Алкани. Циклоалкани і їх похідні

Views:
 
Category: Entertainment
     
 

Presentation Description

No description available.

Comments

Presentation Transcript

Алкани та циклоалкани :

Алкани та циклоалкани

Загальні відомості:

Насиченими вуглеводнями називаються сполуки Карбону і водню, у яких всі атоми Карбону знаходяться в sp 3 -гібридизації, або в І валентному стані. Загальна формула – С n H 2n+2 . Гомологічний ряд – це ряд сполук, в яких кожний наступний член відрізняється від попереднього на гомологічну різницю СН 2 . Радикал одновалентний – це група атомів, що відрізняється від насичених вуглеводнів на один атом Гідрогену. Загальні відомості

Slide3:

СН 4 Метан СН 3 Метил С 2 Н 6 Етан С 2 Н 5 Етил С 3 Н 8 Пропан С 3 Н 7 Пропіл С 4 Н 10 Бутан С 4 Н 9 Бутил С 5 Н 12 Пентан С 5 Н 11 Аміл С 6 Н 14 Гексан С 6 Н 13 Гексил  

Slide4:

Номенклатура алканів. В основу раціональної номенклатури покладено перший член гомологічного ряду - метан . Всі представники розглядають як його похідні. В основу ІЮПАК номенклатури покладено нумерацію основного ланцюга. Нумерацію починають з того краю, до якого ближче розміщений радикал. При наявності декількох радикалів, нумерують так, щоб сума номерів була найменшою. Називають радикали в алфавітному порядку.   Так, для сполуки можна запропонувати назви: за раціональною номенклатурою – бутилдіізобутилметан; за ІЮПАК – 4-ізобутил-2-метилоктан.  

Slide5:

Ізомерія алканів. Як випливає з теорії будови органічних сполук О.М.Бутлерова для органічних сполук характерне явище ізомерії. Для розгляду питання ізомерії спочатку з’ясуємо питання про природу атомів Карбону. Якщо атом Карбону зв’язаний з одним сусідом Карбоном, то він називається первинним, якщо з двома – вторинний, трьома – третинний і чотирма – четвертинний. Наприклад, 1,2,3,4,5 – первинні; 6 – вторинні; 7 – третинний; 8 – четвертинний.

Slide6:

Для радикалу важливим є те, який атом Карбону за природою утворює радикал. Наприклад, у пропану СН 3 – СН 2 – СН 3 є два атоми Карбону по природі – первинний і вторинний, тому у пропану є два радикали . Ізомерія насичених вуглеводнів є двох видів: структурна і просторова. З структурної ізомерії насичені вуглеводні характеризуються типом: ізомерія вуглецевого скелету. Для виведення ізомерів існує правило: 1. У першого ізомеру всі атоми Карбону розміщені в основному ланцюгу. 2. Другий ізомер містить в основному ланцюгу на один Карбон менше, а радикал розміщується біля нерівноцінних атомів Карбону. Біля першого і останнього атомів Карбону радикали не розміщувати. Рівноцінні атоми Карбону – це атоми, що знаходяться на однаковій відстані від початку і кінця ланцюга. 3.     Наступний ізомер містить в основному ланцюгу ще на один Карбон менше і т.д.

Slide7:

Для насичених вуглеводнів характерна також і просторова ізомерія, зокрема оптична та конформаційна. Для просторових, трьохмірних формул, які важко записувати, Ньюмен запропонував двохмірне зображення молекул. Форми Ньюмена можна використати для зображення просторових конформаційних ізомерів. Під конформацією розуміють геометрію молекул, яка визначається певними довжинами зв’язку, кутами між ними. Проекції Ньюмена одержують, коли розглядають сполуки Карбон-Карбонового зв’язку і відображають те, що видно (показують кулестержневі моделі – на два ряди). Відомо, що для обертання метильних груп навколо одинарного зв’язку не потрібно великої енергії. Тут можливі два основних конформери: заслонена і загальмована (між якими існує ще скошена форма) форми. Заслонена конформація – з високою енергією, загальмована – з низькою.  

Slide8:

Методи одержання алканів Промислові: (самостійно) Лабораторні: 1.     Лужне плавлення (синтез Дюма) RCOONa + NaOH R–H + Na 2 CO 3 Наприклад, для одержання бутану потрібно взяти: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СООNa + NaOH    СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 –H + Na 2 CO 3   2.     Гідроліз магнійорганічних сполук: R- Mg - Hal + HOH → R–H + Mg(OH)Hal Наприклад, для одержання бутану потрібно взяти: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 - Mg - Hal + HOH →  СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 –H + Mg ( OH ) Hal  

Хімічні властивості:

3.      Реакція В’юрца–Шоригіна R–Hal + 2Na + Hal–R  2NaHal + R–R Механізм: R–Hal + 2Na  R–Na + NaHal RNa + Hal – R  NaHal + R–R Наприклад, для одержання гексану потрібно взяти: СН 3 -СН 2 -СН 2 –Сl + 2Na + Сl–СН 2 -СН 2 -СН 3  2NaСl + СН 3 -СН 2 -СН 2 –СН 2 -СН 2 -СН 3 Хімічні властивості

Хімічні властивості:

  4 .     Реакція Кольбе (електроліз) RCOONa  RCOO – + Na + RCOO – – 1е  R  + СО 2 R  + R   R – R Наприклад, для одержання гексану потрібно взяти: СН 3 - СН 2 -СН 2 -COONa  СН 3 - СН 2 -СН 2 -COO – + Na + СН 3 - СН 2 -СН 2 -COO – – 1е  СН 3 - СН 2 -СН 2  + СО 2 СН 3 - СН 2 -СН 2  + СН 3 -СН 2 -СН 2   СН 3 - СН 2 -СН 2 –СН 2 -СН 2 -СН 3   Хімічні властивості

Хімічні властивості:

  5.     Гідрування алкенів та алкінів: СН 3 –С≡С–СН 3 + Н 2 СН 3 –СН=СН–СН 3 + Н 2 СН 3 –СН 2 –СН 2 –СН 3   6. Крекінг алканів – одержання алкенів та алканів: C 20 H 42 C 10 H 20 + C 10 H 22     7. Одержання метану: Al 4 C 3 + 12HCl  4AlCl 3 + 3CH 4   Хімічні властивості

Slide12:

Фізичні властивості алканів Простеживши за зміною фізичних властивостей алканів, ми можемо відмітити, що при переході від одного гомолога до другого змінюється агрегатний стан (С 1 -С 4 – гази, С 5 -С 15 – рідини; С 15 і  – тверді речовини). Стрибкоподібно змінюється температура плавлення і кипіння. Проводячи кількісні зміни (–СН 2 –), ми спостерігаємо якісні прояви цих змін. Тут проявляється дія закону переходу кількісних змін в якісні. Цей закон виступає в гомологічних рядах і в іншій формі. Якщо атомів в молекулах досягає певної величини, то з’являється можливість для прояву нової якості сполуки – здатності утворювати ізомери. Таке явище, як ізомерія, є наслідком накопичення нової якості на о с нові кількісних змін. С 1 , С 2 , С 3 – 1 ізомер; С 4 – 2 ізомери; С 5 – 3 ізомери; С 7 – 9 ізомерів; С 10 – 75 ізомерів; С 20 – 366317 ізомерів.

Slide13:

Будова молекули метану. Природа хімічного зв’язку Атом Карбону в основному стані має таку електронну формулу: 1 s 2 2 s 2 2 p 2 . Проте метан СН 4 – перший представник алканів – має 4 еквівалентних зв’язки. Атом Карбону в метані знаходиться в збудженому стані – 1 s 2 2 s 1 2 p 3 . Відбувається процес гібридизації між одною s- і трьома р-орбіталями, внаслідок чого відбувається вирівнювання електронних орбіталей. Таким чином, гібридизація – це процес перерозподілу електронної густини, при якому утворюються рівноцінні орбіталі з геометрією молекули, яка обумовлена відштовхуванням електронних пар оболонок. Такою геометрією для насичених вуглеводнів є тетраедр, з валентним кутом 109  28 ´ .

Slide14:

Якщо умовно провести лінію, що зв’язує ядра двох атомів (лінія зв’язку), то перекривання електронних хмар відбувається по лінії зв’язку. Такий ковалентний зв’язок називається  -зв’язком. Тип  -зв’язку між С–Н  sp 3 -s.   В етані, де є два атоми Карбону в стані sp 3 -гібридизації:   Таким чином, в насичених вуглеводнях існує два типи  -зв’язків:  sp3-sp3 (зв’язок С–С) та  sp3-s- (зв’язок С–Н). Нарощування ланцюга приводить до його збільшення, а тетраедричність атома Карбону зберігається, тому схематично будову будь-якого насиченого вуглеводню можна показати схемою: Для визначення стану гібридизації будь-якого атома достатньо порахувати кількість груп, що зв’язані з цим атомом (кількість  -зв’язків) та кількість неподільних електронних пар (для атомів N і O ), що не беруть участь у спряженні.

Slide15:

Хімічні властивості Виходячи з стану гібридизації атома Карбону – sp 3 -гібридизація, можна зробити висновок, що основним типом реакції будуть реакції заміщення. Основні типи реакцій, характерні для алканів: 1.     Реакції заміщення ( S ). 2.     Реакції розщеплення С–С-зв’язку. 3.     Реакції окиснення. Типи розриву хімічного ковалентного зв’язку Якщо при розриві зв’язку електрони рівномірно розподіляються між атомами, то цей тип розриву називається гомолітичним. При цьому утворюються радикали. Основний механізм реакції – радикальний. Отже, для алканів найхарактернішою є реакція радикального заміщення – S R . При наявності більше трьох атомів Карбону має значення природа атомів Карбону. Найлегше заміщення проходить біля третинного атома Карбону, потім – біля вторинного, потім – біля первинного.

Slide16:

  1. Реакція хлорування та бромування – одержання галогеналканів – це взаємодія з Cl 2 (або Br 2 ) при дії кванту світла ( h  ). Схема реакції: Механізм реакції радикального заміщення – S R . А)

Slide17:

Б)

Циклоалкани:

Циклоалкани

Slide19:

Циклоалканами називають насичені вуглеводні, що мають замкнутий ланцюг атомів Карбону. І. Циклоалкани класифікують за декількома структурними ознаками: –       за кількістю атомів Карбону в циклі; –       за числом циклів в молекулі; –   за способом з’єднання циклів, якщо їх в молекулі декілька. Моноциклічні вуглеводні в залежності від розміру циклу поділяють на малі цикли (С 3 і С 4 ), звичайні (С 5 –С 7 ), середні (С 8 –С 11 ) і макроцикли (С 12 і більше атомів карбону). Загальна формула ряду циклоалканів С n H 2n . У зображенні структури циклоалканів у вигляді багатокутників атоми Карбону циклу і приєднанні до них атоми Гідрогену зазвичай опускаються:

Slide20:

Велику групу циклоалкані в складають біциклічні сполуки, які бувають з роз’єднаними циклами, з безпосередньо сполученими одинарними С–С або подвійними С=С-зв’язками, спірановими, містковими.

Slide21:

3. Спіранові сполуки містять спільний (вузловий) атом Карбону для двох циклів. Їх назва починається з префікса спіро- , а далі в квадрітних дужках вказується кількість атомів Карбону спочатку меншого циклу, а потім, після крапки – більшого циклу (вузловий атом у дужках не позначається). Повна нумерація починається з найближчого до вузлового атома Карбону в меншому циклі і продовжується по периметру молекули (спільний атом має мати найменше значення):

Slide22:

4. Місткові сполуки містять два вузлових атоми Карбону. Їх назва починається з префікса біцикло- . Далі в квадратних дужках позначають цифрами кількість атомів Карбону кожного циклу між вузловими атомами, які при цьому не враховуються, від більшого циклу до меншого. За дужкою розташовують назву вуглеводню з урахуванням усіх атомів Карбону. Якщо місток між вузловими атомами не містить атомів Карбону, то в дужках пишуть 0 (нуль) – це конденсовані циклоалкани. Нумерація починається з вузлового атома більшого циклу і проходить від одного атома Карбону до іншого найдовшим шляхом. Останніми нумерують місткові атоми:

Slide24:

Поліциклічні сполуки містять три, чотири і більше циклів, сполучених двома і більше містками:

Slide25:

Структурна ізомерія залежить від величини циклу, природи зімсника, їх взаємного розташування і поділяється на такі види: 1.     Ізомерія розміру циклу: 2.     Ізомерія положення замісника: 3.     Ізомерія бічних ланцюгів: 4. Ізомерія за кількістю атомів Карбону в бічних замісниках: Геометрична ізомерія в циклоалканах виникає завдяки жорсткому розташуванню замісників в циклі, внаслідок чого вони не здатні змінювати своє положення відносно площини кільця.

Slide26:

Енантіомерія аліциклічних сполук виникає при наявності хірального атома Карбону і відсутності елементів симетрії, в першу чергу площини симетрії.Так, циклопропан з двома замісниками в транс- 1,2-положенні або з двома різними як у транс- 1,2-положенні, та і в цис- 1,2-положенні існує у вигляді енантіомерів:

Slide27:

Конформаційна ізомерія циклоалканів пов’язана з особливостями їх будови. Передумовою сучасного трактування будови циклічних сполук була теорія напруження А. Байєра (1885 р.), який виходив з їх плоскої будови і пояснював стійкість циклів відхиленням їх валентних кутів від тетраедричного кута 109  28  у метані, оскільки атоми Карбону в насичених циклоалканах знаходяться в стані sp 3 - гібридизації. Отже, відхилення від цього кута є мірою стійкості циклу, або мірою його реакційної здатності:

Slide28:

Подальшим розвитком теоретичних уявлень будови циклоалканів була теорія конформаційного аналізу К. Пітцера (1947 р.), яка враховувала торсійні напруження, що приводило до зміни конформацій циклу. Так, циклопентан існує у вигляді фігури, що нагадує конверт:

Slide29:

Циклогексан існує в декількох конформаціях, які швидко переходять одна водну в процесі інверсії циклу. Найбільш стійкою є конформація крісла та твіст-конформація . Конформація ванни є перехідною між ними.   Конформація крісла найбільш симетрична, кожний атом Карбону має по два нееквівалентних зв’язки С–Н. Зв’язки, що розміщені паралельно вертикальній осі симетрії третього порядку, називають аксіальними (а) , а зв’язки, що орієнтовані під кутом 109,5  відносно цієї осі, називають екваторіальними (е) . В процесі конформаційних перетворень аксіальні замісники стають екваторіальними і відповідно екваторіальні – аксіальними. З цієї точки зору конформаційні переходи циклогексану називають інверсією .

Slide30:

При наявності об’ємних замісників найбільш вигдною є конформація, коли вони займають екваторіальне положення (прояв внутрішньомолекулярних вандерваальсівських сил відштовхування зближених у просторі замісників):

Slide31:

На відміну від усіх інших циклоалканів, циклопропан має плоский вуглецевий скелет. В циклопропані наявне значне кутове напруження: кути 60  між прямими, що з’єднують ядра атомів Карбону, сильно відрізняються від тетраедричних, до того ж кути Н–С–Н складають 118  , що близько до тетраедричного стану атома Карбону. Для зняття кутового напруження гібридизовані орбіталі насправді перекриваються не по прямій, а дещо з відхиленням від неї. В результаті зв’язки С–С виявляються вигнутими, їх називають “банановими” зв’язками або  -зв’язками:

Slide32:

Серед методів одержання циклоалканів необхідно виділити наступні: 1.     Реакція В’юрца дигалогеналканів з металічним цинком або натрієм – реакція придатна для одержання циклоалканів з кількістю атомів Карбону n = 3 – 6:   2.     Піроліз барієвих, кальцієвих солей дикарбонових кислот – одержу ю ть цикли з кількістю атомів Карбону n = 5 – 7:  

Slide33:

Гідрування аренів. Використання малонового естеру для одержання циклоалканів – одержуть цикли з кількістю атомів Карбону n = 3 – 7:

Slide34:

1. Реакції приєднання в циклопропану: а) реакція гідрування, галогенування; б) приєднання гідрогенгалогенів за правилом Марковникова; в) реакція заміщення в присутності кислот Льюїса.

Slide37:

Циклопропан – безбарвний газ, що зріджується при 20  С і тиску 5 атм. Володіє сильною знеболюючою дією, нетоксичний (при нормальному дозуванні). Проте з-за надзвичайно високої вогненебезпечності в даний час рідко використовується як засіб для наркозу. Серед похідних циклопропану необхідно виділити групу піретринів – природніх інсектицидів, що містяться в квітах багаторічних трав роду Pyrethrum , особливо ромашки далматської. Ці сполуки є похідними хризантемової кислоти. Діючим началом так званого персидського порошку, що одержують з ромашки і здавна використовується для знищення комах, виступають піретрини І і ІІ:

Slide38:

Важливою перевагою піретринів є їх низька токсичність. Синтетичні піретрини , так звані піретроїди , володіють вищою активністю і не окиснюються на сонці. Піретроїди відносяться до препаратів нового покоління, їх доля на світовому ринку інсектицидів перевищує 25%. Циклопентан входить до складу нафти. В природних сполуках циклопентанове кільце частіше всього зустрічається як складова частина біциклічних сполук (терпенів) або конденсованих систем (стероїдів).

authorStream Live Help