Telített szénhidrogének Flashcards
az alkánok és cikloalkánok előfordulása
– a paraffinok neve latinból ered, a „parum” kevéssé, míg az „affinis” rekcióképeset jelent
– legfőképp a fosszilis nyersanyagokban találhatók meg
– a földgáz rövid szénláncú (n = 1-4) szénhidrogének keveréke
az alkánok homológ sora
– az egymást követő, növekvő szénatomszámú alkánok sorozatában a szomszédos vegyületek minden esetben egy –CH2– csoportban különböznek egymástól.
– általános képletük CnH2n+2, ahol n a szénatomok számát jelenti; az ilyen analóg szerkezetű vegyületek sorát HOMOLÓG SOROZATNAK nevezzük.
– a nyílt láncú alkánok szénlánca lehet egyenes, más néven normál, és lehet elágazó szerkezetű.
– az azonos szénatomszámú normál és elágazó láncú paraffinok egymásnak szerkezeti izomerei
az alkánok nevezéktana
– a szerves vegyületek elnevezésére kétféle elnevezést is használhatunk: triviálisat és racionálisat
– a triviális nómenklatúra nem szisztematikusan szervezett, megszokás alapján, a gyakorlatban elterjedt, többnyire rövid elnevezés.
– a racionális nevezéktan a vegyület molekulaszerkezetéről is információt ad (hány C-atom alkotja a szénláncot, illetve hányszorosan telítetlen a vegyület)
az alkánok IUPAC elnevezése
– a molekulaszerkezetet az elnevezés segítségével legfőképp a IUPAC nevezéktannal tudjuk megadni
– elágazó láncú szénhidrogént tehát a leghosszabb lánc által képviselt (normál) alkán olyan származékait nevezzük meg, amelyben egy vagy több hidrogénatom helyét kisebb szénatomszámú alkilcsoportok fogalálják el
– a vegyület ALAPNEVÉT tehát a LEGHOSSZABB LÁNC SZÉNATOMSZÁMA adja meg
– előtétként tüntetjük fel a LÁNCBÓL ELÁGAZÓ csoportok nevét, a láncbéli helyzet számszerű megadásával
– ügyelnüni kell, hogy az elágazások sorszámának összege a lehető legkisebb legyen
– gyakran használunk triviális neveket is pl. szek-butil, terc-butil, neopentán, izopropil; ezek mind a vegyületben található legnagyobb rendűséggel rendelkező szénatom számára utalnak
az alkánok alapvegyületeiből levezethető csoportok elnevezése
– CH3 metil –CH2– metilén ≡CH metilidin CH3–CH2– etil (etán-1-il) –CH2–CH2– etilén (etán-1,2-diil)
cikloalkánok osztályozása
A cikloalkánok szerkezetük alapján öt csoportba sorolhatók:
• monocikloalkánok
• izolált gyűrűs policiokloalkánok
• spiránok
• kondenzált gyűrűs cikloalkánok
• áthidalt gyűrűs szerkezetű cikloalkánok
monocikloalkánok
– olyan telített szénhidrogének, amelyek szénláncukban egy gyűrűt tartalmaznak
– homológ soruk CnH2n
– nevüket a megfelelő szénlácú alkán nevéből képezzük egy ciklo- előtag használatával
pl. C4H8 a ciklobután.
az izolált gyűrűs policikloalkánok
– nincs közös szénatom
– a gyűrűk közvetlenül is kapcsolódhatnak egymáshoz, de lehet közöttük egy vagy több közös szénatom is
– ha van összekötő szénlánc, akkor a vegyület alapnevét ő fogja jelenteni
pl. 1,3-diciklopentil-propán
a spiránok
– szomszédos gyűrűi egy közös ún. SPIROSZÉNATOMON keresztül kapcsolódnak össze
– a számozást a legkisebb szénatomszámú gyűrűtől kezdjük, szögletes zárójelben megadva a gyűrűk nem közös szénatomjainak a számát
pl. egy tíz szénatomos spirán elnevezése, amely egy hattagú és egy öttagú gyűrűből áll, egy közös C-atommal: spiro[4,5]dekán
a kondenzált gyűrűs cikloalkánok
– a kondenzált gyűrűs rendszerben két vagy több gyűrű két közös szénatommal kapcsolódik egymáshoz
pl. dekahidronaftalin (dekalin)
az áthidalt gyűrűs cikloalkánok
– kettőnél több szénatom köti össze a gyűrűket
– a közös szénatomokat HÍDFŐ szénatomoknak nevezzük
1) a vegyülettípus nevét az azonos szénatomszámú alkán nevéből származtatjuk, biciklo-, triciklo- etc. előtagokkal, amik a gyűrűk számára utalnak
2) elkezdjük megszámozni a szénatomokat: a kiindulási pont az egyik hídfő szénatom, és a leghosszabb úton át elkezdjük növekvő sorrendben számozni a szénatomokat egészen a másik hídfő atomig
(tudom, hogy bonyolultnak tűnik, de no para, nem az)
3) folyatjuk a számozást vissza a másik hidfő atomig, a lehető leghosszabb úton
4) megszámozzuk a legrövidebb hidat alkotó többi szénatomot is
5) kapcsos zárójelmóben jelöljük, növekvő sorrendben, a hidak nem közös szénatomjainak a számát
pl. biciklo[3.2.1]oktán.
az alkánok szerkezete
– az összes C–H kötés 108,7 pm hosszú, és 109,5 fok kötésszöget zár be
– a metánmolekula tetraéderes, sp3 hibridizációjú
– az egynél nagyobb szénláncú alkánok voltaképp ezeknek a tetraédereknek az egész számú többszöröse, annyi különbséggel, hogy a C–C egyes kötések 153,4 pm hosszúak.
– az egyszeres szén-szén kötés lehetővé teszi a rotációt, minek köszönhetően különböző konformációk alakulhatnak ki, miknek stabilitása változik
az alkánok stabilis konformációi
– az esetek többségében a nyitott állás a stabilabb
– nyitott állásúnak nevezzük azt a konformációt, ahol a hidrogénatomok vagy az elágazások között a lehető legnagyobb a távolság
– ez azzal magyarázható, hogy két hidrogénatom között taszító hatás lép fel, amit sztérikus hatásnak / sztérikus gátlásnak nevezünk
– a metilcsoportok esetén ez a sztérikus gátlás még nagyobb, mint a hidrogénatomok között vagy a metilcsoportok és a hidrogénatomok között, minek köszönhetően a metilcsoportok esetén az ún. anti állás a stabilis (amikor az egyik fent, a másik lent van)
– ezeket az állásokat a Newman-projekcióval vagy molekula fűrészbakk (kecskeláb, amin vágjuk a fát) moldellezésével tudjuk a leginkább szemléltetni
a cikloalkánok szerkezete
– a ciklopropánban 60, míg a ciklobutánban 90 fokos kötésszögek találhatók
– mivel a kötésszög torzult (az átlapolás voltaképp banán alakú, nem egyenes), ezért egy feszültség lép fel, amit Baeyer feszültségnek nevezünk
– ezen felül, a hidrogének is fedőállásban vannak, fellép közöttük egy kölcsönös taszítás, minek eredményeként egy torziós feszültség (Pitzer-feszültség) tövább növeli a gyűrű insatbilitását
az alkánok fizikai tulajdonságai
– az alkánok molekulai között gyenge van der Waals-féle kölcsönhatás lép fel, így a molekulatömeg növekedésével a szobahőmérsékleten való halmazállapot is változik.
– az n = 1-4 közötti szénláncú alkánok gáz halmazállapotúak, az n = 5-16 között cseppfolyósak, míg n > 16 szánatomszámú alkánok már szilárdak
– az elágazó szénláncú alkánok olvadás- és forráspontja alacsonyabb, mint a szénatomszámnak megfelelő normál szénláncú alkánoknak lenne: a pentánnak nagyobb az olvadás- és forráspontja mint a 2-metil-butánnak
metán-hidrát
– instabil elegy, ami a víz alatt képződik, nagyjából egy-másfél kilométeres mélységben, 5 Celsius fok körüli hőmérsékleten
– az anyag vízmolekulákból álló kalitkából áll, amiben a metán gáz bennragad
– meggyújtva vörös lánggal elég
alkánok oldhatósága
– a szénhidrogének a szimmetrikus szerkezetük miatt apoláros vegyületek, apoláros oldószerekben jól oldódó, „lipofil” (zsírkedvelő, zsíroldódó) molekulák
– hidrofóbok, mivel képtelenek felszakítani a vízmolekulák között ható hidrogén kötéseket
– jól oldódnak szervetlen oldószerekben (pl. kloroform, széntetraklorid)
– olyan poláros oldószerekkel is elegyednek, amelyek nem képesek hidrogén kötések kialakítására (pl. aceton), esetleg azokban, amelyekben a szénhidrogén jelleg dominál (pl. hosszabb szénláncú alkoholok)
– az alkánok maguk is jó oldószerek, az apoláros vegyületeket jól oldják
az alkánok ipari előállítása
– az alkánok a fosszilis nyersanyagokban különböző változatokban, formákban, halmazállapotokban előfordul
– a városokban használt földgáz többnyire metánból áll, nyomokban etánt is tartalmazva
– az ún. nedves földgáz nagyobb szénláncú alkánokban is gazdag (pl. propán és bután), amiket magas nyomáson, cseppfolyósítással választanak el
– a kőolaj is tartalmaz rövid szénláncú alkánokat oldott formában, de inkább hosszabb szélnáncú alkánok, cikloalkánok és arének teszik ki a tömegének a legnagyobb részét
– a kőalajfinomitás frakcionált desztillációval történik: a rövidebb szénláncú alkánoknak kisebb a forrpontja, minek köszönhetően az oszlop tetején lesznek összegyűjtve, míg a nagyobb szénláncúak az alsó részeken
– a legnagyobb forrpontú frakciónak, a pakurának, 350 fok feletti a forrpontja; további finomításokkal nyerik ki belőe a kenőolajat, a vazelint és a paraffinokat
– a tisztítási művelet végső maradéka a bitumenes szénpor
az alkánok előállítása telítetlen szénhidrogének hidrogénezésével / reduktív szintézissel
– a szerves vegyületek redukálása történhet hidrogénezéssel, ugyanis az organogén elemek közül a hidrogénnek a legkisebb az elektronegativitása, ennélfogva mindig a másik atomhoz lesz közelebb a kötésben résztvevő elektronpár, minek köszönhetően mindig csökkeni fog az adott atom oxidációs száma
– a telítetlen szénhidrogének hidrogén addíciójával telített szénhidrogénekhez juthatunk
– az alkének (olefinek) hidrogénezése egy exoterm folyamat, viszont az az energiamennyiség, ami beindítja a reakciót (az aktiválási energia) elég nagy; katalizátor hozzáadásával az aktiválási energia csökkenthető
– az olefinek hidrogénezése katalizátorfelületre felvitt platina vagy palládium sóval történik
– lényeges, hogy a katalizátorfelület ne oldódjon a reakcióelegyben (pl. elemi szén)
A katalitikus hidrogénezés folyamata:
1) mind a hidrogén molekula, úgy az olefin molekula adszorbeál az elemi szén felületén
2) a hidrogénmolekula kötése felszakad, a hidrogén atomok az elemi szénnel kezdenek kötést létesíteni. Hasonlóképp történik az alkénnel is, viszont ott csak az alkén pi kötése szakad
3) a hidrogén atomok és az alkén molekula szabadon mozog a katalizátorfelülettel létesített kötés körül, mire összekapcsolódik a hidrogén atommal.
4) egy telített szénhidrogén jön létre, ami leválik a katalizátorfelületről.
R–CH=CH–R’ → R–CH2–CH2–R’
alkánok előállítása szénhidrogén származékok katalitikus hidrogénezésével / reduktív szintézissel
A szénhidrogén származékok közé tartoznak az alkil-halogenidek és a ketonok is.
1) az alkil-halogenidek pl. alkil-jodidok katalitikus hidrogénezése hidrogén tartalmú fémkomplexekkel (pl. LiAlH4 lítium-tetrahidro-alumináttal) is.
– a folyamat során a halogén atom távozik az alkil láncról, és a helyébe egy hidrogén atom érkezik
– az egyik termék egy alkán, míg a másik a halogén hidrogén-halogenidje.
R–X → R–H + HX
2) ketonok redukálása hidrogénnel történhet a Clemmensen-féle redukcióval, illetve a Kischner-Wolff-féle redukcióval is.
a) Clemmensen-féle redukálás során a ketont zinkkel vagy higannyal reagáltatjuk, erősen savas közegben, fény jelenlétében. A főtermék egy alkán lesz, illetve egy víz.
R–CO–R’ → R–CH2–R’ + H2O
b) Kischner-Wolff-féle redukálás hidrazinnal történik hidroxil ionokkal (KOH, EtOH), fény jelenlétében. A reakció főterméke egy alkán lesz, illetve egy nitrogén molekula.
R–CO–R’ + H2N–NH2 → R–CH2–R’ + N2
alkánok előállítása zsírsavak dekarboxilezésével
– a zsírsavak nátrium sója dekarboxilezhető nátrium-hidroxiddal, fény jelenlétében
– a termék egy alkán lesz, illetve nátrium-karbonát.
R–COONa + NaOH → R–H + Na2CO3
alkánok előállítása Wurtz-szintézissel
A Wurtz szintézis során alkil-halogenideket fémnátriummal vagy cinkporral reagáltatunk, és alkán lesz a termék:
R–X + X–R’ + 2 Na → R–R’ + 2 NaX
alkánok előállítása Grignard-reagenssel
A Grignard-szintézis során:
1) alkil-halogenidet dietil-éterben oldunk
2) reagáltajuk magnéziummal: a termék egy fém-organikus vegyület lesz, a Grignard reagens
3) a keletkező fémorganikus vegyületet tovább reagáltathatjuk:
a) vízzel, és akkor kilép a fém-halogenid szubsztituens, és a helyére egy hidrogén lép;
b) egy másik alkil-halogeniddel, és ez esetben a szénlánc meghosszabbodik.
R–CH2–X + Mg → R–CH2–Mg–X
R–CH2–Mg–X + H2O → R–CH3 + Mg(OH)X
R–CH2–Mg–X + R’–X → R–CH2–R’ + MgX2
alkánok kémiai tulajdonságai
– az alkánok C–H kötései nem vagy rendkívül kicsit polárosak, ezért az alkánoknak nincs olyan részük, amik támadhatók lennének elektrofilek vagy nukleofilek által
– szobahőmérsékleten, sötétben gyakorlatilag nem reagálnak semmivel, kivéve a feszült (Baeyer és Pitzer feszülség) cikloalkán gyűrűk (ciklopropán, esetleg ciklobután)
– termikus vagy fotokémiai aktiválás hatására viszont a C–C és C–H kötések képesek homolitikusan felhasadni, kötő elektronokkal rendelkező gyököket eredményezve, amik készségesen reagálnak: halogénekkel, kénsavval, salétromsavval
– ezzel a termikus kötéshasadással függ össze a krakkolás, amely során nagy mennyiségű hő hatására a hosszabb szénláncú alkánok kisebb szénláncú alkánokká és alkénekké bomlanak
