cykliczne węglowodory alifatyczne Podział węglowodorów węglowodory alifatyczne aromatyczne alkany cykliczne węglowodory alifatyczne alkeny alkiny 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. 2-metylopentan 3-metylopentan 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-… 2,2,4-trimetylopentan 5. Jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka grup alkilowych, to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym.

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) Wzór ogólny CnH2n+2; końcówka nazwy: -an Ułożone są w szeregu homologicznym, różniącym się o stały element –CH2–. 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.

Otrzymywanie alkanów (laboratorium) 1.    Uwodornienie alkenów CnH2n + H2 → CnH2n+2 2.    Reakcja Wurtza 2 R–X + 2 Na → R–R + 2 NaX R = alkil (CH3–, C2H5–, …) X = chlorowiec (Cl, Br…) R–X + R’–X + 2 Na → R–R’ + 2 NaX R’ = alkil (CH3-, C2H5-, …) różny od R R-X RMgX R-H + Mg(OH)X 3.     Redukcja halogenków alkilów poprzez związki metaloorganiczne (odczynniki Grignarda) R–X + Mg → R–MgX R–MgX + H2O → R–H + Mg(OH)X

Reakcje alkanów CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl CH4 + O2 → CO2 + 2H2O 1.    Halogenowanie – najważniejsza reakcja alkanów, ma charakter rodnikowy. Promieniowanie ultrafioletowe dostarcza w niej energii niezbędnej do rozerwania wiązań. inicjacja propagacja Cl• + CH4 CH3Cl + H• Cl2 hn 2 Cl• H• + Cl2 HCl + Cl• CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl X = chlorowiec. Reaktywność Cl2 > Br2 > J2. Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1° 2.    Utlenianie Np. metanu: CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

Alkeny(olefiny) Węglowodory zawierające podwójne lub potrójne wiązanie w cząsteczce są to węglowodory nienasycone. Węglowodory z wiązaniem podwójnym nazywamy alkenami. Wzór ogólny alkenów CnH2n (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 Przyłączenie wody: 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 halogenu (chlorowca):

Reakcje utlenienia i redukcji W wyniku reakcji uwodornienia powstają alkany. Reakcja utlenienia alkenów prowadzi do różnych produktów w zależności od zastosowanych odczynników. 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: Do reakcji utlenienia zaliczamy również proces ozonolizy.

Izomeria Izomerią nazywamy zjawisko występowania związków, które mimo identycznego składu pierwiastkowego i identycznej masy cząsteczkowej różnią się właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi. 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 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 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:    COOH > CH=O > CH2OH > CN > CH2NH2 > CCH > CH=CH2 > CH2CH3

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 S2O82– + 2e–  2SO42– [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– , S2– , karboaniony c) cząsteczki, w których orbitale cząsteczkowe typu [] 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. 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 Polimeryzacja winylowa jest najczęściej procesem rodnikowym, inicjowanym przez termiczny rozkład nadtlenków organicznych lub związków azowych

Mechanizm rodnikowej polimeryzacji winylowej Inicjacja np.: Propagacja (wzrost łańcucha) Terminacja (zakończenie wzrostu długości łańcucha) Np.; Połączenie dwóch rosnących rodników (koligacja)

Przykłady polimeryzacji poli(octan winylu) polietylen poliakrylonitryl poli(metakrylan metylu) polistyren 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

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”

(4-metylohept-2-en-5-yn) 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 4-metylo-2-hepten-5-yn (4-metylohept-2-en-5-yn) 5-metylo-2-heksyn (5-metyloheks-2-yn) 1-butyn (but-1-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  CaC2 + CO CaC2 + 2 H2O  HCCH + 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

3-etylo-2-metylo-1,3-pentadien Alkadieny Alkadieny- są węglowodorami nienasyconymi o wzorze ogólnym CnH2n-2 zawierającymi w cząsteczce dwa wiązania C=C. Podział -uklady skumulowane -układy sprzężone -uklady izolowane Słownictwo –reguły identyczne jak dla alkenów,przy czym przyrostek –en zamieniamy na –dien który poprzedzamy dwoma lokantami 3-etylo-2-metylo-1,3-pentadien 1,3-butadien (but-1,3-dien) 2-metylo-1,3-butadien (izopren)

Otrzymywanie alkadienów Synteza butadienu -w procesie krakingowym -poprzez dehydratację alkoholu zawierającego w cząsteczce dwie grupy wodorotlenowe Synteza izoprenu

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. witamina A cytronelol (w olejku geraniowym) g-terpinen (w olejku kolendrowym) skwalen lanosterol cholesterol

konformacja krzesełkowa Cykloalkany Odrębną grupę węglowodorów nasyconych stanowią związki cykliczne, tzw.cykloalkany,o wzorze ogólnym CnH2n. Nazwy związków jednopierścieniowych tworzy się z nazw odpowiednich alkanów przez dodanie przedrostka cyklo-. metylocykloheksan konformacja krzesełkowa konformacja łódkowa