Węglowodory – organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze wyłącznie atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru.

Węglowodory są podstawowym składnikiem ropy naftowej, która stanowi ich podstawowe źródło w przemyśle. Innym źródłem węglowodorów są procesy tzw. suchej destylacji drewna i zgazowywania węgla. Oprócz tego węglowodory o złożonej budowie pełnią rozmaite role w organizmach żywych (np. karotenoidy).

Węglowodory ze względu na występowanie wiązań wielokrotnych węgiel-węgiel dzieli się na:

• nasycone, zwane inaczej alkanami w których nie występują podwójne i potrójne wiązania chemiczne między atomami węgla

• węglowodory nienasycone, w których te wiązania występują, które dzielą się dalej na:

  • alkeny (olefiny) – zawierające wiązania podwójne (np. etylen), które ponownie dzielą się na:

    • dieny – zawierające dwa wiązania podwójne, które po raz kolejny dzielą się na:

      • alleny – w których występują skumulowane układy wiązań podwójnych (C=C=C) (np. 1,2-butadien)

      • dieny sprzężone – w których występują dwa wiązania podwójne przedzielone jednym pojedynczym: (C=C-C=C) (np. 1,3-butadien)

    • polieny – w których występuje więcej niż dwa wiązania podwójne.

  • alkiny – w których występują wiązania potrójne węgiel-węgiel (np. acetylen)

  • węglowodory aromatyczne – w których występują struktury ze specyficznie sprzężonymi układami wiązań podwójnych (np. benzen).

Inny podział węglowodorów wynika z topologii ich łańcuchów:

• liniowe – w których występują ściśle liniowe łańcuchy węglowe – np. n-oktan

• rozgałęzione – w których występują boczne odgałęzienia w łańcuchu – np. izooktan, izopren

• alicykliczne – w których występują pierścienie węglowe – np. cykloheksan

• policykliczne – w których występują dwa lub więcej pierścieni cyklicznych, w których część atomów węgla jest "współdzielona" np. naftalen

• bi- i więcej cykliczne – w których występują dwa lub więcej "przeplatających" się układów pierścieniowych, np. adamantan

• mieszane – w których występują różne kombinacje układów cyklicznych, liniowych i rozgałęzionych – np. karoten.

Węglowodory aromatyczne, areny – cykliczne węglowodory, w których istnieją sprzężone wiązania wielokrotne, czyli zamknięty układ naprzemiennie położonych wiązań podwójnych i pojedynczych między atomami węgla. We wszystkich atomach pierścienia aromatycznego zachodzi hybrydyzacja sp2, dzięki czemu cząsteczki są płaskie (o ile dodatkowe czynniki stereochemiczne nie wymuszają odchyłek, jak np. dla fullerenu C₆₀).

Układ ten powoduje, że wiązania, "rozmywają" się tak, że nie można dokładnie ustalić, które z nich są podwójne, a które pojedyncze^[1]. Jedna z metod formalnego opisu tego zjawiska opiera się na założeniu występowania rezonansu chemicznego. Mechanika kwantowa pozwala wyznaczyć funkcje falowe elektronów. Elektrony tworzące wiązania π zajmują kolejne orbitale cząsteczkowe, zgodnie z zasadami stosowanymi do orbitali atomowych. Obsadzanie kolejnych orbitali π przez pary elektronowe rozpoczyna się od tych, które mają najmniejszą energię. Obliczona łączna gęstość elektronowa na trzech orbitalach wiążących wskazuje, że w stanie podstawowym "rozchodzą" się po równo po wszystkich atomach w pierścieniu. Energia całej cząsteczki jest wówczas mniejsza od energii obliczonej dla struktury Kekulégo (3 wiązania C-C i 3 wiązania C=C). Tę różnicę nazywa się „energią stabilizacji aromatycznej”, „energią stabilizacji przez sprzężenie” albo „energią rezonansu”.

Nie wszystkie węglowodory cykliczne posiadające sprzężone wiązania wielokrotne są aromatyczne. Prostym, choć nie zawsze skutecznym testem na aromatyczność jest reguła Hückla, głosząca że związek jest aromatyczny, jeśli liczba elektronów tworzących wiązania π w pierścieniu jest równa 4n+2, gdzie n jest dowolną liczbą naturalną. Istnieją jednak związki aromatyczne, które nie spełniają tej reguły (np: piren).

Struktura wiązań w arenach powoduje, że są one bardzo trwałe, a ich reaktywność znacząco różni się od innych węglowodorów nienasyconych. Charakterystyczną reakcją dla węglowodorów aromatycznych jest substytucja elektrofilowa katalizowana kwasami Lewisa, zwana reakcją Friedla-Craftsa (reakcja przedstawia alkilowanie benzenu):

Cząsteczki węglowodorów aromatycznych takich jak benzen, czy benzopiren są płaskie. Mają więc możliwość wślizgiwania się między nukleotydy DNA, co nadaje im właściwości rakotwórcze.

Wzory i nazewnictwo

Wzór benzenu - najprostszego arenu zapisuje się na dwojaki sposób. Po pierwsze, stosując wzory Kekulégo:

Struktury benzenu

Zapis tego typu jest często wygodny, jednak sugeruje on błędnie że benzen posiada strukturę cykloheksa-1,3,5-trienu. Poprawniejszą formą wzoru strukturalnego tego związku jest:

zapis struktury benzenu z "kółkiem" - wiązaniem zdelokalizowanym

w której okrąg oznacza układ wiązań zdelokalizowanych (6 elektronów). Zapis ten nie jest stosowany w przypadku kolejnych węglowodorów aromatycznych, aby uniknąć pomyłki w liczebności zdelokalizowanych elektronów. I tak następny aren - naftalen (10 elektronów π) ma wzór:

Wzór naftalenu

W przypadku węglowodorów aromatycznych niepodstawionych skondensowanych stosuje się najczęściej nomenklaturę zwyczajową (benzen, naftalen, antracen, fenantren). W przypadku arenów o liczbie skondensowanych pierścieni większej od 4 nazwę ustala się dodając do greckiego rdzenia liczby pierścieni sufiks -acen (pentacen, heksacen, heptacen itd.).

W przypadku arenów jednopodstawionych, takich jak toluen:

Struktura toluenu

przy ustalaniu nazwy systematycznej do nazwy arenu dodaje się jako przedrostek przekształconą nazwę podstawionego pierwiastka lub grupy (np. chloro-, etylo-, itd.). W przypadku toluenu nazwa systematyczna to metylobenzen^[2].

W przypadku węglowodorów aromatycznych wielopodstawionych w nazwie wymienia się w porządku alfabetycznym lokanty wszystkich grup i atomów pierwiastków, tak aby suma ich liczb była najmniejsza, a numer lokantu podstawnika pierwszego wg alfabetu był jak najniższy. Dla przykładu nazwa systematyczna p-cymenu to 1-metylo-4-(propan-2-ylo)benzen, a półsystematyczna to 1-izopropylo-4-metylobenzen.

Struktura p-cymenu

W nazewnictwie stosuje się także oznaczenia orto (o-), meta (m-), para (p-). Określają one wzajemne położenie dwóch podstawników względem siebie:

• orto- to położenie obok siebie, przy dwóch kolejnych atomach węgla, a zatem w pozycji 1,2

• meta- to położenie w pozycji 1,3 - a zatem między dwoma podstawnikami występuje jeden niepodstawiony nimi atom węgla.

• para- - to położenie naprzeciwko. W przypadku pochodnych benzenu odpowiada to pozycji 1,4.

Dwa związki aromatyczne, które różnią się tylko położeniem podstawników są izomerami konstytucyjnymi typu orto, meta, para.

Przykłady izomerów ksylenu:

• 

o-ksylen
(1,2-dimetylobenzen)

• 

m-ksylen
(1,3- dimetylobenzen)

• 

p-ksylen
(1,4-dimetylobenzen)

FENOLE

Fenole – związki organiczne zawierające grupy hydroksylowe związane bezpośrednio z atomami węgla w pierścieniu aromatycznym (w przeciwieństwie do alkoholi aromatycznych, np. alkoholu benzylowego, w których grupa hydroksylowa przyłączona jest do alkilowego atomu węgla). Wykazują znacznie większą kwasowość niż alkohole i mogą tworzyć z mocnymi zasadami sole, fenolany. Najprostszym fenolem z jedną grupą hydroksylową jest fenol.

Wzór ogólny: ArOH, gdzie Ar – grupa arylowa, OH – grupa hydroksylowa

Właściwości chemiczne

Fenole wykazują odczyn lekko kwasowy w wyniku dysocjacji elektrolitycznej, w trakcie której rozpadają się na jon hydroniowy i fenolanowy. Reagują z aktywnymi metalami, zasadami i tlenkami zasadowymi z wytworzeniem soli – fenolanów, np.:

ArOH + NaOH → ArONa + H₂O

2ArOH + 2Na → 2ArONa + H₂↑

Ulegają reakcji estryfikacji podobnie jak alkohole z wytworzeniem odpowiednich estrów arylowych (np. octan fenylu).

Łatwo ulegają reakcji substytucji elektrofilowej w pozycjach orto i para (np. nitrowaniu i sulfonowaniu) dzięki silnej aktywacji pierścienia aromatycznego przez grupę hydroksylową^[1], np.

Ar–OH + HNO₃ → O₂N−Ar−OH + H₂O

Szybko odbarwiają wodę bromową, np.^[2]:

Fenole są podatne na utlenianie. Na powietrzu tworzą barwne produkty utleniania i dimeryzacji oraz trimeryzacji^[3].

Utlenianie (do chinonów) szczególnie łatwo zachodzi dla pochodnych dihydroksylowych:

hydrochinon → 1,4-benzochinon (katalizatorami mogą być dichromian sodu, kwas siarkowy)

Identyfikacja[edytuj | edytuj kod źródłowy]

Fenole identyfikuje się za pomocą soli żelaza(III) barwy pomarańczowej. W wyniku reakcji powstaje związek kompleksowy o barwie fioletowej (ciemnogranatowej).

Metody otrzymywania fenoli

• Hydroliza chlorowcopochodnych arenów. Reakcję tę trzeba przeprowadzać w wysokich temperaturach, gdyż chlorowcopochodne arenów ulegają hydrolizie dużo trudniej niż chlorowcopochodne alkanów (podczas hydrolizy których powstają alkohole). W przemyśle stosuje się jednak inne techniki, które są charakterystyczne dla poszczególnych fenoli.

• Metoda kumenowa (z benzenu i prop-2-enu).

• Z wykorzystaniem reakcji Sandmeyera, w ciągu reakcji: ArH → ArNO₂ → ArNH₂ → [ArN≡N]⁺[HSO₄]⁻ → ArOH. Ostatni etap – hydrolizę soli diazoniowej – przeprowadza się w roztworze azotanu miedzi(II) w obecności Cu₂O^[4]

Przykłady fenoli

Wiele fenoli i polifenoli występuje naturalnie, np.

• eugenol

• gwajakol

• hydrochinon

• pirogalol

• pirokatechina

• resweratrol

• rezorcyna

• tymol

Fenole jako środki dezynfekujące

Po raz pierwszy zastosowane w 1865 r. Do oceny skuteczności i siły działania wyznacza się tzw. współczynnik fenolowy – oznaczający ile razy dany środek jest silniejszy/słabszy w porównaniu z czystym fenolem w odniesieniu do tego samego typu drobnoustrojów.

Mechanizm działania – polega na denaturacji białek bakteryjnych oraz inaktywacji niektórych enzymów niezbędnych w procesach życiowych.

Czas działania – do 24 godzin

Zastosowanie – jako środki konserwujące w preparatach farmaceutycznych oraz w dentystyce, gdzie nasączony związkiem jałowy wacik umieszcza się w komorze zęba. Działanie antyseptyczne uzyskuje się wówczas do głębokości 15 mm.

Rodzaje izomerii

Izomeria to zjawisko występowania związków o tym samym wzorze sumarycznym, lecz o różnej budowie (różnych wzorach strukturalnych), a co się z tym wiąże, różniących się właściwościami.

Rodzaje izomerii













Izomeria konstytucyjna dotyczy konstytucji cząsteczki, czyli kolejności powiązania atomów ze sobą.
Izomeria szkieletowa dotyczy związków różniących się szkieletem węglowym.






Kiedy szkielety węglowe związków są identyczne, a podstawniki są połączone z różnymi atomami węgla, to mamy do czynienia z izomerią położenia podstawnika.










Gdy izomery należą do różnych szeregów homologicznych, czyli różnią się grupą funkcyjną, to mamy do czynienia z izomerią grup funkcyjnych.

Stereoizomeria dotyczy związków o takich samych powiązaniach atomów ze sobą, różniących się jednak rozmieszczeniem tych atomów w przestrzeni, czyli ich konfiguracją.

Izomeria geometryczna cis-, trans-
Ten rodzaj izomerii spotykamy w związkach zawierających wiązanie wielokrotne lub w związkach cyklicznych. W jednym z izomerów (cis) podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny przechodzącej przez wiązanie podwójne (lub płasz czyzny pierścienia), w drugim (trans) – po stronach przeciwnych tej płaszczyzny.






Obecnie coraz częściej obok lub zamiast określeń cis- i trans- stosuje się odpowiednio przedrostki Z (razem) i E (naprzeciw). Według tej nomenklatury powyższe związki nazywają się: ten lewej (E)-but-2- en, a ten z prawej (Z)-but-2-en.


Izomeria optyczna

Patrząc na siebie, możemy zauważyć, że nasze dłonie, a nawet część lewa i prawa naszego ciała, mają się do siebie (w przybliżeniu), jak przedmiot i jego odbicie lustrzane. Dlaczego tak jest? Otóż związki, z których się składamy mają pewną właściwość: są chiralne. Co to znaczy? Związki (oraz przedmioty) chiralne nie posiadają płaszczyzny symetrii, tzn. nie można ich nałożyć na związek (lub przedmiot), który jest jego odbiciem lustrzanym. Jeżeli skonstruujemy modele różnych cząsteczek, to przekonamy się, że nienakładalne na swoje odbicia lustrzane są tylko związki posiadające tetraedryczny atom węgla (atom węgla z czterema pojedynczymi wiązaniami, czyli w stanie hybrydyzacji sp3) połączony z czterema różnymi podstawnikami, tzw. asymetryczny atom węgla. Chiralność jest warunkiem występowania tzw. izomerii optycznej. Jest to rodzaj stereoizomerii, ponieważ nieidentyczność tych związków jest zauważalna dopiero po skonstruowaniu modelu przestrzennego. Przestrzenne rozmieszczenie podstawników wokół asymetrycznego atomu węgla określa się mianem konfiguracji. Izomery o przeciwnych kofiguracjach (odbicia lustrzane) noszą nazwę enancjomerów (izomerów optycznych).








Charakterystyczną cechą tych izomerów jest zdolność do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Enancjomer, który skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, to enancjomer prawoskrętny (oznaczony symbolem „+”), natomiast ten, który skręca tę płaszczyznę w lewo, to enancjomer lewoskrętny (oznaczony symbolem „-”). Substancje chemiczne otrzymywane syntetycznie w warunkach achiralnych, zawierające centrum chiralne, składają się z równomolowych ilości obu enancjomerów, czyli stanowią tzw. mieszaninę racemiczną (racemat, oznaczony symbolem „±”).