Глава 2. Системы, содержащие s -связи

Алканы

    Алканы (предельные, насыщенные углеводороды, парафины) – это углеводороды общей формулы C_nH_2n+2. В их молекулах имеются прочные низкополяризуемые ковалентные s-связи С-С и С-Н. 

    Связи в алканах не проявляют склонности к гетеролитическому разрыву, они устойчивы к действию ионных (нуклеофильных и электрофильных) реагентов. В обычных условиях алканы не реагируют с концентрированными кислотами, с сильными окислителями (KMnO₄, K₂Cr₂O₇), щелочными металлами и щелочами.

    Однако неполярные С-Н-связи в молекулах алканов способны расщепляться гомолитически при атаке свободными радикалами. К таким процессам относятся реакции радикального замещения атомов водорода - галогенирование, нитрование (реакции Коновалова и Титова), сульфохлорирование и сульфоокисление (I), окисления – частичного или полного (горение) (II), расщепления углеродного скелета – изомеризация, крекинг, дегидрирование до алкенов (III, IV, V). Несмотря на то, что связь С-С менее прочна, чем связь С-Н, последняя рвется легче, так как располагается на периферии молекулы и более доступна для реагента. Реакции замещения носят цепной характер и протекают по механизму S_R.

 

        

Задачи

Номенклатура и изомерия

1. Сущестуют ли алканы, содержание водорода в которых достигает 50%?

 

2. Напишите структурные формулы всех изомеров гептана. Назовите их по рациональной и систематической номенклатуре. Укажите первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

 

3. Напишите формулы структурных изомеров октана:

а) содержащие один вторичный атом углерода,

б) не содержащих третичных атомов углерода,

в) содержащих два третичных атома углерода.

 

4. Какие одновалентные радикалы можно образовать от углеводородов:

а) н-бутана, б) изобутана, в) неопентана? Назовите эти радикалы.

 

5*. Напишите структурные формулы изомерных радикалов, имеющих состав:

а) –С₃Н₇, б) –С₄Н₉, в) –С₅Н₁₁. Напишите структурные формулы углеводородов, которым соответствуют эти радикалы.

 

6*. Укажите число первичных, вторичных, третичных и четвертичных атомов углерода в следующих соединениях:

а) СН₃СН₂СН(СН₃)СН₃

б) СН₃СН(СН₃)СН(СН₃)СН(СН₃)СН₂СН₃

в) (СН₃)₂СНСН₂СН₂СН₂С(СН₃)₂ СН₂ СН₃

г) СН₃С(СН₃)₂СН(СН₃)СН₂СН₂СН(СН₃)СН(СН₃)₂

 

7*. Напишите структурные формулы и назовите по систематической номенклатуре следующие соединения:

а) триметилметан, б) метилдиэтилметан, в) метилпропилметан,

 г) метилдиизопропилметан, д) диизопропил.

 

8*. Сколько изомеров можно вывести из углеводорода, заменяя один атом водорода на атом хлора:

9.  Сколько структурных изомеров можно вывести, если заменить один атом водорода на атом брома в 2,3,4-триметилпентане? Назовите получившиеся соединения по систематической номенклатуре.

 

10. Составьте структурные формулы соединений и назовите их по систематической номенклатуре:

а) 3-этилгексан, б) 2,2,5-триметилгептан, в) 2-метил-3-изопропилгептан, г) 2,3,3,4,4-пентаметилпентан, д) изобутан, е) 4,4-диметилоктан, ж) изопентан, з) неопентан

 

11. Приведите проекции Ньюмена для заслоненной и заторможенной конформации следующих алканов: а) пропан, б) 2-хлорбутан, в) 2,2,3.3-тетраметилбутан. Объясните различную устойчивость конформаций.

 

12. Найдите ошибку в названии углеводородов: а) 4,4-диметилгептан, б) 2-метил-3-этилбутан, в) 2,4-диметил-2-изопропилпентан.

 

13. Изобразите спектры ПМР и интегральные кривые для следующих алканов:

а) этана, б) тетраметилметана, в) изобутана, г) пропана.

Химические свойства

14*. Расположите углеводородные радикалы по увеличению устойчивости. Приведите объяснения.

 

15*. Расположите углеводородные радикалы по увеличению устойчивости. Приведите объяснения.

 

16. Напишите уравнения реакций полного сгорания: а) этана, б) бутана, в) 2,2,3-триметилгексана, г) октана. Расставьте коэффициенты.

 

17. При хлорировании метана получается смесь четырех хлорпроизводных. Сколько хлорпроизводных образуется при хлорировании этана?

 

18*. Сколько изомерных монохлорпроизводных может образоваться при хлорировании следующих углеводородов: а) пропана, б) бутана, в) изобутана?

 

19. Напишите уравнения реакций. Укажите механизмы реакций, условия их протекания. Отметьте случаи, где реакция не идет.

а) н-бутан + О₂

б) н-бутан + Br_{2 (на свету)} →

в) н-бутан + Сl_{2 (на свету)}→

г) i-бутан + Br_{2(на свету)} →

д) i-бутан + Сl_{2(на свету)} →

е) ж) i-бутан +HNO_3(разб.)

з) i-бутан + Br₂

и) этан + HBr →

к) метан + SO₂ + Сl₂ →

л) метилбромид + HI →

м) этан + KMnO₄

н) этан + H₂SO_4(конц.) →

 

20. Напишите уравнение реакции монохлорирования изобутана. Рассмотрите механизм реакции (S_R).

 

21. При монохлорировании алканов на свету относительные скорости замещения первичного, вторичного и третичного атомов водорода составляют 1:3,8:5. Рассчитайте изомерный состав смесей, которые образуются при монохлорировании: а) изобутана, б) 2,2-диметилбутана, в) 2,2,3-триметилбутана, г) 2,2,3-триметилпентана, д) декана

 

22. Объясните различие во взаимодействии пропана с галогенами:

а) Пропан + F₂ → CF₄

б) Пропан + Cl₂ → CH₃CH₂CH₂Cl (45%) + CH₃CHClCH₃(55%)

в) Пропан + Br₂ → CH₃CH₂CH₂Br (3%) + CH₃CHBrCH₃(97%)

г) Пропан + I₂ → реакция не идет

 

23. Напишите уравнение реакции нитрования (реакция Коновалова) следующих алканов: а) метана, б) изобутана, в) н-бутана, г) 2-метилбутана. Укажите условия реакций. Напишите механизм реакции нитрования.

 

24*. Какие алканы получатся в результате следующих реакций?

а) CH₃CH₂I + HI →

б) CH₃CH₂CH(CH₃)Br + Na →

в) CH₃CH₂Br + CH₃Br + Na →

г) CH₃CH₂Br + Mg (эфир) → … …

д) CH₃CH₂CH=CH₂ + H₂(Ni) →

25. Предложите способы получения бутана из а) н-бутилбромида, б) втор-бутилбромида, в) хлорэтана, г) валериановой кислоты, д) бутена-2.

 

26. Сколько продуктов дегидрирования можно получить из 3-метилпентана? Будут ли полученные алкены иметь геометрические изомеры?

 

27*. Рассчитайте процентный состав монохлорпроизводных изобутана, получен-ных путем термического хлорирования при 300 ºС. Вероятность отрыва атомов водорода от первичных и третичного атомов углерода составляет 1:3.

 

28. Напишите уравнение реакции и механизм парофазного окисления бутана кислородом воздуха до уксусной кислоты в присутствии пероксида ацетила

    СН₃ – С(О) – О – О – С(О) – СН₃.

 

29*. Приведите возможные продукты крекинга 2,3-диметилбутана.

 

30. Из неорганических соединений получите метан.

 

31.. Из неорганических соединений получите изобутан.

 

32*. Из пропана получите 2,3,4,5-тетраметилгексан.

 

33. Осуществите превращения:

пропан А 2,3-диметилбутан

 

34. Осуществите превращения: