Министерствообразования Р.Ф.
Курскаягосударственная сельскохозяйственная
академия им. Проф.И. И. Иванова
РЕФЕРАТ ПО
Органической химии
ТЕМА:
ПОЛУЧЕНИЕАЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АЛКИНОВ.
ВАЖНЕЙШИЕПРЕДСТАВИТЕЛИ.
ПРИМЕНЕНИЕВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
Выполнил:
КУРСК-2001
План.
1.1 АЛКАНЫ(предельные углеводороды).
1.2 МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
1.3 ПРЕДСТАВИТЕЛИАЛКАНОВ.
2.1 АЛКЕНЫ(этиленовые углеводороды).
2.2 МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ АЛКЕНОВ.
2.3 ПРЕДСТАВИТЕЛИАЛКЕНОВ.
3.1 АЛКИНЫ(ацетиленовые углеводороды).
3.2 МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ АЛКИНОВ.
3.3 ПРЕДСТАВИТЕЛИАЛКИНОВ.
4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АЛКИНОВ.
1.1ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (алканы).
Предельными углеводородами (алканами) называются соединения,состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой толькоQ-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степенигибридизацииsp3.
1.2 Методы полученияалканов.
Главным природным источникомпредельных углеводородов является нефть, а для первых членов гомологическогоряда— природный газ. Однако выделениеиндивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга- весьматрудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать ксинтетическим методам получения.
1.Алканы образуются при действии металлического натрия на моногалогенпроизводные— реакцияВюрца:
НзС-СН2—Вг+ Вг-СН2-СH3 СНз-СН2—СН2—СНз+2NaBr
Если взяты разныегалогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так каквероятность встречи в реакционном комплексе молекул одинаковых или разныхравна, а реакционная способность их близка:
3C2H5I +3CH3CH2CH2IС4Н10+С5Н12+С6Н14+ 6NaI
2.Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкиновводородом в присутствии катализаторов :
НзС-СН=СН-СНз НзС-СН2-СН2-СНз
3.Самые разнообразныепроизводные алканов могут быть восстановленыпри высокой температуре иодистоводородной кислотой:
H3C H3C
CHBr +2HI CH2+ HBr + I2
H3C H3C
Однако в этих случаях иногданаблюдается частичная изомеризация углеродного скелета— образуются более разветвленные алканы.
4.Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот сощелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше,чем исходная карбоновая кислота:
O
СНз—С +NaOH 4+Na2C03
ONa
1.3 Представители алканов
Согласно теории строения А.М. Бутлерова, физические свойства веществ зависят от их состава и строения.Рассмотрим на примере предельных углеводородов изменение физических свойств вгомологическом ряду .
Четыре первых членагомологического ряда, начиная с метана, газообразные вещества. Начиная спентана и выше, нормальные углеводороды представляют собой жидкости. Метансгущается в жидкость лишь при—162 °С. Упоследующих членов ряда температура кипения возрастает, причем при переходе кследующему гомологу она возрастает приблизительно на25°.
Плотность углеводородов притемпературе кипения для нижних членов ряда увеличивается сначала быстро, азатем все медленнее: от0,416 у метана довеличины, несколько большей0,78 .Температура плавления нормальных углеводородовв гомологическом ряду увеличивается медленно. Начиная с углеводорода С16Н34, высшие гомологи приобычной температуре— вещества твердые.
Температура кипения у всехразветвленных алканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чемболее разветвлена углеродная цепь молекулы. Это видно, например, из сравнениятемператур кипения трех изомерных пентанов. Наоборот, температура плавленияоказывается самой высокой у изомеров с максимально разветвленной углероднойцепью. Так, из всех изомерных октанов лишь гекса-метилэтап (СН3)3С—С (СНз)3является твердым веществомуже при обычной температуре (т. пл.104°С). Эти закономерности объясняются следующими причинами.
Превращению жидкости в газпрепятствуют ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия между атомами отдельныхмолекул. Поэтому чем больше атомов в молекуле, тем выше температура кипениявещества, следовательно, в гомологическом ряду температура кипения должнаравномерно расти. Если сравнить силы взаимодействия молекул н-пентана и неопентана, то ясно, что этисилы больше для молекулы с нормальной цепью углеродных атомов, чем дляразветвленных, так как в молекуле неопентана центральный атом вообще выключениз взаимодействия.
Главнымфактором, влияющим на температуру плавления вещества, является плотностьупаковки молекулы в кристаллической решетке. Чем симметричнее молекула, темплотнее ее упаковка в кристалле и тем выше температура плавления (у н-пентана—132° C, у неопентана—20°С)
2.1 АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды, олефины)
Углеводороды, в молекуле которых помимо простых Q-связейуглерод— углерод и углерод— водород имеются углерод-углеродные
непредельными.Так как образование -2п атомов иодорода меньше, чем предельные, где nчисло
С6H14C6H12C6H10C6H8C6H6
Ряд, члены которого отличаются друг от друга на (2Н)n,называется изологическим рядом. Так,в приведенной выше схеме изологами являются гексан, гексены, гексадиены,гексины, гексатриены и бензол.
Углеводороды, содержащиеодну -связь (т. е. двойную связь), называваются алкенами (олефинами) или, по первомучлену ряда — этилену, этиленовыми углеводородами. Общаяформула их гомологического ряда— CnH2n
2.2 Методы полученияалкенов
При действии спиртовых растворов едких щелочей на галогенпроизводные:отщепляется галогенводород иобразуется двойная связь:
H3C-CH2-CH2Br3C-CH=CH2+NaBr+H2O
Бромистый пропил Пропилен
Если в α-положении катому углерода, связанному с галогеном, находится третичный, вторичный ипервичный атомы водорода, то преимущественно отщепляется третичный атомводорода, в меньшей степени вторичный итем более первичный (правило Зайцева):
CH3 CH3
CH2 CH2
H3C-C-CI H3C-C + KCL + H2O
CH C
H3C CH3 H3C CH3
2,3-Диметил-3-хлорпентан 2,3-Диметелпентен-2
Это связано стермодинамической устойчивостью образующихся алке-нoв.Чем больше заместителейимеет алкен у винильных атомов углерода, тем выше его устойчивость.
2.Действием на спирты водоотнимающих средств:а) при пропускании спиртовнад окисью алюминия при300—400° С.
НзС-СН-СН2.-СНз
OH Бутен-2
Втор-Бутиловыйспирт
б) при действии на спирты серной кислоты в мягкихусловиях реакция идет через промежуточное образование эфировсерной кислоты:
НзС-СН-СНз НзС-СН-СН3 H3C-CH=CH2
OH O-SO3H
изопропнлопып спирт
Придегидратации спиртов в жестких условиях в кислых средах наблюдается та жезакономерность в отщеплении водородных атомов разного типа, как и приотщеплении галогенводорода.
Первой стадией этогопроцесса является протонирование спирта, после чего отщепляется молекула водыи образуется карбкатион:
СНз-СН2-СН-СНз+ H CH3-CH2-CH-CH3 CH3-CH-CH-
OH O H
H H
CH3CH3-CH-CH-CH33-CH=CH-CH3
Образовавшийся карбкатион стабилизируется выбросомпротона из соседнего положения с образованием двойной связи(β-элиминирование). В этом случаетоже образуется наиболее разветвленный алкен (термодинамическиболее устойчивыи). При этомпроцессе часто наблюдаются перегруппировки карбкатионов связанные сизомеризацией углеродного скелета:
CH3 CH3
CH3 C-CH – CH3 CH3 C-CH-CH3
CH3 OH CH3
CH3 CH3 CH3 CH3
C-CH C=C
CH3 CH3 CH3 CH3
3.ПридействииZnилиMgна дигалогенпроизводные сдвумя
атомами галогена у соседних атомов углерода:
CI
H3C – C CH2CI3C — C — CH2+MgCI2
CH3 CH3
1,2-дихлор-2-метал- изобутилен
пропан
4.Гидрированием ацетиленовых углеводородов над катализаторамис пониженной активностью(Feили«отравленные», т. е. обработанные серусодержащнми соединениями для понижениякаталитической активности,PtиPd):
НС22С=СН-СН(СНз)2
2.3 Представители алкенов.
Как и алкаиы, низшие гомологи ряда простейшихалкенов при обычных условиях— газы, аначиная с С5— низкокипящие жидкости (см.табл.).
т.пл.,
Т.
d4
Формула
Название
°с
Кип.,°С
Ch2=CH2
Этилен
-169
-104
0,5660(при—102° С)
СН3СН=СН3
Пропилен
-185
-47
0,6090(при—47" С)
СНзСНзСН=СН2 СНз-СН=СН-СНз
(цис)Бутен-1
-130
-5
0,6696(при—5° С) 0,6352(приО°С)
-139
+4
(цис)
СНз-СН=СН-СНз
(транс)-Бутеп-2
-105
+1
0,6361(при 0°С)
(транс)
(СНз)зС=СН2
Иэобутилен
-140
-7
0,6407(при 0°С)
Все алкены, как и алканы, практическинерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворителях, заисключением метилового спирта; все они имеют меньшую плотность, чем вода.
3.1 АЛКИНЫ(ацетиленовые углеводороды)
Алкинами называются углеводороды, содержащие кроме Q-связей две
формулагомологического ряда ацетиленовых углеводородов СnН2n-2образованиеодной-связиформально эквивалентно потере двух атомов водорода.
Различными физическимиметодами доказано, что ацетиленC2H2— I простейший представитель гомологического ряда алкинов— имеет линейную молекулу, в которой длинауглерод-углеродной тройной связи равна1,20 А, а длина связей углерод—водород1,06A.
СвязиС—Н в ацетилене относятся к числу Q-связей,образованных путем перекрывапияs-орбитали водорода с гибридизованной sp- орбиталью углерода; в молекуле имеется однауглерод-углеродная а-связь (образованная перекрыванием двух гибридизованныхsp-орби-талейуглерода) и две углерод-углеродные — результатперекрывания двух взаимно перпендикулярных пар «чистых» p-орбиталей (р иРсоседних атомов углерода. Валентные углы в ацетилене на основании этоймодели равны180° и молекула имеетлинейную конформацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию притройной связи.
3.2Методыполучения алкинов.
Наиболее общим способомполучения ацетиленовых углеводородов является действие спиртового растворащелочей на дигалогенпроиз-водные предельных углеводородов с вицинальным (а) илигеминаль-ным (б) расположением атомов галогена
a) CH2Br –CH2Br->СН+ 2НВг
б) СНз—СН2—СНСl2->СHз-Сl
CH3-CH2-CCl2-CH3->СНз-С С-СНз+ 2НС1
Так как вицинальныедигалогенпроизводные обычно получают присоединением галогенов к этиленовымуглеводородам, то реакцию (а) можно рассматривать как реакцию превращенияэтиленовых углеводородов в ацетиленовые.
Геминальныедигалогенпроизводные (оба атома галогена у одного атома углерода) являютсяпроизводными кетонов или альдегидов и, следовательно, с помощью реакций (б)можно осуществить переход от карбонильных соединений к алкинам. При отщеплениигалогенводородов действует уже известное правило Зайцева, что водород отщепляетсяот углеродного атома, содержащего меньшее количество атомов водорода.
Ацетилен можно получатьнепосредственно при высокотемпературном крекинге (термическом илиэлектротермическом) метана или более ,сложных углеводородов:
2СН4Н-С+ ЗН2
3.3 Представители алкинов.
Как у алканов и алкенов, низшие членыгомологического ряда алкинов в обычных условиях—газообразныевещества. Данные табл.22 показывают, чтоосновные физико-химические характеристики углеводородов рассмотренных классовмало отличаются друг от друга (см. таблицу).
Формула
Название
Т. пл., °С
Т кип., °С
D4
HCCH
CH3CCH
HCC- CH2CH3 СНзСCСНз
Ацетилен Пропин
Бутин-1
Бутин-2
-82
-105
-137
-33
-84
(возг,-23) 9
27
0,6200(при-84°С) 0,6785 (при-27° С) 0;669б (при-10° С) 0,6880 (при25° С)
4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ,АЛКИНОВ, АЛКЕНОВ
Алкены вместе с алканами,ацетиленом и ароматическими углеводородами являются одним из главных сырьевыхисточников промышленности тяжелого (многотоннажного) органического синтеза.
Этилен в громадныхколичествах используется для переработки в полиэтилен и этиловый спирт, он идетна переработку в этилен-гликоль и употребляется в теплицах для ускорениявызревания плодов.
Пропилен перерабатывается вполипропилен, ацетон, изопропиловый спирт.
Ацетилен играет исключительноважную роль в промышленности. Его мировое производство достигает несколькихмиллионов тонн. Громадное количество ацетилена используется для сваркиметаллов, при его горении
в кислороде температурадостигает2800° С. Это значительно болеевысокая температура, чем при сгорании водорода в кислороде, не говоря уже осгорании метана. Причина этого в значительно меньшей теплоемкости СО2по сравнению с Н2О, которой образуется большепри сгорании алканов, чем алкинов:
2СзН6+ 7O2->4СО2+6Н2О
2С2 Н2+5O2->4СО2+ЗН2О
Неприятный запах ацетилена,получаемого из карбида, обусловлен примесямиPH3иAsH3,чистый ацетилен пахнет, каки все низшие углеводороды (бензин). Ацетилен и его смеси с воздухом крайневзрывчаты; ацетилен хранят и транспортируют в баллонах в виде ацетоновыхрастворов, пропитывающих пористыематериалы.
НЕФТЬ И ЕЕ ПЕРЕРАБОТКА
Состав нефти.Главным природным источником предельных углеводородов является нефть.Состав нефтей различается в зависимости от месторождения, однако все нефти припростой перегонке обычно разделяются на следующие фракции: газовая фракция,бензин, реактивное топливо, керосин, дизельное топливо, парафин, нефтянойгудрон.
Газовая фракция(т. кип. до40◦C)содержит нормальные и разветвленные алканы до С,, в основном пропан и бутаны.Природный газ из газовых месторождений состоит в основном из метана и этана.
Бензин авиационный(т. кип.40—180 °С) содержитуглеводороды С6—С10В бензине обнаружено более100 индивидуальных соединений, в числокоторых входят нормальные и разветвленные алканы, циклоалканы и алкилбензолы(арены).
Реактивное топливо(т. кип.150—280°С).
Керосин тракторный(т, кип.110—300 °С) содержитуглеводороды С7—С14.
Дизельное топливо(т. кип.200—330 °С), в составкоторого входят углеводороды C13—C18, в больших масштабах подвергается крекингу,превращаясь в алканы (и алкены) с меньшей молекулярной массой (см. ниже).
Смазочные масла(т. кип.340—400°С) содержатуглеводороды C18—C25.
Парафин нефтяной(т. кип.320—500 °С), в егосостав входят углеводороды С26—С38, из которых выделяютвазелин. Остаток после перегонки обычно называют асфальтом или гудроном.
Помимо углеводородов самыхразличных классов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотсодержащиевещества; иногда их суммарное содержание доходит до нескольких процентов.
В настоящее время наиболеепризнанной является теория органического происхождения нефти как продуктапревращения растительных и животных остатков. Это подтверждается тем, что вобразцах нефтей были найдены остатки порфиринов, стероиды растительного иживотного происхождения и так называемый «хемофоссилий»— самые разнообразные фрагменты, содержащиеся в планктоне.
Хотя общепризнанно, чтонефть является наиболее ценным природным источником химического сырья, до сихпор основное количество нефти и нефтепродуктов сгорает в двигателях внутреннегосгорания (бензин), дизелях и реактивных двигателях (керосин).
Моторное топливо. Октановое число.Бензины р