"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Алканы, алкены и алкины отличаются степенью насыщенности: в их молекулах соответственно одинарные, двойные и тройные связи между атомами углерода. Поэтому классы углеводородов можно превращать друг в друга, отщепляя или присоединяя водород, а также используя реакции галогенпроизводных. Такие закономерные переходы называют генетической связью. Она помогает планировать получение веществ и составлять цепочки реакций, проверяя формулы, условия и сохранение углеродного скелета.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алкан — предельный ациклический углеводород с общей формулой CₙH₂ₙ₊₂. Его углеродные атомы соединены одинарными связями, а характерны для него реакции замещения и дегидрирования. Замещение позволяет заменить атом водорода, например на хлор, а дегидрирование — отщепить водород и получить непредельное соединение. Это определение помогает понять, почему алкан не присоединяет водород по кратной связи: такой связи у него нет.
Алкен — непредельный ациклический углеводород с одной двойной связью и общей формулой CₙH₂ₙ. Двойная связь включает две общие электронные пары и является участком повышенной реакционной способности. По ней могут присоединяться, например, водород или галогеноводород, а двойная связь при этом превращается в одинарную. Формула и строение алкена помогают предсказать его реакции и отличить его от алкана.
Алкин — непредельный ациклический углеводород с одной тройной связью и общей формулой CₙH₂ₙ₋₂. Тройная связь состоит из одной σ-связи и двух π-связей; при присоединении реагентов она может превращаться сначала в двойную, а затем в одинарную. Поэтому алкин способен присоединять реагенты по тройной связи, причём результат зависит от количества реагента и условий. Это позволяет связывать алкины с алкенами и алканами в цепочках превращений.
Генетическая связь углеводородов — закономерные переходы между их классами, которые проводят с помощью химических реакций. В большинстве таких превращений число атомов углерода сохраняется, то есть углеродный скелет остаётся прежним. Однако в отдельных реакциях скелет может изменяться, и это нужно учитывать отдельно. Понятие помогает не просто запоминать реакции, а строить маршрут от исходного вещества к нужному продукту.
Сравнение формул показывает, как устроены гомологические ряды: алканам соответствует CₙH₂ₙ₊₂, алкенам — CₙH₂ₙ, алкинам — CₙH₂ₙ₋₂. При одинаковом числе атомов углерода алкен содержит на два атома водорода меньше, чем алкан, а алкин — на четыре меньше. Причина в том, что кратные связи требуют меньшего числа связей C–H для завершения валентности атомов углерода. Поэтому по формуле можно оценить степень ненасыщенности, но для точного строения могут понадобиться дополнительные сведения.
Алкан превращают в алкен дегидрированием — отщеплением молекулы H₂. Два атома углерода, от которых удалили по одному атому водорода, образуют дополнительную связь между собой: одинарная связь становится двойной. Например, этан при нагревании на катализаторе превращается в этен и водород. Реакцию проводят при подходящих температуре и катализаторе, поскольку без необходимых условий отщепление водорода не идёт с нужной скоростью и направлением.
При гидрировании алкена водород присоединяется по двойной связи, и образуется алкан; например, этен превращается в этан. Это обратный по изменению состава процессу дегидрирования: число атомов водорода увеличивается, а степень ненасыщенности уменьшается. Чтобы получить алкин из алкена, нужно отщепить ещё одну молекулу H₂, превратив двойную связь в тройную. Для таких превращений необходимы соответствующие условия; нельзя считать, что любая температура или катализатор одинаково подходят для обеих стадий.
Алкен можно получить из галогеналкана элиминированием — отщеплением двух атомов или групп от соседних атомов углерода. Если отщепляются водород и галоген, образуется галогеноводород, а между углеродами возникает двойная связь. Обычно применяют спиртовой раствор щёлочи и нагревание; состав среды влияет на направление реакции. Водная щёлочь часто приводит к замещению галогена на гидроксильную группу, поэтому при записи синтеза одного лишь названия реагента «щёлочь» недостаточно.
Чтобы построить цепочку переходов, сначала сравните формулы исходного вещества и продукта и определите, какие атомы нужно присоединить или удалить. Затем выберите подходящий тип реакции: присоединение для кратной связи, замещение для алкана или элиминирование для получения алкена из галогеналкана. После этого укажите реагенты и условия и расставьте коэффициенты. Например, переходы алкан → алкен → алкин требуют последовательного отщепления водорода, а обратное насыщение кратной связи проводят гидрированием.
| Класс | Общая формула ациклического ряда | Характерная связь | Типичный переход в другой класс | Условия или реагенты |
|---|---|---|---|---|
| Алкан | CₙH₂ₙ₊₂ | Одинарная C–C | Дегидрирование в алкен | Нагревание, катализатор |
| Алкен | CₙH₂ₙ | Одна двойная C=C | Гидрирование в алкан; дегидрирование в алкин | H₂, катализатор; для дегидрирования — подходящие условия |
| Алкин | CₙH₂ₙ₋₂ | Одна тройная C≡C | Гидрирование в алкен или алкан | H₂, катализатор; результат зависит от условий и количества H₂ |
| Гидрирование непредельного углеводорода | Формула зависит от исходного вещества | Кратная связь уменьшается | Алкин → алкен → алкан | Водород, катализатор |
| Дегидрирование предельного углеводорода | Формула зависит от исходного вещества | Образуется кратная связь | Алкан → алкен; дальнейшее отщепление H₂ может дать алкин | Нагревание, катализатор, подходящие условия |
| Элиминирование галогеноводорода из галогеналкана | Формула зависит от галогеналкана | Образуется C=C | Галогеналкан → алкен | Спиртовой раствор щёлочи, нагревание |
Сначала найдите в таблице класс исходного вещества и его формулу, а затем сопоставьте характерную связь с нужным переходом. Последний столбец подсказывает, какие условия следует указать в уравнении. Формулы относятся к ациклическим рядам и не учитывают циклические соединения.
Задача: запишите уравнение превращения этана в этен и назовите тип реакции. В этане два атома углерода, поэтому при превращении в этен число атомов углерода должно сохраниться. Сравнение формул C₂H₆ и C₂H₄ показывает, что нужно удалить два атома водорода, то есть одну молекулу H₂. Условия — нагревание и катализатор.
Ответ: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂, t°, катализатор. Это дегидрирование, то есть реакция отщепления водорода; образуется двойная связь.
Задача: составьте цепочку превращений и укажите реагенты с условиями. На первой стадии двойная связь этена исчезает при присоединении водорода. На второй стадии в этане один атом водорода замещают хлором, а на третьей из хлорэтана отщепляют HCl, восстанавливая двойную связь. Важно различать среду реакций: для замещения нужен свет, а для элиминирования — спиртовая щёлочь при нагревании.
Ответ: этен превращается в этан присоединением водорода, этан — в хлорэтан замещением, а хлорэтан — обратно в этен элиминированием HCl. Число атомов углерода на каждой стадии остаётся равным двум. В последнем уравнении проверьте наличие калия, кислорода, водорода и хлора по обе стороны.
Задача: запишите уравнения, назовите типы реакций и объясните изменение состава. Во всех веществах сохраняются три атома углерода, поэтому скелет не перестраивается. Чтобы перейти от пропана к пропену, отщепляют одну молекулу H₂; чтобы из пропена получить пропин, необходимо отщепить ещё одну. Каждая стадия — дегидрирование, но конкретные условия для неё должны обеспечивать нужное превращение.
Ответ: C₃H₈ → C₃H₆ + H₂ → C₃H₄ + 2H₂ при проведении последовательных стадий. Первое уравнение описывает переход алкана в алкен, второе — дальнейшее дегидрирование алкена до алкина. Общее уменьшение количества водорода на четыре атома соответствует разнице формул пропана и пропина.
Дегидрирование путают с гидрированием, потому что названия похожи. При дегидрировании H₂ отщепляется, а при гидрировании присоединяется; перепутанный знак изменит формулу продукта. Проверяйте, увеличивается или уменьшается число атомов водорода, и соотносите это с переходом между классами.
Иногда предполагают, что алкан присоединяет водород так же, как алкен. Но алкан насыщен и не содержит кратной связи, по которой можно присоединить H₂; обычно алкан сначала дегидрируют. Перед выбором реакции нарисуйте или представьте связи в молекуле и проверьте, есть ли участок, способный к присоединению.
Для элиминирования галогеноводорода из галогеналкана ошибочно указывают водную щёлочь. В такой среде часто идёт замещение галогена гидроксильной группой, а не образование алкена. Проверка проста: если нужен алкен, укажите спиртовой раствор щёлочи и нагревание, а в продукте покажите двойную связь.
Ещё одна ошибка — не проверять молекулярную формулу продукта и баланс уравнения. При переходе от алкана к алкену должно исчезнуть ровно два атома водорода на одну молекулу, а углеродный скелет обычно сохраняется. Подсчитайте каждый вид атомов слева и справа и сопоставьте формулу продукта с общей формулой его класса.
Для работы с генетическими цепочками нужно знать строение углеводородов, валентность углерода, формулы гомологических рядов и основные типы органических реакций. Особенно полезно различать присоединение, замещение и отщепление: название класса вещества само по себе ещё не определяет ход реакции. Эти знания позволяют обосновывать выбор продукта по строению молекулы.
Тема продолжится при изучении способов получения органических веществ и реакций галогенпроизводных. Умение составлять схемы взаимопревращений помогает планировать синтез из доступного исходного вещества, подбирая промежуточные продукты и условия. Оно также пригодится для проверки многостадийных уравнений и выявления несогласованных переходов.
Как определить, сколько водорода нужно отнять при переходе от алкана к алкену?
Сравните формулы: алкан имеет состав CₙH₂ₙ₊₂, а алкен — CₙH₂ₙ. Значит, на одну молекулу алкана отщепляют H₂, сохраняя число атомов углерода.
Чем гидрирование отличается от дегидрирования?
При гидрировании водород присоединяется по кратной связи, и вещество становится более насыщенным. При дегидрировании от молекулы отщепляется H₂, что может привести к образованию кратной связи.
Почему для получения алкена из галогеналкана используют спиртовую щёлочь?
Спиртовая щёлочь способствует отщеплению галогеноводорода от соседних атомов углерода, поэтому образуется двойная связь. Водная щёлочь обычно способствует замещению галогена на гидроксильную группу.
Можно ли получить алкин из алкана в одну стадию?
В школьных схемах переход обычно показывают через алкен: сначала отщепляют H₂ и получают двойную связь, затем проводят дальнейшее дегидрирование. Формально для образования тройной связи из алкана нужно удалить две молекулы H₂, но конкретный прямой путь зависит от условий и не является обычным способом получения.
Как проверить, что цепочка превращений и уравнения реакций составлены верно?
Проверьте, совпадает ли число атомов каждого элемента слева и справа, и соответствует ли формула продукта его классу. Затем сверьте тип реакции с реагентами и условиями: например, для элиминирования из галогеналкана указывают спиртовую щёлочь.
§ 1. Генетическая связь между различными классами углеводород
