Алкани - ациклічні вуглеводні, їх Гомологічний ряд, загальна формула, ізомерія, сировинна база. Особливість будови молекули алканів (первинний, вторинний, третинний атоми вуглецю, енергія, довжина, полярність, поляризованість хімічних зв'язків).
Номенклатура алканів, характеристика їх фізико-хімічних і пожежонебезпечних властивостей.
Алкіл - одновалентні залишки алканів. Поняття алкілів, освіта їх назв.
Фізичні властивості насичених вуглеводнів.
Ациклічні насичені (граничні) вуглеводні
Найбільш простими органічними сполуками є речовини, молекули яких побудовані тільки з атомів вуглецю і водню і які тому були названі вуглеводнями.
Вуглеводні широко поширені природі і знаходять дуже велике і різноманітне практичне застосування.
Значення вуглеводнів полягає ще і в тому, що всі інші, більш складні за складом органічні речовини є похідними цих найпростіших сполук і можуть бути виведені з цих вуглеводнів заміною атомів водню в їх молекулах на інші атоми або атомні групи. У свою чергу всі інші речовини шляхом хімічних реакцій можуть бути перетворені в вуглеводні. Таким чином, вуглеводні служать кістяком, основою всіх інших органічних речовин.
Вуглеводні, в молекулах яких вуглецеві атоми утворюють відкриті, незамкнуті ланцюга, називають ациклічні вуглеводнями, або вуглеводнями жирного ряду. Їх поділяють на два класи: насичені (граничні) вуглеводні і ненасичені (ненасичені) вуглеводні.
До класу насичених вуглеводнів відносять такі вуглеводні, в молекулах яких вуглецеві атоми з'єднані один з одним простими (одинарними) зв'язками, а всі валентності вуглецевих атомів, які беруть у їх взаємне з'єднання, утворюють зв'язку з атомами водню. Так як в цих вуглеводнях є тільки прості зв'язки між вуглецевими атомами, останні з'єднані з найбільшим числом атомів водню, таким чином насичені вуглеводні найбільш багаті воднем в порівнянні з вуглеводнями інших класів. У них вуглецеві атоми до межі насичені воднем; тому ці вуглеводні і називають насиченими. Ці назви поширюються, як ми побачимо далі, на всі органічні сполуки, які є похідними граничних вуглеводнів.
Насичені вуглеводні в звичайних умовах мало реакційноздатні і тому були так само названі парафинами (від латинських слів parum affinis - що має мало спорідненості).
Гомологія, ізомерія і номенклатура насичених вуглеводнів
Висновок формул будови найпростіших граничних вуглеводнів.
Найпростішим граничним вуглеводнем є метан - вуглеводень, склад якого виражається формулою CH4. Оскільки, відповідно до теорії будови, вуглець чотиривалентний, то очевидно, що чотири атома водню повністю насичують чотири валентності вуглецевого атома і будова молекули метану може бути представлено наступною структурною формулою:
На рис. 7 (лекція 1.1) представлена модель молекули метану. Атом вуглецю (чорний кульку) розташований як би в центрі тетраедра, а атоми водню (білі кульки) - в його вершинах. При цьому валентні кути (кути між напрямками зв'язків) в метані рівні між собою і складають 109о28 '. Неважко помітити, що структурна формула метану представляє не що інше, як проекцію його моделі на площину креслення.
Якщо від молекули метану CH4 будь-яким шляхом відняти один атом водню, то вийде вуглеводневий залишок (раніше їх називали також і радикалами) CH3-. так званий метил, в якому одна валентність вуглецю насичена. Такого роду вуглеводневі залишки при багатьох хімічних перетвореннях органічних речовин в незмінному вид переходять з однієї молекули в іншу і, як правило, у вільному вигляді не існують. У момент утворення вони з'єднуються або з іншими атомами або групами, або один з одним. Зокрема, при з'єднанні один з одним двох метильних залишків утворюється наступний за складністю після метану вуглеводень, що має склад C2H6 - так званий етан. Структурна формула його має наступний вигляд:
етан H-C ¾C-H
Очевидно, що структурна формула етану, так само і метану, є проекцією його моделі на площину.
Для зручності зазвичай користуються спрощеними структурними формулами, в яких рисочки, що зображують деякі зв'язку, не пишуть. У спрощених формулах вуглеводнів водневі атоми групують при атомах вуглецю. Будова етану досить ясно висловлює наступна спрощена структурна формула: СH3-CH3 або CH3
У молекулі етану обидва вуглецевих атома структурно рівноцінні. Так само рівноцінні і всі водневі атоми. Тому, при відібранні від молекули етану С2Н6 будь-якого з атомів водню утворюється одновалентних залишок С2Н5- або так званий етил.
Якщо в молекулі етану один водневий атом замінити на залишок метил або, що те ж саме, з'єднати метильний залишок з етільний, то утворюється вуглеводень складу С3Н8 - так званий пропан. Його будова може бути представлено наступними структурної і спрощеною структурної формулами:
Н-С-С-С-Н або СН3-СН2-СН3
При відібранні від молекули пропану С3Н8 одного атома водню утворюється одновалентних залишок пропив складу С3Н7-.
Зіставляючи структурну формулу пропану, в якій всі атоми вуглецю розташовані в площині креслення, з моделлю цього вуглеводню, слід звернути увагу на те, що насправді його молекула має певну форму і вуглецеві атоми утворюють ланцюг, вигнуту в просторі під певним кутом; цей кут близький до нормального валентному кутку вуглецевого атома (109о28).
Явище гомології. Відповідний ряд метану
З вище викладеного видно, що заміщаючи в молекулах вуглеводнів один атом водень метильной групою, ми кожен раз отримуємо більш складний вуглеводень, що відрізняється по складу від попереднього на один вуглецевий і два водневих атома, тобто на групу СН2. Якщо розташувати виведені таким чином вуглеводні в порядку зростання числа вуглецевих атомів або, що те ж саме, в порядку зростання їх молекулярних ваг, то вони утворюють наступний ряд: СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, С5Н12, С6Н14, С7Н16, С8Н18, С9Н20 і т.д. Простий підрахунок підказує, що співвідношення атомів водню і вуглецю в усіх які складають цей ряд з'єднаннях однаково і може бути виражено загальною формулою СnH2n + 2, де n - число атомів вуглецю. Всі ці речовини подібно метану є граничними, насиченими вуглеводнями.
Такий ряд з'єднань, розташованих в порядку зростання числа вуглецевих атомів, в якому кожний наступний член ряду відрізняється за складом від попереднього на групу СН2, причому склад кожного члена характеризується певним постійним співвідношенням атомів, називають гомологическом поруч, а речовини, що утворюють його гомологами; групу СН2 називають гомологической різницею складу.
Члени гомологічного ряду мають схожий хімічною будовою, для них характерна деяка спільність фізичних і хімічних властивостей і в той же час властивості їх поступово змінюються в ряду по мірі зміни кількісного складу.
Гомологічні ряди можуть бути утворені не тільки вуглеводнями, а й органічними сполуками інших класів. Існування такого роду рядів органічних речовин отримало назву явища гомології.
Відкриття гомології зіграло велику роль в розвитку органічної хімії. Воно дозволило виділити з величезної кількості органічних сполук певні ряди речовин, що значно полегшило вивчення їх властивостей. Вичерпне пояснення гомології виявилося можливим тільки на підставі теорії хімічної будови, згідно з якою гомология є наслідком здатності вуглецевих атомів утворювати ланцюги різної довжини. Розвиток уявлень про гомології дозволило передбачити і відкрити багато раніше невідомі члени гомологічних рядів. Відповідний ряд вуглеводнів, в якому найпростішим є метан, називають гомологическом поруч метану, або гомологічних поруч граничних (насичених) вуглеводнів.
Ізомерія насичених вуглеводнів
Повернемося до висновку формул будови більш складних граничних вуглеводнів шляхом послідовного заміщення атома водню в молекулі більш простого вуглеводню на радикал метил. З етану С2Н6 таким чином може бути виведений пропан - вуглеводень складу С3Н8, якому відповідав би одновалентних радикал пропив складу С3Н7-. Напишемо ще раз спрощену структурну формулу пропану, позначивши в ній атоми вуглецю: СaН3-СbН2-СaН3. З цієї формули видно, що в пропане не всі вуглецеві атоми однакові за своїм становищем в молекулі. Кожен з двох атомів вуглецю, позначених буквою a, витратив тільки по одній валентного зв'язку на з'єднання з іншим вуглецевим атомом. Такі атоми вуглецю називають первинними вуглецевими атомами. Вуглецевий атом, позначений буквою b, витратив на з'єднання з іншими вуглецевими атомами дві валентні зв'язки і тому називається вторинним вуглецевим атомом. Первинні вуглецеві атоми входять до складу метильних груп, вторинний - до складу групи ¾СН2¾. яку називають метиленової групою. Первинні вуглецеві атоми в молекулі пропану рівноцінні між собою, так як вони пов'язані з одним і тим же вторинним вуглецевим атомом. Отже, рівноцінні і всі атоми водню, пов'язані з обома первинними вуглецевими атомами, але вони відрізняються за матеріальним становищем від атомів водню, з'єднаних з вторинним вуглецем.
Таким чином, очевидно, що при відібранні атома водню від молекули пропану можуть утворитися два залишку складу С3Н7 ¾: один при відібранні водню від кожного з первинних вуглецевих атомів; його називають первинним пропилом, або просто пропилом; другий - при відібранні водню від вторинного вуглецевого атома; його називають вторинним пропилом, або Ізопропілов:
СН3-СН2-СН2 ¾ СН3-СН-СН3
пропив вторинний пропив (ізопропіл)
При заміщенні одного атома водню в молекулі пропану на залишок метил або, що те ж саме, при з'єднанні пропильного залишку С3Н7 ¾ з метильних залишком СН3 ¾ утворюється наступний в ряду гомолог С4Н10 вуглеводень, який отримав назву бутан. Однак на підставі вище викладеного слід зробити висновок, що бутанов може бути два. Один утворюється при з'єднанні метилу з первинним пропильной залишком, його структурна формула і спрощена формула має такий вигляд:
Н-С-С-С-С-Н бутан (а) СН3-СН2-СН2-СН3
* Для тривалентного залишку прийнято назву - ілідін;
** Тривіальна назва аміл для залишку пентана загальновживане; строго за правилами номенклатури цей залишок повинен бути названий - пентил. Назви ізоаміл (ізопентіл) і неопентіл прийняті для наступних первинних залишок изопентана і неопентана: СН3
ізоаміл неопентіл СН3
*** Назва нонан походить не від грецького, а від латинського числівника (нона - дев'ять).
Назви вуглеводнів нормальної будови не викликають труднощів. Більш складний питання про номенклатуру вуглеводнів изостроения. Дійсно, як ми вже бачили, пентанов изостроения існує два, гексанов - чотири, гептанов - вісім, і т.д. причому зі зростанням числа вуглецевих атомів в молекулі число ізоуглеводоров різко підвищується. Щоб назва вуглеводню точно виражало його будова, застосовують різні принципи їх систематичної номенклатури. Найбільш зручна і поширена міжнародна замісна номенклатура, прийнята правилами ІЮПАК (IUPAC). Не дуже складні вуглеводні изостроения називають і за старою раціональної номенклатурі. Однак, користуючись останньою, неможливо називати складні вуглеводні.
Міжнародна замісна номенклатура
За замісної номенклатурі вуглеводні изостроения розглядаються як похідні нормальних вуглеводнів, в ланцюзі яких атоми водню заміщені простими вуглеводневими радикалами, що утворюють бічні ланцюги. У формулі граничного вуглеводню, який потрібно назвати, вибирають основу, тобто найдовшу (головну) ланцюг вуглецевих атомів. Потім ці атоми послідовно нумерують, починаючи з того кінця головного ланцюга, до якого ближче бічне відгалуження. У назві сполуки цифрами вказують номери вуглецевих атомів, при яких знаходяться бічні радикали, потім (через дефіс) назви цих радикалів і, нарешті, назву нормального вуглеводню, що має стільки ж вуглецевих атомів, скільки їх міститься в самій довгому ланцюгу, тобто в основі даного вуглеводню. Наприклад, гексани (1) і (2) по замісній номенклатурі називають:
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Якщо у вуглеводні кілька однакових бічних радикалів, в назві (через коми) пишуть номера всіх вуглецевих атомів ланцюга, при яких однакові радикали знаходяться, потім прописом, користуючись грецькими, вказують число цих радикалів, а потім вже їх назва. Так, гексани (3) і (4) називають:
СН3-СН-СН-СН3 (3) 1. 2ï 3 4
ïï СН3-С-СН2-СН3 (4)
2,3-диметил бутан СН3 2,2-діметілбутан
Найдовшу вуглецевий ланцюг вибирають і нумерують так, щоб поза нею залишилися найбільш прості залишки, а цифри в назві, що вказують положення залишки, були б найменшими. Якщо на рівних відстанях від кінців ланцюга є з одного боку один, а з іншого два таких же бічних залишку, нумерацію починають з боку двох залишків (з боку найбільшого розгалуження ланцюга). А якщо в рівних положеннях від кінців ланцюга знаходяться різні за складністю бічні залишки, початок нумерації ведуть з боку найпростішого.
У загальній назві вуглеводню спочатку вказують положення, число і найменування найпростіших залишків, потім наступні за складністю, тобто спочатку метильних, потім етільний, пропильной, бутильну і т.п. Наведемо для прикладу формулу і назву одного з деканів (С10Н22) изостроения:
Якщо після вибору головного ланцюга бічні залишки виявляються в свою чергу розгалуженими, вони можуть бути названі з використанням прийнятих для них найменувань (ізопропіл, втор-бутил, ізобутіл, трет-бутил, ізоаміл і т.п.). Для найменування більш складних розгалужених залишків, які не мають встановлених тривіальних назв, в них теж вибирають і нумерують найдовшу ланцюг і дають їй назву відповідного нормального залишку; при цьому початком ланцюга і позначеним цифрою 1 повинен бути вуглець, той, який пов'язаний з головним ланцюгом складного вуглеводню. Наприклад, для залишків С5Н11 -
1 2 3 4 1 2 3 1 2 3
СН-СН2-СН2-СН3-СН-СН2-СН3-СН-СН-СН3
СН3 СН2-СН3 СН3 СН3
1-метилбутил 1-етілпропіл 1,2-діметілпропіл
У загальній назві складного вуглеводню назва таких залишків полягає в дужки; перед дужкою ставлять цифру, що позначає положення цього залишку в головній ланцюга. наприклад:
1 2ï 3 4 5 6 7ï 8 9 10
СН3 СН3 СН3 6- (1,2-діметілпропіл) декан.
За раціональної номенклатурі з'єднання розглядають як похідні найпростішого члена даного гомологічного ряду; зокрема, насичені вуглеводні розглядаються як похідні метану, водневі атоми якого замінені вуглеводневими залишками (число останніх, природно, не може бути більше чотирьох). У формулі сполуки, яке потрібно назвати, за основу беруть який-небудь вуглецевий атом (зазвичай той, навколо якого згруповано найбільше число найбільш простих залишків), приймаючи його за вуглець молекули метану. Назва складають з найменувань з'єднаних з цим вуглецевим атомом залишків (радикалів), а в кінці ставлять слово метан. При цьому кількість однакових радикалів позначають за допомогою грецьких числівників. Так, вищевказані гексани по раціональної номенклатурі називаються наступним чином. СН3
СН3 діметілпропілметан СН3 тріметілетілметан
У таблиці 2 зіставлені замісні і раціональні назви всх ізомерних гексанов (С6Н14).
Фізичні властивості насичених вуглеводнів
Насичені вуглеводні - безбарвні речовини, практично не розчинні у воді, з щільністю менше 1. В залежності від складу вони представляють собою газоподібні, рідкі або тверді речовини. При цьому температура кипіння, температура плавлення і щільність окремих членів в гомологічних рядах підвищується в міру зростання числа вуглецевих атомів в молекулах.
Метан, етан, пропан і бутан при звичайних умовах являють собою гази; вони майже не мають запаху. Пентан і наступні за ним вуглеводні (аж до С16Н14) - рідини з характерним "бензиновим" запахом і різної, поступово знижується летючість. Вищі насичені вуглеводні - тверді нелеткі речовини, що не мають запаху. Ця залежність у зміні властивостей в міру ускладнення кількісного складу в гомологічних рядах вуглеводнів була відкрита К. Шорлеммер.
Температури кипіння і плавлення вуглеводнів залежать і від їх будови. Нормальні вуглеводні киплять вище, ніж вуглеводні изостроения. З іншого боку, найвищу температуру плавлення має той ізомер, ланцюг якого найбільш розгалужена.
Залежність фізичних властивостей ізомерних вуглеводнів (пентанов) від будови.