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 alkanaEtan, propan, butan

H

CH

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

HH

H

H

H

H

HH

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 –anSvi 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 uočavaCH3 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 izobutanTklj., 0C -0,5 -12

n-pentan izopentan neopentan 36 28 9,5

Tačka topljenjane 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

Tačk

a 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 CHR Pd 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)XMg(OH)X

+RH

HXHNH2

HORHOH

+RMgX

Dobijanje alkana (nastavak)

3. WURTZ-ova reakcija

+2RX 2Na 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-NaOH RH + CO2

RCOOHCuO/Cr2O3 RH + CO2piridin

Hemijske reakcije alkanaNa 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 radikalaOsnovni 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 sagorevanjaToplota sagorevanja povećava se sa brojem C-atoma i to za oko 649 kJ/mol za svaku -CH2- grupu

Nepotpuna oksidacijaDo 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