Циклоалкани – Алкани
ХІМІЯ – Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання
РОЗДІЛ III. ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
11. Вуглеводні
11.1. Алкани
Алкани (насичені вуглеводні)- органічні сполуки, до складу яких входять лише атоми Карбону і Гідрогену, всі валентності атомів Карбону насичені атомами Гідрогену.
1 Перші чотири вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан) мають не систематичні назви, а тривіальні, тобто такі, що склалися історично.
2 Насичені вуглеводні нормальної будови мають температури кипіння вищі порівняно
Ізомерія алканів
Алкану з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом називають нормальними, або н-алканами. Вони мають зигзагоподібну будову.
Метан, етан і пропан ізомерів не мають. Алкани, що містять у своєму складі чотири і більше атомів Карбону, можуть мати карбоновий ланцюг
Пентан має 3 ізомери:
Гексан має 5 ізомерів. Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі кількість ізомерів стрімко зростає: С7Н16 має 9 ізомерів, С8Н18 – 18, С10Н22 – 75, С20Н42 – 366 319 ізомерів.
Правила утворення систематичних назв алканів розгалуженої будови (за міжнародною номенклатурою IUPAC)
1. За основу назви даної сполуки беруть назву вуглеводню, яка відповідає кількості карбонових атомів головного ланцюга. Головним ланцюгом вуглецевих атомів вважають:
А) найдовший;
Б) найскладніший (з найбільшою кількістю розгалужень):
Розгалуження, які не увійшли до складу головного ланцюга, називають алкільними замісниками (тут – – СН3). За наявності двох чи декількох ланцюгів однакової довжини за головний обирають ланцюг з найбільшою кількістю розгалужень.
2. Після встановлення головного ланцюга атоми Карбону нумерують1:
А) нумерацію починають з того кінця, до якого найближче розташований будь-який алкільний замісник (принцип найменших локантів2):
Б) якщо алкіли розміщені на однаковій відстані від кінців, то при виборі нумерації користуються алфавітним порядком (етил → метил.., унаслідок чого назви речовини в різних мовах можуть дещо різнитись):
В) якщо на однаковій відстані від кінців розміщені однакові алкіли, то нумерацію починають з того кінця, де є більше розгалужень:
3. Назву сполуки становлять:
А) замісники, перераховані за абеткою:
– перед назвою замісника вказують номер атома Карбону, біля якого розміщений алкіл;
– якщо необхідно вказати кілька однакових замісників, то використовують множинні префікси: ди-, три-, тетра – (їх не враховують при визначенні алфавітного порядку);
– локакти однакових замісників записують у послідовності зростання числа і відокремлюють один від одного комами; якщо два однакові алкіли розміщені біля атома Карбону, то число ставлять двічі; локант від назви алкіла (і навпаки) відділяють дефісом;
– назву останнього алкілу пишуть разом з назвою головного ланцюга;
Б) назва алкану, яка відповідає головному карбоновому ланцюгу:
Тривіальні назви деяких алканів розгалуженої будови та відповідних алкілів
Структурна формула алкану | Назва алкану | Структурна формула алкільного замісника | Назва алкілу |
| Пропан |
| Ізопропіл1 |
| Ізобутан |
| Ізобутил1 |
| Втор-бутил2 | ||
| Трет-бутил2 | ||
| Ізопентан |
| Ізопентил1 |
| Трет-пентил2 | ||
| Неопентан |
| Неопентил1 |
1 Префікси ізо – та нео – враховують при визначенні алфавітного порядку замісників.
2 Структурні префікси втор-, трет – не враховують при визначенні алфавітного порядку замісників.
Хімічні властивості насичених вуглеводнів
Алкани за стандартних умов – хімічно інертні речовини: не взаємодіють з кислотами, лугами, з КМnO4 (сильним окисником). Саме хімічною стійкістю насичених вуглеводнів пояснюється інша їхня назва – парафіни (від лат. раrum – мало, affinis – споріднений).
Заміщення Відбувається за вільно-радикальним (ланцюговим) механізмом |
| Заміщення Гідрогену на галоген проводять за допомогою F2, Сl2, Вr2. Повністю галогенуються лише нижчі алкани | |
| Заміщення Гідрогену на нітрогрупу (реакція Коновалова) | ||
Відщеплення |
| Елімінування – каталітична дегідрогенізація | |
Розщеплення (розклад) |
| Крекінг3 (піроліз) | |
Окиснення | Повне |
| Горіння (вищі алкани горять, виділяючи кіптяву) |
Неповне (за нестачі кисню) |
| Утворюється вуглець (сажа) або чадний газ | |
Часткове (за наявності каталізаторів (зазвичай солей Мn (II)) і t ≈ 200 °С) |
| Утворюється суміш оксигеновмісних органічних сполук: спиртів, альдегідів, кетонів, карбонових кислот | |
Ізомеризація |
|
Деякі важливі реакції, характерні для метану
1. Піроліз:
А) 
Б) піроліз з одночасним окисненням за наявності парів води: 
2. Конверсія (взаємодія метану з водяною парою та вуглекислим газом):
А) з водяними парами: 
(каталізатори: Ni, MgO, Аl2О3);
Б) з вуглекислим газом: 
Суміш СО і Н2 називається сиитез-газом. Його використовують для добування метанолу, аміаку.
3. Неповне окиснення метану:
Добування насичених вуглеводнів
1. Природні джерела: газ, нафта, вугілля, деревина, торф.
2. Синтетичні промислові методи:
А) метан добувають взаємодією водню і графіту:
Б) алкани добувають із чадного газу та водню, що входять до складу водяного газу (використовують залізо-кобальтовий каталізатор):
3. Лабораторні методи:
А) взаємодія алюміній карбіду з водою:
Б) метан добувають також при нагріванні суміші натрій ацетату з натрій гідроксидом (реакція декарбоксилювання, реакція Дюма):
В) добування алканів з більшою кількістю атомів Карбону взаємодією металічного натрію та галогенопохідних вуглеводнів (реакція Вюрца):
При використанні галогенопохідних різних алканів утворюється суміш насичених вуглеводнів:
_______________________________________________________________________
1 Родоначальна структура – хімічна структура, яка становить основу сполуки. В алканів – це головний карбоновий ланцюг.
2 Локант – числове або буквене позначення атома Карбону головного ланцюга, яким вказують положення замісників, кратних зв’язків та старшої характеристичної групи щодо родоначальної структури. На письмі локанти розділяють комами.
3 Крекінг – реакція, яку проводять за температури 600-750 °С (можливе використання каталізаторів і підвищеного тиску), у молекулах вищих алканів відбувається з розривом С-С-зв’язків та утворенням нижчих алканів і алкенів.
11.1.1. Циклоалкани
Крім насичених вуглеводнів з відкритим карбоновим ланцюгом, відомі насичені вуглеводні із замкненим ланцюгом, у яких атом Карбону перебуває у стані sp3-гібридизації. Їх називають циклоапканами, або циклопарафінами, нафтенами. Вони утворюють гомологічний ряд, який починається із циклопропану:
У природі найбільш поширеними є циклоалкани з 5- і 6-членними циклами, які є найстійкішими. Уперше бакинської нафти їх виділив В. Марковников1, він і запропонував назву “нафтени” (від тюрк, нафт – нафта).
Пласку молекулу має лише циклопропан, інші циклоалкани мають різні просторові конфігурації, які утворюються внаслідок обертання атомів навколо С-С-зв’язків. При цьому зберігається (крім циклопропану і циклобутану) валентний кут (109°28′) і довжина С-С-зв’язку (0,154 нм). Циклоалкани є насиченими вуглеводнями (атоми Карбону зв’язані між собою простими о-зв’язками) і за своїми фізичними і хімічними властивостями подібні до алканів, але циклічна будова накладає відбиток на реакційну здатність деяких сполук цього ряду.
Хімічні властивості циклопарафінів з малими циклами (циклопропану, циклобутану) через напруження у валентному куті суттєво відрізняються від властивостей циклопентану та циклогексану.
Циклопропан виявляє подвійні властивості, тобто реагує і як алкен (а), і як алкан (б):
А) реакції приєднання:
Б) реакції заміщення:
Циклобутан має аналогічні властивості, але для нього більш характерні не реакції приєднання:
А заміщення:
Циклопентан і циклогексан мають хімічні властивості, аналогічні до властивостей алканів (реакції галогенування, нітрування, окиснення сильними окиснювачами, дегідрування). Нітратна кислота або кисень повітря за наявності каталізаторів окислюють циклоалкани до двохосновних кислот:
Циклоалкани при нагріванні за наявності каталізатора (АlСl3) можуть ізомеризуватись:
Добування циклопарафінів
1) із природної сировини (методом перегонки нафти);
2) з дигалогенопохідних насичених вуглеводнів:
Атоми галогену в галогеноалкані повинні розміщуватися біля крайніх атомів Карбону;
3) гідруванням ароматичних вуглеводнів:
_________________________________________________________________
1 Володимир Васильович Марковников (1837-1904) – видатний російський хімік.
