Конформационная изомерия бутана

 

“Молекула бутана может иметь больше разнообразных конформаций. Наибольшую разность энергий имеют конформации, возникающие при вращении относительно друг друга 2-го и 3-го атомов углерода. Метильные группы значительно сильнее отталкиваются друг от друга, чем атомы водорода, поэтому разность энергий между "заслоненной" и "заторможенной" конформациями больше, чем у этана, и достигает 20 кДж/моль. Этой разности также недостаточно для того, чтобы препятствовать вращению относительно одинарных связей.
Из промежуточных конформаций выделяют "скошенную", когда метильные группы удалены друг от друга, но находятся ближе, чем в "заторможенной" конформации.
Кроме перечисленных выше видов изомерии, для предельных углеводородов, начиная с гептана, характерна и оптическая (зеркальная) изомерия (например, для метилэтилизопропилметана).

Для знакомства с данным видом изомерии рекомендуем просмотреть анимационный фильм "Механизм реакции бромирования алканов" (данный материал доступен только на CD-ROM), в котором на примере 3-бром-2,3- диметилпентана – продукта реакции бромирования – затрагивается вопрос оптической (зеркальной) изомерии. В фильме показано, что в результате реакции бромирования метилэтилизопропилметана возможно образование двух продуктов – двух пространственных изомеров, отличающихся друг от друга как несимметричный предмет от своего зеркального изображения.

 

Получение

 

1) Предельные углеводороды от C₁ до C₁₁ выделяют фракционной перегонкой нефти, природного газа или смесей углеводородов, получаемых гидрированием угля. Реакции гидрирования угля под давлением, гидрирования окиси или двуокиси углерода в присутствии катализаторов (железо, кобальт, никель) при повышенной температуре имеет важное самостоятельное значение для получения предельных углеводородов.

 

n C + (n+1) H₂ ––^400°С,p® C_nH_2n+2

n CO + (2n+1) H₂ ––^200°С,Ni® C_nH_2n+2+ n H₂O

 

2) Алканы получают гидрированием непредельных или циклических углеводородов в присутствии катализаторов (платины, палладия, никеля).

 

R–CH=CH–R' + H₂ ––^kat® R–CH₂–CH₂–R'

 

(циклопропан) + H₂ ––^Pd® CH₃ –CH₂ –CH₃(пропан)

 

3) Получение алканов можно осуществить реакцией Вюрца, заключающейся в действии металлического натрия на моногалогенопроизводные углеводородов.

 

2CH₃–CH₂Br(бромистый этил) + 2Na ® CH₃–CH₂–CH₂–CH₃(бутан) + 2NaBr

 

4) В лабораторной практике предельные углеводороды получают декарбоксилированием карбоновых кислот при сплавлении их со щелочами. Так получают метан при нагревании ацетата натрия с гидроксидом натрия.

 

CH₃COONa + NaOH ––^t°® CH₄­ + Na₂CO₃

 

5) Метан также можно получить гидролизом карбида алюминия.

 

Al₄C₃ + 12H₂O ® 3CH₄­ + 4Al(OH)₃

 

Физические свойства

 

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, а начиная с C₁₈ – твердые вещества. Температуры плавления и кипения алканов их плотности увеличиваются с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями.
Физические свойства некоторых алканов представлены в таблице.

 

Таблица. Физические свойства некоторых алканов

Название	Формула	t°пл., °С	t°кип., °С	d420 *
Метан	CH4	-182,5	-161,5	0,415 (при -164°С)
Этан	C2H6	-182,8	-88,6	0,561 (при -100°С)
Пропан	C3H8	-187,6	-42,1	0,583 (при -44,5°С)
Бутан	C4H10	-138,3	-0,5	0,500 (при 0°С)
Изобутан	CH3–CH(CH3)–CH3	-159,4	-11,7	0,563
Пентан	C5H12	-129,7	36,07	0,626
Изопентан	(CH3)2CH–CH2–CH3	-159,9	27,9	0,620
Неопентан	CH3–C(CH3)3	-16,6	9,5	0,613

 

* Здесь и далее в таблицах физических свойств веществ d₄²⁰ – плотность. Приводится относительная плотность, т.е. отношение плотности вещества при 20°С к плотности воды при 4°С.

 

Химические свойства

 

Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия. Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления. Эти реакции вследствие прочности связей C–C и C–H протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов.
Рассмотрим некоторые примеры реакций этого типа.

 

1) Галогенирование. Это одна из характерных реакций предельных углеводородов. Наибольшее практическое значение имеют бромирование и хлорирование алканов.
Для изучения этих реакций необходимо просмотреть анимационный фильм "Механизм реакции бромирования алканов"(данный материал доступен только на CD-ROM). Обращаем внимание на то, что текст, сопровождающий этот фильм, в полном объеме перенесен в данный подраздел и ниже следует.