Węglowodory i ich właściwości chemiczne.

Węglowodory to związki węgla z wodorem. W zależności od budowy cząsteczkowej rozróżnia się węglowodory:

1. łańcuchowe, zwane również acyklicznymi lub alifatycznymi, które mogą być nasycone i nienasycone - zalicza się tu alkany, alkeny, alkiny, dieny, polieny.

2. pierścieniowe, czyli cykliczne - należą do nich węglowodory cykloalifatyczne i aromatyczne (węglowodory aromatyczne).

Alkany (parafiny) nasycone węglowodory alifatyczne, ogólny wzór CnH2n+2 (n - liczba naturalna). Mogą tworzyć łańcuchy proste i rozgałęzione. Pierwsze cztery alkany są gazami, następnych 11 cieczami, wyższe są ciałami stałymi. Cząsteczki alkanów są

Alkany, reakcje z innymi związkami
Substraty	Produkty	Uwagi
Chlorowce	Chlorowcoalkany	jeden lub więcej atomów H ulega wymianie na atom chlorowca
Kwas azotowy	Związki nitrowe	temp. 250 - 500^oC
Kwas siarkowy	Kwasy sulfonowe	reagują tylko wyższe alkany
Silne utleniacze	Alkohole, kwasy karboksylowe, CO2

niepolarne, alkany nie rozpuszczają się w wodzie. W niższych temperaturach alkany są obojętne chemicznie. W podwyższonej temperaturze (300-700C) ulegają odwodornieniu, któremu towarzyszy skrócenie łańcuchów i utworzenie innych węglowodorów nasyconych, nienasyconych, aromatycznych (kraking). Reakcje alkanów mają na ogół mechanizm rodnikowy. Alkany otrzymuje się przez uwodornienie węglowodorów nienasyconych, redukcję chlorowcoalkanów wodorem lub jodowodorem, dekarboksylację soli kwasów karboksylowych i (laboratoryjnie) prowadząc reakcję Wurtza. Duże ilości alkanów występują w ropie naftowej.

Alkeny (olefiny) są to nienasycone węglowodory alifatyczne, ogólny wzór CnH2n (n jest liczbą naturalną większą od 1). Podwójne wiązanie między atomami węgla o hybrydyzacji sp2 jest przyczyną występowania izomerii położeniowej i izomerii geometrycznej cis-trans w cząsteczkach alkenów.

Alkeny, reakcje z innymi związkami
Substraty	Produkty	Uwagi
Chlorowce	α - dwuchlorowcopochodne	nie powstają produkty uboczne
Chlorowcowodory	Chlorowcopochodne	Przyłączenie zgodne z regułą Markownikowa
Kwasy pochodne	Chlorohydrony
Wodór	Alkany	Pt, Pd lub Ni są katalizatorami
Woda	Alkohole drugo - lub trzeciorzędowe	H2SO4 jest katalizatorem, reakcja ma znaczenie techniczne
KMnO4, mieszanina chromowa	Glikole, ketony, kwasy karboksylowe	utlenianie za pomocą KMnO4, jest tzw. próbą Baeyera
O3	Mieszanina aldehydów i ketonów	produktem pośrednim są ozonki

Pierwsze trzy alkeny są gazami, następnych 15 jest cieczami, wyższe alkeny są ciałami stałymi. Alkeny są nierozpuszczalne w wodzie. Otrzymywanie: eliminacja H2O z alkoholi, eliminacja HX z chlorowcoalkanów, eliminacja Hofmanna.

Przemysłowe znaczenie ma odwodornienie alkanów na katalizatorze CrO3, kraking oraz częściowe uwodornienie alkinów. Alkeny łatwo ulegają polimeryzacji łańcuchowej o mechnizmie wolnorodnikowym.

Alkiny (acetyleny), nienasycone węglowodory alifatyczne, ogólny wzór CnH2n-2 (n jest liczbą naturalną większą od 1). Cząsteczka alkinów zawiera wiązanie potrójne między atomami węgla. Acetylen, metylo- i etyloacetyleny są gazami, średnie alkiny są cieczami, wyższe alkiny (od C16) są ciałami stałymi.

Alkiny wchodzą łatwiej niż alkeny w reakcje przyłączania. Specyficzne dla alkinów są reakcje podstawienia, w których otrzymuje się acetylenki. Otrzymywanie homologów acetylenu: reakcja chlorowcoalkanów na acetylenki, odwodornienie alkenów.

Dieny (diolefiny) są to węglowodory nienasycone posiadające w cząsteczce dwa wiązania podwójne. Ich własności zbliżone są do alkenów.

Ze względu na wzajemne położenie wiązań podwójnych rozróżnia się wiązania: skumulowane (=C=), sprzężone (>C=C-C=C<) oraz izolowane (dwa lub więcej wiązań pojedynczych między wiązaniami podwójnymi).

Produktem polimeryzacji dienów zawierających wiązanie sprzężone są kauczuki syntetyczne. Do najważniejszych dienów należy butadien-1,3 i izopren.

Butadien-1,3 (CH2=CH-CH=CH2, dwuwinyl), gazowy węglowodór, bezbarwny i bezwonny. Otrzymywanie: najczęściej - katalityczne odwodornienie n-butanu, poza tym - z acetylenu lub etanolu. Jest surowcem do produkcji kauczuku syntetycznego.

Izopren (CH2=C(CH3)-CH=CH2), 2-metylobutadien-1,3, węglowodór, bezbarwna ciecz, rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych, temperatura wrzenia 34oC.

Otrzymywany przemysłowo z formaldehydu i izobutylenu, acetylenu i acetonu lub wskutek odwodornienia izopentanu.

Stereoregularna polimeryzacja izoprenu prowadzi do cis-poliizoprenu, posiadającego własności zbliżone do naturalnego kauczuku. Jednostka izoprenowa jest składnikiem terpenów.

Polieny są to węglowodory łańcuchowe (lub ich pochodne), zawierające więcej niż dwa wiązania podwójne między atomami węgla. Rozróżnia się polieny: izolowane, sprzężone i skumulowane.

Węglowodory cykloalifatyczne (węglowodory alicykliczne) są to cykliczne węglowodory alifatyczne (węglowodory), zawierające niearomatyczny układ pierścieniowy lub kilka takich układów albo układy pierścieniowe skondensowane. Grupa obejmuje: cykloalkany, cykloalkeny, cykloalkadieny. Cząsteczki węglowodorów cykloalifatycznych o pierścieniach większych od pięcioczłonowych charakteryzują się silnym pofałdowaniem.

W temperaturze pokojowej węglowodory cykloalifatyczne są gazami, cieczami lub ciałami stałymi. Niższe z nich odznaczają się dużą reaktywnością i są nietrwałe. Wchodzą w wiele reakcji charakterystycznych dla węglowodorów łańcuchowych, ulegają ponadto reakcjom addycji powodującym rozerwanie pierścienia. Cyklopentan i cykloheksan noszą nazwę naftenów.

Na skalę przemysłową węglowodory cykloalifatyczne otrzymuje się przez wyodrębnienie ich z ropy naftowej i hydrogenację węglowodorów aromatycznych. Znajdują zastosowanie jako rozpuszczalniki i surowce w syntezie organicznej.

Węglowodory aromatyczne (areny) są to węglowodory zawierające w cząsteczce sześcioczłonowy pierścień aromatyczny (lub układ skondensowanych pierścieni aromatycznych), do którego mogą być przyłączone podstawniki alkilowe lub arylowe.

Ciecze lub ciała stałe, trudno rozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się w eterze, benzynie, tetrachlorku węgla. Węglowodory aromatyczne otrzymuje się głównie z ropy naftowej, smoły pogazowej, gazu ziemnego.

Stanowią składniki paliw, służą też jako surowce do otrzymywania innych związków organicznych (polimerów, barwników, leków, detergentów, materiałów wybuchowych i in.). Do najważniejszych węglowodorów aromatycznych należą: benzen, toluen, naftalen, antracen, fenantren, piren.

Benzen (C6H6), najprostszy węglowodór aromatyczny cząsteczka benzenu jest płaska, ma kształt sześciokąta foremnego, każdy kąt między wiązaniami równy jest 120. Delokalizacja elektronów wiązań przyczynia się do stabilizacji cząsteczki benzenu.

Bezbarwna, łatwopalna ciecz o specyficznym zapachu, temperatura wrzenia 80,1^o C. Trudno rozpuszczalny w wodzie, miesza się w dowolnych proporcjach w rozpuszczalnikach organicznych, rozpuszcza także siarkę i fosfor. Łatwo ulega reakcjom podstawienia.

Otrzymywany jest na wielką skalę w czasie przeróbki węgla kamiennego (smoła węglowa) i ropy naftowej. Służy jako surowiec do syntez tworzyw sztucznych, barwników, detergentów i farmaceutyków.

Toluen (metylobenzen), C6H5-CH3 to węglowodór alifatyczno-aromatyczny, bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu, palna, nierozpuszczalna w wodzie, rozpuszcza się w alkoholu, benzenie i eterze. Temperatura wrzenia 111^o C.

Toluen otrzymuje się z ropy naftowej lub smoły węglowej. Jest ważnym surowcem w technologii organicznej - na jego bazie produkowane są inne związki organiczne (np. kwas benzoesowy, ksylen, chlorek benzylu), tworzywa sztuczne (np. polikaprolaktam), barwniki (np. anilinowe), materiały wybuchowe (np. trotyl), leki, detergenty, niektóre gatunki paliw.

Naftalen, C10H8, aromatyczny węglowodór o dwóch skondensowanych pierścieniach benzenowych. Białe, krystaliczne płatki o temperaturze topnienia 80^o C, nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne w alkoholu. Występuje w smole węglowej oraz w ropie naftowej.

Stosowany szeroko w syntezie organicznej do produkcji barwników, żywic, materiałów wybuchowych, tworzyw sztucznych i środków owadobójczych, a także bezpośrednio jako środek przeciwmolowy (naftalina) oraz środek ułatwiający rozpalanie węgla (podpałka, lofiks).

Antracen (C14H10), węglowodór aromatyczny z trzema skondensowanymi pierścieniami w położeniu orto. Antracen tworzy bezbarwne kryształy, nierozpuszczalne w wodzie.

Najbardziej podatne na wprowadzanie podstawników (np. przy chlorowaniu) są atomy węgla w położeniach 9 i 10. Antracen występuje w oleju antracenowym, który stanowi frakcję smoły węglowej.

---