Ациклические (алифатические) соединения (стр. 2 )

  (I)

  СН3

(I)  Р(IV)  (II)  (III)  (I)

СН3 – С – CH2 – CH – СН3

  (I)Р  (I)Р

  СН3  СН3

Изомерия – явление существования веществ, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул, а, следовательно, и свойствами.

Для класса алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, которая зависит от порядка соединения углеродных атомов в углеродной цепи.

Чтобы определить количество изомеров углеродного скелета обычно поступают так:

Зная число углеродных атомов в молекуле углеводорода, записывают ее углеродный скелет (углеродную цепь). Например, для молекулы гексана (С6Н14) углеродная цепь выглядит так:

С – С – С – С – С – С

Далее отщепляем один углеродный атом и располагаем его у оставшихся в цепи углеродных атомов (у первого и последнего углеродных атомов ответвление не ставим, т. к. в результате получим тот же углеводород, с изогнутой цепью углеродных атомов):

С – С – С – С – С

  Р

  С

Таким образом, цепь углеродных атомов становится разветвленной.

Если есть возможность, ответвление переносим к другому углеродному атому, на столько, на сколько это возможно:

С – С – С – С – С

  Р

  С

Затем главная цепь сокращается еще на один углеродный атом, и располагаться они могут рядом, через один или несколько углеродных атомов (если это возможно), или у одного углеродного атома одновременно:

С – С – С – С

  Р  Р

  С  С

  С

  Р 

С – С – С – С

  Р

  С

Соблюдая условия о четырехвалентности углеродных атомов, заполняют оставшиеся валентности атомами водорода: СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3

  н-гексан

СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3

  Р

  СН3

  2-метилпентан

  (изогексан)

СН3 – СН2 – СН – СН2 – СН3

  Р

  СН3

  3-метилпентан

СН3– СН – СН – СН3

  Р  Р

  СН3  СН3

  2,3-диметилбутан

  СН3

  Р 

СН3 – С – СН2 – СН3

  Р

  СН3

  2,2-диметилбутан

Таким образом, приведенные изомеры, имеют одинаковый состав и различаются между собой химическим строением, т. е. являются структурными изомерами.

Первым представителем, имеющим изомеры, является бутан (С4Н10), которому соответствуют два изомера.

Один изомер имеет неразветвленное строение углеродных атомов (прямую цепь): СН3 – СН2 – СН2 – СН3,

  н-бутан

  (t кип. = – 0,5о С)

а другой изомер имеет разветвленное строение:

СН3 – СН – СН3

  Р 

  СН3

  изобутан

  (2-метилпропан)

  (t кип. = – 11,4о С)

Изомеры обладают сходными химическими свойствами и различными физическими.

Получение алканов

4.1.        Промышленные способы получения

Выделение углеводородов из природного сырья

К природным источникам относятся нефть, каменный уголь, природный газ.

Газообразные алканы выделяют из природного и попутных нефтяных газов, а жидкие и твердые – из нефти.

Основным компонентом природного газа является метан (≈ 98 %), который используется непосредственно или подвергается переработке. Нефть, извлеченная из недр земли, также подвергается переработке, например, крекингу.

Крекинг нефтепродуктов – процесс термического или каталитического расщепления молекул углеводородов, содержащихся в нефти, приводящий к образованию углеводородов с меньшим числом углеродных атомов в молекуле.

Различают три типа крекинга: термический, каталитический и гидрокрекинг.

Термический крекинг проводят при температуре 400-550о С и давлении
4-6 МПа. Термическому крекингу обычно подвергают высококипящие нефтяные фракции, например, мазут. Углеводороды с большой молекулярной массой, входящие в состав этих фракций, под влиянием высокой температуры
(в отсутствие кислорода воздуха) превращаются в более ценные продукты – низшие предельные и непредельные углеводороды с более низкой молекулярной массой.

Общая схема термического крекинга имеет вид:

В качестве примера приведем строение продуктов, которые могут образовываться при крекинге бутана, в зависимости от исходного углеводорода и условий проведения крекинга:

СН3 – СН2 – СН2 – СН3   н-бутан	СН3 – СН3 + СН2 = СН2   этан  этилен
СН3 – СН = СН2 + СН4   пропен  метан
СН2 = СН – СН2 – СН3 + СН3 – СН = СН – СН3 + 2Н2   бутен-1  бутен-2
СН2 = СН – СН = СН2 + 2Н2   бутадиен-1,3
СН3 – СН3 + СН4 + С   этан  метан  сажа
2СН ≡ СН + 3Н2 ацетилен

Крекинг протекает по свободно-радикальному механизму. Под действием высокой температуры молекулы углеводородов  распадаются на свободные радикалы, которые за свою короткую «жизнь» (тысячные доли секунды) успевают осуществить различные химические превращения. В результате образуются новые углеводороды – предельные и непредельные. Например:

R — —  CH2 – CH2 – R   R— + R – CH2 – CH2—

  углеводород  радикалы

2R – CH2 – CH2— " R – CH = CH2 + R – CH2 – CH3

  алкен  алкан

R — —  CH2 – CH2— " R— + СН2 = СН2

  этилен

R— + —R " R – R

  алкан

Образовавшиеся углеводороды также участвуют в процессе крекинга, разлагаясь на предельные и непредельные углеводороды с еще более короткими углеводородными цепями.

При термическом крекинге образуются низкомолекулярные алканы и алкены линейного строения.

Каталитический крекинг протекает в присутствии катализаторов, в качестве которых используются природные алюмосиликаты состава nAl2O3·mSiO2. Каталитическому крекингу подвергают дизельную фракцию. При этом происходит не только разрыв углеродных цепей в молекуле, но и процессы изомеризации – превращение неразветвленных углеводородов в углеводороды разветвленного строения.

При каталитическом крекинге образуется смесь жидких и газообразных продуктов. Газы каталитического крекинга содержат предельные и непредельные углеводороды.

Каталитический крекинг – более прогрессивный метод переработки нефтепродуктов. Он характеризуется более быстрым превращением сырья в конечные продукты, чем термический.

При каталитическом крекинге образуются низкомолекулярные алканы и алкены разветвленного строения.

Гидрокрекинг протекает при температуре 450-500о С в атмосфере водорода, и в результате гидрокрекинга образуются только алканы (образующиеся алкены в атмосфере водорода гидрируются до алканов).

Изомеризация

Реакция изомеризации – реакция, в результате которой углеводороды нормального строения под влиянием катализатора (AlCl3), при нагревании
(t = 450о С) превращаются в углеводороды разветвленного строения.

CН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3    н-пентан	СН3 – СН – СН2 – СН3   Р           СН3   2-метилбутан
СН3   Р  СН3 – С – СН3   Р   СН3 2,2-диметилпропан

Гидрирование угля

Гидрирование угля идет при высоких температурах, давлении, в присутствии катализаторов, с образованием алканов по общей схеме:

3C + 4Н2 C3H8

  пропан

Из смеси оксида углерода (II) и водорода (синтез-газ)

(t = 2000C, kt: Co или Ni)

Общая схема реакции имеет вид:

nСО + (2n+1)Н2 CnH2n+2  + nH2O

  синтез-газ  алкан

5СО + 11Н2 С5Н12 + 5Н2О

синтез-газ  пентан

4.2.        Лабораторные методы получения

Гидрирование непредельных углеводородов (присоединение молекул водорода)

Гидрирование непредельных углеводородов: алкенов и алкинов происходит в присутствие катализаторов (Pt, Pd, Ni):

СН3 – СН = СН2 + Н2 СН3 – СН2 – СН3

  пропен  пропан

СН3 – С ≡ СН + 2Н2 СН3 – СН2 – СН3