Алканы

Любой курс органической химии начинается с алканов. Для алканов характерны:

• Наличие только одинарных связей углерод – углерод, поэтому алканы являются предельными углеводородами или насыщенными соединениями;
• Низкая реакционная способность, для них характерны реакции, идущие по радикальному механизму;
• Все углероды в алканах sp³-гибридизованы.

Любой алкан C_nH_2n+2 можно так же написать в виде RH, где R = C_nH_2n+1 (радикал, алкильный заместитель). Представители низших (по количеству атомов углерода) алканов и соответствующих алкильных фрагментов представлены в таблице.

Алкан RH	Название алкана RH	Название радикала R
CH4	метан	метил CH3—
C2H6	этан	этил CH3CH2—
CH3CH2CH3	пропан	пропил CH3CH2CH2—
CH3CH2CH2CH3	бутан	н-бутил CH3CH2CH2CH2—
	изобутан	изобутил

Как видно, первые три по счёту алканов не имеют изомеров, для алканов, начиная с четвёртого (бутана) характерна структурная изомерия. Так же для некоторых алканов характерна оптическая изомерия.

Основные химические свойства алканов

• Как и любые органические вещества, алканы могут сгорать в избытке кислорода O2. Например, горение этана в кислороде:

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O

• Для алканов характерны реакции радикального замещения.

Этот тип реакций наиболее характерный и распространённый для алканов. Радикальное галогенирование (например, с хлором и бромом) идёт по следующей схеме:

RH + Cl₂ → RCl + HCl

RH + Br₂ → RBr + HBr

В качестве условий этой реакции выступает электромагнитное излучение: свет в видимом или ультрафиолетовом частотном диапазоне (над стрелкой можно написать или свет, но на ЕГЭ это не обязательно). Также для алканов характерна реакция нитрования (реакция Коновалова) с разбавленной азотной кислотой при нагревании:

RH + HNO₃ → RNO₂ + H₂O

Несмотря на кажущуюся простоту в этих реакциях есть подводные камни. Проблемы начинаются, когда рассматриваются разветвлённые алканы по типу изобутана. Попробуем бромировать и нитровать изобутан:

В обеих реакциях написан доминирующий продукт: галогенирование и нитрование пройдёт у третичного атома углерода, а не у первичного атома углерода. То есть, в таких реакциях следует соблюдать правило, что преимущественно замещение водорода на галоген и нитрогруппу произойдёт в порядке третичный атом углерода > вторичный атом углерода > первичный атом углерода.

• Термическое разложение метана.

Оно может протекать в двух вариациях. В первом варианте, реализирующихся при температурах порядка 1000⁰C, метан разлагается на углерод и водород:

CH₄ → C + 2H₂

Во втором варианте, температура достигает порядка 1500⁰C, и метан разлагается на ацетилен и водород:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

• Дегидрирование, дегидроциклизация и дегидроароматизация алканов.

Дегидрирование представляет собой реакцию отщепления водорода H₂. Эту реакцию обычно катализируют металлы типа Pt или Ni (реакция идёт при нагревании), например, дегидрирование этана в этилен:

C₂H₆ → CH₂=CH₂ + H₂

Для алканов типа пентана и гексана возможны реакции дегидрирования, сопровождающиеся замыканием углеводородной цепочки в цикл. Например, дегидроциклизация гексана в циклогексан и дегидроароматизация гексана в бензол:

Способы получения алканов

• Реакция Вюрца.

Реакция формально протекает по очень простой схеме, берётся алкилгалогенид и проводится его реакция с металлическим натрием:

2RCl + 2Na → R-R + 2NaCl

2RBr+ 2Na → R-R + 2NaBr

2RI + 2Na → R-R + 2NaI

Пример такой реакции:

Важно: идёт образование связи между теми углеродами, при которых находился атом галогена.

• Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе).

Электролиз растворов солей карбоновых кислот позволяет легко получать симметричные алканы типа R-R по следующей реакции:

2RCOONa + 2H₂O → R-R + 2CO₂ + H₂ + 2NaOH

На катоде происходит выделение водорода H₂, на аноде выделяется углекислый газ CO₂ и образуется алкан R-R.

• Реакция Дюма.

Тут тоже пригодятся соли карбоновых кислот, однако берётся соль карбоновой кислоты в твёрдом виде и сплавляется с твёрдой щёлочью:

RCOOK + KOH → RH + K₂CO₃

• Гидролиз метанида алюминия.

Гидролиз карбида алюминия – простой способ получения газообразного метана:

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

Можно проводить эту реакцию в кислой и щёлочной средах:

Al₄C₃ + 12HCl → 3CH₄ + 4AlCl₃

Al₄C₃ + 4NaOH + 12H₂O → 4Na[Al(OH)₄] + 3CH₄

Блок-схема методов получения алканов.

Резюме:

• Алканы – класс предельных углеводородов с общей формулой C_nH_2n+2, в котором все атомы углерода связаны между собой одинарными связями и sp³-гибридизованы;
• Для алканов характерна структурная и оптическая изомерия;
• Алканы вступают в реакции радикального замещения с галогенами и азотной кислотой;
• Основные способы получения алканов: реакции Вюрца, Дюма и Кольбе, а также гидролиз (в различных средах) карбида алюминия.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №11 (тестовая часть)

Из предложенного перечня выберите два вещества, в молекулах которых все атомы углерода находятся в sp³-гибридном состоянии.

1. бензол;
2. н-бутан;
3. пропен;
4. бутадиен-1,3; 5) изобутан.

Задание 2. Задача № 14 (тестовая часть)

Установите соответствие между исходными веществами и продуктами, которые преимущественно образуются при их взаимодействии с бромом: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА                                 ПРОДУКТ

А)  этан                                                              1) CH₃Br

Б)  н-бутан                                                         2) CH₃CH₂CH₂Br

В)  метан                                                           3) CH₃CHBrCH₃

Г)  пропан                                                          4) CH₃CH₂Br

                                                                            5) CH₃CH₂CH₂CH₂Br

                                                                            6) CH₃CHBrCH₂CH₃

Задание 3. Задача № 32 (вторая часть)

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Определения:

1. Алканы – класс органических соединений (если точнее, то углеводородов, так как содержатся только атомы углерода и водорода) с общей формулой C_nH_2n+2, где n = 1,2,3,…
2. Предельный углеводород (насыщенный углеводород) – любой углеводород, в котором нет двойных и тройных связей между углеродами, то есть имеются только одинарные связи между углеродами.
3. Радикальный механизм – механизм, включающий в себя стадии образования высокореакционных частиц с одним или более неспаренным электроном – радикалов.
4. sp³-гибридизованный углерод – такой атом углерода, который образует 4 одинарных связи.
5. Изомеры – вещества, обладающие одной и той же молекулярной формулой, но различающиеся положением атомов друг относительно друга в молекуле (различаются структурной формулой). Изомеры отличаются по своим физико-химическим свойствам, то есть разные изомеры одного и того же вещества, например, могут иметь разные температуры кипения, плавления, разные показатели преломления и вступать в реакции по-разному.
6. Структурная изомерия – вид изомерии, заключающийся в различном строении углеводородного скелета (различном положении атомов углерода друг относительно друга). Характерный пример такой изомерии это пара бутана нормального строения (н-бутан) и изобутана:
   
7. Оптическая изомерия – данная изомерия проявляется для молекул, содержащих углерод, окружённый четырьмя различными заместителями (такой углерод называют хиральным). Для таких молекул их зеркальное отражение не может быть совмещено с исходной молекулой. Пример:
   
8. При желании про электромагнитное излучение можно вставить отдельную мини статью, это особо никогда не делается в курсах химии, но будет интересно.

Разберёмся что такое свет. Для этого возьмём какую-нибудь систему отсчёта: систему координат Oxyz и часы, которые будут нам отсчитывать время t. Пусть электрическое поле (зелёный вектор) направлено по оси x, магнитное поле (синий вектор) направлено по оси y,  а вдоль красного вектора (по оси z) электрическое и магнитное поле бегут (распространяются). Эта конструкция и есть электромагнитная волна! У нас в каждой точке нашего мира, в котором мы живём со временем распространяются два этих векторочка (синий и зелёный) — это и есть электромагнитная волна (или одна частица света — фотон!). Свет — это бесконечный набор самых разных таких электромагнитных волн (фотонов), которые различаются как длиной этих трёх (красного, зелёного и синего) векторов, так и их направлением.

Теперь как нам оно пригодится в химии? Зелёный и синий векторочек в каждой точке нашего мира со временем меняют свою длину (и, возможно, направление), то есть колеблются, что позволяет приводить в движение электроны химических связей, в ходе такого своеобразного танца электронов под действием колеблющихся зелёного и синего векторочков химическая связь рвётся!

Разберёмся как это описать количественно. Возьмём для примера зелёный векторочек (вектор электрического поля), он направлен вдоль оси x и бежит вдоль оси z, как было сказано, он любит колебаться, поэтому он в каждой точечке нашего мира имеет разную длину и может быть направлен как по оси x, так и против неё. Однако мы можем выделить своеобразный период — кратчайшее расстояние между двумя самыми длинными или короткими (когда зелёный векторочек нулевой вектор — зелёная точка) зелёными векторами — это величина и есть длина волны (лямбда, фиолетовая дуга).

Каждая такая электромагнитная волна (каждый фотон) несёт определённую энергию, которая и тратится на разрыв связи. Тогда, если мы захотим разорвать 1 моль связей (6,02·10²³ штук связей), то нам надо направить на нашу связь 1 моль таких электромагнитных волн, тогда по закону сохранения энергии мы можем написать:

где h = 6,63·10^-34 Дж·с (постоянная Планка), c = 3·10⁸ м/с (скорость света в вакууме)

Тогда если мы хотим порвать, например, связи Cl-Cl (240 кДж/моль связей) и Br-Br (190 кДж/моль), то по формуле получаем около 500 нм для Cl₂ (наши рецепторы в глазу фиксируют такие электромагнитные волны как зелёный цвет, точнее зелёный и синий векторочек колеблют электроны в молекулах наших глазных рецепторов и мы это ощущаем как зелёную картинку) и 630 нм для Br₂ (оранжево-красный цвет), поэтому если мы хотим хлорировать и бромировать, например, метан:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₄ + Br₂ → CH₃Br + HBr

то нам подойдёт свет с длиной волны в первой реакции меньше 500 нм (это и видимый глазами свет, и ультрафиолет 100-200 нм), а во второй меньше 630 нм (это и видимый свет, и ультрафиолет 100-200 нм.

9. Третичный атом углерода – атом углерода, связанный с тремя углеродами.
10. Вторичный атом углерода – атом углерода, связанный с двумя углеродами.
11. Первичный атом углерода – атом углерода, связанный с одним углеродом.