Upload
others
View
43
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
UGLJOVODONICI – ALKANI
UGLJOVODONICI
ACIKLIČNI
AROMATIČNI
CIKLIČNI
ALKENI
ALKINI
ALKANI
ALICIKLIČNI
cikloalkan cikloalken
ALKANI – OPŠTA SVOJSTVA
CnH2n+2 , n je broj C atoma
Tetraedarska struktura
uglovi veza = 109.5°
dužina veza = 110 pm
struktura ne odgovara
elektronskoj konfiguraciji ugljenika
Tetraedarska geometrija na svakom
C atomu
C—H dužina veza = 110 pm
C—C dužina veza = 153 pm
Broj strukturnih izomera kod alkana
CH4 1 C8H18 18
C2H6 1 C9H20 35
C3H8 1 C10H22 75
C4H10 2 C15H32 4 347
C5H12 3 C20H42 366 319
C6H14 5 C40H82 62,491,178,805,831
C7H16 9
Izomerni alkani
BUTANI - C4H10
2 strukturna izomera
n-butan → izobutan → CH3CH2CH2CH3 (CH3)3CH
1° 1°
2° 2°
1°
1°
3°
3°
PENTANI C5H12
n-pentan → Izopentan→
neopentan→
2,2-dimetilpropan
CH3CH2CH2CH2CH3
3 strukturna izomera
(CH3)2CHCH2CH3
(CH3)4C
Deo molekula koji se dobija uklanjanjem jednog H-atoma iz
molekula alkana
Imenuje se tako što se od naziva alkana oduzme sufiks -an i doda
sufiks –il
ALKIL GRUPE
NOMENKLATURA ALKANA
Ime alkana završava se sufiksom -an
n- prefiks kod alkana ravnog niza nije deo IUPAC
nomenklature tj. sistematskog imena
Alkani koji se ne račvaju imenuju se tako što se na latinski
ili grčki prefiks broja C atoma doda nastavak –an
Broj C atoma Naziv Struktura
5 pentan CH3(CH2)3CH3
6 heksan CH3(CH2)4CH3
7 heptan CH3(CH2)5CH3
8 oktan CH3(CH2)6CH3
9 nonan CH3(CH2)7CH3
10 dekan CH3(CH2)8CH3
Za alkane koji se račvaju potrebno je pratiti određena pravila:
1. Naći najduži niz ugljenikovih atoma • Najduži niz je osnovni niz
• Grupe vezane za osnovni niz nazivaju se supstituenti
NOMENKLATURA ALKANA
• Ukoliko molekul ima dva ili više nizova iste dužine, osnovni niz je onaj sa većim brojem supstituenata
2. Imenovati sve grupe vezane za osnovni niz kao alkil
supstituente;
• Ukoliko je supstituent račvast primenjuju se ista pravila kao
za osnovni niz
• Alkil grupe se imenuju tako što se u imena alkana sa istim
brojem C atoma sufiks –an zameni sufiksom –il.
NOMENKLATURA ALKANA
3. Numerisati ugljenikove atome najdužeg niza polazeći od
kraja koji je najbliži supstituentu
NOMENKLATURA ALKANA
• Ukoliko dva supstituenta mogu biti na istom rastojanju od dva različita kraja niza, osnovni niz se numeriše prema abecednom redu → prvi supstituent prema abecednom redu se vezuje za ugljenik nižeg broja
4. Napisati ime alkana prvo uređujući sve supstituente po
abecednom redu (svakom prethodi broj ugljenikovog
atoma za koji je vezan), a zatim dodati ime osnovnog
niza
• Ukoliko molekul sadrži više istih supstituenata, imenu alkil
grupe prethode prefiksi di-, tri- tetra- itd. Ovi prefiksi kao i
sek- i terc- ne raspoređuju se po abecednom redu osim ako
nisu deo složenog imena supstituenta.
NOMENKLATURA ALKANA
PRIMERI
2-metilbutan 2,3-dimetilbutan 4-etil-2,2,7-trimetiloktan
4-(1-etilpropil)-2,3,5-trimetilnonan
1
4 9
4-(1-metiletilheptan)
(4-izopropilheptan)
Nacrtati :
3,3-dimetilpentan 3-brom-1-hlorbutan
PRIMERI
Alkani su nepolarna jedinjenja, nerastvorna u vodi
Alkani imaju niže temperature ključanja od ostalih
ugljovodonika slične molekulske mase
Sa povećanjem broja C atoma raste temperatura
ključanja
Sa porastom račvanja smanjuje se temperatura
ključanja
Fizička svojstva alkana zavise od jačine
intermolekulskih privlačnih sila (Van der Waals-ove
sile)
FIZIČKA SVOJSTVA ALAKNA
Temperature ključanja
Broj C atoma
tk, oC
Temperature ključanja i topljenja
n-pentan CH3CH2CH2CH2CH3
izopentan
(CH3)2CHCH2CH3
neopentan
(CH3)4C
tk 36,1 oC tk 28 oC tk 9,4 oC tt -129.8 oC tt -159.9 oC tt -16,8 oC
KONFORMACIJE ETANA
Njumanova
projekciona
formula diedralni
ugao
60 o
stepeničasta
konformacija
eklipsna
konformacija
(12 kJ/mol) rotameri
KONFORMACIJE ETANA
E
Stepen rotacije
eklipsna
stepeničasta
KONFORMACIJE BUTANA
E
Stepen rotacije
anti anti
goš
(gauche-nezgodan)
sin
DOBIJANJE ALKANA Industrijsko (iz prirodnih izvora)
Laboratorijsko
PRIRODNI GAS čine:
• 75% metan
• 10% etan
• 5%propan
NAFTA se sastoji od oko 150 ugljovodonika (pretežno alkani i
cikloalkani)
• Primarna prerada
frakciona destilacija (atmosferska i vakuum)
• Sekundarna prerada
termički postupci (krekovanje)
katalitički postupci (krekovanje, reformiranje)
rafinerijski gas,
1%
petroletar, ligroin, benzin i nafta 15-30%
kerozin, lož ulje, 5-20%
gasno ulje, dizel gorivo,
ulje za podmazivanje
asfalt, 10-40%
Uljni ostatak, parafinski
vosak, asfalt, smola,
8-69%
LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA
1. Hidrogenovanje alkena i alkina
2. Redukcija alkil-halogenida
3. Vircova (Würtz) reakcija
LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA
1. Hidrogenovanje alkena i alkina
alken alkan
alkan alkin
ili
LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA
2. Redukcija alkil-halogenida
hidroliza Grinjarovog (Grignard) reagensa
redukcija pomoću metala i kiseline
RX + Mg RMgX RHH2O
R:Mg+
:X:..
..kovalentna veza
jonska veza _
Primer: 2-brombutan butan Zn, HBr
2-brombutan butan
3. Vircova reakcija
LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA
R-X + 2Na + R-X R-R + 2NaX
Primer: 1-brompropan heksan
ograničenje –kao polazni molekul se može koristiti samo jedan alkil-halogenid
u suprotnom će se dobiti smeša proizvoda
Na
REAKCIJE ALKANA
1. Oksidacija
2. Halogenovanje
3. Piroliza
REAKCIJE ALKANA
CH4 + O2 CO2 + 2H2O + toplota (212 kcal/mol)
toplota sagorevanja je količina toplote oslobođena po molu ugljovodonika
toplota sagorevanja raste sa brojem C atoma
toplota sagorevanja se smanjuje sa račvanjem
toplota sagorevanja ukazuje na stabilnost molekula
4817 kJ/mol
5471 kJ/mol
6125 kJ/mol
654 kJ/mol
654 kJ/mol
heptan
oktan
nonan
8CO2 + 9H2O
5452 kJ/mol
5458 kJ/mol
5471 kJ/mol
5466 kJ/mol O2
+ 25
2
O2 +
25
2 O2 +
25
2 O2 +
25
2
REAKCIJE ALKANA
2. Halogenovanje
DHo=energija disocijacije veze
DHo
(raskinutih veza) (stvorenih veza)
uvedena energija-oslobođena energija
ili
Energija disocijacije veze – količina utrošene ili oslobođene energije za raskidanje ili nastajanje
veze. Predstavlja jačinu neke veze
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4
Cl2, h Cl2, h Cl2, h Cl2, h
dihlormetan
(metilenhlorid)
trihlormetan
(hloroform)
tetrahlormetan
(ugljentetrahlorid) hlormetan
za monohlorovanje je potreban
veliki višak metana
inicijacija
propagacija
terminacija
Lančana reakcija – serija stupnjeva,
U svakom se stvara reaktivna čestica za sledeći stupanj
Mehanizam halogenovanja
inicijacija propagacija terminacija
Inicijacija
homolitičko raskidanje veze
atom hlora
mali broj inicijacija je potreban da bi se svi reaktanti preveli u proizvode !
ili
Propagacija 1 metil-radikal
Reakciona koordinata
za Br2
Ho=16 kcal/mol
Eact=18 kcal/mol . .
Propagacija 2
Propagacija
propagacija 1 propagacija 2
r.k.
Terminacija
Inhibitori-supstance koje usporavaju ili zaustavljaju reakciju čak i u maloj količini
Ukoliko dođe do reakcije između bilo koja dva radikala, dolazi do terminacije
Problem kod hlorovanja predstavlja kontrola selektivnosti
proizvoda
Fluor i brom reaguju sa metanom i alkanima
Jod ne reaguje
Prva propagaciona faza je uvek sporija od druge. Ona postaje
sve egzotermnija i njena Ea opada idući od Br, preko Cl do F.
Ovim trendom se objašnjavaju relativne reaktivnosti halogena
U slučaju fluora, prelazno stanje je mnogo bliže polaznim
materijalima nego proizvodima reakcije. Rana prelazna stanja
često su karakteristična za brze egzotermne procese
U slučaju broma, prelazno stanje je mnogo bliže proizvodima
reakcije. Kasna prelazna stanja često su karakteristična za spore
endotermne procese
relativna reaktivnost halogena F2>Cl2>Br2>(I2)
Halogenovanje viših alkana
.
CH3CH3
XCH3CH2
.CH3CH2-X
etil-radikal
43 % 57%
1 o 2 o
1-hlorpropan 2-hlorpropan
etan
propan
orijentacija je određena relativnom brzinom izdvajanja vodonika, odnosno
relativnom reaktivnošću
Halogenovanje viših alkana
r.k.
relativna reaktivnost 2o : 1o = 4 : 1 na 25 oC za hlorovanje
Apstrakcija 2o vodonika je
egzotermniji proces sa
nižom Ea
Halogenovanje viših alkana
1-hlor-2-metilpropan 2-hlor-2-metil-propan
relativna reaktivnost 3o : 1o = 5 : 1 na 25 oC za hlorovanje
relativna reaktivnost 3o : 2o : 1o = 5 : 4 : 1 na 25 oC za hlorovanje
hlor je neselektivan !
Halogenovanje viših alkana
2-brom-2-metilpropan 1-brom-2-metilpropan
relativna reaktivnost 3o : 2o : 1o = 1600 : 82 : 1 na 127 oC za bromovanje
brom je selektivan !
Halogenovanje viših alkana
r.k.
Brom pokazuje veliku selektivnost zato što se prelazna stanja kasno postižu i po strukturi su slična radikalu koji nastaje
Stabilnost radikala
Energija disocijacije veze kod alkana opada u
sledećem nizu:
metan>1o>2o > 3o
C-H jača veza Manje stabilan radikal
CH3-H CH3· + H· DH0 = 105 kcal mol-1
CH3CH2-H CH3CH2 · + H· DH0 = 101 kcal mol-1
(CH3)2CH-H (CH3)2CH· + H· DH0 = 98.5 kcal mol-1
(CH3)3C-H (CH3)3C· + H· DH0 = 96.5 kcal mol-1
C-H slabija veza Stabilniji radikal
opad
a ja
čina
veze
Stabilnost radikala Relativna stabilnost alkil-radikala se može objasniti
preklapanjem orbitale koja sadrži nesparen elektron (p orbitala) i orbitale na susednom C atomu (sp3 orbitala).
Ovo preklapanje se zove hiperkonjugacija.
Hiperkonjugacija dozvoljava vezujućem paru elektrona u vezi da se delokalizuje u delimično praznoj p orbitali.
Doprinos stabilnosti kod 2 i 3o radikala je smanjenje sternih interakcije zbog promene geometrije sistema (sp2 hibridizacije).
Faktori koji stabilizuju radikal stabilizuju i prelazno stanje
Struktura metil-radikala
prelazno stanje
metil-radikal HCl
Struktura 1o, 2o i 3o-radikala
1o 2o 3o
porast hiperkonjugacije
REAKCIJE ALKANA
3. Piroliza zagrevanjem alkana na visokoj temperaturi dolazi do raskidanja C-H i C-C
veza u odsustvu O2
pri tom nastaju viši i niži alkani i alkeni
propen
eten
kombinacija radikala
apstrakcija vodonika