Podzia wglowodorw wglowodory alifatyczne alkany cykliczne wglowodory alifatyczne

Podział węglowodorów węglowodory alifatyczne alkany cykliczne węglowodory alifatyczne alkeny alkiny dieny aromatyczne

Nazewnictwo węglowodorów wg IUPAC System 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. 2 -metylopentan 3 -metylopentan 3. Atomy węgla w łańcuchu podstawowym numeruje się tak, by atom węgla, przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwie jak najniższą liczbą. Dlatego piszemy 2 -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. 2, 2, 4 -trimetylopentan Jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka grup alkilowych, to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym.

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

Alkany (parafiny) Wzór ogólny Cn. H 2 n+2; końcówka nazwy: -an Ułożone są w szeregu homologicznym, różniącym się o stały element –CH 2–. Otrzymywanie (przemysł) Metoda Fischera – Tropscha CO + H 2 → CH 4 + H 2 O (kat. , ∆T) Wyższe alkany (C 2 -C 4) spotykamy również w gazie ziemnym. Alkany ciekłe są głównymi składnikami ropy naftowej, a alkany stałe-wosku ziemneg towarzyszącego złożom ropy naftowej.

Otrzymywanie alkanów (laboratorium) 1. Uwodornienie alkenów Cn. H 2 n + H 2 → Cn. H 2 n+2 2. Reakcja Wurtza 2 R–X + 2 Na → R–R + 2 Na. X R = alkil (CH 3–, C 2 H 5–, …) X = chlorowiec (Cl, Br…) R–X + R’–X + 2 Na → R–R’ + 2 Na. X R’ = alkil (CH 3 -, C 2 H 5 -, …) różny od R 3. Redukcja halogenków alkilów poprzez związki metaloorganiczne (odczynniki Grignarda) R–X + Mg → R–Mg. X + H 2 O → R–H + Mg(OH)X

Reakcje alkanów 1. Halogenowanie – najważniejsza reakcja alkanów, ma charakter rodnikowy. Promieniowanie ultrafioletowe dostarcza w niej energii niezbędnej do rozerwania wiązań. inicjacja Cl 2 hn 2 Cl • propagacja Cl • + CH 4 H • + Cl 2 CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl X = chlorowiec. Reaktywność Cl 2 > Br 2 > J 2. Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1° 2. Utlenianie Np. metanu: CH 4 + O 2 → CO 2 + 2 H 2 O CH 3 Cl + H • HCl + Cl •

Alkeny(olefiny) Węglowodory zawierające podwójne lub potrójne wiązanie w cząsteczce są to węglowodory nienasycone. Węglowodory z wiązaniem podwójnym nazywamy alkenami. Wzór ogólny alkenów Cn. H 2 n (identyczny wzór mają również cykloalkany). Słownictwo: Podstawowy łańcuch węglowy zawiera zawsze wiązanie podwójne przyrostkiem –en Lokant określający położenie podwójnego wiązania winien być najniższy. oznaczone CH 3–CH–CH 2–CH=CH–CH 3 (2 -heksen , heks-2 -en) Wiązanie podwójne ma pierwszeństwo przed potrójnym. Gdy jest kilka wiązań podwójnych stosujemy końcówkę -dien, -trien. CH 2=CH–C≡C–CH=CH 2 heksa-1, 5 -dien-3 -yn (1, 5 -heksadien-3 -yn)

Otrzymywanie alkenów 1. Eliminacja halogenków alkanów (E 2) (X-chlorowiec): 2. Odwodnienie alkoholi: 3. Redukcja alkinów:

Reakcje alkenów Najbardziej charakterystyczna dla alkenów jest reakcja addycji elektrofilowej. Przebiega ona wg schematu: 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 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 Przyłączenie wody: 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. Przyłączenie halogenu (chlorowca):

Reakcje utlenienia i redukcji W wyniku reakcji uwodornienia powstają alkany. Reakcja utlenienia alkenów prowadzi do różnych produktów w zależności od zastosowanych odczynników. Reakcja ta służy w analizie organicznej do wykrywania związków z wielokrotnymi wiązaniami (tzw. test Bayera – odbarwienie roztworu KMn. O 4 pod wpływem alkenów). Dalsze utlenianie prowadzi do rozpadu cząsteczki: Do reakcji utlenienia zaliczamy również proces ozonolizy.

Izomeria Izomerią nazywamy zjawisko występowania związków, które mimo identycznego składu pierwiastkowego i identycznej masy cząsteczkowej różnią się właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi. Podstawowe rodzaje izomerii to: 1. Izomeria strukturalna • Izomeria łańcuchowa, polegająca na różnym ukształtowaniu szkieletów węglowych w cząsteczce • Izomeria położenia podwójnego wiązania 2. Stereoizomeria (izomeria przestrzenna), tzw. izomeria cis-trans 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.

Stereoizomeria Reguły 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 Jeśli atomy podstawników połączone z węglami wiązania podwójnego są identyczne, rozpatruje się kolejno dalsze sąsiedztwo: CH 2 Br > CHCl 2 > CH 2 OH > CH 2 NH 2 > C(CH 3)3 > CH(CH 3)2 > CH 2 CH 3 > CH 3 Wiązanie podwójne traktujemy w świetle reguł pierwszeństwa jako dwa wiązania pojedyncze C–C: COOH > CH=O > CH 2 OH > C N > CH 2 NH 2 > C CH > CH=CH 2 > CH 2 CH 3

Typy odczynników chemicznych odczynnik 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 S 2 O 82– + 2 e– 2 SO 42– [Fe(CN)6]3– + e– [Fe(CN)6]4– b) elektrycznie obojętną cząsteczką, posiadającą na jakimś atomie lukę elektronową (typowy kwas Lewisa) np. : Al. Cl 3, Fe. Br 3, BF 3 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 NO 2+ Ar. H + NO 2+ Ar–NO 2 + H+

Typy odczynników chemicznych odczynnik 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 b) jony ujemne, np. : X– , OH– , RO– , S 2– , 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. 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 Polimeryzacja winylowa jest najczęściej procesem rodnikowym, inicjowanym przez termiczny rozkład nadtlenków organicznych lub związków azowych

Mechanizm rodnikowej polimeryzacji winylowej Inicjacja np. : Propagacja (wzrost łańcucha) Terminacja (zakończenie wzrostu długości łańcucha) Np. ; Połączenie dwóch rosnących rodników (koligacja)

Przykłady polimeryzacji polietylen poli(octan winylu) poliakrylonitryl poli(metakrylan metylu) polistyren Właściwości polimerów mogą zależeć od sposobu polimeryzacji Polimeryzacji koordynacyjnej-katalizatory Zieglera-Natty np. : Ti. Cl 4+R 3 Al Polimeryzacja kationowa- katalizatory kwasy Lewisa Polimeryzacja anionowa-katalizatory anionowe np. ; Bu Li

Metateza Yves 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”

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 1 -butyn (but-1 -yn) 5 -metylo-2 -heksyn (5 -metyloheks-2 -yn) 4 -metylo-2 -hepten-5 -yn (4 -metylohept-2 -en-5 -yn)

Otrzymywanie Alkinów Otrzymywanie przemyslowe 1)Przez kontrolowane utlenianie CH 4 6 CH 4 + O 2 2 C 2 H 2 +2 CO + 10 H 2 (temperatura 1500°C) 2)Przez działanie wody na karbid Ca. O + 3 C Ca. C 2 + CO Ca. C 2 + 2 H 2 O HC CH + Ca (OH)2 Otrzymywanie laboratoryjne 1) Dehydrohalogenacja dihalogenoalkilów 2) Dehalogenacja tetrahalogenoalkilów 3) Reakcje acetylenków sodowych z pierwszorzędowymi halogenkami alkilów

Reakcje alkinów O właściwościach chemicznych alkinów decyduje 1) potrójne wiązanie 2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem

Alkadieny- są węglowodorami nienasyconymi o wzorze ogólnym Cn. H 2 n-2 zawierającymi w cząsteczce dwa wiązania C=C. Podział -uklady skumulowane -układy sprzężone -uklady izolowane Słownictwo –reguły identyczne jak dla alkenów, przy czym przyrostek –en zamieniamy na –dien który poprzedzamy dwoma lokantami 1, 3 -butadien (but-1, 3 -dien) 2 -metylo-1, 3 butadien (izopren) 3 -etylo-2 -metylo-1, 3 -pentadien

Otrzymywanie alkadienów Synteza butadienu -w procesie krakingowym -poprzez dehydratację alkoholu zawierającego w cząsteczce dwie grupy wodorotlenowe Synteza izoprenu

Rezonans w dienach sprzężonych Struktura butadienu Udział struktury(1)w opisie stanu elektronowego hybrydy rezonansowej jest największy , ale dzięki pewnemu udziałowi również struktur(2) i (3) wiązanie C 2 -C 3 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: H 2/kat, X 2, HX (X=Cl, Br, J ) Addycja prowadzi zawsze do utworzenia mieszanin 1, 2 -adduktów i 1, 4 -adduktów

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. cytronelol (w olejku geraniowym) skwalen g-terpinen (w olejku kolendrowym) lanosterol witamina A cholesterol

Cykloalkany Odrębną grupę węglowodorów nasyconych stanowią związki cykliczne, tzw. cykloalkany, o wzorze ogólnym Cn. H 2 n. Nazwy związków jednopierścieniowych tworzy się z nazw odpowiednich alkanów przez dodanie przedrostka cyklo-. metylocykloheksan konformacja krzesełkowa konformacja łódkowa