Węglowodory alifatyczne - alkany i cykloalkany

Wprowadzenie

Alkany są grupą węglowodorów noszących nazwę węglowdorów nasyconych lub węglowdorów parafinowych (parafin).
Symbol alkanów - RH (R - grupa alkilowa).
Wzór ogólny - CnH2n+2.
Hybrydyzacja atomów węgla - sp3.
Podstawowe wiązanie - s
Właściwości struktury

Nazewnictwo

Nazewnictwo alkanów

Nazwy pierwszych czterech węglowodorów są tradycyjne:

CH4 - metan
C2H6 (CH3-CH3) - etan
C3H8 (CH3-CH2-CH3) - propan
C4H10 (CH2-CH2-CH2-CH3)- butan

Pozostałe nazwy tworza się od liczebników greckich (wyjatek: nonan i indekan - utworzone od liczebników łacińskich), dodając końcówkę - an
W przypadku węglowodorów o budowie rozgałęzionej przyjmuje się następujące reguły nazewnictwa systematycznego:

·         jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy łańcuch

·         atomy węgla w łąńcuchu podstawowym numeruje się tak, aby atom węgla, przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwie najmniejszą liczbą. jeżeli kilka łańcuchów ma jednakową długość, to za podstawę przyjmuje się łańcuch o największej liczbie podstawników

·         jeżeli takie same grupy alkilowe występują w cząsteczce kilka razy jako łańcuchy boczne, to liczbę tych grup określa się przedrostkiem >di-, tri-, tetra-,

·         pozycje każdego podstawnika wskazuje się za pomocą odpowiednich liczb

·         jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka różnych grup alkilowych to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym

·         nazwy podstawników (rodniki jednowartościowe powstałe w wyniku odszczepienia jednego atomu wodoru z cząsteczki węglowodoru) tworzy się z nazwy węglowodoru przez zamianę końcóki -an na -yl - patrz tablica 12.1. Po spółgłoskach g, k, l piszemy -il). Podstawniki oznacza się dużą literą R i noszą ogólną nazwę alkilów. Wzór ogólny -CnH2n+1.. Wyjątkiem jest nazwa alkilu pochodnego od pentanu - C5H11. Nazwa tego alkila to - amyl.

O ile mamy związek

To najdłuższy jest łańcuch siedmiowęglowy, który numerujemy jak we wzorze.
Nazwa węglowodoru dla prezentowanego przykładu jest następująca 3,5 dietylo- 2,3,6 trimetyloheptan
W niektórych przypadkach dopuszczalne jest stosowanie nazw z przedrostkiem izo dla podkreślenia budowy rozgałęzionej, na przykład:
2-metylopropan , izobutan

W przypadku butanu istnieją cztery odmiany izomeryczne - dwie pochodzące od n-butanu i dwie wywodzące się z izobutanu o rozgałęzionym łańcuchu. Jak pokazano niżej, są one oznaczone przedrostkami; n -(normalny), sec (drugorzędowy), izo- i tert- (trzeciorzędowy).

2-metylobutan, izopentan

Ogólnie można przytąć, że nazwy z przedrostkiem izo, są jedynie dopuszczalne, gdy rozgałęzienie w postaci grupy metylowej występuje przy drugim atomie węgla w łańcuchu, na przykład
2-metylobutan lub izopentan

ale dla.

mamy tylko 3-metylopentan

Nazewnictwo cykloalkanów

Węglowodory cykliczne - nazwy tworzy się przez dodanie przedrostka cyklo- do nazwy odpowiedniego węglowodoru łańcuchowego o tej samej liczbie atomów węgla.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne alkanów zależne są od liczby atomów węgla w cząsteczce;

Pierwsze człony szeregu homologicznego C1 - C4 są gazami, C5 - C16 cieczami a wyższe ciałami stałymi. Nie rozpuszczaja się w wodzie, rozpuszczają się w eterze, benzenie i innych rozpuszczalnikach organicznych. Temperatura wrzenia i topnienia zależy od budowy łańcucha. Węglowodory o łańcuchu rozgałęzionym mają niższe temperatury wrzenia a wyższe temperatury topnienia od izomerycznych węglowodorów normalnych.

Otrzymywanie

Poza naturalnymi żródłami takimi jak:

·         ropa naftowa

·         węgiel kamienny

·         gaz ziemny

Otrzymuje się je syntetycznie w reakcjach:

synteza z pierwiastków

C + 2H2 --> CH4

uwodornienie katalizowane Pt, Pd lub Ni

CO + 3H2 --> CH4 + H2O
CH2=CH2 + H2 --> CH3-CH3

redukcja halogenków alkilów a w tym;

reakcja Wurtza ma zastosowanie tylko do syntezy symetrycznych alkanów

R1X + Na + XR1 --> R1-R1 + 2NaX
C2H5-Br + 2Na + Br-C2H5 --> C2H5-C2H5 + 2NaBr

Hydroliza odczynnika Grignarda (RX + Mg -->RMgX) z wodą lub innym słabym kwasem

CH3-CH2-CH2Cl + Mg --> CH3-CH2-CH2MgCl (w środowisku eteru)
CH3-CH2-CH2MgCl + HOH --> CH3-CH2-CH2H + Mg(OH)Cl

Redukcja metalem w środowisku kwasowym

RX + Zn + H+ --> RH + Zn2+ + X-

reakcja halogenków alkilów ze związkami metaloorganicznymi

RX + Li --> RLi (alkilolit)
RLi + CuX -->R2CuLi (dialkilomiedzian)
R2CuLi + R'X --> R-R'

w reakcji R może być I-szo, II-go lub III-cio rzędowy natomiast R' może być tylko I-szo rzędowy

Przykład:

CH3Br + Li --> CH3Li (metylolit)
CH3Li + CuI --> (CH3)2CuLi (dimetylomiedzian litu)
(CH3)2CuLi + CH3(CH2)7I --> CH3(CH2)7CH3 n-nonan

Właściwości chemiczne

Trudno ulegają reakcjom jonowym, natomiast dość łatwo reakcjom wolnorodnikowym, szczególnie reakcjom podstawienia. Przykładem jest reakcja halogenowania

Halogenowanie

R-H + X2 --> R-X + H-X

Drugą podstawową reakcją alakanów jest reakcja spalania, przy nadmiarze powietrza (tlenu)

CnH2n+2 + (3n+1)O2 ----> nCO2 + (n+1)H2O

Przykład

C5H12 + 8O2 ----> 5CO2 + 6H2O

Trzecią, mającą praktyczne znaczenie jest reakcja pyrolizy (kraking). Jest to reakcja mająca na celu rozkład cząsteczek weglowdorów na mniejsze cząsteczki. Piroliza (kraking)- przebiega w temperaturze 400-600oC i w obecności katalizatora

alkan --> H2 + alkany o mniejszych czasteczkach + alkeny

Typy reakcji związków organicznych

Typy reakcji związków organicznych

W chemii związków organicznych wyróżnia się trzy zasadnicze typy reakcji chemicznych

·         reakcje podstawienia, substytucji - oznaczone symbolem S

R-X + Y ---> R-Y + X

·         reakcje przyłączenia, addycji - oznaczone symbolem A

A + B ---> C

·         reakcje eliminacji - oznaczone symbolem E.

A ---> B + C

·         reakcje przegrupowania

A ---> B

Mechanizmy reakcji związków organicznych

Każdy z wymienionych wyżej typów reakcji, może zajść według;

·         mechanizmu jonowego

·         mechanizmu wolnorodnikowego.

To według jakiego mechanizmu będzie przebiegała reakcja chemiczna, będzie to zależało od środowiska w jakim przebiega reakcja chemiczna.
Jeżeli wyobrazimy sobie cząsteczkę o ogólnym wzorze A:B, gdzie (:) - przedstawia parę elektronową wiążącą składniki A i B.
to właśnie ta para elektronowa może ulec:

·         rozparowaniu, wówczas każdy ze składników zatrzyma jeden niesparowany elektron, czyli utworzy wolny rodnik

·         przesunięciu do jednego ze składników ( do składnika bardziej elektroujemnego, a tym samym posiadającego większe powinowactwo do elektronów

W przypadku, gdy A jest bardziej elektroujemny to A staje się jonem ujemnym

a jeżeli B jest bardziej elektroujemny to A staje się jonem dodatnim

Dla związków organicznych takie rozparowanie oraz przesuniecie pary elektronowej spowoduje powstanie

·         karbokationu

·         karboanionu

·         rodnika

Rodniki Najczęściej rodniki powstawją w wyniku reakcji oderwania atomu wodoru od cząsteczki związku organicznego. Jeżeli następuje oderwanie pierwszorzędowego atomu wodoru, to spowoduje powstanie pierwszorzędowego rodnika, oderwanie drugorzędowego atomu wodoru powoduje utworzenie rodnika drugorzędowego itd. Otóż zauważono, że względna łatwość odrywania się atomu wodoru, przedstawia się następująco.

3o > 2o > 1o > CH3*

I odpowiednio, trwałość wolnych rodników jest następująca

3o > 2o > 1o > CH3*

Z tego wynika, że im trwalszy jest wolny rodnik, tym łatwiej się tworzy. Takie uogólnienie jest szczególnie użyteczne, ponieważ trwałość rodników decyduje o orientacji i reaktywności podczas wielu reakcji, w których powstają wolne rodniki.

Karbokationy Karbokationem jest grupa atomów zawierających atom węgla jedynie z sześcioma elektronami. Podobnie jak w wolnych rodnikach, rozróżnia się karbokationy;

·         pierwszorzędowe

·         drugorzędowe

·         trzeciorzędowe

Karbokation, podobnie jak wolny rodnik, jest nadzwyczaj reaktywną cząsteczką. Jest to wynikiem deficytu elektronów i tendencją atomu węgla do uzupełnienia oktetu elektronów.
O trwałości karbokationów decydują czynniki sprzyjające rozproszeniu dodatniego ładunku na atomie węgla na którym występuje deficyt elektronów. Tym czynnnikiem jest rodzaj podstawnika (Z) przyłączony do tego atomu węgla, który może oddawać lub przyciągać elektrony.

Z---->C+ - Z oddaje elektrony (obserwujemy stabilizację kationu)
Z<----C+ - Z przyjmuje elektrony (obserwujemy destabilizację kationu)

Podstawnik oddający elektrony przyczynia się do zmniejszenia dodatniego ładunku węgla z deficytem elektronów, przez co sam staje sie w pewnym stopniu dodatni. To rozproszenie ładunku stabilizuje karbokation.

Podstawnik przyciągający elektrony przyczynia się do zwiększenia dodatniego ładunku atomu węgla z niedoborem elektronów i w ten sposób powoduje zmniejszenie trwałości karbokationu.

W przypadku oddziaływania podstawnik - węgiel z deficytem elektronów, mamy do czynienia z tzw. efektem indukcyjnym o którym więcej w dalszej części rozdziału.

Podobnie jak i w przypadku rodników , również i w przypadku karbokationów wielkością dla nich charakterystyczną jest ich trwałość. I tak dla karbokationów alkilowych, szereg trwałości karbokationów jest następujący.

3o > 2o > 1o > CH3+

Zmiany trwałości karbokationów są spowodowane zmianą liczby grup alkilowych połączonych z atomem węgla, na którym występuje niedobór elektronów.
Im większa liczba grup alkilowych, tym trwalszy karbokation; oddawanie elektronów przez te grupy powoduje rozproszenie ładunku i stabilizację jonu