cykliczne węglowodory alifatyczne

Prezentacja na temat: "cykliczne węglowodory alifatyczne"— Zapis prezentacji:

1 cykliczne węglowodory alifatyczne
Podział węglowodorów węglowodory alifatyczne aromatyczne alkany cykliczne węglowodory alifatyczne alkeny alkiny dieny

2 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.

3 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

4 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.

5 Otrzymywanie alkanów (laboratorium)
1.    Uwodornienie alkenów CnH2n + H2 → CnH2n+2 2.    Reakcja Wurtza 2 R–X Na → R–R NaX R = alkil (CH3–, C2H5–, …) X = chlorowiec (Cl, Br…) R–X + R’–X Na → R–R’ 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

6 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• + Cl HCl + Cl• CH4 + Cl CH3Cl + HCl X = chlorowiec. Reaktywność Cl2 > Br2 > J2. Łatwość tworzenia rodników 3°>2°>1° 2.    Utlenianie Np. metanu: CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

7 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)

8 Otrzymywanie alkenów 1. Eliminacja halogenków alkanów (E 2) (X-chlorowiec): 2. Odwodnienie alkoholi: 3. Redukcja alkinów:

9 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.

10 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.

11 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):

12 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.

13 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.

14 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

15 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+

16 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.

17 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

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

19 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

20 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”

21 (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)

22 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 CaC H2O  HCCH + Ca (OH)2 Otrzymywanie laboratoryjne 1) Dehydrohalogenacja dihalogenoalkilów 2) Dehalogenacja tetrahalogenoalkilów 3) Reakcje acetylenków sodowych z pierwszorzędowymi halogenkami alkilów

23 Reakcje alkinów O właściwościach chemicznych alkinów decyduje
1) potrójne wiązanie 2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem

24 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)

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

26 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

27 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

28 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

29 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