Transcript Ugljovodonici 1

UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET
DEPARTMAN ZA HEMIJU
UGLJOVODONICI
• Organska hemijska jedinjenja koja se sastoje samo od
ugljenika i vodonika (C i H).
• IZVORI: fosilna goriva (nafta, zemni gas, zemni vosak,
ugalj i dr.)
PODELA UGLJOVODONIKA
PODELA UGLJOVODONIKA
ALKANI
• Zasićeni ugljovodonici ili parafini (latinski: parum affinis)
• Predstavljaju koren porodičnog stabla organskih molekula
• Jedinjenja izgrađena od sp3-hibridizovanih C-atoma povezanih
međusobno i sa atomima vodonika
• U njima postoje samo -veze
• Prirodni gas
• Nafta
– benzin, ulja za podmazivanje, vazelinski i parafinski
voskovi, katran i smole
– sirovine za proizvodnju plastičnih masa, sintetičkih vlakana
i gume, alkohola, antifriza i mnogih drugih petrohemijskih
proizvoda
CnH2n+2
STRUKTURA
H
• Najjednostavniji alkan, metan, CH4
• Etan, propan, butan
C
H
1,1Å
109 28'
H
o
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H H
H
• Izomerija – strukturna - normalni (n-) i račvasti alkani
• Npr. C7 – 9; C10 – 75; C15 - 4347 izomera
H
OSNOVI NOMENKLATURE
• Naziv svakog organskog jedinjenja se sastoji od 3 (tri) dela:
• Osnova pokazuje broj ugljenikovih atoma u najdužem
neprekidnom nizu
• Sufiks pokazuje koja je funkcionalna grupa prisutna (i njihov
broj)
• Prefiks pokazuje vrstu, položaj i broj supstituenata na nizu
(lancu) C atoma
• Osnova određuje broj C atoma u najdužem nizu
• Sufiks određuje funkcionalnu grupu
• Prefiks određuje vrstu, položaj i broj supstituenata
•
•
•
•
Metil CH3
Etil CH3-CH2Propil CH3-CH2-CH2Izopropil CH3-CH-CH3
•
•
•
•
•
Broj supstituenata iste vrste:
di2
tri3
tetra4
penta5
• Osnova + il
• Ugljenikovi atomi najdužeg niza se numerišu polazeći od
onog kraja koji je najbliži supstituentu (najmanji brojevi)
• Supstituenti se nižu po abecednom redu
NOMENKLATURA ALKANA
• Svako organsko jedinjenje mora se označiti ili hemijskim
simbolima (formulom) ili imenom koje odgovara njegovoj
strukturi
• Ime mora da bude jasno, precizno i jednostavno, i mora da se
odnosi na samo jednu molekulsku strukturu
• Danas su u upotrebi tri osnovna sistema nomenklature
organskih jedinjenja:
• trivijalna ili obična imena,
• supstituisana ili izvedena imena i
• ženevska (IUC ili IUPAC nomenklatura)
• Trivijalna ili obična imena davana su jedinjenjima kojima nije
bila poznata struktura i najčešće su ukazivala na njihovo
poreklo ili neku specifičnu osobinu
• Danas se ova nomenklatura koristi za dobro poznata jedinjenja
ili za složena jedinjenja za koja je nepodesno koristiti
sistematska imena
TRIVIJALNA IMENA - PRAVILA
• Alkani do četiri ugljenikova atoma imaju trivijalna imena, koja
potiču od trivijalnih imena alkohola sa istim brojem
ugljenikovih atoma (metil-, etil-, propil- i butil-alkohol)
• Za više ugljovodonike koriste se osnove grčkih i latinskih
naziva brojeva, koji označavaju broj ugljenikovih atoma u
molekulu, iza kojih sledi nastavak –an
• Svi normalni alkani imaju u imenu prefiks n
(CH3CH2CH2CH2CH3
n-pentan)
• Prefiks izo- korisi se za alkane koji sadrže grupu (CH3)2CH-,
a prefiks neo- za alkane sa (CH3)3C- grupom. Upotreba
prefiksa neo- je ograničena samo na neopentan i neoheksan
IZVEDENA (SUPSTITUISANA)
IMENA
• Izvedena imena su se mnogo koristila do uvođenja
Ženevske nomenklature
• Vrlo su laka za razumevanje i zahtevaju poznavanje
relativno malog broja imena
• Po ovoj nomenklaturi smatra se da je svaki alkan izveden od
metana zamenom vodonikovog atoma drugim grupama. Ove
grupe su ugljovodonici sa jednim vodonikovim atomom
manje i nazivaju se alkil-grupe
CnH2n+1
• Alkil grupe dobijaju imena tako što se od imena alkana
odbije nastavak –an i doda nastavak –il (-CH3 metil-grupa, C2H5 etil-, itd.).
• Izobutan, na primer, izveden je od metana tako što su tri
vodonikova atoma zamenjena metil- grupama i naziva se
trimetilmetan:
CH
3
CH3
CH
CH3
• Kod alkil-grupa se sreće izomerija kao i kod ugljovodonika.
Zavisno od toga koji je vodonikov atom zamenjen (primaran
ili sekundaran), razlikuje se n-propil- i izopropil-grupa:
– CH3CH2CH2-
CH3CHCH3
|
• Postoje 4 butil-grupe, 2 izvedene iz normalnog, a 2 iz
račvastog butana: n-butil-, sek-butil-, izobutil- i terc-butil-:
CH3
CH3CH2CH2CH2- CH3CH2CHCH3
CH3
CH3
CHCH2
CH3
C
CH3
• Navedene alkil-grupe čine osnov za imenovanje velikog
broja račvastih alkana
• Posle butil-grupe, broj izomernih grupa je tako veliki, da
ih je nemoguće razlikovati prefiksima, pa je ova
nomenklatura ograničena na niže ugljovodonike
• Koji C-atom uzeti kao metanski kod ovakvog jedinjenja?
• Najsupstituisaniji:
– izopropil-trimetilmetan
CH3
CH3
CH
C
CH3 CH3
CH3
IUPAC NOMENKLATURA
1.
Pronaći i imenovati najduži niz u molekulu
- Prva četiri zasićena nerazgranata aciklična
ugljovodonika nazivaju se metan, etan, propan i butan.
Imena viših članova homologog niza izvedena su iz
numeričkog prefiksa i nastavka “-an”
- Glavni niz se ponekad teško uočava
CH3 CH2 CH CH2 CH3
CH3
- Ako postoje dva ili više
nizova iste dužine,
za osnovni se uzima
najrazgranatiji niz
CH2CH3
CH3CH2
CH3CHCH2CH2CH2CHCH3
CH3 CH2 CH CH CH CH CH3
CH3 CH2 CH3 CH3
CH2
CH3
2. Imenovati sve alkil-supstituente vezane za najduži niz
– Jednovalentne grupe, koje se izvode iz zasićenih
nerazgranatih acikličnih ugljovodonika oduzimanjem
vodonikovog atoma sa terminalnog ugljenikovog atoma,
imenuju se tako da umesto završetka “-an” u imenu tog
ugljovodonika dobijaju nastavak “-il”.
– Ugljenikov atom koji ima slobodnu valencu označava se
brojem 1
– Ovakve grupe klasifikuju se kao normalni alkili, odnosno
alkili sa nerazgranatim nizom
pentil
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2
undecil
CH3 (CH2)9 CH2
– Ukoliko je alkil grupa račvasta, primenjuju se ista IUPAC
pravila kao i za osnovni niz: traži se najduži niz te alkil
grupe, određuju supstituenti i dodaju odgovarajući nastavci
3. Numerisati ugljenikove atome najdužeg niza, polazeći od
onog kraja koji je najbliži susptituentu
– Primer:
– Ispravno
CH3
CH3CHCH2CH3
1
2
3
4
• Ako se dva supstituenta nalaze na istom rastojanju od dva
različita kraja niza, niz se numeriše prema abecednom redu
supstituenata. Prvi supstituent prema abecednom redu
vezuje se za ugljenik sa manjim brojem
• Kada ima 3 i više supstituenata:
– numerisati osnovni niz s jednog, pa s drugog kraja;
– uporediti brojeve C-atoma za koje su vezani supstituenti.
Ispravan način numerisanja sadrži najmanje brojeve
(princip razlikovanja na prvoj tački)
– Primer:
10
1
9
2
8
3
7
4
6
5
5
6
4
7
3
8
2
9
1
10
CH3CHCH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH3
CH3
CH3
CH3
– Brojevi supstituisanih C-atoma: 2, 4, 9 (ispravno)
2, 7, 9 (neispravno)
4. Napisati ime alkana uređujući sve supstituente po
abecednom redu (svakome prethodi broj ugljenikovog atoma
za koji je vezan i crtica), a zatim dodati ime osnovnog niza
(bez crtice ili razmaka između imena alkil-grupe i osnovnog
niza)
– Prisustvo više istih, nesupstituisanih alkil-grupa obeležava
se prefiksima di-, tri-, tetra-, itd.
– Ukoliko se na istom C-atomu nalaze dve iste alkil-grupe,
broj tog C-atoma se ponavlja u imenu
• Primeri
CH3 CH2 CH CH CH CH CH3
CH3 CH2 CH3 CH3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CH3CHCH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH3
CH3
CH3
CH3
4-etil-2,3,5-trimetilheptan
CH3
2,4,9-trimetildekan
CH3
CH3
CH3CCH2CH2CHCH3
CH3
• Sledeća imena mogu se koristiti samo
za nesupstituisane ugljovodonike:
izobutan (CH3)2CH-CH3
izopentan (CH3)2CH-CH2-CH3
neopentan
(CH3)4C
izoheksan
(CH3)2CH-CH2CH -CH
2,2,5-trimetilheksan
• Prisustvo više složenih supstituenata označava se
prefiksima bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, itd., iza kojih
sledi ime složenog supstituenta u zagradi
– Prefiksi di-, tri-, tetra- itd., kao i sek-, terc- ne
raspoređuju se po abecednom redu, osim ako su deo
imena složenog supstituenta
3,3-dietil-4-metil-5-(1-metilpropil) nonan
(ili 5-sek-butil-3,3-dietil-4-metilnonan)
FIZIČKE OSOBINE
• Polarnost
– Mala razlika u elektronegativnosti između C i H
– Veze su usmerene na potpuno simetričan, način tako da se
i mala polarnost pojedinačnih veza poništava. Zbog ovakve
strukture molekul alkana je nepolaran ili neznatno polaran
• Tačke ključanja i topljenja
– Sile koje deluju između molekula nepolarnih jedinjenja su
slabe van der Waals-ove sile
– Deluju na malom rastojanju, između delova molekula koji
su sasvim blizu jedan drugom, odnosno na površinama
molekula. Sa porastom broja ugljenikovih atoma raste
površina molekula i jačaju ove sile
– Posledica toga je porast tački ključanja i tački topljenja sa
porastom broja ugljenikovih atoma.
• Alkani od:
– C1 do C4 su bezbojni gasovi,
– C5 do C17 su bezbojne tečnosti
– C18 i viši su bezbojne čvrste supstance
• Tačke ključanja
normalnih alkana
pravilno rastu s
porastom broja C-atoma.
Izuzev za niže članove,
tačka ključanja se
povećava za 20 - 30oC
za svaki novi C-atom,
odnosno
CH2 grupu, koja se uvede u molekul.
• To je karakteristično za sve homologe nizove
• temperatura topljenja (tt): raste s porastom Mr; alkani sa
normalnim nizom se “pakiraju” blisko u kristalima, pa su im tt
više u odnosu na razgranate alkane (osim u slučaju visoko
simetričnih struktura)
1. Normalan alkan
2. Razgranati alkan
3. Simetrični alkan
• ne menja se pravilno kao tačka ključanja, jer intermolekulske
sile u kristalu ne zavise samo od veličine molekula, već i od
toga kako se molekul pakuje u kristalnu rešetku
• Ako se tačke topljenja nanesu na grafikon u zavisnosti od
broja C-atoma, dobija se cik-cak kriva
o
Tačka topljenja, C
• u gornjim tačkama
krive su tačke topljenja
ugljovodonika s parnim
brojem ugljenikovih
atoma (bolje se
“pakuju” u kristalne
strukture), a u donjim
s neparnim
50
0
-50
-100
-150
-200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Broj C-atoma
• gustina: najmanja od svih organskih jedinjenja, plivaju na
vodi
• rastvorljivost: izuzetno nepolarna jedinjenja, nerastvorni u
vodi i polarnim rastvaračima (nema mogućnosti stvaranja
vodonične veze); rastvaraju se međusobno i u rastvaračima
male polarnosti (benzen, CCl4, hloroform...)
NALAŽENJE U PRIRODI
• Nafta
• Zemni gas
• “Močvarni gas”
DOBIJANJE ALKANA
• Metode za dobijanje nekog organskog jedinjenja
– Industrijske (proizvodnja velike količine krajnjeg
proizvoda po niskoj ceni)
– Laboratorijske
• Vreme
• Mala količina supstance
• Čistoća supstance
DOBIJANJE ALKANA
1.
Hidrogenizacijom alkena
Pd ili Ni
H
/Pt,
2
CHR
RCH
RCH2CH2R
2. Redukcijom alkil-halogenida
•
Redukcija metalom i kiselinom
RX + 2H
•
RH + HX
Hidroliza Grignard-ovog reagensa
RX
+
Mg
RMgX
H 2O
RH
• RMgX je so vrlo slabe kiseline RH, koju istiskuje svaka
jača kiselina, odnosno svako jedinjenje koje ima kiseliji
vodonikov atom (voda, alkohol, fenol, kiselina)
3. WURTZ-ova reakcija - dobijanje alkana sa većim
brojem C-atoma od početnog RX
Rastvarači: etar ili 1,4-dioksan
Metoda je pogodna za dobijanje simetričnih ugljovodonika
2 CH3CH2CH2CH2Br
1-brombutan
2 Na
CH3(CH2)6CH3 + 2 NaBr
oktan
4.
Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina i njihovih soli
-
+
RCOO Na
•
CaO-NaOH
RH + CO2
Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina daje bolji prinos
HEMIJSKE OSOBINE ALKANA
• Na sobnoj temperaturi inertna – slabo reaktivna –
jedinjenja; otuda im i naziv parafini (latinski: parum
affinis)
parafini = parum (malo) + affinis (srodan)
• Pod oštrijim uslovima i prema određenim reagensima,
alkani mogu biti vrlo reaktivni
• Reakcije kojima podležu ne koriste se mnogo u
laboratorijama, ali imaju veliku industrijsku primenu.
• Reakcije alkana vrše se preko slobodnih radikala
• Osnovni tip reakcija: supstitucija i reakcije sagorevanja
HALOGENOVANJE
• Do reakcije dolazi izlaganjem smeše alkana i
halogena (najčešće Cl2 ili Br2) izvoru svetlosti, nekog
drugog zračenja, ili toplote
CH4 + Cl2
h
CH3Cl + HCl
• Ova reakcija teče slobodno radikalskim mehanizmom
sa sledećim fazama:
h
1. Inicijacija:
Cl2
2 Cl●
2. Propagacija: Cl● + CH4
CH3● + Cl2
3. Terminacija: CH3● + CH3●
HCl + CH3●
CH3Cl + Cl●
CH3-CH3
2. Nitrovanje - vodonikov atom alkana zamenjuje nitro-grupom,
NO2
• Za razliku od halogenovanja, pored raskidanja C-H veza ovde
dolazi i do raskidanja C-C veza
• Reakcija se može vršiti u gasnoj i u tečnoj fazi
– U tečnoj fazi se reakcija izvodi pod pritiskom i na
temperaturi od 140C, a dobijaju se polinitro-jedinjenja
– u gasnoj fazi: alkani se zagrevaju sa azotnom kiselinom ili
azotovim oksidima na 150 do 475C (zavisno od
ugljovodonika) pri čemu se dobija smeša mononitroparafina
CH3CH2CH3
HNO3
NO2
CH3CH2CH2NO2 + CH3CHCH3 + CH3CH2NO2 + CH3NO2
3. Sulfonovanje - Lakoća zamenjivanja H-atoma je: 321
4. Oksidacija na visokoj temperaturi - U višku kiseonika
ili vazduha, svi alkani lako sagorevaju dajući
ugljendioksid i vodu, uz oslobađanje znatne količine
energije
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2
nCO2 + (n+1)H2O + Q
• Količina energije koja se oslobodi sagorevanjem 1 mola
jedinjenja naziva se toplota sagorevanja
• Toplota sagorevanja povećava se sa brojem C-atoma i to
za oko 649 kJ/mol za svaku -CH2- grupu
• Nepotpuna oksidacija - dolazi u uslovima nedovoljne
količine kiseonika ili vazduha. Proizvodi reakcije mogu
biti ugljen-monoksid ili čak čist ugljenik
PIROLIZA (CRACKING)
• Piroliza alkana – razgradnja na
visokoj temperaturi bez
prisustva vazduha
• Krakovanje se vrši radikalskim
mehanizmom.
– metan:
• Etan
– Raskida se i C-C veza (slabija od C-H veze)
• Propan
– Moguće su tri početne reakcije:
IZOMERIZACIJA
• Izomerizovanje je proces u kojem normalni alkani
prelaze u račvaste izomere zagrevanjem u prisustvu
katalizatora
• Proces je važan za proizvodnju goriva većeg oktanskog
broja
KONFORMACIJA ALKANA
• Ma koji od neograničenog broja trenutnih prostornih oblika,
koje može zauzimati jedan molekul određene strukture pri
rotaciji oko prostih veza, naziva se konformacija
• Konformeri su strukture koje nastaju usled slobodne rotacije
oko jednostruke C – C veze
• Razlikuju se u energiji. Preovlađuje konformer sa najnižom
energijom
• Molekuli stalno rotiraju i prolaze kroz sve moguće
konformacije
• Na sobnoj temperaturi međusobna pretvorba konformacija je
brza, a konformacijskih izomera (konformeri ili rotameri) ima
beskonačno
• Obično se ističu sledeće vrste komformacija:
- zvezdasta konformacija (torzijski ugao 60o (gauche) ili
180o (anti) između H-atoma na susjednim C-atomima)
- zasenjena konformacija (torzijski ugao 0o ili 120o)
Zasenjena konformacija
Zvezdasta konformacija
• Konformacijska analiza etana: zvezdasta konformacija u kojoj
su C-H veze jedne metil grupe najudaljenije od C-H veza druge
metil grupe ima najnižu torzijsku energiju, što je najstabilniji
konformacijski izomer; za prelaz zvezdaste u zasenjenu
konformaciju potrebna je Ea od 12 kJ/mol
Konformaciona analiza - etan
Konformaciona analiza - butan
• Kod butana, pri rotaciji oko C2C3 σveze, najnestabilnija je
eklipsna konformacija dveju voluminoznih metil-grupa
• Kada se dva supstituenta nađu u takvim konformacijama, da je
torzioni ugao između njih po apsolutnoj vrednosti manji od 90
(| | < 90), one se nazivaju sin konformacije.
U suprotnom,
kada je | | > 90,
to su anti
konformacije.
CIKLOALKANI
CnH2n
CIKLOALKAN
STRUKTURNA
FORMULA
UGAO (O)
CIKLOPROPAN
60
CIKLOBUTAN
90
CIKLOPENTAN
72
CIKLOHEKSAN
109
IZOMERIJA
CH3
1. Strukturna
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
2. Geometrijska
Cl
Cl
Cl
Cl
•
Različito ponašanje prema reakciji halogenovanja
h
+ Cl2
CH2-CH2-CH2
Cl
+ Cl2
h
Cl
CH2-CH2-CH2-CH2
Cl
+ Cl2
Cl
Cl
h
+ HCl
Cl
+ Cl2
h
+ HCl
• Konformeri cikloheksana
“stolica” (99%)
“lađa” (1%)
• Kondenzovani prstenovi
H
H
H
=
H
H
H
=
H
trans-dekalin
.
H
cis-dekalin
• Ciklopentanohidrofenantren – tetraciklični ugljovodonik
sa tri šestočlana i jednim petočlanim prstenom.
H
H
H
H
H
H
H
=
.
H
H
H
H
H
trans
H
H
H
H
H
H
H
H
H
=
H
H
cis
H