Rozdělení uhlovodíků 1/8
Alkany a cykloalkany Obecné vzorce: alkany C n H 2n+2, cykloalkany C n H 2n, kde n je přirozené číslo Homologický přírustek: - CH 2 - Alkany přímé ( n - alkany) rozvětvené Primární, sekundární, terciární a kvarterní uhlíkový atom 1. Fyzikální vlastnosti C 1 až C 4 jsou plyny, C 5 až C 17 kapaliny, ostatní pevné látky jsou nerozpustné ve vodě alkany s nižším počtem C-atomů jsou hořlaviny, jejich směs se vzduchem je výbušná body varu rostou s rostoucí Mr a klesají s rozvětveností řetězce 2. Chemické vlastnosti málo reaktivní (označují se parafiny) nejsou náchylné k heterolýze ( obsahují vazby nepolární nebo slabě polární), nereagují s běžnými kyselinami (HCl, H 2 SO 4 ) ani s oxidačními činidly ( KMnO 4, K 2 Cr 2 O 4 ) reagují až za vyšší teploty a často jen v přítomnosti katalyzátoru 2.1 Substituce radikálová často probíhají za vyšších teplot, jsou provázeny homolýzou vazeb Například chlorace methanu: reakční mechanismus: 2/8
shrnutí: Nejsnadněji se štěpí vazba mezi vodíkem a terciárním uhlíkem (nejnižší disociační energie vazb C - H), nejhůře mezi vodíkem a nulárním uhlíkem (nejvyšší disociační energie vazby C - H) Stabilita radikálů: Ke stabilitě radikálů přispívají kladné indukční efekty uhlovodíkových zbytků 2.1.1 Halogenace výměna -H <-> -X jodace prakticky neprobíhá, ostatní ( fluorace, chlorace, bromace) jsou exotermní děje F 2 ---> (I 2 ) klesá reaktivita fluorace neupřednostňuje primární, sekundární ani terciární C-atom při chloraci a bromaci se nejsnadněji nahrazuje H na terciárnímc-atomu (při bromaci je přímo vyhledáván) 2.1.2 Sulfochlorace výměna -H <-> -SO 2 Cl alkylový radikál má schopnost reagovat s neutrální molekulou za vzniku složitějšího radikálu, který je základem pro syntézu některých sloučenin reakce je iniciována UV zářením, činidlem je chlor a SO 2 například sulfochlorace methanu shrnutí 3/8
2.1.3 Nitrace výměna -H <-> -NO 2 teplota 400-500 C nitrační činidlo: oxidy dusíku nebo HNO 3 reakci zahajuje oxid dusičitý, který má nepárový elektron (radikál), píšeme. Může tak tvořit dimer N 2 O 4. Mezi dimerem a monomerem existuje rovnováha, která je při vysokých teplotách posunuta ve prospěch monomeru. 2.2 Eliminační reakce 2.2.1 Termolýza vysoká teplota => homolýza vazby C - C => vznik dvou radikálů => stabilizace eliminací používá se při zpracování ropy - krakování 4/8
2.2.2 Dehydrogenace alkanů teplota 200-400 C, katalyzátor (Ni, Pt) 2.3 Spalování spalováním alkanů vzniká voda a CO 2 (za dostatku vzduchu), případně CO a C (za omezení přístupu vzduchu) např: spalování methanu Příklad: Kolik litrů kyslíku je třeba k úplnému spálení 1 litru methanu? 2.4 Izomerace alkanů přeměna nerozvětvených uhlovodíků na rozvětvené reakce uhlovodíků s chloridem hlinitým (případně jinými halogenidy hlinitými) za vyšší teploty (víc než 100 C) a za přítomnosti halogenalkanů, případně alkoholů používá se při úpravě benzinu (zvýšení oktanového čísla) například izomerace oktanu 5/8
3. Příprava a výroba alkanů a cykloalkanů 3.1 Katalytická hydrogenace nenasycených, případně aromatických uhlovodíků působením vodíku za přítomnosti katalyzátoru ( Pt, Ni, nebo směs oxidů CuO.Cr 2 O 3 ) kovy jsou pro katalýzu upravovány. Například Raneyův nikl se získává rozkladem slitiny Al a Ni roztokem alkalického hydroxidu. Raneyův nikl je samozápalný (uchovává se např. pod rozpouštědlem, v němž se provádí příslušná reakce). při různých teplotách (25 až 350 C) a tlaku (0,1 MPa až 40 MPa) 3.2 Katalytická hydrogenace cykloalkanů s malým počtem C-atomů v řetězci význam katalytické hydrogenace - výroba syntetického benzinu a mazacích olejů u tří až pětičlenných kruhů dochází k deformaci vazebných úhlů (ideální tetraedrický úhel je 109,5 ) => vnitřní pnutí => tří až pětičlenné cykly se otevírají, dochází k hydrogenolýze vazeb 3.3 Redukce alkylhalogenidů kovem působením zinku na alkylhalogenid v kyselém prostředí působením sodíku na alkylhalogenid v prostředí etheru => získáme alkany s dvojnásobným řetězcem než měl původní alkylhalogenid (Wurtzova syntéza) 6/8
3.4 Dekarboxylace solí karboxylových kyselin odstranění karboxylové skupiny provádí se termickým rozkladem směsi příslušné soli organické kyseliny s alkalickým hydroxidem připravený alkan má o jeden atom uhlíku méně něž sůl kyseliny 4. Zástupci Methan bezbarvý, hořlavý plyn, lehčí než vzduch. na vzduchu shoří namodralým plamenem na H 2 O a CO 2 výskyt : zemní plyn, ropa; důlní, bahenní a sopečné plyny příprava dekarboxylací sodné soli kyseliny octové rozkladem karbidu hliníku vodou reakce s vodní párou, částečná oxidace výroba ethynu (acetylenu), částečná oxidace Ethan použití: surovina pro výrobu rozpouštědel (halogenderiváty methanu), sazí, acetylenu, jako palivo vlastnosti podobné jako methan výskyt: zemní plyn výroba: katalytickou hydrogenací ethenu nebo ethynu příprava dekarboxylací sodné soli kyseliny propionové reakcí jodmethanu se sodíkem použití: výroba halogenderivátů, organických rozpouštědel Propan a butan hořlavé plyny výskyt: v malém množství v zemním plynu a ropě použití: butan na výrobu buta-1,3-dienu (výroba syntetického kaučuku), směs propan-butan jako palivo Kapalné alkany součást kapalných paliv a pohonných hmot Pevné alkany ve vazelinách, mazacích olejích, v parafinu 7/8
5. Konfigurace a konformace alkanů a cykloalkanů Stereochemie se zabývá prostorovou stavbou molekul a důsledky z toho vyplývajícími pro jejich chemickou reaktivitu. Konfigurace způsob řazení jednotlivých atomů spojených vazbami Konformace různá prostorová uspořádání molekul téže sloučeniny, která je umožněna vnitřní rotací molekul kolem jednoduchých vazeb. Jednotlivá prostorová uspořádání se od sebe liší hodnotou potenciální energie (neliší se konstitucí). části molekuly na sebe působí nevazebnými interakcemi (přitažlivé nebo odpudivé síly) => některé polohy částí molekul jsou zaujímány přednostně, protože některé konformace mají nižší energii (větší odpuzování částí molekul => vzrůst energie konformace) Perspektivní a projekční vzorce používají se pro znázornění jednotlivých konformací molekul Methan C v hybridizaci sp 3, tvar molekuly pomocí tetraedru, vazebný úhel 109,5 strukturu methanu objevili nezávisle na sobě Francouz Le Bel a Holanďan van Hoff Ethan dvě extrémní konformace zákrytová konformace - má nejvyšší energii nezákrytová konformace - má nejnižší energii (je výhodnější) Cyklické uhlovodíky ve tří až pětičlenných cyklech je deformován vazebný úhel (ideální tetraedrický úhel je 109,5 ) => zvýšení potenciální energie systému napětí kruhu - rozdíl mezi potenciální energií cykloalkanu a odpovídajícího alkanu Cyklohexan molekula není rovinná, je bez kruhového napětí (kdyby byla rovinná, bylo by velké pnutí, protože ideální tetraedrický úhel 109,5 by byl zdeformován na 120 ) tři konformace židličková konformace - je energeticky nejchudší (je nejvýhodnější, za normálních podmínek je víc než 99% molekul cyklohexanu v konformaci židličkové) vaničková konformace - je energeticky nejbohatší (je nejméně výhodná) konformace zkřížené vaničky 8/8