Тема 9 (частина 2). Класифікація, номенклатура та властивості органічних сполук.
Стирол. З ароматичних вуглеводнів важливе промислове значення має стирол (вінілбензол). Молекула стиролу містить вініл (радикал етилену), який заміщує атом Гідрогену в бензольному ядрі:
Стирол – рідина з приємним запахом. Температура кипіння 145°С. У воді розчиняється дуже мало.
Стирол добувають дегідруванням етилбензолу з участю платинових або нікелевих каталізаторів:
Завдяки наявності подвійного зв'язку в бічному ланцюгу стирол дуже легко полімеризується з утворенням полістиролу:
Полістирол – біла тверда речовина. З нього виготовляють електроізоляційні матеріали, різні побутові пластмасові вироби, використовують як декоративний матеріал при обладнанні приладів, машин.
Здійснюючи полімеризацію стиролу в умовах спінення реакційної маси, добувають пінополістирол, або пінопласт. Цей полімер – злегка пориста речовина, є хорошим тепло- і звукоізолятором. Недоліком полістиролу є його мала механічна міцність. Продукт співполімеризації стиролу і бутадієну – удароміцний полістирол. Цей полімер є важливим конструкційним матеріалом, служить замінником металів і деревини.
ПРИРОДНИЙ ГАЗ І НАФТА
ГОРЮЧІ ГАЗИ
Важливими природними джерелами вуглеводнів є газоподібні речовини – горючі природні гази, попутні гази, гази переробки нафти і кам'яного вугілля.
Склад. Природний газ – це суміш різних алканів, головним компонентом є метан, об'ємна частка якого може досягати 98 %. Крім метану в природному газі можуть міститися етан, пропан, бутан, пентан. Обов'язковими компонентами природного газу є азот, Карбон (IV) оксид, водяна пара, інертні гази.
Попутні, або нафтові, гази розчинені в нафті. Рід час її добування ці гази відділяються. Переважним компонентом цих газів також є метан, проте в них міститься набагато більше, ніж у природних газах, етану, пропану, бутану. Раніше попутні гази спалювали під час їх виділення. У наш час розроблені методи уловлювання цих газів, які використовують як паливо і сировину хімічної промисловості.
Під час переробки нафти виділяються гази нафтопереробки. Це суміш вуглеводнів, переважно пропану, бутану і етану. Метан також міститься в газах нафтопереробки, проте в невеликих кількостях.
Під час переробки кам'яного вугілля на кокс виділяється коксовий газ, що містить водень, оксиди Карбону, метан, етилен та інші ненасичені і ароматичні вуглеводні.
У наш час у зв'язку із зменшенням природних запасів газів і нафти все ширше використовуються продукти газифікації кам'яного вугілля. При здійсненні цього процесу кам'яне вугілля взаємодіє при високих температурах з різними окислювачами: повітрям, водяною парою, Карбон (IV) оксидом. В результаті утворюються різні газоподібні суміші, які крім неорганічних компонентів містять метан та інші вуглеводні.
Застосування. Горючі гази – високоефективне паливо. В деяких країнах до 30 % усієї одержуваної енергії виробляється за рахунок спалювання природного та інших горючих газів. Важливою особливістю газоподібного палива порівняно з рідким і твердим є менше забруднення навколишнього середовища продуктами горіння.
З газів нафтопереробки і попутних газів виділяють рідкі вуглеводні (пентан, гексан тощо), які утворюють газовий бензин, що використовується як рідке паливо. Горючі гази є також цінною сировиною хімічної промисловості. Природні і попутні гази, які використовуються в хімічному синтезі, як правило, розділяють на окремі компоненти, кожен з яких переробляють окремо.
При нагріванні природного газу з киснем (окислювальний піроліз) можна добути два продукти: ацетилен і синтез-газ.
Етан і пропан, які виділяються з природних і попутних газів і газів нафтопереробки, використовуються для добування етилену, пропілену і продуктів їх полімеризації.
З коксового газу виділяють ароматичні вуглеводні та етилен, який застосовують у виробництві поліетилену.
НАФТА
Властивості і склад. Нафта – оліїста рідина, колір якої залежно від родовища цієї природної копалини змінюється від світло-коричневого до темно-коричневого. Густина нафти звичайно становить 0,80–0,95 г/см3. У воді нафта практично не розчиняється.
До складу будь-якої нафти входять алкани (парафіни) циклоалкани (нафтени) і ароматичні вуглеводні. Співвідношення цих сполук різне в нафтах різних родовищ Крім того, нафта містить різноманітні домішки, масова частка яких може досягати 4–5 %.
Дистиляція, або пряма перегонка нафти. Дистиляція або перегонка, – метод первинної переробки нафти До проведення перегонки від нафти відділяють гази – пропан і бутан.
Перегонку нафти здійснюють у ректифікаційній установці. В результаті перегонки нафти виділяються такі основні нафтопродукти: а) бензинова фракція, що містить легкий бензин і лігроїн; б) гасова фракція, що містить гас і газойль; в) мазут, який піддається додатковій перегонці. При дистиляції мазуту утворюються солярові масла, мастила і залишок – гудрон. Основні фракції нафти і деякі їх властивості наведено в табл.2.
Таблиця 2. Фракції дистиляції нафти
Фракція |
Інтервал температур кипіння компонентів, °С |
Число атомів Карбону у вуглеводнях фракції |
Легкий бензин (петролейний ефір) Бензин Лігроїн Гас Газойль Мазут |
40–100 80–120 120–235 200–300 220–450 Понад 300 |
4–7 5–9 8–12 9–16 15–20 Понад 17 |
У найбільших кількостях народному господарству потрібні більш легкі нафтопродукти. Для їх добування різні фракції перегонки нафти піддають додатковій переробці.
ПЕРЕРОБКА НАФТОПРОДУКТІВ
Найціннішими нафтопродуктами є легкі (бензинові) фракції нафти.. Для підвищення виходу бензинових фракцій і поліпшення їх якості більш тяжкі нафтопродукти піддають додатковій переробці. Найважливіші способи переробки нафтопродуктів – крекінг, піроліз, риформінг.
Крекінг. Крекінг – це розкладання вуглеводнів нафти на більш легкі. Під час
крекінгу відбуваються, наприклад, такі процеси:
Як видно, під час крекінгу поряд з алканами утворюються алкени.
Застосовують
термічний і каталітичний крекінг. Термічний крекінг здійснюють при високій
температурі, звичайно 450–600°С, і підвищеному тиску
(2–7 МПа). Процес термічного крекінгу розробив російський інженер В.Г.Шухов у
1891 р. Термічним крекінгом добувають автомобільний бензин, технічний вуглець,
газоподібні вуглеводні.
Каталітичний крекінг проводять при більш низькому тиску при наявності каталізаторів. Звичайно як каталізатор використовують суміш алюміній оксиду, силіцій (IV) оксиду, ферум (III) оксиду, кальцій оксиду. Температура під час каталітичного крекінгу становить 450–525°С.
В результаті каталітичного крекінгу утворюються цінні продукти: вуглеводневий горючий газ (основні компоненти – пропан і бутан), бензин, газойль.
НАЙВАЖЛИВІШІ НАФТОПРОДУКТИ
Паливні нафтопродукти. Найважливішим паливним нафтопродуктом є бензин. Паливний бензин – це суміш насичених, ненасиченнгх, ароматичних вуглеводнів. Число атомів Карбону у вуглеводнях паливного бензину становить від 4 до 12. Бензин добувають, змішуючи окремі фракції первинної переробки нафти (бензинова, лігроїнова) з продуктами крекінгу і риформінгу. Викорис-товується як паливо для двигунів внутрішнього згоріяния в автомобілях і літаках.
Важливою характеристикою бензину є октанове число, яке характеризує стійкість проти детонації (вибуху) палива під час займання від іскри. Октанове число ізооктану прийняте за 100, н-гептану – за 0. Звичайно октанове число автобензинів дорівнює 66–98, авіабензинів – 91–100.
Дизельне паливо – це суміш гасу, газойлю з добавкою продуктів каталітичного крекінгу. Це паливо використовується в дизельних двигунах.
Котельне паливо, що використовується як паливо промислових печей і котельних установок, – це суміш мазуту, залишку при крекінгу, кам'яновугільних смол та інших речовин.
Зріджені гази – пропан і бутан, які виділяють при переробці нафти, використовують як паливо в побуті.
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
Галогенопохідні вуглеводнів – це продукти заміщення одного або кількох атомів Гідрогену в молекулах вуглеводнів на атоми флуору, хлору, брому або йоду. Галогенопохідні можна добути для вуглеводнів різних типів: насичених, ненасичених, ароматичних.
НОМЕНКЛАТУРА ТА ІЗОМЕРІЯ ГАЛОГЕНОПОХІДНИХ
Номенклатура. За замісниковою номенклатурою ІUРАК, назви галогенопохідних
складають так, як і назви відповідних вуглеводнів, але при цьому поряд із
замісниками, що утворюють бічні ланцюги, зазначають також галогени (фтор-,
хлор-, бром-, йод-), їх положення і число атомів у молекулі. Всі вуглеводневі
радикали ї галогени записують на початку назви в алфавітному порядку. Приклади:
Для багатьох галогенопохідних використовуються тривіальні назви, наприклад ССl4 – чотирихлористий вуглець.
ВЛАСТИВОСТІ, ДОБУВАННЯ І ЗАСТОСУВАННЯ
ГАЛОГЕНПОХІДНИХ АЛКАНІВ
Властивості. Характерні реакції галогенопохідних алканів:
1. Гідроліз. Гідроліз галогенопохідних алканів відбувається за механізмом нуклеофільного заміщення. Ця реакція звичайно відбувається при наявності лугу, наприклад:
СН3–СН2І + Н2О (КОН) ® СН3–СН2ОН + НІ.
Етиловий спирт
2. Взаємодія з натрієм і магнієм. Галогенопохідні алканів реагують з металічним натрієм (реакція Вюрца), наприклад:
2СН3Сl +2Nа ® СН3–СН3 + 2NаСl.
Галогенопохідні алканів реагують також з магнієм, утворюючи магнійорганічні сполуки, які широко використовуються в органічному синтезі, наприклад:
С2Н5Вr +Мg ® С2Н5МgВr.
3. Дегідрогалогенування. Дією на галогенопохідні алканів спиртовим розчином лугу можна добути ненасичені сполуки в результаті відщеплення молекул галогеноводню, наприклад:
СН3–СН2Сl + КОН ® СН2=СН2 + КСl + Н2О.
4. Алкілування. Галогеналкани використовують для введення алкільних замісників
(вуглеводневих радикалів) у різні органічні сполуки. Наприклад, процес
алкілування толуолу відбувається відповідно до такої схеми:
Добування. Галогенопохідні можна добути прямим галогенуванням алканів. Реакцію хлорування метану на світлі вже було розглянуто. Цей процес приводить до утворення чотирьох галогенопохідних метану:
Зручним способом добування галогенопохідних алканів є приєднання галогенів і галогеноводнів до ненасичених сполук.
Галогенопохідні можна також добути, використовуючи спирти. Цей спосіб розглянуто далі при викладенні властивостей спиртів.
Застосування. Багато галогенопохідних алканів використовуються в промисловому органічному синтезі як алкілуючі агенти. Рідкі галогенопохідні алканів є хорошими розчинниками. Найважливіші з них дихлорметан СН2Сl2. хлороформ СНСl3, тетрахлорид вуглецю ССl4, 1,2-дихлоретан СН2Сl–СН2Сl.
ФТОРПОХIДНІ ВУГЛЕВОДНІВ І ПОЛІМЕРИ НА ЇХ ОСНОВІ
Фторовмісні органічні сполуки знаходять широке застосування, тому їх виробництво постійно зростає.
З фторпохідних вуглеводнів велике практичне значення мають фреони; це фторпохідні метану і етану. Ряд фреонів добувають з тетрахлорметану:
Фреони використовують як холодоагенти в холодильниках.
Фторпохідні ненасичених сполук застосовують для добування різноманітних полімерів.
Тетрафторетилен F2С==СF2 добувають під час нагрівання дифторхлорметану:
2СНСlF2 ® СF2=СF2 + 2НСl.
Під час полімеризації тетрафторетилену утворюється політетрафторетилен, технічні назви якого тефлон, або фторопласт-4:
nСF2=СF2 ® (–СF2–СF2–)n
Політетрафторетилен має виключно високу хімічну стійкість. З тефлону виготовляють труби, підшипники, різні деталі хімічної апаратури.
СПИРТИ. ФЕНОЛИ. ПРОСТІ ЕФІРИ (ЕТЕРИ)
Спирти і феноли – органічні речовини, молекули яких містять гідроксильні групи –ОН, сполучені з вуглеводневими радикалами. Загальна назва спиртів і фенолів – гідроксильні сполуки.
Відмінність спиртів і фенолів полягає в тому, що у фенолах гідроксильні групи
сполучені безпосередньо з бензольним ядром. Приклади спиртів і фенолів:
Залежно від числа гідроксильних груп, що містяться в молекулі, розрізняють одноатомні, двохатомні, трьохатомні спирти і феноли.
Спирти поділяють також на первинні, в яких гідроксильна група сполучена з первинним карбоновим атомом, вторинні – група –ОН приєднана до вторинного атома Карбону і третинні – група –ОН знаходиться біля третинного Карбону.
До простих ефірів належать сполуки, в яких атом Оксигену сполучений з двома вуглецевими радикалами, наприклад СН3–О–С2Н5.
НОМЕНКЛАТУРА ТА ІЗОМЕРІЯ ГІДРОКСИЛЬНИХ СПОЛУК
Номенклатура. За міжнародною номенклатурою назви спиртів утворюють від назв відповідних алканів з додаванням закінчення -ол. Після закінчення зазначають номер атома Карбону, біля якого знаходиться гідроксильна група.
Приклади:
Ізомерія. Ізомерія спиртів пов'язана як з розгалуженням вуглецевого ланцюга, так і з різним положенням гідроксильної групи.
НАСИЧЕНІ ОДНОАТОМНІ СПИРТИ
До насичених одноатомних спиртів належать аліфатичні спирти, молекули яких містять одну гідроксильну групу, сполучену з алкільним радикалом.
Гомологічний ряд. Члени гомологічного ряду насичених одноатомних спиртів мають загальну формулу СnН2n+1ОН, де n = 1, 2, 3, 4 .... Першими членами цього ряду є СН3ОН – метанол, С2Н5ОН – етанол, С3Н7ОН – пропанол, С4Н9ОН – бутанол.
Властивості. За звичайних умов насичені одноатомні спирти з нормальною будовою ланцюга, що містять від 1 до 11 атомів Карбону, – це безбарвні рідини. Зі збільшенням молекулярної маси спиртів їх розчинність у воді зменшується: метанол, етанол і пропанол змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях, бутанол та інші рідкі за звичайних умов спирти розчиняються у воді мало, а вищі спирти практично не розчиняються у воді.
Хімічні властивості спиртів обумовлені переважно наявністю гідроксильної групи в молекулі.
1. Взаємодія з лужними металами. Під дією лужних металів на спирти утворюються алкоголяти:
2С2Н5–ОН +2Nа ® 2С2Н5–ОNа + Н2.
Етилат натрію
2. Взаємодія з галогеноводнями та іншими галогеновмісними речовинами. Під дією галогеноводнів або хлоридів фосфору РСl5, РСl3 на насичені одноатомні спирти відбувається заміщення групи ОН у спиртах на галоген, наприклад:
С2Н5ОН + НВr ® С2Н5Вr + Н2О.
Н2SО4
3. Дегідратація. При наявності фосфорної або концентрованої сірчаної кислоти при нагріванні від спиртів відщеплюється вода і утворюються ненасичені вуглеводні, наприклад:
СН3–СН(ОН)–СН3 ––® СН3–СН=СН2 + Н2О
4. Взаємодія з кисневмісними кислотами. Спирти реагують з кислотами, утворюючи складні ефіри, які розглянуто далі. Наприклад, під час взаємодії метанолу з азотною кислотою утворюється складний ефір азотної кислоти – метилнітрат:
СН3ОН + НNО3 ® СН3–О–NО2 + Н2О.
Складні ефіри (естери) утворюються також при взаємодії спиртів з органічними кислотами.
5. Окислення. Під час спалювання спиртів (окислення киснем повітря) утворюються Карбон (IV) оксид і вода:
2СН3ОН + 3О2 ® 2СО2 + 4Н2О.
6. Дегідрування. Під час каталітичного дегідрування первинних спиртів утворюються альдегіди, вторинних спиртів – кетони:
Каталізатором дегідрування спиртів звичайно є мідь (температура 300°С).
Добування. Насичені спирти можна добути гідролізом галогенопохідних відповідних алканів водним розчином лугу, наприклад:
Спирти утворюються також при гідратації алкенів:
Спирти можна добути відновленням інших кисневмісних сполук – альдегідів і кетонів.
Метанол. Метанл, або метиловий спирт, СН3ОН – безбарвна рідина з характерним запахом спиртів. Дуже отруйний.
Найважливіший
промисловий метод добування метанолу грунтується на використанні синтез-газу
(суміш СО з Н2), який добувають конверсією метану з водяною парою. Для
добування метанолу синтез-газ пропускають над каталізатором (сумішшю оксидів
Купруму, Цинку і Алюмінію) при температурі
200–300°С і тиску 6–8 МПа:
СО + 2Н2 ® СН3ОН.
Старий метод промислового добування метанолу полягає в сухій перегонці деревини, внаслідок чого спирт дістав назву деревного.
Метанол застосовують як розчинник у лакофарбовій промисловості, як компонент пального для автомобілів (добавка метанолу до бензину підвищує октанове число пального).
Етанол. Етанол, або етиловий спирт, С2Н5ОН – безбарвна рідина з характерним запахом. Тривіальна назва етанолу – винний спирт.
Основним промисловим методом добування етанолу є каталітична гідратація етилену. Реакція відбувається над каталізатором на основі фосфорної кислоти при температурі 260–300°С і тиску 7–8 МПа:
Н3РО4
С2Н4 + Н2О –––® С2Н5ОН.
Етанол утворюється під час бродіння продуктів, що містять крохмаль і цукристі речовини (зерна, фруктів, овочів). Бродіння – складний процес. Сумарну реакцію, яка відбувається під час бродіння поширеної цукристої речовини – глюкози С6Н12О6, можна виразити рівнянням:
С6Н12О6 ® 2С2Н5ОН + 2СО2.
Недоліком цього методу добування спирту е використання харчової сировини.
Як сировину для добування етанолу можна використати деревину, що містить целюлозу. Під час гідролізу целюлози утворюється глюкоза, зброджуванням якої добувають етанол.
Етанол є одним з великотоннажних продуктів промислового органічного синтезу. Він застосовується у виробництві оцтової кислоти, бутадієну-1,3, ефірів. Як розчинник етанол застосовують у лакофарбовій промисловості. У великих кількостях його використовують у виробництві ліків і в харчовій промисловості. З технічною метою часто застосовують денатурований спирт – етанол з домішкою речовин, шкідливих для організму.
НАСИЧЕНІ БАГАТОАТОМНІ СПИРТИ
Багатоатомні спирти містять у молекулі кілька гідроксильних груп.
Двохатомні спирти називають діолами, або гліколями. Назви двохатомних спиртів за міжнародною номенклатурою складають з назви відповідного алкану з додаванням закінчення -діол і цифр, які означають положення гідроксильної групи в ланцюгу.
Трьохатомні спирти називають тріолами, або гліцеринами. Їх назви будують
аналогічно до назв двохатомних спиртів, але з додаванням закінчення
-тріол.
Найпростіші представники двох- і трьохатомних спиртів:
Властивості. Хімічні властивості багатоатомних спиртів багато в чому подібні до властивостей одноатомних спиртів.
1. Взаємодія з лужними металами. Лужні метали витісняють водень з гідроксильних груп з утворенням гліколятів або гліцератів:
2СН2ОН–СН2ОН + Nа ® 2СН2ОН–СН2ОNа + Н2;
Моногліколят натрію
СН2ОН–СН2ОН + 2Nа ® 2СН2ОNа–СН2ОNа + Н2.
Дигліколят натрію
2. Взаємодія з галогеноводнями. Багатоатомні спирти реагують з галогеноводнями (НСl, НВr, НІ):
СН2ОН–СН2ОН + НВr ® СН2ОН–СН2Вr + Н2О,
2 Брометанол
або СН2ОН–СН2ОН + 2НВr ® СН2Вr–СН2Вr + Н2О.
1,2-Диброметан
3. Взаємодія з кислотами. З кислотами багатоатомні спирти утворюють складні ефіри (естери), наприклад:
СН2ОН–СНОН–СН2ОН + 3НNО3 ® СН2ОNО2–СНОNО2–СН2ОNО2 + 3Н2О
Гліцерин Нітрогліцерин
Складні ефіри гліцерину з органічними кислотами називають жирами.
4. Взаємодія з Купрум (II) гідроксидом. Ця реакція характерна тільки для
багатоатомних спиртів. Осад Купрум (II) гідроксиду розчиняється в етиленгліколі
та гліцерині з утворенням розчину яскраво-синього кольору:
У записаних формулах гліколяту і гліцерату міді (II) стрілками показані донорно-акцепторні зв'язки (Сu – акцептор). Сполуки такого типу належать до комплексних.
Добування і застосування етиленгліколю і гліцерину. Етиленгліколь добувають у промисловості гідратацією (приєднання води) етиленоксиду:
Н2С–СН2 + Н2О ® СН2ОН–СН2ОН.
\ /
О
Етиленоксид
Гліцерин добувають синтетично з пропілену за такою схемою:
Гліцерин входить до складу природних сполук – жирів рослинного і тваринного походження– і може бути виділений з них.
Етиленгліколь і гліцерин використовуються в промисловому органічному
Водні розчини етиленгліколю і гліцерину замерзають при низьких температурах, тому їх використовують як антифризи – рідини з низькою температурою замерзання, які застосовуються для охолодження двигунів внутрішнього згоряння.
ФЕНОЛИ
Феноли – це гідроксильні сполуки, в яких гідроксильна група сполучена безпосередньо з атомом Карбону бензольного ядра. Найпростішим представником фенолів є гідроксибензол, або фенол, який має одну гідроксильну групу в бензольному ядрі:
або С6Н5–ОН .
За кількістю гідроксильних груп розрізняють одноатомні, двохатомні та трьохатомні феноли, Двохатомні феноли мають три ізомери – орто-, мета- і пара-, що розрізняються розміщенням гідроксильних груп одна відносно одної.
Фенол. Фенол – це безбарвна кристалічна речовина з характерним запахом, температура плавлення становить 40,9°С. На повітрі фенол частково окислюється, внаслідок чого набуває рожевого забарвлення. При потраплянні на шкіру викликає подразнення. Тривіальна назва фенолу – карболова кислота.
У хімічному відношенні фенол виявляє ряд особливих властивостей, що пояснюється впливом бензольного ядра на рухливість атома водню гідроксильної групи.
Нижче розглядаються найважливіші хімічні властивості фенолу.
1. Взаємодія з лужними металами. Лужні метали реагують з фенолом з утворенням фенолятів і водню:
2С6Н5ОН + 2Nа ® 2С6Н5ОNа + Н2.
Феноляти є солями слабкої кислоти – фенолу. Вони розкладаються з утворенням фенолу під час пропускання крізь їх розчини Карбон диоксиду і Сульфур диоксиду, наприклад:
С6Н5ОNа + СО2 + Н2О ® С6Н5ОН + NаНСО3.
2. Взаємодія з лугами. Як слабка кислота фенол вступає до реакції нейтралізації з лугами, утворюючи феноляти:
С6Н5ОН + NаОН ® С6Н5ОNа + Н2О.
КОН
3. Взаємодія з галогенопохідними алканів приводить до утворення простих ефірів, наприклад:
С6Н5ОН + С2Н5І –––® С6Н5–О–С2Н5 + НІ.
4. Реакція заміщення в бензольному ядрі. Фенол дуже легко бромується бромною водою, нітрується азотною кислотою:
Існує багато методів добування фенолу.
1.
Найважливішим промисловим методом добування фенолу є кумольний метод. Він
складається а двох стадій:
2. Фенол можна добути гідролізом галогенопохідних бензолу з участю
СuСl2
каталізатора при високій температурі, наприклад:
С6Н5Сl + Н2О –––® С6Н5ОН + НСl.
Хлорбензол
3. Фенол добувають також сульфонатним методом, сплавляючи солі бензолсульфокислоти з лугом і розкладаючи фенолят натрію оксидом Сульфуру (IV) у водному розчині:
С6Н5–SО2ОNа + 2NаОН ® С6Н5ОNа + Nа2SО3;
2С6Н5ОNа + SО2 + Н2О ® 2С6Н5ОН + Nа2SО3.
Фенол – важливий продукт промислового органічного синтезу. Він застосовується у виробництві барвників, лікарських речовин. Водний розчин фенолу ("карболку") використовують як дезинфікуючий засіб. Широке застосування знаходить фенол для добування полімерів і пластмас на їх основі.
ПРОСТІ ЕФІРИ (ЕТЕРИ)
Прості ефіри – органічні сполуки складу R–О–R', де R і R' – однакові або різні вуглеводневі радикали. Назви простих ефірів складаються переважно з назв вуглеводневих радикалів та слова "ефір". Якщо вуглеводневі радикали однакові, то на початку назви ефіру ставлять префікс ди- (ді-). Наприклад:
СН3–О–С2Н5, С2Н5–О–С2Н5
Метилетиловий ефір Діетиловий ефір
Прості ефіри утворюються від час нагрівання спиртів з концентрованою сірчаною кислотою. Так, етанол під час нагрівання з сірчаною кислотою при 140–150°С дає діетиловий ефір:
С2Н5ОН –––® С2Н5–О–С2Н5 + Н2О.
При вищій температурі утворюється етилен.
Під час нагрівання з сірчаною кислотою суміші двох спиртів можливе утворення суміші ефірів. Наприклад, суміш метанолу та етанолу дає такі ефіри:
СН3–О–СН3, СН3–О–С2Н5 та С2Н5–О–С2Н5.
КАРБОНІЛЬНІ СПОЛУКИ
Карбонільні сполуки містять у молекулі карбонільну групу =С=О. Карбонільні сполуки поділяють на альдегіди і кетони.
АЛЬДЕГІДИ. НОМЕНКЛАТУРА, ВЛАСТИВОСТІ І ДОБУВАННЯ
У молекулах альдегідів карбонільна група сполучена з вуглеводневим радикалом і атомом гідрогену (або з двома атомами гідрогену), тобто загальна формула цих сполук
Номенклатура. Назви альдегідів за замісниковою номенклатурою згідно з правилами ІUРАК будують з назви відповідного вуглеводню з додаванням закінчення -аль. У табл.3 наведено назви за замісниковою номенклатурою та тривіальні назви деяких насичених альдегідів.
Як видно з табл.3, починаючи з четвертого члена ряду насичених альдегідів, існують ізомери, які різняться розгалуженістю вуглецевого ланцюга.
Таблиця 3. Деякі насичені альдегіди
Формула |
Назва |
|
за замісниковою номенклатурою |
тривіальна |
|
HCHO СН3–СНО СН3–СН2–СНО СН3–СН2–СН2–СНО СН3–СН(СН3)–СНО СН3–(СН2)3–СНО СН3–СН(СН3)–СН2–СНО СН3–С(СН3)2–СНО |
Метаналь Етаналь Пропаналь Бутаналь 2-Метилпропаналь Пентаналь 3-Метилбутаналь 2,2-Диметилпропаналь |
Формальдегід, мурашиний альдегід Ацетальдегід, оцтовий альдегід Пропіоновнй альдегід Масляний альдегід Ізомасляний альдегідВалеріановий альдегід Ізовалеріановий альдегід Триметилоцтовий альдегід |
Властивості. Перший член гомологічного ряду насичених альдегідів НСНО – безбарвний газ, кілька наступних альдегідів – рідини. Вищі альдегіди – тверді речовини.
1. Реакції приєднання. При наявності нікелевих або платинових каталізаторів альдегіди приєднують водень і відновлюються до первинних спиртів, наприклад:
2. Реакції полімеризації і конденсації. Ці реакції характерні для альдегідів і обумовлені реакційною здатністю карбонільної групи. Процеси полімеризації розглядаються далі, при вивченні властивостей формальдегіду і ацетальдегіду.
3. Окислення. Під час окислення альдегідів, яке відбувається дуже легко, утворюються органічні кислоти або їхні солі. Наприклад, під час окислення оцтового альдегіду утворюється оцтова кислота:
Якісною реакцією на альдегіди є реакція срібного дзеркала – окислення їх аміачним розчином оксиду срібла при нагріванні:
Металічне срібло, яке виділяється, вкриває стінки посудини тонким блискучим шаром.
Альдегіди окислюються також Купрум (II) гідроксидом, який відновлюється до червоно-коричневого Купрум (I) оксиду:
4. Заміщення Оксигену карбонільної групи. Атом Оксигену в молекулі альдегіду може бути заміщений на галоген під дією галогенідів фосфору РСl5 або РВr5, наприклад:
Добування. 1. Альдегіди утворюються під час окислення або каталітичного дегідрування (відщеплення водню) первинних спиртів:
Каталітичне дегідрування спиртів відбувається при наявності металічної міді.
2. Альдегіди можна добути гідролізом дигалогенопохідних алканів, наприклад:
ФОРМАЛЬДЕГІД, АЦЕТАЛЬДЕГІД, БЕНЗАЛЬДЕГІД
Формальдегід.
Першим членом гомологічного ряду насичених альдегідів є формальдегід
Його називають також метаналем (міжнародна номенклатура) та мурашиним альдегідом.
Формальдегід – це безбарвний газ з характерним різким запахом. Добре розчиняється у воді, утворюючи гідрат НСНО·Н2О. Водний розчин з масовою часткою формальдегіду 30–40 % називається формаліном. Формалін є добрим дезинфікуючим та консервуючим засобом.
Формальдегід є важливим продуктом хімічної промисловості. Його добувають переважно окисленням метанолу киснем повітря при наявності каталізаторів:
2СН3ОН + О2 ® 2НСНО + 2Н2О.
Формальдегід виявляє загальні властивості альдегідів. Крім того, має і свої особливості. Так, він може самовільно тримеризуватися (сполучення трьох молекул), утворюючи параформальдегід (триоксиметилен);
Під дією лугів формальдегід окислюється і відновлюється одночасно, утворюючи метиловий спирт та сіль мурашиної кислоти:
2НСНО + КОН ® СН3ОН + НСООК.
Формальдегід є сировиною для синтезу ізопрену, з якого добувають штучний каучук.
Важлива галузь застосування формальдегіду – виробництво полімерів. Формальдегід полімеризується з утворенням поліформальдегіду, або поліоксиметилену:
пНСНО ® (–СН2–О–)n.
Поліформальдегід належить до гетероланцюгових полімерів, оскільки головний ланцюг його макромолекули містить атоми двох типів: Карбону та Оксигену.
Поліформальдегід – безбарвна кристалічна речовина. Він має механічну міцність, є добрим діелектриком. Його використовують у машинобудуванні для виготовлення різних деталей, для добування міцних синтетичних волокон і плівок.
Фенолоформальдегідні полімери. Формальдегід при наявності кислот реагує з фенолом. Реакція відбувається за такою схемою:
Молекули фенолоспирту, який утворюється, сполучаються між собою з утворенням макромолекул:<
Продукт, що утворюється, називається фенолоформальдегідним полімером. Реакції утворення полімерів, які супроводжуються виділенням низькомолекулярного продукту, називаються реакціями поліконденсації. Під час полімеризації формальдегіду з фенолом, взятим у надлишку, як правило, утворюються лінійні полімери, які називаються новолачною смолою. Ця смола добре розчиняється в органічних розчинниках, використовується для приготування лаків.
Якщо поліконденсація йде при надлишку формальдегіду, то утворюється резит – полімер, що має складну просторову структуру.
Під час добування резиту до реакційної суміші добавляють різні наповнювачі (скловолокно, азбест тощо), які надають полімеру необхідних властивостей. Загальна назва пластмас, які добувають з фенолоформальдегідного полімеру, – фенопласти.
Фенопласти є термореактивними полімерами, вони не плавляться при нагріванні, їх застосовують як конструкційний матеріал. На основі фенопластів добувають легкі пористі матеріали – пінопласти.
Ацетальдегід (етаналь, оцтовий– це безбарвна, рідина з різким запахом.
Добре розчиняється у воді.
Ацетальдегід у великих кількостях виробляє хімічна промисловість. Основний метод його промислового добування заснований на гідратації ацети-лену. Для цього ацетилен з водяною парою пропускають над каталізатором (НgSО4 з сірчаною кислотою).
Для ацетальдегіду характерні всі хімічні властивості альдегідів. У промисловості основну кількість ацетальдегіду, який виробляють, окислюють до оцтової кислоти. Ацетальдегід використовують і для добування інших органічних продуктів, у тому числі полімерів.
Бензальдегід. Бензальдегід – це безбарвна рідина з запахом гіркого мигдалю, мало розчинна у воді.
Бензальдегід добувають лужним гідролізом дихлорпохідної толуолу:
Бензальдегід застосовують у виробництві фарб, парфюмерних виробів і в харчовій промисловості.
КЕТОНИ
У молекулах кетонів карбонільна група сполучена з двома однаковими або різними вуглеводневими радикалами .
Найпростішим кетоном є ацетон
Номенклатура. Згідно з міжнародною номенклатурою назви кетонів будують з назв відповідного вуглеводню з додаванням закінчення -он. У кінці назви ставлять цифру, що зазначає положення в ланцюгу атома Карбону, з яким сполучений карбонільний кисень. Назви кетонів за раціональною номенклатурою, які також використовуються, будують з назв радикалів, сполучених з карбонільною групою з додаванням слова "кетон". Приклади:
Для деяких кетонів поширені тривіальні назви, наприклад ацетон.
Властивості. Простіші кетони є безбарвними рідинами, які розчиняються у воді. Вищі кетони – тверді речовини. Багато які хімічні властивості, характерні для альдегідів, виявляються і у кетонів.
1. Реакції приєднання.
Гідрування кетонів при наявності каталізаторів приводить до утворення вторинних спиртів:
На відміну від альдегідів кетни не взаємодіють із спиртами, не вступають у реакції конденсації і полімеризації.
2. Окислення. Кетони окислюються значно важче, ніж альдегіди, і тільки сильними окислювачами. Під час окислення кетонів відбувається розрив (деструкція) вуглеводневого ланцюга і утворюється суміш продуктів. Кетони не вступають у реакцію срібного дзеркала.
3. Заміщення Оксигену карбонільної групи. Так само, як і в альдегідах, атом Оксигену в молекулі кетону може бути заміщений дією галогенідів фосфору (РСl5, РВr5) або гідроксиламіну NН2ОН:
У першій реакції утворюється дигалогенопохідна алкану, в другій – оксим.
Добування. 1. Кетони утворюються під час окислення або каталітичного дегідрування вторинних спиртів, наприклад:
Каталітичне дегідрування проводять з використанням мідних каталізаторів.
2. Як і альдегіди, кетони можна добути гідролізом дигалогенопохідних алканів. Щоб утворився кетон, обидва атоми галогену у вихідній сполуці повинні знаходитись біля одного (не кінцевого) атома Карбону:
Ацетон. Ацетон (пропанон, диметилкетон) – безбарвна рідина з характерним запахом. Температура кипіння ацетону 56,2°С. Добре розчиняється у воді і сам є розчинником органічних сполук. Ацетон – важливий продукт хімічної промисловості. Його добувають разом з фенолом кумольним методом.