Podział węglowodorów 

węglowodory 

alifatyczne 

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.

• 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.

• 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. 

2-metylopentan  

3-metylopentan  

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

 
 Alkany (parafiny) 

Otrzymywanie (przemysł)

   Metoda Fischera - Tropscha

CO + H₂ → CH₄ + H₂O (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_nH_2n+2; końcówka nazwy: -an

Ułożone są w szeregu homologicznym, różniącym się o stały element -CH₂-.
 

Otrzymywanie alkanów (laboratorium) 

1.    Uwodornienie alkenów

C_nH_2n + H₂ → C_nH_2n+2 

2.    Reakcja Wurtza

2 R-X + 2 Na → R-R + 2 NaX

R = alkil (CH₃-, C₂H₅-, …)

X = chlorowiec (Cl, Br…) 

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

R-X + Mg → R-MgX

R-MgX + H₂O → R-H  +  Mg(OH)X 

R-X + R'-X + 2 Na → R-R' + 2 NaX

R' = alkil (CH₃-, C₂H₅-, …) 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 Cl₂ > Br₂ > J₂.

Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1° 

Cl₂   ^hn    2 Cl• 

inicjacja 

propagacja 

Cl• + CH₄  CH₃Cl + H• 

H• + Cl₂           HCl + Cl• 

CH₄  +  Cl₂       CH₃Cl  +  HCl 

2.    Utlenianie

Np. metanu:

CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂0 
 
 

Alkeny(olefiny) 

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

Wzór ogólny alkenów C_nH_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. 

CH₃-CH-CH₂-CH=CH-CH₃  (2-heksen , heks-2-en) 

Wiązanie podwójne ma pierwszeństwo przed potrójnym. Gdy jest kilka wiązań podwójnych stosujemy końcówkę -dien, -trien. 

CH₂=CH-C≡C-CH=CH₂  heksa-1,5-dien-3-yn (1,5-heksadien-3-yn) 

Otrzymywanie alkenów 

1. Eliminacja halogenków alkanów (E 2) (X-chlorowiec): 

2. Odwodnienie alkoholi: 

3. Redukcja alkinów:

Reakcje alkenów 

  Najbardziej charakterystyczna dla alkenów jest reakcja addycji elektrofilowej.

  Przebiega ona wg schematu: 

  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. 

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. 

Przyłączenie wody: 

Przyłączenie halogenu (chlorowca)

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. 

Reakcja ta służy w analizie organicznej do wykrywania związków z wielokrotnymi wiązaniami (tzw. test Bayera - odbarwienie roztworu KMnO₄ pod wpływem alkenów). 
Dalsze utlenianie prowadzi do rozpadu cząsteczki:
 

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. 

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 > CH₂OH > C≡N > CH₂NH₂ > C≡CH > CH=CH₂ > CH₂CH₃ 

≡ 

≡ 

≡ 

Jeśli atomy podstawników połączone z węglami wiązania podwójnego są identyczne, rozpatruje się kolejno dalsze sąsiedztwo:

CH₂Br > CHCl₂ > CH₂OH > CH₂NH₂ > C(CH₃)₃ > CH(CH₃)₂ > CH₂CH₃ > CH₃ 

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

S₂O₈^2- + 2e^- → 2SO₄^2-

[Fe(CN)₆]^3- + e^- → [Fe(CN)₆]^4- 

b) elektrycznie obojętną cząsteczką, posiadającą na jakimś atomie lukę elektronową (typowy kwas Lewisa) np.:AlCl₃, FeBr₃, BF₃ 

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 NO₂⁺

ArH + NO₂⁺  → Ar-NO₂ + 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 

b) jony ujemne, np.: X^- ,  OH^- , RO^- , S^2- , karboaniony 

c) cząsteczki, w których  orbitale cząsteczkowe typu [π] 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 

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 

Propagacja (wzrost łańcucha) 

Terminacja (zakończenie wzrostu długości łańcucha)

Np.; Połączenie dwóch rosnących rodników (koligacja) 

np.:
 
 
 

Właściwości polimerów mogą zależeć od sposobu polimeryzacji

Polimeryzacji koordynacyjnej-katalizatory Zieglera-Natty np.:TiCl₄+R₃Al

Polimeryzacja kationowa- katalizatory  kwasy Lewisa

Polimeryzacja anionowa-katalizatory anionowe np.;Bu Li 

Przykłady polimeryzacji 

polietylen 

poliakrylonitryl 

poli(octan winylu) 

polistyren 

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”
   

Alkiny 

acetylen 

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 

1-butyn

(but-1-yn) 

5-metylo-2-heksyn

(5-metyloheks-2-yn) 

4-metylo-2-hepten-5-yn

(4-metylohept-2-en-5-yn)

 
 

Otrzymywanie  Alkinów 

Otrzymywanie przemyslowe

1)Przez kontrolowane utlenianie CH₄

6CH₄  +  O₂  → 2 C₂H₂  +2 CO  + 10H₂  (temperatura 1500°C)

2)Przez działanie wody na karbid

CaO +  3C      CaC→₂  +  CO

CaC₂  +  2 H₂O  CH≡  HC→  +  Ca (OH)₂  

Otrzymywanie laboratoryjne

1) Dehydrohalogenacja  dihalogenoalkilów 

2) Dehalogenacja tetrahalogenoalkilów 

3) Reakcje acetylenków sodowych z pierwszorzędowymi halogenkami alkilów
 

Reakcje alkinów 

O właściwościach chemicznych alkinów decyduje

1) potrójne wiązanie 

2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem
 

Alkadieny 

Alkadieny- są węglowodorami nienasyconymi o wzorze ogólnym  C_nH_2n-2 zawierającymi w cząsteczce dwa wiązania C=C. 

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

1,3-butadien

(but-1,3-dien) 

2-metylo-1,3-butadien

(izopren) 

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

Rezonans w dienach sprzężonych 

Struktura butadienu 

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:H₂/kat, X₂,HX (X=Cl,Br,J )

Addycja prowadzi zawsze do utworzenia mieszanin

                         1,2-adduktów    i  1,4-adduktów 

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. 

cytronelol 
(w olejku geraniowym) 

g-terpinen 
(w olejku kolendrowym) 

witamina A 

skwalen 

lanosterol 

cholesterol

Cykloalkany 

Odrębną grupę węglowodorów  nasyconych stanowią związki cykliczne, tzw.cykloalkany,o wzorze ogólnym C_nH_2n.

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

konformacja łódkowa 

konformacja krzesełkowa 

metylocykloheksan

---