Węglowodory i ich

fluorowcopochodne,

mechanizmy reakcji

związków organicznych,

izomeria Z, E

Marta Augustyniak

Barbara Kopera

Katarzyna Wargacka

Magdalena Wiśniewska

Joanna Zagożdżon

Węglowodory i ich fluorowcopochodne,

mechanizmy reakcji związków organicznych,

izomeria Z, E

1. Podział węglowodorów.
2. Alkany i cykloalkany.
3. Alkeny.
4. Alkiny.
5. Węglowodory aromatyczne.
6. Halogenopochodne.
7. Występowanie węglowodorów w

przyrodzie.

8. Właściwości biologiczne węglowodorów.

PODZIAŁ WĘGLOWODORÓW

WĘGLOWODORY

NASYCONE

wiązania
pojedyncze

NIENASYCONE
wiązania

podwójne
i potrójne

PIERŚCIENIOWE

Alkany:

metan, etan,

propan, butan….

Węglowodory
cykliczne:

cykloalkany,

cykloalkeny
i cykloalkiny

Aromatyczne:
benzen

Alkeny:

eten, propen,

but-1-en…

Akliny:

etyn (acetylen),

propyn…

WĘGLOWODORY

ŁAŃCUCHOWE

WĘGLOWODORY CYKLICZNE

ALKANY

• łańcuchowe węglowodory nasycone
• wzór ogólny: C

n

H

2n+2

• Hybrydyzacja : sp3
• Nazewnictwo:

- nazwy alkanów oprócz pierwszych
czterech odpowiadają liczbie atomów
węgla w łańcuchu
- tworzymy je poprzez dodanie końcówki
–an do przedrostków określających liczbę
atomów węgla

ALKANY – REGUŁY

NAZEWNICTWA

- W rozpatrywanej cząsteczce wybiera się najdłuższy

łańcuch węglowy i nazwę alkanu odpowiadającemu
temu łańcuchowi przyjmuje się jako podstawę tworzonej
nazwy

- Atomy węgla w najdłuższym łańcuchu numeruje się

zaczynając od jednego z atomów skrajnych. Kierunek
numeracji powinien być taki, żeby liczby wskazujące
położenie podstawników były jak najmniejsze

- Nazwy grup alkilowych będących podstawnikami przy

atomach węgla z najdłuższego łańcucha są wymieniane
w porządku alfabetycznym

- Liczbę podstawników identycznych zaznacza się

przedrostkami di- tri- tetra-

PRZYKŁADY

ALKANY - OTRZYMYWANIE

A)

Uwodornienie C lub CO

2

C (lub CO

2

) + 2H

2

 CH

4

(+H

2

0)

B) Redukcja CO

2

CO

2

+ 4H

2

(Ni, temp.) CH

4

+ 2H

2

O

C) Uwodornienie alkenów/alkinów

CH

2

=CH

2

(lub CHΞCH) + H

2

 (Pt) C

2

H

6

D) Redukcja halogenopochodnych

R-X ([H]) R-H + HX

ALKANY - OTRZYMYWANIE

E) Reakcja Wurtza

2R-X + 2 Na  R-R + 2NaX

G) Hydroliza związków

metaloogranicznych

Al

4

C

3

+ 12 HCl

(aq)

 3CH

4

+ 4HCl

3

R

2

Zn + 2H

2

O  2 R-H + Zn(OH)

2

ALKANY – REAKCJE

Reakcje podstawienia(chlorowania,
bromowania)
Są to reakcje wymiay podstawników

R-X + Y → R-Y +X

ALKANY – REAKCJE

• 3 etapy:

–

inicjowanie, wytwarzane są rodniki X2 pod wpływem

światła lub ciepła dysocjuje na atomy

–

kontynuacja

Cl˙ + CH

4

 CH

3

˙ + HCl

CH

3

˙ + Cl

2

 CH

3

Cl + Cl˙

–

zakończenie – przerwanie reakcji łańcuchowej –

reakcja zużywająca wolne rodniki

2 Cl˙  Cl

2

2 CH

3

˙  CH

3

CH

3

Cl˙ + CH

3

˙  CH

3

Cl

• Nitrowanie

R-H(g) + HNO

3

(g) → R-NO

2

+ H

2

(g)

Reakcja przebiega pod wpływem temperatury i ciśnienia

• Izomeryzacja

CH

3

-CH

2

-CH

2

-CH

3

pod wpływem AlCl

3

i temp. Daje CH

3

-

CH

2

(CH

3

)-CH

3

• Piroliza

– CH

3

-CH

2

-CH

2

-CH3 pod wpływem temp. 600 stopni

Celsjusza rozpada się na CH

3

* + CH

3

CH

2

CH

2

*

 

ALKANY – REAKCJE

CYKLOALKANY

• Cykloalkany:
• różnią się od alkanów budową

pierścieniową.

• nazwy tworzymy przez dodanie

przedrostka cyklo- do nazwy alkanu.

• ulegają reakcji utleniania,

izomeryzacji, aromatyzacji.

CYLKOALKANY -

OTRZYMYWANIE

A) Cyklizacja alifatycznych związków

łańcuchowych

B) Hydrogenacja związków

aromatycznych

C) Pozyskiwanie z ropy naftowej

ALKENY

• Ogólny wzór – C

n

H

2n

• Węglowodory nienasycone posiadające w

swojej cząsteczce wiązanie podwójnie

• Hybrydyzacja: sp2
• Występuje izomeria:

A) METAMERIA

CH

2

=CH—CH

2

—CH

3

CH

3

—CH=CH—CH

3

B) IZOMERIA CIS-TRANS

ALKENY

•REGUŁA ZAJCEWA:

Podczas

reakcji

eliminacji

wiązanie

podwójnie powstaje tak, aby było położone
możliwie centralnie w cząsteczce.

•REGUŁA MARKOWNIKOWA:
W reakcjach addycji niesymetrycznych

reagentów do niesymetrycznych alkenów
atom wodoru przyłącza się tam, gdzie jest
już więcej atomów wodoru.

ALKENY - OTRZYMYWANIE

A) Eliminacja halogenku = Dehalogenacja

B) Eliminacja hydrohalogenku =

Dehydrohalogenacja

ALKENY – OTRZYMYWANIE

Reakcje alkenów:

C) Eliminacja wody = Dehydratacja

ALKENY – REAKCJE

A) Addycja halogenów = Halogenacja

B) Addycja hydrohalogenku =

Hydrohalogenacja

ALKENY – REAKCJE

C) Addycja wody = Hydratacja

D) Utlenianie do epoksydu

ALKENY – REAKCJE

E) Ozonoliza:

F) Polimeryzacja:

a) etylen

ALKENY – REAKCJE

b) chlorek winylu

c) tetrafluoroeten

ALKENY – REAKCJE

d) styren

G) Spalanie:
a) całkowite: C

2

H

4

+ 3O

2

---> 2CO

2

+ 2H

2

O

b) półspalanie: C

2

H

4

+ 2O

2

---> 2CO +

2H

2

O

c) spalanie niecałkowite: C

2

H

4

+ O

2

--->

2C + 2H

2

O

DIENY

ALKINY

• Węglowodory nienasycone

posiadające w swojej cząsteczce
wiązanie potrójne

• Wzór ogólny: C

n

H

2n-2

• Hybrydyzacja typu: sp

ALKINY – REAKCJE

A)

Addycja wodoru:

R – C≡CH + H

2

→ R – CH = CH

2

(na katalizatorze Lindlara: Pd/CaCO

3

)

R – C≡CH + 2 H

2

→ R – CH

2

– CH

3

(na katalizatorze Pd/C aktywny)
B) Addycja halogenku X

2

R – C≡CH + Br

2

→ R – CBr = CHBr

R – CBr = CHBr + Br

2

→ R – CBr

2

– CHBr

2

C) Addycja halogenowodoru HX

R – C≡CH + HBr → R – CBr CCH

2

R – CBr = CH

2

+ HBr → R – CBr

2

– CH

3

ALKINY – REAKCJE

• REAKCJE ALKINÓW:
D) Addycja wody = Synteza Kuczerowa

R – C≡CH + H

2

O → R – CO – CH

3

(w obecności HgSO

4

i H

2

SO

4

)

E) Spalanie

2 C

2

H

2

+ O

2

→ 4 C + 2 H

2

O (spalanie

niecałkowite)
2 C

2

H

2

+ 5 O

2

→ 4 CO

2

+ 2 H

2

O (spalanie

całkowite)

F) Odbarwianie wody bromowej

HC≡CH + Br

2

(aq) → CHBr = CHBr

CHBr = CHBr + Br

2

(aq) → CBr

2

– CBr

2

ALKINY - OTRZYMYWANIE

A) eliminacja HX z halogenków alkilowych

R – CCl = CH – R + KOH → R – C≡C – R + KCl

+ H2O

(w obecności etanolu)

R – CHCl – CHCl – R + 2 KOH → R – C≡C – R + 2
KCl + 2 H2O

(w obecności etanolu)

ALKINY - OTRZYMYWANIE

B) Otrzymywanie acetylenu

a) reakcja karbidu (węglik wapnia) z wodą

CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca(OH)2

lub

CaC2 + 2 HCl → C2H2 + CaCl2

b) piroliza (rozkład w wysokiej temperaturze)
metanu

2 CH4 → C2H2 + 3 H2 (temperatura ok. 1200

º C)

WĘGLOWODORY

AROMATYCZNE

• Benzen – charakterystyka
 

– Wyodrębniony ze smoły węglowej
– Węgle w jego cząsteczce wykazują hybrydyzację sp2
– Jego struktura przestrzenna i nakładając się orbitale

sprawiają, że w przypadku jego cząsteczki benzenu mówimy
o UKŁADZIE WIĄZAŃ ZDELOKALIZOWANYCH ( tzw.
zdelokalizowany sekstet elektronowy)

– Efektem wiązań zdelokalizowanych jest powstanie chmury

elektronowej zarówno nad , jak i pod płaszczyzną pierścienia,
dlatego analizując strukturę cząsteczki ustalamy
poszczególne wiązania jako pojedyncze lub podwójne tylko
formalnie, w rzeczywistości te wiązania to coś pomiędzy
jednym i drugim)

BENZEN – WŁAŚCIWOŚCI

CHEMICZNE

A.

Benzen nie zachowuje się jak związek nienasycony
(nie reaguje z wodą bromową i roztworem
nadmanganianu potasu w zwykłych warunkach,
wykazując podobieństwo do alkanów)

B.

Wiązania C – C w benzenie są krótsze niż wiązania
pojedyncze, ale dłuższe niż wiązania podwójne w
etenie

C.

Benzen spala się kopcącym płomieniem, pary benzenu
tworzą z powietrzem mieszaninę wybuchową.

D.

Ulega reakcji podstawienia w pierścieniu
aromatycznym. (podobieństwo do alkanów) - reakcja z
bromem lub chlorem w obecności katalizatora.

D. Reakcja nitrowania Reakcja z tzw. mieszaniną nitrującą

(mieszaniną stężonych kwasów: azotowego i siarkowego.
Jest to reakcja podstawienia atomu wodoru grupą nitrową
(reakcja charakterystyczna dla związków aromatycznych.)

E. Reakcja uwodornienia (reakcja przyłączenia - podobieństwo

do alkenów)

BENZEN - OTRZYMYWANIE

1. Trimeryzacja cząsteczek acetylenu

2. Na skalę przemysłową w procesie cyklizacji (zamknięcia w

pierścień zawartych w ropie naftowej alkanów) i odwodornienia
powstałych cykloalkanów.

INNE ZWIĄZKI

AROMATYCZNE

Związki te ulegają reakcjom chemicznym analogicznie do benzenu
a) reakcja nitrowania

b) reakcja bromowania

WŁAŚCIWOŚCI HOMOLOGÓW

BENZENU

• Najbliższe homologi benzenu są podobnie jak on :

cieczami bezbarwnymi, nierozpuszczalnymi w
wodzie, o gęstości mniejszej niż gęstość wody.

• Naftalen:

– białe ciało stałe
– charakterystyczny zapach
– nie rozpuszcza się w wodzie
– łatwo sublimuje ( ze względu na strukturę kryształu,

tzn. tak jak beznen tworzy kryształ cząsteczkowy, czyli
taki, gdzie cząsteczki przyciągają się jedynie słabymi
siłami van der Waalsa), dlatego podczas ogrzewania
przechodzi bezpośrednio z fazy stałej w fazę gazową

KIERUJĄCY WPŁYW PODSTAWNIKÓW W REAKCJI SUBSTYTUCJI

ELEKTROFILOWEJ

• Analizowane wcześniej reakcje, jakim ulega benzen ( nitrowanie,

chlorowcowanie, alkilowanie ) są przykładami rekacji typu substytucji
elektrofilowej, w której cząsteczka benzenu zostaje zaatakowana przez
elektrofil, który ma niedobór elektronów lub jest jonem dodatnim.
Zachodzi ona w następujących etapach:

1. Wytworzenie elektrofila
2. Atak elektrofila na pierścień aromatyczny
3. Odtworzenie katalizatora

• Podstawnik już wprowadzony do pierścienia decyduje o miejscu ataku

elektrofilowego, czyli o miejscu przyłączenia nowego podstawnika. W
oparciu o to wyróżnia się 2 zasadnicze grupy podstawników :

PODSTAWNIKI I RODZAJU : kierują do pozycji orto- lub para-

Np. –CH3 , -C2H5, - OH, -SH, -NH2 , -Cl , -Br, -I , -F

PODSTAWNIKI II RODZAJU : kierują do pozycji meta-

Np. –NO2 , -CHO, -COOH , -COOR , -CONH2

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

.

• OTRZYMYWANIE
• Metody oparte na reakcjach węglowodorów z fluorowcami

lub fluorowcowodorami podane wcześniej 

• Reakcje podstawienia grupy hydroksylowej w alkoholach

• R – OH + HX → R – X + H2O
• R – OH + SOCl2 →R – Cl + HCl + SO2
• R – OH + PCl

5

→R – Cl + HCl + POCl

3

• 3R – OH + PBr

3

→3R – Br + H3PO

3

• (CH3)

3

C – OH + HCl →(CH3)

3

C – Cl + H2O

• CH3CH2– OH + SOCl2 →CH3CH2 – Cl + H – Cl + SO2
 

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

Charakterystyczne reakcje

I. Reakcje substytucji nukleofilowej:
1. Hydroliza (synteza alkoholi)

R – X + H

2

O → R – OH + HX

R – X + KOH → R – OH + KX

R – X + Ag

+

+ H

2

O → R – OH + AgX + H

+

 

2. Synteza tioli

R – X + NaHS → R – SH + NaX

 

3. Synteza amin:

R – X + NH3 → R – NH2 + HX

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

R – X + R1 – NH2 → R – NH – R1 + HX

 
II. Reakcje B-eliminacji
• Gdy nukleofil jest bardzo mocną zasadą, wówczas

zamiast substytucji następuje konkurencyjna
eliminacja.

R – CH2 – CH2 – X + KOH → R –CH = CH2 + KX + H2O

 
III. Synteza związków magnezoorganicznych =

Grignard’a

R – X + Mg → R – Mg – X

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

• WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE:
• stan skupienia w temp. pokojowej – ciecze; z

wyjątkiem CH3Cl i CH3Br, które są gazami

• temp. wrzenia: CH3l > CH3Br > CH3Cl > CH3F
• wrażliwe na światło – pod wpływem światła

często ulegają rozkładowi

• nie rozpuszczają się w wodzie
• chloroalkany – lżejsze od wody
• bromo– i jodoalkany – cięższe od wody
• lotne halogenoalkany są lakrymatorami

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

Przykłady zastosowań halogenopochodnych węglowodorów

 

• CCl4 ; tetrachlorometan (tetrachlorek węgla); stosowany jako

rozpuszczalnik tłuszczów

• CHBrCl - CF3  ; 2-bromo-2-chloro-1,1,1-trifluoroetan (halaton);

środek do znieczulania ogólnego

• CHI3 ;Trijodometan (jodoform); żółta krystaliczna substancja,

właściwości antyseptyczne - używany jako zasypka do ran
powierzchniowych

• CHCl2 - CHCl2 ; Tetrachloroetan ; środek przeciwpasożytniczy dla

psów, rozpuszczalnik organiczny, może powodować uszkodzenie
wątroby

• CHCl3 ; Trichlorometan (chloroform); ciecz o charakterystycznym

zapachu, używany dawniej do znieczulenia, działał toksycznie na serce
i wątrobę i dlatego został wycofany. Pod wpływem wilgoci, światła
rozpada się na trujący fosgen i chlorowodór.

HALOGENOPOCHODNE WĘGLOWODORÓW

F–; Cl–; Br–; I–

• FREONY:

CFCl3 (trichlorofluorometan) freon -11
CCl2F2 (dichlorodifluorometan) freon -12
Czynniki chłodzące w chłodziarkach sprężarkowych

• HALON

CBrClF2 (bromochlorodifluorometan)
Środek gaśniczy

POLICHLOREK WINYLU (PCV)
Substancją wyjściową jest chlorek winylu [CH2=CHCl (chloroeten)], który
poddany procesowi polimeryzacjii tworzy polichlorek winylu [-CH2-CHCl-]n
Do produkcji tworzyw sztucznych

• TEFLON

Substancją wyjściową jest tetrafluoroeten [CF2=CF2], który poddany
procesowi polimeryzacji tworzy teflon [-CF2-CF2-]n
Tworzywo odporne na chemikalia i temperaturę (patelnie teflonowe)

WĘGLOWODORY W PRZYRODZIE.

• Najważniejsze surowce naturalne

zawierające węglowodory to:

– Gaz ziemny
– Ropa naftowa
– Węgiel kamienny

Gaz ziemny

Skład:
• Gaz ziemny jest mieszaniną lekkich alkanów.
• Głównym jego składnikiem jest metan (50% - 98%),

a pozostałe to oprócz węglowodorów: azot,

dwutlenek węgla, siarkowodór, hel.

Występowanie:
• Gaz ziemny pod zwiększonym ciśnieniem tworzy

pokłady tzw. gazu suchego, ale najczęściej
towarzyszy złożom ropy naftowej jako tzw. gaz
mokry.

• W Polsce występuje na Podkarpaciu (Jasło, Krosno),

w okolicach Lubaczowa i Rybnika.

Gaz ziemny

Przeróbka gazu ziemnego może być prowadzona metodami:
• zachowawczą, polegającą na rozdziale mieszaniny

węglowodorów na podstawie
różnych własności fizycznych;

• przetwórczą , zmieniającą strukturę chemiczną

węglowodorów w celu otrzymania nowych produktów

Zastosowanie:

Gaz ziemny stosowany jest jako paliwo, np.
w domowych kuchenkach i piecach
centralnego ogrzewania oraz jako surowiec
dla przemysłu chemicznego

Ropa naftowa

• Z chemicznego punktu widzenia ropa naftowa to

mieszanina różnych węglowodorów. W węglowodorach
stałych rozpuszczone są węglowodory ciekłe i gazowe.

Niemetale

Związki

chemiczne

Metale

węgiel(C)

wodór(H)

siarka(S)

tlen(O)

azot(N)

chlorek

sodu(NaCl)

siarkowodór(H2

S)

amoniak(NH3)

woda(H2O)

fenole

tioalkohole

związki

heterocykliczne

nikiel(Ni)
mangan(Mn)

żelazo(Fe)
chrom(Cr)
sód(Na)
rtęć(Hg)

Ropa naftowa

Destylacja frakcyjna

•

Najważniejszym procesem przeróbki ropy
naftowej jest destylacja frakcyjna, w której
wykorzystuje się różnice temperatur wrzenia
poszczególnych składników ropy. Pozwala ona
rozdzielić ropę na frakcje, czyli grupy związków
organicznych mających zbliżone własności

•

Polski chemik - Ignacy Łukasiewicz
przeprowadził pierwszą destylację ropy naftowej
i wybudował pierwsze rafinerie.

Ropa naftowa

Ropa naftowa

Węgiel kamienny

• Nieustanne, powolne ruchy skorupy ziemskiej w

odległych okresach geologicznych spowodowały,

że martwe organizmy roślinne zostały odcięte od

dostępu tlenu i pod wpływem temperatury oraz

ciśnienia przekształciły się w pokłady węgla.

• Węgiel kamienny zawiera: 80-95% C, 4-5,5% H, 3-

13% O, 1,4-1,8% N, 0,3-0,7% S, 3-11% popiołu.

Produkty suchej destylacji:

Pojęcia

• Kraking – jest procesem rozkładu alkanów o dużych

cząsteczkach na związki o mniejszych cząsteczkach.

• Reforming – jest procesem przetwarzania alkanów

łańcuchowych w związki rozgałęzione.

• Sucha destylacja – to proces ogrzewania substancji

bez dostępu powietrza.

• Liczba oktanowa – określa przydatność benzyny

jako paliwa do silników spalinowych z zapłonem

iskrowym, a wyznacza się ją przez porównanie

właściwości benzyny z właściwościami wzorca:

izooktanu.

• Liczba cetanowa – jest odpowiednikiem liczby

oktanowej, ale dla

paliw w silnikach z zapłonem

samoczynnym (silniki Diesla)

Właściwości biologiczne

węglowodorów.

• Do związków najczęściej spotykanych w rożnych dziedzinach działalności człowieka

należą węglowodory różnych typów, stosowane szeroko jako paliwa, surowce i
półprodukty przemysłowe oraz jako rozpuszczalniki.

• Węglowodory nasycone, z którymi mamy do czynienia najczęściej ( benzyna,

paliwo do zapalniczek, gaz ziemny itd.), nie wywierają działania toksycznego o ile
kontakt z nimi nie jest zbyt długotrwały i stężenia w powietrzu nie są zbyt wysokie.

• Charakterystyczne dla gazowych i łatwo lotnych węglowodorów nasyconych i

nienasyconych są ich właściwości narkotyczne : ALKANY – są słabymi narkotykami,
CYKLOPROPAN - wdychany w mieszaninie z tlenem, wywołuje bardzo szybko
głęboką narkozę, ETYLEN i ACETYLEN – też wywołują stan narkozy chirurgicznej i
bywają sporadycznie stosowane w tym celu.

• Węglowodory aromatyczne są natomiast silnie trujące, a wśród nich najbardziej

niebezpieczny jest BENZEN ( jedna z najbardziej niebezpiecznych trucizn
przemysłowych). Wdychanie par benzenu nawet o niewielkim stężeniu prowadzi do
ciężkich zatruć, m.in. do nieodwracalnego uszkodzenia układu krwiotwórczego i
białaczki. Objawy zatrucia rozwijają się powoli i są niedostrzegalne, a zmiany w
organizmie wywołane przez benzen są nieodwracalne !

• Są też węglowodory rakotwórcze ( głównie areny wielopierścieniowe ).

DZIĘKUJEMY

ZA UWAGĘ