Chemische Eigenschaften von Alkanen
Alkane (Paraffine) sind nichtzyklische Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen alle Kohlenstoffatome nur durch Einfachbindungen verbunden sind. Mit anderen Worten: In den Molekülen von Alkanen gibt es keine Mehrfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen. Tatsächlich sind Alkane Kohlenwasserstoffe mit der größtmöglichen Anzahl an Wasserstoffatomen und werden daher als limitierend (gesättigt) bezeichnet.
Aufgrund der Sättigung können Alkane keine Additionsreaktionen eingehen.
Da Kohlenstoff- und Wasserstoffatome eine relativ ähnliche Elektronegativität aufweisen, führt dies dazu, dass die CH-Bindungen in ihren Molekülen eine extrem niedrige Polarität aufweisen. In dieser Hinsicht sind für Alkane Reaktionen charakteristischer, die nach dem Mechanismus der radikalischen Substitution ablaufen, der mit dem Symbol S R gekennzeichnet ist.
1. Substitutionsreaktionen
Bei Reaktionen dieser Art werden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufgebrochen.
RH + XY → RX + HY
Halogenierung
Alkane reagieren mit Halogenen (Chlor und Brom) unter Einwirkung von ultraviolettem Licht oder starker Hitze. Dabei entsteht eine Mischung aus Halogenderivaten mit unterschiedlichem Substitutionsgrad der Wasserstoffatome – Mono-, Di-Tri- usw. Halogensubstituierte Alkane.
Am Beispiel von Methan sieht es so aus:
Durch Änderung des Halogen/Methan-Verhältnisses in der Reaktionsmischung kann sichergestellt werden, dass ein bestimmtes Methanhalogenderivat in der Zusammensetzung der Produkte vorherrscht.
Reaktionsmechanismus
Analysieren wir den Mechanismus der Substitutionsreaktion freier Radikale am Beispiel der Wechselwirkung von Methan und Chlor. Es besteht aus drei Phasen:
- Initiierung (oder Ketteninitiierung) – der Prozess der Bildung freier Radikale unter Einwirkung von Energie von außen – Bestrahlung mit UV-Licht oder Erhitzen. In diesem Stadium erfährt das Chlormolekül eine homolytische Spaltung der Cl-Cl-Bindung unter Bildung freier Radikale:
Freie Radikale werden, wie aus der obigen Abbildung hervorgeht, Atome oder Atomgruppen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen (Cl, H, CH 3 , CH 2 usw.) genannt;
2. Kettenentwicklung
Dieses Stadium besteht in der Wechselwirkung aktiver freier Radikale mit inaktiven Molekülen. Dabei entstehen neue Radikale. Insbesondere wenn Chlorradikale auf Alkanmoleküle einwirken, entstehen ein Alkylradikal und Chlorwasserstoff. Das Alkylradikal wiederum bildet bei der Kollision mit Chlormolekülen ein Chlorderivat und ein neues Chlorradikal:
3) Bruch (Tod) der Kette:
Entsteht durch die Rekombination zweier Radikale miteinander zu inaktiven Molekülen:
2. Oxidationsreaktionen
Unter normalen Bedingungen sind Alkane gegenüber starken Oxidationsmitteln wie konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure, Permanganat und Kaliumdichromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7) inert.
Verbrennung in Sauerstoff
A) vollständige Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss. Führt zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
B) unvollständige Verbrennung mit Sauerstoffmangel:
2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 \u003d C + 2H 2 O
Katalytische Oxidation mit Sauerstoff
Durch Erhitzen von Alkanen mit Sauerstoff (~200 °C) in Gegenwart von Katalysatoren können daraus verschiedenste organische Produkte gewonnen werden: Aldehyde, Ketone, Alkohole, Carbonsäuren.
Beispielsweise kann Methan je nach Art des Katalysators zu Methylalkohol, Formaldehyd oder Ameisensäure oxidiert werden:
3. Thermische Umwandlungen von Alkanen
Knacken
Cracken (aus dem Englischen zu crack – zu reißen) ist ein chemischer Prozess, der bei hoher Temperatur abläuft und bei dem das Kohlenstoffgerüst von Alkanmolekülen unter Bildung von Alkenen und Alkanmolekülen mit niedrigeren Molekulargewichten im Vergleich zu den ursprünglichen Alkanen aufbricht. Zum Beispiel:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH \u003d CH 2
Das Cracken kann thermisch oder katalytisch erfolgen. Bei der Durchführung des katalytischen Crackens werden aufgrund des Einsatzes von Katalysatoren im Vergleich zum thermischen Cracken deutlich niedrigere Temperaturen verwendet.
Dehydrierung
Die Abspaltung von Wasserstoff erfolgt durch Aufbrechen der C-H-Bindungen; in Gegenwart von Katalysatoren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Durch die Dehydrierung von Methan entsteht Acetylen:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Das Erhitzen von Methan auf 1200 °C führt zu seiner Zersetzung in einfache Stoffe:
CH 4 → C + 2H 2
Durch Dehydrierung anderer Alkane entstehen Alkene:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Beim Dehydrieren N Es entstehen -Butan, Buten-1 und Buten-2 (letzteres in der Form cis- Und Trance-Isomere):
Dehydrocyclisierung
Isomerisierung
Chemische Eigenschaften von Cycloalkanen
Die chemischen Eigenschaften von Cycloalkanen mit mehr als vier Kohlenstoffatomen in den Zyklen sind im Allgemeinen nahezu identisch mit denen von Alkanen. Für Cyclopropan und Cyclobutan sind seltsamerweise Additionsreaktionen charakteristisch. Dies liegt an der hohen Spannung innerhalb des Kreislaufs, die dazu führt, dass diese Zyklen dazu neigen, zu brechen. Cyclopropan und Cyclobutan fügen also leicht Brom, Wasserstoff oder Chlorwasserstoff hinzu:
Chemische Eigenschaften von Alkenen
1. Additionsreaktionen
Da die Doppelbindung in Alkenmolekülen aus einer starken Sigma-Bindung und einer schwachen Pi-Bindung besteht, handelt es sich um recht aktive Verbindungen, die leicht Additionsreaktionen eingehen. Alkene gehen solche Reaktionen oft schon unter milden Bedingungen ein – in der Kälte, in wässrigen Lösungen und organischen Lösungsmitteln.
Hydrierung von Alkenen
Alkene sind in der Lage, in Gegenwart von Katalysatoren (Platin, Palladium, Nickel) Wasserstoff zu addieren:
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Die Hydrierung von Alkenen verläuft auch bei Normaldruck und leichter Erwärmung problemlos. Interessant ist, dass für die Dehydrierung von Alkanen zu Alkenen dieselben Katalysatoren verwendet werden können, nur dass der Dehydrierungsprozess bei höherer Temperatur und niedrigerem Druck abläuft.
Halogenierung
Alkene gehen sowohl in wässriger Lösung als auch in organischen Lösungsmitteln leicht eine Additionsreaktion mit Brom ein. Durch die Wechselwirkung verlieren zunächst gelbe Bromlösungen ihre Farbe, d.h. verfärben.
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hydrohalogenierung
Es ist leicht zu erkennen, dass die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein unsymmetrisches Alkenmolekül theoretisch zu einer Mischung zweier Isomere führen sollte. Wenn beispielsweise Bromwasserstoff zu Propen addiert wird, sollten die folgenden Produkte erhalten werden:
Ohne bestimmte Bedingungen (z. B. das Vorhandensein von Peroxiden im Reaktionsgemisch) erfolgt die Zugabe eines Halogenwasserstoffmoleküls jedoch streng selektiv gemäß der Markownikow-Regel:
Die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Alken erfolgt so, dass Wasserstoff an ein Kohlenstoffatom mit einer größeren Anzahl von Wasserstoffatomen (stärker hydriert) gebunden wird und ein Halogen an ein Kohlenstoffatom mit einer geringeren Anzahl von Wasserstoffatomen gebunden wird (weniger hydriert).
Flüssigkeitszufuhr
Diese Reaktion führt zur Bildung von Alkoholen und verläuft ebenfalls nach der Markownikow-Regel:
Wie Sie sich vorstellen können, ist die Bildung von primärem Alkohol aufgrund der Tatsache, dass die Addition von Wasser an das Alkenmolekül nach der Markownikow-Regel erfolgt, nur im Fall der Ethylenhydratisierung möglich:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
Durch diese Reaktion wird in der Großindustrie die Hauptmenge an Ethylalkohol abgebaut.
Polymerisation
Ein Sonderfall der Additionsreaktion ist die Polymerisationsreaktion, die im Gegensatz zur Halogenierung, Hydrohalogenierung und Hydratation über einen Mechanismus freier Radikale abläuft:
Oxidationsreaktionen
Wie alle anderen Kohlenwasserstoffe verbrennen Alkene leicht in Sauerstoff und bilden Kohlendioxid und Wasser. Die Gleichung für die Verbrennung von Alkenen im Sauerstoffüberschuss hat die Form:
C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Im Gegensatz zu Alkanen werden Alkene leicht oxidiert. Unter Einwirkung einer wässrigen Lösung von KMnO 4 auf Alkene kommt es zu einer Verfärbung, die eine qualitative Reaktion auf Doppel- und Dreifach-CC-Bindungen in Molekülen organischer Substanzen darstellt.
Die Oxidation von Alkenen mit Kaliumpermanganat in neutraler oder leicht alkalischer Lösung führt zur Bildung von Diolen (zweiwertigen Alkoholen):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (Kühlung)
In einer sauren Umgebung kommt es zu einer vollständigen Spaltung der Doppelbindung unter Umwandlung der Kohlenstoffatome, die die Doppelbindung gebildet haben, in Carboxylgruppen:
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 (Heizung)
Befindet sich die C=C-Doppelbindung am Ende des Alkenmoleküls, entsteht Kohlendioxid als Produkt der Oxidation des äußersten Kohlenstoffatoms an der Doppelbindung. Dies liegt daran, dass das Zwischenprodukt der Oxidation, Ameisensäure, in einem Überschuss eines Oxidationsmittels leicht selbst oxidiert wird:
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 (Heizung)
Bei der Oxidation von Alkenen, bei denen das C-Atom an der Doppelbindung zwei Kohlenwasserstoffsubstituenten enthält, entsteht ein Keton. Beispielsweise entstehen bei der Oxidation von 2-Methylbuten-2 Aceton und Essigsäure.
Zur Strukturaufklärung dient die Oxidation von Alkenen, bei der das Kohlenstoffgerüst an der Doppelbindung aufgebrochen wird.
Chemische Eigenschaften von Alkadienen
Additionsreaktionen
Zum Beispiel der Zusatz von Halogenen:
Bromwasser wird farblos.
Unter normalen Bedingungen erfolgt die Addition von Halogenatomen an den Enden des Butadien-1,3-Moleküls, während π-Bindungen aufgebrochen werden, Bromatome an die äußersten Kohlenstoffatome gebunden werden und freie Valenzen eine neue π-Bindung bilden. Es kommt also so vor, als gäbe es eine „Bewegung“ der Doppelbindung. Bei einem Überschuss an Brom kann an der Stelle der gebildeten Doppelbindung ein weiteres Brommolekül angelagert werden.
Polymerisationsreaktionen
Chemische Eigenschaften von Alkinen
Alkine sind ungesättigte (ungesättigte) Kohlenwasserstoffe und daher in der Lage, Additionsreaktionen einzugehen. Unter den Additionsreaktionen für Alkine ist die elektrophile Addition die häufigste.
Halogenierung
Da die Dreifachbindung von Alkinmolekülen aus einer stärkeren Sigma-Bindung und zwei schwächeren Pi-Bindungen besteht, können sie entweder ein oder zwei Halogenmoleküle anbinden. Die Addition von zwei Halogenmolekülen durch ein Alkinmolekül erfolgt nach dem elektrophilen Mechanismus nacheinander in zwei Stufen:
Hydrohalogenierung
Die Addition von Halogenwasserstoffmolekülen erfolgt ebenfalls nach dem elektrophilen Mechanismus und in zwei Stufen. In beiden Stufen erfolgt die Addition nach der Markownikow-Regel:
Flüssigkeitszufuhr
Die Addition von Wasser an Alkine erfolgt in Gegenwart von Ruthiumsalzen in einem sauren Medium und wird als Kucherov-Reaktion bezeichnet.
Durch die Hydratation der Addition von Wasser an Acetylen entsteht Acetaldehyd (Essigaldehyd):
Bei Acetylenhomologen führt die Zugabe von Wasser zur Bildung von Ketonen:
Alkinhydrierung
Alkine reagieren mit Wasserstoff in zwei Schritten. Als Katalysatoren werden Metalle wie Platin, Palladium, Nickel verwendet:
Alkin-Trimerisierung
Wenn Acetylen bei hoher Temperatur über Aktivkohle geleitet wird, entsteht daraus ein Gemisch verschiedener Produkte, von denen das wichtigste Benzol ist, ein Produkt der Acetylentrimerisierung:
Dimerisierung von Alkinen
Auch Acetylen geht eine Dimerisierungsreaktion ein. Der Prozess läuft in Gegenwart von Kupfersalzen als Katalysatoren ab:
Alkinoxidation
Alkine verbrennen in Sauerstoff:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Die Wechselwirkung von Alkinen mit Basen
Alkine mit einem dreifachen C≡C am Ende des Moleküls sind im Gegensatz zu anderen Alkinen in der Lage, Reaktionen einzugehen, bei denen das Wasserstoffatom in der Dreifachbindung durch ein Metall ersetzt wird. Beispielsweise reagiert Acetylen mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
und auch mit einer Ammoniaklösung von Silberoxid, wodurch unlösliche salzartige Substanzen namens Acetylenide entstehen:
Dank dieser Reaktion ist es möglich, Alkine mit einer terminalen Dreifachbindung zu erkennen und ein solches Alkin aus einer Mischung mit anderen Alkinen zu isolieren.
Es ist zu beachten, dass es sich bei allen Silber- und Kupferacetyleniden um explosive Stoffe handelt.
Acetylide können mit Halogenderivaten reagieren, was bei der Synthese komplexerer organischer Verbindungen mit einer Dreifachbindung verwendet wird:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH 3 -C≡CNa + CH 3 Br → CH 3 -C≡C-CH 3 + NaBr
Chemische Eigenschaften aromatischer Kohlenwasserstoffe
Die aromatische Natur der Bindung beeinflusst die chemischen Eigenschaften von Benzolen und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen.
Ein einzelnes 6pi-Elektronensystem ist viel stabiler als herkömmliche Pi-Bindungen. Daher sind für aromatische Kohlenwasserstoffe Substitutionsreaktionen charakteristischer als Additionsreaktionen. Arene gehen über einen elektrophilen Mechanismus Substitutionsreaktionen ein.
Substitutionsreaktionen
Halogenierung
Nitrierung
Die Nitrierungsreaktion verläuft am besten unter Einwirkung nicht reiner Salpetersäure, sondern ihrer Mischung mit konzentrierter Schwefelsäure, der sogenannten Nitrierungsmischung:
Alkylierung
Die Reaktion, bei der eines der Wasserstoffatome am aromatischen Kern durch ein Kohlenwasserstoffradikal ersetzt wird:
Anstelle von halogenierten Alkanen können auch Alkene verwendet werden. Als Katalysatoren können Aluminiumhalogenide, Eisen(III)-eisenhalogenide oder anorganische Säuren verwendet werden.<
Additionsreaktionen
Hydrierung
Beitritt von Chlor
Unter intensiver Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erfolgt ein radikalischer Mechanismus:
Ebenso kann die Reaktion nur mit Chlor ablaufen.
Oxidationsreaktionen
Verbrennung
2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
unvollständige Oxidation
Der Benzolring ist beständig gegen Oxidationsmittel wie KMnO 4 und K 2 Cr 2 O 7 . Die Reaktion geht nicht.
Einteilung der Substituenten im Benzolring in zwei Typen:
Betrachten Sie die chemischen Eigenschaften von Benzolhomologen am Beispiel von Toluol.
Chemische Eigenschaften von Toluol
Halogenierung
Man kann davon ausgehen, dass das Toluolmolekül aus Fragmenten von Benzol- und Methanmolekülen besteht. Daher ist es logisch anzunehmen, dass die chemischen Eigenschaften von Toluol in gewissem Maße die chemischen Eigenschaften dieser beiden Substanzen getrennt betrachtet kombinieren sollten. Genau dies wird insbesondere bei seiner Halogenierung beobachtet. Wir wissen bereits, dass Benzol durch einen elektrophilen Mechanismus eine Substitutionsreaktion mit Chlor eingeht und dass für die Durchführung dieser Reaktion Katalysatoren (Aluminium- oder Eisenhalogenide) verwendet werden müssen. Gleichzeitig ist Methan auch in der Lage, mit Chlor zu reagieren, allerdings über einen Radikalmechanismus, der eine Bestrahlung der anfänglichen Reaktionsmischung mit UV-Licht erfordert. Toluol kann je nach den Bedingungen, unter denen es chloriert wird, entweder die Produkte der Substitution von Wasserstoffatomen im Benzolring liefern – hierfür müssen die gleichen Bedingungen wie bei der Chlorierung von Benzol verwendet werden – oder die Produkte der Substitution von Wasserstoffatomen im Methylradikal, wenn darauf, wie man mit Chlor auf Methan einwirkt, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird:
Wie Sie sehen können, führte die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von Aluminiumchlorid zu zwei verschiedenen Produkten – ortho- und para-Chlortoluol. Dies liegt daran, dass es sich beim Methylrest um einen Substituenten erster Art handelt.
Wird die Chlorierung von Toluol in Gegenwart von AlCl 3 im Überschuss an Chlor durchgeführt, ist die Bildung von Trichlor-substituiertem Toluol möglich:
Wenn Toluol im Licht bei einem höheren Chlor/Toluol-Verhältnis chloriert wird, kann auf ähnliche Weise Dichlormethylbenzol oder Trichlormethylbenzol erhalten werden:
Nitrierung
Die Substitution der Nitrogruppe durch Wasserstoffatome bei der Nitrierung von Toluol mit einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure führt zu Substitutionsprodukten im aromatischen Kern und nicht im Methylradikal:
Alkylierung
Wie bereits erwähnt, ist das Methylradikal ein Orientierungsmittel erster Art, daher führt seine Friedel-Crafts-Alkylierung zu Substitutionsprodukten in ortho- und para-Position:
Additionsreaktionen
Toluol kann mit Metallkatalysatoren (Pt, Pd, Ni) zu Methylcyclohexan hydriert werden:
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
unvollständige Oxidation
Unter der Wirkung eines solchen Oxidationsmittels wie einer wässrigen Lösung von Kaliumpermanganat wird die Seitenkette oxidiert. Der aromatische Kern kann unter solchen Bedingungen nicht oxidiert werden. In diesem Fall entsteht je nach pH-Wert der Lösung entweder eine Carbonsäure oder deren Salz.
Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verbunden sind und die der allgemeinen Formel C n H 2 n +2 entsprechen.
In Alkanmolekülen befinden sich alle Kohlenstoffatome im Zustand der sp 3 -Hybridisierung. Das bedeutet, dass alle vier Hybridorbitale des Kohlenstoffatoms in Form und Energie identisch sind und auf die Ecken einer gleichseitigen dreieckigen Pyramide – eines Tetraeders – gerichtet sind. Die Winkel zwischen den Orbitalen betragen 109° 28'.
Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation möglich, und Alkanmoleküle können in einem Molekül eine Vielzahl von Formen mit Winkeln an Kohlenstoffatomen annehmen, die beispielsweise einem Tetraeder (109 ° 28 ′) nahe kommen N-Pentan.
Besonders erwähnenswert sind die Bindungen in den Alkanmolekülen. Alle Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe sind einfach. Es kommt zu Überlappungen entlang der Achse,
verbinden die Atomkerne, d. h. es handelt sich um σ-Bindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind unpolar und schlecht polarisierbar. Die Länge der C-C-Bindung in Alkanen beträgt 0,154 nm (1,54 · 10 - 10 m). C-H-Bindungen sind etwas kürzer. Die Elektronendichte ist leicht zum elektronegativeren Kohlenstoffatom hin verschoben, d. h. die C-H-Bindung ist schwach polar.
Das Fehlen polarer Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe führt dazu, dass diese in Wasser schlecht löslich sind und nicht mit geladenen Teilchen (Ionen) interagieren. Am charakteristischsten für Alkane sind Reaktionen, an denen freie Radikale beteiligt sind.
Homologe Reihe von Methan
Homologe- Stoffe, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich durch eine oder mehrere CH 2 -Gruppen unterscheiden.
Isomerie und Nomenklatur
Alkane zeichnen sich durch die sogenannte Strukturisomerie aus. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Butan. 
Grundlagen der Nomenklatur
1. Auswahl des Hauptstromkreises. Die Namensbildung eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette – der längsten Kette von Kohlenstoffatomen in einem Molekül, die sozusagen seine Grundlage darstellt.
2. Nummerierung der Atome der Hauptkette. Den Atomen der Hauptkette werden Nummern zugeordnet. Die Nummerierung der Atome der Hauptkette beginnt am Ende, das dem Substituenten am nächsten liegt (Strukturen A, B). Stehen die Substituenten gleich weit vom Ende der Kette entfernt, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sich mehr davon befinden (Struktur B). Stehen verschiedene Substituenten in gleichem Abstand von den Enden der Kette, dann beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem der ältere näher liegt (Struktur G). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем этил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3 ) usw.
Beachten Sie, dass der Name des Ersatzes durch Ersetzen des Suffixes -an durch das Suffix - gebildet wird. Schlick im Namen des entsprechenden Alkans.
3. Namensbildung. Am Anfang des Namens sind Zahlen angegeben – die Anzahl der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Wenn an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden sind, wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal durch ein Komma getrennt wiederholt (2,2-). Nach der Zahl gibt ein Bindestrich die Anzahl der Substituenten an ( di- zwei, drei- drei, Tetra- vier, Penta- fünf) und der Name des Substituenten (Methyl, Ethyl, Propyl). Dann ohne Leerzeichen und Bindestriche – der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet – ein Mitglied der homologen Reihe von Methan ( Methan CH 4, Ethan C 2 H 6, Propan C 3 H 8, C 4 H 10, Pentan C 5 H 12, Hexan C 6 H 14, Heptan C 7 H 16, Oktan C 8 H 18, Nonan C 9 H 20, Dean C 10 H 22).
Physikalische Eigenschaften von Alkanen
Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste davon ist Methan – ein farbloses, geschmackloses und geruchloses Gas (der Geruch von „Gas“, den Sie gefühlt haben, der 04 genannt werden muss, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt – schwefelhaltigen Verbindungen, die speziell dem verwendeten Methan zugesetzt werden Haushalts- und Industriegasgeräte, damit Personen in ihrer Nähe das Leck riechen können).
Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung C 4 H 12 bis C 15 H 32 – Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen mit zunehmender Länge der Kohlenstoffkette allmählich an. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich; flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.
Chemische Eigenschaften von Alkanen
Substitutionsreaktionen.
Die charakteristischsten Alkane sind Substitutionsreaktionen freier Radikale, bei denen ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine Gruppe ersetzt wird. Stellen wir die Gleichungen charakteristischer Reaktionen vor Halogenierung: 
Bei einem Überschuss an Halogen kann die Chlorierung weitergehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor: 
Die resultierenden Substanzen werden häufig als Lösungsmittel und Ausgangsmaterialien in der organischen Synthese verwendet.
Dehydrierungsreaktion(Abspaltung von Wasserstoff).
Beim Durchgang von Alkanen über den Katalysator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) bei hoher Temperatur (400-600 °C) wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und ein Alken gebildet:
Reaktionen, die mit der Zerstörung der Kohlenstoffkette einhergehen.
Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe verbrennen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren.
1. Verbrennung gesättigter Kohlenwasserstoffe ist eine exotherme Reaktion freier Radikale, die bei der Verwendung von Alkanen als Kraftstoff sehr wichtig ist:
Im Allgemeinen kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:
2. Thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen.
Der Prozess verläuft nach dem Mechanismus freier Radikale. Eine Temperaturerhöhung führt zum homolytischen Bruch der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale.
Diese Radikale interagieren miteinander, tauschen ein Wasserstoffatom aus und bilden ein Alkanmolekül und ein Alkenmolekül:
Dem industriellen Prozess – dem Cracken von Kohlenwasserstoffen – liegen thermische Spaltungsreaktionen zugrunde. Dieser Prozess ist der wichtigste Schritt der Ölraffinierung.
3. Pyrolyse. Wenn Methan auf eine Temperatur von 1000 °C erhitzt wird, beginnt die Pyrolyse von Methan – die Zersetzung in einfache Stoffe: 
Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 1500 °C ist die Bildung von Acetylen möglich:
4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst: 
5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette werden in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten cyclisiert: 
Alkane gehen Reaktionen ein, die nach dem Mechanismus freier Radikale ablaufen, da sich alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung befinden. Die Moleküle dieser Substanzen werden aus kovalenten unpolaren C-C-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren C-H-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie verfügen nicht über Bereiche mit hoher und niedriger Elektronendichte, also über leicht polarisierbare Bindungen, d. h. solche Bindungen, in denen sich die Elektronendichte unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Felder von Ionen) verschieben kann. Folglich reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, da Bindungen in Alkanmolekülen nicht durch einen heterolytischen Mechanismus aufgebrochen werden. 
DEFINITION
Alkane Es werden gesättigte Kohlenwasserstoffe genannt, deren Moleküle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen, die nur durch σ-Bindungen miteinander verbunden sind.
Unter normalen Bedingungen (bei 25 °C und Atmosphärendruck) sind die ersten vier Mitglieder der homologen Reihe von Alkanen (C 1 – C 4) Gase. Normale Alkane von Pentan bis Heptadecan (C 5 - C 17) sind Flüssigkeiten, ab C 18 sind sie Feststoffe. Mit zunehmendem relativen Molekulargewicht steigen die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen. Bei gleicher Anzahl an Kohlenstoffatomen in einem Molekül haben verzweigte Alkane niedrigere Siedepunkte als normale Alkane. Die Struktur des Alkanmoleküls am Beispiel von Methan ist in Abb. dargestellt. 1.
Reis. 1. Die Struktur des Methanmoleküls.
Alkane sind in Wasser praktisch unlöslich, da ihre Moleküle eine geringe Polarität haben und nicht mit Wassermolekülen interagieren. Flüssige Alkane vermischen sich leicht miteinander. Sie lösen sich gut in unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Tetrachlorkohlenstoff, Diethylether usw.
Gewinnung von Alkanen
Die Hauptquellen verschiedener gesättigter Kohlenwasserstoffe mit bis zu 40 Kohlenstoffatomen sind Erdöl und Erdgas. Alkane mit einer geringen Anzahl an Kohlenstoffatomen (1–10) können durch fraktionierte Destillation von Erdgas oder Benzinfraktionen aus Öl isoliert werden.
Es gibt industrielle (I) und Labormethoden (II) zur Gewinnung von Alkanen.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— Hydrierung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni, t 0);
— Rückgewinnung von Haloalkanen
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- alkalische Schmelzreaktionen von Salzen einbasiger organischer Säuren
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- Wechselwirkung von Haloalkanen mit metallischem Natrium (Wurtz-Reaktion)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
– Elektrolyse von Salzen einbasiger organischer Säuren
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K (-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Chemische Eigenschaften von Alkanen
Alkane gehören zu den am wenigsten reaktiven organischen Verbindungen, was durch ihre Struktur erklärt wird.
Alkane reagieren unter normalen Bedingungen nicht mit konzentrierten Säuren, geschmolzenen und konzentrierten Alkalien, Alkalimetallen, Halogenen (außer Fluor), Kaliumpermanganat und Kaliumdichromat in einer sauren Umgebung.
Für Alkane sind Reaktionen, die nach dem Radikalmechanismus ablaufen, am charakteristischsten. Die homolytische Spaltung von C-H- und C-C-Bindungen ist energetisch günstiger als deren heterolytische Spaltung.
Radikalische Substitutionsreaktionen laufen am einfachsten am tertiären, am sekundären und nicht zuletzt am primären Kohlenstoffatom ab.
Alle chemischen Umwandlungen von Alkanen verlaufen unter Spaltung:
1) C-H-Bindungen
- Halogenierung (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- Nitrierung (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (verdünnt) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
– Sulfochlorierung (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– Dehydrierung
CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
— Dehydrocyclisierung
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat \u003d Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H- und C-C-Bindungen
- Isomerisierung (intramolekulare Umlagerung)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- Oxidation
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Anwendung von Alkanen
Alkane haben in verschiedenen Branchen Anwendung gefunden. Betrachten wir es am Beispiel einiger Vertreter der homologen Reihe sowie von Alkangemischen genauer.
Methan ist die Rohstoffbasis der wichtigsten chemischen Industrieprozesse zur Herstellung von Kohlenstoff und Wasserstoff, Acetylen, sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen – Alkoholen, Aldehyden, Säuren. Propan wird als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge verwendet. Butan wird zur Herstellung von Butadien verwendet, einem Rohstoff für die Herstellung von synthetischem Kautschuk.
Eine Mischung aus flüssigen und festen Alkanen bis C 25, Vaseline genannt, wird in der Medizin als Grundlage für Salben verwendet. Eine Mischung fester Alkane C 18 - C 25 (Paraffin) wird verwendet, um verschiedene Materialien (Papier, Stoffe, Holz) zu imprägnieren, um ihnen hydrophobe Eigenschaften zu verleihen, d. h. Wasserundurchlässigkeit. In der Medizin wird es bei physiotherapeutischen Eingriffen (Paraffinbehandlung) eingesetzt.
Beispiele für Problemlösungen
BEISPIEL 1
| Übung | Bei der Chlorierung von Methan wurden 1,54 g der Verbindung erhalten, deren Dampfdichte in Luft 5,31 beträgt. Berechnen Sie die Masse an Mangandioxid MnO 2, die zur Herstellung von Chlor erforderlich ist, wenn das Verhältnis der in die Reaktion eingeführten Volumina von Methan und Chlor 1:2 beträgt. |
| Lösung | Das Verhältnis der Masse eines bestimmten Gases zur Masse eines anderen Gases im gleichen Volumen, bei gleicher Temperatur und gleichem Druck wird als relative Dichte des ersten Gases gegenüber dem zweiten bezeichnet. Dieser Wert gibt an, wie oft das erste Gas schwerer oder leichter ist als das zweite Gas. Das relative Molekulargewicht der Luft wird mit 29 angenommen (unter Berücksichtigung des Gehalts an Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen in der Luft). Es ist zu beachten, dass der Begriff „relatives Molekulargewicht von Luft“ bedingt verwendet wird, da Luft ein Gasgemisch ist. Ermitteln wir die Molmasse des Gases, das bei der Chlorierung von Methan entsteht: M Gas = 29 × D Luft (Gas) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Das ist Tetrachlorkohlenstoff - CCl 4 . Wir schreiben die Reaktionsgleichung und ordnen die stöchiometrischen Koeffizienten an: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Berechnen Sie die Menge an Tetrachlorkohlenstoff: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Gemäß der Reaktionsgleichung n (CCl 4) : n (CH 4) = 1: 1, dann n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Dann sollte die Menge an Chlorsubstanz gleich n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4) sein, d.h. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Wir schreiben die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Chlor: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Die Molzahl Mangandioxid beträgt 0,08 Mol, weil n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Finden Sie die Masse von Mangandioxid: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) = Ar (Mn) + 2 × Ar (O) = 55 + 2 × 16 = 87 g/mol; m (MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Antwort | Die Masse von Mangandioxid beträgt 10,4 g. |
BEISPIEL 2
