Podział węglowodorów

węglowodory

alifatyczn

e

aromatyczne

alkany

alkeny

alkiny

cykliczne

węglowodory

alifatyczne

dieny

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.

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.

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

CH

3

CH

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

2-
metylopent
an

CH

3

CH

2

CH

CH

2

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

3-
metylopent
an

CH

3

CH

3

CH

3

CH

CH

2

C

CH

3

CH

3

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

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

CH

2

C

CH

3

CH

3

1°

1°

1°

1°

1°

2°

2°

3°

4°

Alkany (parafiny)

Otrzymywanie (przemysł)

   Metoda Fischera – Tropscha

CO + H

2

→ CH

4

+ H

2

O (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 C

n

H

2n+2

; końcówka nazwy: -an

Ułożone są w szeregu homologicznym, różniącym się o stały element

–CH

2

–.

Otrzymywanie alkanów

(laboratorium)

1.    Uwodornienie alkenów

C

n

H

2n

+ H

2

→ C

n

H

2n+2

2.    Reakcja Wurtza

2 R–X + 2 Na → R–R + 2 NaX

R = alkil (CH

3

–, C

2

H

5

–, …)

X = chlorowiec (Cl, Br…)

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

R–X + Mg → R–MgX

R–MgX + H

2

O → R–H + Mg(OH)X

R–X + R’–X + 2 Na → R–R’ + 2 NaX

R’ = alkil (CH

3

-, C

2

H

5

-, …) 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 Cl

2

> Br

2

> J

2

.

Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1°

Cl

2

h

2 Cl•

inicjacja

propagacja

Cl• + CH

4

CH

3

Cl + H•

H• + Cl

2

HCl + Cl•

CH

4

+ Cl

2

CH

3

Cl + HCl

2.    Utlenianie

Np. metanu:

CH

4

+ O

2

→ CO

2

+ 2H

2

O

Alkeny(olefiny)

Węglowodory zawierające podwójne lub potrójne wiązanie w cząsteczce są to
węglowodory nienasycone. Węglowodory z wiązaniem podwójnym nazywamy
alkenami.
Wzór ogólny alkenów C

n

H

2n

(identyczny wzór mają również cykloalkany).

Słownictwo:

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

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):

C C

C C

X

H

KOH

etanol

HX

+

C C

C C

H

OH

H

2

O

+

T

katalizator

C C

C C

Pd lub Ni

H

2

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

H

H

+

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 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.

CH CH

2

C

H

3

HCl

CH CH

3

C

H

3

Cl

C CH

2

C

H

3

C

H

3

HBr

C CH

3

CH

3

Br

C

H

3

C CH

C

H

3

C

H

3

CH

3

HCl

CH

3

C CH

2

Cl

C

H

3

CH

3

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 CH

2

C

H

3

C

H

3

HBr

RO•

C

H

3

CH CH

2

C

H

3

Br

Przyłączenie wody:

Przyłączenie halogenu
(chlorowca):

C C

C C

X

X

X

2

C C

C C

H

OH

H

2

O

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

O

H

OH

KMnO

4

H

2

O

KOH

MnO

2

+

+

+

+

3

2

3

2

2

4

Reakcja ta służy w analizie organicznej do wykrywania związków z
wielokrotnymi wiązaniami (tzw. test Bayera – odbarwienie roztworu KMnO

4

pod

wpływem

alkenów).

Dalsze utlenianie prowadzi do rozpadu cząsteczki:

C C

C

H

3

C

H

3

CH

3

H

KMnO

4

C O

C

H

3

C

H

3

O C

CH

3

OH

+

C C

C

H

3

C

H

3

CH

3

H

O

3

C O

C

H

3

C

H

3

O C

CH

3

H

+

Izomeria

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

Izomerią nazywamy zjawisko występowania związków, które

mimo identycznego składu pierwiastkowego i identycznej masy

cząsteczkowej różnią się właściwościami fizycznymi,

chemicznymi i biologicznymi.

C C

H

C

H

3

H

CH

3

C C

H

C

H

3

CH

3

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.

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

COOH > CH=O > CH

2

OH > C



N > CH

2

NH

2

> C



CH > CH=CH

2

>

CH

2

CH

3

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:

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:

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

8

2–

+ 2e

–

 2SO

4

2–

[Fe(CN)

6

]

3–

+ e

–

 [Fe(CN)

6

]

4–

C O

–

+

C N

–

+

O

N

O

–

+

b) elektrycznie obojętną cząsteczką, posiadającą na jakimś atomie lukę

elektronową (typowy kwas Lewisa) np.:AlCl

3

, FeBr

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

+

ArH + 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

R

H

N

H

R

H

O

R

R

O

R

H

S

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.

Polimeryzacja

winylowa

jest

najczęściej

procesem

rodnikowym, inicjowanym przez termiczny rozkład
nadtlenków organicznych lub związków azowych

CH CH

2

A

C CH

2

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

R

O

R

O

CH

2

CH

CH

3

CH

2

CH

CH

3

CH

CH

R

O

CH

2

CH

3

CH

2

CH

3

CH

2

CH

CH

3

+

+

Propagacja (wzrost łańcucha)

Terminacja (zakończenie wzrostu długości łańcucha)

Np.; Połączenie dwóch rosnących rodników (koligacja)

O

O

R

R

O

R

2

CH

CH

3

CH

CH

3

CH

CH

CH

3

CH

3

+

O

C

O

np.
:

Właściwości polimerów mogą zależeć od sposobu

polimeryzacji
Polimeryzacji koordynacyjnej-katalizatory Zieglera-Natty

np.:TiCl

4

+R

3

Al

Polimeryzacja kationowa- katalizatory kwasy Lewisa
Polimeryzacja anionowa-katalizatory anionowe np.;Bu Li

Przykłady polimeryzacji

*

CH

2

CH

2

*

n

CH

2

CH

2

n

polietyle
n

*

CH

CH

2

*

n

CN

CH

2

CH

CN

n

poliakrylonitryl

CH

2

CH

O

C

CH

3

O

O

C

CH

3

O

*

CH

CH

2

*

n

n

poli(octan
winylu)

*

CH

2

*

n

CH

CH

2

CH

n

polistyren

C

CH

2

C

O

CH

3

O

CH

3

C

O

O

CH

3

*

C

CH

2

*

n

CH

3

n

poli(metakrylan
metylu)

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”

CH

CH

CH

2

CH

2

CH
CH

2

CH

CH

2

+

+

katalizator

Alkiny

acetyl
en

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 CH

2

CH

3

1-butyn

(but-1-yn)

C C CH

2

CH CH

3

CH

3

CH

3

5-metylo-2-

heksyn

(5-metyloheks-2-

yn)

C C CH

CH

3

CH CH

CH

3

CH

3

4-metylo-2-hepten-5-

yn

(4-metylohept-2-en-

5-yn)

Otrzymywanie Alkinów

Otrzymywanie przemyslowe

1)Przez kontrolowane utlenianie CH

4

6CH

4

+ O

2

 2 C

2

H

2

+2 CO + 10H

2

(temperatura 1500°C)

2)Przez działanie wody na karbid
CaO + 3C  CaC

2

+ CO

CaC

2

+ 2 H

2

O  HCCH

+ Ca (OH)

2

Otrzymywanie laboratoryjne

1) Dehydrohalogenacja dihalogenoalkilów

C C

C

H

3

Na

+

CH

2

CH

CH

3

CH

3

Cl

CH

2

CH

CH

3

CH

3

C

C

C

H

3

+

C

H

3

C

C

CH

3

Cl

H

H

Cl

C

H

3

C

C

CH

3

Cl

H

C C

C

H

3

CH

3

KOH

NaNH

2

C

H

3

C

C

CH

3

Br

Br

Br

Br

C C

C

H

3

CH

3

Zn

2) Dehalogenacja tetrahalogenoalkilów

3) Reakcje acetylenków sodowych z pierwszorzędowymi halogenkami alkilów

Reakcje alkinów

O właściwościach chemicznych alkinów decyduje
1) potrójne wiązanie

C C

C

H

3

CH

3

C

H

3

C

C

CH

3

H

H

H

H

C

H

3

C

C

CH

3

H

H

H

2

H

2

C

H

3

C

C

CH

3

Br

Br

C

H

3

C

C

CH

3

Br

Br

Br

Br

Br

2

Br

2

C

H

3

C

C

CH

3

Cl

H

C

H

3

C

C

CH

3

Cl

Cl

H

H

HCl

HCl

C

H

3

C

C

CH

3

OH

H

C

H

3

C

CH

2

CH

3

O

H

2

O

forma enolowa

forma ketonowa

2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem

C CH

CH

2

CH

2

C

H

3

Ag

+

C C

CH

2

CH

2

C

H

3

Ag

+

Alkadieny

Alkadieny- są węglowodorami nienasyconymi o wzorze ogólnym C

n

H

2n-2

zawierającymi w cząsteczce dwa wiązania C=C.

CH

2

C

CH

CH

2

CH

3

CH

2

CH

CH

CH

CH

3

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

2

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

CH

2

CH

CH

CH

2

1,3-

butadien

(but-1,3-

dien)

CH

2

C

CH

CH

2

CH

3

2-metylo-

1,3-

butadien

(izopren)

CH

3

CH

C

CH

2

C

CH

2

CH

3

C

H

3

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

C

H

2

CH

CH

CH

2

O

H

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

OH

– 2 H

2

O

C

H

CH

C

H

C K

+

O C

CH

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

OH

C

C

H

C

CH

3

CH

3

OH

CH

CH

2

C

CH

2

CH

3

CH

CH

2

KOH





H

2

kat.

Al

2

O

3

T

Rezonans w dienach sprzężonych

Struktura butadienu

CH

CH

2

CH

CH

2

+

CH

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

2

+

CH

CH

2

(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:H

2

/kat, X

2

,HX (X=Cl,Br,J )

Addycja prowadzi zawsze do utworzenia mieszanin

1,2-adduktów i

1,4-

adduktów

CH

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

2

Br

Br

CH

CH

2

CH

CH

2

Br

Br

Br

2

+

CH

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

2

CH

CH

3

Cl

CH

CH

2

CH

CH

3

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

O

H

lanosterol

O

H

cholesterol

Cykloalkany

Odrębną grupę węglowodorów nasyconych stanowią związki cykliczne,
tzw

.cykloalkany

,o wzorze ogólnym C

n

H

2n

.

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

CH

2

CH

2

CH

2

CH

CH

3

CH

2

CH

2

Br

Br

Zn

CH

2

CH

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

3

H

H

H

H

H

H

C

C

CH

3

H

H

C

C

H

C

H

H

C

H

CH

3

H

H

H

H

H

C

C

H

H

C

C

H

C

H

H

C

konformacja łódkowa

konformacja krzesełkowa

metylocykloheksan