Повторите электронное и пространственное строение предельных углеводородов, а также их изомерию и номенклатуру.
Электронное строение предельных углеводородов объясняется наличием одинарных сигма-связей C–C и C–H, образованных перекрытием гибридных sp3-орбиталей углерода с соответствующими орбиталями соседних атомов; каждая такая связь локализована и достаточно прочна. Пространственная структура связана с гибридизацией sp3: каждый атом углерода имеет тетраэдрическую конфигурацию с приблизительными углами между связями 109,5°. Свободное вращение вокруг одинарной связи C–C делает возможными различные конформации (например, заторможенные и оправленные положения у простейших этильных фрагментов); эти конформационные различия не дают изомеров в строгом смысле, но влияют на энергию и реакционную способность. Изомерия у предельных углеводородов проявляется главным образом как структурная (скелетная) изомерия и, в некоторых случаях, как стереоизомерия при подстановках (например, при образовании хиральных центров). Правила номенклатуры: выбирают главную цепь наибольшей длины, пронумеровывают её так, чтобы локанты заместителей были минимальными, перечисляют заместители в алфавитном порядке и указывают их позиции.
1. Напишите структурные формулы всех изомеров органического соединения состава C4H9Cl и дайте им названия по международной номенклатуре.
Все изомеры соединений состава C4H9Cl (четыре структурных изомера) и их структурные формулы в упрощённой конденсированной записи: 1) 1-хлорбутан: CH3–CH2–CH2–CH2Cl, IUPAC: 1-хлорбутан; 2) 2-хлорбутан: CH3–CH2–CH(Cl)–CH3, IUPAC: 2-хлорбутан; 3) 1-хлор-2-метилпропан (изобутилхлорид): (CH3)2CH–CH2Cl, IUPAC: 1-хлор-2-метилпропан ; 4) 2-хлор-2-метилпропан (трет-бутилхлорид): (CH3)3C–Cl, IUPAC: 2-хлор-2-метилпропан .
2. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2-фтор-Тхлорпропан; б) 2,2-дибромпропан; в) 2-метил-2-бром- бутан.
Структурные формулы запрошенных соединений (интерпретирую «2-фтор-Тхлорпропан» как 2-фтор-1-хлорпропан): а) 2-фтор-1-хлорпропан: Cl–CH2–CHF–CH3; б) 2,2-дибромпропан: CH3–C(Br)2–CH3; в) 2-метил-2-бромбутан: CH3–C(Br)(CH3)–CH2–CH3.
3. Почему галогеноалканы химически активнее соответствующих предельных углеводородов? На любом примере мотивируйте свой ответ.
Галогеноалканы значительно реакционноспособнее соответствующих предельных углеводородов потому, что связь C–X (X = F, Cl, Br, I) полярна: электронная плотность смещена к гетероатому-галоиду, поэтому углерод приобретает частичный положительный заряд (Cδ+). Это делает углерод уязвимым для нуклеофилов и создаёт возможность гетеролизного разрыва связи с образованием хорошего уходящего иона (X−). В результате галогеноалканы легко вступают в реакции нуклеофильного замещения (SN2 у первичных и вторичных, SN1 у третичных) и в реакции эллиминации, тогда как насыщенные углеводороды с неполярными C–H и C–C связями практически не реагируют с нуклеофилами при нормальных условиях. Пример: метилхлорид реагирует с гидроксид-ионом в растворе по механизму SN2: CH3Cl + OH− → CH3OH + Cl−, тогда как метан в аналогичных условиях остаётся неактивным из-за отсутствия полярной «мишени» и уходящей группы.
4. Напишите уравнения химических реакций бромэтана: а) с метиловым спиртом; б) с аммиаком; в) с водой.
а) С метанолом происходит нуклеофильное замещение с образованием простого эфира. C2H5Br + CH3OH → C2H5OCH3 + HBr
б) С аммиаком происходит замещение брома на аминогруппу с образованием этанамина: C2H5Br + NH3 → C2H5NH2 + HBr
в) С водой образуется этанол: C2H5Br + H2O → C2H5OH + HBr
5. Напишите уравнения реакций получения 1,2-дихлорэтана известными вам способами.
Есть два основных способа.
Первый способ — хлорирование этилена: CH2=CH2 + Cl2 → Cl-CH2-CH2-Cl
Второй способ — реакция этана с хлором при УФ-свете с перегруппировкой не происходит, но в результате образуется смесь хлорэтанов. Однако промышленный способ именно первый, поэтому можно записать ещё последовательное замещение: C2H5Cl + Cl2 → Cl-CH2-CH2-Cl + HCl
6. Выведите молекулярную формулу хлоропроизводного алкана, если массовая доля углерода составляет 45,85 %, водорода — 8,92 %, хлора — 45,22 %.
Даны массовые доли: C — 45,85 % H — 8,92 % Cl — 45,22 %
Берём 100 г вещества и переводим в мольные количества: C: 45,85 г / 12 ≈ 3,82 H: 8,92 г / 1 ≈ 8,92 Cl: 45,22 г / 35,5 ≈ 1,27
Делим на самое маленькое значение: C: 3,82 / 1,27 ≈ 3 H: 8,92 / 1,27 ≈ 7 Cl: 1,27 / 1,27 ≈ 1
Эмпирическая формула: C3H7Cl.
Алканы имеют формулу CnH(2n+1)X, значит C3H7Cl — корректно. Итог: формула вещества C3H7Cl.
7. Составьте уравнения реакций, соответствующих следующей схеме: C2H6 - C2H5Br- C2H4- (-Ch2-Ch2-)n
C2H6 → C2H5Br → C2H4 → (–CH2–CH2–)n
Этан → бромэтан → этилен → полиэтилен.
Первый этап — радикальное бромирование: C2H6 + Br2 → C2H5Br + HBr
Второй этап — отщепление HBr, дегидрогалогенирование: C2H5Br → CH2=CH2 + HBr (обычно применяют спиртовой раствор KOH)
Третий этап — полимеризация этилена: n CH2=CH2 → (–CH2–CH2–)n