Nasycené a nenasycené uhlovodíky

Charakteristika

  • dvouprvkové sloučeniny uhlíku a vodíku
  • uhlík: schopnost řetězení se
  • zdroje: ropa, zemní plyn, uhlí (získávání rafinací ropy)

Dělení:

  • alifatické x cyklické
  • rozvětvené x nerozvětvené
  • nasycené x nenasycené (násobné vazby) x aromatické

Typy vzorců:

  • obecný (homologický): CnH2n+2
  • sumární (souhrnný): udává skutečný počet atomů v molekule
  • empirický (stechiometrický): udává nejmenší poměr atomů zastoupený v molekule
  • racionální (funkční): udává charakteristická seskupení kolem atomu C
  • strukturní: vyjadřuje uskupení jednotlivých vazeb v molekule

Vaznost:

  • C – čtyřvazný
  • H – jednovazný
  • kovalentní nepolární vazby
  • nerozpustné ve vodě
  • nepolární rozpouštědla (cyklohexan, benzen, toluen)

Uhlovodíky

  • alkany, alkeny, alkiny, areny
  • homologická řada: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16
  • homologický rozdíl: CH4, C2H6 = CH2 >homologický vzorec

Deriváty uhlovodíků

  • kyslíkaté
    • alkoholy, fenoly, ethery
    • aldehydy, ketony
    • karboxylové kyseliny
  • halogenderiváty
    • alkyl
    • aryl
  • dusíkaté
    • nitrosloučeniny
    • aminy (deriváty amoniaku)

Struktura

  • dána pořadím a polohou atomů/vazeb a prostorovou orientací

Konstituční izomerie

  • řetězová (liší se uspořádáním, tvarem uhlíkového řetězce)
  • polohová (liší se polohou substituentů/násobné vazby)
  • funkční = skupinová (liší se typem funkční skupiny)
  • tautomerie (liší se polohou vodíku a polohou a typem dvojné vazby)

Prostorová izomerie (konformace)

  • geometrická (cis (Z) a trans (E) – energeticky výhodná)
  • optická = konfigurační = stereoizomerie (zrcadlové obrazy)

Názvosloví organických sloučenin

Systematické

  • vztah ke struktuře
  • substituční: předpona + uhlovodík + přípona
  • dvojsložkové: uhlovodíkový zbytek + název derivátu (pouze u některých derivátů)

Triviální

  • vztah k vlastnostem (objevitel, výskyt…)

Příklady:

  • substituční: ethanol
  • dvousložkové: ethylalkohol
  • triviální: líh

Názvosloví uhlovodíků

Alkany:

  • zakončení: an
  • uhlovodíkový zbytek: yl
  1. určím hlavní řetězec (největší počet C)
  2. uhlovodíkové zbytky – co nejmenší číslo – abecedně
  • mezi čísly a písmeny tvoří pomlčka

Alkeny a alkiny:

  • en (enyl)
  • in (inyl)
  1. hlavní řetězec (největší počet násobných vazeb)
  2. vazby – co nejnižší číslo – dvojná přednost před trojnou

Cyklické uhlovodíky:

  • cyklo + uhlovodík

Fyzikální a chemické vlastnosti

  • kapalné dobrými nepolárními rozpouštědly
  • důležité teploty tání a varu
  • lehčí než voda

Alkany

  • nasycené alifatické uhlovodíky
  • CnH2n+2
  • C1-C4: plyny
  • C5-C15: kapaliny
  • C16-Cx: pevné látky
  • nepolární
  • stálé, málo reaktivní (parum affinis = málo slučivé)
  • vazby sigma (σ)
  • homolytické štěpení (souměrné, nepolární vazby, radikály)
  • nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech, bezbarvé
  • nízké teploty tání a varu (stoupá v homologické řadě), (rozvětvené nižší)
  • kapalné a pevné: Van der Waalsovy síly
  • rozpouštějí některé organické látky (tuky, oleje)
  • substituce (radikálová), eliminace (dehydrogenace), přesmyk (izomerace)

Cykloalkany

  • nasycené cyklické uhlovodíky
  • CnH2n
  • vlastnosti podobné alkanům (cyklopropan a cyklobutan reaktivnější)
  • konformace (židličková – stálejší, vaničková)

Alkeny

  • nenasycené uhlovodíky s 1 dvojnou vazbou v molekule
  • CnH2n
  • fyzikální vlastnosti jako alkany
  • reaktivnější
  • vazby 1σ a 1π
  • adice (radikálová, elektrofilní), polymerace
  • heterolytické štěpení
  • alkadieny: 2 dvojné vazby – nenasycené

Alkiny

  • nenasycené alifatické uhlovodíky s 1 trojnou vazbou v molekule
  • CnH2n-2
  • fyzikální i chemické vlastnosti jako u alkenů
  • reaktivní
  • vazby 1σ a 2π
  • adice (elektrofilní, nukleofilní )

Areny

  • aromatické uhlovodíky
  • aromatické – benzenové jádro
  • Hückelovo pravidlo (určuje, zda je sloučenina aromatická): 4n + 2 = celkovému počtu π elektronů
  • x adice > delokalizované vazby, n = celé kladné číslo – sloučenina je aromatická

Řetězové izomery alkanů

  • liší se uspořádáním/tvarem uhlíkového řetězce
  • butan, 2-methylpropan, pentan, 2-methylbutan, 2,2-dimethylpropan

Geometrické izomery alkanů

  • konformace: cis (Z, zákrytová), trans (E, nezákrytová, energeticky výhodná)
  • čím dále od sebe jsou atomy nebo skupiny atomů, tím menší je jejich vzájemné ovlivňování a tím energeticky výhodnější je toto uspořádání
  • nestejná energie

Příprava ethenu a ethInu

Ethen

  • nejjednodušší alken
  • dehydrogenací (odštěpením vodíku z ethanu)
  • dehydratací (odštěpením vody z ethanolu)
  • dehydrochlorací (odštěpením  chlorovodíku z chlorethanu)
  • debromací zinkem z 1,2-dibromethanu (za odštěpení bromidu zinečnatého)

Ethin (Acetylen)

  • z karbidu vápenatého (energeticky náročné)
  • z methanu

Využití

  • methan: palivo, syntézy (výroba acetylenu, ethenu, sazí, kyanovodíku)
  • ethan: průmyslová výroba ethenu
  • propanbutan: palivo
  • petrolether (směs izomerů pentanu): laboratorní rozpouštědlo
  • ethenpropen: polymerace – plasty
  • buta-1,3-dien: výroba syntetického kaučuku
  • acetylen: svařování, vinylchlorid
  • areny: barviva, léčiva, pesticidy, plasty…
  • cyklopropan: narkózy
  • cyklohexan: nepolární rozpouštědlo

Radikálová substituce a eliminace (Alkany)

Substituce radikálová

  • náhrada H jiným prvkem
  • 3 fáze: iniciace, propagace, terminace
  • za drastických podmínek (UV, teplo, katalyzátor)
  • halogenace, oxidace (katalytická – kontrolovaná, hoření), nitrace, sulfochlorace

Halogenace – radikálová řetězová reakce, fáze:

  • iniciace: vznik radikálů

– Cl2 >UV, světlo, teplo > Cl• + Cl• (radikály chloru (volné atomy)

  • propagace: vznik dalších radikálů (jeden z radikálů rozštěpí CH > zbytek)

– Cl• + CH4 > HCl + CH3

– CH3• + Cl2 > CH3Cl + Cl•

  • terminace: zánik radikálů, ukončení reakce

– 2 Cl• > Cl2

– 2 CH3• > CH3CH3

– Cl• + •CH3 > CH3Cl

Eliminace

  • vznik násobné vazby
  • dehydrogenace, dehydratace, dehalogenace, krakování

Adice elektrofilní (Alkeny a Alkiny)

  • zánik násobné vazby
  • hydrogenace, halogenace, hydrohalogenace, hydratace

Důkazy násobné vazby

 

Odbarvení bromové vody

  • podstatou je adice bromu na nenasycenou vazbu, kterou se brom spotřebuje a zbarvení zmizí (viz výše)

Odbarvení roztoku hypermanganu

  • podstatou je oxygenace dvojných vazeb, která se uskuteční díky kyslíku vzniklému rozkladem manganistanu draselného. Ten se rozkládá za katalytického působení nenasycených sloučenin.

Polymerace

  • alkeny
  • za přítomnosti katalyzátoru vznik makromolekul
  • ethen, propen
  • druh adice > zánik pí vazeb, spojení několika strukturních jednotek v jednu
  • 2 různé monomery: kopolymerace
  • VL (monomery) > P (polymery)

Určení empirického vzorce uhlovodíku

  • analýza neznámého vzorku
  • kvalitativní analýza: přítomné prvky
  • kvantitativní analýza: relativní zastoupení prvků ve sloučenině: empirický vzorec
  • AXBYCZ
  • x:y:z = wA/Ar(A): wB/Ar(B) :wC/Ar(C)