Получение углеводородов и галогенпроизводных. Алканы — предельные углеводороды, их химические свойства Получение предельных углеводородов в лаборатории и промышленности

2. Из нефти.

Нефть содержит жидкие и твердые предельные углеводороды. Так в ней содержатся: С 5 Н 12 , С 6 Н 14 - вcе изомеры.

С 7 Н 16 , С 8 Н 18 - в основном нормальные.

Начиная с С 9 Н 20 – только углеводороды нормального строения. Фракционная перегонка не позволяет выделить индивидуальные углеводороды, отгоняют лишь фракции:

Благодаря высокой температуре перегонки и особенно в процессе крекинга идет разложение с образованием низкомолекулярных газообразных углеводородов, которые используются в качестве сырья после разделения на фракции, содержащие: этан – этилен, пропан – пропилен, бутан – бутилен.

Путем дополнительного фракционирования выделяют более узкие фракции: С 5 Н 12 используют в синтезе амиловых спиртов, а на их основе эфиров – растворителей и душистых продуктов.

Из масляных фракций нефти выделяют твердые углеводороды состава: С 16 Н 34 и более (парафин и церезин).

3. Гидрирование непредельных углеводородов, полученных в результате крекинга нефти:

Ni, Pt, Pd, T=30-60 0 C

CH 3 -CH=CH 2 + H 2 CH 3 -CH 2 -CH 3

4. Гидрогенизация окиси углерода (способ Орлова-Фишера):

Fe+Co, T=200 0 C

nCO + (2n+1)H 2 C n H 2n+2 + nH 2 O

5. Гидрогенизация бурых углей (Бергиус):

Fe, T=450 0 C, P=200 ат

nC + (n+1)H 2 C n H 2n+2

6. Получение метана из углерода и его окислов:

С + 2Н 2 СН 4

С + 2Н 2 СН 4

СO + 3Н 2 СН 4 + Н 2 О

7. Получение метана из карбидов металлов.

Углеводороды, атомы углерода которых связаны одинарными связями, называются насыщенными или предельными углеводородами.

Общее описание

К насыщенным углеводородам относятся ациклические (алканы) и карбоциклические (циклоалканы) соединения. Они отличаются пространственным строением и количеством атомов.

Ряд веществ, сходных по строению, химическим свойствам, но отличающихся количеством атомов, называется гомологическим. Вещества, входящие в состав гомологического ряда, называются гомологами.

Алканы - это гомологический ряд метана CH 4 .

Циклоалканы или нафтены - гомологический ряд циклопропана. Общее описание предельных углеводородов представлено в таблице.

Соединения, которые имеют одинаковое количество атомов, но разное строение, называются изомерами. Все алканы, начиная с бутана, имеют изомеры. К названию прибавляется приставка изо- (изобутан, изопентан, изогексан). Формула остаётся неизменной.

Рис. 1. Структурная формула бутана и изобутана.

Для циклоалканов характерны три вида изомерии:

• пространственная - расположение относительно плоскости цикла;
• углеродная - присоединение к СН 2 -группе дополнительных групп;
• межклассовая - образование изомеров с алкенами.

В зависимости от присоединяемой группы меняется название вещества. Например, метилциклопропан имеет циклическую структуру в виде треугольника с присоединённым метилом (СН 3). Название «1,2-диметилциклопентан» говорит о циклическом строении с двумя присоединёнными молекулами метила. Цифры указывают, к каким углам пятиугольника присоединён метил.

В углах фигуры циклоалканов всегда находится группа CH 2 , поэтому её часто не записывают, а просто рисуют фигуру. Количество углов указывает на количество атомов углерода. Дополнительные группы дописывают к углам через штрих.

Рис. 2. Примеры графических формул циклоалканов.

Получение

Существуют промышленные и лабораторные способы получения алканов. В промышленности:

• выделение из нефти, газа, каменного угля;
• газификация твёрдого топлива: C + 2H 2 → CH 4 .

В лаборатории:

• гидролиз карбида алюминия:

  Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ;

• реакция замещения:

  2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;

• реакция обмена:

  CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4 .

Циклоалканы получают путём выделения из природных источников - нефти, газа, а также при дегидрировании алканов и гидрировании аренов:

• С 6 Н 14 ↔ C 6 H 12 + Н 2 ;
• C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .

Свойства

Алканы и циклоалканы имеют схожие химические свойства. Это малоактивные вещества, реагирующие только при дополнительных условиях - нагревании, давлении. Реакции предельных углеводородов:

• горение:

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;

• замещение (например, галогенирование):

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• присоединение:

  C 6 H 12 + H 2 → C6H 14 ;

• разложение:

  C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 .

Рис. 3. Горение метана.

С увеличением молекулярной массы предельных углеводородов и, соответственно, числа атомов углерода в гомологических рядах увеличивается температура кипения веществ. Циклоалканы кипят и плавятся при более высоких температурах, чем алканы. Метан, этан, пропан, бутан - газы. Вещества, в состав которых входит 5-15 атомов углерода (с C 5 H 12 по C 15 H 32) - жидкости. Вещества, содержащие более 15 атомов углерода, - находятся в твёрдом состоянии.

Что мы узнали?

Схожие по свойствам вещества - алканы и циклоалканы - относятся к предельным углеводородам. Алканы - соединения с линейным строением молекул, циклоалканы - циклические углеводороды, образующие треугольные, четырёхугольные, пятиугольные структуры. Насыщенные углеводороды получают из полезных ископаемых, а также промышленным или лабораторным путём. Это малоактивные вещества, вступающие в реакции замещения, присоединения, горения, разложения только при дополнительных условиях.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 117.

Характерные химические свойства углеводородов: алканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов

Алканы

Алканы — углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле $С_{n}Н_{2n+2}$.

Гомологический ряд метана

Как вы уже знаете, гомологи — это вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп $СН_2$.

Предельные углеводороды составляют гомологический ряд метана.

Изомерия и номенклатура

Для алканов характерна так называемая структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Как вам уже известно, простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан:

Рассмотрим подробнее для алканов основы номенклатуры ИЮПАК:

1. Выбор главной цепи.

Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.

2.

Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (—$СН_3$), затем пропил ($—СН_2—СН_2—СН_3$), этил ($—СН_2—СН_3$) и т. д.

Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.

3. Формирование названия.

В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую ($2.2-$). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и название заместителя (метил, этил, пропил ). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д. ).

Названия веществ, структурные формулы которых приведены выше, следующие:

— структура А: $2$-метилпропан;

— структура Б: $3$-этилгексан;

— структура В: $2,2,4$-триметилпентан;

— структура Г: $2$-метил $4$-этилгексан.

Физические и химические свойства алканов

Физические свойства. Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы. Простейший из них — метан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах газа, почувствовав который, надо звонить $104$, определяется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах, для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от $С_5Н_{12}$ до $С_{15}Н_{32}$ — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые вещества.

Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.

Химические свойства.

1. Реакции замещения. Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения наиболее характерных реакций.

Галогенирование:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+{CH_2Cl_2}↙{\text"дихлорметан(хлористый метилен)"}$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+{CHСl_3}↙{\text"трихлорметан(хлороформ)"}$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+{CCl_4}↙{\text"тетрахлорметан(четыреххлористый углерод)"}$.

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.

2. Дегидрирование (отщепление водорода). В ходе пропускания алканов над катализатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при высокой температуре ($400-600°С$) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:

$CH_3—CН_3→СH_2=CH_2+Н_2$

3. Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться. Горение предельных углеводородов — это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

$C_{n}H_{2n+2}+({3n+1}/{2})O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термическое расщепление углеводородов:

$C_{n}H_{2n+2}{→}↖{400-500°C}C_{n-k}H_{2(n-k)+2}+C_{k}H_{2k}$

Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов:

$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена:

$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса — крекинга углеводородов. Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.

При нагревании метана до температуры $1000°С$ начинается пиролиз метана — разложение на простые вещества:

$CH_4{→}↖{1000°C}C+2H_2$

При нагревании до температуры $1500°С$ возможно образование ацетилена:

$2CH_4{→}↖{1500°C}CH=CH+3H_2$

4. Изомеризация. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:

5. Ароматизация. Алканы с шестью и более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизируются с образованием бензола и его производных:

В чем причина того, что алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму? Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных $С—С$ (углерод — углерод) связей и слабополярных $С—Н$ (углерод — водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т.е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т.к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Алкены

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкадиены (полиены), алкины. Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалкены), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома). Свойство непредельности связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных, углеводородов — алканов.

Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n}$.

Свое второе название — олефины — алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров — масел (от лат. oleum — масло).

Гомологический ряд этена

Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена):

$С_2Н_4$ — этен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_{10}$ — пентен, $С_6Н_{12}$ — гексен и т. д.

Изомерия и номенклатура

Для алкенов, так же, как и для алканов, характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, — это бутен:

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:

$СН_3—{СН_2}↙{бутен-1}—СН=СН_2$ $СН_3—{СН=СН}↙{бутен-2}—СН_3$

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии — геометрической, или цис-транс изомерии.

Цис- изомеры отличаются от транс- изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости $π$-связи, а следовательно, и свойствами.

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

Номенклатура алкенов, разработанная ИЮПАК, схожа с номенклатурой алканов.

1. Выбор главной цепи.

Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.

2. Нумерация атомов главной цепи.

Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь. Например, правильное название соединения:

$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, как можно было бы предположить.

Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей, так же, как для предельных углеводородов.

3. Формирование названия.

Названия алкенов формируются так же, как и названия алканов. В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, — -ен.

Например:

Физические и химические свойства алкенов

Физические свойства. Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы; вещества состава $С_5Н_{10}$ - $С_{16}Н_{32}$ — жидкости; высшие алкены — твердые вещества.

Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Химические свойства.

Реакции присоединения. Напомним, что отличительной чертой представителей непредельных углеводородов — алкенов является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму

1. Гидрирование алкенов. Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования, металлов — платины, палладия, никеля:

$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.

Эта реакция протекает при атмосферном и повышенном давлении и не требует высокой температуры, т.к. является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция — дегидрирование.

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе ($CCl_4$) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалоген алканов:

$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-{CH}↙{пропен}=CH_2+HBr→CH_3-{CHBr}↙{2-бромпропен}-CH_3$

Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:

При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т.е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.

Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта:

${CH_2}↙{этен}=CH_2+H_2O{→}↖{t,H_3PO_4}CH_3-{CH_2OH}↙{этанол}$

Обратите внимание на то, что первичный спирт (с гидроксогруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.

Эта реакция протекает также в соответствии с правилом Марковникова — катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа — к менее гидрированному.

5. Полимеризация. Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:

$nCH_2{=}↙{этен}CH_2{→}↖{УФ-свет,R}(...{-CH_2-CH_2-}↙{полиэтилен}...)_n$

Эта реакция присоединения протекает по свободнорадикальному механизму.

6. Реакция окисления.

Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием $СО_2$ и $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.

В общем виде:

$C_{n}H_{2n}+{3n}/{2}O_2→nCO_2+nH_2O$

В отличие от алканов, которые устойчивы к окислению в растворах, алкены легко окисляются под действием растворов перманганата калия. В нейтральных или щелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:

Алкадиены (диеновые углеводороды)

Алкадиены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, две двойные связи между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.

В зависимости от взаимного расположения двойных связей различают три вида диенов:

— алкадиены с кумулированным расположением двойных связей:

— алкадиены с сопряженными двойными связями;

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

— алкадиены с изолированными двойными связями

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

Эти все три вида алкадиенов существенно отличаются друг от друга по строению и свойствам. Центральный атом углерода (атом, образующий две двойные связи) в алкадиенах с кумулированными связями находится в состоянии $sp$-гибридизации. Он образует две $σ$-связи, лежащие на одной прямой и направленные в противоположные стороны, и две $π$-связи, лежащие в перпендикулярных плоскостях. $π$-Связи образуются за счет негибридизированных р-орбиталей каждого атома углерода. Свойства алкадиенов с изолированными двойными связями весьма специфичны, т.к. сопряженные $π$-связи существенно влияют друг на друга.

р-Орбитали, образующие сопряженные $π$-связи, составляют практически единую систему (ее называют $π$-системой), т.к. р-орбитали соседних $π$-связей частично перекрываются.

Изомерия и номенклатура

Для алкадиенов характерна как структурная изомерия, так и цис-, транс-изомерия.

Структурная изомерия.

— изомерия углеродного скелета:

— изомерия положения кратных связей:

${CH_2=CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}$ ${CH_2=C=CH—CH_3}↙{бутадиен-1,2}$

Цис-, транс- изомерия (пространственная и геометрическая)

Например:

Алкадиены изомерны соединениям классов алкинов и циклоалкенов.

При формировании названия алкадиена указывают номера двойных связей. Главная цепь должна обязательно содержать две кратные связи.

Например:

Физические и химические свойства алкадиенов

Физические свойства.

В обычных условиях пропандиен-1,2, бутадиен-1,3 — газы, 2-метилбутадиен-1,3 — летучая жидкость. Алкадиены с изолированными двойными связями (простейший из них — пентадиен-1,4) — жидкости. Высшие диены — твердые вещества.

Химические свойства.

Химические свойства алкадиенов с изолированными двойными связями мало отличаются от свойств алкенов. Алкадиены с сопряженными связями обладают некоторыми особенностями.

1. Реакции присоединения. Алкадиены способны присоединять водород, галогены, галогеноводороды.

Особенностью присоединения к алкадиенам с сопряженными связями является способность присоединять молекулы как в положениях 1 и 2, так и в положениях 1 и 4.

Соотношение продуктов зависит от условий и способа проведения соответствующих реакций.

2. Реакция полимеризации. Важнейшим свойством диенов является способность полимеризоваться под воздействием катионов или свободных радикалов. Полимеризация этих соединений является основой синтетических каучуков:

$nCH_2={CH—CH=CH_2}↙{бутадиен-1,3}→{(... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n}↙{\text"синтетический бутадиеновый каучук"}$.

Полимеризация сопряженных диенов протекает как 1,4-присоединение.

В этом случае двойная связь оказывается центральной в звене, а элементарное звено, в свою очередь, может принимать как цис- , так и транс- конфигурацию.

Алкины

Алкины — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну тройную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле $С_{n}Н_{2n-2}$.

Гомологический ряд этина

Неразветвленные алкины составляют гомологический ряд этина (ацетилена):

$С_2Н_2$ — этин, $С_3Н_4$ — пропин, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_{10}$ — гексин и т. д.

Изомерия и номенклатура

Для алкинов, так же как и для алкенов, характерна структурная изомерия: изомерия углеродного скелета и изомерия положения кратной связи. Простейший алкин, для которого характерны структурные изомеры положения кратной связи класса алкинов, — это бутин:

$СН_3—{СН_2}↙{бутин-1}—С≡СН$ $СН_3—{С≡С}↙{бутин-2}—СН_3$

Изомерия углеродного скелета у алкинов возможна, начиная с пентина:

Так как тройная связь предполагает линейное строение углеродной цепи, геометрическая (цис-, транс- ) изомерия для алкинов невозможна.

Наличие тройной связи в молекулах углеводородов этого класса отражается суффиксом -ин , а ее положение в цепи — номером атома углерода.

Например:

Алкинам изомерны соединения некоторых других классов. Так, химическую формулу $С_6Н_{10}$ имеют гексин (алкин), гексадиен (алкадиен) и циклогексен (циклоалкен):

Физические и химические свойства алкинов

Физические свойства. Температуры кипения и плавления алкинов, так же, как и алкенов, закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Алкины имеют специфический запах. Они лучше растворяются в воде, чем алканы и алкены.

Химические свойства.

Реакции присоединения. Алкины относятся к непредельным соединениям и вступают в реакции присоединения. В основном это реакции электрофильного присоединения.

1. Галогенирование (присоединение молекулы галогена). Алкин способен присоединить две молекулы галогена (хлора, брома):

$CH≡CH+Br_2→{CHBr=CHBr}↙{1,2-дибромэтан},$

$CHBr=CHBr+Br_2→{CHBr_2-CHBr_2}↙{1,1,2,2-тетрабромэтан}$

2. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода). Реакция присоединения галогеноводорода, протекающая по электрофильному механизму, также идет в две стадии, причем на обеих стадиях выполняется правило Марковникова:

$CH_3-C≡CH+Br→{CH_3-CBr=CH_2}↙{2-бромпропен},$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→{CH_3-CHBr_2-CH_3}↙{2,2-дибромпропан}$

3. Гидратация (присоединение воды). Боль шое значение для промышленного синтеза кетонов и альдегидов имеет реакция присоединения воды (гидратация), которую называют реакцией Кучерова:

4. Гидрирование алкинов. Алкины присоединяют водород в присутствии металлических катализаторов ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2{→}↖{Pt}R-CH_2-CH_2-R$

Так как тройная связь содержит две реакционноспособные $π$-связи, алканы присоединяют водород ступенчато:

1) тримеризация.

При пропускании этина над активированным углем образуется смесь продуктов, одним из которых является бензол:

2) димеризация.

Помимо тримеризации ацетилена, возможна его димеризация. Под действием солей одновалентной меди образуется винилацетилен:

$2HC≡CH→{HC≡C-CH=CH_2}↙{\text"бутен-1-ин-3(винилацетилен)"}$

Это вещество используется для получения хлоропрена:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl{→}↖{CaCl}H_2C={CCl-CH}↙{хлоропрен}=CH_2$

полимеризацией которого получают хлоропреновый каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Окисление алкинов.

Этин (ацетилен) горит в кислороде с выделением очень большого количества теплоты:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600кДж$ На этой реакции основано действие кислородно-ацетиленовой горелки, пламя которой имеет очень высокую температуру (более $3000°С$), что позволяет использовать ее для резки и сварки металлов.

На воздухе ацетилен горит коптящим пламенем, т.к. содержание углерода в его молекуле выше, чем в молекулах этана и этена.

Алкины, как и алкены, обесцвечивают подкисленные растворы перманганата калия; при этом происходит разрушение кратной связи.

Реакции, характеризующие основные способы получения кислородсодержащих соединений

1. Гидролиз галогеналканов. Вы уже знаете, что образование галокеналканов при взаимодействии спиртов с галогеноводородами — обратимая реакция. Поэтому понятно, что спирты могут быть получены при гидролизе галогеналканов — реакции этих соединений с водой:

$R-Cl+NaOH{→}↖{H_2O}R-OH+NaCl+H_2O$

Многоатомные спирты можно получить при гидролизе галогеналканов, содержащих более одного атома галогена в молекуле. Например:

2. Гидратация алкенов — присоединение воды по $π$-связи молекулы алкена — уже знакома вам, например:

${CH_2=CH_2}↙{этен}+H_2O{→}↖{H^{+}}{C_2H_5OH}↙{этанол}$

Гидратация пропена приводит, в соответствии с правилом Марковникова, к образованию вторичного спирта — пропанола-2:

3. Гидрирование альдегидов и кетонов. Вы уже знаете, что окисление спиртов в мягких условиях приводит к образованию альдегидов или кетонов. Очевидно, что спирты могут быть получены при гидрировании (восстановлении водородом, присоединении водорода) альдегидов и кетонов:

4. Окисление алкенов. Гликоли, как уже отмечалось, могут быть получены при окислении алкенов водным раствором перманганата калия. Например, этиленгликоль (этандиол-1,2) образуется при окислении этилена (этена):

$CH_2=CH_2+[O]+H_2O{→}↖{KMnO_4}HO-CH_2-CH_2-OH$

5. Специфические способы получения спиртов. Некоторые спирты получают характерными только для них способами. Так, метанол в промышленности получают при взаимодействии водорода с оксидом углерода (II) (угарным газом) при повышенном давлении и высокой температуре на поверхности катализатора (оксида цинка):

$CO+2H_2{→}↖{t,p,ZnO}CH_3-OH$

Необходимую для этой реакции смесь угарного газа и водорода, называемую также синтез-газом ($СО + nН_2О$), получают при пропускании паров воды над раскаленным углем:

$C+H_2O{→}↖{t}CO+H_2-Q$

6. Брожение глюкозы. Этот способ получения этилового (винного) спирта известен человеку с древнейших времен:

${C_6H_{12}O_6}↙{глюкоза}{→}↖{дрожжи}2C_2H_5OH+2CO_2$

Способы получения альдегидов и кетонов

Альдегиды и кетоны могут быть получены окислением или дегидрированием спиртов . Еще раз отметим, что при окислении или дегидрировании первичных спиртов могут быть получены альдегиды, а вторичных спиртов — кетоны:

Реакция Кучерова . Из ацетилена в результате реакции гидратации получается уксусный альдегид, из гомологов ацетилена — кетоны:

При нагревании кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот образуются кетон и карбонат металла:

Способы получения карбоновых кислот

Карбоновые кислоты могут быть получены окислением первичных спиртов альдегидов:

Ароматические карбоновые кислоты образуются при окислении гомологов бензола:

Гидролиз различных производных карбоновых кислот также приводит к получению кислот. Так, при гидролизе сложного эфира образуются спирт и карбоновая кислота. Как уже говорилось выше, реакции этерификации и гидролиза, катализируемые кислотой, обратимы:

Гидролиз сложного эфира под действием водного раствора щелочи протекает необратимо, в этом случае из сложного эфира образуется не кислота, а ее соль.

ПОЛУЧЕНИЕ БУТАДИЕНА-1,3 (ДИВИНИЛА)

Бутадиен-1,3 СН 2 =СН-СН-СН 2 является основным мономером для получения синтетиче­ских каучуков.

Синтез бутадиена-1,3 из этанола, разработанный С. В. Лебе­девым, был первым промышленным методом получения мономера, на основе которого в 1932 г. впервые в мире был пущен завод по производству синтетического каучука.

Суммарное уравнение реакции может быть записано в виде

2С 2 Н 5 ОН ® С 4 Н 6 + Н 2 + 2Н 2 О, ΔН = 85 кДж

Из уравнения видно, что суммарная реакция представляет собой сочетание конденсации, дегидрирования и дегидратации. Этим требованиям отвечает предложенный Лебедевым бифункциональ­ный оксидный катализатор, содержащий дегидрирующие и дегид­ратирующие компоненты. Однако теперь метод утратил свое прак­тическое значение. Принципиальный недостаток метода заключа­ется в его низкой селективности (даже теоретический выход ди­винила из 100% этанола составляет 58,7%).

В настоящее время основными способами синтеза дивинила являются дегидрирование n -бутана, выделенного из природного газа, и комплексная переработка бутан-бутиленовых фракций пи­ролиза нефтепродуктов, включающая извлечение бутадиена, выде­ление изобутилена и дегидрирование n -бутиленов в бутадиен.

При дегидрировании бутана существенную роль играют термодинамические ограничения, вследствие чего бутадиен-1,3 полу­чить в одну стадию с технически приемлемым выходом в обычных условиях практически невозможно, и лишь с помощью специаль­ных приемов (применение вакуума, окислительное дегидрирова­ние) выход может быть поднят до требуемого уровня.

Большинство промышленных установок получения дивинила из бутана работает по двухстадийной схеме. Первая стадия дегид­рирования бутана заключается в превращении его в бутилен, а вторая - это процесс получения дивинила из бутилена.

Дегидрирование бутана в бутилен на хромооксидном промотированном катализаторе, нанесенном на оксид алю­миния, протекает по реакции

С 4 Н 10 ® С 4 Н 8 + Н 2 , ΔH = 131 кДж

Состав...... Al 2 O 3 Fe 2 O 3 Cr 2 O 3 SiO 2 KNO 3 CaO H 2 O

Массовая доля, % 66,10 1,72 15,8 7,9 4,93 0,14 3,34

В процессе дегидрирования бутана катализатор покрывается углеродистыми отложениями и изменяет свой химический состав. Активность катализатора при этом резко снижается. С целью ре­активации катализатор непрерывно отводят из реактора и обжи­гают в токе воздуха в регенераторе с кипящим слоем. Углероди­стые соединения при этом выгорают, а низшие оксиды хрома окисляются до Сг 2 Оз. Технологическая схема установки дегидри­рования бутана изображена на рис. 1.

Бутан в жидком виде поступает в осушитель 1 , заполненный адсорбентом (А1 2 О 3 , цеолиты) и затем в испаритель 2. Образовав­шиеся пары нагреваются в трубчатой печи 3 до температуры 780- 820 К и поступают под распределительную решетку реактора 4 на дегидрирование. Необходимое для протекания реакции количество теплоты подводит­ся с потоком нагретого регенерированного катализатора из реге­нератора 5. Температура в регенераторе 890-920 К. Регенериро­ванный катализатор подают на верхнюю распределительную ре­шетку и, следовательно, катализатор и реакционные газы движутся противотоком. В верхней части имеется змеевик для за­калки реакционных газов. Благодаря этому температура газов быстро снижается до 720-750 К и предотвращается их дальней­шее разложение.

Транспортирование катализатора в регенератор осуществляется потоком воздуха, а в реактор - парами исходного углеводорода или азотом. Контактный газ из реактора направляется в котел-утилизатор 6 для получения вторичного пара, а затем для улавливания катализаторной пыли и дальнейшего охлаждения - в скруббер 7, орошаемый водой. Дымовые газы из регенератора освобождаются от катализаторной пыли в электрофильтре 8, за­тем проходят через скруббер и выбрасываются в атмосферу.

Для восполнения потерь и поддержания активности к цирку­лирующему в системе катализатору ежесуточно добавляется све­жий. Очищенный контактный газ поступает в турбокомпрессор 9, давление нагнетания которого составляет около 0,5 МПа, и затем в систему конденсации 10, где в качестве хладагента последова­тельно применяются вода и кипящий пропан. Несконденсированный продукт направляется в абсорбер 11 . Поглощение произво­дится смесью углеводородов С 6 -C 12 . Растворенный бутилен от­гоняется в десорбере 12 и всмеси со сжиженным продуктом из конденсатора 10 поступает в систему ректификационных колонн 13 и 14. В колоннах от продукта дегидрирования отгоняются низ­ко- и высококипящие примеси (последние добавляются к цирку­лирующему абсорбенту для компенсации потерь.). Продукты де­гидрирования бутана направляются на блок экстративной ректи­фикации 15 для выделения бутиленовой фракции.

Дегидрирование бутилена до дивинила протекает на
хромкальцийфосфатном катализаторе по реакции
C 4 Н 8 ® C 4 Н 8 + H 2 , ΔН=119кДж.

Технологическая схема дегидрирования бутиленов изображена на рис.2.

ХЛОРИРОВАНИЕ ПАРАФИНОВ И ИХ ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ

В промышленности осуществляют термическое хлорирование в газовой фазе при температуре, необходимой для активации мо­лекул хлора, дающей начало радикальной цепной реакции: С1 2 ® С1× + С1×

RH + С1× ® R + HCl

R + Cl 2 ® RCl + С1× и т. д.

Реакция замещения атомов водорода на атомы хлора приводит
к образованию смеси моно-, ди- и полихлорзамещенных продуктов и выделению хлороводорода.

Преимущественное образование того или иного продукта опре­деляется условиями реакции; температурным режимом и молеку­лярным соотношением углеводорода и хлора (рис. 3).

Хлорирование метана проводят в хлораторе (рис. 4), представляющем собой стальной цилиндри­ческий корпус, футерованный изнутри шамотным кирпичом 2, в верхней части которого расположена насадка из фарфоровых колец 3, способствующая равномерному протеканию реакции. Половина высоты внутренней части хлоратора занята от­крытым керамическим вертикальным цилиндром 4 с отверстиями внизу, в ко­торый опущена суженным кольцом кера­мическая труба, подающая сырье. Про­цесс начинают предварительным разо­греванием внутренней части хлоратора (для возбуждения реакции). Разогрева­ние производят сжиганием части метана в смеси с воздухом, с последующей за­меной воздуха хлором. В дальнейшем реакция идет автотермично. Продукты хлорирования отводятся из верхней час­ти аппарата, затем из газовой смеси в кислотных абсорберах улавливается водой хлороводород (получается соляная кислота), газовая смесь нейтрализуется щелочью, высушивается вымораживанием, сжимается и сжижается методом глубокого охлаждения. Из жидкой смеси, содержащей хлористого метила 28-32%, хлористого ме­тилена 50-53%, хлороформа 12-14% и тетрахлорида углерода 3-5% при помощи ректификации выделяют индивидуальные про­дукты.

Все хлорзамещенные метана находят широкое применение. Так, хлористый метил СН 3 С1 используют как растворитель в произ­водстве бутилкаучука, в качестве метилирующего вещества в ор­ганическом синтезе, для получения метилхлорсиланов, которые слу­жат исходным сырьем в производстве кремнийорганических поли­меров - силиконов. Хлористый метилен СН 2 С1 2 является ценным промышленным растворителем ацетилцеллюлозы, жиров, масел, парафина, каучуков; он не горюч и не образует взрывчатых смесей с воздухом.

ХЛОРИРОВАНИЕ БЕНЗОЛА

Хлорированием бензола получают монохлорбензол или другие хлорпроизводные в зависимости от условий хлорирования. Так, при 310-330 К и молярном отношении бензола и хлора 1:0,6 на железном катализаторе образуется монохлорбензол; при более низком соотношении и катализаторе А1С1 3 получается в основном о-дихлорбензол (используется в синтезе красителей и средств борьбы с сельскохозяйственными вредителями); при той же тем­пературе в условиях ультрафиолетового облучения получают гексахлорциклогексан. На рис. 5 дана схема получения хлорбензола с отводом теплоты экзотермической реакции за счет испарения избыточного бензола.

Хлорирование проводят в стальном цилиндрическом аппарате,

ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХЛОРОВОДОРОДА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ В ПРОЦЕССАХ ХЛОРИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Хлороводород является отходом хлориро­вания парафиновых и ароматических углеводородов нефтепереработки, широко применяемого в промыш­ленном органическом синтезе. Утилизация представляет собой актуальную задачу, связанную с удешевлением продуктов хлориро­вания, улучшением санитарных условий, борьбой с коррозией ме­таллов.

Часть хлороводорода используется для производства соляной кислоты путем противоточной абсорбции НС1 водой. Однако мест­ные потребности в соляной кислоте обычно много меньше, чем возможности ее производства из хлороводорода. Транспорт со­ляной кислоты на дальние расстояния затруднен ввиду ее большой коррозионной способности.

Перспективным путем утилизации НС1 является метод окисли­тельного хлорирования. Этим методом в современной промышленности синтезируют из этилена винилхлорид: в реакторе окисли­тельного хлорирования этилен превращается в 1,2-дихлорэтан, каталитическим разложением которого получают хлористый винил; образующийся при этом НС1 вновь направляют в реактор:

2СН 2 = СН 2 + 4НС1 + О 2 ® 2СН 2 С1-СН 2 С1 + 2Н 2 О, ΔН = –238 кДж/моль СН 2 С1-СН 2 С1 ® СН 2 = CHCI + НС1.

Процесс окислительного хлорирования идет при 530-570 К в присутствии катализатора (хлорная медь на инертном носителе); пиролиз дихлорэтана проводят при 770 К на пористом катализа­торе (пемза).

На рис. 6 показана упрощенная схема синтеза винилхлорида из этилена. В смесителе 1 этилен, рециркулирующий газ и хлороводород смешиваются с кислородом и поступают в реактор 2 с псевдоожиженным катализатором; пары образовавшегося ди­хлорэтана и непрореагировавшие этилен, кислород и НС1 охлаж­даются в холодильнике непосредственного смешения 3 смесью во­ды и дихлорэтана, поступающих из холодильника 4. Затем газо­паровая смесь проходит горячий щелочной скруббер 5, в котором очищается от НCl и СО 2 , охлаждается в холодильнике и, прохо­дя газоотделитель 6, отделяется от газов - смеси этилена и кис­лорода, которые возвращаются в реактор (рециркулирующий газ). Дихлорэтан в сепараторе 7 отделяется от воды, поступает в осу­шительную колонну 8, где с помощью азеотропной перегонки окончательно обезвоживается и подается в ректификационную ко­лонну 9; дихлорэтан собирается в сборнике 10. Последующий пи­ролиз дихлорэтана с получением винилхлорида происходит в труб­чатой печи 11 ; реакционная смесь из печи поступает в холодиль­ник непосредственного смешения, охлаждается циркулирующим охлажденным дихлорэтаном и, пройдя холодильник 4, поступает в ректификационную колонну 12, где отделяется НС1, который возвращается в реактор окислительного хлорирования, а винил-хлорид и непревращенный дихлорэтан разделяются в ректифика­ционной колонне 13; дихлорэтан возвращается в колонну 9, а винилхлорид поступает на полимеризацию.

Значительный интерес для утилизации представляет комби­нирование предприятий на базе газов нефтепереработки, в част­ности совместная переработка этилена и ацетилена и винилхлорид; хлороводород, образующийся при получении винилхлорида из этилена, используют для гидрохлорирования ацетилена:

СН 2 =СН 2 + С1 2 ® СН 2 С1-СН 2 С1(пиролиз)® СН 2 = СНС1 + HCI

СНºСН + НС1 ® СН 2 = СНС1

Экономичным способом утилизации хлороводорода является комбинирование хлорирования метана с окислительным хлориро­ванием в целях получения хлорзамещенных метана:

СН 4 + 4С1 2 ® CCI 4 + 4HCI

СН 4 + 4НС1 + О 2 ® СС! 4 + 2Н 2 О

В этом процессе кроме тетрахлорида углерода получают метиленхлорид и хлороформ. Тетрахлорид углерода применяют как растворитель, в сельском хозяйстве (фумигант), для тушения по­жаров и др. Хлороформ - ценный промежуточный продукт в син­тезе фенолов, фторопластов и др.

Окислительным хлорированием получают также хлорбензол из парогазовой смеси бензола, хлороводорода и воздуха (кисло­рода) при 500 К на смешанном катализаторе (А1 2 О 3 -СuС1 2 - FeCl 3):

С 6 Н 6 + НС1 + 1/ 2 О 2 ® С 6 Н 5 С1 + Н 2 О

Для утилизации хлороводорода можно применять электрохимическое окисление его в хлор.

Предложен хромцезиевый катализатор и способ применения его для окисления хлороводорода до хлора, т. е. регенерации хло­ра из отходящих газов хлорирования органических соединений.

ПРОИЗВОДСТВО АЦЕТИЛЕНА И ЕГО ПЕРЕРАБОТКА

Производство ацетилена разложением карбида кальция осуществляют в ацетиленовых генераторах мокрым и сухим способами по уравнению реакции:

СаС 2 + 2Н 2 О ® С 2 Н 2 + Са (ОН) 2 ΔH= –127 кДж.

При мокром способе в генераторах, работающих по принципу «карбид в воду», дробленый карбид кальция равномерно подается в генератор, содержащий большое количество воды, за счет нагре­вания которой и отводится выделяющаяся в ходе процесса тепло­та. Применяемая по этой схеме аппаратура и особенно коммуни­кации для удаления образующегося шлама и циркуляция воды очень громоздки. Кроме того, большие затруднения вызывают транспортировка и использование жидкого известкового молока, содержащего до 70% воды.

Разработаны также эффективные промышленные способы полу­чения ацетилена из углеводородов. Ацетилен из парафинов обра­зуется по следующим обратимым эндотермическим реакциям:

2СН 4 D С 2 Н 2 + Н 2 ΔН = 376 кДж

С 2 Н 6 D С 2 Н 2 + 2Н 2 ΔН = 311 кДж

С 3 Н 8 D С 2 Н 2 + СН 4 + Н 2 ΔН = 255 кДж

СН 4 D С + 2Н 2 ΔН = 88 кДж

Реакция (г) является побочной.

Равновесие реакций при увеличении температуры смещается в сторону образования ацетилена. Высокая степень равновесной конверсии для метана достигается при Т>1670 К, для этана - 1170 К. Но при температурах >1680 К ацетилен и углеводороды становятся неустойчивыми и разлагаются на сажу и углерод.

Реакция превращения метана в ацетилен при принятых в производстве температурах 1670-1770 К идет быстрее реакции распада ацетилена на элементы, поэтому продукты реакции быстро охлаждают, что позволяет предупредить разложение ацетилена, с этой же целью применяют высокие объемные скорости газа, при которых сырье должно находиться в реакционной зоне только тысячные доли секунды.

По способу подвода теплоты для осуществления экзотермиче­ской реакции образования ацетилена различают следующие мето­ды проведения процесса: 1) электрокрекинг газообразных углево­дородов или жидких продуктов; 2) гомогенный пиролиз; 3) термо­окислительный пиролиз.

Электрокрекинг проводится при помощи вольтовой дуги в электродуговых печах постоянного тока.

Гомогенный пиролиз заключается в разложении сырья в потоке горячих топочных газов при температу­ре около 2200 К.

В термоокислительном пиролизе необходимая теплоиа получается за счет сжигания части метана.

Основными недостатками карбидного метода получения ацетилена являются большой расход электроэнергии при про­изводстве карбида кальция и значитель­ное количество потребляемого сырья (из­вестняка и кокса), перерабатываемого в несколько стадий. В то же время при карбидном способе получается концентрированный ацетилен, очистка которого от небольших примесей не вызывает затрудне­ний.

В методах термического расщепления углеводородов исполь­зуется меньшее количество сырья, которое превращается в аце­тилен в одну стадию, но ацетилен получается разбавленным и тре­буется сложная система его очистки и концентрирования. Необхо­димо отметить, что карбидный способ дает около 70% мирового производства ацетилена.

Существуют следующие основные методы первичной переработ­ки ацетилена.

Гидратация :

а) с получением ацетальдегида и уксусной кис­лоты (катализатор(HgSO 4):

б) с получением ацетона (катализатор ZnO на активирован­ном угле)

2СН = СН + 3Н 2 О ® СН 3 СОСН 3 + СО 2 + 2Н 2

Полимеризация в линейные и циклические вещества для получения мономеров синтетического каучука и волокон.

Хлорирование с получением растворителей и мономеров.

Винилирование ацетиленом различных веществ с получением мономеров:

ROH ® ROCH=CH 2

RCOOH ® RCOOCH=CH 2