alkany

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
ALKANY
2 godz.
1.
Wzór sumaryczny: C
n
H
2n+2
(n = liczba naturalna) - węglowodory posiadające
tylko wiązania pojedyncze (sigma)
1.1.
Szereg homologiczny - seria związków, np. alkanów nierozgałęzionych (tzw.
n
-
alkanów), różniących się tylko liczbą grup –CH
2
-; poszczególne zw. należące
do szeregu homologicznego to homologi.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H C
H
H C
C
H
H C
C
C
HH C
C
C
C
H
H C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
propan
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
metan
etan
butan
pentan
CH
4
C
2
H
6
C
3
H
8
C
4
H
10
C
5
H
12
2.
Nazewnictwo (nomenklatura)
3.
Właściwości fizyczne
3.1.
Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych i w wodzie:

dobrze rozpuszczalne w niepolarnych i słabo polarnych rozpuszczalnikach
organicznych;

nierozpuszczalne w wodzie (właściwości hydrofobowe) – smary chroniące
powierzchnie metalowe przed korozją.
3.2.
Gęstość – ok. 0,7 g/cm
3
; łatwy podział mieszaniny z wodą, alkan – faza górna.
3.3.
Temperatura wrzenia wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w
cząsteczce;

n
-alkany nierozgałęzione (do dekanu) - obecność dodatkowej grupy
metylenowej (CH
2
) – wzrost temp. wrzenia o ok. 30°C; wyższe homologi –
wzrost o ok. 20°C.

izo
-alkany - temp. wrzenia niższa niż ich odpowiedników nierozgałęzionych.
3.4.
Temperatura topnienia wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w
cząsteczce;

n
-alkany o parzystej liczbie atomów węgla - wyższa temp. topnienia niż tych o
nieparzystej liczbie at. węgla; w miarę wzrostu masy cząsteczkowej różnice
temp. topnienia maleją.
3.5.
Temperatura wrzenia i topnienia a stopień rozgałęzienia łańcucha - porównanie
temperatury wrzenia i topnienia 2-metylopentanu, 2,3-dimetylobutanu i 2,2-
dimetylopentanu:
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
CHCH
2
CH
2
CH
3
CH
3
CHCHCH
3
CH
3
CCH
2
CH
3
CH
3
CH
3
T
wrz.
60
°
C
58
°
C
50
°
C
T
top.
-154
°
C -135
°
C
-98
°
C
4.1.
Gaz ziemny - 70% metanu, 10% etanu i 15% propanu.
4.2.
Ropa naftowa - mieszanina alkanów, głównie o łańcuchach nierozgałezionych;
cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych; także inne związki organiczne
zawierające tlen, azot i siarkę.
1
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H C
H C
H
H
H C
H C
C
C
H
H
H C
H C
C
C
C
C
HH C
HH C
C
C
C
C
C
C
H
H
H C
H C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
propan
propan
etan
etan
metan
metan
butan
butan
pentan
pentan
CH
4
CH
4
C
2
H
6
C
2
H
6
C
4
H
10
C
4
H
10
C
3
H
8
C
3
H
8
C
5
H
C
5
H
12
4.
Źródła pozyskiwania
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
5.

kraking - termiczne lub katalityczne skracanie łańcuchów węglowych oraz
przekształcanie alkanów nierozgałęzionych w rozgałęzione;

reforming - przekształcanie alkanów i cykloalkanów w węglowodory
aromatyczne.
5.1.
Alkany o liczbie atomów węgla od
C1
do
C2
– gazy w warunkach normalnych;
trudne do skroplenia, więc stosowane jako sprężone gazy; skroplenie możliwe po
ochłodzeniu do bardzo niskich temperatur. Składniki gazu ziemnego stosowane
jako paliwo w przemyśle chemicznym do produkcji nawozów sztucznych i w
gospodarstwach domowych do ogrzewania budynków i wytwarzania
elektryczności.
5.2.
Alkany o liczbie atomów węgla od
C3
do
C4
- gazy w warunkach normalnych;
łatwe do skroplenia w temperaturze pokojowej i pod średnimi ciśnieniami.
Składniki ciekłego gazu napędowego (LPG) - znacznie tańszego paliwa niż
benzyna lub olej napędowy. Stosowane jako gaz nośny w rozpylaczach (np.
kosmetyków) – w przeciwieństwie do freonów nie niszczą powłoki ozonowej.
5.3.
Alkany o liczbie atomów węgla od
C5
do
C8
- łatwo lotne ciecze. Izomery
pentanu, heksan, heptan i oktan – składniki benzyny; duża lotność - efektywne
spalanie w silnikach napędowych. Liczba oktanowa (LO) – charakteryzuje
benzyny pod względem niepożądanej zdolności do wybuchowego spalania w
silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym (tzw. stukania); wyznaczana w
odniesieniu do
n
-heptanu (spalającego się wybuchowo) i izooktanu (spalającego się
bezwybuchowo); liczbowo równa takiej procentowej zawartości izooktanu w
mieszaninie izooktan/
n
-heptan, przy której własności przeciwstukowe są takie
same jak badanej benzyny.
CH
3
CH
3
izooktan (LO=100)
2,2,4-trimetylopentan
CH
3
(CH
2
)
5
CH
3
CH
3
CHCH
2
CHCH
3
CH
3
5.4.
Alkany o liczbie atomów węgla od
C9
do
C16
- ciecze o dużej lepkości, składniki
nafty, paliwa lotniczego i oleju napędowego. Nafta – paliwo o najniższej temp.
wrzenia (lampy naftowe).
5.5.
Mieszaniny alkanów o liczbie atomów węgla C
16
- C
34
- oleje smarowne.
5.6.
Mieszaniny alkanów o liczbie atomów węgla C
20
-C
34
składniki wosku
parafinowego (tzw. wazeliny).
6.
Pojęcie izomerii:
izomery – związki o takim samym wzorze sumarycznym, ale
różnej budowie przestrzennej i właściwościach fizycznych (temperatura wrzenia,
temperatura topnienia) oraz właściwościach chemicznych.
6.1.
Izomeria konstytucyjna – możliwość występowania wielu alkanów o tym samym
wzorze sumarycznym (od C
4
) w postaci łańcucha nierozgałęzionego i wielu
łańcuchów rozgałęzionych; na przykładzie heksanu, 2-metylopentanu, 3-
metylopentanu, 2,3-dimetylobutanu i 2,2-dimetylobutanu.
7.
Rzędowość atomu węgla w związkach organicznych
- określenie liczby atomów
węgla, z którymi jest połączony rozpatrywany atom węgla, na przykładzie heksanu,
2-metylopentanu, 3-metylopentanu, 2,3-dimetylobutanu i 2,2-dimetylobutanu.
2
Zastosowania praktyczne
CH
3
CH
3
izooktan (LO=100)
2,2,4-trimetylopentan
CH
3
(CH
2
)
5
CH
3
CH
3
CHCH
2
CHCH
3
n
-heptan (LO=0)
n
-heptan (LO=0)
CH
3
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
8.
Budowa przestrzenna na przykładzie etanu:
H1
109,5°
1,10
°
H5
H6
C1
1,54
°
C2
H2
H3
H4
9.
Konformacje
- przestrzenne ułożenia podstawników w przestrzeni, wynikające z
obrotu wokół wiązania s; konformery – trwałe konformacje o najniższej energii
9.1.
Na przykładzie etanu (wzory rzutowe Newmana):
konformacja
konformacja
konformacja
naprzemianległa
naprzeciwległa
naprzemianległa
9.2.
Na przykładzie butanu – obrót wokół wiązania C2-C3 (wzory rzutowe Newmana)
CH
3
H
H
180°
CH
3
120°
CH
3
C2
C3
H
H
H
H
CH
3
H
butan
C2
C2
H
H
H
H
H
A
–
konformacja antyperiplanarna
B
–
konformacja antyklinalna
C
–
konformacja synklinalna
D
-
konformacja synperiplanarna
CH
3
H
3
C
A
B
0°
60°
CH
3
CH
3
H
3
C
H
3
C
H
C2
C2
H
H
H
H
H
H
H
C
D
3
H5
H1
1,10
°
109,5°
H6
C1
C2
1,54
°
H2
H4
H3
CH
3
H
H
180°
120°
CH
3
CH
3
H
C3
C2
H
H
H
CH
3
H
butan
C2
C2
H
H
H
H
H
H
3
C
CH
3
0°
60°
CH
3
CH
3
H
3
C
H
3
C
H
C2
C2
H
H
H
H
H
H
H
 Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
· Wykres zmian energii potencjalnej podczas rotacji wokół wiązania C2-C3 w
butanie.
10. Laboratoryjne metody syntezy
10.1. Metody polegające na usuwaniu grup funkcyjnych:
10.1.a. Katalityczne uwodornienie alkanów na przykładzie propenu; katalizatory: Pt
(platyna), Pd (pallad), lub Ni-Raneya (nikiel Raneya).
10.1.b. Katalityczne uwodornienie alkinów na przykładzie propynu; katalizatory: Pt, Pd,
lub Ni-Raneya.
10.1.c. Redukcja jodków alkilowych na przykładzie 1-jodobutanu.
10.1.d. Katalityczna redukcja halogenków alkilowych na przykładzie
1-bromo-3-metylobutanu, katalizatory: Pt, Pd, lub Ni.
10.2. Metody polegające na „budowie” szkieletu węglowego:
10.2.a. Reakcja Wurtza do otrzymywania alkanów o parzystej liczbie atomów węgla na
przykładzie syntezy
n
-oktanu z 1-bromobutanu.
10.2.b. Sprzęganie halogenków (bromków, jodków) alkilowych z dialkilomiedzianami litu
(reakcja Corey’a-House’a); otrzymywanie alkanów o nieparzystej liczbie atomów
węgla na przykładzie syntezy 3-metyloheptanu z chlorku
sec
-butylu i 1-
bromobutanu.
11. Reakcje
11.1. Utlenianie na przykładzie utleniania metanu, w zależności od warunków reakcji, do
CO
2
, CO, C, formaldehydu lub kwasu octowego.
11.2. Hydrokraking katalityczny na przykładzie przekształcenia dodekanu (C
12
H
26
) w
n
-pentan i
n
-heptan.
11.3. Kraking katalityczny na przykładzie przekształcenia dodekanu (C
12
H
26
) w pent-2-
en i
n
-heptan.
11.4. Halogenowanie – reakcja substytucji (podstawienia) rodnikowego:

Z fluorem – reakcja bardzo gwałtowna, nawet w temperaturze pokojowej i bez
dostępu światła.

Z chlorem i bromem reakcja wymaga stosowania wysokiej temperatury i/lub
naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym (rekcja metanu z chlorem
zachodzi dopiero w temperaturze ok. 300°C i po naświetlaniu
promieniowaniem ultrafioletowym).

Szereg reaktywności halogenów: F
2
>>Cl
2
>>Br
2
.
11.4.a. Halogenowanie metanu – mechanizm reakcji na przykładzie chlorowania:

Etap 1- inicjowanie łańcucha reakcji; dysocjacja cząsteczki chloru na dwa
atomy (homolityczny rozpad wiązania Cl-Cl) wymaga nakładu energii równego
co najmniej energii dysocjacji wiązania Cl-Cl (tj. +243 kJ/mol) – naświetlanie
promieniowaniem ultrafioletowym (hn) lub wysoka temperatura (ok. ok.
300°C).

Etap 2- wzrost łańcucha; dwie, cyklicznie po sobie następujące reakcje: (a) atak
atomu chloru na cząsteczkę metanu i utworzenie rodnika metylowego
(homolityczny rozpad wiązania C-H) i (b) atak rodnika metylowego na
cząsteczkę chloru – powstanie chlorometanu i odtworzenie atomu chloru.

Etap 3- przerwanie łańcucha reakcji - rekombinacja rodników.
11.4.b. Monochlorowanie wyższych alkanów na przykładzie 2-metylobutanu:

Względna reaktywność atomów wodoru w reakcji chlorowania
wolnorodnikowego [CH
4
: H(1°) : H(2°) : H(3°) = 0.004 : 1 : 3.8 : 5].

Skład procentowy mieszaniny poreakcyjnej: chlorki 1° (1-chloro-2-
metylobutan i 1-chloro-3-metylobutan) – 42%, chlorek 2° (2-chloro-3-
metylobutan) – 35%, chlorek 3° (2-chloro-2-metylobutan) – 23%.
4
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
11.4.c. Monobromowanie wyższych alkanów na przykładzie 2-metylobutanu:

Względna reaktywność atomów wodoru w reakcji bromowania
wolnorodnikowego [H(1°) : H(2°) : H(3°) = 1 : 80 : 1600].

Skład procentowy mieszaniny poreakcyjnej: bromki 1° (1-bromo-2-
metylobutan i 1-bromo-3-metylobutan) – 0.51%, chlorek 2° (2-chloro-3-
metylobutan) – 9.04%, bromek 3° (2-bromo-2-metylobutan) – 90.45%.
11.5.
Energia dysocjacji wiązania C-H w wybranych alkanach i trwałość rodników
alkilowych: 3° > 2° >1° > CH
3
·.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]