Uhlovodíky – základ organické chemie

1. rozdělení uhlovodíků – obecné vzorce, homologické řady, zásady systematického názvosloví

• Organické sloučeniny – obsahují C, výjimkou jsou některé nejjednodušší sloučeniny uhlíku (CO2, H2CO3 a její soli, CS2), které řadíme do anorganické chemie.
• Nejdůležitější je schopnost uhlíku spojovat se kovalentními vazbami a vytvářet tak řetězce.
• Vazba C-C i vazba C-H, jsou typické nepolární kovalentní vazby, jsou dostatečně pevné a jsou podstatou uhlovodíků.

Rozdělení podle tvaru řetězce :

1. otevřené (acyklické, alifatické) – přímé

• rozvětvené

2. uzavřené (cyklické)

Podle typu vazby :

1. nasycené – pouze jednoduché vazby mezi atomy C.
2. nenasycené – dvojné či trojné vazby, které mohou být např. hydrogenací nasyceny.
3. aromatické – patří mezi cyklické, vyznačují se delokalizovanými p- vazbami.

Homologická řada – jednotlivé skupiny organických sloučenin vytvářejí řady, jejichž následující členy se liší vždy o určitý stálý počet atomů.

U uhlovodíků jsou to např.:

Alkany – lze vyjádřit obecným vzorcem CnH2n+2

Alkeny – CnH2a (platí i pro cykloalkany)

Alkiny – CnH2n-2 (platí i pro dieny a cykloalkeny)

§ Většinou platí pro sloučeniny příslušné homologické řady, že se zvyšující se molekulovou hmotností členů se zvyšují i jejich teploty tání a varu.

Názvy uhlovodíkových zbytků :

• Zbytky vznikají pomyslným odtržením H atomu (nebo i více) z molekuly uhlovodíku.
• Označují se typickým zakončením –yl , obecně se značí –R.
• Obecně : acyklické zbytky – alkyly
• cyklické – cykloalkyly
• aromatické – aryly (pokud je H atom odtržen z aromatického jádra).

Deriváty uhlovodíků

• odvozené sloučeniny, vzniklé nahrazením jednoho nebo více atomů H a vnesením atomu (heteroatomu) nebo skupiny atomů jiného prvku.
• Pro každý derivát je typická určitá charakteristická, funkční skupina (může se jednat i o jeden atom).

Názvosloví :

1. Systematické názvosloví IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry)

• Jednoznačné a mezinárodně unifikované názvosloví.

Postup :

1. vyhledání hlavního řetězce – řetězec s největším počtem C atomů, název je potom odvozován od názvu příslušného nerozvětveného uhlovodíku s tímto počtem C atomů. V případě cyklických uhlovodíků se jedná o cyklus.
2. přítomnost uhlovodíkových zbytků, připojených k hlavnímu řetězci, vyjádříme jejich názvy a polohu vyznačíme čísly C atomů hlavního řetězce. Hlavní řetězec musí být při tom očíslován tak, aby čísla C atomů nesoucích zbytky byla co nejmenší (u cyklických uhlovodíků se v systematickém názvosloví nepoužívají předpony o- m- p-). Počty stejných zbytků vyznačíme příslušnou násobící předponou (di- tri- tera- atd.)
3. u nenasycených uhlovodíků vyznačíme přítomnost násobné vazby zakončeními : -en, pro dvojnou a –in, pro trojnou vazbu, namísto původního zakončení –an. I zde platí pro označování více násobných vazeb užívání násobících předpon, které se nacházejí až těsně před zakončením (-dien, -triin, apod.). Poloha násobné vazby je vyznačena nižším číslem z dvou atomů C, mezi nimiž je umístěna. U nenasycených uhlovodíků je hlavním řetězcem ten, který obsahuje nejvíce násobných vazeb. 4ísla těchto vazeb musí být rovněž vždy co nejnižší.
4. názvy zbytků (bez ohledu na násobící předponu se abecedně řadí před název hlavního řetězce, jejich polha je označena čísly, které stojí před nimi a jsou oddělena pomlčkou.

2. Triviální (tradiční) názvosloví

§ Nejčastěji se užívá v praxi. Některé látky se složitými názvy jsou spíše (z praktických důvodů) nazývány triviálně. Názvy vycházejí často z původu látek (např. kys. octová, citrónová, močovina) nebo jejich vlastností apod. Z názvů ovšem není patrná struktura daných sloučenin, což je často nežádoucí.

3. Názvosloví dvousložkové tzv. radikálově funkční

• Názvy se skládají ze dvou částí :

1. název uhlovodíkového zbytku
2. název, vyjadřující, o jaký druh derivátu jde

Např.: ethylalkohol, diethyléther apod.

• Pro uhlovodíky je toto názvosloví nepoužitelné.

2. charakteristika jednotlivých skupin uhlovodíků

Alkany a cykloalkany

Dobře lze demonstrovat závislost fyzikálních vlastností na rostoucí délce řetězce na tabulce teplot tání a varu alkanů s nerozvětveným řetězcem :

• Alkany do tří uhlíkových atomů nemohou jevit izomerii u butanu již existují 2 izomery : butan a izobutan (2-methylpropan), které mají stejný souhrnný vzorec, ale jinou konstituci, mají i odlišné fyzikální vlastnosti (butan má vyšší teploty tání a varu).
• Počet konstitučních izomerů u alkanů prudce stoupá se vzrůstajícím počtem C atomů v řetězci – dáno možností větvení, existuje víc a víc kombinací.
• Fyzikální vlastnosti alkanů se, jak už bylo řečeno, mění s délkou řetězce (viz tabulka).
• C 1–4 jsou plynné, C 5–14 kapalné a C nad 15 pevné.
• Alkany jsou rozpustné v nepolárních organických rozpouštědlech.
• Nižší kapalné alkany zapáchají jako benzin, ostatní bez zápachu.
• Jsou bezbarvé.
• Výskyt, výroba : vyskytují se ve směsích
• Plynné – jako hlavní součást zemního plynu, ve svítiplynu (vyráběn karbonizací uhlí – až 85%methanu)
• Kapalné – v ropě (získávají se frakční destilací ropy).
• Pevné – v ropě, kamenouhelném dehtu, koksu (karbonizací uhlí), ozokerit (zemní vosk).

• Hybridizace na atomu C – sp3

Konformace – různé prostorové uspořádání molekul rotací vazby C-C, nejedná se o izomerii, neboť k rotaci může docházet libovolně – v systému molekul je ale dynamická rovnováha, poměr konformací je konstantní. Jednotlivé konformace molekuly se liší svojí energií, která je dána nevazebnou interakcí uvnitř molekuly (např. protilehlých H atomů). Pokud má jedna konformace oproti jiné nižší energii (je tedy výhodnější), bude mít většina molekul v systému tuto konformaci (závisí ovšem na teplotě – vyšší teplota znamená vyšší dodanou energii, která může způsobit změnu konformace).

Konformace ethanu : zákrytová (syn-) a nezákrytová (anti-)

Cyklohexan (molekula není lineární !!): židličková (energeticky chudší) a vaničková

Chemické vlastnosti – reakce alkanů :

Při zachování hybridního stavu – substituce

Při snížení hybridního stavu – eliminace.

1. reakce na vazbách C-H

substituce radikálová – nahrazení H jiným atomem či skupinou

Např. halogenace alkenů :

Př.: Chlorace methanu – typicky radikálový mechanismus reakce

Tři fáze:

1. iniciace (zahájení)– homolytické štěpení vazby u činidla (Chlor) – vznik radikálů, např. účinkem UV záření.

Cl-Cl ® 2Cl·

Radikály jsou velmi reaktivní částice s nepárovým elektronem, které napadají molekuly substrátu (methan).

1. propagace (šíření – řetězová reakce)

Chlorové radikály se srážejí s molekulou methanu, uvolňuje se chlorovodík a methylový radikál, který dále napadá nerozštěpené molekuly chloru za vzniku methylchloridu a chlorového radikálu.

CH4+ Cl· ® HCl + CH3·

CH3· + Cl2 ® CH3Cl + Cl·

1. terminace (ukončení reakce)

Za určitých podmínek dochází k vzájemné reakci radikálů :

Cl· + Cl· ® Cl2

CH3· + CH3· ® C2H6

CH3· + Cl· ® CH3Cl

Celková rovnice reakce by potom byla :

CH4 + Cl2 ® CH3Cl + HCl

Ve skutečnosti ovšem vzniklý methylchlorid podléhá v reakční směsi další chloraci – postupně na dichlormethan trichlormethan (chloroform) a tetrachlormethan (chlorid uhličitý). Výsledkem je potom směs všech čtyř chlorderivátů, které je ale možno snadno oddělit destilací.

Dalším příkladem radikálové substituce je např. sulfochlorace :

RCH2–H + SO2 + Cl2 ® RCH2-SO2Cl (alkansulfonyl­chlorid)

2. reakce na vazbách C-C

Probíhají za vyšších teplot.

1. tepelné štěpení – krakování – dlouhé řetězce jsou štěpeny, vznikají nižší uhlovodíky.

katalytické (např. AlCl3 při cca 250–300°C)

tepelné 400–500°C, tlak

2. izomerace – přesmyk

CH3 CH3

např.: CH3CH2CH2CH2C­H3 700°C CH3–CH–CH2–CH3 nebo CH3– C–CH3

CH3

3. hoření – úplná oxidace

u alkanů probíhá dokonalé hoření, dochází k úplnému rozrušení všech vazeb C-H i C-C. Vyvíjí se značné množství tepla – podstata využití alkanů jako paliv, pohonných látek (methan, ethan, propan, butan, atd.)

Např.: 2 C4H10 + 13 O2 ® 8 CO2 + 10 H2O

Alkeny

§ Nenasycené sloučeniny s jednou nebo více dvojnými vazbami mezi atomy uhlíku v hybridním stavu sp2.

§ Fyzikálními vlastnostmi se do značné míry podobají alkanům, chemicky se chovají odlišně v důsledku přítomnosti dvojné vazby.

§ Zřejmý je vzrůst disociační energie vazby C=C (618 kJ/mol) oproti C-C (347 kJ/mol).

§ Délka vazby : C=C v propenu (135 pm) oproti C-C (154 pm).

§ Prostorové uspořádání a orientace vazeb s a p neumožňuje rotaci kolem vazby, molekula (např. ethenu) je i vzhledem k hybridizaci rovinná, úhel H-C-H je 120° . U alkenů se proto vyskytuje nový typ izomerie – cis, trans:

H3C CH3 H3C H

C=C C=C

H H H CH3

cis-buten trans-buten

t.tání –139° t.tání –106°

t. varu –4° t.varu 0°

Alkadieny

§ Acyklické uhlovodíky se dvěma dvojnými vazbami. Významné jsou alkadieny se dvěma konjugovanými (oddělenými jednoduchou vazbou) dvojnými vazbami (zvláště 1,3 – butadien, jehož polymerací vzniká syntetický kaučuk)

§ Konjugované vazby mají vliv na jejich poněkud odlišné chemické vlastnosti.

Alkiny

§ Uhlovodíky s jednou nebo více trojnými vazbami. Fyzikálními vlastnostmi se příliš neliší od alkanů a alkenů.

§ Hybridní stav C atomu je sp, z čehož vyplývá lineární tvar molekuly ethinu.

§ Disociační energie trojné vazby CoC je klem 812 kJ/mol, její délka je zhruba 120 pm. Je tvořena jednou vazbou s a dvěma vazbami p.

§ Elektrony p – vazby jsou snadno napadnutelné elektrofily, reaktivita alkinů je tedy větší.

§ Obě p – vazby splývají a tvoří kolem vazby s souvislý obal, který již nebrání rotaci.

3. methan – výskyt, vlastnosti, využití

§ methan – CH4 – je bezbarvý plyn bez zápachu.

§ Jeho směs se vzduchem v určitém poměru po iniciaci vybuchuje.

Výskyt :

Hlavní součást zemního plynu, bahenní plyn (vzniká rozkladem celulózy), bioplyn (opět – enzymatický rozklad biologického odpadu za nepřístupu vzduchu).

Z průmyslových produktů : koksárenský plyn, svítiplyn, při krakování ropy, důlní plyn.

Součást atmosféry některých vnějších planet sluneční soustavy.

Příprava:

1. hydrolýza karbidů :

Al4C3 + 12 H2O ® 3 CH4 + 4 Al(OH)3

Be2C + 4 H2O ® CH4 + 2 Be(OH)2

2. dekarboxylací solí karboxylových kyselin

(viz. dále)

Výroba:

Redukce CO, CO2 vodíkem :

CO + 3 H2 ® CH4 + H2O

CO2 + 4 H2 ® CH4 + 2 H2O

Není příliš třeba vzhledem k těžbě zemního plynu.

Užití :

Významná chemická surovina k výrobě např. syntézního plynu, vodíku, sazí, chlorových derivátů atd.

Nejdůležitější je pochopitelně jeho využití jako paliva.

4. příprava methanu v laboratoři

Alkany se dají připravit dekarboxylací bezvodých alkalických solí karboxylových kyselin. Přitom se uvolňuje oxid uhličitý a vzniká alkan s počtem C atomů o jeden menší než výchozí sůl – z octanu sodného tedy vzniká methan. Reakce se provádí působením směsi NaOH a CaO, případně natronovým vápnem za zvýšené teploty.

CH3COONa + NaOH ® CH4 + Na2CO3

Obecně :

R – COONa NaOH, CaO R – H + Na2CO3