Węglowodory

Podział węglowodorów

• Związki zawierające w cząsteczce atomy węgla

(C )i wodoru (H) – nazywamy węglowodorami.

węglowodory

Alkany

Alkeny

Alkiny

Cykliczne

węglowodory

alifatyczne

alifatyczne

aromatyczne

Metan

• Najprostszym alkanem i najprostszym związkiem

organicznym jest metan- CH

4

• W cząsteczce metanu występują wiązanie atomowe

słabo spolaryzowane C-H

• Atom węgla wykazuje hybrydyzację sp

3

– przez co

cząsteczki metanu wykazują strukturę teraedryczną.

Wierzchołki tetraedru zajmują atomy wodoru

C

Atom wodoru

Atom węgla

Właściwości metanu

• Cząsteczka metanu jest symetryczna, więc momenty dipolowe

pojedynczych wiązań C-H równoważą się wzajemnie i w

rezultacie cząsteczka jest niepolarna.

• Oddziaływanie między cząsteczkami sprowadza się do słabych sił

van der Waalsa.

• Temperatura wrzenia (-161,5ºC) i temperatura topnienia (-183

ºC) są bardzo niskie.

• Metan jest bezwonnym i bezbarwnym gazem,
• Nieznacznie rozpuszcza się w wodzie, natomiast bardzo dobrze w

rozpuszczalnikach organicznych

• Właściwości metanu odzwierciedlają właściwości innych alkanów.
• Metan występuje w gazie ziemnym (97%) i tworzy tzw. gaz błotny.
• Metan obok wody, amoniaku i wodoru uważany jest za

„substancję życia”. Mieszanina tych gazów pod wpływem

wyładowań elektrycznych lub promieniowania może prowadzić do

powstawania aminokwasów

Właściwości chemiczne

• Metan jest typowym przedstawicielem alkanów,

związkiem mało reaktywnym.

• Reaguje w bardzo drastycznych warunkach lub z

bardzo reaktywnymi substancjami.

• Utlenianie – spalanie jest podstawową reakcją

alkanów:

CH

4

+ 2O

2

→ CO

2

+ 2H

2

O + Q – spalanie całkowite

2CH

4

+3O

2

→ 2CO+ 4H

2

O – spalanie niecałkowite

CH

4

+ O

2

→ C + 2H

2

O – spalanie niecałkowite

3CH

4

+ 3O

2

→ C

2

H

2

+ CO +5H

2

O

CH

4

+ H

2

O → CO+ 3H

2

– gaz syntezowy

N
i

850º
C

• Halogenowanie - reakcja z chlorowcami:
• Pod wpływem promieniowania UV lub w wysokiej

temperaturze mieszanina metanu i chloru reaguje energicznie
i powstaje mieszanina produktów. Reakcje chlorowcowania są
przykładem reakcji substytucji rodnikowej – czyli
podstawienia rodnikowego.

• Metan może reagować z innymi chlorowcami – fluorem

( nawet po ciemku) oraz bromem. Alkany nie reagują z jodem.

• Atom lub grupa atomów z pojedynczym (niesparowanym)

elektronem - wolny rodnik.

• Rodniki mogą powstawać w wyniku homolizy wiązania

kowalencyjnego, które następuje wówczas gdy dostarczana
energia jest większa niż energia wiązania:

Cl-Cl →Cl• + Cl•

Rodniki są cząstkami bardzo reaktywnymi, ponieważ dążą do
pobrania dodatkowego elektronu aby uzyskać oktet

h
ν

Mechanizm substytucji rodnikowej

•

Chlorowcowanie alkanów jest przykładem reakcji łańcuchowej,

która po zainicjowaniu jest trudna do zatrzymania. Można

wyróżnić 3 etapy:

1.

inicjowanie łańcucha

Cl

2

→ 2Cl•

2. Etap wzrostu łańcucha

Cl• + CH

4

→ HCl + CH

3

•

CH

3

• + Cl

2

→ CH

3

Cl + Cl•

CH

3

Cl + Cl• → CH

2

Cl• + HCl

3. Zakończenie wzrostu łańcucha

Cl• +Cl• → Cl

2

CH

3

• +CH

3

• → CH

3

–CH

3

CH

3

• + Cl• → CH

3

Cl

•

Produktami reakcji mogą być następujące związki CH

3

Cl-

chlorometan, CH

2

Cl

2

– dichlorometan, CHCl

3

-trichlorometan

(chloroform), CCl

4

– terachlorometan (związek niepalny).

h
ν

Etan

• Etan – związek o wzorze C

2

H

6

• Podobnie jak w cząsteczce metanu orbitale

wiążące mają hybrydyzację sp

3

.Rozmieszczenie

elektronów w wiązaniach C-C i C-H jest w

przybliżeniu takie samo, chmura elektronowa jest

cylindrycznie rozmieszczona w stosunku do linii

łączącej oba jądra atomów węgla.

• Wiązanie C-c jest wiązaniem stosunkowo długim,

więc może zachodzić rotacja cząsteczki przez co

następuje zmiana położenia atomów wodoru w

stosunku do siebie- konformacja

• Propan – C

3

H

8

– w przypadku tej cząsteczki może

następować rotacja wokół dwóch wiązań
Projekcja Newmana

• Butan – C

4

H

10

- może mieć dwie różne struktury:

• Związki o takim samym wzorze sumarycznym, ale

różnych wzorach strukturalnych nazywamy
izomerami położeniowymi. Izomery różnią się między
sobą właściwościami fizycznymi i chemicznymi

H

CH

3

H

CH

3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

3

C-CH

2

-CH

2

-CH

3

Butan- t

w

=0ºC

H

3

C-CH-CH

3

2-metylopropan
(izobutan)-t

w

=-12ºC

CH

3

ALKANY

• W chemii organicznej mamy do czynienia ze

związkami, dla których budowa strukturalna –
czyli budowa cząsteczki ma zasadniczy wpływ
na właściwości fizyczne i chemiczne związku.

• Związki organiczne zostały podzielone na

różne klasy w zależności od ich struktury. W
obrębie jednej klasy związki wykazują
określony zbiór właściwości.

• Alkanami – węglowodorami nasyconymi -

nazywamy węglowodory alifatyczne, w
których występują tylko pojedyncze wiązania
między atomami węgla.

Szereg homologiczny

Szereg związków organicznych, w którym każdy

następny różni się od poprzedniego o stały człon

np. –CH

2

- nazywamy szeregiem homologicznym, a

przedstawicieli tego szeregu –homologami.

• Metan – CH

4

• etan – C

2

H

6

• Propan – C

3

H

8

• Butan – C

4

H

10

• Pentan – C

5

H

12

• Heksan – C

6

H

14

• Heptan – C

7

H

16

• Oktan – C

8

H

18

• Nonan – C

9

H

20

• Dekan – C

10

H

22

• Undekan –

C

11

H

24

• Dodekan –

C

12

H

26

• Tetradekan –

C

14

H

30

• Heksadekan –

C

16

H

34

• Ejkozan –

C

20

H

42

•

wzór ogólny alkanów

C

n

H

2n+2

Nazwy alkanów mają

końcówkę -an

Nazewnictwo alkanów

Numery atomów węgla,

przy których są podstawniki

5,6 - dichloro -4 -etylo -2,3,3 - trimetylooktan

Rodzaj

podstawnika

w kolejności

alfabetycznej

Przedrostki określające liczbę

jednakowych podstawników

Nazwa węglowodoru

o najdłuższym łańcuchu

C C

Cl Cl

C

C
C

-C

1

- C

2

- C

3

- C

4

- C

5

- C

6

-

C

7

- C

8

-

Właściwości fizyczne alkanów

• Cztery pierwsze alkany w szeregu homologicznym to

gazy; od C

5

do C

17

– to ciecze, powyżej C

17

– ciała stałe.

• Cząsteczki alkanów są niepolarne – rozpuszczają się w

rozpuszczalnikach niepolarnych.

• Siły van der Waalsa rosną wraz ze wzrostem masy

cząsteczkowej związków w danej klasie.

• Temperatury wrzenia i topnienia n-alknów zwiększają

się wraz ze wzrostem liczby atomów węgla. Jest to

wynikiem wzrostu oddziaływań między

cząsteczkowych, które rosną wraz ze wzrostem masy

cząsteczki- temperatura wzrasta o 20ºC do 30ºC na

każdy atom węgla.

• Na temperaturę wrzenia i topnienia alkanów ma

wpływ rozgałęzienie łańcucha. Izomery o łańcuchu

prostym mają wyższą temperaturę wrzenia niż izomery

rozgałęzione.

• Gęstość alkanów jest niższa niż gęstość wody.

Otrzymywanie alkanów

• Z ropy naftowej i gazu ziemnego przez destylację.
• Metodami laboratoryjnymi:
- Hydrogenacja alkenów

H

2

C=CH─CH

3

→ H

3

C─CH

2

─CH

3

- Redukcja metalem halogenków alkilu

RX + Zn + H

+

→ R-H + Zn

2+

+ X

-

- Hydroliza odczynnika Grinarda

RX + Mg → RMgX → RH

- Reakcja halogenków alkilów ze związkami

metaloorganicznymi

RX → RLi → R

2

CuI → R-R’

Pt/H

2

H

2

O

R’X

CuX

Li

Reakcje alkanów

• Alkany (dawniej parafiny) są związkami o małej

reaktywności, są odporne na działanie HCl i H

2

SO

4

,

nie reagują z utleniaczami – KMnO

4

lub K

2

Cr

2

O

7

• Alkany ulegają substytucji rodnikowej

CH

3

─CH ─CH

3

→ CH

3

─CH ─CH

2

Cl

Cl

2

>Br

2

3º>2 º>1 º

• Spalanie – w zależności od ilości tlenu – pełne lub

niepełne

• Piroliza (kraking)

CH

3

CH

3

Cl

2

Alkeny

• Należą do

węglowodorów
nienasyconych, w
których występuje
przynajmniej jedno
wiązanie wielokrotne.
W cząsteczce alkenu
występuje jedno
wiązanie podwójne.

• Najprostszym alkenem

jest eten – C

2

H

4

H

2

C=CH

2

W etenie atomy węgla
mają hybrydyzację sp

2

Podwójne wiązanie między
atomami węgla składa się z
mocnego wiązania σ
oraz słabego π.
Pojawienie się wiązania π,
powoduje zahamowanie rotacji

Szereg homologiczny

alkenów

• Et

en

– C

2

H

4

• Prop

en

–

C

3

H

6

• But

en

– C

4

H

8

• Pozostałe homologi analogicznie jak w alkanach
• Wzór ogólny C

n

H

2n

•

Nazewnictwo alkenów – szukamy najdłuższego

łańcucha węglowego z wiązaniem podwójnym.
Wiązanie podwójne powinno znajdować przy
węglu o najniższym numerze

• Alkany w nazwie mają końcówkę -en

Izomeria alkenów

• Obecność wiązania podwójnego

powoduje, że wzrasta liczba
izomerów położeniowych.

• W związkach nienasyconych mamy

również do czynienia z izomerią
geometryczną – diasteroizomery,
powstają na skutek zahamowania
rotacji wzdłuż wiązania podwójnego.

Otrzymywanie alkenów

• Niższe alkeny otrzymuje się w

wyniku destylacji ropy naftowej.

• W laboratorium otrzymuje się je na

drodze eliminacji:
1. dehydrogenacji
2. dehydratacji
3. dehalogenacji
dichlorowcopochodnych

Właściwości fizyczne

• Nie rozpuszczają się w wodzie, dobrze

rozpuszczają się w rozpuszczalnikach

niepolarnych

• Gęstość alkenów jest niższa niż gęstość

wody.

• Temperatura wrzenia i topnienia wzrasta

wraz ze wzrostem łańcucha.

• Obecność wiązania podwójnego nie zmienia

drastycznie właściwości fizycznych alkenów

w porównaniu z alkanami.

Właściwości chemiczne

• Wiązanie podwójne jest elementem

charakterystycznym struktury alkenów.

• Alkeny będą ulegały reakcji, w której będzie

następowało rozerwanie słabego wiązania π oraz
wysycenie tego wiązania – powstanie dwóch mocnych
wiązań σ.

• Wiązanie π posiada łatwo dostępne elektrony π, ma

więc charakter zasady. Cząsteczki, które mają
niedobór elektronów (kwasy) będą reagowały z
alkenami.

• Typową reakcją dla węglowodorów nienasyconych

jest addycja ( przyłączenie) elektrofilowa lub addycja
wolnorodnikowa. W wyniku tych reakcji otrzymamy
różne produkty reakcji.

•

Przykłady:

1. hydrogenacja- uwodornienie- przyłączenie

wodoru

2. Addycja halogenu
3. Addycja halogenowodoru
4. Addycja wody
5. Reguła Markownikowa – wodór przyłącza się do

tego atomu węgla przy, którym jest więcej

atomów węgla

6. Addycja wolnorodnikowa zachodzi niezgodnie z

regułą Markownikowa

7. Reakcje polimeryzacji
8. Reakcje analityczne:
- Alkany odbarwiają wodę bromową oraz KMnO

4

Alkiny

•

Alkiny –węglowodory nienasycone, w których

występuje przynajmniej jedno wiązanie potrójne

między atomami węgla.

•

W tworzeniu wiązania potrójnego biorą udział dwa

zhybrydyzowane orbitale sp , które leżą wzdłuż prostej

przechodzącej przez jądra atomów C- więc kąt między

wiązaniami wynosi 180º, a cząsteczka jest liniowa.

•

Wiązanie potrójne jest krótsze i mocniejsze niż

wiązanie podwójne.

•

Najprostszym alkinem jest etyn (acetylen) C

2

H

2

•

Wzór ogólny alkinów – C

n

H

2n-2

•

Nazewnictwo alkinów – reguły takie jak wyżej – aliny

mają końcówkę – in lub -yn

•

Alkiny maja cząsteczki słabo spolaryzowane i

zasadniczo wykazują podobne właściwości jak alkany i

alkeny.

Cząsteczka acetylenu

Otrzymywanie alkinów

• Przemysłowe otrzymywanie acetylenu:

węgiel – koks

Kamień wapienny – CaO
lub

6CH

4

+ O

2

→C

2

H

2

+ 2CO + 10 H

2

O

• Otrzymywanie innych alkinów
- Eliminacja atomów lub grup atomów znajdujących

się przy dwóch sąsiednich atomach

2000ºC

CaC

2

C

2

H

2

+ Ca(OH)

2

Reakcje alkinów

• Podobnie jak alkeny ulegają addycji

elektrofilowej, ponieważ elektrony π
są łatwo dostępne:

- Przyłączanie wodoru
- Addycja chlorowców
- Przyłączenie wody

Dieny

• Związki mające w swojej cząsteczce wiele

wiązań podwójnych

• Mogą to być układy sprzężonych wiązań

podwójnych - ─ C=C─C=C─

• Skumulowany - ─C=C=C─
• Izolowany - ─C─C=C─C─C=C─
• są to bardzo ważne związki, ponieważ są

licznie reprezentowane w przyrodzie –
kauczuk naturaly, terpeny, witamina A,
cholesterol

Węglowodory

aromatyczne

alkohole

Alifatyczne węglowodory

cykliczne

• Przykłady związków cyklicznych

Budowa cząsteczki benzenu

• Benzen należy do grupy węglowodorów

aromatycznych

• Wzór sumaryczny C

6

H

6

• Struktury rezonansowe benzenu – wzory

Kekulego

• Benzen jest hybrydą struktur I i II, długość wiązań między

atomami węgla jest taka sama, w cząsteczce benzenu nie
występują na przemian 3 wiązania pojedyncze i 3
podwójne. Wiązanie C-C ma charakter wiązań
półtorakrotnych. Wszystkie wiązania w benzenie są
równocenne

• W benzenie atomy węgla wykazują hybrydyzację sp

2

–

cząsteczka jest płaska, a kąt między atomami węgla wynosi
120º.

• C C H

Między atomami węgla występuje jedno wiązanie σ i jedno
wiązanie π, które powstaje w wyniku nałażenia bocznego
niezhybrydyzowanych orbitali p węgla. Następuje
delokalizacja elektronów π, które obejmują całą cząsteczkę
i w równym stopniu należą do każdego atomu węgla.

σ

σ

• Elektrony π są łatwo dostępne dla reagentów

poszukujących elektronów (elektrofilów), z powodu

stabilności pierścienia benzenowego, następuje

podstawienie (substytucja) czynnikiem

elektrofilowym i nie zostaje zakłóconych charakter

aromatyczny związku.

• Związek aromatyczny musi posiadać chmurę

zdelokalizowanych elektronów π poniżej i powyżej

płaszczyzny pierścienia ( cząsteczka musi być

płaska) oraz ilość zdelokalizowanych elektronów π

musi spełniać zasadę Hückla 4n + 2 ( n = 0,1,2….)

• Związki aromatycznych nie ulegają reakcjom

charakterystycznym dla węglowodorów

nienasyconych czyli addycji i eliminacji – nie

odbarwiają wody bromowej, nie ulegają hydrogenacji

• Związki aromatyczne ulegają reakcji substytucji

elektrofilowej

Przykłady innych związków aromatycznych

Przykłady reakcji substytucji elektrofilowej

Izomery pochodnych benzenu

Nazewnictwo pochodnych

benzenu

Kierujący wpływ podstawników

• Grupa, która zwiększa reaktywność pierścienia

aromatycznego nazywa się grupą aktywującą

• Grupa, która obniża jego reaktywność to grupa

dezaktywująca.

• Grupy aktywujące i kierujące w położenie orto i

para - -OH; -CH

3

; -OCH

3

: -NH

2

• Grupy dezaktywujące i kierujące w położenie

orto i para - -F; -Cl; -Br; -I

• Grupy dezaktywujące i kierujące w położenie

meta - -NO

2

; -CN; -COOH; -CHO; - SO

3

H

Destylacja i obróbka ropy naftowej

• Ropę naftową rozdziela się

na frakcję przy pomocy
destylacji

frakcja

Temperatura

ºC

Ilość at. C

Gaz

Poniżej 20

1-4

Eter naftowy 20-60

5-6

Lekka nafta

(ligroina)

60-100

6-7

Gazolina

(surowa

benzyna)

40-205

5-10 i

cykloalkany

nafta

175-325

12-18 i zw.

Aromatyczn

e

Olej gazowy

Poniżej 275

12 i wyższe

Olej surowy

Nielotna

ciecz

Rozgałęzion

e długie

łańcuchy

Asfalt i koks

Nielotne

ciało stałe

Struktury

polimeryczn

e

•

Katalityczna izomeryzacja – powoduje przekształcenie

alkanów łańcuchowych w alkany rozgałęzione.

•

Proces krakowania powoduje rozpad wyższych alkanów

do niższych homologów oraz do alkenów – w ten

sposób zwiększa się ilość frakcji benzynowej.

•

Kraking - inaczej piroliza – czyli rozpad związków pod

wpływem ciepła.

•

Rodzaje krakingu:
- katalityczny – olej gazowy poddaje się rozkładowi w

temperaturze 450-550ºC pod niewielkim ciśnieniem
- termiczny alkany przepuszcza się przez ogrzewana

komorę.

•

Reforming katalityczny- alkany i cykloalkany zostają

przekształcone w węglowodory aromatyczne i w ten

sposób uzyskuje się surowce do syntezy przemysłowej

Alkohole

• Alkohole są związkami o wzorze ogólnym R- OH, gdzie

grupa -OH to grupa hydroksylowa –tzw. Grupa funkcyjna ,
decydująca o właściwościach fizycznych i chemicznych tej
grupy związków organicznych.

• Związki w których grupa hydroksylowa jest połączona z

pierścieniem aromatycznym nazywamy fenolami ( ze
względu na różnice we właściwościach chemicznych
omawiane będą oddzielnie).

• Alkohole podobnie jak węglowodory alifatyczne tworzą

szereg homologiczny

• Przykładowe alkohole

Nazewnictwo alkoholi

• Szukamy najdłuższego łańcucha z którym związana jest

grupa –OH, numerujemy atomy węgla w ten sposób aby
atom C związany z grupą hydroksylową miał najniższy
numer

• Do nazwy węglowodoru, który tworzy łańcuch alifatyczny

dodajemy końcówkę –ol (reszta zasad tak samo jak w
przypadku węglowodorów).

• EX. CH

3

-CH

2

-CH-CH

3

–

butan-2-ol

• Alkohole dzielą się na trzy klasy, przy czym podstawą

podziału jest liczba grup organicznych przyłączonych do
atomu C z grupą -OH

OH

Właściwości fizyczne

• Alkohole o małej masie cząsteczkowej są cieczami.
• Są to związki polarne bardzo dobrze rozpuszczające

się w wodzie ( od 4 do 5 atomów węgla)

• Tworzą wiązania wodorowe między sobą oraz z

cząsteczkami wody, przez co charakteryzują się
bardzo wysokimi temperaturami wrzenia ( analogia
do cząsteczek wody).

• Alkohole wielowodorotlenowe maja jeszcze wyższe

temp. wrzenia, ponieważ posiadają więcej niż jedno
centrum asocjacji.

R-O----H-O

H

R

Otrzymywanie przemysłowe

alkoholi

• Alkohole można otrzymać z ropy naftowej

ropa naftowa

kraking

kraking

tłuszcze

fermentacja - cukry

skrobia

melasa

Olej
fuzlowy

Właściwości chemiczne

• Reakcje alkoholi mogą polegać na rozerwaniu wiązania C-

OH lub O-H

• Reakcje polegające na rozerwaniu wiązania węgiel -grupa

hydroksylowa

• Reakcje dehydratacji

• W rekcjach dehydratacji najbardziej reaktywne są alkohole

III- rzędowe

+ H

2

O

Rozerwanie wiązania O-H

-alkohole nie ulegają dysocjacji elektrolitycznej
( odczyn

roztworu jest obojętny)

- nie reagują z wodnymi roztworami
wodorotlenków np. NaOH
- reagują z reaktywnymi metalami Na, K, w
wyniku reakcji powstają alkoholany

- powstawanie estrów

• Utlenianie

Fenole

• W fenolu grupa hydroksylowa jest połączona z

pierścieniem benzenowym.

• Fenol C

6

H

5

OH, jest białą, krystaliczną substancją stałą o

charakterystycznym zapachu, słabo rozpuszczają się w
wodzie.

• Inne fenole są często składnikami olejków zapachowych

• Fenole różnią się od alkoholi tym, że są słabymi

kwasami, ulegają dysocjacji elektrolitycznej.

• Fenol reaguje z wodnymi roztworami

wodorotlenków, w wyniku czego powstają
fenolany.