3_ugljovodonici_alkani.ppt
DESCRIPTION
ParafiniTRANSCRIPT
Ugljovodonici
Najjednostavnija organska jedinjenja
Dele se na: Alifatične
alkanialkenialkinialiciklični
Aromatične
Alkani
zasićeni ugljovodonici ili parafini (latinski: parum affinis)predstavljaju koren porodičnog stabla organskih molekula Prirodni gas Nafta benzin, ulja za podmazivanje, vazelinski i
parafinski voskovi, katran i smolesirovine za proizvodnju plastičnih masa,
sintetičkih vlakana i gume, alkohola, antifriza i mnogih drugih petrohemijskih proizvoda
Struktura
najjednostavniji alkan, metan, CH4
C
H
HH
H1,1Å
109o28'
Homologi niz alkana
Etan, propan, butan
H
C
H
H
CH
H
H
CC C C C
H H H
H
HH
H
H
CC C C
H H H H
HH
H
H
H
H
Struktura alkana (nastavak)
opšta formula alkana
CnH2n+2
Izomerija kod alkanaZastupljena je strukturna
Normalni (n-) i račvasti alkani (ugljovodonici)C7– 9
C10 – 75
C15 - 4347
Konformacija
Ma koji od neograničenog broja trenutnih prostornih oblika, koje može zauzimati jedan molekul određene strukture pri rotaciji oko prostih veza, naziva se konformacija
Predstavljanje konformacija
Razvijenim strukturnim formulama, kod kojih je prosta veza između dva C-atoma oko koje se vrši rotacija prikazana dijagonalno i nešto je duža nego ostale veze
HH
H HHH
H
H
H
H
HH
Predstavljanje konformacija (nastavak)Newman-ove projekcione formule
H
H
H
H
H
HH
H
HHH
H
H
H
H
H
H
H
eklipsne i stepeničaste konformacije etana
torzioni ugao
Energetska barijeraIzmeđu eklipsne i stepeničaste konformacije postoji energetska barijera od oko 12,5 kJ/mol (~3 kcal/mol)
Energija potrebna da molekul rotira oko CC veze naziva se torziona energija
Rotacija
Potencijalnaenergija
HH
HH
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
12,5 KJ/mol
Konformacije kod butanaKod butana, pri rotaciji oko C2C3 σveze, najnestabilnija je
eklipsna konformacija dveju voluminoznih metil-grupa
H3C
HH H
H
CH3
H
CH3
H
H
CH3
H
Kada se dva supstituenta nađu u takvim konformacijama, da je torzioni ugao između njih po apsolutnoj vrednosti manji od 90 (| | < 90), one se nazivaju sin konformacije. U suprotnom, kada je | | > 90, to su anti konformacije
Nomenklatura alkanaSvako organsko jedinjenje mora se označiti ili hemijskim simbolima (formulom) ili imenom koje odgovara njegovoj strukturi Ime mora da bude jasno, precizno i jednostavno, i što je najvažnije, mora da se odnosi na samo jednu molekulsku strukturuDanas su u upotrebi tri osnovna sistema nomenklature organskih jedinjenja: trivijalna ili obična imena, supstituisana ili izvedena imena i ženevska (IUC ili IUPAC nomenklatura)
Trivijalna ili obična imena davana su jedinjenjima kojima nije bila poznata struktura i najčešće su ukazivala na njihovo poreklo ili neku specifičnu osobinu Danas se ova nomenklatura koristi za dobro poznata jedinjenja ili za složena jedinjenja za koja je nepodesno koristiti sistematska imena
Trivijalna ili obična imena – pravila
Alkani do četiri ugljenikova atoma imaju trivijalna imena, koja potiču od trivijalnih imena alkohola sa istim brojem ugljenikovih atoma (metil-, etil-, propil- i butil-alkohol)
Za više ugljovodonike koriste se osnove grčkih i latinskih naziva brojeva, koji označavaju broj ugljenikovih atoma u molekulu, iza kojih sledi nastavak –an
Svi normalni alkani imaju u imenu prefiks n
Trivijalna ili obična imena – pravila (nastavak)
Npr. CH3CH2CH2CH2CH3 n-pentan
Prefiks izo- korisi se za alkane koji sadrže grupu (CH3)2CH-, a prefiks neo- za alkane
sa (CH3)3C- grupom. Upotreba prefiksa
neo- je ograničena samo na neopentan i neoheksan
Izvedena (supstituisana) imena
Izvedena imena su se mnogo koristila do uvođenja Ženevske nomenklatureVrlo su laka za razumevanje i zahtevaju poznavanje relativno malog broja imena Po ovoj nomenklaturi smatra se da je svaki alkan izveden od metana zamenom vodonikovog atoma drugim grupama. Ove grupe su ugljovodonici sa jednim vodonikovim atomom manje i nazivaju se alkil-grupe
Izvedena – supstituisana - imena (nastavak)
Alkil grupe dobijaju imena tako što se od imena alkana odbije nastavak –an i doda nastavak –il
Tako je -CH3 metil-grupa, -C2H5 je etil-, itd.
Opšta formula alkil grupa je CnH2n+1
Izobutan, na primer, izveden je od metana tako što su tri vodonikova atoma zamenjena metil- grupama i naziva se trimetilmetan:
CH3 CH CH3
CH3
Izvedena – supstituisana - imena (nastavak)
Kod alkil-grupa se sreće izomerija kao i kod ugljovodonika. Zavisno od toga koji je vodonikov atom zamenjen (primaran ili sekundaran), razlikuje se n-propil- i izopropil-grupa: CH3CH2CH2- CH3CHCH3 |
Postoje 4 butil-grupe, 2 izvedene iz normalnog, a 2 iz račvastog butana: n-butil-, sek-butil-, izobutil- i terc-butil-:
CH3CH2CH2CH2-
CH3
CH3
CH3
CCH3
CH3 CHCH2CH3CH2CHCH3
Izvedena – supstituisana - imena (nastavak)
Navedene alkil-grupe čine osnov za imenovanje velikog broja račvastih alkanaPosle butil-grupe, broj izomernih grupa je tako veliki, da ih je nemoguće razlikovati prefiksima, pa je ova nomenklatura ograničena na niže ugljovodonikeKoji C-atom uzeti kao metanski kod ovakvog jedinjenja?
C
CH3
CH3
CH3CH
CH3
CH3
Najsupstituisaniji:izopropil-trimetilmetan
IUPAC nomenklatura Prva dva sistema nomenklature nisu mogla da obuhvate mnoga složena jedinjenjaStoga je 1892. godine u Ženevi održan sastanak Međunarodne Unije za čistu i primenjenu hemiju (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC), na kome je usvojena tzv. Ženevska nomenklatura ili IUPAC sistem nomenklature organskih jedinjenja. U međuvremenu dopunjena i ispravljena, pravila nomenklature organskih jedinjenja objavljena su u 4. izdanju Nomenklature organskih jedinjenja 1979. godine; dopune ovih pravila od 1993. mogu se naći na sajtu IUPAC-a www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/
Osnovna pravila IUPAC nomenklature
1. Pronaći i imenovati najduži niz u molekulu 1. Prva četiri zasićena nerazgranata aciklična
ugljovodonika nazivaju se metan, etan, propan i butan. Imena viših članova homologog niza izvedena su iz numeričkog prefiksa i nastavka “-an”
Ime Formula Ime Formula
metanetanpropanbutanpentanheksanheptan oktannonandekanundekan dodekantridekantetradekanpentadekan
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
C11H24
C12H26
C13H28
C14H30
C15H32
heksadekanheptadekanoktadekannonadekanikosanhenikosandokosantrikosan itd.triakontanheksatriakontantetrakontanpentakontanheksakontanheptakontanoktakontan
C16H34
C17H36
C18H38
C19H40
C20H42
C21H44
C22H46
C23H48 itd.
C30H62
C36H74
C40H82
C50H102
C60H122
C70H142
C80H162
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Glavni niz se ponekad teško uočava
CH3 CH2 CH CH2 CH3
CH3
CH3CH2
CH3CHCH2CH2CH2CHCH3
CH2CH3
Ako postoje dva ili više nizova iste dužine, za osnovni se uzima najrazgranatiji niz
CH3 CH2 CH CH CH
CH3 CH2
CH2
CH3
CH CH3
CH3
CH3
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
2. Imenovati sve alkil-supstituente vezane za najduži niz
Jednovalentne grupe, koje se izvode iz zasićenih nerazgranatih acikličnih ugljovodonika oduzimanjem vodonikovog atoma sa terminalnog ugljenikovog atoma, imenuju se tako da umesto završetka “-an” u imenu tog ugljovodonika dobijaju nastavak “-il”.
Ugljenikov atom koji ima slobodnu valencu označava se brojem 1
Ovakve grupe klasifikuju se kao normalni alkili, odnosno alkili sa nerazgranatim nizom
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Primeri:CH3 CH2 CH2 CH2 CH2pentil
undecil CH3 (CH2)9 CH2
Ukoliko je alkil grupa račvasta, primenjuju se ista IUPAC pravila kao i za osnovni niz: traži se najduži niz te alkil grupe, određuju supstituenti i dodaju odgovarajući nastavci
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
3. Numerisati ugljenikove atome najdužeg niza, polazeći od onog kraja koji je najbliži susptituentu Primer:
Ispravno 1 2 3 4
CH3CHCH2CH3
CH3
Ako se dva supstituenta nalaze na istom rastojanju od dva različita kraja niza, niz se numeriše prema abecednom redu supstituenata. Prvi supstituent prema abecednom redu vezuje se za ugljenik sa manjim brojem
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Kada ima 3 i više supstituenata: numerisati osnovni niz s jednog, pa s drugog kraja; uporediti brojeve C-atoma za koje su vezani
supstituenti. Ispravan način numerisanja sadrži najmanje brojeve (princip razlikovanja na prvoj tački)
Primer:
CH3CHCH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH3
CH3 CH3CH3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1012345678910
Brojevi supstituisanih C-atoma: 2, 4, 9 (ispravno) 2, 7, 9
(neispravno)
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
4. Napisati ime alkana uređujući sve supstituente po abecednom redu (svakome prethodi broj ugljenikovog atoma za koji je vezan i crtica), a zatim dodati ime osnovnog niza (bez crtice ili razmaka između imena alkil-grupe i osnovnog niza) Prisustvo više istih, nesupstituisanih alkil-grupa
obeležava se prefiksima di-, tri-, tetra-, itd. Ukoliko se na istom C-atomu nalaze dve iste
alkil-grupe, broj tog C-atoma se ponavlja u imenu
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Primeri
CH3CHCH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH3
CH3 CH3CH3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10CH3 CH2 CH CH CH
CH3 CH2
CH3
CH3
CH CH3
CH3
CH3CCH2CH2CHCH3
CH3
CH3
CH3
2,4,9-trimetildekan 4-etil-2,3,5-trimetilheptan
2,2,5-trimetilheksan
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Sledeća imena mogu se koristiti samo za nesupstituisane ugljovodonike: izobutan (CH3)2CH-CH3
izopentan (CH3)2CH-CH2-CH3
neopentan (CH3)4C
izoheksan (CH3)2CH-CH2-CH2-CH3
Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak)
Prisustvo više složenih supstituenata označava se prefiksima bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, itd., iza kojih sledi ime složenog supstituenta u zagradiPrefiksi di-, tri-, tetra- itd., kao i sek-, terc- ne
raspoređuju se po abecednom redu, osim ako su deo imena složenog supstituenta
CH3 C CH3
CH3
CHCH2 CH2 CH2 CH CH2
CH
H3C CH2CH3
CH2CH3
CH2CH3
123456789
1
2 3
3,3-dietil-4-metil-5-(1-metilpropil) nonan
(ili 5-sek-butil-3,3-dietil-4-metilnonan)
Fizičke osobine Polarnost Mala razlika u elektronegativnosti između C i H Veze su usmerene na potpuno simetričan, način tako
da se i mala polarnost pojedinačnih veza poništava. Zbog ovakve strukture molekul alkana je nepolaran ili neznatno polaran
Tačke ključanja i topljenja Sile koje deluju između molekula nepolarnih jedinjenja
su slabe van der Waals-ove sile Deluju na malom rastojanju, između delova molekula
koji su sasvim blizu jedan drugom, odnosno na površinama molekula. Sa porastom broja ugljenikovih atoma raste površina molekula i jačaju ove sile
Posledica toga je porast tački ključanja i tački topljenja sa porastom broja ugljenikovih atoma.
Fizičke osobine: tačka ključanja
Alkani od: C1 do C4 su bezbojni gasovi,
C5 do C17 su bezbojne tečnosti
C18 i viši su bezbojne čvrste supstance
Tačke ključanja normalnih alkana pravilno rastu s porastom broja C-atoma. Izuzev za niže članove, tačka ključanja se povećava za 20-30oC za svaki novi C-atom, odnosno CH2 grupu, koja se uvede u molekul
To je karakteristično za sve homologe nizove
Tačka ključanja (nastavak)
Normalni izomer ima višu tačku ključanja. Što je veće grananje, tačka ključanja je niža
Račvanjem molekul teži da dobije sferni oblik, smanjuje mu se površina, a privlačne sile slabe
Primer:n-butan
izobutan
Tklj., 0C -0,5 -12
n-pentan izopentanneopentan
36 28 9,5
Tačka topljenja
ne menja se pravilno kao tačka ključanja, jer intermolekulske sile u kristalu ne zavise samo od veličine molekula, već i od toga kako se molekul pakuje u kristalnu rešetku Ako se tačke topljenja nanesu na grafikon u zavisnosti od broja C-atoma, dobija se cik-cak krivau gornjim tačkama krive su tačke topljenja ugljovodonika s parnim brojem ugljenikovih atoma (bolje se “pakuju” u kristalne strukture), a u donjim s neparnim
Tk alkana C1-C20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-200
-150
-100
-50
0
50
Tač
ka to
plje
nja,
o C
Broj C-atoma
Rastvorljivost
Rastvorljivost “slično se u sličnom rastvara” rastvorni u nepolarnim ili slabo polarnim
rastvaračima, kao što su npr. petroletar, etar, hloroform, a nerastvorni u vodi i dr. polarnim rastvaračima
I sami odlični rastvarači (n-pentan i n-heksan)
Nalaženje alkana u prirodi i njihovo dobijanje
NaftaZemni gas“Močvarni gas”Metode za dobijanje nekog organskog jedinjenja Industrijske (proizvodnja velike količine krajnjeg
proizvoda po niskoj ceni)Laboratorijske
VremeMala količina supstanceČistoća supstance
Dobijanje alkana
1. Hidrogenizacijom alkena
RCH CHRPd ili NiH2/Pt, RCH2CH2R
2. Redukcijom alkil-halogenida • Redukcija metalom i kiselinom
RX + 2H RH + HX
• Hidroliza Grignard-ovog reagensa
RX + Mg RMgX RHH2O
Dobijanje alkana (nastavak)
RMgX je so vrlo slabe kiseline RH, koju istiskuje svaka jača kiselina, odnosno svako jedinjenje koje ima kiseliji vodonikov atom (voda, alkohol, fenol, kiselina)
MgX2
Mg(NH2)XMg(OR)X
Mg(OH)X
+RH
HX
HNH2
HOR
HOH
+RMgX
Dobijanje alkana (nastavak)
3. WURTZ-ova reakcija
+2RX2Na 2NaXR R
- dobijanje alkana sa većim brojem C-atoma od početnog RX;
- Rastvarači: etar ili 1,4-dioksan- Metoda je pogodna za dobijanje simetričnih
ugljovodonika
2 CH3CH2CH2CH2Br CH3(CH2)6CH3 + 2 NaBr2 Na
1-brombutan oktan
Dobijanje alkana (nastavak)
4. Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina i njihovih soli
• Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina daje bolji prinos
RCOO-Na+ CaO-NaOHRH + CO2
RCOOHCuO/Cr2O3
RH + CO2piridin
Hemijske reakcije alkana
Na sobnoj temperaturi inertna – slabo reaktivna – jedinjenja; otuda im i naziv parafini (latinski: parum affinis)
Pod oštrijim uslovima i prema određenim reagensima, alkani mogu biti vrlo reaktivni
Reakcije kojima podležu ne koriste se mnogo u laboratorijama, ali imaju veliku industrijsku primenu.
Reakcije alkana vrše se preko slobodnih radikala
Osnovni tip reakcija: supstitucija
1. Halogenovanje Do reakcije dolazi izlaganjem smeše alkana i halogena (najčešće Cl2 ili Br2) izvoru svetlosti, nekog drugog zračenja, ili toplote Ova reakcija teče slobodno radikalskim mehanizmom sa sledećim fazama: Početna faza
X2 E
2 X
Faze širenja + +HXRH .X R.
+ + .XR . RXX2
Završne fazeX + X X2
R + R R R
R + X RX
Sporedne reakcije kod halogenovanja
Sporedne reakcije i njihovi proizvodi su vrlo česta pojava kod supstitucionih reakcija
Primer: hlorovanje metana
HCl+CH
H
H
ClCH
H
H
H+Cl Cltoplota ili svetlost
Cl Cl + CH
H
H
Cl CCl
H
H
Cl + HCltoplota ili svetlost
2. NitrovanjeNitrovanje je reakcija pri kojoj se vodonikov atom alkana zamenjuje nitro-grupom, NO2
Za razliku od halogenovanja, pored raskidanja C-H veza ovde dolazi i do raskidanja C-C veza
Reakcija se može vršiti u gasnoj i u tečnoj fazi U tečnoj fazi se reakcija izvodi pod pritiskom i na temperaturi
od 140C, a dobijaju se polinitro-jedinjenja u gasnoj fazi: alkani se zagrevaju sa azotnom kiselinom ili
azotovim oksidima na 150 do 475C (zavisno od
ugljovodonika) pri čemu se dobija smeša mononitro-parafina
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2NO2 + CH3CHCH3 + CH3CH2NO2 + CH3NO2
NO2HNO3
Odlični su rastvarači, koriste se kao dodaci gorivu za specijalne trkačke i prototip motore, kao intermedijeri u sintezi lekova,
insekticida, eksploziva, itd.
3. Sulfonovanje
Lakoća zamenjivanja vodonikovog atoma je: 321
RH + H2SO4/SO3 R SO3H + H2O
4. Oksidacija U višku kiseonika ili vazduha, svi alkani lako sagorevaju dajući ugljendioksid i vodu, uz oslobađanje znatne količine energije
CnH2n+2 + 3n + 1
2O2 nCO2 + (n+1) H2O + H
Količina energije koja se oslobodi sagorevanjem 1 mola jedinjenja naziva se toplota sagorevanja
Toplota sagorevanja povećava se sa brojem C-atoma i to za oko 649 kJ/mol za svaku -CH2- grupu
Nepotpuna oksidacija
Do nepotpunog sagorevanja alkana dolazi u uslovima nedovoljne količine kiseonika ili vazduha. Proizvodi reakcije mogu biti ugljen-monoksid ili čak čist ugljenik
2 CH4 + 3O2 2 CO + 4 H2O
CH4 + O2 C + 2 H2O
Piroliza – krakovanje Piroliza alkana – razgradnja na visokoj temperaturi bez prisustva vazduha
1200oCCH4 C + 2 H2
Krakovanje se vrši radikalskim mehanizmom. metan:
CH41200oC C + 4 H
600oCC3H8 C2H4 + CH4
Piroliza etana i propanaEtanRaskida se i C-C veza (slabija od C-H veze)
CH3 CH3CH3
CH4 + CH3CH2
CH3CH2 C2H4 + H
H + CH3 CH3 CH3CH2 + H2
propanmoguće tri početne reakcije:
CH3CH2CH3
CH3CH2 + CH3
CH3CH2CH2 H+
CH3CHCH3 + H
Izomerizovanje Izomerizovanje je proces u kojem normalni alkani prelaze u račvaste izomere zagrevanjem u prisustvu katalizatora
CH3CH2CH2CH3 CH3
CH3
CH3CHkatalizator
27 o
20% 80%
proces je važan za proizvodnju goriva većeg oktanskog broja