Uhlovodíky

Autor: (9 ) | Kategorie: Maturitní otázky | Organická chemie | 582x | |

Maturitní otázka zaměřena na téma uhlovodíky. Charakteristika, vlastnosti, reakce, zástupci. Uhlovodíky jsou organické sloučeniny, které obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku. Mají schopnost řetězit se a vytvářejí základní kostry všech organických sloučeni.

Dělíme je dle typu řetězců:

  • Acyklické (alifatické) – jsou to otevřené řetězce (rozvětvené nebo nerozvětvené)
    • Nasycené (alkany, cykloalkany) – obsahují pouze jednoduché vazby

CH3 – CH2 – CH3 (propan)

    • Nenasycené (alkeny, alkadieny, alkyny, cykloalkeny, cykloalkyny – obsahují dvojné nebo trojné vazby

CH2 = CH – CH3 (propen)

  • Cyklické
    • Monocyklické – pouze jeden cyklus (cyklohexan)
    • Polycyklické – obsahuje více cyklů například dekalin

       polycyklické uhlovodíky

    • Aromatické – základem je benzenové jádro (benzen)

Alkany

Alkany jsou nasycené acyklické uhlovodíky. Vazby mezi atomy v alkanech jsou pouze σ (sigma) vazby, jednoduché vazby.
Obecný vzorec pro alkany je CnH2n+2, kde n je počet uhlíků, známe-li tedy počet uhlíků v molekule, můžeme si dopočítat vodíky a udat sumární vzorec. Řekněme, že alkan obsahuje 7 uhlíkových atomů (je to heptan) a chceme znát jeho sumární vzorec -> C7H2*7+2 pokud provedeme výpočty vyjde nám sumární vzorec heptanu C7H16Tvoří homologickou řadu – nárůst vždy o jeden uhlíkový atom (samozřejmě nárůst i o příslušný počet vodíků).

Názvosloví:

Methan, ethan, propan, butan jsou semitriviální názvy, zbytek homologické řady se tvoří systematicky předponou pent– (5 uhlíků v molekule a samozřejmě příslušný počet vodíků, tak aby uhlík byl čtyřvazný), hex– (6), hept–, okt– , non–, dek– (10), undek– (11), dodek– (12), tridek– (13), tetradek– (14),.. Ikos– (20),… a připojením přípony –an.
názvosloví
Z alkanů se také odvozují uhlovodíkové zbytky (alkyly), které se mohou vázat na řetězce a tím je větvit tzn. že se z obyčejného lineárního alkanu stane větvený a dostane tím pádem nové vlastnosti, jak chemické (lépe na nich probíhají určité reakce), tak fyzikální (jiný bot tání, skupenství,..). Název pro uhlovodíkové zbytky se tvoří ze stejně jako u normálních alkanů, akorát k předponě připojíme příponu –yl. Obecně se tyto zbytky označují R–.


Příprava:
Dehydrogenace alkenů (alkynů) za přítomnosti pevného katalyzátoru například platiny nebo palladia.


Vlastnosti:
Skupenství záleží na délce řetězce

C1 – C4 plyny
C5 – C17 kapaliny
C18 a víše pevné látky

Jednoduché vazby umožňují volnou rotaci kolem vazby C–C, dává možnost vzniku nových konformací. Tato vazba je velmi stabilní, což znamená, že jsou alkany málo reaktivní a stabilní, reaktivnost lze zvýšit přidáním katalyzátorů, či zvýšením teploty.

Reakce:

Radikálová substituce – Radikál vzniká při symetrickém štěpení vazby, kdy si každá částice vezme jeden elektron z elektronového páru, bude tedy mít lichý počet valenčních elektronů. Je to velmi reaktivní částice, protože nemá ve valenční slupce stabilní oktet, ale lichý počet elektronů, proto se snaží znovu zestabilnit a chce přijmout elektron. Tím, že přijme elektron od jiného atomu, vytvoří na dárcovském atomu další radikál. Proto jsou radikálové reakce řetězová reakce. Radikálová substituce má 3 fáze – iniciace, propagace, terminace:

  • Iniciace –vznik radikálu, zahájení celé řetězové reakce pomocí činitelů, obvykle UV záření, peroxidy, vysokou teplotou 
    `\ce{ (Cl2) Cl : Cl ->[{UV, peroxid}] Cl. + Cl. }`
  • Propagace – radikál se snaží stabilizovat a hledá novou molekulu (nebo atom), kterému by mohl vzít jeden elektron a doplnit oktet (stabilizovat se). Tím, že najde takovou molekulu z ní opět vytvoří radikál. Tento nově vzniklý radikál bude opět hledat další molekulu, které by ukradl elektron. Takto reakce řetězově pokračují.
  • Terminace – ukončení řetězové reakce. Toto ukončení proběhne, pokud se dva radikály spojí a vytvoří stabilní produkt. Jelikož je koncentrace radikálů velmi malá, probíhá terminace zřídka.

Sulfochlorace – nahrazení atomu vodíku za sulfochloridovou skupinu –SO2Cl
Sulfooxidace – nahrazení atomu vodíku za sulfoskupinu –SO3H
Nitrace – nahrazení atomu vodíku nitroskupinou –NO2

Eliminace
– při tomto typu reakce se nám eliminují vodíky a tím nám vzniká dvojná vazba =, provádějí se převážně za zvýšené teploty
Pyrolýza – zahřívání na vysokou teplotu bez přístupu vzduchu vzniká směs alkanů a alkenů
Dehydrogenace – přítomnost katalyzátorů (většinou kovy)

Úplná oxidace (spalování)

  • Dostatek kyslíku – vznik vody a oxidu uhličitého
  • Méně kyslíku – vznik vody a oxidu uhelnatého
  • Nedostatek kyslíku – vznik vody a uhlíku

Zástupci:

Methan CH4 – nejjednodušší uhlovodík, hlavní složka zemního plynu, bioplynu. Vzniká při rozkladu celulózy pomocí mikroorganismů.
– ve směsi se vzduchem exploduje
– bezbarvý plyn lehčí než vzduch

Propan a butan – směs se používá jako náplň do bomb pro grily, vařiče, teplomety. Hořlavé plyny, výbušné ve směsi se vzduchem.
Isooktan a heptan – je kritériem pro hodnocení kvality benzínů, čím více isooktanu, tím větší oktanové číslo palivo dostane. Srovnává se v poměru s heptanem, který je naopak pro motor nevhodný (způsobuje klepání motoru). Pokud má benzín oktanové číslo 100, znamená to, že je zde pouze isooktan a žádný škodlivý heptan.


Cykloalkany

Cykloalkany jsou nasycené cyklické uhlovodíky, charakteristika vazeb je stejná jako u alkanů.
Jejich obecný vzorec je CnH2n.

Vlastnosti:
Jejich reaktivnost závisí na úhlovém pnutí – pnutí, které je způsobeno deformací úhlů, tak aby dosáhly ideálních 109, kdy je molekula nejstabilnější – například cyklopropan má mnohem větší úhlové pnutí vazeb než cyklohexan (který je mimochodem jeden z nejstabilnějších cykloalkanů), protože vytváří velmi ostré vazebné úhly. Proto je cyklopropan (a cyklobutan) nejreaktivnější, jelikož dochází snáze k roztržení vazby.

Zástupci:

Cyklopropan – inhalační anestetikum
Cyklohexan – nejstabilnější alkan, má nulové úhlové pnutí. Vyskytuje se ve dvou konformacích – židlička (energeticky chudší, stabilnější), vanička (energeticky bohatá, méně stabilní). Používá se jako rozpouštědlo, surovina pro výrobu plastů. Katalytickou dehydrogenací vzniká benzen.

Alkeny

Alkeny jsou nasycené uhlovodíky s jednou dvojnou vazbou v molekule. Vazby jsou σ (sigma) a π (pí). Kolem dvojné vazby není možná volná rotace (aby došlo k rotaci musela by se rozbít vazba π, což by vyžadovalo energii) jako u jednoduché, tudíž se zde setkáváme s geometrickou isomerií. Dvojná vazba je kratší než jednoduchá a díky π vazbě reaktivnější.
Obecný vzorec alkenů je CnH2n. Stejně jako alkany tvoří homologickou řadu, tentokrát ovšem s příponou –en.

Izomerie:

Geometrická izomerie – pokud jsou alkeny disubstituované tzn. že jsou na základním řetězci jen dvě funkční skupiny (–COOH, –NO2,...), či alkylové zbytky (CH3  , CH3 – CH2 – ,…), můžeme používat předpony cis/trans. Poloha trans je stabilnější, protože zde nedochází k sterickému (prostorovému) pnutí – nemá dva velké substituenty na stejné straně dvojné vazby, které by do sebe „narážely“.


– pokud je alken více substituovaný, musíme se řídit Cahn – Ingold – Prelogovým pravidlem, kde na základě protonového čísla dáváme u substituentů na každé straně dvojné vazby priority. Například (první vzorec na obrázku) fluor má vyšší protonové číslo než uhlík, proto má číslo 1 (má vyšší prioritu), na druhé straně zase srovnáváme vodík s uhlíkem (srovnáváme ho s uhlíkem, protože je zde navázána methylová skupina, která se váže uhlíkem), vidíme, že uhlík má větší protonové číslo než vodík, bude mít tedy číslo 1. Pokud jsou dvě skupiny s nejvyšší prioritou vedle sebe označuje se tato konfigurace Z, pokud jsou diagonálně, je to E konfigurace. E konfigurace je stabilnější, protože si velké substituenty stericky nebrání.


Příprava:
Dehydrogenace alkanu
Dehydrogenace z alkoholu – odštěpení vody

Reakce:

Elektrofilní adice – při adici zaniká dvojná vazba. Řídí se Markovnikovym pravidlem – pokud adujeme např.  nějaký halogenvodík (HCl, HBr,…), tak halogen (který bude mít záporný náboj po heterolytickém štěpení) se vždy aduje na ten uhlík, který když se na něm vytvoří karbokationt (přechodný stav, kdy uhlík dostane přechodně kladný náboj C+, protože je pouze třívazný) bude nejstabilnější – tedy na ten uhlík, který má nejvíc uhlíkatých sousedů. Této adici se říká elektrofilní, protože karbokationt je elektofil – přitahuje záporně nabité částice.

elektofilni adice

Hydrogenace – adice vodíku H2 na dvojnou vazbu pomocí katalyzátoru.
Polymerace – molekuly alkenů reagují mezi sebou za vzniku polymerů, je potřeba katalyzátor. Polymery jsou různě dlouhé, jako základní monomery se používají například ethen nebo propen.
Oxidace – potřeba oxidačních činidel jako katalyzátorů (manganistan draselný, dichroman draselný,…), vznik alkoholů/aldehydů/ketonů/karboxylových kyselin, záleží na původním alkenu – na poloze dvojné vazby.

Zástupci:

Ethen (ethylen) – bezbarvý plyn, sladké chuti, směs se vzduchem je výbušná. Používá se k výrobě plastů, syntetického lihu, je to také fytohormon, který urychluje zrání ovoce.

Alkadieny (dieny)

Dieny jsou nasycené uhlovodíky obsahující dvě dvojné vazby. Polohy dvojných vazeb určují, jak bude molekula reaktivní (či inertní) a jaké bude mít fyzikální vlastnosti. Obecný vzorec je CnH2n-2.

Poloha dvojných vazeb:

  • Konjugované dvojné vazby – tento systém vazeb je nejstabilnější (stabilizované hyperkonjugací – zjednodušeně je to jev, kterým pomáhá σ vazba své kolegyni π vazbě na sousedním uhlíku), stabilizace orbitalů
  • Izolované dvojné vazby – tyto vazby se navzájem vůbec neovlivňují
  • Kumulované dvojné vazby – vazby jsou velmi nestabilní, často dochází k přesmyku na konjugovaný systém, či mohou přejít na trojnou vazbu

Reakce:

Adice:
1,2 adice (nové substituenty jsou na 1. a 2. uhlíku), kde se aduje pouze jedna dvojná vazba – probíhá za nízké teploty. 
Například z buta-1,3-dienu vznikne po adici bromu (Br2) 1,2-dibrom-but-3-en
1,4 adice (substituenty jsou na 1. a 4. uhlíku), kde se aduje na jednu dvojnou vazbu a následně proběhne přesmyk, aby druhá dvojná vazba byla uprostřed molekuly, kde je více stabilní – probíhá za vyšší teploty. Například z buta-1,3-dienu vnikne po adici bromu 1,4-dibrom-2-en

Polymerace

– výroba syntetického kaučuku, tento kaučuk se dále zpracovává vulkanizací – mezi řetězci se vytvoří polysulfidové můstky, které zvyšují elasticitu

Zástupci:

Buta-1,3-dien – využívá se při výrobě syntetického kaučuku
2-methylbuta-1,3-dien – neboli izopren, základní jednotka přírodního kaučuku, je to stavební jednotka všech izoprenoidů (terpeny, steroidy)

Alkyny

Alkyny jsou acyklické nenasycené uhlovodíky, které obsahují jednu trojnou vazbu, která je nejkratší ze všech typů vazeb. Obsahuje jednu σ vazbu a dvě π vazby, proto je také nejreaktivnější ze všech typů vazeb. Obecný vzorec je CnH2n-2. Tvoří homologickou řadu a příponou –yn.

Reakce:

Elektrofilní adice
– adice vody za vzniku vinylalkoholu a následný přesmyk na acetaldehyd.

Polymerace
– dimerace – vznik syntetických kaučuků
– trimerace – vznik benzenu
– tetramerace – vznik styrenu

Zástupci:
Ethyn (acetylen) – bezbarvý plyn bez zápachu, používá se k výrobě PVC, svařování plamenem, skladuje se v lahvích s bílým pruhem

Areny

Areny jsou cyklické aromatické uhlovodíky. Základem jejich molekuly je benzenové jádro – šest uhlíkových atomů s konjugovanými dvojnými vazbami a delokalizovanýma π elektronama, které jsou společné pro všechny molekuly (dalo by se říct, že rotují v benzenovém kruhu, proto se někdy benzenové jádro značí jako hexan s kolečkem uvnitř, tento nákres ovšem není správný). Molekula benzenového jádra je planární (rovinná) a velmi stabilní.

 

Podmínky aromaticity:

  • Konjugovaný systém dvojných vazeb
  • Planární molekula
  • Cyklická molekula
  • Hückelovo pravidlopočet π elektronů musí být 4n+2, kdy n je celé nezáporné číslo. Takže pokud si dosadíme za n postupně čísla od 0 do nekonečna, vyjde nám řada 2, 6, 10, 14, 18,… Pokud tedy z obrázku molekuly (která je podezřelá z aromaticity – tedy splňuje předešlá tři pravidla) vyčteme, že má 6 π elektronů, znamená to, že je molekula aromatická.

A jak poznáme, kolik má π elektronů? Je to celkem jednoduché, co dvojná vazba to 2 π elektrony. Pokud má molekula dvě dvojné konjugované vazby (cyklobuta-1,3-dien), znamená to, že má 4 π elektrony, tím pádem není aromatická, protože číslo 4 není v naší řadě, kterou jsme si vypsali nahoře! Tato molekula je antiaromatická.

Dělení:

  • Monocyklické – obsahují jedno benzenové jádro a mohou být různě substituované tzn. že mají na sobě navázané jiné skupiny například nitroskupinu –NO2 , alkylový zbytek methyl –CH3 , alkenový zbytek vinyl –CH = CH2Dokonce i areny mohou tvořit zbytky, jeden z největších chytáků je, že se vás zeptají na zbytek od benzenu a toluenu.
Zbytek od BENZENU je FENYL!
Zbytek od TOLUENU je BENZYL!
  • Polycyklické – obsahují více než jedno benzenové jádro. Mezi nejznámější kondenzované (sdílejí společné uhlíky) patří naftalen – dvě benzenová jádra vedle sebe, anthracen – tři benzenová jádra vedle sebe. Většinou triviální názvy. Nekondenzované (spojují se mimo aromatický kruh) – tyto názvy jsou většinou systematické – difenylmethan.

Reakce:

Elektrofilní substituce – jde o to, že se postupně nahrazují atomy vodíků v molekule aromatického jádra za různé substituenty jako například

  • nitroskupinu –NO2 – tento proces se nazývá nitrace, pokud jí provedeme na toluenu do třetího stupně (nahradíme tři vodíky za–NO2) vznikne nám trinitrotoluen (konkrétněji 2,4,6-trinitrotoluen) neboli TNT, velice výbušná látka.

  • Alkylový zbytek –R – tento proces se nazývá alkylace
  • Halogen –X – halogenace
  • Acylový zbytek –COR – acylace

Všechny tyto substituce se samozřejmě ještě orientují do různých poloh na aromatickém kruhu, tak aby to bylo pro molekulu nejvýhodnější (energeticky nejméně náročné). Máme 3 základní polohy ortho, meta a para


Každý substituent také preferuje jinou polohu:

  • Substituenty prvního řádu – halogeny, methyl, hydroxyl –OH upřednostňují polohy ortho a para
  • Substituenty druhého řádu – nitroskupina, karboxyl upřednostňují meta polohu

 

Oxidace – probíhá většinou na postranním řetězci

Zástupci:

Benzen – bezbarvá kapalina charakteristického zápachu, páry ve směsi se vzduchem výbušné, karcinogenní, krevní jed – při otravě rozkládá kostní dřeň, která nám tvoří červené krvinky. Získává se z uhlí a ropy. Využívá se jako rozpouštědlo tuků, výroba insekticidů (DDT – proti komárům, kteří roznášeli malárii, DDT je ale karcinogenní, proto je ve většině zemí zakázán)
Toluen – kapalina lehčí než voda, rozpouštědlo s narkotickými účinky, výroba výbušnin (TNT).
Styren – kapalina lehčí než voda, na světle se mění na rosol – polymerizuje, využívá se k výrobě plastů
Xylen – disubstituovaný benzenový kruh, substituenty jsou methyly –CH3, mohou být buď v pozici ortho nebo para (může se vyskytovat i v meta)
Naftalen – bílá krystalická látka, která snadno sublimuje, pro vyšší živočichy má nepříjemný zápach, menší živočichy zabíjí. Používá se do prostředků proti molům (naftalín), který chrání oděvy.
Trifenylmethan – nekondenzovaný aren, základ pro barviva jako například fenolftalein, který se v zásaditém prostředí barví do růžova.