Промышленные источники и синтез
Промышленное получение направлено на создание масштабных объемов углеводородов. Как правило, на выходе получаются не чистые вещества, а их смеси (фракции).
- Переработка нефти. Нефть выступает практически неисчерпаемым источником алканов. Главный технологический процесс здесь — ректификация (дробная перегонка). Разделить нефть на абсолютно чистые индивидуальные молекулы крайне сложно, поэтому ее разделяют на температурные фракции.
- Гидрирование угля. При жестких условиях (температура около $450^\circ C$ и колоссальное давление в $300\ атм$) из угля получают так называемый синтетический бензин — смесь алканов. Однако экономически этот путь все еще уступает нефтепереработке.
- Использование синтез-газа. Смесь оксида углерода(II) и водорода ($CO + H_2$) позволяет синтезировать разные продукты в зависимости от катализатора. Если применить никель ($Ni$) и нагрев до $300^\circ C$, образуется метан:
$$CO + 3H_2 \xrightarrow{Ni, 300^\circ C} CH_4 + H_2O$$ Если же использовать кобальтовые катализаторы ($Co$), синтезируется сложная смесь алканов и циклоалканов.
Лабораторные методы: конструирование цепи
В лаборатории химикам важно получить конкретный, химически чистый алкан. Для этого используют именные реакции, позволяющие управлять длиной углеродного скелета.
1. Реакция Вюрца (удлинение цепи) Суть метода заключается во взаимодействии галогеналканов с активными щелочными металлами, чаще всего натрием или калием. Реакция идет по свободнорадикальному механизму:
- Металл отрывает галоген, формируя свободный радикал: $R-CH_2Br + Na \rightarrow R-CH_2\bullet + NaBr$
- Два образовавшихся радикала рекомбинируют (соединяются), удваивая цепь: $2R-CH_2\bullet \rightarrow R-CH_2-CH_2-R$
Важный нюанс: если взять смесь из двух разных галогеналканов (например, 1-бромпропан и 2-бромпропан), радикалы будут встречаться хаотично. В результате получится смесь сразу из трех различных углеводородов (в данном примере — гексан, 2,3-диметилбутан и 2-метилпентан).
2. Реакция Дюма (укорочение цепи) Это процесс декарбоксилирования. Если взять натриевую соль карбоновой кислоты и сплавить ее со щелочью при $300^\circ C$, от молекулы оторвется карбоксильная группа. Углеродная цепь при этом станет на один атом короче. Например, из пропионата натрия получается этан: $$C_2H_5COONa + NaOH \xrightarrow{300^\circ C} C_2H_6\uparrow + Na_2CO_3$$
3. Электролиз по Кольбе Под воздействием электрического тока водный раствор соли карбоновой кислоты также подвергается декарбоксилированию, но оставшиеся радикалы сшиваются между собой (удваиваются). Целевой алкан и углекислый газ выделяются на аноде, а на катоде образуется водород и щелочь.
Специфические синтезы и восстановление
Помимо манипуляций с углеродным скелетом, алканы можно получить путем насыщения других классов соединений водородом.
- Получение метана гидролизом. В лаборатории метан удобно получать разложением карбида алюминия водой. Образуется газообразный метан и осадок гидроксида алюминия:
$$Al_4C_3 + 12H_2O = 3CH_4\uparrow + 4Al(OH)_3\downarrow$$
- Гидрирование алкенов. Присоединение молекулярного водорода к непредельным углеводородам происходит в присутствии никелевого катализатора, превращая двойную связь в одинарную.
- Восстановление галогеналканов. Галоген в молекуле можно заместить на водород. Это делают либо газообразным водородом над никелевым катализатором, либо с помощью сильного восстановителя — йодоводорода ($HI$), при этом параллельно выделяется свободный йод ($I_2$).
Коротко: ответы на вопросы по теме
Почему реакция Вюрца не применяется для целенаправленного синтеза несимметричных алканов?
Реакция Вюрца не применяется для целенаправленного синтеза несимметричных алканов, поскольку при использовании смеси двух разных галогеналканов образуется смесь из трех углеводородов. Это связано с особенностями протекания процесса:
- Свободнорадикальный механизм — реакция идет через гомолитический разрыв связи углерод–галоген с образованием радикалов.
- Соединение радикалов в различных комбинациях — образуются продукты соединения одинаковых и разных радикалов.
В результате образуются три разных углеводорода, поэтому один несимметричный алкан не является единственным продуктом реакции.
Как управлять длиной цепи: «Вюрц и Кольбе — Копят» (радикалы удваиваются, цепь растет). «Дюма — Сдувает» (отрывает углекислый газ, цепь становится короче на один атом углерода).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему в реакции Вюрца лучше не использовать смесь разных галогеналканов?
Потому что радикалы рекомбинируют случайным образом. Вместо одного целевого вещества вы получите трудноразделимую смесь из трех разных алканов (два симметричных и один несимметричный).
Что выделяется на электродах в реакции Кольбе?
На аноде выделяется синтезированный алкан с удвоенным радикалом, а на катоде — газообразный водород. В растворе остается гидрокарбонат или карбонат.
Можно ли получить индивидуальный алкан ректификацией нефти?
Практически невозможно. Ректификация делит нефть лишь на фракции — смеси веществ с близкими температурами кипения.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм свободнорадикального замещения и рекомбинации
- Продукты перекрестного соединения в реакции Вюрца на конкретных примерах
- Специфика работы кобальтовых и никелевых катализаторов с синтез-газом
- Роль йодоводорода как восстановителя в органической химии
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Получение алканов» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 95 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.