Areny a surovinové zdroje organických sloučenin

Charakteristika aromatického stavu

  • aróma = vůně
  • areny jsou aromatické uhlovodíky – obsahují aromatické jádro
  • cyklická molekula, jádra atomů leží v jedné rovině
  • aromatický charakter: delokalizované π elektrony > vazby nemají přesné určení > ke každé vazbě jeden π elektron > rovnoměrně rozmístěné po cyklech (energeticky chudší, stálejší molekuly), delokalizační energie
  • Hückelovo pravidlo (určuje, zda je sloučenina aromatická): 4n + 2 = celkovému počtu π elektronů > n = celé kladné číslo > sloučenina je aromatická, + molekula musí být rovinná
  • x adice > delokalizované vazby

Fyzikální vlastnosti

  • kapaliny, charakteristický zápach
  • nepatrně rozpustné ve vodě x nepolární rozpouštědla
  • polycyklické: pevné l.
  • hořlavé, jedovaté, některé karcinogenní

Chemické vlastnosti

  • reakce s elektrofilními činidly (elektrofilní substituce – nitrace)

Benzen a jeho homology

  • všechny atomy i vazby leží v jedné rovině
  • každý C > nehybridizovaný p-orbital a 1 π elektron
  • málo reaktivní
  • z dehtu – karbonizací uhlí
  • rozpouštědla, syntézy, výroba aromatických sloučenin
  • nejjedovatější, hořlavý, toxický – narušení tvorby červených krvinek

Nejbližší homology: toluen a xyleny (ortho (1,2), meta (1,3), para (1, 4)

  • toluen (methylbenzen): vlastnostmi i použitím podobný benzenu
  • xyleny (dimethylbenzeny): směs – špatně oddělitelné – podobné t.v., nepolární rozpouštědlo, kyselina tereftalová a ftalová

Elektrofilní substituce u arenů

  • nitrace (výroba výbušnin): toluen + 3HNO3 > H2SO4 > trinitrotoluen + 3H2O
  • sulfonace (výroba čistících a mycích prostředků): benzen + H2SO4 > H2SO4 > benzen-SO3H + H2O
  • halogenace: benzen + Cl2 > HCl + chlorbenzen
  • alkylace (výchozí látky alkylhalogenidy): benzen + CH3Cl >  AlCl3 > toluen + HCl
  • acylace (reakce arenů s acylhalogenidy): benzen+ CH3COCl (acetylchlorid) > AlCl3 > benzen-CO-CH3 (fynylmethylketon/acetofenon) + HCl

Substituenty 1. a 2. řádu

  • po opakované substituci > druh prvního substituentu rozhoduje o navázání druhého

Substituenty 1. řádu

  • další s. do polohy ortho(2)/para(4)
  • -OH, halogeny, -NH2, alkyly

Substituenty 2. řádu

  • poloha meta (3)
  • NO2, COOH, SO3H

posuny elektronů způsobené substitienty = Indukční efekt (s), minomerní efekt (p)

možnosti adice a oxidace u arenů

                oxidace

  • na postranní řetězci (toluen > kyselina benzoová)
  • na aromatickém jádře (benzen > anhydrid kyseliny maleinové)

ADICE

  • za pomocí katalyzátorů, obtížná > narušen aromatický charakter
  • benzen + H2 > cyklohexan

zpracování ropy, uhlí a zemního plynu

  • zdroje energie
  • výroba organických sloučenin
  • neobnovitelné

ROPA

  • kapalná
  • převážně z uhlovodíků
  • vznik: pravěké organismy > aerobní > anaerobní bakteriální činnost, tlaky, teploty, katalyzátory
  • směs kapalných, pevných a plynných uhlovodíků (neobsahuje nenasycené uhlovodíky)
  • organické složky: sloučeniny O, N, S
  • anorganické složky: soli, voda

zpracování

  • při těžbě zbavení plynných uhlovodíků
  • čištění
  • frakční destilace > oddělí skupiny látek (frakce) dle teploty varu
    • destilační kolona (válec 50m/4m – 100 pater – 0,5m
    • ropa > 270°-320°C > plynná (kapalný – destilační zbytek = mazut)
    • uhlovodíky se v patrech zkapalňují a dělí se do frakcí
  • rektifikace: opakovaná destilace
  • krakování: různé štěpící procesy

význam jednotlivých frakcí

atmosférický tlak

  1. benzín
    • 30 – 200°c
    • 4c – 11c
    • primární benzín: bezbarvá hořlavá kapalina, se vzduchem výbušný, charakteristický zápach (areny)
    • palivo zážehových motorů, výroba nenasycených uhlovodíků > plasty
    • rozpouštědlo
    • sekundární benzín: z dalších frakcí – krakováním: složité alkany > jednoduché alkany a alkeny (vysoká teplota 500°C, tlak a bez kyslíku), tepelné a katalycké;
    • palivo – kritéria kvality: oktanové číslo (procentuální 2,2,4-trimethylpentan – ideální doba hoření)
    • zvýšení oktanového čísla: antidetonační látky, reformování > izomerací na rozvětvené řetězce, cykloalkany hydroformováním na areny
  2. petrolej
  • 180 – 270°c
  • 10c – 18c
  • krakováním na benzín a alkeny
  • letecké palivo
  1. plynový olej
  • 250 – 360°c
  • 15c – 24c
  • motorová nafta – směs s petrolejem: palivo dieselových motorů
  1. mazut
  • + 360°c
  • 25c +
  • palivo – průmyslové topeniště
  • většina >vakuová destilace > další frakce

vakuová destilace

  1. mazací olej
  • +350°c
  • 20 – 50c
  • lehký, střední a těžký olej (dle složitosti molekul > viskozita, t. v.)
  • mazací oleje a tuky (rafinace > odstraní nevhodné složky)
  • krakování na další produkty
  1. asfalt
  • ropné pryskyřice, nejsložitější uhlovodíky
  • destilačním zbytkem vakuové destilace
  • silnice, izolační materiál

ZEMNÍ PLYN

  • součást ropných ložisek/samostatná ložiska
  • plynné uhlovodíky (90-98% methan)
  • suchý zemní plyn – téměř čistý methan
  • občas sirné sloučeniny/síra
  • palivo: nejvýhřevnější plynné palivo)
  • surovina petrochemického průmyslu
  • chemické zpracování: přeměna na syntézní plyn (vodík, oxid uhelnatý)
  • syntézní plyn: surovina > organické i anorganické látky

UHLÍ

  • pevná fosilní paliva (rašelina, břidlice, uhlí): makromolekulární l., polykondenzací a polymerací těl odumřelých rostlin (sacharidy, bílkoviny, pryskyřice, oleje a vosky)
  • anorganické l. > popel po spálení
  • x vzduch, velké tlaky a teploty
  • palivo
  • surovina chemického průmyslu
  • vysokotepelná karbonizace černého uhlí
    • tepelný rozklad (1000°C) za nepřístupu vzduchu > pevné, plynné a kapalné produkty
      • koks: 96%C, 1%O, 0,5%H, S, N, palivo, redukční činidlo (kovy)
      • karbonizační plyn: 50%H, 25%methanu, 5%CO, N, CO2, nenasycené uhlovodíky > topný svítiplyn
      • koksárenský benzen > destilace > benzen, toluen, xylen
      • černouhelný dehet: frakční destilace > frakce >krystalizace > destilační zbytek černouhelná dehtová smola: brikety, izolační materiál
      • čpavková voda > amoniak
  • zplyňování: vodní pára, vzduch, 1000°C > generátorový plyn: 55%H, 18% methan, 20% CO, CO> energetika

stechiometrický výpočet