Класифікація за функціональною групою

 

Функціональна група – структурний фрагмент молекули, який визначає її хімічні властивості. За кількістю та однорідністю функціональних груп органічні сполуки розподіляються на монофункціональні (містять одну функціональну групу), поліфункціональні (містять кілька однакових груп) та гетерофункціональні (містять декілька різних груп). Класифікація органічних сполук за природою функціональної групи наведена у таблиці 1.

Вуглеводні з однаковими функціональними групами (або структурними фрагментами) утворюють голомогічні ряди. Гомологічний ряд – безкінечна низка сполук, які відрізняються один від одного на групу (-СН₂-) – гомологічну різницю та мають подібну будову та хімічні властивості. Наприклад, гомологічний ряд алканів загальної формули С_nH_2n+2.

Десять перших представників гомологічного ряду алканів мають назви:

СН4 – мет ан С2Н6 – ет ан С3Н8 – проп ан С4Н10 – бут ан      С5Н12 – пент ан

С6Н14 – гекс ан С7Н16 – гепт ан С8Н18 – окт ан С9Н20 – нон ан С10Н22 – дек ан

Починаючи з бутану стає можливим явище структурної ізомерії. Структурні ізомери – це сполуки, які мають однакову брутто-формулу, але різну хімічну будову, внаслідок різного сполучення атомів карбону в молекулі алкану. Наприклад:

Вуглецевий ланцюг може мати нормальну (нерозгалужену) та розгалужену будови. Атоми карбону бувають: первинними, вторинними, третинними і четвертинними, в залежності від того, з якою кількістю сусідніх атомів карбону вони сполучені:

Структурний фрагмент молекули вуглеводню, який утворюється при видаленні одного або кількох атомів гідрогену називається вуглеводневим радикалом (R). Вуглеводневі радикали бувають первинної, вторинної або третинної будови. В таблиці 2 наведено структурні формули та назви вуглеводневих радикалів, які найчастіше зустрічаються.

Таблиця 2

Найважливіші вуглеводневі радикали

 

Назва	Структурна формула	Назва		Структурна формула
Одновалентні радикали		Дво- і тривалентні радикали
Метил		Метилен
Етил		Метин
Пропіл		Етиліден
Ізопропіл		Етилен
н-Бутил		Етилідин
Ізобутил		Ізопропіліден
Втор-бутил		Пропіліден
Трет-бутил		Пропілен
н-Пентил (аміл)		Триметилен

 

Продовження таблиці 2
Назва	Структурна формула	Назва		Структурна формула
Одновалентні радикали		Дво- і тривалентні радикали
Ізопентил (ізоаміл)		Бутиліден
Втор-пентил (втор-аміл)		Ізобутиліден
Трет-пентил (трет-аміл)		Втор-бутиліден
Неопентил		Пентиліден
н-Гексил		Ізопентиліден
Ізогексил		Пентаметилен

 

Номенклатура органічних сполук складалася протягом всього періоду розвитку органічної хімії. В історичному аспекті виділяють три основні номенклатурні системи: тривіальну, раціональну і міжнародну (систематичну) IUPAC. Базові правила побудови назв складних сполук за даними номенклатурами наведено у схемі.

 

Приклад:

 

 

АЛКАНИ (ПАРАФІНИ)

 

     Алкани або насичені вуглеводні – це такі сполуки карбону з гідрогеном, в молекулах яких кожнен атом карбону на з’єднання з будь-яким сусіднім атомом карбону витрачає один або декілька зв’язків (не більше чотирьох); при цьому всі вільні валентності насичені гідрогеном. Всі атоми карбону знаходяться в sp³-гібридизованому стані.

     Насичені вуглеводні утворюють гомологічний ряд з загальною формулою C_nH_2n+2. Члени гомологічного ряду відрізняються один від іншого на гомологічну різницю (-СН₂-)_Х.

     Починаючи з бутану, вуглеводні утворюють структурні ізомери – сполуки, які мають одну брутто-формулу, але різну структуру внаслідок різного взаємного з’єднання атомів карбону. Наприклад, бутан та ізобутан. Структурні ізомери мають різні фізичні та подібні хімічні властивості.

Окрім структурної ізомерії алкани мажуть мати оптичну ізомерію, при якій утворюються стереоізомери – молекули з однаковою брутто- та структурною формулою, які відрізняються взаємним просторовим розташуванням атомів в молекулах. Наприклад: . Стереоізомери не можна сумістити в просторі. Стереоізомери, які відносяться один до одного як дзеркальні відображення, називаються енантіомерами. Енантіомери мають центр асиметрії або хіральний центр – атом карбону, який має чотири різних замісники. Енантіомери мають майже всі однакові хімічні та фізичні властивості. З фізичної точки зору енантіомери відрізняються лише знаком кута оптичного обертання: один енантіомер відхиляє плоскополяризований промінь світла вправо (+ енантіомер), другий – вліво (- енантіомер). Хімічні властивості енантіомерів в ахіральному (не асиметричному) середовищі однакові, в хіральному (асиметричному) відрізняються швидкістю здійснення реакції.

Стереоізомери, які мають два або більше хіральних атомів карбону і не є енантіомерами називають діастереомерами. Наприклад:

- Проекційні формули Фішера

Діастереомери, на відміну від енантіомерів мають різні фізичні і хімічні властивості.

Для алканів характерне також явище поворотної ізомерії, яке реалізується внаслідок вільного обертання груп атомів навколо простого зв’язку С-С. Поворотні ізомери називаються конформерами. Серед безлічі конформерів, які можливі для молекули, починаючи з етану, відрізняють два конформери, які мають спеціальні назви. Це найбільш енергетично вигідний конформер, який має найменшу внутрішню енергію – загальмований конформер, та найменш вигідний конформер – затулений конформер.

Проекційна формула Ньюмена:  загальмавана форма

 затулена форма

 

СПОСОБИ ОДЕРЖАННЯ АЛКАНІВ

 

І. Промислові способи

1. З природних джерел – газ, нафта, шляхом їх переробки (розгонка, фракціювання, крекінг).

2. Синтез Фішера-Тропша з карбон (ІІ) оксиду та гідрогену (синтез-газу):

ІІ. Лабораторні способи

1. Реакція В’юрца

Механізм реакції:

В реакцію В’юрца переважно вступають нерозгалужені галоїдні алкіли. При взаємодії з Na суміші алоїдних алкілів утворюється суміш алканів. Наприклад:

2. Реакція Кольбе – електрохімічне відновлення солей карбонових кислот

Механізм реакції:

3. Термічне декарбоксилювання солей карбонових кислот

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛКАНІВ

Для алканів характерні реакції заміщення та розщеплення. Розщеплення по зв’язку С-С вимагає меншої енергії (350 кДж/моль), ніж по зв’язку С-Н (413,7 кДж/моль). Але хімічні реакції здебільшого протікають по зв’язку С-Н, оскільки ці зв’язки більш доступні для реагентів.

І.Реакції заміщення. Місце входження замісника в молекулу насиченого вуглеводню визначається в першу чергу енергією зв’язку, вірогідністю утворення та відносною стабільністю проміжної частки (вільного радикалу). В ряду первинний радикал < вторинний радикал < третинний радикал відносна стійкість радикалів зростає за рахунок прояву ефекту надсупряження. Енергія зв’язку С-Н зменшується  у ряду:

Енергія звязку, кДж/моль	422,9	401,9	393,6	372,6
Сполука

В наслідок перелічених факторів заміщення гідрогену переважно відбувається біля третинного, потім у вторинного і на останок у первинного атому карбону.

1. Галогенування. Реакційна здатність зменшується в ряду F>Cl>Br>I. Реакція з F₂ відбувається з вибухом, тому потребує розведення інертним газом, наприклад, аргоном. Реакція з Cl₂ та Br₂ вже потребує високої температури (300⁰С) або ініціювання ультро-фіолетовим опроміненням. Реакція з I₂ практично не відбувається.

 

Механізм реакції галогенування:

2. Нітрування розведеною нітратною кислотою за Коноваловим

Механізм реакції:

Сульфохлорування

Механізм реакції:

Сульфохлорування відбувається лише за первинними та вторинними атомами карбону. Через просторові ускладнення воно не можливе за третинними атомами карбону.

4. Сульфоокиснення:

Окиснення

Кисень повітря та звичайні окисники (KMnO₄, K₂CrO₄, K₂Cr₂O₇) окиснюють алкани тільки при високих температурах з розривом С–С-зв’язків. При цьому в незначній кількості одержується кінцевий продукт окиснення – діоксид карбону СО₂. Окиснюються алкани при t» 150°C в присутності каталізаторів (солі Mn, Co, V).

Розглянемо окиснення н-бутану за вторинним атомом карбону.

При високих температурах внаслідок відщеплення атомів водню від зв’язку  або при розриві зв’язку  утворюються вільні радикали R ^., які далі взаємодіють з молекулярним киснем з утворенням пероксидного радикала:

Подальше окиснення спиртів і альдегідів призводить до утворення карбоксильних сполук – карбонових кислот.

Крекінг

Крекінг – це високотемпературне (470-540 °С) розщеплення алканів, що приводить до утворення суміші насичених та ненасичених вуглеводнів з меншою молекулярною масою, ніж вихідний вуглеводень. Чим довший вуглеводневий ланцюг, тим легше він розщеплюється. Перетворення алканів при вищих температурах (700-1000 °С) називається піролізом.

Розрізняють термічний і каталітичний крекінг.

Метан розщеплюється лише при високій температурі:

а)

Цей процес використовують як дешевий метод одержання водню і газової сажі.

б)	дешевий промисловий метод одержання ацетилену

Термічний крекінг – вільнорадикальний процес, у результаті якого утворюються, головним чином, ненасичені вуглеводні (мономери):

З вільними радикалами в процесі крекінгу відбуваються три типи хімічних перетворень:

1) b-розпад зв’язку С–С відносно атома карбону, який несе неспарений електрон:

2) b-розпад зв’язку С–Н (реакції діспропорціювання):

3) реакції обриву (рекомбінації):

Каталітичний крекінг застосовують, головним чином, з метою одержання розгалужених алканів (моторного палива) і ненасичених вуглеводнів.

 

АЛКЕНИ (ОЛЕФІНИ)

 

     Алкенами називають вуглеводні, в молекулах яких містяться атоми вуглецю, які витрачають на з’єднання з сусіднім атомом карбону дві валентності, тобто утворюють один подвійний зв’язок. Алкени утворюють гомологічний ряд загальної формули C_nH_2n

 

СПОСОБИ ОДЕРЖАННЯ АЛКЕНІВ

 

1. Дегідрування та піроліз алканів (промисловий спосіб).

Швидкість утворення алкенів та їх відносна стабільність зменшується в ряду:

R ₂ C = CR ₂ > R ₂ C = CHR > R ₂ C = CH ₂ > RCH = CHR > RCH = CH ₂ > H ₂ C = CH ₂, тобто із зменшенням числа замісників у подвійного зв’язку. Чим стабільніший алкен, тим легше він утворюється.