Механизм реакции бромирования алканов. Контрольно-оценочные средства по органической химии. Тема: "Углеводороды" Физические свойства алкинов

Наиболее характерными реакциями предельных углеводородов являются реакции замещения водородных атомов. Они идут по цепному, свободнорадикальному механизму и протекают обычно на свету или при нагревании. Замещение атома водорода галогеном легче всего идет у менее гидрогенизированного третичного атома углерода, затем у вторичного и в последнюю очередь у первичного. Эта закономерность объясняется тем, что энергия связи атома водорода с первичным, вторичным и третичным атомами углерода неодинакова: она составляет соответственно 415, 390 и 376 кДж/моль.
Рассмотрим механизм реакции бромирования алканов на примере метилэтилизопропилметана:

В обычных условиях молекулярный бром практически не реагирует с насыщенными углеводородами. Только в атомарном состоянии он способен вырывать атом водорода из молекулы алкана. Поэтому предварительно необходим разрыв молекулы брома до свободных атомов, которые зарождают цепную реакцию. Такой разрыв осуществляется под действием света, то есть при поглощении световой энергии молекула брома распадается на атомы брома с одним неспаренным электроном.

Такой тип распада ковалентной связи называется гомолитическим расщеплением (с греческого homos – равный).
Образующиеся атомы брома с неспаренным электроном очень активны. При их атаке молекулы алкана происходит отрыв атома водорода от алкана и образование соответствующего радикала.

Частицы, имеющие неспаренные электроны и обладающие в связи с этим неиспользованными валентностями, называются радикалами.
При образовании радикала атом углерода с неспаренным электроном меняет гибридное состояние своей электронной оболочки: от sp 3 в исходном алкане до sp 2 в радикале. Из определения sp 2 - гибридизации следует, что оси трех sp 2 - гибридных орбиталей лежат в одной плоскости, перпендикулярно к которой расположена ось четвертой атомной р- орбитали, не затронутой гибридизацией. Именно на этой негибридизованной р- орбитали находится в радикале неспаренный электрон.
Образующийся в результате первой стадии роста цепи радикал атакуется далее исходной молекулой галогена.

С учетом плоского строения алкила молекула брома атакует его равновероятно с обеих сторон плоскости – сверху и снизу. При этом радикал, вызывая в молекуле брома гомолитическое расщепление, образует конечный продукт и новый атом брома с неспаренным электроном, приводящий к дальнейшим превращениям исходных реагентов. Учитывая, что третий углеродный атом в цепи является асимметрическим, то в зависимости от направления атаки молекулы брома на радикал (сверху или снизу) возможно образование двух соединений, являющихся зеркальными изомерами. Наложение друг на друга моделей этих образующихся молекул не приводит к их совмещению. Если же поменять два любых шарика - связи, то совмещение очевидно.
Обрыв цепи в данной реакции может происходить в результате следующих взаимодействий:

Подобно рассмотренной реакции бромирования осуществляется и хлорирование алканов.”

Для изучения реакции хлорирования алканов смотри анимационный фильм "Механизм реакции хлорирования алканов"(данный материал доступен только на CD-ROM).

2) Нитрование. Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании их до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой (реакция М.И.Коновалова). В подобную реакцию жидкофазного нитрования вступают все алканы, однако скорость реакции и выходы нитросоединений низкие. Наилучшие результаты наблюдаются с алканами, содержащими третичные углеродные атомы.

Реакция нитрования парафинов – радикальный процесс. Обычные правила замещения, рассмотренные выше, действуют и здесь.
Отметим, что в промышленности получило распространение парофазное нитрование - нитрование парами азотной кислоты при 250-500°С.

3) Крекинг. При высокой температуре в присутствии катализаторов предельные углеводороды подвергаются расщеплению, которое называется крекингом. При крекинге происходит гомолитический разрыв углерод-углеродных связей с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более короткими цепями.

CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 (бутан) –– 400° C ® CH 3 –CH 3 (этан) + CH 2 =CH 2 (этилен)

Повышение температуры процесса ведет к более глубоким распадам углеводородов и, в частности, к дегидрированию, т.е. к отщеплению водорода. Так, метан при 1500ºС приводит к ацетилену.

2CH 4 –– 1500° C ® H–Cº C–H(ацетилен) + 3H 2

4) Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

5) Окисление. В обычных условиях алканы устойчивы к действию кислорода и окислителей. При поджигании на воздухе алканы горят, превращаясь в двуокись углерода и воду и выделяя большое количество тепла.

CH 4 + 2O 2 –– пламя ® CO 2 + 2H 2 O
C 5 H 12 + 8O 2 –– пламя ® 5CO 2 + 6H 2 O

Алканы – ценное высококалорийное топливо. Сжигание алканов дает тепло, свет, а также приводит в движение многие машины.

Применение

Первый в ряду алканов – метан – является основным компонентом природных и попутных газов и широко используется в качестве промышленного и бытового газа. Перерабатывается в промышленности в ацетилен, газовую сажу, фторо- и хлоропроизводные.
Низшие члены гомологического ряда используются для получения соответствующих непредельных соединений реакцией дегидрирования. Смесь пропана и бутана используется в качестве бытового топлива. Средние члены гомологического ряда применяются как растворители и моторные топлива. Высшие алканы используются для производства высших жирных кислот, синтетических жиров, смазочных масел и т.д.

Непредельные углеводороды (алкины)

Алкины - алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна тройная связь.

Углеводороды ряда ацетилена являются еще более непредельными соединениями, чем соответствующие им алкены (с тем же числом углеродных атомов). Это видно из сравнения числа атомов водорода в ряду:

С 2 Н 6 C 2 H 4 С 2 H 2

этан этилен ацетилен

(этен) (этин)

Алкины образуют свой гомологический ряд с общей формулой, как и у диеновых углеводородов

С n H 2n-2

Строение алкинов

Первым и основным представителем гомологического ряда алкинов является ацетилен (этин) С 2 Н 2 . Строение его молекулы выражается формулами:

Н-СºС-Н или Н:С:::С:Н

По названию первого представителя этого ряда - ацетилена - эти непредельные углеводороды называют ацетиленовыми.

В алкинах атомы углерода находятся в третьем валентном состоянии (sp-гибридизация). В этом случае между углеродными атомами возникает тройная связь, состоящая из одной s- и двух p-связей. Длина тройной связи равна 0,12 нм, а энергия ее образования составляет 830 кДж/моль.

Номенклатура и изомерия

Номенклатура. По систематической номенклатуре ацетиленовые углеводороды называют, заменяя в алканах суффикс -ан на суффикс -ин. В состав главной цепи обязательно включают тройную связь, которая определяет начало нумерации. Если молекула содержит одновременно и двойную, и тройную связи, то предпочтение в нумерации отдают двойной связи:

Н-СºС-СН 2 -СН 3 Н 3 С-СºС-СН 3 Н 2 С=С-СН 2 -СºСН

бутин-1 бутин-2 2-метилпентен-1-ин-4

(этилацетилен) (диметилацетилен)

По рациональной номенклатуре алкиновые соединения называют, как производные ацетилена.

Непредельные (алкиновые) радикалы имеют тривиальные или систематические названия:

Н-СºС- - этинил;

НСºС-СН 2 - -пропаргил

Изомерия. Изомерия алкиновых углеводородов (как и алкеновых) определяется строением цепи и положением в ней кратной (тройной) связи:

Н-СºС-СН-СН 3 Н-СºС-СН 2 -СН 2 -СН 3 Н 3 С-С=С-СН 2 -СН 3

3-метилбутин-1 пентин-1 пентин-2

Получение алкинов

Ацетилен в промышленности и в лаборатории можно получать следующими способами:

1. Высокотемпературным разложением (крекинг) природного газа - метана:

2СН4 1500°C ® НСºСН + 3Н 2

или этана:

С 2 Н 6 1200°C ® НСºСН + 2Н 2

2. Разложением водой карбида кальция СаС 2 , который получают спеканием негашеной извести СаО с коксом:

СаО + 3C 2500°C ® CaC 2 + CO

СаС 2 + 2Н 2 O ® НСºСН + Са(ОН) 2

3. В лаборатории производные ацитилена можно синтезировать из дигалогенопроизводных, содержащих два атома галогена при одном или соседних углеродных атомах, действием спиртового раствора щелочи:

Н 3 С-СН-СН-СН 3 + 2КОН ® Н 3 С-СºС-СН 3 + 2KBr + 2Н 2 О

2,3-дибромбутан бутин-2

(диметилацетилен)

Похожая информация.

Алкины - это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат тройную связь. Представитель - ацетилен, гомологи его:

Общая формула - C n H 2 n -2 .

Строение алкинов.

Атомы углерода , которые образуют тройную связь, находятся в sp - гибридизации . σ -связи лежат в плоскости, под углом 180 °С, а π -связи образованы путем перекрывания 2х пар негибридных орбиталей соседних атомов углерода.

Изомерия алкинов.

Для алкинов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратной связи.

Пространственная изомерия не характерна.

Физические свойства алкинов.

В нормальных условиях:

С 2 -С 4 - газы;

С 5 -С 16 - жидкости;

С 17 и более - твердые вещества.

Температуры кипения алкинов выше, чем у соответствующих алканов.

Растворимость в воде незначительна, немного выше, чем у алканов и алкенов , но все равно очень мала. Растворимость в неполярных органических растворителях высокая.

Получение алкинов.

1. Отщепление 2х молекул галогенводорода от дигалогенавконов, которые находятся либо у соседних атомов углерода или у одного. Отщепление происходит под воздействием спиртового раствора щелочи:

2. Действие галогеналканов на соли ацетиленовых углевородородов:

Реакция протекает через образование нуклеофильного карбаниона:

3. Крекинг метана и его гомологов:

В лаборатории ацетилен получают:

Химические свойства алкинов.

Химические свойства алкинов объясняет наличие тройной связи в молекуле алкина. Типичная реакция для алкинов - реакция присоединения, которая протекает в 2 стадии. На первой происходит присоединение и образование двойной связи, а на второй - присоединение к двойной связи. Реакция у алкинов протекает медленнее, чем и алкенов, т.к. электронная плотность тройной связи «размазана» более компактно, чем у алкенов, и поэтому менее доступна для реагентов.

1. Галогенирование. Галогены присоединяются к алкинам в 2 стадии. Например,

А суммарно:

Алкины также как алкены обесцвечивают бромную воду, поэтому эта реакция является качественной и для алкинов.

2. Гидрогалогенирование. Галогенводороды присоединяются к тройной связи несколько тружднее, чем к двойной. Для ускорения (активации) процесса используют сильную кислоту Льюиса - AlCl 3 . Из ацетилена при таких условиях модно получить винилхлорид, который идет на производства полимера - поливинилхлорида, имеющего важнейшее значение в промышлености:

Если же галогенводород в избытке, то реакция (особенно у несимметричных алкинов) идет по правилу Марковникова:

3. Гидратация (присоединение воды). Реакция протекает только в присутствии солей ртути (II) в качестве катализатора:

На 1ой стадии образуется непредельный спирт, в котором гидроксигруппа находится у атома углерода, образующего двойную связь. Такие спирты называются виниловыми или фенолами .

Отличительная черта таких спиртов - неустойчивость. Они изомеризуются в более стабильные карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) вследствие переноса протона от ОН -группы к углероду при двойной связи. При этом π -связь рвется (между атомами углерода), и образуется новая π -связь между атомомами углерода и атомом кислорода . Такая изомеризация происходит из-за большей плотности двойной связи С=О по сравнению с С=С.

Только ацетилен превращается в альдегид, его гомологи - в кетоны. Реакция протекает по правила Марковникова:

Эта реакция носит названия - реакции Кучерова .

4. Те алкины, которые имеют концевую тройную связь, могут отщеплять протон под действием сильных кислотных реагентов. Такой процесс обусловлен сильной поляризацией связи .

Причиной поляризации служит сильная электроотрицательность атома углерода в sp -гибридизации, поэтому алкины могут образовывать соли - ацетилениды:

Ацетилениды меди и серебра легко образуются и выпадают в осадок (при пропускании ацетилена через аммиачный раствор оксида серебра или хлорида меди). Эти реакции являются качественными на концевую тройную связь:

Полученные соли легко разлагаются под действием HCl , в результате выделяется исходный алкин:

Поэтому алкины легко выделить из смеси других углеводородоров.

5. Полимеризация. При участии катализаторов алкины могут реагировать друг с другом, причем в зависимости от условий, могут образовываться различные продукты. Например, под воздействием хлорида меди (I) и хлорида аммония:

Винилацетилен (полученное соединение) присоединяет хлороводород, образуя хлорпрен, который служит сырьем для получения синтетического каучука:

6. Если ацетилен пропускать через уголь при 600 ºС, получают ароматическое соединение - бензол. Из гомологов ацетилена, получают гомологи бензола:

7. Реакция окисления и восстановления . Алкины легко окисляются перманганатом калия . Раствор обесцвечивается, т.к. в исходном соединении есть тройная связь. При окислении происходит расщепление тройной связи с образованием карбоновой кислоты:

В присутствие металлических катализаторов происходит восстановление водородом:

Применение алкинов.

На основе алкинов производят много различных соединений, имеющих широкое применение в промышленности. Например, получают изопрен - исходное соединения для производства изопренового каучука.

Ацетилен используют для сварки металлов, т.к. процесс его горения весьма экзотермичный.

Разделы: Химия

Комплекс заданий для проведения письменного среза знаний для учащихся составлен из пяти вопросов.

1. Задание на установление соответствия между понятием и определением. Составляется перечень из 5 понятий и их определений. В составленном списке понятия номеруются цифрами, а определения – буквами. Учащемуся необходимо каждое из приведенных понятий соотнести с данным ему определением, т.е. в ряду определений найти то единственной, которое раскрывает конкретное понятие.
2. Задание в виде теста из пяти вопросов с четырьмя вариантами ответов, из которых только один правильный.
3. Задание на исключение лишнего понятия из логического ряда понятий.
4. Задание на выполнение цепочки превращений.
5. Решение задачи разных типов.

I вариант

1-е задание. Установите соответствие между понятием и определением:

Определение:

1. Процесс выравнивание электронных орбиталей по форме и энергии;
2. Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой одинарной связью;
3. Вещества, сходные по строению и свойствам, но отличающие друг от друга на одну или несколько групп – СН2;
4. Углеводороды замкнутого строения, имеющие бензольное кольцо.
5. Реакция, при которой из двух или нескольких молекул образуется одно новое вещество;

а) арены;
б) гомологи;
в) гибридизация;
г) алканы;
д) присоединения.

2-е задание. Выполните тест с четырьмя вариантами ответов, из которых только один правильный.

1. Пентен-2 можно получить дегидратацией спирта:

а) 2-этилпентин-3;
б) 3-этилпентин-2;
в) 3-метилгексин-4;
г) 4-метилгексин-2.

3. Угол между осями sр -гибридной орбитали атома углерода равен:

а) 90 ° ; б) 109 ° 28’; в) 120 ° г) 180 ° .

4. Как называется продукт полного бромирования ацетилена:

а) 1,1,2,2-тетрабромэтан;
б) 1,2-дибромэтен;
в) 1,2-дибромэтан;
г) 1,1 –дибромэтан.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции горения бутена равна:

а) 14; б) 21; в) 12; г) 30.

3-е задание

Исключите лишнее понятие:

Алкены, алканы, альдегиды, алкадиены, алкины.

4-е задание

Осуществить превращения:

5-е задание

Решите задачу: Найти молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором составляет 83,3%. Относительная плотность вещества по водороду составляет 36.

II вариант

1-е задание

Определение:

1. Химическая связь, образующая в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи;
2. Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой двойной связью;
3. Реакция, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле на другие атомы или группы атомов.
4. Вещества, сходные по количественному и качественному составу, но отличающие друг от друга по строению;
5. Реакция присоединения водорода.

а) замещение;
б) σ-связь;
в) изомеры;
г) гидрирования;
д) алкены.

2-е задание

1. Для алканов характерна изомерия:

а) положения кратной связи;
б) углеродного скелета;

г) геометрическая.

2. Как называется углеводород

а) 2-метилбутен-3;
б) 3-метилбутен-1;
в) пентен-1;
г) 2-метилбутен-1.

3. Угол между осями sр 3 -гибридной орбитали атома углерода равен:

4. Ацетилен можно получить гидролизом:

а) карбида алюминия;
б) карбида кальция;
в) карбоната кальция;
г) гидроксида кальция.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции горения пропана равна:

а) 11; б) 12; в) 13; г) 14.

3-е задание

Исключите лишнее понятие:

Спирты, алканы, кислоты, эфиры, кетоны.

4-е задание

Осуществить превращения:

5-е задание

Решите задачу:

Какой объем воздуха потребуется для полного сгорания 5л. этилена. Объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

III вариант

1-е задание

Установите соответствие между понятием и определением:

Определение:

1. Реакция соединения многих одинаковых молекул низкомолекулярного вещества (мономеров) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера;
2. Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой тройной связью;
3. Связь, образующая в результате перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т.е. в двух областях;
4. Реакция отщепления галогенов;
5. Реакция гидратации ацетилена с образованием этаналя.

а) галогенирования;
б) полимеризация;
в) Кучерова;
г) алкины;
д) π-связь.

2-е задание

Выполните тест с четырьмя вариантами ответов, из которых только один правильный.

1.Укажите формулу 4-метилпентина-1:

2. В реакции бромирования пропена образуется:

а) 1,3-дибромпропан;
б) 2-бромпропан;
в) 1-бромпропан;
г) 1,2-дибромпропан.

3. Угол между осями sр 2 -гибридной орбитали атома углерода равен:

а) 90°; б) 109°28’; в) 120° г) 180°.

4. Какой тип изомерии характерен для алкенов:

а) углеродного скелета;
б) положения кратной связи;
в) геометрическая;
г) все предыдущие ответы верны.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции горения ацетилена равна:

а) 13; б) 15; в) 14; г) 12.

3-е задание

Исключите лишнее понятие:

Гидрирование, гидратация, гидрогалогенирование, окисление, галогенирование.

4-е задание

Осуществить превращения:

5-е задание

Решите задачу: Найти молекулярную формулу углеводорода, массовая доля водорода в котором составляет 11,1%. Относительная плотность вещества по воздуху составляет 1,863.

IV вариант

1-е задание

Установите соответствие между понятием и определением:

Определение:

1. Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой двумя двойными связью;
2. Реакция получения высокомолекулярных веществ (полимеров) с выделением побочного продукта (Н 2 О, NH 3);
3. Изомерия, при которой вещества имеют различный порядок связи атомов в молекуле;
4. Реакция, в результате которой из молекулы исходного вещества образуется несколько продуктов;
5. Реакция присоединения воды.

Понятиее:

а) структурная;
б) гидратации;
в) алкадиены;
г) поликонденсации;
д) разложение.

2-е задание

Выполните тест с четырьмя вариантами ответов, из которых только один правильный.

1. Укажите тип изомерии для пары веществ:

а) положения кратной связи;
б) углеродного скелета;
в) положения функциональной группы;
г) геометрическая.

2. Бензол получается из ацетилена реакцией:

а) димеризации;
б) окисления;
в) тримеризации;
г) гидратации.

3. Для алканов характерны реакции:

а) присоединения;
б) замещения;
в) полимеризации;
г) окисления.

4. Как называется углеводород с формулой

а) 4-этилпентадиен-1,4;
б) 2-метилгексадиен-1,4;
в) 4-метилгексадиен-1,5;
г) 2-этилпентадиен-1,4.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции горения метана равна:

а) 7; б) 8; в) 4; г) 6.

3-е задание

Исключите лишнее понятие:

Этан, этанол, этен, этилен, этин.

4-е задание

Осуществить превращения:

5-е задание

Решите задачу: Какой объем воздуха потребуется для полного сгорания 3л. метана. Объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.