- Абиологические углеводороды
- Безопасность
- Биоремедиация
- Воздействие на окружающую среду
- Замена
- Использование
- Источник
- Классы углеводородов
- Необработанные формулы
- Номенклатура
- Окисление
- По природе
- По происхождению
- Применение углеводородов
- Примечания и ссылки
- Реакции
- Реакции сложения
- Рекомендации
- Свободнорадикальные реакции
- Свойства углеводородов
- Углеводороды – himi4ka
- Характеристики
Абиологические углеводороды
Считается, что небольшая часть углеводородов, обнаруженных на Земле, абиологический.[20]
Некоторые углеводороды также широко распространены и широко представлены в Солнечная система. Озера жидкого метана и этана обнаружены на Титан, Сатурнсамая большая луна, подтвержденная Миссия Кассини-Гюйгенса.[21] Углеводороды также широко распространены в туманностях, образующих полициклический ароматический углеводород (ПАУ) соединения.[22]
Безопасность
Углеводороды, как правило, обладают низкой токсичностью, поэтому широко используется бензин и связанные с ним летучие продукты. Ароматические соединения, такие как бензол являются наркотическими и хроническими токсинами и являются канцерогенный.
Биоремедиация
Биовосстановление углеводородов из загрязненной почвы или воды представляет собой серьезную проблему из-за химической инертности, которая характерна для углеводородов (следовательно, они выжили в материнской породе миллионы лет). Тем не менее, было разработано множество стратегий, в том числе биоремедиация.
Основная проблема биоремедиации — нехватка действующих на них ферментов. Тем не менее, этот район регулярно привлекает внимание.[23]Бактерии в габбровый слой коры океана могут разлагать углеводороды; но экстремальные условия затрудняют исследования.[24] Другие бактерии, такие как Lutibacterium anuloederans может также разлагать углеводороды.[25]Mycoremediation или разрушение углеводорода мицелий и грибы возможно.[26][27]
Воздействие на окружающую среду
Сжигание углеводородов в качестве топлива, которое производит углекислый газ и воды, является основным источником антропогенного глобальное потепление. Углеводороды попадают в окружающую среду в результате их широкого использования в качестве топлива и химикатов, а также в результате утечек или случайных разливов во время разведки, добычи, переработки или транспортировки ископаемого топлива.
Когда почва загрязнена углеводородами, это может оказать значительное влияние на ее микробиологические, химические и физические свойства. Это может служить для предотвращения, замедления или даже ускорения роста растительности в зависимости от конкретных происходящих изменений.
Замена
Из классов углеводородов ароматические соединения однозначно (или почти так) подвергаются реакциям замещения. Примером может служить химический процесс, применяемый в самых крупных масштабах: реакция бензола и этилена с образованием этилбензол.
Использование
Преимущественно углеводороды используются в качестве горючих веществ. топливо источник. Метан — преобладающий компонент природного газа. C6 через C10 алканы, алкены и изомерные циклоалканы являются главными компонентами бензин, нафта, реактивное топливо и специализированные промышленные смеси растворителей.
С постепенным добавлением углеродных единиц простые углеводороды без кольца имеют более высокую вязкости, смазочные показатели, температуры кипения, затвердевание температуры и более глубокий цвет. На противоположной стороне от метана лежит тяжелый смолы которые остаются наименьшая фракция в сырой нефти очистка возразить.
Некоторые крупномасштабные нетопливные применения углеводородов начинаются с этана и пропана, которые получают из нефти и природного газа. Эти два газа превращаются либо в синтез-газ.[6] или чтобы этилен и пропилен.[7][8] Эти два алкена являются предшественниками полимеров, в том числе полиэтилен, полистирол, акрилаты,[9][10][11] полипропилен и др.
Еще один класс специальных углеводородов — BTX, смесь бензол, толуол, а три изомеры ксилола.[12] Мировое потребление бензола оценивается более чем в 40 000 000 тонн (2009 г.).[13]
Углеводороды также широко распространены в природе. Некоторые общественные членистоногие, такие как бразильская пчела без жала, Schwarziana quadripunctataиспользуйте уникальные углеводородные «запахи», чтобы отличить родственников от других.
Также существует потенциал для сбора углеводородов с таких растений, как Молочай lathyri и Молочай тирукалли как альтернативный и возобновляемый источник энергии для автомобилей, использующих дизельное топливо.[15] Более того, эндофитный Бактерии из растений, которые естественным образом производят углеводороды, использовались для разложения углеводородов в попытках снизить концентрацию углеводородов в загрязненных почвах.[16]
Источник
Подавляющее большинство углеводородов, обнаруженных на земной шар происходить в нефть, каменный уголь, и природный газ. Нефть (буквально «каменная нефть» — сокращенно бензин) и уголь обычно считаются продуктами разложения органических веществ.
В отличие от нефти, это уголь, который богаче углеродом и беднее водородом. Природный газ — это продукт метаногенез.[18][19]
Нефть состоит из безграничного разнообразия соединений, отсюда и необходимость нефтеперерабатывающих заводов. Эти углеводороды состоят из насыщенных углеводородов, ароматических углеводородов или их комбинации. В нефти отсутствуют алкены и алкины. Их производство требует нефтеперерабатывающих заводов.
Углеводороды нефтяного происхождения в основном используются в качестве топлива, но они также являются источником практически всех синтетических органических соединений, включая пластмассы и фармацевтические препараты. Природный газ потребляется почти исключительно в качестве топлива. Уголь используется в качестве топлива и восстановителя в металлургия.
Классы углеводородов
Ациклические углеводороды подразделяются на насыщенные (алифатические), содержащие только простые связи (метан и его гомологи), и ненасыщенные, в молекулах которых содержатся кратные связи — двойные и тройные (например, одна двойная связь — олефиновые углеводороды, две — диеновые, одна тройная — ацетиленовые); наличие кратных связей обусловливает способность углеводородов этих гомологических рядов к реакциям присоединения и полимеризации.
Изоциклические углеводороды подразделяются на алициклические и ароматические с кольцеобразной структурой из 6 углеродных атомов (бензольное кольцо). Известны моноциклические (бензол и его гомологи) и полициклические углеводороды, содержащие 1-2 и более бензольных колец (например, нафталин, перилен и др.).
Ароматические полициклические структуры свойственны гумусовым разностям органического вещества и количество их возрастает по мере метаморфизма, с приближением структуры органического вещества к структуре графитовой решётки.
Необработанные формулы
Линейные или разветвленные насыщенные углеводороды имеют следующую неочищенную формулу: C n H (2 n 2), где n — ненулевое натуральное число . Пример: молекула метана, один атом углерода:
Циклические предельные углеводороды имеют другую химическую формулу. Это зависит от количества циклов, содержащихся в молекуле. Если есть только один цикл: C n H 2 n. Если их два:
C n H (2 n -2). На каждый цикл требуется на одну пару атомов водорода меньше.
Общая грубая формула: C n H (2 ( n — c ) 2), « C » — натуральное число циклов.
Линейные или разветвленные ненасыщенные углеводороды имеют молекулярную формулу: C n H (2 ( n — i ) 2), где n — ненулевое натуральное число, а i — целое число ненасыщенности.
Циклические ненасыщенные углеводороды имеют следующую формулу: C n H (2 ( n — i — c ) 2), где n — ненулевое натуральное число, i — натуральное число ненасыщенности, c — натуральное число циклов.
Номенклатура
Радикальный по количеству атомов углерода
| Количество атомов углерода | Радикальный | Количество атомов углерода | Радикальный |
|---|---|---|---|
| 1 | мет- | 2 | эт- |
| 3 | опора | 4 | Цель- |
| 5 | пент- | 6 | шестнадцатеричный |
| 7 | гепт- | 8 | Октябрь- |
| 9 | нет- | 10 | Декабрь |
| 11 | undec- | 12 | додек- |
| 13 | тридек- | 14 | тетрадек- |
| 15 | пентадек- | 16 | шестнадцатеричный |
| 17 | гептадек | 18 | октодек |
| 19 | неадек- | 20 | Эйкос- |
| 21 год | heneicos- | 22 | докос- |
| 23 | трико | 24 | тетракос |
| 25 | пентакос- | 26 год | гексакос- |
| 27 | гептакос- | 28 год | октаки |
| 29 | нонакос- | 30 | триакон- |
| 31 год | Хентриакон- | 32 | Дотриакон- |
Окисление
Углеводороды в настоящее время являются основным источником мирового электроэнергия и источники тепла (например, домашнее отопление) из-за энергии, производимой при их сжигании.[17] Часто эта энергия используется непосредственно в качестве тепла, например, в домашних обогревателях, которые используют либо нефть или же натуральный газ.
Общие свойства углеводородов заключаются в том, что они производят пар, углекислый газ и тепло во время горение и это кислород требуется для сгорания. Самый простой углеводород, метан, горит следующим образом:
- CH4 2 O2 → 2 H2O CO2 энергия
При недостаточной подаче воздуха, монооксид углерода газ и водяной пар формируются:
- 2 канала4 3 O2 → 2 СО 4 Н2О
Другой пример — возгорание пропан:
- C3ЧАС8 5 O2 → 4 H2O 3 CO2 энергия
И наконец, для любого линейный алкан из n атомов углерода,
- CпЧАС2п 2 3п 1/2 О2 → (п 1) H2O п CO2 энергия.
Частичное окисление характеризует реакции алкенов и кислорода. Этот процесс лежит в основе прогоркание и сушка краски.
По природе
По их характеру мы различаем:
Кроме того, есть несколько возможных последовательностей:
По происхождению
По их происхождению мы различаем:
- эти углеводороды биогенный «свежий» (газ из анаэробного сбраживания современного натуральный или промышленный);
- на обычные углеводороды ( нефть и природный газ , как действовала в своих «водоемах» Геологическое до 2000 — х годов), высокое качество для промышленности , но становится все более редкими , как быть чрезмерно ;
- эти нетрадиционные углеводороды из коренных пород , которые являются формами ископаемого углерода :
Последние три из этих углеводородов фактически образуют континуум (все более низкого качества с промышленной и экологической точки зрения).
Применение углеводородов
Углеводороды, добываемые из нефтяных, газовых и газоконденсатных, угольных месторождений и месторождений горючих сланцев, используются в топливной, химической, лёгкой, пищевой и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве.
Примечания и ссылки
- (in) Сборник химической терминологии « Углеводороды » [« Золотая книга »], IUPAC 1997, исправленная онлайн-версия (2006-), 2- е изд. : « Соединения, состоящие только из углерода и водорода. «
- (fr en) Ив Матье, «Последняя информация о ресурсах углеводородов — 1 — Жидкие углеводороды» [PDF] , IFP Énergies nouvelles , 2009.
- (fr en) Ив Матье, «Последняя информация о ресурсах углеводородов — 2 — Природный газ» [PDF] , IFP Énergies nouvelles , 2009.
- Э. Мартин, « Озера Титана, как если бы вы были там » , на cieletespace.fr ,2022(по состоянию на 30 октября 2022 г. ) .
- (in) Команда «Новые горизонты Плутона» находит дымку, поток льда на Плутоне , на pluto.jpuapl.edu ,24 июля 2022 г..
- Vially Р. Maisonnier Г. и Т. Rouaud, основой Углеводороды — Inventory [PDF] , IFP Energies Nouvelles , отчет МЭП п о 62729, 22 января 2022: см схему на рисунке 1.7, стр. 15 , и § 1.2.3 «Углеводороды в материнской породе», с. 16 .
Реакции
Примечательной особенностью углеводородов является их инертность, особенно для насыщенных членов. В противном случае можно выделить три основных типа реакций:
Реакции сложения
Реакции присоединения относятся к алкенам и алкинам. В этой реакции различные реагенты добавляют «поперек» пи-связи (ей). Хлор, хлористый водород, воды, и водород являются иллюстративными реагентами. Алкенес и некоторые алкины также подвергаются полимеризация, метатезис алкенов, и метатезис алкинов.
Рекомендации
- ^ абcdежЗильберберг, Мартин (2004). Химия: молекулярная природа материи и изменений. Нью-Йорк: компании McGraw-Hill. ISBN 0-07-310169-9.
- ^Золотая книга ИЮПАК гидрокарбильные группыВ архиве 7 января 2022 г. Wayback Machine
- ^Девульф, Джо. «Углеводороды в атмосфере»(PDF). Получено 26 октября 2020.
- ^Мейерхенрих, Уве. Аминокислоты и асимметрия жизниВ архиве 2 марта 2022 г. Wayback Machine. Спрингер, 2008. ISBN 978-3-540-76885-2
- ^Барнс, И. «ТРОПОСФЕРНАЯ ХИМИЯ И СОСТАВ (Ароматические углеводороды)». Получено 26 октября 2020.
- ^Лю, Шэнлинь; Сюн, Госин; Ян, Вэйшэн; Сюй, Лунья (1 июля 2000 г.). «Частичное окисление этана в синтез-газ на металлических катализаторах на носителе». Кинетика реакций и буквы катализа. 70 (2): 311–317. Дои:10.1023 / А: 1010397001697. ISSN 1588-2837. S2CID 91569579.
- ^Ге, Мэн; Чен, Синъе; Ли, Яньонг; Ван, Цзямен; Сюй, Яньхун; Чжан, Лихонг (1 июня 2020 г.). «Катализатор на основе кобальта на основе перовскита для каталитического дегидрирования пропана». Кинетика, механизмы и катализ реакции.. 130 (1): 241–256. Дои:10.1007 / s11144-020-01779-8. ISSN 1878-5204. S2CID 218496057.
- ^Ли, Цянь; Ян, Гонгбин; Ван, Канг; Ван, Ситао (2020). «Приготовление гранул оксида алюминия, легированного углеродом, и их применение в качестве носителей для Pt – Sn – K катализаторов дегидрирования пропана». Кинетика, механизмы и катализ реакции.. 129 (2): 805–817. Дои:10.1007 / s11144-020-01753-4. S2CID 212406355.
- ^Науманн д’Алнонкур, Рауль; Чепеи, Ленард-Иштван; Хэвекер, Майкл; Girgsdies, Франк; Schuster, Manfred E .; Шлёгль, Роберт; Траншке, Аннетт (2022). «Реакционная сеть при окислении пропана на фазово-чистых оксидных катализаторах MoVTeNb M1». Дж. Катал. 311: 369–385. Дои:10.1016 / j.jcat.2022.12.008. HDL:11858 / 00-001M-0000-0014-F434-5.
- ^Хэвекер, Майкл; Врабец, Сабина; Крёнерт, Ютта; Чепеи, Ленард-Иштван; Науманн д’Алнонкур, Рауль; Коленько, Юрий В .; Girgsdies, Франк; Шлёгль, Роберт; Траншке, Аннетт (2022). «Химия поверхности фазово-чистого оксида M1 MoVTeNb при работе с селективным окислением пропана до акриловой кислоты». Дж. Катал. 285: 48–60. Дои:10.1016 / j.jcat.2022.09.012. HDL:11858 / 00-001M-0000-0012-1BEB-F.
- ^Кинетические исследования окисления пропана на смешанных оксидных катализаторах на основе Mo и V(PDF). ТУ Берлин. 2022 г.
- ^Ли, Гуйсянь; Ву, Чао; Джи, Донг; Донг, Пэн; Чжан, Юнфу; Ян, Юн (1 апреля 2020 г.). «Кислотность и каталитические свойства двух форм-селективных катализаторов HZSM-5 для алкилирования толуола метанолом». Кинетика, механизмы и катализ реакции.. 129 (2): 963–974. Дои:10.1007 / s11144-020-01732-9. ISSN 1878-5204. S2CID 213601465.
- ^Будущее бензола и пара-ксилола после беспрецедентного роста в 2022 годуВ архиве 2022-10-05 на Wayback Machine. Из отчета ChemSystems за 2022 год.
- ^Nunes, T.M .; Turatti, I.C.C .; Mateus, S .; Nascimento, F.S .; Lopes, N.P .; Zucchi, R. (2009). «Кутикулярные углеводороды у безжальной пчелы Schwarziana quadripunctata (Hymenoptera, Apidae, Meliponini): различия между колониями, кастами и возрастом»(PDF). Генетика и молекулярные исследования. 8 (2): 589–595. Дои:10.4238 / vol8-2kerr012. PMID 19551647. В архиве(PDF) из оригинала 26 сентября 2022 г.
- ^Кальвин, Мелвин. «Углеводороды растений: аналитические методы и наблюдения». Получено 26 октября 2020.
- ^Павлик, Малгожата. «Потенциал разложения углеводородов и стимулирующая рост растений активность культивируемых эндофитных бактерий Lotus corniculatus и Oenothera biennis с длительно загрязненного участка». Получено 26 октября 2020.
- ^Мировой уголь, уголь и электроэнергияВ архиве 22 октября 2022 г. Wayback Machine. Всемирная угольная ассоциация
- ^Clayden, J., Greeves, N., et al. (2001) Органическая химия Оксфорд ISBN 0-19-850346-6 п. 21 год
- ^Макмерри, Дж. (2000). Органическая химия 5-е изд. Брукс / Коул: обучение Томсона. ISBN 0-495-11837-0 стр. 75–81
- ^Sephton, M. A .; Хазен, Р. М. (2022). «О происхождении глубинных углеводородов». Обзоры по минералогии и геохимии. 75 (1): 449–465. Bibcode:2022РвМГ … 75..449С. Дои:10.2138 / RMG.2022.75.14.
- ^Космический корабль НАСА Кассини раскрывает подсказки о Луне СатурнаВ архиве 2 сентября 2022 г. Wayback Machine. НАСА (12 декабря 2022 г.)
- ^Guzman-Ramirez, L .; Lagadec, E .; Jones, D .; Zijlstra, A. A .; Гесицки, К. (2022). «Образование ПАУ в богатых кислородом планетарных туманностях». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 441 (1): 364–377. arXiv:1403.1856. Bibcode:2022МНРАС.441..364Г. Дои:10.1093 / mnras / stu454. S2CID 118540862.
- ^Лим, Ми Вэй; Lau, Ee Von; Пох, Пайк Еонг (2022). «Комплексное руководство по технологиям реабилитации нефтезагрязненных почв — настоящие работы и будущие направления». Бюллетень загрязнения морской среды. 109 (1): 14–45. Дои:10.1016 / j.marpolbul.2022.04.023. PMID 27267117.
- ^Мейсон О.Ю., Накагава Т., Рознер М., Ван Ностранд Д.Д., Чжоу Дж., Маруяма А., Фиск М.Р., Джованнони С.Дж. (2022). «Первое исследование микробиологии самого глубокого слоя океанской коры». PLOS ONE. 5 (11): e15399. Bibcode:2022PLoSO … 515399M. Дои:10.1371 / journal.pone.0015399. ЧВК 2974637. PMID 21079766.
- ^Якимов, М. М .; Тиммис, К. Н .; Голышин П. Н. (2007). «Облигатные морские бактерии, разлагающие нефть». Curr. Мнение. Биотехнология. 18 (3): 257–266. CiteSeerX 10.1.1.475.3300. Дои:10.1016 / j.copbio.2007.04.006. PMID 17493798.
- ^Стамец, Пол (2008). «6 способов, которыми грибы могут спасти мир»(видео). TED Talk. В архиве из оригинала 31 октября 2022 г.
- ^Стамец, Пол (2005). «Mycoremediation». Бегущий мицелий: как грибы могут помочь спасти мир. Десятискоростной пресс. п.86. ISBN 9781580085793.
- ^«Микробное разложение алканов (доступна загрузка PDF-файла)». ResearchGate. В архиве из оригинала 24 февраля 2022 г.. Получено 23 февраля 2022.
- ^«Присадки, влияющие на микробную деградацию углеводородов нефти», Биоремедиация загрязненных почв, CRC Press, стр. 353–360, 9 июня 2000 г., Дои:10.1201/9781482270235-27, ISBN 978-0-429-07804-0
Свободнорадикальные реакции
Реакции замещения происходят только в насыщенных углеводородах (одинарные углерод-углеродные связи). Для таких реакций требуются высокореакционные реагенты, такие как хлор и фтор. В случае хлорирования один из атомов хлора замещает атом водорода. Реакции протекают через свободнорадикальные пути.
- CH4 Cl2 → CH3Cl HCl
- CH3Cl Cl2 → CH2Cl2 HCl
вплоть до CCl4 (четыреххлористый углерод)
- C2ЧАС6 Cl2 → С2ЧАС5Cl HCl
- C2ЧАС4Cl2 Cl2 → С2ЧАС3Cl3 HCl
полностью до C2Cl6 (гексахлорэтан)
Свойства углеводородов
Углеводороды образуют гомологические ряды. Члены гомологического ряда характеризуются закономерным изменением химических и физических свойств, общей формулой и сходной структурой. В природе углеводороды встречаются в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.
В рассеянном виде присутствуют в атмосфере, воде, горных породах (см. Кероген), в концентрированном виде в залежах (см. Нефтяная залежь, Газовая залежь, Газогидратная залежь).
В зависимости от строения различают ациклические (или алифатические) углеводороды, в молекулах которых атомы С связаны друг с другом в линейные или разветвлённые цепи, и изоциклические (или карбоциклические) углеводороды, молекулы которых имеют кольцеобразное строение (циклическое) и состоят из трёх и более атомов С.
Углеводороды – himi4ka
Углеводородами называют органические вещества, состоящие только из углерода и водорода. По составу их классифицируют на насыщенные и ненасыщенные, по строению — на алифатические, циклические и ароматические.
Алканами называют предельные алифатические углеводороды, отвечающие общей формуле CnH2n 2, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) σ-связью.
Для алканов характерна изомерия углеродного скелета.
Способы получения алканов. Как правило, алканы получают из природного сырья, однако известно большое число синтетических методов их получения. Это реакции гидрирования алкенов и алкинов, декарбоксилирование натриевых или калиевых солей карбоновых кислот, восстановление йодалканов йодоводородом, реакция Вюрца:
Для алканов характерны реакции замещения, которые идут при нагревании или УФ-облучении. При этом происходит разрыв связи C—H с последующей заменой атома водорода на другой атом или группу атомов или же разрыв молекулы по связи C—С.
Большинство реакций алканов протекают по механизму радикального замещения SR. В этих реакциях реакционная способность атомов водорода убывает в ряду: третичные > вторичные > первичные.
Ниже приведены уравнения химических реакций, характерных для алканов.
1. Галогенирование:
Реакция идет на свету или при температуре 250— 400 °С.
Реакционная способность галогенов в этой реакции уменьшается в ряду F2 > Cl2 > Br2 > I2.
Реакции замещения в алканах протекают по радикальному механизму. При этом легче всего происходит замещение атома водорода, связанного с третичным углеродным атомом, затем — со вторичным и наконец — с первичным. Это объясняют значением энергии связей C–H, имеющих величину для первичной около 419 кДж/моль, вторичной — 393,6 кДж/моль и третичной — 372,6 кДж/ моль.
Наиболее широко известны реакции галогенирования алканов. Эти реакции идут на свету или при нагревании в присутствии инициаторов радикальных реакций. Рассмотрим механизм реакции на примере хлорирования метана.
На первой стадии этой реакции происходит распад молекулы хлора на два свободных радикала:
Cl:Cl → 2Cl• — зарождение, или инициирование цепи. Затем начинается рост цепи, связанный с взаимодействием свободного радикала с молекулой метана, что приводит к образованию новых радикалов:
Реакция заканчивается обрывом цепи, который наступает в результате взаимодействия между собой свободных радикалов:
Механизм реакции галогенирования был установлен академиком Н.Н. Семеновым.
2. Нитрование:
3. Термические превращения:
4. Окисление:
Каталитическое окисление бутана приводит к уксусной кислоте, а горение в кислороде — к углекислому газу и воде:
5. Дегидрирование:
Реакции дегидрирования (отщепления водорода) протекают по разным направлениям:
Изомеризация:
Крекинг:
Реакции циклизации и ароматизации:
Последние две реакции идут при температурах 450–500 °С с использованием в качестве катализаторов оксидов хрома или алюминия.
Алициклическими называют углеводороды, которые содержат один или несколько циклов неароматического характера. По своим свойствам они схожи с соответствующими соединениями алифатического ряда. Термин «алициклические» означает «алифатические циклические» углеводороды. Несмотря на большое сходство между алифатическими и алициклическими соединениями, у последних имеются некоторые специфические свойства, обусловленные их циклической структурой. Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n.
Иногда циклоалканы называют нафтенами, т. к. производные циклопентана и циклогексана содержатся в некоторых сортах нефти.
Для гомологов и производных циклоалканов возможны следующие виды изомерии: изомерия, связанная с размером цикла, например, циклобутан является изомером метилциклопропана; изомерия положений заместителей в цикле; изомерия боковых цепей.
Циклопентан, циклогексан и их производные широко распространены в природе и составляют основную часть некоторых сортов нефти.
Низшие циклы синтезируют циклизацией дигалоидпроизводных, например:
Циклобутан и циклопентан получают циклизацией 1,4-дибромбутана и 1,5-дибромпентана под действием амальгамы лития. Циклогексан и его производные получают из нефти или гидрированием бензола и его производных.
Химические свойства циклоалканов во многом определяются размерами цикла. Наибольшей химической стойкостью обладают пяти- и шестичленные циклы. Циклопропан склонен к многочисленным реакциям раскрытия цикла.
Гидрирование циклопропана и циклобутана идет над никелевым катализатором при температуре 80 и 120 °С соответственно. При этом образуются пропан и бутан.
Циклопропановый цикл легко раскрывают при бромировании или гидробромировании, например:
В аналогичных условиях углеводороды от циклобутана до циклогексана вступают в реакции замещения:
Циклопропан используют в качестве анестезирующего средства. Циклогексан используют как растворитель. Окислением циклогексана получают циклогексанол C6H11OH, циклогексанон C6H10O и адиптиновую кислоту HOOC(CH2)4COOH. Циклогексанон является промежуточным продуктом при получении полиамидного волокна — капрона.
Алкенами, или олефинами, называют алифатические непредельные углеводороды, молекулы которых отвечают общей формуле CnH2n и имеют в своем составе одну двойную связь C=C. Родоначальником этого класса органических соединений является этилен CH2=CH2. Для алкенов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратной связи, геометрическая изомерия, а также межклассовая изомерия с циклоалканами.
Способы получения алкенов. Этилен, пропилен и бутилены выделяют из газов нефтепереработки, образующихся при термическом крекинге. Алкены также образуются в большом количестве при пиролизе нефти.
Промышленным способом получения алкенов является дегидрирование алканов на катализаторе (K2O—Cr2O3—Al2O3), при температуре 560—620 °C из н-бутана образуются изомерные бутены. Еще легче этот процесс идет в случае изобутана:
Алкены получают дегидратацией спиртов при катализе серной или фосфорной кислотами, оксидом алюминия или хлоридом цинка:
При дегидратации спиртов атом водорода наиболее легко отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода (правило Зайцева):
Алкены образуются при действии на галоидные алкилы спиртовой или измельченной твердой щелочи. Эта реакция дегидрогалогенирования также идет по правилу Зайцева:
Алкены можно получить обработкой цинковым или магниевым порошком вицинальных дигалоидалканов:
Алкены вступают в реакции соединения по двойной связи. Они протекают по механизму электрофильного присоединения, или AE. Присоединение галогеноводородов и воды к несимметричным алкенам идет по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному, т. е. связанному с наибольшим числом водородных атомов, атому углерода. По легкости присоединения к алкенам галогеноводороды можно расположить в ряд: HI > HBr > HCl > HF.
Ниже приведены реакции алкенов на примере этена и пропена:
Этен:
Реакция гидратации катализируется кислотами.
Пропен:
Реакция алкилирования протекает между алканами и алкенами в присутствии катализаторов:
Кроме реакций соединения для алкенов возможны отдельные реакции замещения, которые протекают по радикальному механизму, а также реакции разложения:
C позиции электронной теории правило Марковникова объясняют так: под действием метильного радикала в молекуле пропилена происходит перераспределение электронной плотности электронного облака π-связи в сторону крайнего ненасыщенного атома углерода, в результате чего на атомах углерода, связанных двойной связью, возникают частичные заряды:
При взаимодействии такой молекулы с галогенводородом присоединение положительно заряженного иона водорода идет по атому углерода с частичным отрицательным зарядом, а отрицательно заряженного галогенидиона — по атому углерода с частичным положительным зарядом.
Другое объяснение правила Марковникова следующее. В результате электрофильного присоединения возможно образование двух различных карбокатионов: из-за положительного индуктивного эффекта двух метильных групп карбокатион 1 более стабилен, чем карбокатион 2.
Таким образом, реакции электрофильного присоединения по двойной связи идут в направлении образования наиболее устойчивого промежуточного карбокатиона.
Существуют исключения из правила Марковникова. Это присоединение бромоводорода к алкенам в присутствии органических пероксидов или кислорода. В этом случае из пропена и бромоводорода образуется 1-бромпропан (перекисный эффект Хараша). Подчеркнем особо: перекисный эффект имеет место только в случае реакции алкенов с бромоводородом. При присоединении к алкенам HCl, H2O, HI пероксиды не влияют на направление реакции, и она идет по правилу Марковникова.
Диеновыми углеводородами называют класс химических соединений, молекулы которых отвечают общей формуле CnH2n–2 и содержат в своем составе две двойные углерод-углеродные связи. Для диенов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратных связей, геометрическая изомерия, а также межклассовая изомерия с ацетиленовыми углеводородами.
Способы получения диенов. Дивинил и изопрен выделяют из продуктов пиролиза нефти. Основным промышленным способом получения бутадиена-1,3 является дегидрирование бутан-бутеновой смеси над катализатором, состоящим из окиси хрома, нанесенной на окись алюминия.
Метод получения дивинила по С.В. Лебедеву заключается в дегидрировании-дегидратации этилового спирта над катализатором MoO — ZnO при 450 °С.
Диены, у которых двойные связи разделены более чем одной одинарной связью, в химическом отношении ведут себя подобно алкенам.
Диены, у которых двойные связи разделены одной простой связью, называют конъюгированными или сопряженными диенами. Эти соединения обладают специфическими химическими свойствами и имеют важное практическое значение.
Своеобразные химические свойства диенов проявляются в реакциях присоединения, которые идут не только по одной или двум отдельным двойным связям (1,2-присоединение), но и по противоположным концам молекулы (1,4-присоединение). Выход продуктов 1,2- или 1,4-присоединения определяется характером реагента и условиями реакции.
При низких температурах преобладают продукты 1,2-присоединения, при повышенных — 1,4-присоединения.
Полное бромирование бутадиена-1,3 приведет к 1,2,3,4-тетрабромбутану:
Неполное гидрирование диенов приводит к смеси алкенов, а при полном образуются алканы:
Окисление сопряженных диенов, в зависимости от используемого окислителя и условий проведения реакции, может протекать с образованием различных кислородсодержащих соединений. При частичном окислении в нейтральной среде образуется щавелевая кислота, а действие перманганата калия в кислой среде при нагревании приведет к полному окислению диена до углекислого газа и воды.
Полимеризация диенов:
Ацетиленовыми углеводородами, или алкинами, называют класс органических соединений, которые соответствуют общей формуле CnH2n–2 и содержат в молекуле одну тройную связь. Родоначальником этого класса соединений является ацетилен, или этин, — HC≡CH. Для ацетиленовых углеводородов характерна изомерия углеродной цепи, изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия с диеновыми углеводородами.
Общим методом получения алкинов является реакция спиртовых растворов щелочи с дигалоидалканами, содержащими два атома галогена при одном атоме углерода или двух соседних атомах углерода:
Производные ацетилена можно получить, действуя на его металлические производные галоидными алкилами:
Ацетилен получают действием воды на карбид кальция:
Кроме того, ацетилен получают термолизом метана и дегидрированием этилена:
Для алкинов характерны реакции соединения и некоторые реакции замещения, которые приведены ниже на примере ацетилена и пропина. Катализаторами для реакций гидрирования алкинов являются Pd или PbO. Следует отметить, что реакции галогенирования и гидрогалогенирования алкинов идут медленнее, чем с алкенами.
Ацетилен:
Реакция Кучерова:
Реакции винилирования:
Реакции ди- и тримеризации:
Реакции замещения:
Реакции окисления:
Пропин:
Тримеризация:
Ароматическими углеводородами, или аренами, называют класс химических соединений, который отвечает общей формуле CnH2n–6 и имеет в своем составе устойчивую циклическую группировку (бензольное кольцо), обладающую особыми химическими свойствами.
Получение ароматических углеводородов. Основным природным источником ароматических углеводородов является нефть. Для получения гомологов бензола разработаны многочисленные синтетические методы.
Некоторые сорта нефти содержат достаточное количество ароматических углеводородов, которые выделяют простой перегонкой, пиролизом или каталитическим крекингом.
Синтетические методы — это ароматизация алканов, алкилирование бензола и т.д.
Так, например, бензол можно получить реакцией декарбоксилирования бензоата натрия или калия:
Для ароматических углеводородов наиболее характерны реакции замещения и некоторые реакции присоединения.
Как правило, все реакции замещения в ароматических соединениях протекают по электрофильному механизму SE. К таким реакциям относятся реакции алкилирования, галогенирования, нитрования, сульфирования, ацилирования и другие. Характерные химические свойства бензола:
Гидрирование бензола до циклогексана идет при повышенной температуре, в присутствие катализатора (никель, платина), а хлорирование до гексахлорциклогексана — в газовой фазе под ультрафиолетовым излучением.
В молекуле толуола проявляется взаимное влияние метильного радикала на ароматическое ядро и ароматического ядра на метильный радикал. Толуол вступает в реакции замещения легче, чем бензол. При этом метильная группа ориентирует вхождение заместителей в орто— и пара-положения:
Галогенирование атомов водорода боковой цепи:
Окисление метильного радикала сильными окислителями, в зависимости от среды реакции, идет по разным направлениям:
В ходе реакций окисления алкилбензолов происходит окисление боковой цепи, а бензольное кольцо изменений не претерпевает:
Исключением являются третбутильные группы, связанные с бензольным кольцом — бензольное кольцо окисляется легче, чем эти группы.
При окислении жирноароматических соединений, содержащих ненасыщенные радикалы, соблюдаются общие закономерности, например:
Этилбензол вступает в реакцию дегидрирования с образованием стирола:
Реакция протекает с высоким (92%) выходом при катализе оксидом цинка при температуре 600–650 °С.
Стирол легко вступает в реакции по двойной связи и в реакции полимеризации и сополимеризации:
Свойства бутадиен-стирольных каучуков зависят от их состава. На их основе изготавливают шины и другие резинотехнические изделия.
Характеристики
- Чем более разветвлена углеродная цепь углеводорода, тем ниже температуры кипения и плавления.
- Плотность углеводородов переменная:
- 0,63 < d жидких алканов <0,77;
- 0,77 < d алканы твердые <0,90.
