Химические свойства алканов и циклоалканов,получение алканов (5 способов),циколоалканов (3 способа ) и применения Алканов и циклоалканов

Краткий ответ

• Алканы — предельные углеводороды, поэтому для них характерны реакции замещения: галогенирование, нитрование, сульфохлорирование. Также идут горение, крекинг, изомеризация, дегидрирование.
• Циклоалканы: малые циклы — циклопропан и циклобутан — вступают в реакции присоединения с раскрытием цикла; устойчивые циклы — циклопентан, циклогексан — ведут себя похоже на алканы, то есть дают замещение. Все циклоалканы горят.
• Получение алканов: реакция Вюрца, реакция Дюма, гидролиз карбида алюминия, гидрирование алкенов/алкинов, синтез Кольбе.
• Получение циклоалканов: дегалогенирование дигалогеналканов, внутримолекулярная реакция Вюрца, гидрирование бензола.
• Применение: топливо, сырьё для органического синтеза, растворители, парафин и вазелин, производство полимеров, медицина.

---

1. Почему свойства именно такие

В алканах есть только одинарные \(\sigma\)-связи, все валентности углерода насыщены. Поэтому присоединять что-то «дополнительно» алканам некуда: типичны реакции, в которых атом водорода замещается другим атомом или группой.

В циклоалканах молекула замкнута в кольцо. Но в циклопропане углы между связями сильно отличаются от обычного тетраэдрического угла, возникает напряжение. Поэтому малые циклы легче раскрываются, и для них характерны реакции присоединения. В циклопентане и циклогексане напряжение небольшое, поэтому они ближе к алканам.

---

2. Химические свойства алканов

2.1. Галогенирование — замещение

На свету или при нагревании:

\[ \mathrm{CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl} \]

Реакция идёт по свободнорадикальному механизму и может продолжаться дальше:

\[ \mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl} \]

и далее до \(\mathrm{CHCl_3}\) и \(\mathrm{CCl_4}\).

2.2. Нитрование — реакция Коновалова

При нагревании и давлении с разбавленной азотной кислотой:

\[ \mathrm{C_2H_6 + HNO_3 \xrightarrow{t,\ p} C_2H_5NO_2 + H_2O} \]

2.3. Сульфохлорирование

\[ \mathrm{RH + SO_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} RSO_2Cl + HCl} \]

2.4. Горение

\[ \mathrm{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O} \]

При недостатке кислорода может образовываться угарный газ или сажа.

2.5. Крекинг, изомеризация, дегидрирование

Крекинг:

\[ \mathrm{C_{10}H_{22} \xrightarrow{t} C_5H_{12} + C_5H_{10}} \]

Изомеризация:

\[ \mathrm{n\text{-}C_4H_{10} \xrightarrow{AlCl_3,\ t} i\text{-}C_4H_{10}} \]

Дегидрирование:

\[ \mathrm{C_2H_6 \xrightarrow{Ni,\ t} C_2H_4 + H_2} \]

Важно: в обычных условиях алканы не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия.

---

3. Химические свойства циклоалканов

3.1. Малые циклы: присоединение с раскрытием цикла

Гидрирование циклопропана:

\[ \mathrm{C_3H_6 + H_2 \xrightarrow{Ni,\ t} C_3H_8} \]

Галогенирование:

\[ \mathrm{C_3H_6 + Br_2 \rightarrow BrCH_2CH_2CH_2Br} \]

Гидрогалогенирование:

\[ \mathrm{C_3H_6 + HBr \rightarrow CH_3CH_2CH_2Br} \]

То есть циклопропан реагирует похоже на непредельный углеводород.

3.2. Устойчивые циклы: замещение

Циклогексан на свету реагирует с галогеном как алкан:

\[ \mathrm{C_6H_{12} + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Br + HBr} \]

3.3. Дегидрирование циклогексана

\[ \mathrm{C_6H_{12} \xrightarrow{Ni,\ 300^\circ C} C_6H_6 + 3H_2} \]

Образуется бензол.

3.4. Горение

\[ \mathrm{C_nH_{2n} + \frac{3n}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + nH_2O} \]

---

4. Получение алканов — 5 способов

1) Реакция Вюрца

\[ \mathrm{2CH_3Br + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaBr} \]

В общем виде:

\[ \mathrm{2R{-}Hal + 2Na \rightarrow R{-}R + 2NaHal} \]

2) Реакция Дюма — декарбоксилирование солей карбоновых кислот

\[ \mathrm{CH_3COONa + NaOH \xrightarrow{t} CH_4 + Na_2CO_3} \]

3) Гидролиз карбида алюминия

\[ \mathrm{Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4} \]

4) Гидрирование алкенов и алкинов

\[ \mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni,\ t} C_2H_6} \]

\[ \mathrm{CH\equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni,\ t} C_2H_6} \]

5) Синтез Кольбе — электролиз солей карбоновых кислот

\[ \mathrm{2CH_3COONa + 2H_2O \rightarrow C_2H_6 + 2CO_2 + H_2 + 2NaOH} \]

Реакцию проводят при электролизе раствора соли.

В промышленности алканы также получают переработкой нефти и природного газа: перегонкой, крекингом, гидрированием угля.

---

5. Получение циклоалканов — 3 способа

1) Дегалогенирование дигалогеналканов

Действием цинка на 1,3-дибромпропан получают циклопропан:

\[ \mathrm{BrCH_2CH_2CH_2Br + Zn \rightarrow C_3H_6 + ZnBr_2} \]

Здесь \(\mathrm{C_3H_6}\) — циклопропан.

2) Внутримолекулярная реакция Вюрца

Из 1,4-дибромбутана получают циклобутан:

\[ \mathrm{BrCH_2CH_2CH_2CH_2Br + 2Na \rightarrow C_4H_8 + 2NaBr} \]

3) Гидрирование бензола

\[ \mathrm{C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni,\ t} C_6H_{12}} \]

Образуется циклогексан.

---

6. Применение алканов и циклоалканов

Алканы

• Метан — бытовое и промышленное топливо, сырьё для получения водорода, синтез-газа, ацетилена, сажи, хлорпроизводных.
• Пропан-бутановая смесь — сжиженный газ, автомобильное топливо.
• Бензин, керосин, дизельное топливо — моторные и реактивные топлива.
• Парафин, вазелин, церезин — свечи, смазки, косметика, медицина.
• Гексан, гептан — растворители.
• Алканы — сырьё для крекинга и производства алкенов.

Циклоалканы

• Циклогексан — растворитель и сырьё для получения капролактама, из которого делают капрон, а также адипиновой кислоты для производства нейлона.
• Циклопропан — применяется в медицине как средство для ингаляционного наркоза.
• Циклоалканы входят в состав нефти и повышают качество моторного топлива, его детонационную стойкость.
• Циклопентан и его производные используют как растворители и компоненты топлив.

---

7. Как проверить себя

• Если в реакции есть \(\mathrm{Br_2}\) и свет, а исходное вещество — алкан или устойчивый циклоалкан, скорее всего, идёт замещение.
• Если реагирует малый цикл с \(\mathrm{Br_2}\), \(\mathrm{H_2}\) или \(\mathrm{HBr}\), идёт присоединение с раскрытием цикла.
• При получении алкана из соли карбоновой кислоты число атомов углерода уменьшается на один.
• При реакции Вюрца два углеводородных радикала соединяются, поэтому число атомов углерода увеличивается.
• При получении циклоалкана из дигалогеналкана важно, чтобы атомы галогена находились в положениях 1,3 или 1,4 — тогда они могут замкнуть цикл.