М. Дроздова - Органическая химия
Горный воск, или озокерит, – твердая природная смесь углеводородов. Путем переплавления и очистки из озокерита приготовляют церезин, который в ряде случаев служит хорошим заменителем воска.
Природными источниками предельных углеводородов являются также некоторые продукты сухой перегонки дерева, торфа, бурого и каменного углей, горючих сланцев.
Синтетические способы получения предельных углеводородов.
1. Присоединение водорода (гидрирование) в присутствии катализаторов – платины и палладия – к непредельным углеводородам.
2. Реакция отнятия галогена от моногалогено-производных при помощи металлического натрия с соединением радикалов (реакция Вюрца).
3. Разложение солей соответствующих кислот (путем нагревания с NaOH):
CnH2n + 1 COONa + NaOH —» CnH2n + 2 + Na2CO3.
Физические свойства
Предельные углеводороды с числом атомов углерода от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости; углеводороды с числом атомов 16 и выше представляют собой твердые тела. Температуры плавления и кипения углеводородов повышаются с укрупнением молекул. Здесь отчетливо видно проявление закона диалектики о переходе количества в качество.
Предельные углеводороды практически не растворимы в воде; в большинстве органических растворителей они растворяются.
Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легколетучие низшие углеводороды обладают запахом бензина. Высшие представители этого ряда, входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.
Химические свойства
В начале главы уже указывалось, что предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью.
15. Взаимодействие пределов углеводородов с галогенами
Галогены не присоединяются к предельным углеводородам. Однако вступают с ними в реакции замещения, особенно легко на солнечном свету. При этом галогеном может последовательно заместиться не один, а несколько атомов водорода. Так, метан, взаимодействуя с хлором, может дать несколько различных продуктов замещения:
СН4 + С → СН3СI1 + НСI1;
хлористый метил
СН3СI + С12 → СН2СI12 + НСI1 и т. д.
хлористый метилен
Углеводороды, в которых один или несколько атомов водорода замещены галогеном, называются га-логенопроизводными.
Предельные углеводороды менее стойки в условиях высокой температуры, особенно в присутствии различных катализаторов.
Окисление предельных углеводородов при повышенной температуре. Первые представители ряда метана окисляются наиболее трудно; однако высшие предельные углеводороы, входящие в состав парафина, уже при 100–160 °C можно окислить кислородом с образованием жирных кислот. Помимо жирных кислот, из углеводородов получают и многие другие вещества, содержащие кислород, окисляя различными методами предельные углеводороды.
Расщепление углеродной цепи предельных углеводородов при высокой температуре и давлении. При 450–550 °C идут реакции крекинг-процесса. Наиболее важной из них является реакция расщепления крупных молекул предельных углеводородов на более мелкие молекулы предельных и непредельных углеводородов. Отдельные представители
Метан (СН4) составляет 86–90 % «земляного», «болотного» и «рудничного» газа; в больших количествах он входит в состав «светильного» газа (приблизительно 35 %); в растворенном состоянии содержится в нефти.
Метан образуется из клетчатки под влиянием микроорганизмов («метановое брожение»), он входит в состав газов кишечника жвачных животных и человека.
Синтетический метан можно получить несколькими способами, например непосредственным взаимодействием углерода и водорода при высокой температуре.
Метан не обладает ни цветом, ни запахом. При горении он дает почти бесцветное пламя со слабым синим оттенком.
При смешивании метана с воздухом образуется крайне опасная взрывчатая смесь.
В воде метан плохо растворим.
Изооктан (C8H18) (2,2,4-триметилпентан) – очень ценная составная часть авиационного бензина, считается стандартным жидким горючим.
16. Непредельные (ненасыщенные) углеводороды
Непредельными, или ненасыщенными, углеводородами называются углеводороды, содержащие меньшее число атомов водорода, чем предельные углеводороды с тем же числом атомов углерода, и резко отличающиеся от предельных своей способностью легко вступать в различные реакции присоединения (например, они легко присоединяют галогены).
В зависимости от содержания водорода непредельные углеводороды делят на различные подгруппы, или ряды. Состав соединений, входящих в различные подгруппы, удобно выражать общими формулами.
Если состав предельных углеводородов обозначают общей формулой СпН2n + 2, то различные ряды непредельных углеводородов можно выразить общими формулами: CnH2n, CnH2n – 2 и т. д.
В данном курсе будут рассматриваться лишь непредельные углеводороды, имеющие формулу СпH2n, – алкены, или олефины, или углеводороды ряда этилена, и имеющие формулу СпH2n – 2, к которым относятся диолефины, или диеновые углеводороды, а также углеводороды ряда ацетилена.
1. Углеводороды ряда этилена, или алкены (олефины).
Углеводороды ряда этилена, имеющие общую формулу СпH2n, получили название по первому простейшему представителю этилену (С2Н4). Другое название этой группы веществ – олефины – возникло исторически: при первоначальном открытии и знакомстве с этиленом было обнаружено, что он, соединяясь с хлором, образует жидкое маслянистое вещество (хлористый этилен (С2Н4СI12)), что и послужило поводом назвать этилен gaz olefiant (с лат. – «масло-родный газ»). Название «олефины» получило более широкое употребление и в нашей стране. Оле-фины называют также алкенами.
2. Строение, номенклатура и изомерия Этилен С2Н4 можно получить из хлористого этила (С2Н5СI1), отняв от него молекулу НСI1 действием щелочи.
Допущение существования двойной связи в олефи-нах соответствует основному положению теории строения о четырехвалентности углерода и хорошо объясняет присоединение галогенов и других веществ к двум соседним углеродным атомам за счет освобождения валентностей при разрыве двойной связи.
По современным представлениям, как уже упоминалось, две связи, соединяющие два ненасыщенных углеродных атома, неодинаковы: одна из них является s-связью, другая p-связью. Последняя связь менее прочна и разрывается при реакциях присоединения.
О неравноценности двух связей в непредельных соединениях говорит, в частности, сравнение энергии образования простой и двойной связей. Энергия образования простой связи равна 340 кДж/моль, а двойной – 615 кДж/моль. Таким образом, на образование двойной связи затрачивается не вдвое больше энергии, чем при образовании одинарной s-связи, а всего лишь на 275 кДж/моль больше. Естественно, что и для разрушения p-связи затрачивается меньше энергии, чем для разрушения s-связи.
17. Изомерия, природные источники и способы получения олефинов
Изомерия олефинов зависит от изомерии цепи атомов углерода, т. е. от того, является ли цепь нераз-ветвленной или разветвленной, иот положения двойной связи в цепи. Существует еще и третья причина изомерии олефинов: различное расположение атомов и атомных групп в пространстве, т. е. стереоизо-мерия. Однако этот вид изомерии будет рассмотрен в дальнейшем на примере соединений с двойной связью.
Для обозначения места двойной связи (а также места ответвлений в цепи) согласно международной номенклатуре нумеруют атомы углерода наиболее длинной цепи, начиная с того конца, к которому ближе стоит двойная связь. Таким образом, два изомера бутилена, обладающие неразветвленной цепью, будут называться 1-бутен и 2-бутен.
По женевской номенклатуре приоритет отдавался углеродному скелету, и нумерацию в формуле данного пентена начинали слева, поскольку ответвление углеродной цепи ближе к левому концу формулы. По номенклатуре приоритет отдается функциональным группам, поэтому нумерацию начинают с правого конца, к которому ближе двойная связь, определяющая главные свойства (функции) олефинов.
Радикал Н2С=СН-, производимый от этилена, называют обычно винилом; радикал Н2С=СН-СН2-, производимый от пропилена, называют аллилом.
Природные источники и способы получения олефинов
Этилен и его гомологи в очень небольшом количестве встречаются в природных газах, а также в нефти (в растворенном состоянии). Олефины, как упоминалось, образуются при крекинге нефти, а также в небольшом количестве при сухой перегонке дерева и каменного угля.
Отнятие воды от предельных спиртов – дегидратация. Это один из наиболее общих способов получения олефинов.
