1

WĘGLOWODORY

Związki organiczne, których cząsteczki zbudowane są wyłącznie z
atomów

węgla

i

wodoru

.

1.

Węglowodory

łańcuchowe

nasycone -ALKANY

Szereg homologiczny - nieskończony szereg związków
chemicznych, których cząsteczki różnią się od siebie
dowolną liczbą grup atomów (np.: grup metylenowych —
CH

2

— w przypadku alkanów), przy czym związki te mają

podobną budowę, a wskutek tego podobne własności
chemiczne.

Między atomami węgla występują tylko wiązania
pojedyncze:

C

—

C

Wszystkie alkany mają ogólny wzór sumaryczny:

C

n

H

2n+2

n - całkowita liczba naturalna
Tworzą tzw.

szereg homologiczny

2

Szereg homologiczny
alkanów

H

H

2

.

E

T

A

N

H

—

C

—

C

—

H

C

H

3

—

C

H

3

(

C

2

H

6

)

H

H

H

1

.

M

E

T

A

N

H

—

C

—

H

C

H

4

H

H

H

H

3

.

P

R

O

P

A

N

H

—

C

—

C

—

C

—

H

H

H

H

C

H

3

—

C

H

2

—

C

H

3

(

C

3

H

8

)

3

Szereg homologiczny
alkanów

Począwszy od butanu w alkanach występuje zjawisko
izomerii strukturalnej (szkieletowej), związanej są
rozgałęzieniem łańcucha węglowego.

P

E

N

T

A

N

-

C

5

H

1

2

C

H

3

—

C

H

2

—

C

H

2

—

C

H

2

—

C

H

3

n

-

p

e

n

t

a

n

C

H

3

—

C

H

2

—

C

H

—

C

H

3

C

H

3

2

-

m

e

t

y

l

o

b

u

t

a

n

C

H

3

C

H

3

—

C

—

C

H

3

d

i

m

e

t

y

l

o

p

r

o

p

a

n

C

H

3

Im większa jest liczba atomów węgla w cząsteczce
węglowodoru tym możliwa jest większa liczba izomerów
strukturalnych:

8

1

8

9

3

5

1

0

7

5

1

5

4

3

4

7

2

0

3

3

6

3

1

9

2

5

3

6

7

9

5

5

8

8

3

0

4

1

1

1

8

4

6

7

6

3

Liczba atomów węgla
liczba izomerów

4

Jest to część cząsteczki węglowodoru mająca określoną
liczbę wolnych jednostek wartościowości. Nazwy rodników
ustala się wychodząc z nazw odpowiednich alkanów, przy
czym końcówkę zmienia się z -an na -yl.

C

H

3

—

m

e

t

y

l

C

H

2

m

e

t

y

l

e

n

C

H

4

m

e

t

a

n

C

H

3

—

C

H

2

—

e

t

y

l

C

H

3

—

C

H

e

t

y

l

i

d

e

n

C

H

3

—

C

H

3

e

t

a

n

Rodniki węglowodorowe

Rzędowość węgla organicznego-stopień podstawienia, czyli liczba
grup alkilowych związanych z określonym atomem węgla.

węgiel

czwartorzędowy

R

4

R

1

—

C

—R

3

R

2

R—

C

H

3

węgiel

pierwszorzędowy

R

1

—

C

H

2

—R

2

węgiel

drugorzędowy

węgiel
trzeciorzędowy

R

1

—

C

H—R

3

R

2

5

CYKLOALKANY

Cykloheksan

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

C

6

H

12

Nazwa

Wzór strukturalny

Wzór

sumaryczny

Cyklopropan

Cyklobutan

Cyklopentan

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

C

3

H

6

C

4

H

8

C

5

H

10

W

nazwach

stoso-wany jest
przedros-tek
cyklo.

Przykłady najprostszych cykloalkanów:

Tworzą szereg homologiczny o wzorze:

C

n

H

2

n

n - całkowita liczba naturalna

6

Własności chemiczne alkanów

Przemiany

chemiczne

węglowodorów

mogą

zachodzić albo wskutek rozerwania wiązań C—C lub C
—H. Następuje wtedy albo rozpad cząsteczki, albo
podstawienie atomu wodoru innym atomem lub
grupą atomów.

· Ulegają najczęściej reakcji podstawiania -

substytucji

.

· Alkany są odporne na działanie kwasów i

zasad oraz reduktorów.

1. Ulegają spalaniu - przy czym produktami są

albo CO

2

, CO lub C (sadza) w zależności od

ilości tlenu biorącego udział w reakcji.

C

4

H

10

+ 6,5 O

2

= 4 CO

2

+ 5 H

2

O

C

4

H

10

+ 4,5 O

2

= 4 CO + 5 H

2

O

C

4

H

10

+ 2,5 O

2

= 4 C + 5 H

2

O

Utlenienie

7

1.

CHLOROWCOWANIE

- podstawianie atomów

wodoru chlorowcem.
Np. chlorowcowanie metanu:
CH

4

+ Cl

2

= HCl + CH

3

Cl jednochlorometan

CH

3

Cl + Cl

2

= HCl + CH

2

Cl

2

dichlorometan

CH

2

Cl

2

+ Cl

2

= HCl + CHCl

3

trichlorometan-

chloroform
CHCl

3

+ Cl

2

= HCl + CCl

4

tetrachlorometan-

czterochlorek węgla Jest to reakcja łańcuchowa -
zachodzi wg mechanizmu podstawiania
rodnikowego.

Reakcja podstawiania

I etap - rozpad wiązania atomowego Cl—Cl pod wpływem
energii świetlnej lub cieplnej:

Cl—Cl

Cl

*

+ Cl

*

 chlor rodnikowy

lub temp.

II etap - wytworzenie rodnika węglowodorowego działaniem

chloru rodnikowego:

CH

4

+ Cl

*

 CH

3

*

+ HCl rodnik metylowy

III etap - działanie rodnika węglowodorowego na chlor
cząsteczkowy:

CH

3

*

+ Cl

2

 CH

3

Cl + Cl

*

itd.

Reakcja z innymi chlorowcami przebiega podobnie, przy czym
reaktywność chlorowców maleje w szeregu: F > Cl > Br > I

8

Węglowodory

nienasycone

W

cząsteczkach

węglowodorów

nienasyconych

występują:

Wiązania podwójne:

C=C  ALKENY

(Olefiny)

Wiązania potrójne:

CC  ALKINY

(Acetyleny)

ALKENY tworzą szereg homologiczny o ogólnym
wzorze:

C

n

H

2n

1.

ETEN

C

2

H

4,

(etylen)

CH

2

CH

2

2.

PROPEN

C

3

H

6

,

(propylen)

CH

2

CH CH

3

4

3.

BUTEN

CH

8

CH

2

=

CH—CH2—CH3

1-buten

CH3

—CH=CH—CH3 2-buten

izobuten

metylopropen

3

CH

2

=C—CH3

CH

Występuje izomeria związana z położeniem
wiązania podwójnego.
Również izomeria szkieletowa związana z
rozgałęzieniem łańcucha.

9

Występuje wiązanie potrójne:

—C



C—





ALKINY tworzą szereg homologiczny o ogólnym wzorze:

C

n

H

2n-2

1.

ETYN

- ACETYLEN C

2

H

2

H—CC—H CHCH

2.

PROPYN

C

3

H

4

CH

3

—CCH

3.

BUTYN

C

4

H

6

CHC—CH

2

—CH

3

1-butyn

CH

3

—CC—CH

3

2-butyn

CHC—CH

2

—CH

2

—CH

3

1-pentyn

CH

3

—CC—CH

2

—CH

3

2-pentyn

CHC—CH—CH

3

3-metylo-1-butyn



CH

3

4.

PENTYN

C

5

H

8

Występuje izomeria związana z położeniem wiązania
podwójnego.
Również

izomeria

szkieletowa

związana

z

rozgałęzieniem łańcucha.

10

Otrzymywanie

1. Acetylen otrzymuje się z karbidu (CaC

2

) działając

na niego wodą:

CC + 2H

2

O  CHCH + Ca(OH)

2

Ca

acetylen

Karbid można otrzymać przez ogrzewanie wapna
palonego w temp. 2500 C z węglem:CaO + 3C =
CaC

2

+ CO

CH

2

—CH

2

 
Br Br

1,2-dibromoetan

+ 2KOH = CHCH + 2KBr + 2H

2

O

2. Eliminacja chlorowcowodorów z jedno- lub

dichlorowco-pochodnych alkanów:

CH

2

CH

2

Br

H

CH

2

CH

2

+ KOH

eten

bromoetan

+ KBr + H2O

etyn

Reakcja eliminacji dotyczy także alkoholi i alkanów

11

WŁASNOŚCI CHEMICZNE

1.

Spalanie

- podobnie jak alkany

2. Reakcja przyłączania

Najbardziej charakterystyczna reakcja alkenów i alkinów.
Polegające na przyłączeniu atomu lub grupy atomów do
wiązań wielokrotnych między atomami węgla.
Wiązanie  zostaje zastąpione przez dwa nowo
utworzone wiązania :

C

C

+ A

B

p

s

C

C

s

s

s

B

A

alken

C

C

+ 2 A

p

s

B

alkin

alkan lub jego pochodna

(B)

(A)

Jest to tzw. przyłączenie elektrofilowe, czyli alken
(alkin) reaguje z atomem lub grupą atomów w postaci
kationu lub z dodatnim biegunem dipola.

12

Przyłączenie chlorowców

:

Chlorowce (szczególnie Cl

2

i Br

2

) przyłączają się łatwo do

podwójnego i potrójnego wiązania:

C H2

C H

C H

2

C H

2

C l

C l

+ Cl2

1,2-dichloroetan

2

eten

CHCH + 2Br

2

 Br—CH—CH—Br 1,1,2,2,-tetrabromoetan

 
Br Br

etyn

Przyłączenie chlorowcowodorów

CH

2

=CH

2

+ HI  CH

3

—CH

2

—I jodoetan

CH

3

—CH

2

+ I

CH

3

—CH

2

—I

CH

2

=CH

2

H — I

-

+

+

-





etylokarbokation

13

CHCH + HCl  CH

2

=CH—Cl chloroeten; chlorek winylu

CH

2

=CH rodnik winylowy

Nadmiar HCl:
CH

2

=CH—Cl + HCl  CH

3

—CHCl

2

1,1-dichloroetan

Chlorek winylu służy do otrzymywania polimeru -
poli(chlorku winylu)

Jeżeli alken jest niesymetryczny możliwe są dwa
produkty reakcji, Np.:

CH

3

—CH=CH

2

+ HBr

CH

3

—CH

2

—CH

2

—Br

1-bromopropan

(nie powstaje)

2-bromopropan

CH

3

— CH—CH

Br

Kierunek takiego przyłączania określa reguła
Markownikowa: wodór przyłącza się do węgla,
który związany jest z większą liczbą atomów
wodoru.

14

Przyłączenie wody

CHCH + H

2

O  CH

2

=CH—OH  CH

3

—C

alkohol winylowy (nietrwały)

W przypadku alkinów powstaje aldehyd octowy
- reakcja Kuczerowa.

W obecności mocnych kwasów (H

2

SO

4

) woda

przyłącza się do alkenów tworząc alkohole.

CH

2

=CH

2

+ H

2

O ® CH

3

—CH

2

—OH

alkohol etylowy

Uwodornienie:

alkiny  alkeny  alkany

CH

3

—CCH + H

2

 CH

3

—CH=CH

2

propyn

propen

CH

3

—CH=CH

2

+ H

2

 CH

3

—CH

2

—CH

3

propan

H

= O

15

WĘGLOWODORY

AROMATYCZNE

ARENY

Należą do grupy węglowodorów cyklicznych.
Szczególny rodzaj wiązania występujący w benzenie.

BENZEN C

6

H

6

- posiada raczej własności nasycone

Związki aromatyczne - benzen i jego pochodne

.

Budowa
benzenu

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

lub

Kekulé wysunął hipotezę, że benzen
jest cykloheksatrienem

Taka struktura nie tłumaczyła braku własności
nienasyconych układu aromatycznego.

16

Budowa benzenu

Na

podstawie

badań

rentgenograficznych

i

spektroskopowych ustalono, że
cząsteczka benzenu tworzy układ
płaski, w którym atomy węgla
tworzą sześciokąt foremny.

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

1,09A

1,39A

120

120

Szkieletowy
model
cząsteczki
benzenu

Wszystkie wiązania między atomami
węgla są

równocenne

i nie występują na

przemian

wiązania

pojedyncze

i

podwójne.

· pozostałych

sześć

elektronów

jest

zdelokalizowanych

symetrycznie

na

skutek

nałożenia się orbitali p

z

sześciu atomów węgla.

Elektrony zajmujące zdelokalizowane orbitale benzenu
stanowią tzw. sekstet elektronowy zaznaczany
symbolicznie:

lub

17

Nazewnictwo i izomeria węglowodorów

aromatycznych

Benzen

: C

6

H

6

Toluen

- metylobenzen:C

6

H

5

—CH

3

CH

3

Etylobenzen

:C

6

H

5

—C

2

H

5

C

8

H

10

C

H

2

C

H

3

CH

CH

2

winylobenzen (styren)

izopropylobenzen (kumen)

C

H

2

C

H

3

C

H

2

C

H

C

H

3

C

H

3

Propylobenzen

Rodnik fenylowy

18

IZOMERIA

· Jednopodstawione

pochodne benzenu nie

posiadają izomerów,

· Dwupodstawione

benzenu istnieją w trzech

odmianach izomerycznych: 1,2-; 1,3- i 1,4-.

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

1,2-dimetylobenzen

orto-dimetylobenzen

o-ksylen

1,3-dimetylobenzen

meta-dimetylobenzen

m-ksylen

1,4-dimetylobenzen

para-dimetylobenzen

p-ksylen

19

Węglowodory aromatyczne

o pierścieniach

skondensowanych

Znane

są

węglowodory

aromatyczne

zawierające kilka pierścieni skondensowanych
(sąsiadujące ze sobą pierścienie mają po dwa
wspólne atomy węgla):

naftacen (

żółty)

C

18

H

12

pentacen (niebieski)

C

22

H

14

piren

C

16

H

10

chryzen

C

18

H

12

naftalen

C

10

H

8

antracen

C

14

H

10

fenantre
n

C

14

H

10

20

Jednopodstawione

pochodne

naftalenu

mają dwa izomery:  (alfa) i  (beta):

C

H

3

C

H

3



-

m

e

t

y

lo

n

a

f

t

a

le

n -

m

e

t

y

lo

n

a

f

t

a

le

n



















Na przykład

:

Jednopodstawione
pochodne

antracenu

mają trzy izomery:
, , .

C

H

3

C

H

3

C

H

3

-

m

e

t

y

l

o

a

n

t

r

a

c

e

n

-

m

e

t

y

l

o

a

n

t

r

a

c

e

n

-

m

e

t

y

l

o

a

n

t

r

a

c

e

n



























Na przykład: 3 izomery
metyloantracenu:

21

Własności chemiczne węglowodorów

aromatycznych

Sumarycznie:

C

6

H

6

+ Z

+

 [C

6

H

6

Z]

+

 C

6

H

5

—Z + H

+

H

Z

(

+

)

(

-

)

+

Z

+

p

o

l

a

r

n

a

c

zą

s

t

k

a

a

r

o

m

a

t

y

c

z

n

a

k

a

t

i

o

n

p

r

z

e

jś

c

i

o

w

y



+



+



+

+

Mechanizm:
I Etap: Kation Z

+

wiąże się z atomem węgla o największym

ładunku ujemnym  kation przejściowy o dużej energii -
stan nienasycony. II Etap: Odszczepienie kationu 
przejście nienasyconego kationu w cząstkę aromatyczną:

Z

+
H

+

REAKCJE PODSTAWIANIA ELEKTROFILOWEGO.

Czynnikiem atakującym ujemny biegun cząsteczki
układu aromatycznego jest kation lub dodatni
biegun spolaryzowanej cząsteczki odczynnika,
przy czym podstawieniu ulega atom wodoru związany
z węglem pierścienia aromatycznego.

22

CHLOROWCOWANIE

Polega na

podstawieniu

atomem

chlorowca

atomu

wodoru

związanego

z

węglem

pierścienia

aromatycznego.

Stosuje się katalizator w postaci halogenków
żelazowych FeX

3

. Ułatwiają one powstawanie

kationów chlorowcowych:

X

2

+ FeX

3

 [FeX

4

]

-

+ X

+

H

X

+

H

+

X

+

X

+

c

h

l

o

r

o

w

c

o

b

e

n

z

e

n



+



+



+

+

Sumarycznie:
X

2

+ Ar—H  Ar—X + HX

H

+

+ [FeX

4

]

-

 FeX

3

+ HX

Kation chlorowcowy atakuje cząsteczkę związku
aromatycznego zgodnie z mechanizmem:

23

C l

+ Cl

2

FeCl

3

+ HCl

chlorobenzen

Przykłady
:

C

H

3

C

H

3

B

r

C

H

3

B

r

+

B

r

2

F

e

B

r

3

+

+

H

B

r

p

-

b

r

o

m

o

t

o

u

l

e

n

t

o

u

l

e

n

o

-

b

r

o

m

o

t

o

u

l

e

n

C

H

3

C

H

2

C

l

+

C

l

2

ś

w

i

a

t

ł

o

+

H

C

l

c

h

l

o

r

e

k

b

e

n

z

y

l

u

Bez użycia
katalizator
a:

Br2

Br

1-bromonaftalen

(-bromonaftalen)

naftale
n

24

NITROWANIE

Polega na podstawieniu atomu wodoru układu
aromatycznego grupą nitrową - NO

2

Nitrowanie wykonuje się tzw. mieszaniną nitrującą:
2H

2

SO

4

+ HONO

2

 2HSO

4

+ H

3

O + NO

2

+

H

N

O

2

+

H

+

N

O

2

+

N

O

2



+



+



+

+

+

Nitrowanie
benzenu:

Sumarycznie:Ar—H + HNO

3

 Ar—NO

2

+ H

2

O

Nitrowanie
toluenu

:

25

SULFONOWANIE

Polega

na

wprowadzeniu

do

pierścienia

aromatycznego grupy sulfonowej - SO

3

H w

miejsce atomu wodoru.

Grupa sulfonowa jest resztą kwasu siarkowego i
zachowuje własności tego kwasu:

H

SO

3

H

+ H

SO

3

H

+ SO

3

H

kwas

benzenosulfonowy



+



+



+

+

+

+

Ogólnie:

H

2

SO

4

+ Ar—H  H

2

O + Ar—SO

3

H

Reakcja sulfonowania jest reakcją odwracalną.

26

Reakcje przyłączenia

węglowodorów

aromatycznych.

Znane są reakcje przyłączenia do arenów
(przebiegają trudniej niż do węglowodorów
nienasyconych).
Uwodnienie benzenu - przebiega wobec niklu
jako katalizatora oraz przy podwyższonym
ciśnieniu.

benzen

+ 3H

2

Ni

cykloheksan

Jeżeli mieszanina benzenu i chloru są
naświetlane

promieniowaniem

ultrafioletowym

następuje

przyłączenie

chloru:

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

+ 3Cl

2

hn

heksachlorocykloheksan

27

UTLENIENIE

Utlenieniu łatwo ulega łańcuch boczny w
węglowodorach aromatycznych do grupy
karboksylowej:

—COOH.

COOH

CH

2

CH

2

CH

3

[O]

n-propylobenzen

kwas benzoesowy

CH

3

COOH

metylobenze
n

[O]

kwas
benzoesowy