Tabulka reakcí uhlovodíků. Charakteristické chemické vlastnosti uhlovodíků. Reakční mechanismy. Struktura a vlastnosti uhlovodíků
Chemické vlastnosti alkanů
Alkany (parafiny) jsou necyklické uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou všechny atomy uhlíku spojeny pouze jednoduchými vazbami. Jinými slovy, v molekulách alkanů nejsou žádné vícenásobné, dvojné nebo trojné vazby. Alkany jsou ve skutečnosti uhlovodíky obsahující maximální možný počet atomů vodíku, a proto se nazývají limitující (nasycené).
Kvůli nasycení nemohou alkany vstupovat do adičních reakcí.
Protože atomy uhlíku a vodíku mají poměrně blízkou elektronegativitu, vede to ke skutečnosti, že vazby CH v jejich molekulách mají extrémně nízkou polaritu. V tomto ohledu jsou pro alkany příznačnější reakce probíhající podle mechanismu radikálové substituce, označené symbolem SR.
1. Substituční reakce
Při reakcích tohoto typu se přerušují vazby uhlík-vodík.
RH + XY → RX + HY
Halogenace
Alkany reagují s halogeny (chlorem a bromem) působením ultrafialového světla nebo silným teplem. V tomto případě vzniká směs halogenderivátů s různým stupněm substituce atomů vodíku - mono-, di-tri- atd. halogenem substituované alkany.
Na příkladu metanu to vypadá takto:
Změnou poměru halogen/methan v reakční směsi je možné zajistit, aby ve složení produktů převládal jakýkoli konkrétní halogenový derivát methanu.
reakční mechanismus
Analyzujme mechanismus substituční reakce volných radikálů na příkladu interakce metanu a chlóru. Skládá se ze tří fází:
- iniciace (neboli řetězová iniciace) - proces vzniku volných radikálů působením energie zvenčí - ozáření UV světlem nebo ohřevem. V této fázi dochází u molekuly chloru k homolytickému štěpení vazby Cl-Cl za vzniku volných radikálů:
Volné radikály, jak je vidět z obrázku výše, se nazývají atomy nebo skupiny atomů s jedním nebo více nepárovými elektrony (Cl, H, CH3, CH2 atd.);
2. Rozvoj řetězce
Tato fáze spočívá v interakci aktivních volných radikálů s neaktivními molekulami. V tomto případě se tvoří nové radikály. Zejména, když radikály chloru působí na molekuly alkanů, tvoří se alkylový radikál a chlorovodík. Alkylový radikál, který se srazí s molekulami chloru, vytváří derivát chloru a nový radikál chloru:
3) Přerušení (smrt) řetězu:
Vyskytuje se jako výsledek rekombinace dvou radikálů navzájem do neaktivních molekul:
2. Oxidační reakce
Za normálních podmínek jsou alkany inertní vůči tak silným oxidačním činidlům, jako jsou koncentrované kyseliny sírové a dusičné, manganistan a dichroman draselný (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Spalování v kyslíku
A) úplné spalování s přebytkem kyslíku. Vede k tvorbě oxidu uhličitého a vody:
CH4 + 202 \u003d CO2 + 2H20
B) nedokonalé spalování s nedostatkem kyslíku:
2CH4 + 302 \u003d 2CO + 4H20
CH4+02\u003d C + 2H20
Katalytická oxidace kyslíkem
V důsledku zahřívání alkanů kyslíkem (~200 o C) v přítomnosti katalyzátorů z nich lze získat širokou škálu organických produktů: aldehydy, ketony, alkoholy, karboxylové kyseliny.
Například metan, v závislosti na povaze katalyzátoru, může být oxidován na methylalkohol, formaldehyd nebo kyselinu mravenčí:
3. Tepelné přeměny alkanů
Praskání
Cracking (z angl. prasknout - roztrhat) je chemický proces probíhající při vysoké teplotě, v jehož důsledku se uhlíkový skelet molekul alkanů rozbije za vzniku molekul alkenů a alkanů s nižší molekulovou hmotností oproti původním alkanům. Například:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH2
Praskání může být tepelné nebo katalytické. Pro realizaci katalytického krakování se díky použití katalyzátorů používají výrazně nižší teploty oproti tepelnému krakování.
Dehydrogenace
K eliminaci vodíku dochází v důsledku přerušení vazeb CH; se provádí v přítomnosti katalyzátorů při zvýšených teplotách. Dehydrogenací metanu vzniká acetylen:
2CH4 -> C2H2 + 3H2
Zahřátí metanu na 1200 °C vede k jeho rozkladu na jednoduché látky:
CH4 -> C + 2H 2
Dehydrogenací jiných alkanů vznikají alkeny:
C2H6 -> C2H4 + H2
Při dehydrogenaci n- vznikají -butan, buten-1 a buten-2 (poslední ve formě cis- A trans-izomery):
Dehydrocyklizace
Izomerizace
Chemické vlastnosti cykloalkanů
Chemické vlastnosti cykloalkanů s více než čtyřmi atomy uhlíku v cyklech jsou obecně téměř totožné s vlastnostmi alkanů. Pro cyklopropan a cyklobutan jsou kupodivu charakteristické adiční reakce. To je způsobeno vysokým napětím uvnitř cyklu, což vede k tomu, že tyto cykly mají tendenci se zlomit. Takže cyklopropan a cyklobutan snadno přidávají brom, vodík nebo chlorovodík:
Chemické vlastnosti alkenů
1. Adiční reakce
Protože se dvojná vazba v molekulách alkenů skládá z jedné silné sigma vazby a jedné slabé vazby pi, jedná se o poměrně aktivní sloučeniny, které snadno vstupují do adičních reakcí. Alkeny do takových reakcí často vstupují i za mírných podmínek – v chladu, ve vodných roztocích a organických rozpouštědlech.
Hydrogenace alkenů
Alkeny jsou schopny přidávat vodík v přítomnosti katalyzátorů (platina, palladium, nikl):
CH 3-CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3-CH 2-CH 3
Hydrogenace alkenů probíhá snadno i za normálního tlaku a mírného zahřátí. Zajímavostí je, že stejné katalyzátory lze použít pro dehydrogenaci alkanů na alkeny, pouze proces dehydrogenace probíhá při vyšší teplotě a nižším tlaku.
Halogenace
Alkeny snadno vstupují do adiční reakce s bromem jak ve vodném roztoku, tak v organických rozpouštědlech. V důsledku interakce ztrácejí zpočátku žluté roztoky bromu barvu, tzn. odbarvit.
CH2 \u003d CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br
Hydrohalogenace
Je snadné vidět, že přidání halogenovodíku k nesymetrické molekule alkenu by teoreticky mělo vést ke směsi dvou izomerů. Například, když se bromovodík přidá k propenu, měly by se získat následující produkty:
Nicméně za nepřítomnosti specifických podmínek (například přítomnost peroxidů v reakční směsi) bude přidání molekuly halogenovodíku probíhat přísně selektivně v souladu s Markovnikovovým pravidlem:
K adici halogenovodíku na alken dochází tak, že vodík je navázán na atom uhlíku s větším počtem atomů vodíku (více hydrogenovaný) a halogen je navázán na atom uhlíku s menším počtem atomů vodíku. (méně hydrogenované).
Hydratace
Tato reakce vede k tvorbě alkoholů a také probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem:
Jak asi tušíte, vzhledem k tomu, že přidání vody k molekule alkenu probíhá podle Markovnikovova pravidla, je tvorba primárního alkoholu možná pouze v případě hydratace ethylenu:
CH2 \u003d CH2 + H20 -> CH3-CH2-OH
Právě touto reakcí se vyrábí hlavní množství ethylalkoholu ve velkokapacitním průmyslu.
Polymerizace
Specifickým případem adiční reakce je polymerační reakce, která na rozdíl od halogenace, hydrohalogenace a hydratace probíhá mechanismem volných radikálů:
Oxidační reakce
Jako všechny ostatní uhlovodíky, alkeny snadno hoří v kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody. Rovnice pro spalování alkenů v přebytku kyslíku má tvar:
CnH2n+ (3/2)n02 → nC02 + nH20
Na rozdíl od alkanů se alkeny snadno oxidují. Působením vodného roztoku KMnO 4 na alkeny dochází ke změně barvy, což je kvalitativní reakce na dvojné a trojné CC vazby v molekulách organických látek.
Oxidace alkenů manganistanem draselným v neutrálním nebo mírně alkalickém roztoku vede k tvorbě diolů (dvojmocných alkoholů):
C 2H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (chlazení)
V kyselém prostředí dochází k úplnému štěpení dvojné vazby s přeměnou atomů uhlíku, které vytvořily dvojnou vazbu, na karboxylové skupiny:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (zahřívání)
Pokud je dvojná vazba C=C na konci molekuly alkenu, pak vzniká oxid uhličitý jako oxidační produkt extrémního atomu uhlíku na dvojné vazbě. To je způsobeno skutečností, že meziprodukt oxidace, kyselina mravenčí, se snadno sám oxiduje v přebytku oxidačního činidla:
5CH 3 CH=CH 2 + 10 KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (zahřívání)
Při oxidaci alkenů, při které atom C na dvojné vazbě obsahuje dva uhlovodíkové substituenty, vzniká keton. Například oxidací 2-methylbutenu-2 vzniká aceton a kyselina octová.
K vytvoření jejich struktury se využívá oxidace alkenů, která naruší uhlíkový skelet na dvojné vazbě.
Chemické vlastnosti alkadienů
Adiční reakce
Například přidání halogenů:
Bromová voda se stává bezbarvou.
Za normálních podmínek dochází k adici atomů halogenu na koncích molekuly butadienu-1,3, zatímco vazby π jsou přerušeny, atomy bromu jsou připojeny k extrémním atomům uhlíku a volné valence tvoří novou vazbu π. Tedy jakoby došlo k „pohybu“ dvojné vazby. Při přebytku bromu lze na místo vytvořené dvojné vazby přidat ještě jednu molekulu bromu.
polymerační reakce
Chemické vlastnosti alkynů
Alkyny jsou nenasycené (nenasycené) uhlovodíky, a proto mohou vstupovat do adičních reakcí. Mezi adičními reakcemi pro alkyny je elektrofilní adice nejběžnější.
Halogenace
Protože se trojná vazba alkynových molekul skládá z jedné silnější sigma vazby a dvou slabších pí vazeb, jsou schopny připojit buď jednu nebo dvě molekuly halogenu. Adice dvou molekul halogenu jednou molekulou alkynu probíhá elektrofilním mechanismem postupně ve dvou fázích:
Hydrohalogenace
Adice halogenovodíkových molekul také probíhá elektrofilním mechanismem a dvoustupňově. V obou fázích přidávání probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem:
Hydratace
K adici vody na alkyny dochází v přítomnosti solí ruthia v kyselém prostředí a nazývá se Kucherovova reakce.
V důsledku hydratace přidáním vody do acetylenu vzniká acetaldehyd (acetický aldehyd):
U homologů acetylenu vede přidání vody k tvorbě ketonů:
Alkynová hydrogenace
Alkyny reagují s vodíkem ve dvou krocích. Kovy jako platina, palladium, nikl se používají jako katalyzátory:
Alkynová trimerizace
Když acetylen prochází přes aktivní uhlí při vysoké teplotě, vzniká z něj směs různých produktů, z nichž hlavní je benzen, produkt trimerace acetylenu:
Dimerizace alkynů
Acetylen také vstupuje do dimerizační reakce. Proces probíhá v přítomnosti solí mědi jako katalyzátorů:
Alkynová oxidace
Alkyny hoří v kyslíku:
CnH2n-2 + (3n-1) / 202 → nC02 + (n-1) H20
Interakce alkynů s bázemi
Alkyny s trojitým C≡C na konci molekuly jsou na rozdíl od jiných alkynů schopny vstupovat do reakcí, při kterých je atom vodíku v trojné vazbě nahrazen kovem. Například acetylen reaguje s amidem sodným v kapalném amoniaku:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
a také s roztokem amoniaku oxidu stříbrného za vzniku nerozpustných látek podobných solím nazývaných acetylenidy:
Díky této reakci je možné rozpoznat alkyny s koncovou trojnou vazbou a také takový alkyn izolovat ze směsi s jinými alkyny.
Je třeba poznamenat, že všechny acetylenidy stříbra a mědi jsou výbušné látky.
Acetylidy jsou schopny reagovat s halogenderiváty, čehož se využívá při syntéze složitějších organických sloučenin s trojnou vazbou:
CH3-C≡CH + NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Chemické vlastnosti aromatických uhlovodíků
Aromatická povaha vazby ovlivňuje chemické vlastnosti benzenů a dalších aromatických uhlovodíků.
Jediný 6pi elektronový systém je mnohem stabilnější než konvenční pí vazby. Proto jsou pro aromatické uhlovodíky charakteristické substituční reakce než reakce adiční. Areny vstupují do substitučních reakcí elektrofilním mechanismem.
Substituční reakce
Halogenace
Nitrace
Nitrační reakce probíhá nejlépe za působení nikoli čisté kyseliny dusičné, ale její směsi s koncentrovanou kyselinou sírovou, tzv. nitrační směsi:
Alkylace
Reakce, při které je jeden z atomů vodíku na aromatickém jádru nahrazen uhlovodíkovým radikálem:
Místo halogenovaných alkanů lze také použít alkeny. Jako katalyzátory lze použít halogenidy hliníku, halogenidy trojmocného železa nebo anorganické kyseliny.<
Adiční reakce
hydrogenace
Přírůstek chlóru
Při intenzivním ozáření ultrafialovým světlem probíhá radikálním mechanismem:
Podobně může reakce probíhat pouze s chlórem.
Oxidační reakce
Spalování
2C6H6 + 15O2 \u003d 12CO2 + 6H20 + Q
neúplná oxidace
Benzenový kruh je odolný vůči oxidačním činidlům, jako je KMnO 4 a K 2 Cr 2 O 7 . Reakce nejde.
Rozdělení substituentů v benzenovém kruhu na dva typy:
Zvažte chemické vlastnosti homologů benzenu za použití toluenu jako příkladu.
Chemické vlastnosti toluenu
Halogenace
Molekula toluenu může být považována za sestávající z fragmentů molekul benzenu a metanu. Proto je logické předpokládat, že chemické vlastnosti toluenu by měly do jisté míry spojovat chemické vlastnosti těchto dvou látek braných odděleně. To je přesně to, co je pozorováno při jeho halogenaci. Již víme, že benzen vstupuje do substituční reakce s chlorem elektrofilním mechanismem a k provedení této reakce je třeba použít katalyzátory (halogenidy hliníku nebo železa). Současně je metan také schopen reagovat s chlorem, ale mechanismem volných radikálů, což vyžaduje ozáření výchozí reakční směsi UV světlem. Toluen, v závislosti na podmínkách, za kterých prochází chlorací, je schopen poskytnout buď produkty substituce atomů vodíku v benzenovém kruhu - k tomu je třeba použít stejné podmínky jako při chloraci benzenu, nebo produkty substituce atomů vodíku v methylovém radikálu, pokud je na něm, jak působit na metan s chlorem při ozařování ultrafialovým zářením:
Jak můžete vidět, chlorace toluenu v přítomnosti chloridu hlinitého vedla ke dvěma různým produktům - ortho- a para-chlortoluenu. To je způsobeno skutečností, že methylový radikál je substituentem prvního druhu.
Pokud se chlorace toluenu v přítomnosti AlCl3 provádí v nadbytku chloru, je možná tvorba trichlorem substituovaného toluenu:
Podobně, když se toluen chloruje na světle při vyšším poměru chlor/toluen, lze získat dichlormethylbenzen nebo trichlormethylbenzen:
Nitrace
Substituce atomů vodíku za nitroskupinu během nitrace toluenu směsí koncentrované kyseliny dusičné a sírové vede k substitučním produktům v aromatickém jádru, a nikoli v methylovém radikálu:
Alkylace
Jak již bylo zmíněno, methylový radikál je orientantem prvního druhu, proto jeho Friedel-Craftsova alkylace vede k substitučním produktům v ortho a para polohách:
Adiční reakce
Toluen lze hydrogenovat na methylcyklohexan pomocí kovových katalyzátorů (Pt, Pd, Ni):
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H20
neúplná oxidace
Působením takového oxidačního činidla, jako je vodný roztok manganistanu draselného, postranní řetězec podléhá oxidaci. Aromatické jádro nelze za takových podmínek oxidovat. V tomto případě se v závislosti na pH roztoku vytvoří buď karboxylová kyselina nebo její sůl.
Limitní uhlovodíky mají ve svých molekulách pouze nízkopolární a slabě polarizující vazby, které jsou vysoce odolné, proto se za normálních podmínek jedná o látky, které jsou vůči polárním činidlům málo chemicky aktivní: neinteragují s koncentrovanými kyselinami, celky, alkalické kovy, oxidační činidla. To byl důvod jejich jména - parafíny. Parumaffinus je latinsky nepříbuzný. Jejich chemické přeměny probíhají především za zvýšených teplot a působením UV záření.
Existují tři hlavní typy reakcí nasycených uhlovodíků: substituce, oxidace a eliminace. Tyto reakce mohou probíhat buď přerušením vazby C-C (energie 83,6 kcal) nebo přerušením vazby C-H (energie 98,8 kcal/mol). Reakce často probíhají s přerušením vazby C-H, tk. je přístupnější působení činidla, i když vazba C-C vyžaduje ke štěpení méně energie. V důsledku takových reakcí se intermediárně tvoří velmi aktivní druhy - alifatické uhlovodíkové radikály.
Příprava a vlastnosti alifatických radikálů
1. K tvorbě volných radikálů při homolytickém štěpení vazeb C-C nebo C-H dochází při teplotě 300-700 °C nebo působením činidel pro volné radikály.
2. Životnost volných radikálů (rezistence) se zvyšuje z primárních na sekundární a terciární radikály:
b) Interakce s nenasycenými sloučeninami: k adici dochází také za vzniku nového radikálu:
CH3. + CH2 \u003d CH2CH3-CH2-CH2.
c) -rozpad - radikály s dlouhým uhlíkovým řetězcem se rozkládají s přerušením vazby C-C v poloze - na uhlík s nepárovým elektronem.
CH3-CH2: CH2-CH2. CH3-CH2. + CH 2 \u003d CH 2
d) Disproporcionace - redistribuce vodíku spojená s -rozpadem podél vazby C-H:
| + CH3-CH2. | + CH3-CH3 |
e) Rekombinace - spojení volných radikálů mezi sebou
CH 3. + CH3. CH3-CH3
Když známe vlastnosti chování volných radikálů, snáze pochopíme základní zákony specifických reakcí nasycených uhlovodíků.
Píši. substituční reakce
1. Halogenační reakce. Nejúčinnějším činidlem je fluor. Přímá fluorace má za následek výbuch. Reakce chlorace. Mohou probíhat působením molekul chlóru na světle již při pokojové teplotě. Reakce probíhá podle mechanismu řetězce volných radikálů a zahrnuje následující hlavní fáze:
a) první pomalá fáze - řetězová iniciace:
Cl:ClCl. +Cl.
R: H+. Cl HCl + R.
b) vývoj řetězce - tvorba reakčních produktů se současnou tvorbou volných radikálů, které pokračují v řetězovém procesu:
R. + Cl: Cl RCl + Cl.
R:H+Cl. HCl+R.
c) otevřený okruh:
Od CI. činidlo je aktivní, může atakovat molekulu již získaného derivátu chloru, v důsledku toho vzniká směs mono- a polyhalogenovaných sloučenin. Například:
CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4
methylchlorid –HCl -HCl -HCl
methylenchlorid chloroform čtyři-
chlorid uhličitý
Bromační reakce postupuje mnohem obtížněji, protože brom je méně aktivní než chlor a reaguje hlavně tvorbou stabilnějších terciárních nebo sekundárních radikálů. V tomto případě druhý atom bromu obvykle vstupuje do polohy sousedící s prvním, hlavně na sekundárním uhlíku.
jodační reakce prakticky neprosakují, protože HI redukuje výsledné alkyljodidy.
2. Nitrace- substituce atomu H skupinou NO 2 působením kyseliny dusičné. Prochází působením zředěné kyseliny dusičné (12%) při vysoké teplotě 150 ° C pod tlakem (Konovalovova reakce). Parafiny izostruktury reagují snadněji, tk. substituce nastává snadněji na terciárním atomu uhlíku:
Mechanismus nitrační reakce je spojen se střední tvorbou volných radikálů. Iniciace je usnadněna částečně probíhajícím oxidačním procesem:
RH + HONO 2 ROH + HONO
kyselina dusitá
HONO + HONO 2 HOH + 2 . NE 2
| + . NE 2 |
CH3-C-CH3+. N02CH3-C-CH3 + HN02
CH3-C-CH3+. N02CH3-C-CH3
těch. radikálová reakce nitrace uhlovodíků nemá řetězový charakter.
II typ. Oxidační reakce
Za normálních podmínek parafíny neoxidují ani kyslík, ani silná oxidační činidla (KMnO 4, HNO 3, K 2 Cr 2 O 7 atd.).
Při zavádění otevřeného plamene do směsi uhlovodíku se vzduchem dojde k úplné oxidaci (spálení) uhlovodíku na CO 2 a H 2 O. Zahřívání nasycených uhlovodíků ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem za přítomnosti katalyzátorů pro oxidaci MnO 2 a dalších do teploty 300 °C vede k jejich oxidaci za vzniku peroxidových sloučenin. Reakce probíhá mechanismem řetězových volných radikálů.
A: R: HR . +H. iniciace okruhu
R:R. + O: :O: R-O-O.
R-O-O. + R: H R-O-O-H + R.
alkanhydroperoxid
O:R-O-O. +R. Přerušený obvod R-O-O-R
alkanperoxid
Nejsnáze oxidují terciární jednotky, obtížněji sekundární a ještě obtížněji primární. Vzniklé hydroperoxidy se rozkládají.
Primární hydroperoxidy při rozkladu tvoří aldehydy nebo primární alkohol, například:
CH3-C-C-O: O-H CH3-C-O. + . OH CH3-C \u003d O + H20
ethanhydroperoxid acetaldehyd
CH3-CH3
boční
CH3-CH2OH + CH3-CH2.
Sekundární hydroperoxidy při rozkladu tvoří ketony nebo sekundární alkoholy, například:
CH3-C-O:OH CH3-C-O. + . OH H20 + CH3-C \u003d O
CH 3 CH 3 CH 3
propanhydroperoxid
CH3-CH2-CH3
boční
CH3-CH-OH + CH3-. CH-CH 3
isopropylalkohol
Terciární hydroperoxidy tvoří ketony, stejně jako primární a terciární alkoholy, například:
CH 3 CH 3 CH 3
CH3-C-CH3CH3-C: CH3+. OH CH3OH + CH3-C \u003d O
hydroperoxid isobutanu
CH3-CH-CH3
boční
Isobutan
CH3-C-CH3+ CH3-C-CH3
terc-butylalkohol
Jakýkoli hydroperoxid se může také rozkládat za uvolnění atomárního kyslíku: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],
která jde do další oxidace:
CH3-C+[0]CH3-C-OH
Proto kromě alkoholů, aldehydů a ketonů vznikají karboxylové kyseliny.
Volbou reakčních podmínek je možné získat jakýkoli produkt. Například: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.
DIENY UHLOVODÍKY (ALKADIENY)
Dienové uhlovodíky nebo alkadieny jsou nenasycené uhlovodíky obsahující dvě dvojné vazby uhlík-uhlík. Obecný vzorec alkadienů je CnH2n-2.
V závislosti na vzájemném uspořádání dvojných vazeb se dieny dělí na tři typy:
1) uhlovodíky s kumulované dvojné vazby, tzn. sousedící s jedním atomem uhlíku. Například propadien nebo allen CH2=C=CH2;
2) uhlovodíky s izolovaný dvojné vazby, tj. oddělené dvěma nebo více jednoduchými vazbami. Například pentadien -1,4 CH2 \u003d CH–CH2-CH \u003d CH2;
3) uhlovodíky s konjugovaný dvojné vazby, tzn. odděleny jedním odkazem. Například butadien -1,3 nebo divinyl CH 2 \u003d CH–CH \u003d CH 2, 2-methylbutadien -1,3 nebo isopren
2) dehydrogenace a dehydratace ethylalkoholu průchodem alkoholových par přes zahřáté katalyzátory (metoda akademika S.V. Lebedeva)
2CH 3 CH 2 OH - - ~ 450 ° С; ZnO, Al2O3 ® CH 2 \u003d CH - CH \u003d CH2 + 2H20 + H2
Fyzikální vlastnosti
Chemické vlastnosti
Atomy uhlíku v molekule 1,3-butadienu jsou v hybridním stavu sp 2, což znamená, že tyto atomy jsou umístěny ve stejné rovině a každý z nich má jeden p-orbital obsazený jedním elektronem a umístěný kolmo k uvedené rovině. .
| A) | b) |
| Schematické znázornění struktury molekul didivinylu (a) a pohled shora na model (b). Překrytí elektronových mraků mezi C1-C2 a C3-C4 je větší než mezi C2-C3. |
|
p-Orbitaly všech atomů uhlíku se navzájem překrývají, tzn. nejen mezi prvním a druhým, třetím a čtvrtým atomem, ale také mezi druhým a třetím atomem. To ukazuje, že vazba mezi druhým a třetím atomem uhlíku není jednoduchá s-vazba, ale má určitou hustotu p-elektronů, tzn. slabá dvojná vazba. To znamená, že s-elektrony nepatří k přesně definovaným párům atomů uhlíku. V molekule nejsou jednoduché a dvojné vazby v klasickém slova smyslu a je pozorována delokalizace p-elektronů, tzn. rovnoměrné rozložení hustoty p-elektronů v celé molekule s vytvořením jediného mraku p-elektronů.
Interakce dvou nebo více sousedních p-vazeb za vzniku jediného p-elektronového oblaku, jejímž výsledkem je přenos interakce atomů v tomto systému, se nazývá konjugační efekt.
Molekula -1,3 butadienu je tedy charakterizována systémem konjugovaných dvojných vazeb.
Tato vlastnost ve struktuře dienových uhlovodíků je činí schopnými přidávat různá činidla nejen k sousedním atomům uhlíku (1,2-adice), ale také ke dvěma koncům konjugovaného systému (1,4-adice) za vzniku dvojná vazba mezi druhým a třetím atomem uhlíku. Všimněte si, že 1,4-adiční produkt je velmi často hlavním produktem.
Zvažte reakce halogenace a hydrohalogenace konjugovaných dienů.
Polymerace dienových sloučenin
Ve zjednodušené formě lze polymerační reakci -1,3 butadienu podle adičního schématu 1,4 znázornit následovně:
| ––––® | . |
Na polymeraci se podílejí obě dvojné vazby dienu. Během reakce se rozbijí, oddělí se páry elektronů, které tvoří s-vazby, a poté se každý nepárový elektron podílí na tvorbě nových vazeb: elektrony druhého a třetího atomu uhlíku v důsledku zobecnění dávají dvojná vazba a elektrony extrémních atomů uhlíku v řetězci, když se zobecní s elektrony, odpovídající atomy jiné molekuly monomeru spojí monomery do polymerního řetězce.
Elementární buňka polybutadienu je reprezentována takto:
.Jak je vidět, výsledný polymer se vyznačuje trans- konfigurace elementární buňky polymeru. Prakticky nejcennější produkty se však získávají stereoregulární (jinými slovy prostorově uspořádanou) polymerací dienových uhlovodíků podle 1,4-adičního schématu za vzniku cís- konfigurace polymerního řetězce. Například, cis- polybutadien
.Přírodní a syntetické kaučuky
Přírodní kaučuk se získává z mléčné mízy (latexu) kaučukovníku Hevea, který roste v deštných pralesích Brazílie.
Při zahřívání bez přístupu vzduchu se kaučuk rozkládá za vzniku dienového uhlovodíku - 2-methylbutadien-1,3 nebo isoprenu. Kaučuk je stereoregulární polymer, ve kterém jsou molekuly isoprenu navzájem spojeny v 1,4-adičním schématu s cís- konfigurace polymerního řetězce:
Molekulová hmotnost přírodního kaučuku se pohybuje od 7 . 10 4 až 2,5 . 10 6 .
trans- Isoprenový polymer se přirozeně vyskytuje také ve formě gutaperči.
Přírodní kaučuk má jedinečný soubor vlastností: vysokou tekutost, odolnost proti opotřebení, přilnavost, nepropustnost pro vodu a plyny. Aby guma získala potřebné fyzikální a mechanické vlastnosti: pevnost, pružnost, odolnost vůči rozpouštědlům a agresivnímu chemickému prostředí, je pryž vulkanizována zahřátím na 130-140 °C se sírou. Ve zjednodušené formě lze proces vulkanizace pryže znázornit takto:
Atomy síry se připojí v místě přerušení některých dvojných vazeb a lineární molekuly kaučuku se „zesíťují“ do větších trojrozměrných molekul – získá se kaučuk, který je mnohem pevnější než kaučuk nevulkanizovaný. Pryže plněné aktivními sazemi se používají při výrobě pneumatik pro automobily a dalších pryžových výrobků.
V roce 1932 vyvinul S.V.Lebedev metodu syntézy syntetického kaučuku na bázi butadienu získaného z alkoholu. A teprve v padesátých letech provedli domácí vědci katalytickou stereopolymerizaci dienových uhlovodíků a získali stereoregulární kaučuk, který se svými vlastnostmi podobá přírodnímu kaučuku. V současnosti se kaučuk vyrábí v průmyslu,
Charakteristické chemické vlastnosti uhlovodíků: alkany, alkeny, dieny, alkyny, aromatické uhlovodíky
Alkany
Alkany jsou uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou atomy spojeny jednoduchými vazbami a které odpovídají obecnému vzorci $C_(n)H_(2n+2)$.
Homologní řada metanu
Jak už víte, homology jsou látky, které mají podobnou strukturu a vlastnosti a liší se jednou nebo více skupinami $CH_2$.
Limitní uhlovodíky tvoří homologní řadu metanu.
Isomerie a nomenklatura
Alkany se vyznačují tzv. strukturní izomerií. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Jak již víte, nejjednodušším alkanem, který se vyznačuje strukturními izomery, je butan:
Podívejme se podrobněji na základy nomenklatury IUPAC pro alkany:
1. Výběr hlavního okruhu.
Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule, který je jakoby jeho základem.
2.
Atomům hlavního řetězce jsou přiřazena čísla. Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce nejblíže k substituentu (struktury A, B). Pokud jsou substituenty ve stejné vzdálenosti od konce řetězce, pak číslování začíná od konce, na kterém je jich více (struktura B). Pokud jsou různé substituenty ve stejné vzdálenosti od konců řetězce, pak číslování začíná od konce, ke kterému je starší z nich blíže (struktura G). Seniorita uhlovodíkových substituentů je určena pořadím, ve kterém následuje v abecedě písmeno, kterým jejich název začíná: methyl (—$CH_3$), poté propyl ($—CH_2—CH_2—CH_3$), ethyl ($—CH_2 —CH_3$) atd.
Všimněte si, že název náhrady je tvořen nahrazením přípony -en k dovětku -bahno ve jménu odpovídajícího alkanu.
3. Tvoření jména.
Na začátku názvu jsou uvedena čísla - počty atomů uhlíku, na kterých se nacházejí substituenty. Pokud je na daném atomu několik substituentů, pak se odpovídající číslo v názvu opakuje dvakrát, oddělené čárkami ($2,2-$). Za číslem spojovník označuje počet substituentů ( di- dva, tři- tři, tetra- čtyři, penta- pět) a jméno zástupce ( methyl, ethyl, propyl). Pak bez mezer a pomlček - název hlavního řetězce. Hlavní řetězec se nazývá uhlovodík - člen homologní řady metanu ( metan, etan, propan atd.).
Názvy látek, jejichž strukturní vzorce jsou uvedeny výše, jsou následující:
- struktura A: $2$ -methylpropan;
- Struktura B: 3 $ -ethylhexan;
- Struktura B: $2,2,4$ -trimethylpentan;
- struktura Г: $2$ -methyl$4$-ethylhexan.
Fyzikální a chemické vlastnosti alkanů
fyzikální vlastnosti. První čtyři zástupci homologní řady metanu jsou plyny. Nejjednodušší z nich je metan - bezbarvý plyn bez chuti a zápachu (zápach plynu, při jeho přičichnutí je třeba zavolat $ 104 $, je určen zápachem merkaptanů - sloučenin obsahujících síru, speciálně přidávaných do metanu používaného v domácnostech a domácnostech). průmyslové plynové spotřebiče, aby lidé v jejich blízkosti cítili únik).
Uhlovodíky o složení od $С_5Н_(12)$ do $С_(15)Н_(32)$ jsou kapaliny; těžší uhlovodíky jsou pevné látky.
Teploty varu a tání alkanů se postupně zvyšují s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Všechny uhlovodíky jsou špatně rozpustné ve vodě, kapalné uhlovodíky jsou běžná organická rozpouštědla.
Chemické vlastnosti.
1. substituční reakce. Nejcharakterističtější pro alkany jsou substituční reakce volných radikálů, během kterých je atom vodíku nahrazen atomem halogenu nebo nějakou skupinou.
Uveďme rovnice nejcharakterističtějších reakcí.
Halogenace:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
V případě přebytku halogenu může chlorace jít dále, až k úplnému nahrazení všech atomů vodíku chlorem:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"dichlormethan(methylenchlorid)")$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"trichlormethan(chloroform)")$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"tetrachlormethan(tetrachlormethan)")$.
Výsledné látky jsou široce používány jako rozpouštědla a výchozí materiály v organické syntéze.
2. Dehydrogenace (eliminace vodíku). Při průchodu alkanů přes katalyzátor ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) při vysoké teplotě ($400-600°C$) se odštěpí molekula vodíku a vznikne alken:
$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$
3. Reakce doprovázené destrukcí uhlíkového řetězce. Všechny nasycené uhlovodíky hoří s tvorbou oxidu uhličitého a vody. Plynné uhlovodíky smíchané se vzduchem v určitých poměrech mohou explodovat. Spalování nasycených uhlovodíků je volnoradikálová exotermická reakce, která má velký význam při použití alkanů jako paliva:
$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$
Obecně lze spalovací reakci alkanů zapsat takto:
$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Tepelný rozklad uhlovodíků:
$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$
Proces probíhá podle mechanismu volných radikálů. Zvýšení teploty vede k homolytickému roztržení vazby uhlík-uhlík a tvorbě volných radikálů:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R—R—CH_2CH_2+CH_2—R$.
Tyto radikály vzájemně interagují, vyměňují si atom vodíku a tvoří molekulu alkanu a molekulu alkenu:
$R—CH_2CH_2+CH_2—R—R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Tepelné štěpící reakce jsou základem průmyslového procesu - krakování uhlovodíků. Tento proces je nejdůležitější fází rafinace ropy.
Když se metan zahřeje na teplotu $1000°C$, začne pyrolýza metanu - rozklad na jednoduché látky:
$CH_4(→)↖(1000 °C)C+2H_2$
Při zahřátí na teplotu $1500°C$ je možná tvorba acetylenu:
$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$
4. Izomerizace. Při zahřívání lineárních uhlovodíků s izomerizačním katalyzátorem (chlorid hlinitý) vznikají látky s rozvětveným uhlíkovým skeletem:
5. Aromatizace. Alkany se šesti nebo více atomy uhlíku v řetězci v přítomnosti katalyzátoru jsou cyklizovány za vzniku benzenu a jeho derivátů:
Jaký je důvod, že alkany vstupují do reakcí probíhajících podle mechanismu volných radikálů? Všechny atomy uhlíku v molekulách alkanů jsou ve stavu hybridizace $sp^3$. Molekuly těchto látek jsou budovány pomocí kovalentních nepolárních vazeb $C—C$ (uhlík—uhlík) a slabě polárních vazeb $C—H$ (uhlík—vodík). Neobsahují oblasti s vysokou a nízkou elektronovou hustotou, snadno polarizovatelné vazby, tzn. takové vazby, jejichž elektronová hustota se může posunout vlivem vnějších faktorů (elektrostatická pole iontů). Proto alkany nebudou reagovat s nabitými částicemi, protože vazby v molekulách alkanů nejsou porušeny heterolytickým mechanismem.
alkeny
Mezi nenasycené uhlovodíky patří uhlovodíky obsahující vícenásobné vazby mezi atomy uhlíku v molekulách. Neomezené jsou alkeny, alkadieny (polyeny), alkyny. Cyklické uhlovodíky obsahující dvojnou vazbu v cyklu (cykloalkeny), stejně jako cykloalkany s malým počtem atomů uhlíku v cyklu (tři nebo čtyři atomy) mají rovněž nenasycený charakter. Vlastnost nenasycenosti je spojena se schopností těchto látek vstupovat do adičních reakcí, především vodíku, za vzniku nasycených neboli nasycených uhlovodíků - alkanů.
Alkeny jsou acyklické uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb jednu dvojnou vazbu mezi atomy uhlíku a odpovídající obecnému vzorci $C_(n)H_(2n)$.
Jeho druhé jméno olefiny- alkeny byly získány analogicky s nenasycenými mastnými kyselinami (olejová, linolová), jejichž zbytky jsou součástí tekutých tuků - olejů (z lat. oleum- olej).
Homologní řada ethenu
Nevětvené alkeny tvoří homologní řadu ethenu (ethylenu):
$C_2H_4$ je ethen, $C_3H_6$ je propen, $C_4H_8$ je buten, $C_5H_(10)$ je penten, $C_6H_(12)$ je hexen atd.
Isomerie a nomenklatura
Pro alkeny, stejně jako pro alkany, je charakteristická strukturní izomerie. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Nejjednodušší alken, který se vyznačuje strukturními izomery, je buten:
Zvláštním typem strukturní izomerie je izomerie polohy dvojné vazby:
$CH_3—(CH_2)↙(buten-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(buten-2)—CH_3$
Kolem jediné vazby uhlík-uhlík je možná téměř volná rotace atomů uhlíku, takže molekuly alkanů mohou nabývat nejrůznějších tvarů. Rotace kolem dvojné vazby je nemožná, což vede ke vzniku jiného typu izomerie v alkenech - geometrické nebo cis-trans izomerie.
cis- izomery se liší od trans- izomery prostorovým uspořádáním fragmentů molekuly (v tomto případě methylových skupin) vzhledem k rovině $π$-vazby a následně vlastnostmi.
Alkeny jsou izomerní k cykloalkanům (mezitřídní izomerie), například:
Nomenklatura alkenů vyvinutá IUPAC je podobná názvosloví alkanů.
1. Výběr hlavního okruhu.
Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule. V případě alkenů musí hlavní řetězec obsahovat dvojnou vazbu.
2. Atomové číslování hlavního řetězce.
Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce, ke kterému je dvojná vazba nejblíže. Správný název připojení je například:
$5$-methylhexen-$2$, nikoli $2$-methylhexen-$4$, jak by se dalo očekávat.
Není-li možné určit začátek číslování atomů v řetězci podle polohy dvojné vazby, pak je určen polohou substituentů, stejně jako u nasycených uhlovodíků.
3. Tvoření jména.
Názvy alkenů se tvoří stejným způsobem jako názvy alkanů. Na konci názvu uveďte číslo atomu uhlíku, na kterém začíná dvojná vazba, a příponu označující, že sloučenina patří do třídy alkenů - -en.
Například:
Fyzikální a chemické vlastnosti alkenů
fyzikální vlastnosti. První tři zástupci homologní řady alkenů jsou plyny; látky složení $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ jsou kapaliny; vyšší alkeny jsou pevné látky.
Teploty varu a tání se přirozeně zvyšují se zvyšující se molekulovou hmotností sloučenin.
Chemické vlastnosti.
Adiční reakce. Připomeňme, že charakteristickým rysem zástupců nenasycených uhlovodíků - alkenů je schopnost vstupovat do adičních reakcí. Většina těchto reakcí probíhá mechanismem
1. hydrogenace alkenů. Alkeny jsou schopny přidávat vodík za přítomnosti hydrogenačních katalyzátorů, kovy - platina, palladium, nikl:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Tato reakce probíhá za atmosférického a zvýšeného tlaku a nevyžaduje vysokou teplotu, protože je exotermický. Se zvýšením teploty na stejných katalyzátorech může dojít k opačné reakci, dehydrogenaci.
2. Halogenace (adice halogenů). Interakce alkenu s bromovou vodou nebo roztokem bromu v organickém rozpouštědle ($CCl_4$) vede k rychlému odbarvení těchto roztoků v důsledku přidání molekuly halogenu k alkenu a vzniku dihalogenalkanů:
$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-(CH)↙(propen)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-brompropen)-CH_3$
Tato reakce podléhá Markovnikovovo pravidlo:
Když se k alkenu přidá halogenovodík, vodík je navázán na více hydrogenovaný atom uhlíku, tzn. atom, na kterém je více atomů vodíku, a halogen - k méně hydrogenovanému.
Hydratace alkenů vede k tvorbě alkoholů. Například přidání vody do ethenu je základem jedné z průmyslových metod výroby ethylalkoholu:
$(CH_2)↙(ethen)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(ethanol)$
Všimněte si, že primární alkohol (s hydroxoskupinou na primárním uhlíku) se tvoří pouze tehdy, když je ethen hydratován. Při hydrataci propenu nebo jiných alkenů se tvoří sekundární alkoholy.
I tato reakce probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem – vodíkový kationt je navázán na více hydrogenovaný atom uhlíku a hydroxoskupina na méně hydrogenovaný.
5. Polymerizace. Speciálním případem adice je polymerační reakce alkenů:
$nCH_2(=)↙(ethen)CH_2(→)↖(UV světlo,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(polyethylen)...)_n$
Tato adiční reakce probíhá mechanismem volných radikálů.
6. Oxidační reakce.
Jako všechny organické sloučeniny, alkeny spalují v kyslíku za vzniku $CO_2$ a $H_2O$:
$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.
Obecně:
$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$
Na rozdíl od alkanů, které jsou odolné vůči oxidaci v roztocích, se alkeny snadno oxidují působením roztoků manganistanu draselného. V neutrálních nebo alkalických roztocích jsou alkeny oxidovány na dioly (dvojsytné alkoholy) a hydroxylové skupiny jsou připojeny k těm atomům, mezi kterými existovala před oxidací dvojná vazba:
Alkadieny (dienové uhlovodíky)
Alkadieny jsou acyklické uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb i dvě dvojné vazby mezi atomy uhlíku a odpovídající obecnému vzorci $C_(n)H_(2n-2)$.
V závislosti na vzájemném uspořádání dvojných vazeb existují tři typy dienů:
- alkadieny s kumulované uspořádání dvojných vazeb:
- alkadieny s konjugovaný dvojné vazby;
$CH_2=CH-CH=CH_2$;
- alkadieny s izolovaný dvojné vazby
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Všechny tři typy alkadienů se od sebe výrazně liší strukturou a vlastnostmi. Centrální atom uhlíku (atom, který tvoří dvě dvojné vazby) v alkadienech s kumulovanými vazbami je ve stavu $sp$-hybridizace. Tvoří dvě $σ$-vazby ležící na stejné přímce a směřující v opačných směrech a dvě $π$-vazby ležící v kolmých rovinách. $π$-vazby se tvoří díky nehybridizovaným p-orbitalům každého atomu uhlíku. Vlastnosti alkadienů s izolovanými dvojnými vazbami jsou velmi specifické, protože konjugované $π$-vazby se navzájem významně ovlivňují.
p-Orbitaly tvořící konjugované $π$-vazby tvoří prakticky jediný systém (nazývá se $π$-systém), protože p-orbitaly sousedních $π$-vazeb se částečně překrývají.
Isomerie a nomenklatura
Alkadieny se vyznačují jak strukturní izomerií, tak cis- a trans-izomerií.
Strukturní izomerie.
— izomerie uhlíkového skeletu:
— izomerie polohy vícenásobných vazeb:
$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(butadien-1,2)$
cis-, trans- izomerie (prostorová a geometrická)
Například:
Alkadieny jsou izomerní sloučeniny tříd alkynů a cykloalkenů.
Při tvorbě názvu alkadienu jsou uvedeny počty dvojných vazeb. Hlavní řetězec musí nutně obsahovat dvě násobné vazby.
Například:
Fyzikální a chemické vlastnosti alkadienů
fyzikální vlastnosti.
Za normálních podmínek jsou propandien-1,2, butadien-1,3 plyny, 2-methylbutadien-1,3 je těkavá kapalina. Alkadieny s izolovanými dvojnými vazbami (nejjednodušší z nich je pentadien-1,4) jsou kapaliny. Vyšší dieny jsou pevné látky.
Chemické vlastnosti.
Chemické vlastnosti alkadienů s izolovanými dvojnými vazbami se jen málo liší od vlastností alkenů. Alkadieny s konjugovanými vazbami mají některé speciální vlastnosti.
1. Adiční reakce. Alkadieny jsou schopné přidávat vodík, halogeny a halogenovodíky.
Znakem adice na alkadieny s konjugovanými vazbami je schopnost vázat molekuly jak v polohách 1 a 2, tak v polohách 1 a 4.
Poměr produktů závisí na podmínkách a způsobu provádění odpovídajících reakcí.
2.polymerační reakce. Nejdůležitější vlastností dienů je schopnost polymerace pod vlivem kationtů nebo volných radikálů. Polymerace těchto sloučenin je základem syntetických kaučuků:
$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2- ...)_n)↙(\text"syntetický butadienový kaučuk")$ .
Polymerace konjugovaných dienů probíhá jako 1,4-adice.
V tomto případě se dvojná vazba ukáže jako centrální ve vazbě a elementární vazba zase může mít obě cis-, a trans- konfigurace.
alkyny
Alkyny jsou acyklické uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb jednu trojnou vazbu mezi atomy uhlíku a odpovídající obecnému vzorci $C_(n)H_(2n-2)$.
Homologní řada ethine
Nevětvené alkyny tvoří homologní řadu ethynu (acetylenu):
$C_2H_2$ - ethyn, $C_3H_4$ - propin, $C_4H_6$ - butin, $C_5H_8$ - pentin, $C_6H_(10)$ - hexin atd.
Isomerie a nomenklatura
Pro alkyny, stejně jako pro alkeny, je charakteristická strukturní izomerie: izomerie uhlíkového skeletu a izomerie polohy násobné vazby. Nejjednodušším alkynem, který je charakterizován strukturními izomery v poloze vícenásobné vazby třídy alkynů, je butin:
$CH_3—(CH_2)↙(butyn-1)—C≡CH$ $CH_3—(C≡C)↙(butyn-2)—CH_3$
Izomerie uhlíkového skeletu v alkynech je možná, počínaje pentynem:
Protože trojná vazba předpokládá lineární strukturu uhlíkového řetězce, geometrický ( cis-, trans-) izomerie není u alkynů možná.
Přítomnost trojné vazby v molekulách uhlovodíků této třídy je vyjádřena příponou -v, a jeho pozice v řetězci - počet atomu uhlíku.
Například:
Alkyny jsou izomerní sloučeniny některých dalších tříd. Takže hexin (alkyn), hexadien (alkadien) a cyklohexen (cykloalken) mají chemický vzorec $С_6Н_(10)$:
Fyzikální a chemické vlastnosti alkynů
fyzikální vlastnosti. Teploty varu a tání alkynů, stejně jako alkenů, se přirozeně zvyšují se zvyšováním molekulové hmotnosti sloučenin.
Alkyny mají specifický zápach. Jsou rozpustnější ve vodě než alkany a alkeny.
Chemické vlastnosti.
Adiční reakce. Alkyny jsou nenasycené sloučeniny a vstupují do adičních reakcí. V podstatě jde o reakce. elektrofilní adice.
1. Halogenace (přidání molekuly halogenu). Alkyn je schopen připojit dvě molekuly halogenu (chlor, brom):
$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-dibromethan),$
$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-tetrabromethan)$
2. Hydrohalogenace (přídavek halogenovodíku). Adiční reakce halogenovodíku, probíhající podle elektrofilního mechanismu, také probíhá ve dvou stupních a v obou stupních je splněno Markovnikovovo pravidlo:
$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-brompropen),$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-dibrompropan)$
3. Hydratace (přídavek vody). Velký význam pro průmyslovou syntézu ketonů a aldehydů má reakce adiční vody (hydratace), která je tzv Reakce Kučerova:
4. hydrogenace alkynů. Alkyny přidávají vodík v přítomnosti kovových katalyzátorů ($Pt, Pd, Ni$):
$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$
Protože trojná vazba obsahuje dvě reaktivní $π$ vazby, alkany přidávají vodík v krocích:
1) trimerizace.
Když ethyn prochází přes aktivní uhlí, vytvoří se směs produktů, z nichž jedním je benzen:
2) dimerizace.
Kromě trimerizace acetylenu je možná i jeho dimerizace. Působením jednomocných solí mědi vzniká vinylacetylen:
$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"buten-1-yn-3(vinylacetylen)")$
Tato látka se používá k výrobě chloroprenu:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(chloropren)=CH_2$
jehož polymerací vzniká chloroprenový kaučuk:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Alkynová oxidace.
Ethin (acetylen) hoří v kyslíku za uvolňování velmi velkého množství tepla:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Tato reakce je založena na působení kyslíko-acetylenového hořáku, jehož plamen má velmi vysokou teplotu (více než $3000°C$), což umožňuje jeho použití pro řezání a svařování kovů.
Na vzduchu hoří acetylen kouřovým plamenem, protože. obsah uhlíku v jeho molekule je vyšší než v molekulách etanu a ethenu.
Alkyny, stejně jako alkeny, odbarvují okyselené roztoky manganistanu draselného; v tomto případě dochází k destrukci násobné vazby.
Iontové (pravidlo V.V. Markovnikova) a radikálové reakční mechanismy v organické chemii
Typy chemických reakcí v organické chemii
Reakce organických látek lze formálně rozdělit do čtyř hlavních typů: substituce, adice, eliminace (eliminace) a přesmyk (izomerizace). Je zřejmé, že celou řadu reakcí organických sloučenin nelze redukovat na navrhovanou klasifikaci (například spalovací reakce). Taková klasifikace však pomůže vytvořit analogie s reakcemi, které probíhají mezi anorganickými látkami, které již znáte z kurzu anorganické chemie.
Zpravidla se hlavní organická sloučenina účastnící se reakce nazývá substrát a druhá složka reakce je podmíněně považována za činidlo.
Substituční reakce
Reakce, jejichž výsledkem je nahrazení jednoho atomu nebo skupiny atomů v původní molekule (substrátu) jinými atomy nebo skupinami atomů, se nazývají substituční reakce.
Substituční reakce zahrnují nasycené a aromatické sloučeniny, jako jsou alkany, cykloalkany nebo areny.
Uveďme příklady takových reakcí.
Působením světla mohou být atomy vodíku v molekule methanu nahrazeny atomy halogenu, například atomy chloru:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Dalším příkladem nahrazení vodíku halogenem je konverze benzenu na brombenzen:
Rovnici pro tuto reakci lze napsat různě:
Při této formě zápisu jsou nad šipkou napsána činidla, katalyzátor, reakční podmínky a pod ní anorganické reakční produkty.
Adiční reakce
Reakce, v jejichž důsledku se dvě nebo více molekul reaktantů spojí v jednu, se nazývají adiční reakce.
Nenasycené sloučeniny, jako jsou alkeny nebo alkyny, vstupují do adičních reakcí.
Podle toho, která molekula působí jako činidlo, se rozlišují reakce hydrogenace (nebo redukce), halogenace, hydrohalogenace, hydratace a další adiční reakce. Každý z nich vyžaduje určité podmínky.
1. hydrogenace- reakce adice molekuly vodíku na násobnou vazbu:
$CH_3(-CH=)↙(\text"propen")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"propan")-CH_3$
2.Hydrohalogenace— adiční reakce s halogenovodíkem (hydrochlorace):
$(CH_2=)↙(\text"ethen")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"chlorethan")-Cl$
3.Halogenace- adiční reakce halogenu:
$(CH_2=)↙(\text"ethen")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1,2-dichlorethan")$
4. Polymerizace- speciální typ adičních reakcí, při kterých se molekuly látky s malou molekulovou hmotností vzájemně spojují za vzniku molekul látky s velmi vysokou molekulovou hmotností - makromolekuly.
Polymerizační reakce jsou procesy spojování mnoha molekul nízkomolekulární látky (monomeru) do velkých molekul (makromolekul) polymeru.
Příkladem polymerační reakce je výroba polyethylenu z ethylenu (ethenu) za působení ultrafialového záření a iniciátoru radikálové polymerace $R:$
$(nCH_2=)↙(\text"ethen")CH_2(→)↖(\text"UV světlo,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" polyethylen ") $
Kovalentní vazba, která je nejcharakterističtější pro organické sloučeniny, vzniká při překrytí atomových orbitalů a vytvoření společných elektronových párů. V důsledku toho vzniká orbital společný dvěma atomům, na kterém se nachází společný elektronový pár. Když je vazba přerušena, osud těchto společných elektronů může být odlišný.
Typy reaktivních částic v organické chemii
Orbital s nepárovým elektronem patřícím k jednomu atomu se může překrývat s orbitalem jiného atomu, který také obsahuje nepárový elektron. To má za následek vytvoření kovalentní vazby výměnný mechanismus:
$H + H→H:H,$ nebo $H-H$
výměnný mechanismus Vznik kovalentní vazby je realizován, pokud společný elektronový pár vznikne z nepárových elektronů patřících různým atomům.
Opačným procesem k vytvoření kovalentní vazby výměnným mechanismem je rozbití vazby, při kterém ke každému atomu přejde jeden elektron. V důsledku toho se vytvoří dvě nenabité částice s nepárovými elektrony:
Takové částice se nazývají volné radikály.
volné radikály- atomy nebo skupiny atomů, které mají nepárové elektrony.
Reakce, které probíhají za působení a za účasti volných radikálů, se nazývají reakce volných radikálů.
V průběhu anorganické chemie jsou to reakce interakce vodíku s kyslíkem, halogeny, spalovací reakce. Upozorňujeme, že reakce tohoto typu se vyznačují vysokou rychlostí, uvolňováním velkého množství tepla.
Kovalentní vazba může být také vytvořena mechanismem donor-akceptor. Jeden z orbitalů atomu (nebo aniontu), na kterém se nachází nesdílený elektronový pár, je překryt nevyplněným orbitalem jiného atomu (nebo kationtu), který má nevyplněný orbital, a vznikne kovalentní vazba např. :
$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"akceptor")→(H-O-H)↙(\text"dárce")$
Roztržení kovalentní vazby vede k tvorbě kladně a záporně nabitých částic; protože v tomto případě oba elektrony ze společného elektronového páru zůstávají s jedním z atomů, druhý atom má nevyplněný orbital:
$R:|R=R:^(-)+R^(+)$
Zvažte elektrolytickou disociaci kyselin:
$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$
Lze snadno odhadnout, že částice, která má nesdílený elektronový pár $R:^(-)$, tj. záporně nabitý iont, bude přitahována kladně nabitými atomy nebo atomy, na kterých je alespoň částečný nebo efektivní kladný náboj. Částice s nesdílenými elektronovými páry se nazývají nukleofilní činidla (jádro- jádro, kladně nabitá část atomu), tedy "přátelé" jádra, kladný náboj.
Nukleofilové ($Nu$)- anionty nebo molekuly, které mají osamocený pár elektronů, které interagují s částmi molekul, na kterých je soustředěn účinný kladný náboj.
Příklady nukleofilů: $Cl^(-)$ (chloridový iont), $OH^(-)$ (hydroxidový anion), $CH_3O^(-)$ (methoxidový anion), $CH_3COO^(-)$ (acetátový aniont ).
Částice, které mají nevyplněný orbital, budou mít naopak tendenci jej vyplnit, a proto budou přitahovány k oblastem molekul, které mají zvýšenou elektronovou hustotu, záporný náboj a nesdílený elektronový pár. Jsou to elektrofilové, „přátelé“ elektronu, záporného náboje nebo částice se zvýšenou elektronovou hustotou.
elektrofilové- kationty nebo molekuly, které mají nezaplněný elektronový orbital, mající tendenci jej zaplnit elektrony, protože to vede k příznivější elektronové konfiguraci atomu.
Příklady elektrofilů: $NO_2$ (nitroskupina), -$COOH$ (karboxyl), -$CN$ (nitrilová skupina), -$COH$ (aldehydová skupina).
Ne každá částice s prázdným orbitalem je elektrofil. Takže například kationty alkalických kovů mají konfiguraci inertních plynů a nemají tendenci získávat elektrony, protože mají nízkou elektronovou afinitu. Z toho můžeme usoudit, že i přes přítomnost nezaplněného orbitalu takové částice nebudou elektrofily.
Hlavní reakční mechanismy
Identifikovali jsme tři hlavní typy reagujících částic – volné radikály, elektrofily, nukleofily – a tři typy reakčních mechanismů jim odpovídající:
- volné radikály;
- elektrofilní;
- nukleofilní.
Kromě klasifikace reakcí podle typu reagujících částic rozlišuje organická chemie čtyři typy reakcí podle principu změny složení molekul: adice, substituce, eliminace nebo eliminace (z lat. odstranění- smazat, oddělit) a přeskupit. Protože adice a substituce mohou nastat působením všech tří typů reaktivních látek, lze rozlišit několik hlavních reakčních mechanismů.
1.Substituce volnými radikály:
$(CH_4)↙(\text"methan")+Br_2(→)↖(\text"UV světlo")(CH_3Br)↙(\text"brommethan")+HBr$
2. Přídavek volných radikálů:
$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"UV světlo,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Elektrofilní substituce:
4. Elektrofilní připojení:
$CH_3-(CH=)↙(\text"propen")CH_2+HBr(→)↖(\text"roztok")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-brompropan")$
$CH_3(-C≡)↙(\text"propin")CH+Cl_2(→)↖(\text"roztok")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-dichlorpropen")$
5. Nukleofilní přídavek:
Kromě toho budeme uvažovat štěpící nebo eliminační reakce, které probíhají pod vlivem nukleofilních částic - bází.
6. Odstranění:
$CH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"alkoholový roztok")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
Pravidlo V. V. Markovnikova
Charakteristickým rysem alkenů (nenasycených uhlovodíků) je schopnost vstupovat do adičních reakcí. Většina těchto reakcí probíhá mechanismem elektrofilní adice.
Hydrohalogenace (přídavek halogenovodíku):
$CH_3(-CH-)↙(\text"propen")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-brompropan")$
Tato reakce podléhá Pravidlo V. V. Markovnikova: když se halogenovodík přidá k alkenu, vodík se přidá k více hydrogenovanému atomu uhlíku, tzn. atom, na kterém je více atomů vodíku, a halogen - k méně hydrogenovanému.
Uhlovodíky, v jejichž molekulách jsou atomy spojeny jednoduchými vazbami a které odpovídají obecnému vzorci C n H 2 n +2.
V molekulách alkanů jsou všechny atomy uhlíku ve stavu sp 3 hybridizace. To znamená, že všechny čtyři hybridní orbitaly atomu uhlíku jsou identické tvarem, energií a směřují do rohů rovnostranné trojúhelníkové pyramidy – čtyřstěnu. Úhly mezi orbitaly jsou 109° 28'.
Kolem jediné vazby uhlík-uhlík je možná téměř volná rotace a molekuly alkanů mohou nabývat nejrůznějších tvarů s úhly u atomů uhlíku blízkými čtyřstěnům (109 ° 28 ′), například v molekule n-pentan.
Zvláště stojí za to připomenout vazby v molekulách alkanů. Všechny vazby v molekulách nasycených uhlovodíků jsou jednoduché. K překrývání dochází podél osy,
spojující jádra atomů, tj. jedná se o σ-vazby. Vazby uhlík-uhlík jsou nepolární a špatně polarizovatelné. Délka vazby C-C v alkanech je 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H vazby jsou poněkud kratší. Elektronová hustota je mírně posunuta směrem k elektronegativnějšímu atomu uhlíku, tj. vazba C-H je slabě polární.
Absence polárních vazeb v molekulách nasycených uhlovodíků vede k tomu, že jsou špatně rozpustné ve vodě a neinteragují s nabitými částicemi (ionty). Nejcharakterističtější pro alkany jsou reakce, které zahrnují volné radikály.
Homologní řada metanu
homology- látky podobné strukturou a vlastnostmi a lišící se jednou nebo více skupinami CH 2 .
Isomerie a nomenklatura
Alkany se vyznačují tzv. strukturní izomerií. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Nejjednodušším alkanem, který se vyznačuje strukturními izomery, je butan. 
Základy názvosloví
1. Výběr hlavního okruhu. Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule, který je jakoby jeho základem.
2. Číslování atomů hlavního řetězce. Atomům hlavního řetězce jsou přiřazena čísla. Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce nejblíže k substituentu (struktury A, B). Pokud jsou substituenty ve stejné vzdálenosti od konce řetězce, pak číslování začíná od konce, na kterém je jich více (struktura B). Pokud jsou různé substituenty ve stejné vzdálenosti od konců řetězce, pak číslování začíná od konce, ke kterému je starší z nich blíže (struktura G). Seniorita uhlovodíkových substituentů je určena pořadím, ve kterém následuje v abecedě písmeno, kterým jejich název začíná: methyl (-CH 3), dále ethyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH3) atd.
Všimněte si, že název substitutu je tvořen nahrazením přípony -an příponou - bahno ve jménu odpovídajícího alkanu.
3. Tvoření jména. Na začátku názvu jsou uvedena čísla - počty atomů uhlíku, na kterých se nacházejí substituenty. Pokud je na daném atomu několik substituentů, pak se odpovídající číslo v názvu opakuje dvakrát oddělené čárkou (2,2-). Za číslem spojovník označuje počet substituentů ( di- dva, tři- tři, tetra- čtyři, penta- pět) a název substituentu (methyl, ethyl, propyl). Pak bez mezer a pomlček - název hlavního řetězce. Hlavní řetězec je označován jako uhlovodík - člen metanové homologní řady ( metan CH 4, etan C2H6, propan C3H8, C4H10, pentan C 5 H 12, hexan C6H14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, děkan C10H22).
Fyzikální vlastnosti alkanů
První čtyři zástupci homologní řady metanu jsou plyny. Nejjednodušší z nich je metan - bezbarvý plyn bez chuti a zápachu (vůně "plynu", která je cítit, musíte zavolat 04, je určena vůní merkaptanů - sloučenin obsahujících síru speciálně přidaných do metanu používaného v domácí a průmyslové plynové spotřebiče, aby lidé v jejich blízkosti cítili únik).
Uhlovodíky o složení C 4 H 12 až C 15 H 32 - kapaliny; těžší uhlovodíky jsou pevné látky. Teploty varu a tání alkanů se postupně zvyšují s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Všechny uhlovodíky jsou špatně rozpustné ve vodě, kapalné uhlovodíky jsou běžná organická rozpouštědla.
Chemické vlastnosti alkanů
substituční reakce.
Nejcharakterističtější pro alkany jsou substituční reakce volných radikálů, během kterých je atom vodíku nahrazen atomem halogenu nebo nějakou skupinou. Uveďme rovnice charakteristických reakcí halogenace: 
V případě přebytku halogenu může chlorace jít dále, až k úplnému nahrazení všech atomů vodíku chlorem: 
Výsledné látky jsou široce používány jako rozpouštědla a výchozí materiály v organické syntéze.
Dehydrogenační reakce(odštěpení vodíku).
Při průchodu alkanů přes katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) při vysoké teplotě (400-600 °C) se odštěpí molekula vodíku a vznikne alken:
Reakce doprovázené destrukcí uhlíkového řetězce.
Všechny nasycené uhlovodíky hoří za vzniku oxidu uhličitého a vody. Plynné uhlovodíky smíchané se vzduchem v určitých poměrech mohou explodovat.
1. Spalování nasycených uhlovodíků je exotermická reakce s volnými radikály, která je velmi důležitá při použití alkanů jako paliva:
Obecně lze spalovací reakci alkanů zapsat takto:
2. Tepelné štěpení uhlovodíků.
Proces probíhá podle mechanismu volných radikálů. Zvýšení teploty vede k homolytickému roztržení vazby uhlík-uhlík a vzniku volných radikálů.
Tyto radikály vzájemně interagují, vyměňují si atom vodíku a tvoří molekulu alkanu a molekulu alkenu:
Tepelné štěpící reakce jsou základem průmyslového procesu - krakování uhlovodíků. Tento proces je nejdůležitější fází rafinace ropy.
3. Pyrolýza. Při zahřátí metanu na teplotu 1000 °C začíná pyrolýza metanu - rozklad na jednoduché látky: 
Při zahřátí na teplotu 1500 ° C je možná tvorba acetylenu:
4. Izomerizace. Při zahřívání lineárních uhlovodíků s izomerizačním katalyzátorem (chlorid hlinitý) vznikají látky s rozvětveným uhlíkovým skeletem: 
5. Aromatizace. Alkany se šesti nebo více atomy uhlíku v řetězci v přítomnosti katalyzátoru jsou cyklizovány za vzniku benzenu a jeho derivátů: 
Alkany vstupují do reakcí, které probíhají podle mechanismu volných radikálů, protože všechny atomy uhlíku v molekulách alkanů jsou ve stavu sp 3 hybridizace. Molekuly těchto látek jsou budovány pomocí kovalentních nepolárních vazeb C-C (uhlík - uhlík) a slabě polárních vazeb C-H (uhlík - vodík). Nemají oblasti s vysokou a nízkou elektronovou hustotou, snadno polarizovatelné vazby, tedy takové vazby, jejichž elektronová hustota se může posunout vlivem vnějších faktorů (elektrostatická pole iontů). V důsledku toho alkany nebudou reagovat s nabitými částicemi, protože vazby v molekulách alkanů nejsou narušeny heterolytickým mechanismem. 
