Основные химические свойства алканов

Пример решения задачи 1

I. Приведите формулу соединения метилдиизопропилметан. Назовите данное соединение по систематической номенклатуре. Сколько одновалентных (первичных, вторичных, третичных) радикалов можно построить для этого соединения?

 

Решение

Метилдиизопропилметан – название дано по рациональной номенклатуре/

1. Строим основу соединения метан:

2. С основой связано три алкильных заместителя: метил и два изопропила. Присоединяем их к основе:

3. К свободной связи добавляем атом водорода:

 

4. Назовем полученное соединение по систематической номенклатуре:

а) выбираем наиболее длинную углеродную цепь, которая включает пять атомов углерода. Называем алкан, соответствующий главной цепи - пентан;

б) нумеруем углеродную цепь со стороны, где ближе разветвление:

в) перечисляем алкильные заместители, связанные с главной цепью, с указанием номеров (локантов) атомов углерода, при которых они находятся. Одинаковые заместители называем с использованием умножающей приставки три -:

2,3,4-триметилпентан.

5. определяем, сколько углеводородных радикалов можно построить для данного соединения:

а) в данном соединении имеется пять первичных атомов углерода, четыре из которых эквивалентны - образуют один и тот же радикал (один), пятый первичный атом углерода не является эквивалентным остальным и образует второй радикал. Следовательно, для данной молекулы можно построить два первичных радикала:

б) в молекуле имеется еще три третичных атома углерода, два из которых эквивалентны и образуют один третичный радикал; третий третичный углерод - второй третичный радикал. Следовательно, для данной молекулы можно построить два третичных радикала:

Вывод. Для метилдиизопропилметана можно построить четыре различных углеводородных радикала: два первичных и два третичных.

 

II. Приведите формулу соединения 2-фенилбут-1-ен. Назовите его по рациональной номенклатуре. Для данного соединения приведите формулу структурного изомера, отличающегося положением кратной связи.

1. Строим углеродный скелет, который соответствует алкану главной цепи - бутану, и нумеруем атомы углерода:

2. При С-2 ставим заместитель фенил, а после С-1, так как соединение является алкеном, размещаем двойную связь. И добавляем атомы водорода:

3. Называем соединение по рациональной номенклатуре: выделяем основу, характерную для алкенов, - этилен. Перечисляем окружающие основу углеводородные заместители в порядке возрастания их старшинства: этил, фенил. Так как эти заместители находятся при одном атоме углерода основы, то в название добавляем приставку несим. (несимметричный).

 

Соединение называется: несим. этилфенилэтилен.

 

4. Для данного соединения приводим формулу структурного изомера, отличающегося положением кратной связи.

Двойную связь можно поставить при С-2 или при С-3. Например:

III. Назовите соединение по рациональной и системати­ческой номенклатуре.

1. Данное вещество относится к классу алкадиенов. За основу выбирается этилен, связанный с большим числом заместителей.

Называем окружающие основу заместители в порядке увеличения старшинства (см. табл. 2): изобутил, винил. Так как эти заместители находятся при разных атомах углерода основы, то в название добавляем приставку сим. (симметричный).

Соединение называется: сим. изобутилвинилэтилен.

 

2. Называем полученное соединение по систематической номенклатуре:

а) выбираем наиболее длинную углеродную цепь, которая включает семь атомов углерода (гептан), и нумеруем ее со стороны, где ближе находится двойная связь:

б) указываем алкильный заместитель (метил), связанный с главной цепью, и номер атома углерода (С-6), при котором он находится.

в) называем углеродную цепь соответствующим алканом, заменяя суффикс - ан на – диен, с указанием номеров атомов углерода, при которых находятся двойные связи.

Название соединения: 6-метилгепта-1,3-диен.

Пример решения задачи 2

I. Приведите формулу соединения этилпропил- втор -бутил­кар­би­нол. Назовите его по систематической номенклатуре. Для данного соединения приведите формулу структурного изомера, отличающегося положе­нием функциональной группы.

Решение

Этилпропил- втор -бутил­кар­би­нол – название дано по рациональной номенклатуре.

1. Строим основу соединения карбинол:

С основой связано три алкильных заместителя: этил, пропил и втор - бутил. Присоединяем их к основе:

 

2. Называем полученное соединение по систематической номенклатуре:

а) выбираем наиболее длинную углеродную цепь, которая включает семь атомов углерода (гептан). Положение гидроксильной группы одинаковое с обеих сторон углеродной цепи, поэтому нумерацию начинаем с той стороны, где ближе разветвление:

б) перечисляем алкильные заместители, связанные с главной цепью в алфавитном порядке с указанием номеров атомов углерода, при которых они находятся;

в) называем углеродную цепь соответствующим алканом, добавляя суффикс – ол, с указанием номера атома углерода, при котором находится гидроксильная группа.

Название соединения: 3-метил-4-этилгептан-4-ол.

3. Для данного соединения приводим формулу структурного изомера, отличающегося положе­нием функциональной группы:

II. Приведите формулу соединения 2-изопропил-2-метилпен­та­наль. Назовите его по рациональной номенклатуре. Напишите для данного соединения фор­мулу межклассового изомера.

1. Вещество относится к классу альдегидов:

а) строим углеродный скелет, который соответствует алкану главной цепи - пентану. Концевой атом углерода изображаем в виде альдегидной группы. Нумеруем главную цепь, начиная с атома углерода карбонильной группы:

б) при С-2 ставим заместители изопропил и метил, добавляем атомы водорода:

2. Называем соединение по рациональной номенклатуре: выделяем основу, характерную для альдегидов - уксусный альдегид. Перечисляем окружающие основу углеводородные заместители в порядке возрастания их старшинства: метил, пропил, изопропил.

Соединение называется: метилпропилизопропилуксусный альдегид.

3. Приводим формулу межклассового изомера. Для альдегидов межклассовыми изомерами являются кетоны.

III. Назовите соединение по рациональной и систематической номенклатуре.

1. Данное вещество относится к классу ненасыщенных кислот. Выделяем основу, характерную для карбоновых кислот - уксусная кислота.

Называем окружающие основу заместители в порядке увеличения старшинства (см. табл. 2): диметил, винил.

Соединение называется: диметилвинилуксусная кислота.

 

2. Называем соединение по систематической номенклатуре:

а) выбираем главную цепь, которая включает карбоксильную группу и двойную связь. Нумеруем цепь с атома углерода карбоксильной группы:

б) одинаковые алкильные заместители, связанные с главной цепью, перечисляем с учетом умножающей приставки ди -. Указываем номер атома углерода (С-2), при котором они находятся;

в) называем углеродную цепь соответствующим алкеном, добавляя суффикс - овая кислота. Положение двойной связи обозначаем цифрой. Название соединения: 2,2-диметилбут-3-еновая кислота.

Пример решения задачи 3

I. Определите тип гибридизации атомов углерода для соединения

Гибридизованными атомными орбиталями образуются s-связи. Каждая одинарная связь атома углерода - это s-связь. Каждая последующая кратная - p-связь. Поэтому тип гибридизации атомов углерода можно определить по количеству s- и p-связей, которые этот атом образует с другими атомами: sp ³ - 4 s-связи (гибридизуются одна s + три p -орбитали), sp ² - 3 s-связи (гибридизуются одна s + две p -орбитали) и 1 p-связь, sp - 2 s-связи (гибридизуются одна s + одна p -орбиталь) и 2 p-связи.

Для каждого атома углерода определяем количество s- и p-связей и, таким образом, тип гибридизации. Например, атом углерода карбоксильной группы образует 3 s-связи (две с атомами кислорода и одну с атомом углерода) и 1 p-связь (кратная связь между углеродом и кислородом). Следовательно, тип гибридизации этого атома углерода sp ².

II. Учитывая электроотрицательность атомов, выберите наиболее полярную связь для приведенных химических связей. Обозначьте полярность символами (d⁺ и d^–).

Полярность связи – смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому. В периодической системе Д. И. Менделеева электроотрицательность (ЭО) атомов увеличивается в периоде слева направо, а в группе уменьшается сверху вниз. Атом, к которому сместилась электронная плотность, приобретает частичный отрицательный заряд d^–, а атом, от которого сместилась электронное облако, - d⁺. Смещение электронной плотности показываем также изображением связи в виде стрелки, направленной в сторону более электроотрицательного атома:

Связь С-С образуют однородные атомы, поэтому электронная плотность будет расположена симметрично. Наиболее полярной будет та связь, атомы которой обладают большей разницей в электроотрицательностях: C-Cl.

 

Пример решения задачи 4

Определите, какие способы обобществления электронной пары реализуются при образовании следующих соединений и какие типы связей при этом возникают.

Существует два способа обобществления электронной пары при образовании ковалентной связи: коллигация и координация.

Коллигация (простая ковалентная связь) - каждый из атомов, участвующий в образовании связи, предоставляет по одному неспаренному электрону. При образовании такой ковалентной связи формальные заряды атомов остаются неизменными.

Если атомы, образующие простую ковалентную связь, одинаковы, то истинные заряды атомов в молекуле также одинаковы, поскольку атомы в равной степени владеют обобществленной электронной парой. Такая связь называется неполярной ковалентной. Если связь образуется между двумя атомами с различной электроотрицательностью, то она является ковалентной полярной.

Координация (донорно-акцепторная) - оба электрона новой связи предоставляет один из атомов - донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу.

 

Решение

Образуется ковалентная полярная связь С-Cl

Образуется донорно-акцепторная ковалентная связь О-Н и ионная связь между анионом хлора и катионом метилоксония.

 

Пример решения задачи 5

I. Классифицируйте приведенные реагенты (радикал, электрофил, нуклеофил).

 

Приводим классификацию реагентов согласно их определению. Молекулы или частицы, обладающие избытком электронов (анионы и молекулы, содержащие атомы с невалентными электронами), называются нуклеофилами и обозначаются (N). Молекулы или частицы с недостатком электронов (катионы и молекулы, содержащие атомы с вакантными орбиталями), называются электрофилами и обозначаются (Е). Частицы, которые имеют один неспаренный электрон, называются радикалами и обозначаются (R). Классифицируем реагенты в задаче:

II. Укажите тип разрыва для обозначенных парой электронов связей в приведенных соединениях. Напишите и назовите образующиеся частицы.

 

Разрыв ковалентной связи может происходить двумя способами, обратными механизмам ее образования. Разрыв связи, при котором каждый атом получает по одному электрону из общей пары, называется гомолитическим (гомолизом), или радикальным:

В результате гомолитического разрыва образуются сходные по электронному строению частицы, каждая из которых имеет неспаренный электрон. Такие частицы называются свободными радикалами.

Гомолитический разрыв в большей степени характерен для неполярных и слабополярных связей и происходит при воздействии радикальных реагентов.

Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то такой разрыв называется гетеролитическим (гетеролизом), или ионным:

В результате образуются разноименно заряженные ионы - катион и анион. Если заряд иона сосредоточен на атоме углерода, то катион называют карбокатионом, а анион - карбанионом.

Гетеролитический разрыв в большей степени характерен для полярных связей и происходит при воздействии ионных реагентов (электрофилов и нуклеофилов).

В уравнении 1) связь C®Br полярная, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому брома. Разрыв такой связи под воздействием ионного реагента OH^- (N) будет гетеролитическим. В результате образуется новая частица Br^- (N).

В уравнении 2) связь C-H малополярная, поэтому разрыв такой связи под воздействием радикального реагента ^· NO₂ (R) будет гомолитическим. В результате образуется новая частица ^· H (R).

 

Пример решения задачи 6

 

Определите, к какому типу относятся приведенные реакции (замещения, присоединения, элиминирования). Укажите субстрат, реагент, символ реакции.

В реакции 1) субстратом является 2-бромпропан (объект превращения, в котором реакционным центром, подвергающимся атаке, является атом углерода), а реагентом - ионное неорганическое вещество - КСN (атакующее вещество). В результате реакции происходит замещение брома в субстрате на нуклеофил СN^-. Следовательно, протекает реакция нуклеофильного замещения: символ S_{N .}

В реакции 2) субстрат - этилбензол, реагент - молекулярный хлор. В результате реакции происходит замещение водорода в боковой цепи арена на хлор. Реакция протекает при облучении, которое вызывает гомолитический (радикальный) разрыв связей в субстрате и реагенте. Следовательно, представлена реакция радикального замещения: символ S_R.

В реакции 3 происходит присоединение спирта к двойной связи альдегида. Поэтому субстрат - метаналь, реагент - метанол. Водород (протон Н⁺) спирта присоединяется к атому кислорода, а анион СН₃О^- (нуклеофил) - к атому углерода карбонильной группы альдегида (реакционный центр). Так как к реакционному центру присоединяется нуклеофил, то символ реакции A_N - нуклеофильное присоединение.

 

Пример решения задачи 7

Напишите реакции получения триметилметана и 2,2,3,3-тетра­метилбутана из соответствующего алкена, соли карбоновой кислоты и галогенопроизводного углеводорода.

Способы получения алканов

 

1. Из непредельных алифатических углеводородов:

 

2. Из солей карбоновых кислот:

 

а) электролизом (синтез Кольбе) - для получения симметричных алканов:

 

б) декарбоксилированием путем сплавления с твердой щелочью - универсальный способ получения алканов:

 

3. Из галогенопроизводных углеводородов:

 

а) взаимодействием галогеналканов с металлическим натрием (синтез Вюрца) - для получения симметричных алканов:

 

б) восстановление галогеналканов каталитическим гидрированием или иодоводородом (для иодалканов) - универсальный способ получения алканов

 

Решение

Триметилметан - несимметричный алкан, который можно получить:

- из соответствующего алкена:

- сплавлением со щелочью соответствующей соли карбоновой кислоты:

- восстановлением соответствующего галогеналкана:

 

2,2,3,3-Тетра­метилбутан - алкан симметричного строения, который можно получить:

- электролизом соли соответствующей карбоновой кислоты:

- из соответствующего галогеналкана по реакции Вюрца:

 

Из непредельного углеводорода 2,2,3,3-тетра­метилбутан получить невозможно, так как не существует алкенов, алкинов и диенов с соответствующим углеродным скелетом.

 

Пример решения задачи 8

Выполните схему превращений, назовите образующиеся на каждой стадии продукты реакций.

 

Основные химические свойства алканов

Атомы углерода в алканах образуют прочные С-С и С-Н ковалентные связи, все четыре валентных электрона углерода образуют гибридизованные орбитали, которые прочнее негибридизованных. Поэтому для алканов характерен гомолитический разрыв ковалентных C-H или C-C связей. Реакции алканов требуют жестких условий: облучение, высокая температура.

Приводим химические реакции алканов, которые идут с разрывом связи С–Н и относятся к реакциям радикального замещения S_R. Реакции бромирования протекают с высокой селективностью (избирательностью) у третичного атома углерода, требуют нагревания. Хлорирование - процесс малоселективен - требует охлаждения. Образуется смесь изомерных продуктов хлорирования. Нитрование алканов по Коновалову идет главным образом у третичного атома углерода. Реакции сульфохлорирования и сульфирования легче протекают у вторичного атома углерода ввиду пространственных затруднений реагентов.

При выполнении задач, требующих заполнения схемы превращений, не следует отдельно выписывать каждую реакцию и дважды переписывать структурные формулы продуктов, образующихся на промежуточных стадиях схемы. Необходимо только вставить формулы соответствующих веществ вместо букв, указанных в задании, и назвать получаемые вещества.

Если в реакции возможно образование смеси изомеров, достаточно привести структурную формулу только одного из них. Другой изомер так же, как и выделяющиеся в результате реакций неорганические вещества, нужно подписать под стрелкой в схеме превращений со знаком «–». Ниже представлен пример выполнения данного задания:

 

Пример решения задачи 9

Получите 2-метилпент-1-ен дегидрогалогенированием соответствующего галогенопроизводного углеводорода, дегидратацией соответствующего спирта и дегалогенированием соответствующего дигалогенопроизводного.

 

Способы получения алкенов

Правило Зайцева. Отщепление галогеноводорода или воды происходит от двух соседних атомов углерода, причем водород преимущественно отщепляется от соседнего атома углерода с меньшим числом атомов водорода (наименее гидрогенизированного).

 

1. Дегидрогалогенирование галогенопроизводных алканов – водород отщепляется по правилу Зайцева:

2. Дегидратация спиртов – водород отщепляется по правилу Зайцева. Кроме оксида алюминия в качестве водоотнимающего средства могут использоваться серная или фосфорная кислоты при 150-200°С.

3. Дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов:

Решение

Приводим реакцию получения 2-метилпент-1-ена:

- из соответствующего галогеналкана:

- из соответствующего спирта:

- из соответствующего дигалогеналкана:

Пример решения задачи 10

Выполните схему превращений, назовите образующиеся на каждой стадии продукты реакций.

 

123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: