Transcript Reaktivita uhlovodíků - podpora chemického a fyzikálního

Soubor prezentací: CHEMIE PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA
CH24-REAKTIVITA UHLOVODÍKŮ
Mgr. Aleš Chupáč, RNDr. Yvona Pufferová
Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o.
Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo:
CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO
VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a
státním rozpočtem České republiky.
UHLOVODÍKY
• binární organické sloučeniny uhlíku a vodíku
• ROZDĚLENÍ:
ALKANY – jednoduché vazby mezi atomy uhlíku
ALKENY – jedna dvojná vazba mezi atomy uhlíku
ALKYNY – jedna trojná vazba mezi atomy uhlíku
ALKADIENY – dvě dvojné vazby mezi atomy uhlíku
ARENY – aromatické uhlovodíky – odvozeny od
benzenového jádra
CYKLOALKANY – cyklické sloučeniny, obsahují pouze
jednoduché vazby mezi atomy uhlíku
ALKANY
• V molekulách pouze jednoduché vazby mezi atomy
uhlíku (i atomy uhlíku a vodíku) pouze
= v molekulách pouze nepolární vazby
homolytické (radikálové) štěpení
(podmínky: UV, vys. t, peroxidy)
• Souhrn názvosloví:
- koncovka v názvu - an
- methan CH4 … …. dekan CH3(CH2)8CH3
Základní ALKANY
n
název sumární vzorec
1
methan
2
ethan
3
propan
4
butan
5
pentan
6
hexan
7
heptan
8
oktan
9
nonan
10
dekan
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
racionální vzorec
CH4
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3(CH2)2CH3
CH3(CH2)3CH3
CH3(CH2)4CH3
CH3(CH2)5CH3
CH3(CH2)6CH3
CH3(CH2)7CH3
CH3(CH2)8CH3
Substituce radikálové alkanů - halogenace
CH4 + Cl
1) INICIACE:
2) PROPAGACE:
Cl
Cl
Cl
Cl + CH4
CH3 + Cl Cl
3) TERMINACE:
CH3 + CH3
CH3+ Cl
Cl + Cl
UV
UV
Cl + HCl
H3C
Cl
+
Cl
CH3 + HCl
H3C Cl + Cl
H3C
H3C
Cl
CH3
Cl
Cl
Další substituce radikálové alkanů
Nitrace: pomocí zředěné HNO3 nebo NO2 za vyšší
teploty
CH4 + HNO3
CH3NO2 + H2O
nitromethan
Sulfoxidace: pomocí SO2 a O2 (vznikají sulfonové
kyseliny)
O
např. kyselina propansulfonová
H3C
CH2 S
CH2
O
OH
Spalování alkanů
• NADBYTEK KYSLÍKU:
CH4 + 2O2
• NEDOSTATEK KYSLÍKU
CH4 + O2
CO2 + 2H2O
C + 2H2O
tiskařská čerň
Dehydrogenace alkanů
• PODMÍNKY:
- katalyzátor: oxid hlinitý či oxid chromitý
- vyšší teplota (cca 450 °C)
R–CH2–CH3  R–CH═CH2 + H2
2 CH3-CH2-CH2-CH3  CH3-CH=CH-CH3 + CH2=CH-CH2-CH3 + 2 H2
Zajcevovo pravidlo
80 %
20 %
ÚKOL: O jaký typ reakce dle reakčního mechanismu se
jedná?
Krakování alkanů
• při zpracování ropy
• v průběhu vzniká směs alkanů a alkenů
CH3(CH2)4CH3  CH3 - CH2
CH3-CH2-CH2
.
.
- CH + CH
2
. + .CH -CH –CH
2
2
3
2
- CH2 – CH3
 CH3-CH2–CH3 +
CH2=CH–CH3
ALKENY
• v molekulách
– jedna dvojná vazba
• Souhrn názvosloví
koncovka – en
H
H
C
H
π
ϭ
C
H
Vlastnosti dvojné vazby:
= 1 vazba π – mimo spojnici jader, snadno se štěpí
(není tak pevná)
a 1 vazba ϭ – na spojnici jader atomů
- při adicích (zjednodušení vazeb) zaniká jen vazba π
Elektrofilní adice alkenů
H+ + Cl-
HCl
H
Adice halogenovodíku na alkeny
H
CH3
C
C
H
+ H+
C
H
H
CH3
C
H+
H
pí-komplex
(elektrostatické přitahování
elektronů pí-vazby s kationtem H+)
H
CH3
C
H
C
+
H
H
H
H
H
C
CH3
+
C
H
H
CH3
+
H
C
H
C
H
+ ClH
H
CH3
C
H
C
Cl
H
2-chlorpropan
Adice halogenů na alkeny
Cl
CH
H3C
CH2
+ Cl2
CH
CH2
H3C
1,2-dichlorpropan
Cl
Adice vody na alkeny
(katalyzátor – kyselina sírová)
O
O
H2C
CH2
+
H
O
S
OH
H3C
CH2 O
S
O
O
O
H3C
CH2 O
S
O
OH
O
OH
+
H
OH
H3C
CH2 OH
ethanol
+
HO
S
O
OH
SOUHRN – adice elektrofilní
CH3 CH CH3
Cl
HCl
CH3 CH CH2
Br2
CH3 CH CH2
Br
Br
H2O, H2SO4
CH3 CH CH3
OH
Radikálová adice alkenů
• PODMÍNKY: katalyzátor – např. Ni, Pt, P
vyšší teplota
např. hydrogenace ethenu
CH2
CH2
+
CH2
H
H
CH2
H
H
CH3
H3 C
ethan
ethen
kataly zátor
v odík
kataly zátor
kataly zátor
Polymerace
monomery (jednodušší, nízká Mr)
POLYMERY (složitější, vysoká Mr)
H
n
H
C
H
C
H
ethen (ethylen)
H
H
C
C
H
H
n
polyethen (polyethylen)
Oxidace alkenů
R1
KMnO4, OH-
R1
CH CH R2
OH OH
CH CH R2
KMnO4, H+
O CH R2
R1
CH O
R1
COOH HOOC
R2
Do kterých skupin organických látek patří
uvedené produkty oxidací?
ÚLOHA:
Důkaz alkenů pomocí bromu
Na webu
http://www.studiumchemie.cz/video.php?id=150
zhlédněte video k problematice adice bromu na
dvojnou vazbu – důkaz dvojné vazby.
ÚKOLY:
• Popište celý pokus vlastními slovy.
• Zapište rovnici celého děje a pojmenujte jednotlivé
látky. O jaký typ reakce, dle reakčního mechanismu,
se jedná?
Radikálová substituce alkenů
• PODMÍNKY: teplota 500 – 600 °C
H2C
CH2 +
Cl
Cl
500 –
600 °C
H
H2C
C
Cl
chlorethen
+ HCl
ALKYNY
• v molekule – jedna trojná vazba
• Souhrn názvosloví
koncovka -yn
Vlastnosti trojné vazby:
• kratší, ale stabilnější než dvojná vazba
• dvě vazby π a jedna vazba ϭ
HC
1ϭ
2π
CH
Adice alkynů
Adice halogenů na alkyny (UV záření = AR)
H
HC
CH
+
Cl2
UV
C
Cl
C
H
UV, Cl2
H
Cl
Cl
Cl
C
C
Cl
Cl
H
1,1,2,2-tetrachlorethan
Adice vodíku na alkyny (AR)
H3C
C
C
CH3
+
Lindlar
H2
H3C
CH3
CH CH
Adice alkynů
Adice vody na alkyny (AN)
H
C
C
H
+HO
H2SO4, HgSO4
H2C
2
CH
OH
H3C
CHO
CH 2
Cl
Adice halogenovodíku na alkyny (AE)
H
C
C
H + HCl
H2C
CH
Cl
HCl
H3C
chlorethan
ÚLOHA:
Reakce alkenů a alkynů
Zapište rovnice reakcí, uveďte podmínky dějů a
pojmenujte produkty (popř. reaktanty).
•
•
•
•
bromace but-2-enu
adice bromovodíku na propen
hydrolýza propynu
příprava pentanu z příslušného alkenu
ARENY
• aromatické uhlovodíky, odvozené od benzenového
jádra
• hlavní příčina aromatičnosti: delokalizace 
elektronů v cyklu – zaniká charakter dvojných vazeb
(nenasycenost sloučenin) a vytváří se molekula
s nižším obsahem vnitřní energie, než by měla
molekula s lokalizovanými  vazbami
=
Chlorace benzenu - SE
Cl-Cl + FeCl3  Cl+ + [FeCl4]-
+
Cl
+
Cl
Cl
Cl
+
+
H
+
Cl
+
H
Cl
+
[FeCl4]-
+ HCl
-FeCl3
chlorbenzen
Poznámka: všimněte si principu katalýzy
Nitrace arenů
- příprava nitroniového kationtu H-O-NO2 + H-O-SO3H
H
+
O
H
+
O
H
NO2
H2O +
NO2
HSO
+
4
NO2+
H
- další postup zápisu rovnice – viz předcházející
halogenace arenů
Sulfonace arenů
- příprava sulfoniového kationtu H-O-SO3H
+
H-O-SO3H
H
+
O
S O3H
+ HSO4-
H
H
+
O
S O3H
SO3H+ + H2O
H
- další postup zápisu rovnice – viz předcházející
halogenace arenů
Substituce substituovaných arenů
Substituenty orientující další substituent do
polohy ortho – a para –
• - alkyl, -OH, -SH, -NH2, -NH-R, -halogen
Cl


Substituce substituovaných arenů
Substituenty orientující další substituent do
polohy meta –
• -NO2, -COOH, -CHO, -COR, -SO3H
H
O
C


ÚLOHA:
Reakce arenů
Zapište rovnice reakcí, uveďte podmínky dějů a
pojmenujte produkty (popř. reaktanty).
•
•
•
•
reakce methylbenzenu s chlorem (kat. AlCl3)
nitrace nitrobenzenu
příprava 1,2-diethylbenzenu
nitrace methylbenzenu
Polymerace arenů
• vznikají významné polymery (plastické hmoty) –
např. polystyren (ze styrenu)
CH
CH2
CH
CH2
n
n
styren
polystyren
ÚLOHA:
Oxidace toluenu
Na webu
http://www.studiumchemie.cz/video.php?id=236
zhlédněte video k problematice oxidace toluenu
manganistanem draselným.
ÚKOLY:
• Popište celý pokus vlastními slovy.
• Zapište rovnici celého děje a pojmenujte jednotlivé
látky.
Použité informační zdroje
1. Struktury látek (chemické rovnice) byly kresleny s
využitím programu ACD/ChemSketch 10.0.
2. Janeczková, A., Klouda P. Organická chemie. Ostrava:
Nakl. KLOUDA Pavel, 2004.
3. McMURRY, J. Organická chemie. Praha: VŠCHT, 2007.
4. [online]. [cit. 2012-05-19]. Dostupné z:
http://www.studiumchemie.cz/video.php?id=150 (cit.
17. 5. 2012)
5. [online]. [cit. 2012-05-19]. Dostupné z:
http://www.studiumchemie.cz/video.php?id=236
Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační
číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A
FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO
V HAVÍŘOVĚ“
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a
státním rozpočtem České republiky.