Transcript 1 - data.sfb.rs

ORGANSKA HEMIJA
9. UGLJOVODONICI
UVOD U ORGANSKU
HEMIJU
Do 1828. god:
ORGANSKA JEDINJENJA –
jedinjenja koja nastaju u
organizmu dejstvom “životne
sile” (vis vitalis).
Početak savremene organske hemije:
sinteza uree iz amonijum-izocijanata
(Woehler, 1828)
ORGANSKA JEDINJENJA SU ČESTO
ODGOVORNA ZA BOJU
SUPSTANCI...
Crvena
Narandžasta
Žuta
Zelena
Plava
Ljubičasta
...NJIHOV MIRIS...
Oktil-acetat
CH3(CH2)6CH2OOCCH3
...I UKUS
“Bitrex”
Cvet maka
Nezrela, zasečena čaura maka
- beličaste kapljice su sveži opijum

Aspirin - jedan od prvih lekova dobijenih hemijskom
sintezom
Penicilin G - antibiotik
Kortizon – antireumatik i
antialergetik
ORGANSKI “BESTSELERI”
RANISAN
Najprodavaniji lek u svetu
>1.000.000.000 £ / god.
Broj do sada poznatih neorganskih
jedinjenja je oko 100.000
Broj do sada poznatih organskih jedinjenja
je oko 30.000.000 sa tendecijom rasta
Šta uslovljava ovako veliki broj
organskih jedinjenja?
Osobine atoma ugljenika
Atom ugljenika je četvorovalentan i
gradi jake kovalentne veze
UGLJOVODONICI
• jedinjenja koja sadrže samo ugljenik i vodonik
• zahvaljujući osobinama atoma ugljenika, teorijski je
moguć beskonačan broj jedinjenja koja sadrže samo C i H
• do danas je izolovan i sintetisan veliki broj ugljovodonika
• najvažniji prirodni izvori ugljovodonika su nafta i zemni gas
• zbog velikog broja jedinjenja ugljovodonici se na osnovu
svoje strukture, odnosno hemijskih i fizičkih osobina mogu
podeliti na više načina
• uobičajene su sledeće podele:
Zasićeni ugljovodonici ili parafini
ALKANI
Zasićeni ugljovodonici sastoje se
isključivo od atoma ugljenika i
atoma vodonika koji su
međusobno povezani prostim
vezama
Alkani ili alifatični ugljovodonici, imaju
proste veze između ugljenikovih
atoma koji su sp3 hibridizovani
(tetraedarska hibridizacija, uglovi
između veza su 109,5 ) i grade
otvorene lance ugljenikovih atoma
koji mogu biti sa ili bez račvanja
Opšta formula alkana je CnH2n+2
Metan CH4
Etan
C2H6
20
Homologi niz
alkani grade homologi niz
 homologi niz je niz jedinjenja u kome se dva
uzastopna člana razlikuju uvek za istu atomsku
grupu
 najčešće je to metilenska ( -CH2-) grupa
 jedinjenja takvog niza imaju zajedničku opštu
formulu
 opšta formula alkana je CnH2n+2
Alkani sa normalnim nizom
n
Ime
Racionalna
formula
Tačka
ključanja
(C)
Broj
izomera
1
metan
CH4
-161,7
1
2
etan
CH3CH3
-88,6
1
3
propan
CH3CH2CH3
-42,1
1
4
butan
CH3 (CH2 )2CH3
-0,5
2
5
pentan
CH3 (CH2 )3CH3
36,1
3
6
heksan
CH3 (CH2 )4CH3
68,7
5
7
heptan
CH3 (CH2 )5CH3
98,4
9
8
oktan
CH3 (CH2 )6CH3
125,7
18
9
nonan
CH3 (CH2 )7CH3
150,8
35
10
dekan
CH3 (CH2 )8CH3
174,0
75
Alkani sa račvastim nizom
 akani sa račvastim nizom su izomeri alkana sa normalnim nizom
 izomeri su molekuli koji imaju iste molekulske formule, a različite strukture,
samim tim različite fizičke i hemijske osobine
 pojava da dva ili više jedinjenja sa istim molekulskim formulama pokazuju
različite osobine zove se izomerija
Molekulske strukture se u organskoj hemiji mogu predstaviti na više načina:
 molekulskim formulama
strukturnim formulama
racionalnim formulama
formulama veza – crtica
Strukturni izomeri formule C4H10.
n-butan
izobutan
24
Strukturne formule: veze predstavljene pomoću crtica, slobodni elektronski
parovi (ukoliko ih ima) predstavljeni tačkama.
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
O
H
H
C
H
C
C
H
H
H
H
H
O
H
C
C
C
H
H
H
Racionalne formule: izostavljene proste veze i elektronski parovi, osnovni
ugljovodonični niz se crta horizontalno, a supstituenti se dodaju vezani
vertikalnim crticama .
CH3
O
CH3CH2CH2OH
CH2 CHCH3
CH3
CH3CH2CHCH 2CCH 2CH3
CH3CCH 3
CH3
Formule veza-crtica: ugljovodonični skelet se crta cik-cak linijom izostavljajući
sve ugljenikove i vodonikove atome.
O
OH
CH
C
CH3
CH2
 u molekulima zasićenih ugljenika razlikuju se četiri vrste ugljenikovih atoma
 primarni ugljenik C' je onaj koji je vezan samo za još jedan ugljenikov atom
 sekundarni ugljenikov atom C'' je vezan za dva ugljenikova atoma
 tercijarni ugljenikov atom C''' za tri
 kvatenarni ugljenikov atom C'''' za četiri ugljenikova atoma
C'H3 C'H3
C'H3
C''''
C''' C''H 2 C'H3
C'H3
primarni
• alkil-grupe nastaju uklanjanjem jednog vodonikovog atoma iz molekula alkana
• imenuju se zamenom nastavka –an u nazivu alkana ili cikloalkana, nastavkom –il
Struktura
Uobičajeno
ime
Sistematsko
ime
Izvedeno Tip
iz
primarna
CH3
Metil
Metil
Metan
primarna
CH3
CH2
Etil
Etil
Etan
primarna
CH3
CH2
CH2
Propil
Propil
Propan
sekundarna
CH3
CH3
C
H
Izopropil
1-metiletil
Propan
Struktura
Uobičajeno
ime
Sistematsko
ime
Izvedeno
iz
Tip
izobutil
2-metilpropil
2-metilbutan
(izobutan)
primarna
sec-butil
1-metilpropil
terc-butil
1,1-dimetiletil
neopentil
2,2-dimetilpropil
CH3
CH3
C
CH2
H
CH3
CH3
CH2
C
Butan
sekundarna
H
CH3
CH3
C
CH3
CH3
CH3
C
CH2
CH3
2-metilbutan
(izobutan)
tercijarna
2,2dimetilpropan
(neopentan)
primarna
• imena alkana i cikloalkana završavaju se nastavkom –an
• kod cikloalkana se ispred imena dodaje i prefiks ciklo-
IUPAC-ova pravila
1. Naći najduži osnovni niz
 Odredi se i imenuje najduži ili osnovni niz u molekulu. Ime osnovnog
niza se daje na osnovu naziva normalnih alkana.
Grupe vezane za osnovni niz, različite od vodonika, zovu se
supstituenti.
Ukoliko molekul ima dva ili više nizova iste dužine, onaj sa većim
brojem supstituenata je osnovni niz.
CH3CHCH2CH2CH2CH3
CH 3
C H3
CH3C H
C H2C H2C H2C H3
CH3C HC H2C H2C HCH2CH3
heksan
dekan
• Imenuju se kao alkil-supstituenti sve grupe vezane za osnovni
niz.
2. Numerisati C-atome osnovnog niza tako
da supstituenti imaju najmanje brojeve
• Numerišu se ugljenikovi atomi osnovnog (najdužeg) niza, polazeći
od onog koji je najbliži supstituentu.
1
2
3
4
5
6
CH3CHCH2CH2CH2CH3
CH 3
• Ako postoji tri i više supstituenata, onda se niz numeriše tako da se dobije
što manji broj na mestu razlikovanja dva moguća načina numerisanja. Na
primer ukoliko su brojevi supstituisanih ugljenikovih atoma 3,8 i 10; i 3, 5 i 10;
uzima se druga kombinacija brojeva jer je 5 manje od 8.
12
11
CH3
10
9
8
7
6
CH3
5
4
CH3
3
2
1
CH3CH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH2CHCH2CH3
1
2
3
4
5
6
7
3,5,10 a ne 3, 8, 10
8
9
10
11
12
3. Dodati nazive supstituenata kao prefiks nazivu
osnovnog niza abecednim redom
CH3CHCH2CH2CH2CH3
CH3CH2
CH3
CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3
CH 3
3-etil-6-metiloktan
2-metilheksan
CH3
CH3CH2
CH3
CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CCH2CH3
CH3
5-etil-3,3,8-trimetildekan
Frakciona destilacija nafte
Frakcija
Temperatura
destilacije, C
Broj C atoma
Gas
do 20
C1-C4
Petroletar
20-60
C5-C6
Ligroin (laki benzin)
60-100
C6-C7
Prirodni benzin
40-205
C5-C10 i cikloalkani
Petrolej (kerozin)
175-325
C12-C81 i aromatična
jedinjenja
Gasno ulje (dizelsko)
iznad 275
C12 i viši
neisparljive tečnosti
dugi lanci na
cikličnim
strukturama
neisparljive čvrste
supstance
policiklične strukture
Mazivo ulje
Asfalt ili naftni koks
FAKTORI KOJI UTIČU NA TAČKU KLJUČANJA
Tačka ključanja molekula je grubo mera energije koja je
potrebna da se raskinu međumolekulske sile među molekulima
Što su jače međumolekulske sile, to je tačka ključanja veća
Međumolekulske sile zavise od:
Polarnosti molekula
Dužine niza
Razgranatosti
Hemijske osobine alkana
• Slabo reaktivna, stabilna jedinjenja.
1. Sagorevanje alkana:
2CnH2n+2 + (3n + 1)O2  2nCO2 + (2n + 2)H2O + toplota
2. Piroliza ili krakovanje alkana.
3. Reakcije supstitucije:
a)
Halogenovanje
R-H + X-X  R-X + H-X
Cikloalkani
• Ugljovodonici koji se sastoje od ugljenikovih atoma uređeih u prstenove zovu se:
ciklični alkani, karbocikli ili cikloalkani.
CH2 CH2
CH2
CH2
CH2
ciklopropan
CH2 CH2
ciklobutan
CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2
cikloheksan
CH2
CH2
CH2
CH2 CH2
ciklopentan
ALKENI
C
C
Ugljovodonici sa dvostrukom vezom C=C
Opšta formula alkena: CnH2n
Ugljenikovi atomi povezani dvogubom
vezom su sp2 hibridizovani.
Imenovanje (nomenklatura) alkena
 imena alkena i cikloalkena završavaju se nastavkom –en
 kod cikloalkena se ispred imena dodaje i prefiks ciklo-
 kod alkena sa više dvostrukih veza ispred nastavka –en,
dodaju se odgovarajući prefiksi di, tri, tetra itd.
 tako su alkeni sa dve dvostruke veze dieni, sa tri - trieni...
IUPAC-ova pravila
1. odrediti najduži niz koji sadrži dvostruku vezu
2.
označiti dvostruku vezu najmanjim brojem
• kod cikloalkena nije neophodan numerički prefiks, ali
ugljenici 1 i 2 su po definiciji delovi dvostruke veze.
• alkeni koji se razlikuju samo po položaju dvostruke veze
zovu se izomeri na dvostrukoj vezi ili položajni izomeri
•1-alkeni zovu se terminalni alkeni; ostali su unutrašnji alkeni.
1
2
3
CH3CH
4
CHCH 3
2-buten
1-buten
2-heksen
terminalni alken izomeri na dvostrukoj vezi
2
6
6
3
1
unutrašnji alkeni
5
5
1
5
1
4
2
4
2
4
2-penten
1,3-pentadien
3
3
cikloheksen
1,4-cikloheksadien
1,3,5-heksatrien
• imenu alkena kao prefiksi dodaju se supstituenti i numeriše
se njihov položaj
• ukoliko je osnovni niz alkena simetričan, numeriše se tako
da prvi supstituent ima najmanji broj
3-metil-1-buten
6-brom-3-propil-1-heksen
CH3
1
2
CH2
3
4
1
5
CHCHCH 2CH3
3
CH3CHCH
4
5
5
CHCH 2CHCH 3
H 3C
CH3
2
4
4-metil-1-penten
3-metil-1-penten
1
3
2
CH2
CH3
2
3
1
6
CHCH 2CH3
2-metil-3-heksen
3-metilcikloheksen
Stereoizomerija alkena
cis i trans izomerija:
• prefiksi cis i trans se koriste za označavanje stereoizomera
kod simetričnih alkena i alkena koji sadrže po jedan supstituent
na ugljenikovim atomima povezanim dvostrukom vezom
cis – sa iste strane dvostruke veze
trans – sa različite strane dvostruke veze
cis-2-buten
trans-2-buten
Fizičke osobine alkena
 vrlo slične fizičkim osobinama alkana
 u vodi nerastvorni,
rastvaračima
ali
dobro
rastvorni
u
nepolarnim
 cis izomeri su polarniji od trans izomera
 zbog veće polarnosti cis izomeri imaju veće tačke ključanja
 zbog manje simetrije cis izomeri imaju niže tačke topljenja
Hemijske osobine alkena
• hemija alkena je hemija dvostruke (dvogube) veze
• dvostruku vezu karakterišu reakcije adicije
• reakcije adicije na π vezu su uglavnom egzotermne
• karakteristična reakcija alkena je elektrofilna adicija
Hidrogenizacija alkena
Adicija halogena
Adicija halogenovodonika
Markovnjikovljevo pravilo: ako ugljenikovi atomi
povezani
dvostrukom
vezom
nisu
podjednako
supstituisani (nesimetrični alkeni),
vodonik iz halogenovodonika vezuje se za manje
supstituisani ugljenik (ugljenik sa više vodonikovih atoma),
a halogen za više supstituisani ugljenik.
Adicija vode - hidratacija
ALKINI
C
C
Ugljovodonici sa trostrukom vezom C C
Opšta formula alkina: CnH2n-2
Ugljenikovi atomi povezani trogubom
vezom su sp hibridizovani.
Imenovanje (nomenklatura) alkina
imena alkina završavaju se
nastavkom –in
IUPAC-ova pravila
• odredi se najduži niz koji sadrži trostruku vezu
• označi se mesto trostruke veze u glavnom nizu, polazeći
s najbližeg kraja trostruke veze, odnosno, ugljenikovom
atomu trostruke veze se pripisuje što manji broj.
• alkini koji se razlikuju samo po položaju trostruke veze zovu
se izomeri na trostrukoj vezi. 1-alkini zovu se terminalni alkini;
ostali su unutrašnji alkini.
2-butin
1-butin
terminalni alkin
4,4-dimetil-2-pentin
unutrašnji alkini
izomeri na trostrukoj vezi
CH3
Br
CH3 C
CCHCH2CH3
4-brom-2-heksin
5-metil-2-heksin
CH3C
C
CH
CH3
3,3-dimetil-1-butin
4,4-dimetil-2-pentin
Fizičke osobine alkina
 vrlo slične fizičkim osobinama alkana i alkena
 u vodi nerastvorni,
rastvaračima
ali
dobro
rastvorni
u
nepolarnim
 imaju manju gustinu od vode - ″plivaju na vodi″
 sa povećavanjem razgranatosti lanca opada tačka ključanja
Halogenalkani
- alkilhalogenidi• halogenalkani su jedinjenja opšte formule
F, Cl, Br, I
,a
R-X,
gde je
R alkil grupa.
• alkil grupa može biti jednostavna ili supstituisana.
• funkcionalna grupa halogenalkana je polarna C-X veza.
δ+
δ-
R
X
X atom halogena:
Imenovanje halogenalkana
• U sistematskoj (IUPAC) nomenklaturi atom halogena se tretira
kao supstituent alkanovog niza.
• Najduži alkanov niz numeriše se tako da prvi supstituent dobije
najniži broj polazeći bilo od kog kraja niza.
• Supstituenti se rangiraju prema abecednom redu.
• Složeni supstituenti imenuju se prema istim pravilima kao kod
alkana.
1-fluorpentan
jodcikloheksan
5-hlor-2-metilheptan
2-brompentan
3-jodpentan
2-hlor-2-metilpentan
2-hlor-5-metilheptan
AROMATIČNI UGLJOVODONICI
BENZEN
C 6H 6
1931
Objašnjena struktura benzena, a desetak godina
kasnije ovu strukturu je prihvatila većina hemičara.
1
Benzen, njegovi homolozi i njima slična jedinjenja
zovu se aromatična jedinjenja.
2
Aromatičnost kao pojam u početku je bio vezan za
karakterističan miris ovih jedinjenja, često neprijatan.
3
Danas se pod pojmom aromatičnost podrazumeva zbir
fizičkih i hemijskih osobina karakterističnih za jedinjenja
koja sadrže benzenovo jezgro, odnosno prsten.
Imenovanje derivata benzena
• mnogi mono-supstituisani benzeni se imenuju tako sto se
doda naziv supstituenta kao prefiks reči benzen:
brombenzen
nitrobenzen
• kod di-supstituisanih benzena moguća su tri različita rasporeda.
Označavaju se prefiksima:
• 1,2- ili orto- ili o-; orto (grčki) – direktno,
• 1,3- ili meta- ili m-; meta (grčki) – premešten,
• 1,4- ili para- ili p-; para (grčki) – na drugoj strani.
1,2-dihlorbenzen
o-dihlorbenzen
1-hlor-3-nitrobenzen
m-hlornitrobenzen
1-hlor-4-nitrobenzen
p-hlornitrobenzen
Derivati benzena – IUPAC-ovi i uobičajeni nazivi
CH 3
1,2-dimetilbenzen
o-ksilen
metilbenzen
toluen
1,3-dimetilbenzen
m-ksilen
1,4-dimetilbenzen
p-ksilen
rastvarači
CH
CH2
CH3
H 3C
etenilbenzen
vinilbenzen
stiren
(monomer)
OCH 3
CH3
1,3,5-trimetibenzen
mezitilen
metoksibenzen
anizol
(u industriji parfema)
Derivati benzena – IUPAC-ovi i uobičajeni nazivi koje
preporučuje Chemical Abstracts
OH
CHO
COOH
benzenkarbaldehid
benzaldehid
(veštačka aroma)
benzenol
fenol
(antiseptik)
benzenkarboksilna kiselina
benzoeva kiselina
(konzervans hrane)
CH2
H
H
H
H
H
ili
H
ili
C6H5-
CH2
H
ARIL- grupe
ili
H
ili C6H5CH2-
H
H
FENIL-
BENZIL-
POLICIKLIČNI BENZENOIDNI UGLJOVODONICI
naftalen
benz[a]piren
antracen
fenantren
C60, bakminsterfuleren
bakibol
Domaći
1. Strukturnim ili racionalnim formulama predstavite strukture svih
izomera sa formulom C5H12.
2. Poređajte po rastućim tačkama ključanja sledeća jedinjenja i
napisite njihove strukturne formule: 2-metilpentan, etan, oktan,
pentan
Napisati strukturne formule sledećih jedinjenja:
3. 4-metil-2-heksin;
4. 2,2,3-trimetilpentan
5. 2,2-dimetil-3-heksen
6. 3-etil-2,3-dimetil-1-penten
7. Dajte naziv po IUPAC nomenklaturi:
CH 3
CH3CHCH2CCH2CH3
CH 3
CH 3
CH3
CH 2CH3
CH3CHCHCH2CH2CH2CH2CH3
CH 3
CH3CH2
CHCHCH2CH2CH2CH3
CH2CH3