Podział węglowodorów

węglowodory

alifatyczne aromatyczne

alkany

alkeny

alkiny

cykliczne węglowodory

alifatyczne

dieny

Nazewnictwo węglowodorów wg IUPACSystem ten zakłada stosowanie w znacznym stopniu takiego samego schematu dla wszystkich klas związków

organicznych. Dlatego omawiany jest dokładnie dla alkanów.

1. Jako strukturę podstawową związku wybieramy najdłuższy ciągły łańcuch, a następnie rozpatrujemy związek jako pochodną tej struktury, uzyskaną przez zastąpienie atomów wodoru grupami alkilowymi.

2. Gdy jest to konieczne, jak w przypadku izomerycznych metylopentanów, oznacza się kolejnym numerem atom węgla, do którego przyłączona jest grupa alkilowa.

3. Atomy węgla w łańcuchu podstawowym numeruje się tak, by atom węgla, przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwie jak najniższą liczbą. Dlatego piszemy2-metylopentan, a nie 4-metylopentan.

4. Jeżeli takie same łańcuchy alkilowe występują w cząsteczce kilka razy jako łańcuchy boczne, to liczbę tych grup określa się przedrostkiem di-, tri-, tetra-…

5. Jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka grup alkilowych, to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym.

CH3

CH

CH2

CH2

CH3

CH3

1

2

3

4

5

2-metylopentan CH3

CH2

CH

CH2

CH3

CH3

1

2

3

4

5

3-metylopentan

CH3

CH3

CH3

CH

CH2

C

CH3

CH3

1

2

3

4

5

2,2,4-trimetylopentan

Rzędowość atomów węgla i wodoru

Pierwszorzędowy (1°) atom węgla jest połączony z jednym atomem węgla

Drugorzędowy (2°) atom węgla jest połączony z dwoma atomami węgla

Trzeciorzędowy (3°) atom węgla jest połączony z trzema atomami węgla

Czwartorzędowy (4°) atom węgla jest połączony z czterema atomami węgla

CH3

CH3

CH3

CH2

CH

CH2

C

CH3

CH3

1°

1° 1°

1°

1°2° 2°

3° 4°

Alkany (parafiny)

Otrzymywanie (przemysł)

   Metoda Fischera – Tropscha

CO + H2 → CH4 + H2O (kat., ∆T)

Wyższe alkany (C2-C4) spotykamy również w gazie ziemnym.

Alkany ciekłe są głównymi składnikami ropy naftowej, a alkany stałe-wosku

ziemneg towarzyszącego złożom ropy naftowej.

Wzór ogólny CnH2n+2; końcówka nazwy: -an

Ułożone są w szeregu homologicznym, różniącym się o stały element –CH2–.

Otrzymywanie alkanów (laboratorium)1.    Uwodornienie alkenów

CnH2n + H2 → CnH2n+2

2.    Reakcja Wurtza

2 R–X + 2 Na → R–R + 2 NaX

R = alkil (CH3–, C2H5–, …)

X = chlorowiec (Cl, Br…)

3.     Redukcja halogenków alkilów poprzez związki metaloorganiczne (odczynniki Grignarda)

R–X + Mg → R–MgX

R–MgX + H2O → R–H + Mg(OH)X

R–X + R’–X + 2 Na → R–R’ + 2 NaX

R’ = alkil (CH3-, C2H5-, …) różny od R

Reakcje alkanów

1.    Halogenowanie – najważniejsza reakcja alkanów, ma charakter rodnikowy.

Promieniowanie ultrafioletowe dostarcza w niej energii niezbędnej do

rozerwania wiązań.

X = chlorowiec. Reaktywność Cl2 > Br2 > J2.

Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1°

Cl2 h 2 Cl•inicjacja propagacja

Cl• + CH4 CH3Cl + H•

H• + Cl2 HCl + Cl•

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

2.    Utlenianie

Np. metanu:

CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

Alkeny(olefiny)

Węglowodory zawierające podwójne lub potrójne wiązanie w cząsteczce są to węglowodory nienasycone. Węglowodory z wiązaniem podwójnym nazywamy alkenami.Wzór ogólny alkenów CnH2n (identyczny wzór mają również cykloalkany).

Słownictwo:

Podstawowy łańcuch węglowy zawiera zawsze wiązanie podwójne oznaczone przyrostkiem –enLokant określający położenie podwójnego wiązania winien być najniższy.

CH3–CH–CH2–CH=CH–CH3 (2-heksen , heks-2-en)

Wiązanie podwójne ma pierwszeństwo przed potrójnym. Gdy jest kilka wiązań podwójnych stosujemy końcówkę -dien, -trien.

CH2=CH–C≡C–CH=CH2 heksa-1,5-dien-3-yn (1,5-heksadien-3-yn)

Otrzymywanie alkenów

1. Eliminacja halogenków alkanów (E 2) (X-chlorowiec):

C CC C

X

H KOH

etanolHX+

C CC C

H

OH

H2O+T

katalizator

C CC CPd lub Ni

H2

2. Odwodnienie alkoholi:

3. Redukcja alkinów:

Reakcje alkenów

Najbardziej charakterystyczna dla alkenów jest reakcja addycji elektrofilowej.Przebiega ona wg schematu:

C C C+

C

H

C C

X

HH

+X

W pierwszym etapie reakcji następuje przyłączenie do alkenu czynnika elektrofilowego (protonu). Chmura elektronowa z wiązania podwójnego jest łatwo dostępna. W wyniku tego wytworzone zostaje wiązanie CH.

Atom węgla, w którym występuje niedobór elektronów uzyskuje ładunek dodatni – powstaje tzw. karbokation.

Jest to cząsteczka reaktywna, mało stabilna, w następnym etapie reakcji łatwo przyłączalna. Łatwiej tworzą się karbokationy o wyższej rzędowości. Znalazło to potwierdzenie w empirycznej regule Markownikowa.

W reakcjach jonowej addycji do podwójnych wiązań węgiel-węgiel alkenów, atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla, z którym związana jest większa liczba atomów wodoru.

Reakcje alkenów

Reguła MarkownikowaW reakcjach jonowej addycji do podwójnych wiązań węgiel-węgiel alkenów, atom wodoru

przyłącza się do tego atomu węgla, z którym związana jest większa liczba atomów wodoru.

CH CH2

CH3 HClCH CH3

CH3

Cl

C CH2

CH3

CH3

HBrC CH3

CH3

Br

CH3

C CH

CH3

CH3 CH3

HClCH3

C CH2

Cl

CH3

CH3

Reakcje alkenów

Występują też odstępstwa od reguły Markownikowa.Przy addycji związków HX, gdy reakcja katalizowana jest przez nadtlenki (reakcja Kharascha), przyłączenie ma charakter rodnikowy, a nie jonowy.Dominuje przyłączenie przy pierwszym węglu alkenu.

C CH2

CH3

CH3

HBr

RO•

CH3

CH CH2

CH3 Br

Przyłączenie wody:

Przyłączenie halogenu (chlorowca):

C C C C

X

XX2

C C C C

H

OHH2O

H+

Reakcje utlenienia i redukcji

W wyniku reakcji uwodornienia powstają alkany.Reakcja utlenienia alkenów prowadzi do różnych produktów w zależności od zastosowanych odczynników.

Do reakcji utlenienia zaliczamy również proces ozonolizy.

C C C C

OH OHKMnO4 H2O KOHMnO2+++ +3 2 3 2 24

Reakcja ta służy w analizie organicznej do wykrywania związków z wielokrotnymi wiązaniami (tzw. test Bayera – odbarwienie roztworu KMnO4 pod wpływem alkenów).

Dalsze utlenianie prowadzi do rozpadu cząsteczki:

C C

CH3

CH3 CH3

H KMnO4C O

CH3

CH3

O C

CH3

OH

+

C C

CH3

CH3 CH3

H O3C O

CH3

CH3

O C

CH3

H

+

Izomeria

Podstawowe rodzaje izomerii to:1.  Izomeria strukturalna

• Izomeria łańcuchowa, polegająca na różnym ukształtowaniu szkieletów węglowych w cząsteczce

• Izomeria położenia podwójnego wiązania2.    Stereoizomeria (izomeria przestrzenna), tzw. izomeria cis-trans

Izomerią nazywamy zjawisko występowania związków, które mimo

identycznego składu pierwiastkowego i identycznej masy cząsteczkowej

różnią się właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi.

C C

H

CH3 H

CH3

C C

H

CH3 CH3

H

cis (Z) trans (E)

Ma to miejsce w przypadku, gdy każdy z atomów węgla tworzących podwójne wiązanie połączony jest z dwoma różniącymi się od siebie podstawnikami.Wówczas dla każdej pary podstawników (związanych z tym samym atomem węgla) wybieramy podstawnik preferowany, zgodnie z regułami Cohna, Ingolda, Preloga.

StereoizomeriaReguły Cohna, Ingolda, Preloga

Jeśli atomy podstawników połączone z węglami wiązania podwójnego różnią się masą atomową, pierwszeństwo ma ten o większej masie:

I > Br > Cl > S > O > N > C > H

COOH > CH=O > CH2OH > CN > CH2NH2 > CCH > CH=CH2 > CH2CH3

C

O

H

C O

O

H

C

C C H C C H

C

C

C

C

C N C N

N

N

C

C

Jeśli atomy podstawników połączone z węglami wiązania podwójnego są identyczne, rozpatruje się kolejno dalsze sąsiedztwo:

CH2Br > CHCl2 > CH2OH > CH2NH2 > C(CH3)3 > CH(CH3)2 > CH2CH3 > CH3

Wiązanie podwójne traktujemy w świetle reguł pierwszeństwa jako dwa wiązania pojedyncze C–C:

Typy odczynników chemicznychodczynnik elektrofilowy - odczynnik, który w reakcji chemicznej pobiera elektrony z zewnątrz lub tworzy wiązanie kowalencyjne z atomem kosztem pary elektronów tego atomu. Odczynnik elektrofilowy może być:

a) anionem, który w reakcji chemicznej pobiera jeden lub dwa elektrony z zewnątrz

S2O82– + 2e– 2SO4

2–

[Fe(CN)6]3– + e– [Fe(CN)6]4–

C O–+

C N–+

ON

O

–+

b) elektrycznie obojętną cząsteczką, posiadającą na jakimś atomie lukę elektronową (typowy kwas Lewisa) np.:AlCl3, FeBr3, BF3

c) elektrycznie obojętną, spolaryzowaną cząsteczką, przy czym centrum elektrofilowe tej cząsteczki stanowi dodatnio naładowany koniec dipola. Są to związki zawierające w cząsteczce spolaryzowanej wiązanie wielokrotne.

d) kationem może być proton H+ lub kation metalu np.: Ag+, Li+ ewentualnie jon kilkuatomowy np.: jon nitoniowy NO2

+

ArH + NO2+

Ar–NO2 + H+

Typy odczynników chemicznychodczynnik nukleofilowy - odczynnik, który w reakcji chemicznej oddaje elektrony do centrum atakowanego lub tworzy z tym centrum wiązanie kowalencyjne kosztem własnych elektronów.

a) cząsteczki, w których atomy piątej lub szóstej grupy układu okresowego posiadają wolne pary elektronów, takie jak np.: aminy, fosfiny, alkohole, etery i merkaptany

R

H

N H

R

H

O

R

R

O

R

H

S

b) jony ujemne, np.: X– , OH– , RO– , S2– , karboaniony

c) cząsteczki, w których orbitale cząsteczkowe typu [] tworzą wiązanie wielokrotne pomiędzy atomami węgla np.: alkeny, alkiny, węglowodory aromatyczne.

Polimeryzacja alkenów

Polimeryzacją-nazywamy łączenie się ze sobą wielu (100 i więcej) cząsteczek monomerów z utworzeniem makrocząsteczki polimeru.

Polimeryzacja winylowa jest najczęściej procesem rodnikowym, inicjowanym przez termiczny rozkład nadtlenków organicznych lub związków azowych

CH CH2

AC CH2

A

B

Procesy polimeryzacji dzielimy na:

-polimeryzację addycyjną- polegająca na łączeniu się bez reszty n cząsteczek monomeru z utworzeniem polimeru.

-polimeryzację kondensacyjną-w której polimer tworzy się z wydzieleniem n cząsteczek prostych związków, np..wody ,amoniaku itp.

Polimeryzacja addycyjna zwana winylową ulegają jej monomery typu winylowego o strukturze.

A = B lub A B

Mechanizm rodnikowej polimeryzacji winylowej

Inicjacja

RO

RO

CH2

CH

CH3

CH2

CH

CH3

CH CH

RO

CH2

CH3

CH2

CH3CH2

CH

CH3

++

Propagacja (wzrost łańcucha)

Terminacja (zakończenie wzrostu długości łańcucha)

Np.; Połączenie dwóch rosnących rodników (koligacja)

O O

R

R

O

R2

CH

CH3

CH

CH3

CHCH

CH3

CH3

+

O

C

O

np.:

Właściwości polimerów mogą zależeć od sposobu polimeryzacji

Polimeryzacji koordynacyjnej-katalizatory Zieglera-Natty np.:TiCl4+R3Al

Polimeryzacja kationowa- katalizatory kwasy Lewisa

Polimeryzacja anionowa-katalizatory anionowe np.;Bu Li

Przykłady polimeryzacji

* CH2CH2 *n

CH2

CH2n

polietylen

* CHCH2 *n

CN

CH2

CH

CN

n

poliakrylonitryl

CH2

CH

OC

CH3

O OC

CH3

O

* CHCH2 *n

n

poli(octan winylu)

*CH2 *n

CHCH2

CHn

polistyren

C

CH2

C

O

CH3

O

CH3

CO O

CH3

* CCH2 *

n

CH3

n

poli(metakrylan metylu)

MetatezaYves Chauvin (Institut Francais du Petrole)Robert H. Grubbs (California Institute of Technology)Richard R. Schrock (Massachusetts Institute of Technology)

Nagroda Nobla z chemii w 2005 roku za:„Taniec odbijany dwóch cząsteczek chemicznych”

CHCH

CH2

CH2

CH

CH2

CHCH2

+ +

katalizator

Alkiny

acetylen

hybrydyzacja sp

cząsteczka liniowa

Słownictwo

-podstawowy łańcuch węglowy zawierający wiązanie potrójne oznaczamy przyrostkiem –yn

-położenie wiązań określamy najniższym lokantem

-w przypadku gdy istnieje możliwość wyboru,położenie wiązania podwójnego określa się niższym lokantem

przykłady

CH C CH2

CH3

1-butyn(but-1-yn)

C C CH2

CH CH3

CH3

CH3

5-metylo-2-heksyn

(5-metyloheks-2-yn)

C C CH

CH3

CH CH

CH3

CH3

4-metylo-2-hepten-5-yn(4-metylohept-2-en-5-yn)

Otrzymywanie AlkinówOtrzymywanie przemyslowe

1)Przez kontrolowane utlenianie CH4

6CH4 + O2 2 C2H2 +2 CO + 10H2 (temperatura 1500°C)

2)Przez działanie wody na karbid

CaO + 3C CaC2 + CO

CaC2 + 2 H2O HCCH + Ca (OH)2

Otrzymywanie laboratoryjne

1) Dehydrohalogenacja dihalogenoalkilów

C CCH3 Na+

CH2

CHCH3

CH3

ClCH2

CHCH3

CH3

CC

CH3+

CH3

CC

CH3

Cl

HH

Cl

CH3

CC

CH3

Cl

H

C CCH3 CH3

KOH NaNH2

CH3

CC

CH3

Br

BrBr

BrC CCH3 CH3

Zn

2) Dehalogenacja tetrahalogenoalkilów

3) Reakcje acetylenków sodowych z pierwszorzędowymi halogenkami alkilów

Reakcje alkinów

O właściwościach chemicznych alkinów decyduje

1) potrójne wiązanie C CCH3 CH3

CH3

CC

CH3

H

HH

H

CH3

CC

CH3

H

H

H2

H2

CH3

CC

CH3

Br

Br

CH3

CC

CH3

Br

BrBr

Br

Br2

Br2

CH3

CC

CH3

Cl

H

CH3

CC

CH3

Cl

ClH

H

HCl

HCl

CH3

CC

CH3

OH

H

CH3

CCH2

CH3

O

H2O

forma enolowa

forma ketonowa

2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem

C CHCH2

CH2CH3 Ag+

C CCH2

CH2CH3

Ag+

Alkadieny

Alkadieny- są węglowodorami nienasyconymi o wzorze ogólnym CnH2n-2 zawierającymi w cząsteczce dwa wiązania C=C.

CH2

CCH

CH2

CH3

CH2

CHCH

CHCH3

CH2

CHCH2

CHCH2

Słownictwo –reguły identyczne jak dla alkenów,przy czym przyrostek –en zamieniamy na –dien który poprzedzamy dwoma lokantami

CH2

CHCH

CH2

1,3-butadien(but-1,3-dien)

CH2

CCH

CH2

CH3

2-metylo-1,3-butadien

(izopren)

CH3

CHC

CH2

CCH2

CH3

CH3

3-etylo-2-metylo-1,3-pentadien

Podział

-uklady skumulowane

-układy sprzężone

-uklady izolowane

Otrzymywanie alkadienów

Synteza izoprenu

Synteza butadienu

-w procesie krakingowym

-poprzez dehydratację alkoholu zawierającego w cząsteczce dwie grupy wodorotlenowe

CH2

CHCH

CH2OHCH2

CH2

CH2CH2

OH – 2 H2O

CH CH CH C K+

O C

CH3

CH3

C

CH3

CH3OHCCH

C

CH3

CH3OHCH

CH2

C

CH2

CH3

CH

CH2

KOH

H2

kat.

Al2O3

T

Rezonans w dienach sprzężonych

Struktura butadienu

CH

CH2

CH

CH2

+

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

+CH

CH2

(I) (II) (III)

Udział struktury(1)w opisie stanu elektronowego hybrydy rezonansowej jest największy , ale dzięki pewnemu udziałowi również struktur(2) i (3) wiązanie C2-C3 jest skrócone i ma częściowy charakter wiązania podwójnego.

Analogiczna ,jak w przypadku butadienu delokalizacja wiązań podwójnych jest przyczyną stabilizacji wszystkich dienów sprzężonych

Addycja elektrofilowa do dienów sprzężonych

Elektrofilowej addycji do dienów sprzężonych ulegają te same oddczynniki, które przyłączają się do alkenów:H2/kat, X2,HX (X=Cl,Br,J )

Addycja prowadzi zawsze do utworzenia mieszanin

1,2-adduktów i 1,4-adduktów

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

Br

BrCH

CH2

CH

CH2Br

Br

Br2+

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH3

Cl

CH

CH2

CH

CH3

Cl

HCl+

Izopren a reguła izoprenowa

Jednostka izoprenowa jest jedną z ulubionych przez przyrodę „cegiełek budowlanych” występuje ona nie tylko w kauczuku ,lecz także w wielu związkach wyodrębnionych z materiałow roślinnych.

Na przykład prawie wszystkie TERPENY (wykryte w olejkach eterycznych wielu roślin) mają szkielety węglowe zbudowane z jednostek izoprenowych połączonych w regularny sposób –”głowa do ogona”.

Poznanie tej zależności,zwanej Regułą izoprenową, w znacznej mierze ułatwiło ustalenie struktury terpenów.

OH

cytronelol(w olejku geraniowym)

-terpinen(w olejku kolendrowym)

OH

witamina A

skwalen

OH

lanosterol

OH

cholesterol

Cykloalkany

Odrębną grupę węglowodorów nasyconych stanowią związki cykliczne, tzw.cykloalkany,o wzorze ogólnym CnH2n.

Nazwy związków jednopierścieniowych tworzy się z nazw odpowiednich alkanów przez dodanie przedrostka cyklo-.

CH2

CH2CH2

CHCH3 CH2

CH2Br

BrZn CH2

CHCH2

CH2

CH2

CH2

CH3

H

HH

H

H

HC

CCH3

H

HC

CHC

H

H

C

H

CH3

H

H

H

H

HC

C

H

HC

CH C

H

H

C

konformacja łódkowa

konformacja krzesełkowa

metylocykloheksan