundet gummi, liknande egenskaper som naturgummi. För närvarande tillverkas gummi inom industrin,
Kemiska egenskaper hos alkaner
Alkaner (paraffiner) är icke-cykliska kolväten i vars molekyler alla kolatomer är förbundna endast med enkelbindningar. Det finns med andra ord inga multipla - dubbel- eller trippelbindningar - i alkanmolekyler. Faktum är att alkaner är kolväten som innehåller största möjliga antal väteatomer, och därför kallas de begränsande (mättade).
På grund av mättnad kan alkaner inte genomgå additionsreaktioner.
Eftersom kol- och väteatomer har ganska nära elektronegativitet leder detta till att CH-bindningarna i deras molekyler är extremt lågpolära. I detta avseende, för alkaner, är reaktioner som fortskrider genom radikalsubstitutionsmekanismen, betecknade med symbolen S R, mer typiska.
1. Substitutionsreaktioner
I reaktioner av denna typ kol-vätebindningar bryts
RH + XY → RX + HY
Halogenering
Alkaner reagerar med halogener (klor och brom) när de utsätts för ultraviolett ljus eller hög värme. I detta fall bildas en blandning av halogenderivat med varierande grad av substitution av väteatomer - mono-, ditri-, etc. halogensubstituerade alkaner.
Med metan som exempel ser det ut så här:
Genom att ändra halogen/metan-förhållandet i reaktionsblandningen är det möjligt att säkerställa att ett specifikt halogenderivat av metan dominerar i sammansättningen av produkterna.
Reaktionsmekanism
Låt oss analysera mekanismen för substitutionsreaktionen med fria radikaler med hjälp av exemplet på interaktionen mellan metan och klor. Den består av tre steg:
- initiering (eller kedjekärnbildning) är processen för bildning av fria radikaler under påverkan av extern energi - bestrålning med UV-ljus eller uppvärmning. I detta skede genomgår klormolekylen homolytisk klyvning av Cl-Cl-bindningen med bildandet av fria radikaler:
Fria radikaler, som framgår av figuren ovan, är atomer eller grupper av atomer med en eller flera oparade elektroner (Cl, H, CH 3, CH 2, etc.);
2. Kedjeutveckling
Detta stadium involverar interaktionen av aktiva fria radikaler med inaktiva molekyler. I det här fallet bildas nya radikaler. I synnerhet när klorradikaler verkar på alkanmolekyler bildas en alkylradikal och väteklorid. I sin tur bildar alkylradikalen, som kolliderar med klormolekyler, ett klorderivat och en ny klorradikal:
3) Avbrott (död) av kretsen:
Uppstår som ett resultat av rekombinationen av två radikaler med varandra till inaktiva molekyler:
2. Oxidationsreaktioner
Under normala förhållanden är alkaner inerta mot sådana starka oxidationsmedel som koncentrerad svavelsyra och salpetersyra, kaliumpermanganat och dikromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Förbränning i syre
A) fullständig förbränning med överskott av syre. Leder till bildning av koldioxid och vatten:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
B) ofullständig förbränning på grund av syrebrist:
2CH4 + 3O2 = 2CO + 4H2O
CH4 + O2 = C + 2H2O
Katalytisk oxidation med syre
Som ett resultat av uppvärmning av alkaner med syre (~200 o C) i närvaro av katalysatorer kan en mängd olika organiska produkter erhållas från dem: aldehyder, ketoner, alkoholer, karboxylsyror.
Till exempel kan metan, beroende på katalysatorns natur, oxideras till metylalkohol, formaldehyd eller myrsyra:
3. Termiska omvandlingar av alkaner
Krackning
Cracking (från engelska till crack - tear) är kemisk process fortskrider vid höga temperaturer, som ett resultat av vilket kolskelettet av alkanmolekyler spricker med bildning av alken och alkanmolekyler med lägre molekylvikter jämfört med de ursprungliga alkanerna. Till exempel:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH=CH2
Sprickbildning kan vara termisk eller katalytisk. För att utföra katalytisk krackning, tack vare användningen av katalysatorer, används betydligt lägre temperaturer jämfört med termisk krackning.
Dehydrering
Väte frigörs till följd av bristning CH-bindningar; utförs i närvaro av katalysatorer vid förhöjda temperaturer. När metan dehydreras bildas acetylen:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Uppvärmning av metan till 1200 °C leder till dess nedbrytning till enkla ämnen:
CH4 -> C + 2H2
När de återstående alkanerna dehydreras bildas alkener:
C2H6 → C2H4 + H2
Vid dehydrering n-butan, buten-1 och buten-2 bildas (det senare i formen cis- Och Trans-isomerer):
Dehydrocyklisering
Isomerisering
Kemiska egenskaper hos cykloalkaner
De kemiska egenskaperna hos cykloalkaner med mer än fyra kolatomer i sina ringar är i allmänhet nästan identiska med egenskaperna hos alkaner. Märkligt nog kännetecknas cyklopropan och cyklobutan av additionsreaktioner. Detta beror på den höga spänningen inom cykeln, vilket leder till att dessa cykler tenderar att gå sönder. Så cyklopropan och cyklobutan tillsätter lätt brom, väte eller väteklorid:
Kemiska egenskaper hos alkener
1. Tilläggsreaktioner
Eftersom dubbelbindningen i alkenmolekyler består av en stark sigma- och en svag pi-bindning är de ganska aktiva föreningar som lätt genomgår additionsreaktioner. Alkener genomgår ofta sådana reaktioner även under milda förhållanden - i kyla, i vattenlösningar och organiska lösningsmedel.
Hydrering av alkener
Alkener kan tillsätta väte i närvaro av katalysatorer (platina, palladium, nickel):
CH3-CH = CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3
Hydrering av alkener sker lätt även vid normalt tryck och lätt uppvärmning. Ett intressant faktum är att samma katalysatorer kan användas för dehydrering av alkaner till alkener, endast dehydreringsprocessen sker vid högre temperatur och lägre tryck.
Halogenering
Alkener genomgår lätt additionsreaktioner med brom både i vattenlösning och i organiska lösningsmedel. Som ett resultat av interaktionen förlorar initialt gula bromlösningar sin färg, d.v.s. bli missfärgad.
CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br
Hydrohalogenering
Som det är lätt att se bör tillsatsen av en vätehalogenid till en molekyl av en osymmetrisk alken teoretiskt leda till en blandning av två isomerer. Till exempel, när vätebromid tillsätts till propen, bör följande produkter erhållas:
Men i frånvaro av specifika förhållanden (till exempel närvaron av peroxider i reaktionsblandningen), kommer tillsatsen av en vätehalogenidmolekyl att ske strikt selektivt i enlighet med Markovnikovs regel:
Tillsatsen av en vätehalogenid till en alken sker på så sätt att väte tillsätts kolatomen med ett stort antal väteatomer (mer hydrerade), och en halogen till en kolatom med färre väteatomer (mindre hydrerade).
Hydrering
Denna reaktion leder till bildandet av alkoholer och fortsätter också i enlighet med Markovnikovs regel:
Som du lätt kan gissa, på grund av det faktum att tillsatsen av vatten till en alkenmolekyl sker enligt Markovnikovs regel, är bildandet av en primär alkohol endast möjlig i fallet med etenhydratisering:
CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
Det är genom denna reaktion som huvuddelen av etylalkohol utförs i storindustri.
Polymerisation
Ett specifikt fall av en additionsreaktion är polymerisationsreaktionen, som, till skillnad från halogenering, hydrohalogenering och hydratisering, fortskrider genom mekanismen för fria radikaler:
Oxidationsreaktioner
Liksom alla andra kolväten brinner alkener lätt i syre för att bilda koldioxid och vatten. Ekvationen för förbränning av alkener i överskott av syre har formen:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Till skillnad från alkaner oxideras alkener lätt. När alkener exponeras för en vattenlösning av KMnO 4 uppstår missfärgning, vilket är en kvalitativ reaktion på dubbel- och trippel CC-bindningar i molekyler av organiska ämnen.
Oxidation av alkener med kaliumpermanganat i en neutral eller svagt alkalisk lösning leder till bildning av dioler (tvåvärda alkoholer):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (kylning)
I en sur miljö bryts dubbelbindningen helt och kolatomerna som bildade dubbelbindningen omvandlas till karboxylgrupper:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (uppvärmning)
Om dubbelbindningen C=C är belägen i änden av alkenmolekylen, bildas oxidationsprodukten av den yttersta kolatomen vid dubbelbindningen koldioxid. Detta beror på det faktum att den mellanliggande oxidationsprodukten, myrsyra, lätt oxiderar sig själv i ett överskott av oxidationsmedel:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (uppvärmning)
Oxidationen av alkener där C-atomen vid dubbelbindningen innehåller två kolvätesubstituenter ger en keton. Till exempel producerar oxidationen av 2-metylbuten-2 aceton och ättiksyra.
Oxidationen av alkener, där kolskelettet bryts vid dubbelbindningen, används för att bestämma deras struktur.
Kemiska egenskaper hos alkadiener
Tilläggsreaktioner
Till exempel tillsats av halogener:
Bromvatten blir missfärgat.
Under normala förhållanden sker tillsatsen av halogenatomer i ändarna av 1,3-butadienmolekylen, medan π-bindningarna bryts, bromatomer läggs till de extrema kolatomerna och de fria valenserna bildar en ny π-bindning . Således uppstår en "rörelse" av dubbelbindningen. Om det finns ett överskott av brom kan ytterligare en molekyl tillsättas vid platsen för den bildade dubbelbindningen.
Polymerisationsreaktioner
Kemiska egenskaper hos alkyner
Alkyner är omättade (omättade) kolväten och kan därför genomgå additionsreaktioner. Bland additionsreaktionerna för alkyner är elektrofil addition den vanligaste.
Halogenering
Eftersom trippelbindningen av alkynmolekyler består av en starkare sigmabindning och två svagare pi-bindningar, kan de fästa antingen en eller två halogenmolekyler. Tillsatsen av två halogenmolekyler med en alkynmolekyl sker genom en elektrofil mekanism sekventiellt i två steg:
Hydrohalogenering
Tillsatsen av vätehalogenidmolekyler sker också via en elektrofil mekanism och i två steg. I båda stadierna fortsätter anslutningen i enlighet med Markovnikovs regel:
Hydrering
Tillsatsen av vatten till alkyner sker i närvaro av rutisalter i ett surt medium och kallas Kucherov-reaktionen.
Som ett resultat av hydratisering producerar tillsatsen av vatten till acetylen acetaldehyd (ättiksyraaldehyd):
För acetylenhomologer leder tillsatsen av vatten till bildandet av ketoner:
Hydrering av alkyner
Alkyner reagerar med väte i två steg. Metaller som platina, palladium och nickel används som katalysatorer:
Trimerisering av alkyner
När acetylen passeras över aktivt kol vid hög temperatur, bildas en blandning av olika produkter av det, varav huvuddelen är bensen, en produkt av acetylentrimerisering:
Dimerisering av alkyner
Acetylen genomgår också en dimeriseringsreaktion. Processen äger rum i närvaro av kopparsalter som katalysatorer:
Alkynoxidation
Alkyner brinner i syre:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Reaktion av alkyner med baser
Alkyner med en trippel C≡C i änden av molekylen kan, till skillnad från andra alkyner, gå in i reaktioner där väteatomen vid trippelbindningen ersätts med en metall. Till exempel reagerar acetylen med natriumamid i flytande ammoniak:
HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,
och även med en ammoniaklösning av silveroxid, som bildar olösliga saltliknande ämnen som kallas acetylenider:
Tack vare denna reaktion är det möjligt att känna igen alkyner med en terminal trippelbindning, samt att isolera en sådan alkyn från en blandning med andra alkyner.
Det bör noteras att alla silver- och kopparacetylenider är explosiva ämnen.
Acetylenider kan reagera med halogenderivat, som används i syntesen av mer komplexa organiska föreningar med en trippelbindning:
CH3-C≡CH + NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Kemiska egenskaper hos aromatiska kolväten
Den aromatiska karaktären hos bindningen påverkar Kemiska egenskaper bensener och andra aromatiska kolväten.
Det förenade 6pi-elektronsystemet är mycket stabilare än vanliga pi-bindningar. Därför är substitutionsreaktioner snarare än additionsreaktioner mer typiska för aromatiska kolväten. Arener genomgår substitutionsreaktioner via en elektrofil mekanism.
Substitutionsreaktioner
Halogenering
Nitrering
Nitreringsreaktionen fortskrider bäst under påverkan av oren salpetersyra och dess blandning med koncentrerad svavelsyra, den så kallade nitreringsblandningen:
Alkylering
En reaktion där en av väteatomerna vid den aromatiska ringen ersätts med en kolväteradikal:
Alkener kan också användas istället för halogenerade alkaner. Aluminiumhalogenider, järnhalogenider eller oorganiska syror kan användas som katalysatorer.<
Tilläggsreaktioner
Hydrering
Klortillsats
Fortsätter via en radikal mekanism vid intensiv bestrålning med ultraviolett ljus:
En liknande reaktion kan bara ske med klor.
Oxidationsreaktioner
Förbränning
2C6H6 + 15O2 = 12CO2 + 6H2O + Q
Ofullständig oxidation
Bensenringen är resistent mot oxidationsmedel såsom KMnO 4 och K 2 Cr 2 O 7 . Det finns ingen reaktion.
Substituenter på bensenringen är indelade i två typer:
Låt oss betrakta de kemiska egenskaperna hos bensenhomologer med toluen som exempel.
Kemiska egenskaper hos toluen
Halogenering
Toluenmolekylen kan anses bestå av fragment av bensen- och metanmolekyler. Därför är det logiskt att anta att toluens kemiska egenskaper i viss mån bör kombinera de kemiska egenskaperna hos dessa två ämnen var för sig. Detta är ofta vad som observeras under dess halogenering. Vi vet redan att bensen genomgår en substitutionsreaktion med klor via en elektrofil mekanism, och för att utföra denna reaktion är det nödvändigt att använda katalysatorer (aluminium eller järnhalogenider). Samtidigt kan metan också reagera med klor, men via en fri radikalmekanism, vilket kräver bestrålning av den initiala reaktionsblandningen med UV-ljus. Toluen, beroende på förhållanden under vilka det utsätts för klorering, kan ge antingen produkter av substitution av väteatomer i bensenringen - för detta måste du använda samma villkor som för klorering av bensen, eller produkter av substitution av väte atomer i metylradikalen, om det är så, hur klor verkar på metan under ultraviolett bestrålning:
Som du kan se ledde kloreringen av toluen i närvaro av aluminiumklorid till två olika produkter - orto- och para-klortoluen. Detta beror på det faktum att metylradikalen är en substituent av det första slaget.
Om kloreringen av toluen i närvaro av AlCl 3 utförs i överskott av klor, är bildningen av triklorsubstituerad toluen möjlig:
På liknande sätt, när toluen kloreras i ljuset vid ett högre klor/toluen-förhållande, kan diklormetylbensen eller triklormetylbensen erhållas:
Nitrering
Ersättningen av väteatomer med en nitrogrupp under nitreringen av toluen med en blandning av koncentrerad salpetersyra och svavelsyra leder till substitutionsprodukter i den aromatiska ringen snarare än metylradikalen:
Alkylering
Som redan nämnts är metylradikalen ett orienterande medel av det första slaget, därför leder dess alkylering enligt Friedel-Crafts till substitutionsprodukterna i orto- och para-positioner:
Tilläggsreaktioner
Toluen kan hydreras till metylcyklohexan med hjälp av metallkatalysatorer (Pt, Pd, Ni):
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O
Ofullständig oxidation
När den utsätts för ett oxidationsmedel såsom en vattenlösning av kaliumpermanganat, genomgår sidokedjan oxidation. Den aromatiska kärnan kan inte oxidera under sådana förhållanden. I detta fall, beroende på lösningens pH, kommer antingen en karboxylsyra eller dess salt att bildas.
Definition
Kolväten (HC)- Organiska föreningar som består av kol- och väteatomer.
Som du minns (se ämne "Klassificering av organiska ämnen"), alla organiska ämnen kan delas in i cyklisk Och acyklisk. Kolväten är bara en av klasserna av organiska föreningar, de kan delas in i begränsa Och obegränsat.
Begränsa, eller mättade kolväten, innehåller inte flera bindningar i molekylstrukturen.
Obegränsat eller omättade kolväten innehåller flera bindningar - dubbel eller trippel.
Traditionellt utförs klassificeringen av organiska ämnen enligt strukturen i kolvätekedjan, därför är alla kolväten också uppdelade i öppen kedja (acykliska) och sluten kedja (karbocykliska). Klassen av aromatiska kolväten kan i sin tur också klassificeras som omättade föreningar, eftersom deras struktur innehåller flera dubbelbindningar. Med andra ord: alla aromatiska föreningar är omättade, men inte alla omättade föreningar är aromatiska. I sin tur kan cykloparaffiner också vara mättade (mättade), eller så kan de innehålla flera dubbelbindningar i sin struktur och uppvisa egenskaperna hos omättade kolväten.
Schematiskt kan denna klassificering visas enligt följande:
| Kolväten (HC) | UV-klass |
homologi formel |
I rubriken | S-S anslutningar | Hybridisering | |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Acyklisk (alifatisk) |
begränsa | alkaner | $C_nH_(2n+2)$ | -en | …(C-C)… | $sp^3$ |
| obegränsat | alkener | $C_nH_(2n)$ | -sv | …(C=C)… | $sp^2$ | |
| alkyner | $C_nH_(2n-2)$ | -i | …(C$\equiv$C)… | $sp$ | ||
| alkadiener | -dien | …(C=C)..(C=C)... | $sp^3$/ $sp^2$ /$sp$ | |||
|
cyklisk |
aromatisk | arenor | $C_nH_(2n-6)$ | -bensen | aromatiskt system $C_6H_5$- | $sp^2$ |
| alicyklisk | cykloalkaner | $C_nH_(2n)$ | cyklo-……-an | stängd cykel...(C=C)... | $sp^3$ | |
Acykliska föreningar delas vanligtvis in i mättade och omättade (mättade och omättade) beroende på om flera kol-kolbindningar saknas eller finns i deras molekyler:
Bland cykliska föreningar särskiljs karbocykliska och heterocykliska föreningar. I molekylerna av karbocykliska föreningar bildas cykeln endast av kolatomer. I heterocykler, tillsammans med kolatomer, kan andra element vara närvarande, till exempel O, N, S:
Karbocykliska föreningar delas in i alicykliska och aromatiska. Aromatiska föreningar innehåller en bensenring:
Allmänna kemiska egenskaper för kolväteklasser
Låt oss nu ge en allmän beskrivning av enskilda klasser av kolväten och beskriva deras allmänna kemiska egenskaper. Alla klasser av föreningar kommer att diskuteras mer i detalj i separata specialämnen. Låt oss börja med begränsande eller mättade kolväten. Representanter för denna klass är alkaner.
Definition
Alkaner (paraffiner)- kolväten, i vars molekyler atomerna är förbundna med enkelbindningar och vars sammansättning motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n+2)$.
Alkaner kallas mättade kolväten enligt deras kemiska egenskaper. Alla bindningar i alkanmolekyler är enkla. Överlappningen sker längs linjen som förbinder atomkärnorna, det vill säga dessa är $\sigma$-bindningar, därför kan alkaner under svåra förhållanden (hög temperatur, UV-bestrålning) komma in i substitution, elimineringsreaktioner (dehydrering och aromatisering) Och isomerisering eller som reaktion splittring, det vill säga förstörelsen av kolkedjan .
Alla reaktioner går till övervägande del genom fria radikaler när, som ett resultat av en reaktion, sker homolytisk klyvning av bindningar och högreaktiva partiklar med en oparad elektron bildas - fria radikaler. Detta beror på den låga polariseringen av CH-bindningar och frånvaron av områden med ökad eller minskad elektrondensitet. Alkaner reagerar inte med laddade partiklar, eftersom bindningarna i alkaner inte bryts av en heterolytisk mekanism. Alkaner kan inte genomgå additionsreaktioner, eftersom från definitionen kommunikationsmättnad Det följer att i molekyler med $\sigma$-bindningar uppvisar kol maximal valens, där var och en av de fyra bindningarna bildas av ett elektronpar.
Cykloalkaner (cykloparaffiner) kan också klassificeras som mättade kolväten, eftersom de är karbocykliska föreningar med singel$\sigma$-anslutningar.
Definition
Cykloalkaner (cykloparaffiner)- dessa är cykliska kolväten som inte innehåller flera bindningar i molekylen och motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n)$
Cykloalkaner är också mättade kolväten, det vill säga de uppvisar egenskaper som liknar alkaner. Till skillnad från alkaner kan cykloalkaner med små ringar (cyklopropan och cyklobutan) komma in i additionsreaktioner, som inträffar med brytningen av bindningar och öppnandet av cykeln. Andra cykloalkaner kännetecknas av substitutionsreaktioner, på samma sätt som alkaner, enligt mekanismen för fria radikaler.
TILL omättade (omättade) kolväten, enligt klassificeringen, omfatta en lkener, alkadiener och alkyner. Aromatiska kolväten kan också klassificeras som omättade föreningar. Egenskapen "omättnad" är förknippad med förmågan hos dessa kolväten att komma in i additionsreaktioner längs flera bindningar och bildar slutligen begränsande stötvågor. Additionsreaktioner inkluderar reaktioner hydrering(tillsats av väte), halogenering(tillsats av halogener), hydrohalogenering(tillsats av vätehalogenider), hydrering(vattenanslutning), polymerisation. De flesta av dessa reaktioner sker genom den elektrofila additionsmekanismen.
Definition
Alkenes (olefiner) - acykliska kolväten som i molekylen, förutom enkelbindningar, innehåller en dubbelbindning mellan kolatomer och som motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n)$.
För alkener, förutom ovanstående additionsreaktioner, är oxidationsreaktioner också karakteristiska med bildning av glykoler (tvåvärda alkoholer), ketoner eller karboxylsyror, beroende på kedjelängden och placeringen av dubbelbindningen. Funktionerna i dessa reaktioner diskuteras i detalj i ämnet " OVR i organisk kemi"
Definition
Alkadiener- acykliska kolväten som i molekylen, förutom enkelbindningar, innehåller två dubbelbindningar mellan kolatomer och som motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n-2)$.
Placeringen av dubbelbindningen i alkadienmolekylen kan vara annorlunda:
kumulativa diener(allener): $-CH_2-CH=C=CH-CH2-$
isolerade diener: $-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH=CH-CH_2-$
konjugerade diener: $-CH_2-CH=CH-CH=CH-CH_2-$
Den största praktiska tillämpningen är för konjugerade alkadiener, där två dubbelbindningar separeras av en enkelbindning, som till exempel i butadienmolekylen: $CH_2=CH-CH=CH_2$. Konstgjort gummi syntetiserades baserat på butadien. Därför är den huvudsakliga praktiska egenskapen hos alkadiener förmågan att polymerisera på grund av dubbelbindningar. De kemiska egenskaperna hos konjugerade alkadiener kommer att diskuteras i detalj i ämnet: " Funktioner hos de kemiska egenskaperna hos konjugerade diener"
Definition
Alkyner- acykliska kolväten som i molekylstrukturen, förutom enkelbindningar, innehåller en trippelbindning mellan kolatomer och som motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n-2)$.
Alkyner och alkadiener är interklassisomerer, eftersom de motsvarar samma allmänna formel. Alkyner, liksom alla omättade kolväten, kännetecknas av additionsreaktioner. Reaktionerna fortskrider enligt den elektrofila mekanismen i två steg - med bildandet av alkener och deras derivat och sedan med bildandet av mättade kolväten. Dessutom går det första steget långsammare än det andra. En speciell egenskap hos acetylen, den första representanten för serien av alkyner, är trimeriseringsreaktion för att producera bensen (Zelinsky-reaktion). Funktionerna i denna och andra reaktioner kommer att diskuteras i ämnet " Ansöker och skaffar arenor".
Definition
Aromatiska kolväten (arener)- karbocykliska kolväten, vars molekyler har en eller flera bensenringar. Sammansättningen av arener med en bensenring motsvarar den allmänna formeln $C_nH_(2n-6)$.
Grunden för alla aromatiska föreningar är bensenringen, vars formel är grafiskt avbildad på två sätt:
Formeln med delokaliserade bindningar betyder att kolatomernas elektroniska p-orbitaler deltar i konjugering och bildar ett enda $\pi$-system. Bensenderivat (homologer) bildas genom att ersätta väteatomer i ringen med andra atomer eller grupper av atomer och bildar sidokedjor.
Därför kännetecknas aromatiska föreningar i bensenserien av reaktioner i två riktningar: på bensenringen, Och "till sidokedjan". Reaktionerna på bensenringen (kärnan) är elektrofil substitution, eftersom närvaron av ett $\pi$-system, det vill säga ett område med ökad elektrondensitet, gör bensenstrukturen energetiskt gynnsam för verkan av elektrofiler (positiva joner). Till skillnad från omättade kolväten, som kännetecknas av elektrofila additionsreaktioner, har den aromatiska strukturen hos bensen ökad stabilitet och dess kränkning är energimässigt ogynnsam. Under en elektrofil attack är det därför inte brytningen av $\pi$-bindningar som sker, utan ersättningen av väteatomer. Sidokedjereaktioner beror på substituentradikalens natur och kan ske genom olika mekanismer.
Aromatiska föreningar. att ha flera (två eller flera) smälta bensenringar i sin struktur kallas polynukleära aromatiska kolväten och har sina egna triviala namn.
