Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции органични съединенияне може да се сведе до предложената класификация (например реакции на горене). Такава класификация обаче ще помогне да се установят аналогии с вече познатите ви реакции, които се случват между неорганични вещества.

По правило се нарича основното органично съединение, участващо в реакцията субстрат, а другият компонент на реакцията условно се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакции на заместване- това са реакции, които водят до заместване на един атом или група от атоми в изходната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения като алкани, циклоалкани или арени. Нека дадем примери за такива реакции.

Под действието на светлината водородните атоми в молекулата на метана могат да бъдат заменени с халогенни атоми, например с хлорни атоми:

Друг пример за заместване на водород с халоген е превръщането на бензен в бромобензен:

Уравнението за тази реакция може да бъде написано по различен начин:

При тази форма на запис над стрелката се изписват реагентите, катализаторът, реакционните условия, а под нея - неорганичните реакционни продукти.

В резултат на реакциите заместванията в органичните вещества се образуват не прости и сложни вещества, както в органична химия, и две сложни вещества.

Реакции на присъединяване

Реакции на присъединяванеса реакции, при които две или повече молекули от реагенти се комбинират в една.

Ненаситените съединения, като алкени или алкини, влизат в реакции на присъединяване. В зависимост от това коя молекула действа като реагент, се разграничават реакции на хидрогениране (или редукция), халогениране, хидрохалогениране, хидратиране и други реакции на присъединяване. Всеки от тях изисква определени условия.

1.Хидрогениране- реакцията на добавяне на водородна молекула към множествена връзка:

2. Хидрохалогениране- реакция на добавяне на халогеноводород (хидрохлориране):

3. Халогениране- реакция на присъединяване на халоген:

4.Полимеризация - специален типреакции на присъединяване, по време на които молекули на вещество с малък молекулно теглосе свързват помежду си, за да образуват молекули на вещество с много високо молекулно тегло - макромолекули.

Реакциите на полимеризация са процеси на комбиниране на много молекули от вещество с ниско молекулно тегло (мономер) в големи молекули (макромолекули) на полимер.

Пример за реакция на полимеризация е производството на полиетилен от етилен (етен) под действието на ултравиолетова радиацияи инициатор на радикална полимеризация R.

Най-характерната за органичните съединения ковалентна връзка се образува чрез припокриване атомни орбиталии образование електронни двойки. В резултат на това се образува орбитала, обща за два атома, на която е разположена обща електронна двойка. Когато връзката е прекъсната, съдбата на тези общи електрони може да бъде различна.

Видове реактивни частици

Орбитала с несдвоен електрон, принадлежаща на един атом, може да се припокрива с орбитала на друг атом, който също съдържа несдвоен електрон. Това е мястото, където се провежда образованието ковалентна връзкаспоред обменния механизъм:

Обменният механизъм за образуване на ковалентна връзка се осъществява, ако се образува обща електронна двойка от несдвоени електрони, принадлежащи на различни атоми.

Процесът, противоположен на образуването на ковалентна връзка чрез обменния механизъм, е разкъсване на връзката, при което един електрон () отива към всеки атом. В резултат на това се образуват две незаредени частици с несдвоени електрони:

Такива частици се наричат ​​свободни радикали.

свободни радикали- атоми или групи от атоми с несдвоени електрони.

Свободни радикални реакцииса реакции, протичащи под действието и с участието на свободните радикали.

Знам неорганична химиятова са реакции на взаимодействие на водород с кислород, халогени, реакции на горене. Реакциите от този тип се характеризират с висока скорост, освобождаване Голям бройтоплина.

Ковалентна връзка може да се образува и чрез донорно-акцепторния механизъм. Една от орбиталите на атом (или анион), която съдържа неподелена електронна двойка, се припокрива с незапълнена орбитала на друг атом (или катион), който има незапълнена орбитала, и се образува ковалентна връзка, например:

Разкъсването на ковалентна връзка води до образуването на положително и отрицателно заредени частици (); тъй като в този случайи двата електрона от обща електронна двойка остават с един от атомите, другият атом получава незапълнена орбитала:

Обмисли електролитна дисоциациякиселини:

Може лесно да се предположи, че частица, която има неподелена електронна двойка R: -, т.е. отрицателно зареден йон, ще бъде привлечена от положително заредени атоми или от атоми, върху които има поне частичен или ефективен положителен заряд.
Частиците с неподелени електронни двойки се наричат нуклеофилни агенти (ядро- "ядро", положително заредената част от атома), тоест "приятелите" на ядрото, положителен заряд.

Нуклеофили(не) - аниони или молекули, които имат несподелена двойка електрони, взаимодействащи с областите на молекулите, върху които е концентриран ефективният положителен заряд.

Примери за нуклеофили: Cl - (хлориден йон), OH - (хидроксиден анион), CH 3 O - (метоксиден анион), CH 3 COO - (ацетатен анион).

Частиците, които имат незапълнена орбитала, напротив, ще се стремят да я запълнят и следователно ще бъдат привлечени от областите на молекулите, които имат повишена електронна плътност, отрицателен заряд и несподелена електронна двойка. Те са електрофили, "приятели" на електрона, отрицателен зарядили частици с повишена електронна плътност.

електрофили- катиони или молекули, които имат незапълнена електронна орбитала, стремящи се да я запълнят с електрони, тъй като това води до по-благоприятна електронна конфигурацияатом.

Не всяка частица е електрофил с празна орбитала. Например катиони алкални металиимат конфигурацията на инертни газове и не са склонни да придобиват електрони, тъй като имат ниска електронен афинитет.
От това можем да заключим, че въпреки наличието на незапълнена орбитала, такива частици няма да бъдат електрофили.

Основни механизми на реакция

Има три основни типа реагиращи частици - свободни радикали, електрофили, нуклеофили - и три съответни типа реакционен механизъм:

• свободен радикал;
• електрофилен;
• нулофилен.

В допълнение към класифицирането на реакциите според вида на реагиращите частици, органичната химия разграничава четири вида реакции според принципа на промяна на състава на молекулите: добавяне, заместване, елиминиране или елиминиране (от англ. да се елиминирам- изтриване, разделяне) и прегрупиране. Тъй като добавянето и заместването могат да възникнат под действието на трите вида реактивни видове, няколко майорреакционни механизми.

В допълнение, помислете за реакциите на разцепване или елиминиране, които протичат под въздействието на нуклеофилни частици - бази.
6. Елиминиране:

Отличителна черта на алкените ( ненаситени въглеводороди) е способността да влиза в реакции на добавяне. Повечето от тези реакции протичат по механизма на електрофилно присъединяване.

Хидрохалогениране (добавяне на халоген водород):

Когато халогеноводород се добави към алкен водород се добавя към повече хидрогениран въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече атоми водород, а халоген - към по-малко хидрогенирани.

Водородът в периодичната таблица се намира под номер едно, едновременно в групи I и VII. Символът за водород е Н (лат. Hydrogenium). Това е много лек газ без цвят и мирис. Има три изотопа на водорода: 1H - протий, 2H - деутерий и 3H - тритий (радиоактивен). Въздухът или кислородът в реакция с обикновен водород H₂ е силно запалим и също експлозивен. Водородът не отделя токсични продукти. Разтворим е в етанол и редица метали (особено страничната подгрупа).

Разпространението на водорода на Земята

Подобно на кислорода, водородът е от голямо значение. Но, за разлика от кислорода, почти целият водород присъства подвързана формас други вещества. В свободно състояние той е само в атмосферата, но количеството му там е изключително нищожно. Водородът е съставна част на почти всички органични съединения и живи организми. Най-често се среща под формата на оксид - вода.

Физикохимични свойства

Водородът не е активен и при нагряване или в присъствието на катализатори реагира с почти всички прости и сложни химични елементи.

Реакцията на водород с прости химични елементи

При повишени температури водородът реагира с кислород, сяра, хлор и азот. ще научите какви експерименти с газове можете да правите у дома.

Опит във взаимодействието на водород с кислород в лаборатория

Да вземем чист водород, който влиза през газоотвеждащата тръба, и го подпалете. Ще гори с едва забележим пламък. Ако поставите водородна тръба в съд, той ще продължи да гори и по стените ще се образуват капки вода. Този кислород реагира с водород:

2H₂ + O₂ = 2H2O + Q

Когато водородът се изгаря, се генерира много топлинна енергия. Температурата на комбинацията от кислород и водород достига 2000 °C. Кислородът окислява водорода, така че тази реакция се нарича реакция на окисление.

AT нормални условия(без нагряване) реакцията протича бавно. И при температури над 550 ° C възниква експлозия (образува се така нареченият експлозивен газ). В миналото водородът често е бил използван в балони, но поради образуването на експлозивен газ е имало много бедствия. Целостта на топката беше нарушена и настъпи експлозия: водородът реагира с кислорода. Затова сега се използва хелий, който периодично се нагрява от пламък.

Хлорът реагира с водорода и образува хлороводород (само в присъствието на светлина и топлина). Химическата реакция на водород и хлор изглежда така:

H2 + Cl2 = 2HCl

Интересен факт: реакцията на флуор с водород предизвиква експлозия дори на тъмно и при температури под 0 ° C.

Взаимодействието на азот с водород може да се случи само при нагряване и в присъствието на катализатор. Тази реакция произвежда амоняк. Уравнение на реакцията:

ЗН₂ + N₂ = 2НН3

Реакцията на сяра и водород протича с образуването на газ - сероводород. В резултат на това се усеща миризмата на развалени яйца:

H₂ + S = H2S

В металите водородът не само се разтваря, но и може да реагира с тях. В резултат на това се образуват съединения, които се наричат ​​хидриди. Някои хидриди се използват като гориво в ракети. Те също произвеждат ядрена енергия.

Реакция със сложни химични елементи

Например водород с меден оксид. Вземете епруветка с водород и я прекарайте през прах от меден оксид. Цялата реакция протича при нагряване. Черният меден прах ще стане кафяво-червен (цветът на обикновената мед). Капчици течност ще се появят и върху незагрятите части на колбата - това се е образувало.

Химическа реакция:

CuO + H₂ = Cu + H2O

Както можете да видите, водородът реагира с оксид и редуцира медта.

Реакции на възстановяване

Ако дадено вещество отнеме оксид по време на реакцията, то е редуциращ агент. На примера на реакцията на меден оксид с виждаме, че водородът е редуциращият агент. Той също така реагира с някои други оксиди като HgO, MoO₃ и PbO. При всяка реакция, ако един от елементите е окислител, другият ще бъде редуциращ агент.

Всички водородни съединения

Съединения на водорода с неметали- силно летливи и отровни газове (напр. сероводород, силан, метан).

ХалогеноводородиНай-често се използва хлороводород. При разтваряне се образува солна киселина. Тази група включва още: флуороводород, йодоводород и бромоводород. Всички тези съединения образуват в резултат на това съответните киселини.

Водороден прекис (химична формулаН₂О₂) проявява най-силни окислителни свойства.

Водородни хидроксидиили вода H₂O.

хидридиса съединения с метали.

Хидроксидиса киселини, основи и други съединения, които съдържат водород.

органични съединения: протеини, мазнини, липиди, хормони и др.

Какъв е механизмът на реакциите на присъединяване с алкени?

1. Поради електроните на π-връзката в молекулите на алкените има област с повишена електронна плътност (облак от π-електрони над и под равнината на молекулата):

Следователно, двойната връзка има тенденция да бъде атакувана от електрофилен (с дефицит на електрони) реагент. В този случай ще настъпи хетеролитично разцепване на π-връзката и реакцията ще продължи йоннимеханизъм като електрофилно добавяне.

2. От друга страна, π-връзката въглерод-въглерод, тъй като е неполярна, може да бъде разкъсана хомолитично и тогава реакцията ще протече според радикаленмеханизъм.

Механизмът на добавяне зависи от условията на реакцията.

В допълнение, алкените се характеризират с реакции изомеризацияиокисляване (включително реакция парене, характерни за всички въглеводороди).

Реакции на присъединяване към алкени.

Хидрогениране (добавяне на водород)

Алкените взаимодействат с водорода при нагряване и при повишено налягане в присъствието на катализатори (Pt, Pd, Ni и др.), за да образуват алкани:

Хидрогенирането на алкени е обратната реакция на дехидрогенирането на алкени. Според принципа на Le Chatelier, хидрогенирането се благоприятства от повишено налягане, тъй като тази реакция е придружена от намаляване на обема на системата.

Добавянето на водород към въглеродните атоми в алкените води до намаляване на степента на тяхното окисление:

Следователно хидрогенирането на алкени се нарича редукционни реакции. Тази реакция се използва в промишлеността за производство на високооктаново гориво.

Халогениране (добавяне на халогени)

Добавянето на халогени към двойната връзка C=C става лесно при нормални условия (при стайна температура, без катализатор). Например, бързото обезцветяване на червено-кафявия цвят на разтвор на бром във вода (бромна вода) служи качествена реакцияза наличието на двойна връзка:

Добавянето на хлор е още по-лесно:

Тези реакции протичат по механизма на електрофилно присъединяване с разкъсване на хетеролитична връзка в халогенната молекула.

При нагряване до 500 °C е възможно радикално заместване на водородния атом при въглеродния атом, съседен на двойната връзка:

Хидрохалогениране (добавяне на халогеноводороди)

Реакцията протича по механизма на електрофилно присъединяване с хетеролитично разцепване на връзката.
CH 2 \u003d CH 2 + HCl CH 3 -CH 2 Cl
Посоката на реакцията на добавяне на халогеноводороди към алкени с асиметрична структура (например към пропилен CH 2 =CH–CH 3 ) се определя от правилото на Марковников:

В допълнителни реакции на полярни молекули от HX тип към несиметрични алкени, водородът се добавя към по-хидрогенирания въглероден атом при двойната връзка (т.е. въглеродният атом, свързан с най-големия брой водородни атоми).

И така, при реакцията на HCl с пропилен, от два възможни структурни изомера на 1-хлоропропан и 2-хлорпропан, последният се образува:

Трябва да се отбележи, че правилото на Марковников в класическата му формулировка се спазва само за електрофилни реакции на самите алкени. В случай на някои производни на алкени или при промяна на механизма, реакциите са в разрез с правилото на Марковников.

Хидратация(водна връзка)

Хидратацията се осъществява в присъствието на минерални киселини по механизма на електрофилно присъединяване:

При реакциите на несиметрични алкени се спазва правилото на Марковников.

Полимеризация- реакцията на образуване на съединение с високо молекулно тегло (полимер) чрез последователно добавяне на молекули на вещество с ниско молекулно тегло (мономер) съгласно схемата:

нМ М н

Номер нвъв формулата на полимера ( М н) се нарича степен на полимеризация. Реакциите на полимеризация на алкените се дължат на добавянето на множество връзки:

Получаване на алкени

В природата алкените се срещат в много по-малка степен от наситените въглеводороди, очевидно поради тяхната висока реактивност. Следователно те се получават чрез различни реакции.

I. Крекинг на алкани:

Например:

II. Отцепване (елиминиране) на два атома или групи от атоми от съседни въглеродни атоми с образуване на -връзка между тях.

Дехидрохалогениране на халоалкани под действието на алкохолен разтвор на алкали

Дехидратация на алкохоли при повишени температури (над 140 C) в присъствието на водоотстраняващи агенти

Елиминационните реакции протичат съгласно правилоЗайцев:
Елиминирането на водороден атом в реакциите на дехидрохалогениране и дехидратация се извършва предимно от най-малко хидрогенирания въглероден атом.

Съвременна формулировка: реакциите на разцепване протичат с образуването на повече заместени алкени при двойната връзка.
Такива алкени имат по-ниска енергия.

Дехалогениране на дихалоалкани с халогенни атоми при съседни въглеродни атоми под действието на активни метали:

Дехидрогениране на алкани при 500С:

Приложение на алкени

Алкените се използват като суровини при производството на полимерни материали (пластмаси, каучук, филми) и други органични вещества.

Етилен(етен) H 2 C \u003d CH 2 се използва за получаване на полиетилен, политетрафлуоретилен (тефлон), етилов алкохол, ацеталдехид, халогенни производни и много други органични съединения.

Използва се като средство за ускорено узряване на плодовете.

Пропилен(пропен) H 2 C \u003d CH 2 -CH 3 и бутилени(бутен-1 и бутен-2) се използват за производство на алкохоли и полимери.

Изобутилен(2-метилпропен) H 2 C \u003d C (CH 3) 2 се използва при производството на синтетичен каучук.

Какви въглеводороди се наричат ​​алкени?

Какво е обща формулаалкени?

Какъв тип хибридизация имат алкените?

Какви са химичните свойства на алкените?

Защо алкените се използват като изходен материал за производството на HMC?

Каква е същността на правилото на Марковников?

Какви методи за получаване на алкени знаете?

Какъв е механизмът на реакцията на присъединяване в алкените?

Как се променят физични свойствав хомоложната серия на алкените?

Къде се използват алкените?

Лекция № 17: Алкадиени. Структура. Имоти. Каучук.

Алкадиени (диени)- ненаситени алифатни въглеводороди, чиито молекули съдържат две двойни връзки.
Обща формула на алкадиени ОТ н з 2n-2 .

Свойствата на алкадиените до голяма степен зависят от взаимното разположение на двойните връзки в техните молекули. На тази основа се разграничават три вида двойни връзки в диените.

1. Изолираните двойни връзки са разделени във верига от две или повече σ-връзки:

CH 2 =CH–CH 2 –CH=CH 2

Разделени от sp 3 въглеродни атоми, такива двойни връзки не пречат една на друга взаимно влияниеи влизат в същите реакции като двойната връзка в алкените. По този начин алкадиените от този тип проявяват химични свойства, характерни за алкените.

2. Кумулираните двойни връзки са разположени при един въглероден атом:

CH 2 =С=СН 2 (алън)

Такива диени (алени) принадлежат към доста рядък тип съединения.

3. Конюгираните двойни връзки са разделени от една σ-връзка:

CH 2 =CH–CH=CH 2

Конюгираните диени представляват най-голям интерес. Те се различават по характерни свойства, дължащи се на електронната структура на молекулите, а именно непрекъсната последователност от 4 sp 2 въглеродни атома.

Отделни представители на тези диени се използват широко в производството на синтетичен каучук и различни органични вещества.

Според правилата на IUPAC основната верига на алкадиенова молекула трябва да съдържа и двете двойни връзки. Номерирането на въглеродните атоми във веригата се извършва така, че двойните връзки да получават най-малките числа. Имената на алкадиените произлизат от имената на съответните алкани (с еднакъв брой въглеродни атоми), в които последната буква е заменена с края –диен.

Местоположението на двойните връзки е посочено в края на името, а заместителите - в началото на името.

Например:

Името "дивинил" идва от името на радикала –CH=CH 2 "винил".

Изомерия на спрегнати диени

Структурна изомерия

1. Изомеризъм на позицията на спрегнатите двойни връзки:

2. Изомерия на въглеродния скелет:

3. Междукласова изомерия с алкини и циклоалкени.

Например формулата ОТ 4 з 6 отговарят на следните връзки:

Пространствена изомерия

Диените, имащи различни заместители при въглеродните атоми при двойните връзки, като алкени, показват цис-транс изомерия.

Освен това е възможно въртене по σ-връзката, разделяща двойните връзки, което води до ротационни изомери. Някои химични реакции на спрегнати диени са селективни само с определен ротационен изомер.

Свойства на спрегнати алкадиени

С най-голямо практическо значение са дивинил или бутадиен-1,3 (лесно втечняващ се газ, т.к. = -4,5 C) и изопрен или 2-метилбутадиен-1,3 (течност с т.к. = 34 C).

Диеновите въглеводороди са химически подобни на алкените. Те лесно се окисляват и влизат в присъединителни реакции. Въпреки това, спрегнатите диени се различават по някои характеристики, които се дължат на делокализацията (разпръскването) на π-електроните.

Молекула бутадиен-1,3 CH 2 =СН-СН=СН 2 съдържа четири въглеродни атома в sp2 хибридизирано състояние и има плоска структура.

π-електроните на двойните връзки образуват единичен π-електронен облак (спрегната система) и се делокализират между всички въглеродни атоми.

Редът на връзката (броят споделени електронни двойки) между въглеродните атоми е междинен между 1 и 2, т.е. Няма чисто единични и чисто двойни връзки. Структурата на бутадиена се отразява по-точно от формулата с делокализирани връзки.

Молекулите на изопрен са конструирани по подобен начин:

Образуване на единичен π-електронен облак, покриващ 4 въглеродни атома:

води до възможността за закрепване на реагента в краищата на тази система, т.е. до С1 и С4 атоми. Следователно дивинилът и изопренът, заедно с добавянето на 1 mol от реагента при една от двойните връзки (1,2- или 3,4-), влизат в реакции на 1,4-добавяне. Съотношението на 1,2- и 1,4-присъединителните продукти зависи от условията на реакцията (с повишаване на температурата вероятността от 1,4-добавяне обикновено се увеличава).

Полимеризация на спрегнати диени. каучуци

Дивинил и изопрен влизат в полимеризация и съполимеризация (т.е. съвместна полимеризация) с други ненаситени съединения, образувайки каучуци. Каучуците са еластични високомолекулни материали (еластомерите), от които чрез вулканизация (нагряване със сяра) се получава каучук.

естествен каучук- естествен високомолекулен ненаситен въглеводород със състав (C 5 H 8) n, където n е 1000-3000 единици. Установено е, че този полимер се състои от повтарящи се единици на 1,4-цис-изопрен и има стереоправилна структура:

В естествени условия естественият каучук се образува не чрез полимеризация на изопрен, а по друг, по-сложен метод.

Полимеризацията на 1,3-диените може да протича или чрез 1,4-присъединителен тип, или чрез смесен 1,2- и 1,4-присъединителен тип. Посоката на добавяне зависи от реакционните условия.

Първият синтетичен каучук, получен по метода на S.V. Лебедев по време на полимеризацията на дивинил под действието на метален натрий, беше полимер с неправилна структура с смесен типвръзки 1,2- и 1,4-приставка:

В присъствието на органични пероксиди (радикална полимеризация) също се образува неправилен полимер с 1,2- и 1,4-присъединителни звена. Гумите с неправилна структура се характеризират с ниско качество по време на работа. Селективното 1,4-добавяне възниква при използване на органометални катализатори (например бутиллитий C 4 H 9 Li, който не само инициира полимеризация, но и координира по определен начин в пространството прикрепените диенови молекули):

По този начин се получава стереорегулярен 1,4-цис-полиизопрен, синтетичен аналог на естествения каучук. Този процес протича като йонна полимеризация.

За практическа употреба гумите се превръщат в каучук. Каучук -това е вулканизиран каучук с пълнител (сажди). Същността на процеса на вулканизация е, че нагряването на смес от каучук и сяра води до образуването на триизмерна мрежеста структура от линейни макромолекули на каучук, което му придава повишена здравина. Серните атоми са прикрепени към двойните връзки на макромолекулите и образуват омрежващи дисулфидни мостове между тях:

Мрежестият полимер е по-издръжлив и проявява повишена еластичност - висока еластичност (капацитет за големи обратими деформации).

В зависимост от количеството на омрежващия агент (сяра) е възможно да се получат мрежи с различни честоти на омрежване. Изключително омреженият естествен каучук - ебонит - няма еластичност и е твърд материал.

Получаване на алкадиени

Общите методи за получаване на диени са подобни на методите за получаване на алкени.

1. Каталитично двустепенно дехидрогениране на алкани (през етапа на образуване на алкени). По този начин дивинилът се получава в промишлеността от бутан, съдържащ се в газовете от рафиниране на нефт и свързаните с него газове:

Изопренът се получава чрез каталитично дехидрогениране на изопентан (2-метилбутан):

2. Синтез на дивинил според Лебедев:

3. Дехидратация на гликоли (дивалентни алкохоли или алкандиоли):

4. Действието на алкохолен разтвор на алкали върху дихалоалкани (дехидрохалогениране):

Въпроси за коригиране на темата:

Какви въглеводороди се наричат ​​диени?

Какви видове изомерия се наблюдават при алкадиените?

Какви са химичните свойства на диеновите въглеводороди?

Как могат да се получат алкадиени?

Какъв тип хибридизация е типичен за алкадиените?

Какво е гума?

Какво е гума?

Какво определя физичните свойства на алкадиените?

Какви химични свойства на алкадиените са подобни на какво?

Лекция No18: Алкини. Структура, свойства, приложение.

Алкини (ацетиленови въглеводороди)- ненаситени алифатни въглеводороди, чиито молекули съдържат тройна връзка C≡C.

Обща формула за алкини с една тройна връзка ОТ н з 2n-2 .

Тройната връзка C≡C се осъществява от 6 общи електрона:

Въглеродните атоми участват в образуването на такава връзка в sp-хибридизирано състояние. Всеки от тях има по две sp- хибридни орбитали, насочени една към друга под ъгъл 180, и две нехибридни Р-орбитали, разположени под ъгъл 90° една спрямо друга и спрямо sp- хибридни орбитали:

Структурата на тройната връзка C≡C

Тройната връзка е комбинация от една σ- и две π-връзки, образувани от две spхибридизирани атоми. σ-връзката възниква с аксиално припокриване sp-хибридни орбитали на съседни въглеродни атоми; една от π връзките се образува чрез странично припокриване Ру-орбитали, другата - със странично припокриване Р z-орбитали. Образуването на връзки с помощта на примера на ацетиленова молекула H–C≡C–H може да бъде представено като диаграма:

C≡C σ-връзка (припокриване 2 sp-2sp);
π връзка (2 Ру-2 Р y);
π връзка (2 Р z-2 Р z);
C–H σ-връзка (припокриване 2 sp-AO въглерод и 1 с-AO на водород).

π-връзките са разположени във взаимно перпендикулярни равнини:

образувани σ-връзки sp-хибридни орбитали на въглерода, разположени на една права линия (под ъгъл 180 една спрямо друга). Следователно молекулата на ацетилена има линейна структура:

Алкинна номенклатура

Според систематичната номенклатура имената на ацетиленовите въглеводороди се получават от имената на съответните алкани (със същия брой въглеродни атоми) чрез заместване на наставката – ан на – в :

2 С атома → етан → ет в ; 3 C атома → пропан → проп в и т.н.

Основната верига е избрана така, че задължително да включва тройна връзка (т.е. може да не е най-дългата).

Номерирането на въглеродните атоми започва от края на веригата, който е най-близо до тройната връзка. Числото, показващо позицията на тройната връзка, обикновено се поставя след наставката – в . Например:

За най-простите алкени се използват и исторически установени имена: ацетилен(етин), алилен(пропин), кротонилен(бутин-1), валерилен(пентин-1).

В номенклатурата на различни класове органични съединения най-често се използват следните едновалентни алкинови радикали:

Алкинова изомерия

Структурна изомерия

Изомерия на позицията на тройната връзка (започвайки от C 4 H 6):

Изомерия на въглеродния скелет (започвайки от C 5 H 8):

Междукласова изомерия с алкадиени и циклоалкени, като се започне от C 4 H 6:

Пространствената изомерия по отношение на тройната връзка не се появява в алкините, т.к заместителите могат да бъдат разположени само по един начин - по комуникационната линия.

Свойства на алкините

физични свойства.Точките на кипене и топене на ацетиленовите въглеводороди се увеличават с увеличаване на молекулното тегло. При нормални условия алкините C 2 H 2 -C 4 H 6 са газове, C 5 H 8 -C 16 H 30 са течности и C 17 H 32 са твърди вещества. Точките на кипене и топене на алкините са по-високи от тези на съответните алкени.

Физични свойства на алкини и алкени

Алкините са слабо разтворими във вода, по-добре в органични разтворители.

Химични свойства.

Реакции на присъединяване към алкини

1. Хидрогениране

В присъствието на метални катализатори (Pt, Ni), алкините добавят водород, за да образуват алкени (първата π-връзка се разкъсва), а след това и алкани (втората π-връзка се разкъсва):

Когато се използва по-малко активен катализатор, хидрогенирането спира на етапа на образуване на алкен.

2. Халогениране

Електрофилното добавяне на халогени към алкините протича по-бавно, отколкото при алкените (първата π-връзка е по-трудна за разрушаване от втората):

Алкините обезцветяват бромна вода(качествен отговор).

Обяснителна бележка (6)

Обяснителна бележка

обяснителен бележкаТази програма е предназначена да...

Обяснителна бележка (7)

Обяснителна бележка

ПОЯСНИТЕЛНА БЕЛЕЖКА Лабораторна работанещо е...

Страница 1

Реакциите на присъединяване на водород са обратими.

Реакцията на добавяне на водород към двойна или тройна връзка въглерод-въглерод се катализира от много вещества. Започнете индустриално приложениеТози каталитичен процес е иницииран във Франция от работата на Sabatier, който изучава хидрогенирането в парна фаза при умерено налягане, и в Русия от Ипатиев, който работи върху хидрогенирането на течности при високо налягане.

Реакцията на добавяне на водород към ненаситени съединения се нарича хидрогениране или хидрогениране.

Реакциите на добавяне на водород, полимеризация и кондензация, придружени от образуването на една молекула с по-голямо молекулно тегло от две или повече молекули, протичат с отделяне на топлина. Отрицателният топлинен ефект на реакциите на разлагане показва, че те са предпочитани високи температури; дълбочината на екзотермичните реакции нараства с понижаване на температурата. По този начин, колкото по-селективно протича процесът, толкова по-висок е неговият общ топлинен ефект, който в този случай не се влияе от други реакции, които протичат паралелно и понякога имат топлинен ефект с противоположен знак.

Реакцията на присъединяване на водород към двойната връзка на етилена в присъствието на различни метални катализатори, от които най-активни са никел, платина, родий и паладий, е сред най-изследваните експериментално. Очевидно поради тази причина учените не могат да стигнат до консенсус по отношение на интимния му механизъм на повърхността на катализатора. Необходимо ли е едновременно активиране на водородната молекула и ако да, как става това? Дали всички катализиращи повърхности работят на един и същи принцип или всеки от металите избира механизма, който му подхожда най-добре. Както винаги в такива случаи, академичните средисе разделя на няколко групи според броя на алтернативните механизми и започва продължителна дискусия.

Реакциите на присъединяване на водород се наричат ​​реакции на хидрогениране.

Реакцията на добавяне на водород в присъствието на метални катализатори в този смисъл има значителни предимства пред обикновени реакцииприсъединявания. Металният катализатор е селективен по отношение на различни видовемолекули и дори различни частисъщата молекула. Той ги сортира и следователно рационализира процеса, като кара реакциите, протичащи едновременно в отсъствието на катализатор, да протичат последователно. И това прави възможно при изследването на отклонението на кривите на хидрогениране да има ценен спомагателен метод за изследване на процеса на хидрогениране и свойствата на спрегнатите системи.

Реакцията на присъединяване на водород протича не само за посочения тип киселини, но като цяло за цялата серия от разглеждани киселини и техните производни, напр. естери(мазнини); наличието на катализатори (черен паладий или фино раздробен никел) значително улеснява процеса. Тази реакция в момента се използва в технологията за превръщане на течност растителни масла, както и рибено масло и китова мас, богати на глицеринови естери на олеинова и други ненаситени киселини, в твърди кристални маси, подобни на свинска мас. В този случай течните глицеринови естери на ненаситени киселини се превръщат в твърди естери на наситени киселини.

Много реакции на добавяне на водород, изотопен обмен, дехидрогениране, селективно или пълно окисление, добавяне на въглероден оксид и полимеризация на въглеводороди могат да бъдат обяснени най-добре, като се приеме съществуването на подобни на радикали неутрални междинни съединения, свързани с активните центрове на катализатора чрез хомополярни връзки .

Температурните граници на реакциите на добавяне на водород до голяма степен определят условията за процеса на хидрогениране на гориво в технологията. Всъщност, както става ясно от горното, при температури близки до 500, процесите на добавяне на водород, дори при високи налягания, са рязко намалени, особено за тежките етиленови въглеводороди, които вече се появяват сред първоначалните продукти на крекинг на тежките газьоли и маслени остатъци.

Въпреки това, в реакциите на добавяне на водород към двойната връзка в олефините, разглежданите метали показват изключително ниска активност. И така, в него е посочено, че хексен-1 не претърпява трансформация върху метален титан при 100 - 400 C в поток от водород.

По този начин реакцията на добавяне на водород към етилен за образуване на етан трябва да бъде екзотермична; моларната топлина на хидрогениране на етилен е 316 kcal.

Тази реакция е подобна на реакцията на добавяне на водород, с единствената разлика, че не изисква наличието на катализатор. Тече моментално при стайна температура. Разтворителят, използван за разреждане на бром, обикновено е въглероден тетрахлорид.

Реакции на присъединяване.

1.1. Присъединяване

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ® CH 3 -CH 3

Реакцията протича в присъствието на катализатори (Pd, Pt, Ni).

1.2. Добавяне на халогени:

CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 ® CH 2 Br-CH 2 Br

1.3. Добавяне на халогеноводороди:

CH 2 \u003d CH 2 + HC1 ® CH 3 -CH 2 C1

Добавянето на водородни халиди към етиленови хомолози се извършва съгласно правилото на В. В. Марковников: водородният атом става най-хидрогенираният въглероден атом, а халогенният атом става най-малко хидрогениран, например:

CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr-\u003e CH 3 - CH Br -CH3

1.4. Присъединяване на вода (реакция на хидратация). Реакцията протича в присъствието на катализатор - сярна киселина:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O ® CH 3 - CH 2 OH

то обобщено уравнениереакции. В действителност реакцията протича на два етапа. Първо, сярна киселина се добавя към етилена при разкъсването на двойната връзка, за да се образува етилсулфатна киселина:

CH 2 \u003d CH 2 + H-O-SO 2 - OH ® CH3-CH 2 - O-SO 2 -OH

Тогава етилсерната киселина, взаимодействайки с вода, образува алкохол и киселина:

CH 3 - CH 2 - O-SO 2 - OH + H - OH ® CH 3 - CH 2 OH + HO-SO 2 - OH

Понастоящем реакцията на добавяне на вода към етилен в присъствието на твърди катализатори се използва за промишленото производство на етилов алкохолот ненаситени въглеводороди, съдържащи се в газовете от крекинг на нефт (съпътстващи газове), както и в коксовите газове.

2. Важно химическо свойствоетилен и неговите хомолози е способността лесно да се окислява дори при обикновени температури. В този случай и двата въглеродни атома, свързани с двойна връзка, се подлагат на окисление. Ако етиленът попадне в воден разтворкалиев перманганат KMpo 4, след това характеристиката лилаво оцветяванепоследният изчезва - етиленът се окислява с калиев перманганат:

ZSN 2 \u003d CH 2 + 2KMp0 4 + 4H 2 O ® ZNON 2 C - CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH

етиленов гликол

Тази реакция се използва за установяване на ненаситеността на органичната материя - наличието на двойни или тройни връзки в нея.

2.2. Етиленът гори със светещ пламък, образувайки въглероден (IV) оксид и вода:

CH 2 \u003d CH 2 + 4 O 2 ® 2CO 2 + 4H 2 O

3. Реакции на полимеризация.

полимеризацията е серийна връзкаидентични молекули в по-големи.

Реакциите на полимеризация са особено характерни за ненаситените съединения. Така например от етилен се образува вещество с високо молекулно тегло, полиетилен. Свързване на етиленови молекули

протича на мястото, където двойната връзка е скъсана. Накратко, уравнението за тази реакция е написано, както следва: nCH 2 \u003d CH 2 ® (- CH 2 - CH 2 - )н

Някои свободни атоми или радикали (например водородни атоми от етилен) са прикрепени към краищата на такива молекули (макромолекули). Продуктът от реакцията на полимеризация се нарича полимер (от гръцки poly - много, meros - част), а изходното вещество, което влиза в реакцията на полимеризация, се нарича мономер.

Полимер - вещество с много голямо относително молекулно тегло, чиято молекула се състои от Голям бройповтарящи се групи, които имат същата структура. Тези групи се наричат ​​елементарни връзки или структурни звена. Например, елементарната връзка на полиетилена е група от атоми - CH 2 - CH 2 -.

Броят на елементарните единици, повтарящи се в една макромолекула, се нарича степен на полимеризация (обозначава се с n). В зависимост от степента на полимеризация от едни и същи мономери могат да се получат вещества с различни свойства.

И така, полиетиленът с къси вериги (n=20) е течност със смазочни свойства. Полиетиленът с дължина на веригата 1500 - 2000 звена е твърд, но гъвкав пластмасов материал, от който могат да се получат филми, бутилки и други прибори, гъвкави тръби и др. И накрая, полиетиленът с дължина на веригата 5 - 6 хиляди звена е твърдо, от които можете да подготвите лети продукти, твърди тръби, здрави нишки.

Ако в реакцията на полимеризация участва малък брой молекули, тогава се образуват нискомолекулни вещества, например димери, тримери и др. Условията за протичане на реакциите на полимеризация са много различни. Понякога са необходими катализатори и високо налягане. Но основният фактор е структурата на мономерната молекула. Ненаситените (ненаситени) съединения влизат в реакцията на полимеризация поради разрушаването на множество връзки.

Структурните формули на полимерите се изписват накратко, както следва: формулата на елементарната единица се поставя в скоби и буквата n се поставя долу вдясно.Напр. структурна формулаполиетилен (- CH 2 - CH 2 - ) П.Лесно е да се заключи, че името на полимера се състои от името на мономера и префикса поли-, например полиетилен, поливинилхлорид, полистирен и др.

С помощта на реакциите на полимеризация се получават високомолекулни синтетични вещества, например полиетилен, политетрафлуоретилен (тефлон), полистирол, синтетичен каучук и др. Те имат голямо икономическо значение.

Тефлонът е продукт на полимеризацията на тетрафлуоретилен:

nCF 2 = CF 2 ->-(-CF 2 - CF 2 -)

Това е най-инертното органична материя(влияе се само от разтопен калий и натрий). Има висока устойчивост на замръзване и топлина.

Приложение.Етиленът се използва за производство на етилов алкохол, полиетилен. Ускорява узряването на плодовете (домати, цитрусови плодове и др.) С въвеждането на малки количества от него във въздуха на оранжериите. Етиленът и неговите хомолози се използват като химическа суровина за синтеза на много органични вещества.