Nasycené a nenasycené uhlovodíky

Charakteristika

• dvouprvkové sloučeniny uhlíku a vodíku
• uhlík: schopnost řetězení se
• zdroje: ropa, zemní plyn, uhlí (získávání rafinací ropy)

Dělení:

• alifatické x cyklické
• rozvětvené x nerozvětvené
• nasycené x nenasycené (násobné vazby) x aromatické

Typy vzorců:

• obecný (homologický): C_nH_2n+2
• sumární (souhrnný): udává skutečný počet atomů v molekule
• empirický (stechiometrický): udává nejmenší poměr atomů zastoupený v molekule
• racionální (funkční): udává charakteristická seskupení kolem atomu C
• strukturní: vyjadřuje uskupení jednotlivých vazeb v molekule

Vaznost:

• C – čtyřvazný
• H – jednovazný
• kovalentní nepolární vazby
• nerozpustné ve vodě
• nepolární rozpouštědla (cyklohexan, benzen, toluen)

Uhlovodíky

• alkany, alkeny, alkiny, areny
• homologická řada: CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀, C₅H₁₂, C₆H₁₄, C₇H₁₆
• homologický rozdíl: CH₄, C₂H₆ = CH₂ >homologický vzorec

Deriváty uhlovodíků

• kyslíkaté
  • alkoholy, fenoly, ethery
  • aldehydy, ketony
  • karboxylové kyseliny
• halogenderiváty
  • alkyl
  • aryl
• dusíkaté
  • nitrosloučeniny
  • aminy (deriváty amoniaku)

Struktura

• dána pořadím a polohou atomů/vazeb a prostorovou orientací

Konstituční izomerie

• řetězová (liší se uspořádáním, tvarem uhlíkového řetězce)
• polohová (liší se polohou substituentů/násobné vazby)
• funkční = skupinová (liší se typem funkční skupiny)
• tautomerie (liší se polohou vodíku a polohou a typem dvojné vazby)

Prostorová izomerie (konformace)

• geometrická (cis (Z) a trans (E) – energeticky výhodná)
• optická = konfigurační = stereoizomerie (zrcadlové obrazy)

Názvosloví organických sloučenin

Systematické

• vztah ke struktuře
• substituční: předpona + uhlovodík + přípona
• dvojsložkové: uhlovodíkový zbytek + název derivátu (pouze u některých derivátů)

Triviální

• vztah k vlastnostem (objevitel, výskyt…)

Příklady:

• substituční: ethanol
• dvousložkové: ethylalkohol
• triviální: líh

Názvosloví uhlovodíků

Alkany:

• zakončení: an
• uhlovodíkový zbytek: yl

1. určím hlavní řetězec (největší počet C)
2. uhlovodíkové zbytky – co nejmenší číslo – abecedně

• mezi čísly a písmeny tvoří pomlčka

Alkeny a alkiny:

• en (enyl)
• in (inyl)

1. hlavní řetězec (největší počet násobných vazeb)
2. vazby – co nejnižší číslo – dvojná přednost před trojnou

Cyklické uhlovodíky:

• cyklo + uhlovodík

Fyzikální a chemické vlastnosti

• kapalné dobrými nepolárními rozpouštědly
• důležité teploty tání a varu
• lehčí než voda

Alkany

• nasycené alifatické uhlovodíky
• C_nH_2n+2
• C₁-C₄: plyny
• C₅-C₁₅: kapaliny
• C₁₆-C_x: pevné látky
• nepolární
• stálé, málo reaktivní (parum affinis = málo slučivé)
• vazby sigma (σ)
• homolytické štěpení (souměrné, nepolární vazby, radikály)
• nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech, bezbarvé
• nízké teploty tání a varu (stoupá v homologické řadě), (rozvětvené nižší)
• kapalné a pevné: Van der Waalsovy síly
• rozpouštějí některé organické látky (tuky, oleje)
• substituce (radikálová), eliminace (dehydrogenace), přesmyk (izomerace)

Cykloalkany

• nasycené cyklické uhlovodíky
• C_nH_2n
• vlastnosti podobné alkanům (cyklopropan a cyklobutan reaktivnější)
• konformace (židličková – stálejší, vaničková)

Alkeny

• nenasycené uhlovodíky s 1 dvojnou vazbou v molekule
• C_nH_2n
• fyzikální vlastnosti jako alkany
• reaktivnější
• vazby 1σ a 1π
• adice (radikálová, elektrofilní), polymerace
• heterolytické štěpení
• alkadieny: 2 dvojné vazby – nenasycené

Alkiny

• nenasycené alifatické uhlovodíky s 1 trojnou vazbou v molekule
• C_nH_2n-2
• fyzikální i chemické vlastnosti jako u alkenů
• reaktivní
• vazby 1σ a 2π
• adice (elektrofilní, nukleofilní )

Areny

• aromatické uhlovodíky
• aromatické – benzenové jádro
• Hückelovo pravidlo (určuje, zda je sloučenina aromatická): 4n + 2 = celkovému počtu π elektronů
• x adice > delokalizované vazby, n = celé kladné číslo – sloučenina je aromatická

Řetězové izomery alkanů

• liší se uspořádáním/tvarem uhlíkového řetězce
• butan, 2-methylpropan, pentan, 2-methylbutan, 2,2-dimethylpropan

Geometrické izomery alkanů

• konformace: cis (Z, zákrytová), trans (E, nezákrytová, energeticky výhodná)
• čím dále od sebe jsou atomy nebo skupiny atomů, tím menší je jejich vzájemné ovlivňování a tím energeticky výhodnější je toto uspořádání
• nestejná energie

Příprava ethenu a ethInu

Ethen

• nejjednodušší alken
• dehydrogenací (odštěpením vodíku z ethanu)
• dehydratací (odštěpením vody z ethanolu)
• dehydrochlorací (odštěpením  chlorovodíku z chlorethanu)
• debromací zinkem z 1,2-dibromethanu (za odštěpení bromidu zinečnatého)

Ethin (Acetylen)

• z karbidu vápenatého (energeticky náročné)
• z methanu

Využití

• methan: palivo, syntézy (výroba acetylenu, ethenu, sazí, kyanovodíku)
• ethan: průmyslová výroba ethenu
• propan, butan: palivo
• petrolether (směs izomerů pentanu): laboratorní rozpouštědlo
• ethen, propen: polymerace – plasty
• buta-1,3-dien: výroba syntetického kaučuku
• acetylen: svařování, vinylchlorid
• areny: barviva, léčiva, pesticidy, plasty…
• cyklopropan: narkózy
• cyklohexan: nepolární rozpouštědlo

Radikálová substituce a eliminace (Alkany)

Substituce radikálová

• náhrada H jiným prvkem
• 3 fáze: iniciace, propagace, terminace
• za drastických podmínek (UV, teplo, katalyzátor)
• halogenace, oxidace (katalytická – kontrolovaná, hoření), nitrace, sulfochlorace

Halogenace – radikálová řetězová reakce, fáze:

• iniciace: vznik radikálů

- Cl₂ >UV, světlo, teplo > Cl• + Cl• (radikály chloru (volné atomy)

• propagace: vznik dalších radikálů (jeden z radikálů rozštěpí CH > zbytek)

- Cl• + CH₄ > HCl + CH₃•

- CH₃• + Cl₂ > CH₃Cl + Cl•

• terminace: zánik radikálů, ukončení reakce

- 2 Cl• > Cl₂

- 2 CH₃• > CH₃CH₃

- Cl• + •CH₃ > CH₃Cl

Eliminace

• vznik násobné vazby
• dehydrogenace, dehydratace, dehalogenace, krakování

Adice elektrofilní (Alkeny a Alkiny)

• zánik násobné vazby
• hydrogenace, halogenace, hydrohalogenace, hydratace

Důkazy násobné vazby

Odbarvení bromové vody

• podstatou je adice bromu na nenasycenou vazbu, kterou se brom spotřebuje a zbarvení zmizí (viz výše)

Odbarvení roztoku hypermanganu

• podstatou je oxygenace dvojných vazeb, která se uskuteční díky kyslíku vzniklému rozkladem manganistanu draselného. Ten se rozkládá za katalytického působení nenasycených sloučenin.

Polymerace

• alkeny
• za přítomnosti katalyzátoru vznik makromolekul
• ethen, propen
• druh adice > zánik pí vazeb, spojení několika strukturních jednotek v jednu
• 2 různé monomery: kopolymerace
• VL (monomery) > P (polymery)

Určení empirického vzorce uhlovodíku

• analýza neznámého vzorku
• kvalitativní analýza: přítomné prvky
• kvantitativní analýza: relativní zastoupení prvků ve sloučenině: empirický vzorec
• A_XB_YC_Z
• x:y:z = w_A/Ar(A): w_B/Ar(B) :w_C/Ar(C)