Предельными (насыщенными) углеводородами называются углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой связью, причём все единицы валентности, не затраченные на связь между атомами углерода, насыщены атомами водорода.

Представителями предельных углеводородов являются метан CH 4 ; этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 . Однако этот ряд можно продолжить. Существуют углеводы C 30 H 62 , C 50 H 102 , C 70 H 142 , С 100 Н 202 .

Если рассматривать углеводороды ряда метана, то нетрудно заметить, что каждый последующий углеводород можно произвести от соответствующего предыдущего замещением одного атома водорода группой CH 3 (метил). Таким образом, состав молекулы последующего углеводорода увеличивается на группу CH 2 .

Ряд химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга на одну или несколько структурных единиц (обычно на группу CH 2), называется гомологическим рядом, а каждый из углеводов – членом гомологического ряда или гомологом. Если располо­жить гомологи в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, они образуют гомологический ряд.

Группа CH 2 называется гомологической разностью или гомологической разницей. Общая формула предельных углеводородов C n H 2 n + 2 , где n – число атомов углерода в молекуле.

Если от молекулы углеводорода отнять атом водорода, то остаток молекулы с открытой связью называется углеводородным радикалом (обозначается буквой R). В свободном виде радикалы из-за большой реакционной способности не существуют.

Явление гомологии – существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда отличается на одну и ту же группу (чаще всего CH 2). Физико-химические свойства соединений изменяются по ходу гомологического ряда. В органической химии в основе понятие гомология основывается на фундаментальном положении о том, что химические и физические свойства соединения обусловлены структурой его молекул: эти свойства определяются и функциональными группами соединения, и его углеродным скелетом.

Весь комплекс химических свойств и, следовательно, отнесённость соединения к определённому классу, определяется именно функциональными группами, но степень проявления химических свойств или физические зависит от углеродного скелета молекулы.

При отсутствии изомерии в случае подобия углеродных скелетов соединений формулу гомологичных соединений можно записать как X– (СН 2) n – Y, соединения с различным числом n метиленовых звеньев являются гомологами и принадлежат к одному классу соединений. Итак, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, а свойства ближайших гомологов наиболее близки.

В гомологических рядах наблюдается определённая закономерное изменение свойств от младших членов ряда к старшим, но такая закономерность соблюдается не всегда, в некоторых случаях она может нарушаться. Чаще всего это происходит в начале ряда, потому что образуются водородные связи при наличии функциональных групп, способных к их образованию.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель – метан СН4. Гомологами метана являются: этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 , гептан C 7 H 16 , октан – С 8 Н 18 , нонан – С 9 Н 20 , декан – С 10 Н 22 , ундекан – С 11 Н 24 , нодекан – С 12 Н 26 , тридекан – С 13 Н 28 , тетрадекан – С 14 Н 30 , пентадекан – С 15 Н 32 , эйкозан – С 20 Н 42 , пентакозан – С 25 Н 52 , триаконтан – С 30 Н 62 , тетраконтан – С 40 Н 82 , гектан – С 100 Н 202 .

Остались вопросы? Не знаете, что такое гомологический ряд?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Алканы – это предельные углеводороды нециклического строения. Их называют также парафинами .

Общая формула алканов – C n H 2 n +2 .

В гомологическом ряду алканов температуры плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы веществ (табл. 1). Метан, этан, пропан и бутан – газы без цвета и запаха. Алканы с числом атомов углерода от 5 до 15 при обычных условиях бесцветные жидкости, начиная с углеводорода С 16 Н 34 – твердые, белые, воскоподобные вещества.

Таблица 1

Формулы, названия и физические свойства некоторых нормальных алканов

Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, например, в бензоле. Плотность жидких алканов немного меньше, чем у воды.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЛКАНОВ

Каждый атом углерода в молекулах алканов образует четыре простые σ-связи с атомами водорода или другими атомами углерода. Электронные орбитали атомов углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Гибридные орбитали, а, значит, и связи каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра (рис. 1).

а

б

Рисунок 1. Модели молекул метана: а – полусферическая; б – шаростержневая (показано распределение электронной плотности).

Валентный угол в молекуле метана и его гомологов составляет 109,5 ◦ . Поэтому углеродная цепь в молекулах алканов имеет зигзагообразную форму:

Вокруг σ-связей С-С возможно вращение, в результате которого молекулы могут принимать различные формы, называемые конформациями (рис. 2).

Рисунок 2. Модели молекулы гексана в разных конформациях.

Углеродный скелет молекул алканов может иметь как нормальное , так и разветвленное строение. В молекулах гомологов метана различают первичные , вторичные , третичные и четвертичные атомы углерода (см. приложение 1).

Связи С-С в молекулах алканов являются ковалентными неполярными, а связи С-Н – ковалентными полярными. Однако значения электроотрицательности атомов углерода и водорода близки и равны соответственно 2,5 и 2,1 по Полингу. Поэтому по свойствам связьС-Н близка к неполярной и проявляет склонность к гомолитическому разрыву с образованием свободных радикалов:

.

Следовательно, для алканов характерны реакции, протекающие по радикальному механизму.

НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНОВ

1. Находят основную, то есть самую длинную углеродную цепь. Название основной цепи совпадает с названием алкана с тем же числом углеродных атомов (см. табл. 1). Суффикс –ан указывает на принадлежность углеводорода к классу алканов.

2. Нумеруют атомы углерода в основной цепи, начиная с того конца, к которому ближе располагается первый из имеющихся заместителей.

3. Формулируют название алкана. Для этого перечисляют заместители в алфавитном порядке, (например, сначала м етил-, затем э тил-), указывая перед каждым заместителем номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляют название основной цепи.

Если одинаковых заместителей два, три или четыре, то используют умножающие приставки ди- , три- и тетра- соответственно.

Пример . Назовем алкан, структурная формула которого изображена ниже.

Самая длинная углеродная цепь в формуле алкана выделена жирным шрифтом. Она содержит 8 атомов углерода. Алкан с таким же числом атомов углерода называется октан . Это слово и будет основой названия всего вещества.

В молекуле три заместителя – два радикала СН 3 - и один СН 3 -СН 2 -. Нумерацию атомов углерода ведем в данном случае справа налево, тогда атом углерода, к которому прикреплен ближайший к началу цепи заместитель СН 3 - получит номер 2.

Перечисляем заместители по алфавиту, указывая перед каждым из них цифрой номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляем название основной цепи ‑ слово октан.

ВИДЫ ИЗОМЕРИИ

Для алканов характерен только один вид структурной изомерии ‑ изомерия углеродного скелета .

Ниже приведены структурные формулы всех изомеров гексана С 6 Н 14 .

Важно помнить, что с бромную воду и раствор перманганата калия алканы не обесцвечивают.

Реакции присоединения для алканов невозможны, так как все их валентности насыщены. Для этих веществ характерны, в основном, реакции радикального замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов, протекающие в довольно жестких условиях – при УФ-освещении или сильном нагревании.

При высоких температурах могут протекать реакции с разрывом связей С-С , а также дегидрирование и ароматизация.

Наконец, как и для большинство органических веществ, алканы могут вступать в реакции горения и каталитического окисления. Рассмотрим подробно примеры реакций с участием алканов.

Г л а в а 2. АЛКАНЫ И ЦИКЛОАЛКАНЫ (ЦИКЛАНЫ)

(Насыщенные углеводороды)

В этой главе, кроме рассмотрения химии предельных углеводоро­дов, излагаются также некоторые основополагающие принципы, являющи­еся ключевыми для практического использования реакций всех классов органических соединений.

Углеводороды – соединения из двух видов элементов: углерода и водорода. Они различаются по строению углеродного скелета и по характеру связей между атомами углерода.

Классификация углеводородов

2.1. Гомологический ряд алканов

Алканы – углеводороды с открытой цепью (алифатические), в мо­лекулах которых атомы углерода находятся в первом валентном состо­янии (sp 3) и связаны простой (одинарной) -связью между собой и с атомами водорода, насыщенные или предельные углеводороды (С n Н 2 n +2).

Простейший их представитель – м е т а н СН 4 . Ряд (серия) соединений, отличающихся друг от друга на одну или несколько групп – CH 2 – называется гомологическим рядом, а члены этого ряда – гомологами. Группа – CH 2 – называется гомологической разностью.

Понятие гомологии позволило систематизировать огромное число соединений и значительно упростило изучение органической химии. Гомологи – соединения с однотипной структурой, близкими химическими свойствами и закономерно изменяющимися физическими свойствами (табл. 4).

Гомологический ряд алканов по названию его первого представителя называется рядом метана. Названия первых четырех членов ряда – тривиальные: начиная с пятого (пентан) их названия образуются от греческих числительных:

1 – моно 5 – пента 9 – нона (лат.)

Т а б л и ц а 4

Гомологический ряд метана (С n H 2 n +2 ) c нормальной (неразветвленной) цепью

2.2. Изомерия и номенклатура алканов

В зависимости от положения в цепи атом углерода может быть первичным (связан с одним С, «концевой»), вторичным (связан с двумя С), третичным (с тремя С) и четвертичным (связан с четырьмя С):

На формуле обозначены атомы углеродов: I – первичный, II – вторичный, III – третичный, IV – четвертичный.

И атомы водорода, с этими углеродами связанные, тоже называются первичный, вторичный и третичный (четвертичных Н – нет).

Это положение очень важно для органической химии, так как различные прочности связей С–Н (у I, II и III соответственно 410, 395 и 380 кДж/моль) в значительной мере обусловливают направление отщепления и замещения. Этим и объясняется правило А.М. Зайцева (1841–1910):

Первым отщепляется (замещается) третичный водород, затем – вторичный, в последнюю очередь – первичный

Возможность существования разветвленных структур впервые возникает в случае бутана (n = 4), а с дальнейшим увеличением n число возможных изомеров очень быстро возрастает (см. табл. 4). Углеводородные цепи нормального строения содержат только первичные и вторичные углероды. Разветвленные цепи содержат не менее одного третичного (или четвертичного) углерода:

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3

изо-пентан нео-пентан

Приставка «изо» используется для названия соединений, в которых две метильные группы находятся на конце цепи; приставка «нео» указывает на наличие трех метильных групп на конце цепи.

Гомологический ряд алканов

Первые четыре представителя ряда насыщенных углеводородов (алканов) имеют названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия следующих углеводородов образуются из названий греческих числительных и окончания - ан. Углеводороды с прямой цепью называют нормальными или неразветвленными.

Гомологический ряд метана

Если от молекулы предельного углеводорода отнять один атом водорода, то остаток называется радикалом или алкилом. Название радикала образуют из названия соответствующего углеводорода, заменяя окончание - ан на - ил.

Важнейшие радикалы алканов (алкилы)
Формула	Название	Формула	Название
	метил		этил
	пропил		бутил
	изопропил		изопентил (изоамил)
	трет-бутил		изобутил
	неопентил		пентил (амил)
	втор-бутил		трет-пентил

По номенклатуре ИЮПАК (систематическая номенклатура) названия предельных углеводородов имеют суффикс - ан. Разветвленные насыщенные углеводороды называют по имеющейся в формуле углеводорода самой длинной нормальной цепи, добавляя в качестве приставки название боковой цепи. Самую длинную нормальную цепь нумеруют, причем направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положения боковых цепей, были наименьшими. Если в названии встречаются одинаковые радикалы, то их количество указывается суммирующими приставками: ди - , три - , тетра - и т.д.

2,4 - диметилгептан

Обратите внимание, что в названии первыми располагают наиболее простые заместители: метил, этил, пропил и т. д. Перед названием радикала ставят номер углеродного атома главной цепи, с которым он связан, цифру от названия отделяют черточкой.

Для того чтобы назвать алкен по систематической номенклатуре надо:

1. Выбрать наиболее длинную цепь, включающую двойную связь;

2. Пронумеровать эту цепь с того конца, где ближе расположена двойная связь;

3. Цифрами указать положения заместителей относительно главной цепи;

4. В названии углеводорода заменить окончание - ан на - ен и цифрой указать атом углерода, у которого начинается двойная связь.

2,6 – диметил – 4 – этил – 2 – гептен

Одновалентные радикалы, образованные из алкенов, имеют окончание -енил:

СН 3 - СН = СН – СН 2 - 2 - бутенил

Углеводороды, имеющие две двойные связи, называют диенами. Для того чтобы назвать диеновый углеводород:

1. Необходимо выбрать самую длинную цепь, включающую двойные связи;

2. Цепь следует пронумеровать с того конца, где ближе расположены двойные связи;

3. Если двойные связи расположены на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумеруют с того конца, где ближе расположены заместители.

4. Цифрами указать положения заместителей относительно главной цепи;

Для того чтобы назвать алкин (ацетиленовый углеводород) по систематической номенклатуре надо:

1. Выбрать самую длинную цепь, содержащую тройную связь;

2. Пронумеровать эту цепь с того конца, где ближе расположена тройная связь;

3. В случае, если тройная связь расположена посередине, пронумеровать с того конца, где ближе расположены заместители;

4. Цифрами указать положение заместителей относительно главной цепи и назвать самую длинную цепь, изменив в названии углеводорода окончание - ан на – ин.

Углеводороды, имеющие как двойные, так и тройные связи получают окончание -енин.

1,3 – гексадиен – 5 - ин

В рациональной номенклатуре все алканы рассматриваются как производные метана. Для того чтобы назвать алкан по рациональной номенклатуре надо:

1. выбрать центральный атом, связанный с наибольшим количеством заместителей, которые можно однозначно назвать.

2. перечислить эти заместители по старшинству;

3. назвать центральный атом – метан.

метилэтилизопропилметан

По рациональной номенклатуре алкены рассматриваются как производные этилена, в молекуле которого один или несколько атомов водорода заменены углеводородными радикалами. В отдельных случаях для уточнения положения радикалов необходимо добавлять слова симметричный или несимметричный. Если радикалы расположены по разные стороны от двойной связи, то добавляется слово симметричный, если радикалы стоят с одной стороны, то – несимметричный.

симм. метилэтилэтилен несимм. метилэтилэтилен

По рациональной номенклатуре алкины рассматривают как производные ацетилена.

Например: метилэтилацетилен. Номенклатура применяется только для алкинов простого строения.

Главная » Транскрипции » Насыщенные углеводороды. Изомерия и номенклатура