podział węglowodorów
Post on 27-Jan-2016
162 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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
top related