Dr Jolanta

Dr Jolanta

Piekut

Piekut

Typy reakcji

Typy reakcji

Właściwości węglowodorów

Właściwości węglowodorów

Typy reakcji związków organicznych

Typy reakcji związków organicznych

W chemii związków organicznych wyróżnia się trzy
zasadnicze typy reakcji chemicznych:

reakcje podstawienia, substytucji - oznaczone

symbolem S

R-X + Y ---> R-Y + X

reakcje przyłączenia, addycji - oznaczone symbolem A

A + B ---> C

reakcje eliminacji - oznaczone symbolem E.

A ---> B + C

reakcje przegrupowania

A ---> B

Mechanizmy reakcji związków organicznych

Mechanizmy reakcji związków organicznych

Każdy z wymienionych wyżej typów reakcji, może zajść
według:
•mechanizmu jonowego
•mechanizmu wolnorodnikowego.
Według jakiego mechanizmu będzie zachodziła reakcja
chemiczna, będzie zależało od środowiska w jakim
przebiega reakcja chemiczna.
Jeżeli wyobrazimy sobie cząsteczkę o ogólnym wzorze
A:B,
gdzie (:) - przedstawia parę elektronową wiążącą
składniki A i B.
to właśnie ta para elektronowa może ulec:



rozparowaniu

rozparowaniu

, wówczas każdy ze składników zatrzyma

jeden niesparowany elektron, czyli utworzy wolny rodnik



przesunięciu

przesunięciu

do jednego ze składników ( do składnika

bardziej elektroujemnego, a tym samym posiadającego
większe powinowactwo do elektronów).
W przypadku, gdy B jest bardziej elektroujemny to B staje się
jonem ujemnym; jeżeli A jest bardziej elektrododatnie to A
staje się jonem dodatnim

Dla związków
organicznych
rozparowanie oraz
przesuniecie pary
elektronowej spowoduje
powstanie :
•karbokationu
•karboanionu
•rodnika

Najczęściej rodniki

rodniki

powstają w wyniku reakcji oderwania atomu

wodoru od cząsteczki związku organicznego. Jeżeli następuje
oderwanie pierwszorzędowego atomu wodoru, to powstanie
pierwszorzędowy rodnik, oderwanie drugorzędowego atomu wodoru
powoduje utworzenie rodnika drugorzędowego itd. Otóż zauważono,
że względna łatwość odrywania się atomu wodoru, przedstawia się
następująco.

3

o

> 2

o

> 1

o

> CH

3

*

I odpowiednio, trwałość wolnych rodników jest następująca

3

o

> 2

o

> 1

o

> CH

3

*

Z tego wynika, że im trwalszy jest wolny rodnik, tym łatwiej

im trwalszy jest wolny rodnik, tym łatwiej

się tworzy

się tworzy

. Takie uogólnienie jest szczególnie użyteczne, ponieważ

trwałość rodników decyduje o orientacji i reaktywności podczas
wielu reakcji, w których powstają wolne rodniki.

Karbokationem

Karbokationem

jest grupa atomów zawierających atom węgla

jedynie z sześcioma elektronami. Podobnie jak w wolnych rodnikach,
rozróżnia się karbokationy:

• pierwszorzędowe

• drugorzędowe

• trzeciorzędowe

Karbokation, podobnie jak wolny rodnik, jest reaktywną cząsteczką.
Jest to wynikiem deficytu elektronów i tendencją atomu węgla do
uzupełnienia oktetu elektronowego.
O trwałości karbokationów decydują czynniki sprzyjające rozproszeniu
dodatniego ładunku w atomie węgla, w którym występuje deficyt
elektronów. Tym czynnnikiem jest rodzaj podstawnika (Z) przyłączony
do tego atomu węgla, który może oddawać lub przyciągać elektrony.

Z---->C

+

- Z oddaje elektrony (obserwujemy stabilizację kationu)

Z<----C

+

- Z przyjmuje elektrony (obserwujemy destabilizację

kationu)

Podstawnik oddający elektrony przyczynia się do zmniejszenia
dodatniego ładunku węgla z deficytem elektronów, przez co sam
staje się w pewnym stopniu dodatni. To rozproszenie ładunku
stabilizuje karbokation.
Podstawnik przyciągający elektrony przyczynia się do zwiększenia
dodatniego ładunku atomu węgla z niedoborem elektronów i w ten
sposób powoduje zmniejszenie trwałości karbokationu

.

Im większa liczba grup alkilowych, tym karbokation jest

Im większa liczba grup alkilowych, tym karbokation jest

trwalszy, oddawanie elektronów przez te grupy powoduje

trwalszy, oddawanie elektronów przez te grupy powoduje

rozproszenie ładunku i stabilizację jonu.

rozproszenie ładunku i stabilizację jonu.

Alkany w których występują tylko wiązania C-C i C-H, ulegają
rozpadowi wolnorodnikowemu. Szczególnie dotyczy to
wiązania C-H.

CH

4

+ Cl

2

--> CH

3

Cl + HCl

Alkeny i alkiny ze względu na obecność wiązań wielokrotnych
dają przede wszystkim reakcje przyłączenia i to zarówno
według mechanizmu jonowego, jak i wolnorodnikowego o
czym decydują warunki reakcji.

H

2

C=CH

2

+ HCl --> H

3

C-CH

2

-Cl chlorek etylu

Reakcje substytucji, addycji i eliminacji

Reakcje substytucji, addycji i eliminacji

Mając na uwadze rodzaj i sposób zachodzenia zmian w budowie
cząsteczek substratów, reakcje związków organicznych można
sklasyfikować jako reakcje:

S

R

- substytucji rodnikowej

A

R

- addycji rodnikowej

E

R

- raczej nie ma eliminacji rodnikowej

względnie jako

S

J

- substytucji jonowej

A

J

- addycji jonowej

E

J

- eliminacji jonowej

Reakcje substytucji

Reakcje substytucji

Substytucja rodnikowa (S

R

), to reakcja przebiegająca z udziałem wolnych

rodników, które powstają stale w wyniku reakcji łańcuchowej.
Substytucja jonowa, może przebiegać jako reakcja elektrofilowa S

E

lub jako

reakcja nukleofilowa S

N

.

Substytucja elektrofilowa S

E

: jest to substytucja, w której cząsteczka

elektrofilowa łączy się ze związekiem nukleofilowym. Takimi substancjami
elektrofilowymi są cząsteczki albo jony odznaczające się niedoborem
elektronów (H

+

, AlCl

3

, biegun dodatni wiązań atomowych spolaryzowanych).

Substytucja nukleofilowa S

N

, jest to reakcja substytucji, która zachodzi w

wyniku łączenia się czynnika nukleofilowego z elektronowym centrum
związku chemicznego. Czynnikami nukleofilowymi są cząsteczki lub jony

odznaczające się nadmiarem elektronów (OH

-

,Cl

-

, cząsteczki z wolnymi

parami elektronów (NH

3

), cząsteczki z niepolarnym wiązaniem π (eten,

benzen). Sama reakcja może przebiegać według kinetyki pierwszego lub
drugiego rzędu. Odpowiednio wtedy dla reakcji pierwszego rzędu (szybkość
reakcji zależy tylko od stężenia jednego substratu), mechanizm reakcji
określa się symbolem S

N1

i odpowiednio dla reakcji drugiego rzędu (szybkość

reakcji zależy od stężenia dwóch substratów) mechanizm reakcji określa się
symbolem S

N2

.

Schemat prostej reakcji substytucji etanu chlorem, zachodzącej wg

ogólnego schematu:

C

2

H

6

+ Cl

2

→ C

2

H

5

Cl + HCl

Rodzaje substytucji w chemii organicznej w oparciu o ich mechanizmy
reakcji dzieli się na:
substytucja elektrofilowa – jednocząsteczkowa (S

E1

) i dwucząsteczkowa

(S

E2

)

substytucja nukleofilowa – jednocząsteczkowa (S

N1

) i dwucząsteczkowa

(S

N2

)

substytucja wolnorodnikowa (S

R

)

Schemat prostej reakcji substytucji

Substytucja elektrofilowa S

E

 

                                         

Substytucja nukleofilowa S

N

 

         

                                  

Substytucja rodnikowa S

R

 

         

                          

Addycja (przyłączanie) - rodzaj reakcji chemicznej, polegającej na

przyłączeniu jednej cząsteczki do drugiej w wyniku czego powstaje

tylko jeden produkt, bez żadnych produktów ubocznych. W chemii

organicznej addycja przebiega zwykle z rozerwaniem wiązania

wielokrotnego węgiel-węgiel lub węgiel-heteroatom.

H H H H

\ / | |

C=C + Cl-Cl  H— C – C —H

/ \ | |

H H Cl Cl

eten chlor 1,2-
dichloroetan

Reakcje addycji

Reakcje addycji

Addycja rodnikowa A

R

- jest to reakcja przyłączenia

przebiegająca w postaci łańcuchowej z udziałem wolnych rodników.
Addycja jonowa, podobnie jak substytucja jonowa może
przebiegać jako reakcja elektrofilowa A

E

lub jako reakcja

nukleofilowa A

N

Addycja elektrofilowa A

E

- jest to reakcja przyłączenia, która

przebiega w wyniku łączenia się czynnika elektrofilowego z
cząsteczką nukleofilową.
Addycja nukleofilowa A

N

- jest to reakcja przyłączania, która

przebiega w wyniku łączenia się czynnika nuklefilowego z
elektronowym centrum związku chemicznego.

•Addycja elektrofilowa A

E

                                       

•Addycja nukleofilowa A

N

                                          

•Addycja rodnikowa A

R

    

                                   

Reakcja eliminacji

Reakcja eliminacji

Jest to reakcja chemiczna, w której od jednej cząsteczki

substratu oddzielają się dwa atomy albo grupy atomów i nie są

zastępowane innymi. Otrzymane produkty zwierają wiązania

wielokrotne. Przykładami reakcji eliminacji są reakcje

odwodornienia i odwodnienia.

Reakcje eliminacji mogą przebiegać zgodnie z kinetyką

pierwszego rzędu E

1

lub z kinetyką drugiego rzędu E

2

•Eliminacja elektrofilowa E

E

 

                                                  

•Eliminacja nukeofilowa E

N

 

                                                  

•Eliminacja rodnikowa E

R

 

                                               

Reakcjom wolnorodnikowym sprzyjają następujące

Reakcjom wolnorodnikowym sprzyjają następujące

warunki:

warunki:

środowisko niepolarne
wysoka temperatura
obecność substancji łatwo ulegajacych rozpadowi na wolne
rodniki,
np. nadtlenki R-O-OR-, 2R-O.
światło

Natomiast reakcje jonowe mają przede wszystkim

Natomiast reakcje jonowe mają przede wszystkim

miejsce w następujących warunkach:

miejsce w następujących warunkach:

środowisko polarne
niska temperatura
obecność substancji (katalizatorów) ułatwiających rozpad jonowy,

powiększających polarność środowiska, najczęściej stosuje się
kwasy
Lewisa, np. AlCl

3

, BF

3

, FeCl

3

Grupa funkcyjna

Wzór

Charakterystyczne reakcje

Alkany

C-C, C-H

Substytucji (z H, zwykle z Cl i

Br)

Alkeny

C=C-C-H

Addycji

Substytucji (z H)

Alkiny

CC-H

Addycji

Substytucji (z H)

Chlorki alkilowe

H-C-C-X

Substytucji (z X)

Eliminacji (z HX)

Alkohole

H

-C-C-O-

H

Substytucji (z

H

); Substytucji (z

OH)

Eliminacji (z

H

O

H

)

Etery

()C-O-R

Substytucji (z OR); Substytucji

(z H)

Aminy

C-NRH

Substytucji (z H);

Addycji (na N)

Benzen

C

6

H

6

Substytucja (z H)

Aldehydy

Addycji

Substytucji (z H i H)

Ketony

Addycji

Substytucji (z H)

Kwasy karboksylowe

Substytucji (z H); Substytucji (z

OH)

Substytucji (z H); Addycji (na
C=O)

Alkany są grupą węglowodorów noszących nazwę

węglowdorów nasyconych

węglowdorów nasyconych

lub węglowdorów parafinowych (parafin).

Symbol alkanów - RH (R - grupa alkilowa).

Wzór ogólny - C

Wzór ogólny - C

n

n

H

H

2n+2

2n+2

.

Hybrydyzacja atomów węgla - sp

3

.

Podstawowe wiązanie - σ

n=

wzór cząsteczkowy

wzór
konstytucyjny

nazwa

1

CH

4

CH

4

metan

2

C

2

H

6

CH

3

CH

3

etan

3

C

3

H

8

CH

3

CH

2

CH

3

propan

4

C

4

H

10

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

butban

5

C

5

H

12

CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

pentan

6

C

6

H

14

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

heksan

7

C

7

H

16

CH

3

(CH

2

)

5

CH

3

heptan

8

C

8

H

18

CH

3

(CH

2

)

6

CH

3

oktan

9

C

9

H

20

CH

3

(CH

2

)

7

CH

3

nonan

10

C

10

H

22

CH

3

(CH

2

)

8

CH

3

dekan

11

C

11

H

24

CH

3

(CH

2

)

9

CH

3

undekan

12

C

12

H

26

CH

3

(CH

2

)

10

CH

3

dodekan

13

C

13

H

28

CH

3

(CH

2

)

11

CH

3

tridekan

20

C

20

H

42

CH

3

(CH

2

)

18

CH

3

ejkozan

30

C

30

H

62

CH

3

(CH

2

)

28

CH

3

triakontan

W przypadku węglowodorów o budowie rozgałęzionej przyjmuje się
następujące reguły nazewnictwa systematycznego:
jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy łańcuch
atomy węgla w łańcuchu podstawowym numeruje się tak, aby atom
węgla, przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwie
najmniejszą liczbą; jeżeli kilka łańcuchów ma jednakową długość, to
za podstawę przyjmuje się łańcuch o największej liczbie
podstawników
jeżeli takie same grupy alkilowe występują w cząsteczce kilka razy
jako łańcuchy boczne, to liczbę tych grup określa się przedrostkiem
>di-, tri-, tetra-,
pozycje każdego podstawnika wskazuje się za pomocą
odpowiednich liczb
jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka różnych
grup alkilowych to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym
nazwy podstawników (rodniki jednowartościowe powstałe w wyniku
odszczepienia jednego atomu wodoru z cząsteczki węglowodoru)
tworzy się z nazwy węglowodoru przez zamianę końcóki -an na -yl -

patrz wykład I z chemii organicznej

. Po spółgłoskach g, k, l piszemy

-il). Podstawniki oznacza się dużą literą R i noszą ogólną nazwę
alkilów. Wzór ogólny -C

n

H

2n+1

. Wyjątkiem jest nazwa alkilu

pochodnego od pentanu - C

5

H

11

. Nazwa tego alkilu to -

amyl

.

Najdłuższy jest łańcuch siedmiowęglowy, który numerujemy jak we

wzorze.

Nazwa węglowodoru jest następująca 3,5-dietylo- 2,3,6-

trimetyloheptan

W niektórych przypadkach dopuszczalne jest stosowanie nazw z
przedrostkiem izo dla podkreślenia budowy rozgałęzionej, na przykład:
2-metylopropan , izobutan

W przypadku butanu istnieją
cztery odmiany izomeryczne -
dwie pochodzące od n-butanu i
dwie wywodzące się z izobutanu
o rozgałęzionym łańcuchu. Jak
pokazano niżej, są one
oznaczone przedrostkami;

n -(normalny),

sec (drugorzędowy),

izo- i tert- (trzeciorzędowy).

Można przyjąć, że nazwy z przedrostkiem izo, są jedynie dopuszczalne, gdy
rozgałęzienie w postaci grupy metylowej występuje przy drugim atomie
węgla w łańcuchu, na przykład
2-metylobutan lub izopentan

ale dla:

mamy tylko 3-
metylopentan

CH

3

CH

2

CH CH CH CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH CH

CH CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

w tym łańcuchu jest więcej podstawników

CH

3

CH

2

CH

2

CH CH

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

3,4 lub 4,5

CH

3

CH CH CH

2

CH CH

2

CH CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH CH CH

2

CH CH

2

C CH

2

CH CH CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

1

2

3

5

7

9

1

2

3

5

7

10

1

2

4

6

7

9

1

2

3

5

7

10

5

7

2,3,5,7 lub 2,4,6,7

2,3,5,5,7,9,10 lub 2,3,5,7,7,9,10

CH

3

CH CH CH

2

CH CH

2

CH CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH CH CH

2

CH CH

2

C CH

2

CH CH CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

C

H

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH CH

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

1

2

3

5

7

9

1

2

3

5

7

10

5

1

2

3

4

5

6

7

3,4-dimetyloheptan

2,3,5,7-tetrametylooktan

9-etylo-5-izopropylo-2,3,5,7,10-pentametyloundekan

CH

3

CH

2

CH CH CH

2

CH CH

2

CH CH

2

C

CH

2

C

H

CH

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

C

H

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

1

3

4

6

8

10

10

1

2

6-(1,2-dimetylopropylo)-4,10-dietylo-3,8,10-
trimetylotridekan

Nazewnictwo cykloalkanów

Nazewnictwo cykloalkanów

Węglowodory cykliczne - nazwy tworzy się przez dodanie przedrostka

cyklo- do nazwy odpowiedniego węglowodoru łańcuchowego

o tej samej liczbie atomów węgla.

Cykloalkany posiadają podobne własności chemiczne do alkanów nie-

cyklicznych, za wyjątkiem cyklopropanu i cyklobutanu, które ze względu

na silne naprężenia kątowe wiązań chemicznych węgiel-węgiel łatwo

ulegają rozkładowi z wytworzeniem odpowiednich rodników.

Cyklopropan i cyklobutan nie występują naturalnie. Pozostałe

cykloalkany występują w produktach rafinacji ropy naftowej, zwłaszcza

w benzynie ekstrakcyjnej i eterze naftowym. Czysty cykloheksan jest

czasami stosowany jako rozpuszczalnik.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne alkanów zależne są od liczby atomów węgla w

cząsteczce.

 Pierwsze człony szeregu homologicznego C

3

– C

6

są gazami, C

7

- C

16

cieczami a wyższe ciałami stałymi.

 Nie rozpuszczają się w wodzie, rozpuszczają się w eterze, benzenie i innych

rozpuszczalnikach organicznych.

 Temperatura wrzenia i topnienia zależy od budowy łańcucha.

Otrzymywanie

Poza naturalnymi źródłami takimi jak:
ropa naftowa
węgiel kamienny
gaz ziemny

otrzymuje się je syntetycznie w reakcjach:

synteza z pierwiastków

C + 2H

2

--> CH

4

uwodornienie katalizowane Pt, Pd lub Ni

CO + 3H

2

--> CH

4

+ H

2

O

CH

2

=CH

2

+ H

2

--> CH

3

-CH

3

redukcja halogenków alkilów a w tym:

reakcja Wurtza ma zastosowanie tylko do syntezy symetrycznych alkanów

schemat:

R

1

X + Na + XR

1

--> R

1

-R

1

+ 2NaX

przykład:

C

2

H

5

-Br + 2Na + Br-C

2

H

5

--> C

2

H

5

-C

2

H

5

+ 2NaBr

Hydroliza odczynnika Grignarda

schemat:

RX + Mg -->RMgX

przykład:

CH

3

-CH

2

-CH

2

Cl + Mg --> CH

3

-CH

2

-CH

2

MgCl

(w

środowisku eteru)

z wodą

CH

3

-CH

2

-CH

2

MgCl + HOH --> CH

3

-CH

2

-CH

2

H + Mg(OH)Cl

lub innym słabym kwasem

Redukcja z metalem w środowisku kwasowym

RX + Zn + H

+

--> RH + Zn

2+

+ X

-

reakcja halogenków alkilów ze związkami metaloorganicznymi

RX + Li --> RLi (alkilolit)

RLi + CuX -->R

2

CuLi (dialkilomiedzian)

R

2

CuLi + R'X --> R-R'

w reakcji R może być I-szo, II-go lub III-cio rzędowy

natomiast R' może być tylko I-szo rzędowy

Przykład:

CH

3

Br + Li --> CH

3

Li (metylolit)

CH

3

Li + CuI --> (CH

3

)

2

CuLi (dimetylomiedzian litu)

(CH

3

)

2

CuLi + CH

3

(CH

2

)

7

I --> CH

3

(CH

2

)

7

CH

3

nonan

Właściwości chemiczne

Cząsteczki węglowodorów nasyconych o prostych łańcuchach są niepolarne i

dlatego alkany nie rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach, np. w

wodzie, natomiast dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach

organicznych np. w benzenie. Niepolarność alkanów oraz trwałość wiązania

C-H jest m. in. Przyczyną ich małej reaktywności chemicznej. Alkany w temp.

pokojowej nie reagują z wodnymi roztworami kwasów i utleniaczy, jak:

KMnO

4

, K

2

CrO

4

oraz HNO

3

.

Dopiero takie czynniki, jak wysoka temperatura albo promieniowanie UV

mogą zapoczątkować reakcje chlorowania lub nitrowania.

Halogenowanie

R-H + X

2

--> R-X + H-X

Halogenowanie

wolnorodnikowe (substytucja)

- powstają dzięki niej

pochodne alkanów np.

CH

4

+ Cl

2

→ CH

3

Cl + HCl

reakcja metanu z

chlorem, w wyniku której

powstaje chlorometan i

chlorowodór

Drugą podstawową reakcją alakanów jest reakcja spalania,

spalanie całkowite – produkty spalania to dwutlenek węgla i
para wodna (woda); na przykładzie :

butanu 2 C

4

H

10

+ 13 O

2

→ 8 CO

2

+ 10 H

2

O

pentanu

C

5

H

12

+ 8O

2

----> 5CO

2

+ 6H

2

O

półspalanie – produkty spalania to tlenek węgla i para wodna
(woda); na przykładzie etanu:

2 C

2

H

6

+ 5 O

2

→ 4 CO + 6 H

2

O

spalanie niecałkowite – produkty spalania to para wodna
(woda), sadza (węgiel); na przykładzie metanu:

CH

4

+ O

2

→ C + 2 H

2

O

Trzecią, mającą praktyczne znaczenie jest reakcja pirolizy
(kraking).
Jest to reakcja mająca na celu rozkład cząsteczek węglowodorów na
mniejsze cząsteczki. Piroliza (kraking) przebiega w temperaturze 400-
600°C i w obecności katalizatora. Piroliza prowadzi do zmniejszenia
długości łańcuchów węgla w cząsteczkach oraz do ich izomeryzacji.
Reakcje te mają duże znaczenie praktyczne przy produkcji paliw ciekłych
(→ kraking, reforming).

alkan --> H

2

+ alkany o mniejszych cząsteczkach + alkeny

Węglowodory nienasycone - alkeny i

alkiny

Alkeny
Alkeny są grupą węglowodorów noszących nazwę węglowodorów
nienasyconych lub olefin.

Wzór ogólny - C

n

H

2n

.

Hybrydyzacja atomów węgla - sp

2

.

Podstawowe wiązanie między atomami węgla- σ oraz π

Alkiny
Alkiny są grupą węglowodorów
noszących nazwę węglowdorów
nienasyconych lub acetyli.

Wzór ogólny - C

n

H

2n-2

Hybrydyzacja atomów węgla -
sp.
Podstawowe wiązanie między
atomami węgla- σ oraz 2 x π

Przykład

Alken - eten
Alkin - etyn

Nazewnictwo

Ogólną nazwę dla węglowodorów nienasyconych tworzy się przez zmianę

końcówki:

-an na końcówkę -en dla węglowodorów o wiązaniu podwójnym (alkeny,

weglowodory nienasycone, olefiny)

-an na końcówkę - yn (-in) dla węglowodorów o wiązaniu potrójnym (alkiny,

węglowodory nienasycone, acetyleny).

Tworzenie nazw węglowodorów jest następujące:
 jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy ciągły łańcuch, który

zawiera wiązanie nienasycone

 położenie wiazania nienasyconego w podstawowym łańcuchu oznacza się

odpowiednią cyfrą umieszczoną na końcu nazwy wyjściowej struktury

 numerację łańcucha rozpoczyna się od tego końca, bliżej którego znajduje

się wiązanie nienasycone.

 położenie grup alkilowych przyłączonych do łańcucha podstawowego

oznacza się odpowiednimi cyframi

Przykłady

pent-2-en

3,4-dimetylopent-2-
en

Obok nazw systematycznych spotyka się nazwy zwyczajowe z końcówką
-ylen

H

2

C=CH

2

eten, etylen

H

2

C=CH-CH

2

-CH

3

but-1-en, butylen

Nazwy rodników pochodnych alkenów tworzy się przez dodanie końcówki
-yl do nazwy weglowodoru ALKENYL.

H

2

C=CH- etenyl (zwyczajowo winyl)

H

2

C=CH-CH

2

- prop-2-yl, allil

Przykłady dla węglowodorów z wiązaniem potrójnym

etyn, acetylen

propyn,

metyloacetylen

Jeżeli w cząsteczce występuje większa liczba wiązań nienasyconych,

wtedy liczbę wiązań wielokrotnych określa się liczebnikiem greckim

umieszczonym przed końcówką oznaczającą rodzaj wiązania:

alkadien, alkatrien..., alkopolien

alkadiin, alkatriin..., alkapoliin

Przykład:

CH

2

=CH-CH=CH

2

but-1,3-dien (dwuwinyl)

W obecności wiązań podwójnych i potrójnych w nazwie dajemy

pierwszeństwo wiązaniu podwójnemu: heksa-1,5-dien-3-in

hept-2-en-5-yn

okt-5-en-2-yn

5-metylookt-3-en

4-butylookta-3,5-dien

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne alkenów (podobnie jak alkanów) zależne są od

liczby atomów węgla w cząsteczce:

nie rozpuszczaja się w wodzie, rozpuszczają się w eterze, benzenie i

innych rozpuszczalnikach organicznych.

temperatura wrzenia i topnienia zależy od budowy łańcucha;

węglowodory o łańcuchu rozgałęzionym mają niższe temperatury

wrzenia a wyższe temperatury topnienia od izomerycznych

węglowodorów.

Otrzymywanie
Otrzymywanie alkenów opiera się przede wszystkim na reakcji
eliminacji.

1. Odwodnienie alkoholi
reakcja wymaga obecności kwasu i ciepła

CH

3

-CH

2

-OH --> CH

2

=CH

2

+ H

2

O

Mechanizm:

łatwość odwodniania jest następująca:
III rzędowy alkohol > II rzędowy alkohol > I rzędowy alkohol

2. Odszczepienie chlorowcowodorów

Mechanizm:

3. Odszczepienie chlorowców

CH

3

-CHBr-CH

2

Br + Zn --> CH

3

-CH=CH

2

+ ZnBr

2

Właściwości chemiczne

Alkeny ulegają przede wszystkim reakcjom:

addycji wodoru

addycji halogenu

addycji halogenowodoru

addycji wody

dimeryzacji

alkilowaniu

polimeryzacji

Addycja wodoru i halogenu

Alkeny pod wpływem wodoru, chloru i bromu przekształcają się łatwo w

związki nasycone, gdzie atomy wodoru i odpowiedniego halogenu

przyłączane są do sąsiednich atomów węgla

addycja wodoru (katalizator Pt, Pd lub Ni)

CH

2

=CH

2

+ H

2

--> CH

3

-CH

3

addycja halogenu (przykład - otrzymywanie 1,2-dibromopropanu)

CH

3

CH=CH

2

+ Br

2

--> CH

3

CHBr-CH

2

Br

Addycja halogenowodoru

Reakcja przyłączania halogenowodoru przebiega zgodnie z regułą

Markownikowa

w następujący sposób: podczas jonowej addycji kwasu do wiązania

podwójnego węgiel-węgiel alkenu, atom wodoru cząsteczki kwasu

przyłącza się do tego atomu węgla, z którym połączona jest już

większa liczba atomów wodoru.

Przykłady

1. Otrzymywanie 2-jodopropanu

CH

3

CH=CH

2

+ HI --> CH

3

CHI-CH

3

2. Otrzymywanie 2-bromopropanu

CH

3

CH=CH

2

+ HBr --> CH

3

CHBr-CH

3

W obecności nadtlenków reakcja przyłączenia halogenowodoru przebiega
niezgodnie z regułą Markownikowa

CH

3

CH=CH

2

+ HBr --> CH

3

CH

2

-CH

2

Br

Addycja wody
Woda przyłącza się do bardziej reaktywnych alkenów, w obecności kwasów
tworząc alkohole. Również i ta reakcja przebiega zgodnie z regułą
Markownikowa.

CH

3

CH=CH

2

+ H

2

O --> CH

3

CH(OH)-CH

3

Addycja alkenów.
Dimeryzacja
Reakcja dimeryzacji
wymaga obecności kwasu

Addycja alkanów. Alkilowanie

Ogólnie przyjęty
mechanizm tej reakcji
alkilowania jest oparty na
wcześniej już
przedstawionych
mechanizmach i obejmuje
utworzenie karbokationu

Polimeryzacja

Polimeryzacja jest to proces łączenia się małych cząsteczek w bardzo

duże. Związek składający się z dużych cząsteczek nazywa się

polimerem. Proste związki, z których tworzą się polimery, nazywane

są monomerami.

Polimeryzacja wymaga obecności małych ilości inicjatora.

nCH

2

=CH

2

--> -CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-

lub nCH

2

=CH

2

--> (-CH

2

-CH

2

-)n

CH

3

CH CH

2

CH

3

CH

CH

3

CH

2

CH

CH

3

n

nadtlenki

polipropylen

CH

2

CH CH

C

H

3

CH

3

CH

2

CH CH

C

H

3

CH

3

O

O

Mn

O

O

CH

2

CH CH

C

H

3

CH

3

OH OH

+ KMnO

4

MnO

2

Utlenianie alkenów pozwala na otrzymywanie alkoholi

dihydroksylowych. W czasie tej reakcji alkeny ulegają redukcji.

pent-2-en
pent-2,3-diol

CH

2

CH CH

C

H

3

CH

3

CH

2

C

H

3

COOH

CH

3

HOOC

+ KMnO

4

H

+

+

Utlenianie w środowisku kwaśnym.

pent-2-en kwas
kwas

propionowy
octowy

Węglowodory nienasycone (alkiny)

Potrójne wiązanie jest charakterystyczną cechą struktury alkinów.
Najprostszym przedstawicielem alkinów jest acetylen C

2

H

2

H:C:::C:H

Acetylen C

2

H

2

na skalę przemysłową otrzymuje się w reakcji:

hydrolizy węgliku wapnia(karbidu)

CaC

2

+ 2H

2

O --> C

2

H

2

+ Ca(OH)

2

syntezy z pierwiastków

2C + H

2

<=> C

2

H

2

reakcja silnie egzotermiczna, H = + 54,9 kcal/mol, temperatura reakcji -
3000°C
z metanu (temperatura 1500 ° C)

2CH

4

--> C

2

H

2

+ 3H

2

Acetylen jest bardzo ważnym produktem. Ulega wielu reakcjom, przede
wszystkim reakcji addycji i polimeryzacji.

Addycja wodoru

C

2

H

2

+ 2H

2

--> CH

3

-CH

3

Addycja halogenowodorów HX

C

2

H

2

+ HX --> CH

2

=CHX

CH

2

=CHX + HX --> CH

3

-CHX

2

Addycja wody

Katalizowana H

2

SO

4

, HgSO

4

C

2

H

2

+ HOH --> CH

3

-CHO

Polimeryzacja

3C

2

H

2

--> C

6

H

6

C

H

CH

CH

3

CHO

C

H

CH

C

H

2

CH

Cl

C

H

CH

C

H

2

CH
CN

C

H

CH

C

H

2

CH

OCOCH

3

+ H

2

O

H

+

/HgSO

4

+ HCl

+ HCN

+ CH

3

COOH

chlorek winylu

akrylonitryl

octan winylu

Węglowodory aromatyczne

Weglowodorami aromatycznymi są związki, posiadające wspólną cechę

nazywaną aromatycznością.

Aby związki wykazywały charakter aromatyczny jego cząsteczka musi:

mieć budowę cykliczną (atomy C oraz ewentualnie O, N, S muszą tworzyć

zamknięty

pierścień)

być płaska

każdy z atomów tworzących pierścień musi mieć niezhybrydyzowany orbital

typu p

sumaryczna liczba elektronów obsadzających orbitale typu p (elektronów

typu p) musi

być równa 4n + 2, gdzie n = 1, 2, 3,...., N ( jest to tzw. reguła Huckela).

Oznacza to, że

charakter aromatyczny mają płaskie pierścienie zawierające: 2, 6, 10, 14,

18...

elektronów.

Najbardziej znanym węglowodorem aromatycznym jest benzen.

C
C

C

C

C

C

Cl

H

H

H

Cl

H

C

C
C

C

C

C

Cl

Cl

H

H

H

H

Cl

Cl

Cl

Cl

Wzory Kekulego benzenu

Nazewnictwo

Szczególnym przykładem połączeń cyklicznych są węglowodory aromatyczne.
Nazwy tych węglowodorów są tradycyjne i kończą się na -en.
Ogólnie nazywane są ARENAMI
Przykłady :

Często stosowane są następujące oznaczenia pozycji

dla benzenu

orto (o) - którymi są pozycje 1 i 2,
1 i 6
meta (m) - którymi są pozycje 1 i
3, 1 i 5
para (p) - którymi są pozycje 1 i 4

A

orto (o-)

meta (m-)

para (p-)

orto (o-)

meta (m-)

dla antracenu

alfa (

) - którymi są pozycje 1, 4, 5 i 8

beta (

) - którymi są pozycje 2, 3, 6 i 7

gamma (

) - którymi są pozycje 9 i 10

Nazwy rodników tworzy się przez zamianę końcówki -en na -yl z

zastrzeżeniem, że często występują zmiany w rdzeniu nazwy

węglowodoru.

Bardzo często użyteczną formą przedstawiania pierścienia

benzenowego jest sposób prezentowany poniżej, z kółkiem w

środku.

Rysowane kółko podkreśla równocenność różnych wiązań węgiel-węgiel.

NH

2

OH

CH

3

CH

2

CH

C

benzen

naftalen

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

antracen

fenantren









toluen

fenol

anilina

styren

fenyl

benzyl

benzyliden

benzylidyn

Nazewnictwo związków
aromatycznych

Cl

Br

1. Pierścień numeruje się w taki sposób, by uzyskać jak najmniejszy
zbiór lokantów. Jeżli to możliwe, podstawnik którego pierwsza litera w
nazwie jest bliżej początku alfabetu uzyskuje mniejszy lokant.

1-bromo-2-

chlorobenzen o-

bromochlorobenzen

Br

Cl

O

2

N

3-bromo-4-chloronitrobenzen

Nazewnictwo związków
aromatycznych

2. Jeżeli w związku rozpoznamy układ kwasu benzoesowego,
benzonitrylu, aldehydu benzoesowego, fenolu, aniliny, styrenu,
toluenu, to nazwę związku tworzymy od tego układu

*

Br

OH

O

2

N

2-bromo-4-
nitrofenol

Br

CH

3

NH

2

4-bromo-3-
metyloanilina

Grupy podane w kolejności malejącej ważności

O

H

CH

3

NH

2

4-amino-2-metylofenol

Przykłady dla węglowodorów aromatycznych

lub z nazwami systematycznymi

przy wielu
podstawnikach

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne benzenu

W temperaturze pokojowej benzen jest bezbarwną cieczą.

Jak wszystkie węglowodory jest nierozpuszczalny w wodzie, sam zaś jest

doskonałym rozpuszczalnikiem substancji hydrofobowych.

Jako substancja wykazuje właściwości toksyczne - jest niebezpieczny

zarówno w wypadku wdychania par, jak i w zetknięciu ze skórą.

Otrzymywanie

Głównym źródłem węglowodorów aromatycznych jest smoła węglowa.

Głównym przedstawicielem tej grupy węglowodorów jest benzen

C

6

H

6

Właściwości chemiczne

Benzen łatwiej ulega reakcjom substytucji niż addycji. Najważniejsze

reakcje to:

nitrowanie

sulfonowanie

halogenowanie

alkilowanie metodą Friedla-Craftsa

acylowanie metodą Friedla-Craftsa - obecność H

2

SO

4

, produkt -

nitrobenzen)

Typ reakcji

Równanie chemiczne reakcji

Elektrofil  

E

(+)

Halogenowanie

C

6

H

6

+  Cl

2

&

tmp.

    FeCl

3

katalizator

 

____

>

 

C

6

H

5

Cl   +   HCl

Chlorobenzen

Cl

(+)

or Br

(+)

Nitrowanie

C

6

H

6

+   HNO

3

&

tmp.

    H

2

SO

4

katalizator

 

____

>

 

C

6

H

5

NO

2

  +   H

2

O

Nitrobenzen

NO

2

(+)

Sulfonowanie

C

6

H

6

+   H

2

SO

4

+ SO

3

    &

tmp.

 

____

>

 

C

6

H

5

SO

3

H   +   H

2

O

Kwas
benzenosulfonowy

SO

3

H

(+)

Alkilowanie
metodą
Friedel-Craftsa

C

6

H

6

+   R-Cl &

tmp.

    AlCl

3

katalizator

 

____

>

 

C

6

H

5

-R   +   HCl

An Areny

R

(+)

Acylowanie
metodą:
Friedel-Craftsa

C

6

H

6

+   RCOCl &

tmp.

    AlCl

3

katalizator

 

____

>

 

C

6

H

5

COR   +   HCl

An Aryl ketonowy

RCO

(+)

Nitrowanie - mechanizm

Sulfonowanie - mechanizm

C

6

H

6

+ HOSO

3

H --> C

6

H

5

SO

3

H + H

2

O

mechanizm

H

2

SO

4

<=> H

2

O + SO

3

Halogenowanie - mechanizm

katalizowane AlCl

3

C

6

H

6

+ Cl

2

--> C

6

H

5

Cl + HCl

mechanizm

Alkilowanie metodą Friedla-Craftsa, katalizowana AlCl

3

C

6

H

6

+ RCl --> C

6

H

5

R + HCl

mechanizm

acylowanie metodą Friedla-Craftsa, katalizowana AlCl

3

, produkt

keton

C

6

H

6

+ RCOCl --> C

6

H

5

COR + HCl

mechanizm

+ Cl

2

h

H Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

CH

2

-CH

3

+ X

2

h

CHX-CH

3

+HX

+ H

2

SO

4

SO

3

H

X +

C

H

3

C

H

CH

3

C

H

2

X

Na

C

H

2

C

H

CH

3

CH

3

COOH

KMnO

4

/ H

+

+ CH

3

-CH

2

-CH

2

-COOH

Inne reakcje
arenów

Sulfonowanie, kwas
benzenosulfonowy

Jeżeli w pierścieniu obecny jest
podstawnik alkilowy, to na świetle lub w
obecności nadtlenków następuje
wolnorodnikowa substy tycja fluorowca w
pozycji benzylowej. X = Cl, Br

Areny w ciemności nie reagują z
fluorowcami. Jednak na świetle, lub w
obecności nadtlenków następuje
wolnorodni kowa addycja do wiązań C=C.

Reakcja Wurtza Fittiga
syntezy alkiloarenów

Silne utleniacze utleniają
alkiloareny do kwasów. Rozerwaniu
ulega zawsze wiązanie C-C w
pozycji C1‑C2.