Цепочки превращений углеводородов
Цепочка превращений показывает, как из одного углеводорода получить другой через несколько реакций. Чтобы решить её, нужно определить класс каждого вещества, заметить изменение углеродного скелета и подобрать реакцию, которая осуществляет именно этот переход.
Как читать цепочку превращений
Начинайте с анализа исходного вещества и продукта. Повторите классификацию углеводородов: алканы содержат только одинарные связи, алкены — двойную связь, алкины — тройную, арены — ароматическое кольцо. Формула вещества часто подсказывает класс: \(C_nH_{2n+2}\) — алкан, \(C_nH_{2n}\) — алкен или циклоалкан, \(C_nH_{2n-2}\) — алкин или диен.
Цепочка превращений — последовательность реакций, в которой продукт одной реакции является исходным веществом для следующей. Над каждой стрелкой указывают реагент, а иногда и условие: нагревание, свет, катализатор.
Каждая стрелка должна соответствовать одной известной реакции, а формулы веществ должны сохранять число атомов каждого элемента. Если изменяется углеродный скелет, это обычно происходит при крекинге, присоединении, полимеризации или реакции ароматизации.
Основные переходы между классами
Для алканов характерны реакции замещения, окисления и расщепления. При хлорировании или бромировании атом водорода замещается галогеном; реакция идёт на свету. При крекинге длинная углеродная цепь распадается на более короткий алкан и алкен.
Алкены легко вступают в реакции присоединения по двойной связи. При гидрировании образуется алкан, при присоединении брома — 1,2-дибромалкан, при гидратации — спирт. Бромная вода и проба Байера помогают обнаружить кратную связь.
Алкины также присоединяют водород, галогены и галогеноводороды. При полном гидрировании тройная связь превращается в одинарную через стадию алкена. Для получения алкина из дигалогеналкана проводят двойное отщепление галогеноводорода спиртовым раствором щёлочи.
Арены получают ароматизацией некоторых алканов, а также циклизацией и дегидрированием. Бензол вступает в реакции замещения, например нитрования и галогенирования, а не в обычное присоединение по кольцу.
Алгоритм составления уравнений
Подробная последовательность действий приведена на странице алгоритм решения цепочек превращений углеводородов. В конспекте удобно использовать сокращённый алгоритм.
- Определите формулу и класс исходного вещества по названию, строению или общей формуле.
- Проанализируйте продукт: появилась ли кратная связь, исчезла ли она, изменилось ли число атомов углерода или возникло ароматическое кольцо.
- Выберите тип реакции: замещение, присоединение, отщепление, окисление, крекинг или полимеризация.
- Запишите структурные формулы органических веществ, чтобы не потерять положение связи или заместителя.
- Подберите неорганический реагент и условия реакции.
- Расставьте коэффициенты и проверьте баланс атомов и зарядов.
| Изменение в цепочке | Подходящая реакция | Типичные реагенты или условия |
|---|---|---|
| Алкан → галогеналкан | Замещение водорода | Cl_2 или Br_2, свет |
| Алкан → алкен | Дегидрирование | нагревание, катализатор |
| Алкен → алкан | Гидрирование | H_2, Ni |
| Алкен → дигалогеналкан | Присоединение галогена | Br_2 или Cl_2 |
| Дигалогеналкан → алкин | Двойное отщепление | спиртовой KOH, нагревание |
| Алкен → спирт | Гидратация | H_2O, кислота |
| Алкан → более короткие вещества | Крекинг | нагревание, катализатор |
Какой реагент нужен для превращения этена в 1,2-дибромэтан?
Разобранный пример цепочки
Составим уравнения превращений: этан \(→\) хлорэтан \(→\) этен \(→\) этанол \(→\) этановая кислота. Здесь последовательно используются замещение, отщепление, присоединение и окисление.
Показать решение по шагам Решение
В каждом уравнении совпадает число атомов C, H, Cl, K и O. Кроме того, продукт предыдущей реакции точно совпадает с исходным веществом следующей.
Как выбирать строение и условия
Если в цепочке дано название без формулы, сначала изобразите углеродный скелет. При отщеплении галогеноводорода двойная связь обычно возникает между атомом углерода с галогеном и соседним атомом углерода. Для симметричных веществ это легко, а для несимметричных необходимо учитывать возможные изомеры и правило преимущественного образования более замещённого алкена.
Не путайте водный и спиртовой растворы KOH. Водный раствор способствует замещению галогена на гидроксильную группу, а спиртовой раствор при нагревании — отщеплению HCl или HBr и образованию алкена. Молекулярная формула углеводорода помогает проверить класс, но не показывает расположение связей.
1. Записывают реакцию присоединения к алкану: обычные алканы не имеют кратной связи. 2. Используют свет при дегидрогалогенировании: для него нужны спиртовой KOH и нагревание. 3. Забывают вторую молекулу H_2 при полном гидрировании алкина. 4. Путают замещение в бензоле с присоединением. 5. Не указывают побочные неорганические продукты, из-за чего уравнение не уравнивается.
Гибридизация атома углерода объясняет геометрию связей: в алканах преобладает \(sp^3\), в алкенах — \(sp^2\), в алкинах — \(sp\). При переходе алкан → алкен → алкин число связей между двумя атомами углерода увеличивается.
Самопроверка
Проверьте, умеете ли вы строить цепочки
Главное
- Сначала определяйте класс вещества и изменение строения между соседними звеньями.
- Для алканов важны замещение, дегидрирование и крекинг; для алкенов и алкинов — реакции присоединения.
- Водный KOH чаще приводит к замещению, спиртовой KOH при нагревании — к отщеплению.
- Каждое уравнение проверяйте по атомному балансу и условиям реакции.
- Структурные формулы помогают правильно определить положение двойной или тройной связи.