Alkany, alkeny, alkiny, areny

Znění otázky: charakteristika, příprava, vlastnosti z hlediska struktury. Zástupci.

Alkany a cykloalkany

Nasycené uhlovodíky s jednoduchými vazbami. Mohou být lineární, rozvětvené i cyklické

Alkany

C_nH_2n+2

Parafíny

Cykloalkany

C_nH_2n

Nafteny

 

Vyskytují se v zemním plynu (plynné alkany), ropě (kapalné a pevné i cyklo.), přírodním asfaltu (pevné a cyklo). Názvosloví se tvoří od latinského názvu + koncovka an → undekan, dodekan, eikosan.

Vlastnosti

• C¹ až C⁴ jsou plyny, C⁵ až C¹⁵ jsou kapaliny (rozpouštědla – petrolether) a C¹⁶ a vyšší jsou pevné látky (vazelína, parafíny). Bezbarvé, nerozpustné ve vodě (jsou nepolární), ale v organ. rozpouštědlech ano (benzen, toluen, aceton), samy rozpouštějí některé organ. látky (tuky, oleje). S rostoucím počtem uhlíků v řetězci rostou i teploty varu → teploty varu jsou nízké díky van der Waalsovým silám
• jsou těkavé a velmi málo reaktivní, C¹ až C⁶ hořlavé. Hustota menší než voda → plavou na vodě.
• kolem vazby C-C může dojít k rotaci a tím ke vzniku různých konformací (prostorových uspořádání molekul) – tyto molekuly = konformery – nejvýhodnější energetický tvar = atomy co nejdále od sebe → lomená čára (úhel 109° 28′). Viz 13. ot. Mají hybridizaci sp³ → tetraedry.

Příprava

• katalytická (Ni, Pd, Pt) hydrogenace alkenů CH₃-CH=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃
• Wurtzova syntéza: 2CH₃Cl + 2Na → 2NaCl + CH₃-CH₃
• redukce Zn v kyselém prostředí
• hydrolýza karbidů:

Reakce

• radikálová substituce, nitrace, sulfochlorace
• jejich nedokonalým spálením získáme CO a H₂O, dokonalým získáme CO₂ a H₂O

Zástupci

Methan CH₄

• bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, jeho směs se vzduchem je výbušná (v poměru CH₄ : O₂ = 1 : 10). Hlavní složka zemního plynu (75 % a více) a produkt při zpracování ropy. Je vysoce hořlavý → užití jako plyn na vaření, * sazí, vodného plynu, HCN, acetylenu. Užití také v chemických technologiích.
• vzniká:
  • mikrobiálním rozkladem celulózy bez přístupu vzduchu → bahenní plyn.
  • rozkladem organických sloučenin (hnitím) → bioplyn (např. střevní plyn).
  • při geochemických přeměnách uhlí → důlní plyn → nebezpečí výbuchu v uhelných dolech.
  • reakcí methanu s vodní parou vzniká vodní/syntézní plyn: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Ethan C₂H₆, Propan C₃H₈, Butan C₄H₁₀

• součásti zemního plynu, v ropě. Dobře hoří → paliva, směsi do vařičů.
• propan a butan vznikají při termolýze ropy (krakování)
• snadno zkapalnitelné → propanbutanové lahve (palivo)
• používají se na výrobu alkenůCyklohexan C₆H₁₂ – velmi stálý, kapalný, získává se z ropy, používá se k výrobě plastů a jako rozpouštědlo
• Cyklopropan C₃H₆ – bezbarvý plyn, používá se k narkózám

Alkeny

• jinak také olefíny
• nenasycené uhlovodíky s dvojnou vazbou. S více dvojnými vazbami – polyeny (alkadieny, alkatrieny)
• koncovka -en (někdy starší názvosloví -ylen, např. ethylen)
• obecný homologický vzorec C_nH_2n
• součástí zemního plynu, ropy, hnědouhelného dehtu a vznikají při krakování ropy.

Vlastnosti

• nižší jsou plyny, vyšší těkavé kapaliny nebo pevné látky
• reaktivnější než alkany (vazba π je méně stálá → je snadné ji zrušit)
• izomerie cis a trans.

Příprava

• z halogenuhlovodíku CH₃-CH₂-CH₂Cl → CH₃-CH=CH₂ + HCl     (katal. KOH, alkohol)
• dehydratací alkoholů CH₃-CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O   (katal. H₂SO₄)
• dehydrogenací (zahříváním) alkanů
• hydrogenací alkynů

Reakce

• elektrofilní adice – elektrofilní, protože první co substituent potká je e- z pí-vazby → musí to být kation
• reakce s vodou – na výrobu ethanolu

Zástupci

Ethen (ethylen) CH₂=CH₂

• bezbarvý plyn,nasládlá chuť, se vzduchem tvoří výbušnou směs
• přírodní hormon (způsobuje dozrávání ovoce)
• vzniká při zpracovávání ropy a zemního plynu.
• významná chemická surovina – pro výrobu polyethylenu, ethanolu, acetaldehydu

Propen (polypropylen) CH₂=CH-CH₃

• plyn, získává se při zpracování ropy, užívá se pro výrobu polypropylenu (pevný plast)

Alkadieny

• uhlovodíky obsahující dvě dvojné vazby (izolované, konjugované, kumulované – viz 13. ot). Reaktivita vyšší než u alkenů
• 1,3–butadien CH₂=CH-CH=CH₂
• plyn, slouží k výrobě syntetického kaučuku, podléhá polymeraci → výroba plastů
• 2–methyl–1,3–butadien (izopren) CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂
• plynná látka, stavební jednotka izopreniodů (přírodní polymery izoprenu) → přírodní kaučuk (pryž, guma)
• elastické vlastnosti

Alkyny

• uhlovodíky s 3nou vazbou (úhel 180°)
• obecný vzorec C_nH_2n-2 (stejný vzorec jako alkadieny → jsou to izomery)
• vlastnosti jsou podobné jako u alkanů a alkenů, jenom teploty varu a rozpustnost ve vodě jsou vyšší. Jsou stabilnější než -any a -eny, příčina: překrytí nehybridizovaných π-orbitalů → kolem vazby σ se vytvoří stabilní „válec“, v němž se pohybují π elektrony

Příprava

• zahřátím alkenu CH₂=CH₂ → CH≡CH + H₂ (pyrolýza = rozklad pomocí tepla)
• z dihalogenderivátu v zásaditém prostředí s alkoholem: CH₂Cl-CH₂Cl → CH≡CH + 2HCl

Reakce – elektrofilní adice

Ethyn (acetylen) CH≡CH

• bezbarvá plynná látka, se vzduchem tvoří výbušnou směs, hoří žlutým čadivým plamenem
• výroba ethynu– reakce karbidu vápníku v vodou CaC₂ + H₂O → Ca(OH)₂ + CH≡CH
• významná průmyslová surovina – výroba acetaldehydu a PVC
• dimerace, trimerace a tetramerace ethynu

Areny/aromatické uhlovodíky

• cyklické sloučeniny s konjugovaným systémem 2ných vazeb – obsahují aspoň 1 benzenové jádro – dochází k delokalizaci π-elektronů → všechny vazby jsou si rovnocenné
• vyskytují se v černouhelném dehtu a v ropě.
• Podmínky aromaticity:
• molekula musí obsahovat min. 1 rovinný cyklus (uhlíky v hybr. sp²)
• počet delokalizovaných e- musí být roven hodnotě 4n+2 (n je počet cyklů)
• posun π-elektonů po cyklu umožňuje vytvoření min. dvou rezonančních struktur

Dělení:

• monocyklické – 1 aromatický kruh (benzen, toluen)
• s kondenzovanými aromatickými kruhy, které společně sdílejí 2 uhlíky (naftalen, anthracen, fenanthren)
• s více jádry – bifenyl

Vlastnosti

• benzen, toluen, xylen jsou kapaliny; naftalen, anthracen, fenanthren jsou pevné látky. Nerozpustné ve vodě, ale v organ. rozp. ano. Typicky zapáchají, jedovaté, karcinogenní. Hoří čadivým plamenem, jejich hořením vznikají saze. Hückelovo pravidlo – počet pí vazeb = 4n+2

Výroba

• suchou destilací černouhelného dehtu → získáváme jednotlivé frakce
• zpracováním ropy – krakování = zkracování řetězce

Reakce

• elektrofilní substituce, nitrace, halogenace (nejčastěji chlorace – u arenů není radikálová, ale je elektrofilní)
• sulfonace, alkylace

Příprava

• Wurtz-Fittigova syntéza (alkylace arenu pomocí halogenderivátu)
• Friedel-Craftova syntéza – alkylace arenu pomocí alkenu

Zástupci

Benzen C₆H₆

• hořlavá kapalina, karcinogenní, těkavá
• výroba: z ropy, katalytickou dehydrogenací cyklohexanu, dehydromethylace toluenu (záměna methylové skupiny vodíkem účinkem molekulového vodíku v přítomnosti katalyzátoru)
• využití: důležitá průmyslová surovina (výroba barviv, léčiv, fenolů), rozpouštědlo, ředidlo

Toluen (methylbenzen) C₆H₅CH₃

• kapalina podobná benzenu
• vyrábí se z ropy a vzniká i při karbonizaci produktů uhlí
• využití: výroba 2,4,6–TNT (pevná látka, trhavina) a kyseliny benzoové
• výrobu, barviv, třaskavin a benzenu
• rozpouštědlo, ředidlo.
• má lehce narkotické účinky → inhalační droga „téčko“ – poruchy vnitřních orgánů (mozku)

Xyleny (dimethylxyleny) C₆H₄₍CH₃)₂

• kapaliny, rozpouštědla

Styren (vinylbenzen)

• kapalina, jeho polymerací vzniká polystyren

Naftalen

• bílá krystalická sloučenina (šupiny), je v černouhelném dehtu, snadno sublimuje, jedovatý
• výroba destilací z černouhelného dehtu
• užívá se k výrobě organických sloučenin (kys. ftalová) a barviv

Anthracen – získáváme frakční desilací č. dehtu

Fenanthren

 

Kumen (isopropylbenzen)

• kapalina, na výrobu fenolu a acetonu
• vzniká reakcí polypropylenu a benzenu