Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Основные направления реакционной способности углеводородов в зависимости от их





Электронного строения

Класс углеводородов Общая формула Гибридизация Орбитали Связи Механизм и направление реакции
Алканы СnH2n+2 sp3 4sp3 4s SR
Алкены CnH2n sp2 3sp2, p 3s, p AE
Алкадиены (сопряженные) CnH2n-2 sp2 3sp2, p 3s, сопряженная p-система AE (1,2;1,4;3,4)
Арены CnH2n-6 sp2 3sp2, p 3s, замкнутая сопряженная p-система SE

Алканы

Алканами называются углеводороды, общая формула которых СnH2n+2

 

Название Структурная формула Брутто-формула
Метан СH4 CH4
Этан CH3-CH3 C2H6
Пропан CH3-CH2-CH3 C3H8
Бутан CH3-CH2-CH2-CH3 C4H10
Пентан CH3-(CH2)2-СH2-CH3 С5Н12
Гексан СН3-(СН2)4-СН3 С6Н14 и т.д.

 

Низшие представители алканов при вдыхании обладают наркотическим действием, в более высоких концентрациях вызывают остановку дыхания. Токсичность и сила наркотического действия возрастают с увеличением количества углеродных атомов до 5–7. При дальнейшем изменении цепи активность снижается вследствие уменьшения летучести и растворимости в воде. Высшие представители почти инертны. Алканы физиологически менее активны, чем алкены или арены, что объясняется их строением.

Алканы содержат атомы углерода в sp3 – гибридизации. 1s – и 3р – орбитали образуют 4 sp3 – гибридизованные орбитали, направленные в пространстве к вершинам тетраэдра под углом 109°. Эти орбитали участвуют в образовании 4-х прочных неполярных s- связей.

 
 

Строение метана (СН4):

 

 

а) электронное б) пространственное

(тетраэдрическое)

 

Строение этана (СН3-СН3):

 

       
   
 
 

 

 


 

а) электронное б) пространственное

 


Изомерия.Для алканов характерна



1. Структурная изомерия: Например,

 

СН3 СН2 СН2 СН3 СН3 СН СН3

бутан

СН3

изобутан (2–метилпропан)

2. Пространственная (конформационная) изомерия. Этот вид изомерии является результатом свободного вращения вокруг одинарной s С-С связи. Геометрические формы молекулы, образующиеся при этом, называются конформациями. Среди множества конформаций этана выделяют экстремальные конформации – наименее (а) и наиболее (б) устойчивые:

               
   
 
   
 
   
 

 

 


 

 

а) заслоненная б) заторможенная

 

В заслоненной конформации атомы водорода сближены и отталкиваются друг от друга. Это энергетически невыгодно (энергия молекулы максимальна).

В заторможенной конформации атомы водорода наиболее удалены друг от друга. Это наиболее выгодная конформация (энергия молекулы минимальна).

Для 5- и 6-членных углеводородных цепей можно выделить три основные конформации:

           
   
     
 
 
 

 

 


а) зигзагообразная б) нерегулярная в) клешневидная

 

Клешневидная конформация дает нам представление о возможности образования 5- и 6-членных циклов. Более длинные углеводородные цепи по данным рентгеноструктурного анализа имеют, в основном, зигзагообразную конформацию.

Химические свойства

Алканы относительно стабильны к таким реагентам как кислоты, щелочи, окислители при обычных условиях. Это объясняется прочностью С-С и С-Н связей.

Алканы подвергаются 2-м типам реакций:

1. Реакции замещения.

2.Термические и каталитические реакции.

Эти реакции протекают при повышенных температурах или при поглощении световой энергии через образование высоко реактивных свободных радикалов.

1. Рассмотрим реакцию радикального замещения [SR], например, реакцию галогенирования. Она включает несколько этапов.

1-й этап – инициирование. На этом этапе молекула галогена под действием кванта света гомолитически расщепляется на два радикала:

hn · ·

Br: Br Br + Br

гомолиз

 

2-й этап – рост радикальной цепи. Радикал галогена атакует молекулу алкана. Связь С:Н расщепляется гомолитически с образованием алкильного радикала:

· ·

СН3-СН-СН2-СН3 + Br СН3-С-СН2-СН3 + H : Br.

½ ½

CH3 CH3

 

Галогенирование алканов обычно приводит к смеси изомеров. Но, в первую очередь, радикальной атаке подвергаются третичные, затем вторичные и в последнюю очередь первичные С-Н- связи:

перв. трет. втор. перв.

СН3 – СН - СН2 - СН3

½

СН3

перв.

 

Далее образовавшийся алкил-радикал реагирует с новой молекулой галогена с образованием нового радикала галогена:

Br

· ½ .

СН3-С-СН2-СН3 + Br : Br СН3-С-СН2-СН3 +Br

½ ½

СН3 CH3

Таким образом, развивается радикальная цепь.

3-й этап – обрыв цепи, или рекомбинация радикалов. Он возможен в результате следующих превращений:

· ·

а) Br + Br Br2

·

б) Br + R· R- Br

· ·

в) R + R R – R

 

Среди галогенпроизводных алканов наиболее физиологически активны хлорпроизводные. Они проявляют наркотическое действие, понижая кровяное давление. В ряду хлорзамещенных метана: СН3Сl – хлористый метил, CH2Cl2 – хлористый метилен, CHCl3 – хлороформ, CCl4 – четыреххлористый углерод – усиливаются наркотическая активность и токсичность.

2. Окисление. Алканы вступают в реакции окисления только при очень высокой температуре и в присутствии катализаторов.

 

Циклоалканы

Это предельные углеводороды циклического строения общей формулы CnH2n

Название Структурная формула Брутто – формула

 
 


Циклопропан С3Н6

 

 

 
 


Циклобутан С4H8

 

 

 
 

 


Циклопентан С5Н10

 

 
 

 


Циклогексан С6Н12

 

 

Для циклоалканов, так же как и для алканов, характерна sp3 гибридизация. s- Связи должны располагаться под углом ~109° друг к другу.

При отклонении угла в цикле от 109° возникает угловое напряжение (теория напряжения циклов Байера).

Особенно неустойчив циклопропан, который легко вступает в реакции присоединения с разрывом кольца. Наиболее устойчивы циклогексан и циклопентан. Они вступают в обычные для алканов реакции SR. Циклобутан занимает промежуточное положение. Для него характерны оба направления реакций.

Устойчивость 5- и 6- членных циклов объясняется их неплоским строением.

Циклогексан принимает различные конформации, из которых следует выделить две наиболее устойчивые:

       
 
   
 


 

конформация конформация

«ванны» или «лодки» «кресла»

Наиболее выгодной является конформация «кресла», так как все углы между связями составляют 109°, (т.е. отсутствует угловое напряжение). В конформации «кресла» атомы углерода имеют одну аксиальную (а) и одну экваториальную (е) связи. Аксиальная связь параллельна оси молекулы, а экваториальная – направлена в сторону от кольца.

a

 

 

 
 
е

 


Для объемного заместителя наименее выгодно аксиальное положение из-за возникающего сильного 1,3-диаксиального взаимодействия, которое приводит к торсионному напряжению и инверсии циклогексанового кольца:

       
 
   
 

 

 


инверсия

 

 


 

 

 

Поэтому более энергетически выгодно экваториальное расположение заместителей.

 

Кроме конформационной изомерии, для циклоалканов характерна геометрическая (цис-транс) изомерия.

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2019 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.