UGLJOVODONICI – ALKANI

UGLJOVODONICI

ACIKLIČNI

AROMATIČNI

CIKLIČNI

ALKENI

ALKINI

ALKANI

ALICIKLIČNI

cikloalkan cikloalken

ALKANI – OPŠTA SVOJSTVA

CnH2n+2 , n je broj C atoma

Tetraedarska struktura

uglovi veza = 109.5°

dužina veza = 110 pm

struktura ne odgovara

elektronskoj konfiguraciji ugljenika

Tetraedarska geometrija na svakom

C atomu

C—H dužina veza = 110 pm

C—C dužina veza = 153 pm

Broj strukturnih izomera kod alkana

CH4 1 C8H18 18

C2H6 1 C9H20 35

C3H8 1 C10H22 75

C4H10 2 C15H32 4 347

C5H12 3 C20H42 366 319

C6H14 5 C40H82 62,491,178,805,831

C7H16 9

Izomerni alkani

BUTANI - C4H10

2 strukturna izomera

n-butan → izobutan → CH3CH2CH2CH3 (CH3)3CH

1° 1°

2° 2°

1°

1°

3°

3°

PENTANI C5H12

n-pentan → Izopentan→

neopentan→

2,2-dimetilpropan

CH3CH2CH2CH2CH3

3 strukturna izomera

(CH3)2CHCH2CH3

(CH3)4C

Deo molekula koji se dobija uklanjanjem jednog H-atoma iz

molekula alkana

Imenuje se tako što se od naziva alkana oduzme sufiks -an i doda

sufiks –il

ALKIL GRUPE

NOMENKLATURA ALKANA

Ime alkana završava se sufiksom -an

n- prefiks kod alkana ravnog niza nije deo IUPAC

nomenklature tj. sistematskog imena

Alkani koji se ne račvaju imenuju se tako što se na latinski

ili grčki prefiks broja C atoma doda nastavak –an

Broj C atoma Naziv Struktura

5 pentan CH3(CH2)3CH3

6 heksan CH3(CH2)4CH3

7 heptan CH3(CH2)5CH3

8 oktan CH3(CH2)6CH3

9 nonan CH3(CH2)7CH3

10 dekan CH3(CH2)8CH3

Za alkane koji se račvaju potrebno je pratiti određena pravila:

1. Naći najduži niz ugljenikovih atoma • Najduži niz je osnovni niz

• Grupe vezane za osnovni niz nazivaju se supstituenti

NOMENKLATURA ALKANA

• Ukoliko molekul ima dva ili više nizova iste dužine, osnovni niz je onaj sa većim brojem supstituenata

2. Imenovati sve grupe vezane za osnovni niz kao alkil

supstituente;

• Ukoliko je supstituent račvast primenjuju se ista pravila kao

za osnovni niz

• Alkil grupe se imenuju tako što se u imena alkana sa istim

brojem C atoma sufiks –an zameni sufiksom –il.

NOMENKLATURA ALKANA

3. Numerisati ugljenikove atome najdužeg niza polazeći od

kraja koji je najbliži supstituentu

NOMENKLATURA ALKANA

• Ukoliko dva supstituenta mogu biti na istom rastojanju od dva različita kraja niza, osnovni niz se numeriše prema abecednom redu → prvi supstituent prema abecednom redu se vezuje za ugljenik nižeg broja

4. Napisati ime alkana prvo uređujući sve supstituente po

abecednom redu (svakom prethodi broj ugljenikovog

atoma za koji je vezan), a zatim dodati ime osnovnog

niza

• Ukoliko molekul sadrži više istih supstituenata, imenu alkil

grupe prethode prefiksi di-, tri- tetra- itd. Ovi prefiksi kao i

sek- i terc- ne raspoređuju se po abecednom redu osim ako

nisu deo složenog imena supstituenta.

NOMENKLATURA ALKANA

PRIMERI

2-metilbutan 2,3-dimetilbutan 4-etil-2,2,7-trimetiloktan

4-(1-etilpropil)-2,3,5-trimetilnonan

1

4 9

4-(1-metiletilheptan)

(4-izopropilheptan)

Nacrtati :

3,3-dimetilpentan 3-brom-1-hlorbutan

PRIMERI

Alkani su nepolarna jedinjenja, nerastvorna u vodi

Alkani imaju niže temperature ključanja od ostalih

ugljovodonika slične molekulske mase

Sa povećanjem broja C atoma raste temperatura

ključanja

Sa porastom račvanja smanjuje se temperatura

ključanja

Fizička svojstva alkana zavise od jačine

intermolekulskih privlačnih sila (Van der Waals-ove

sile)

FIZIČKA SVOJSTVA ALAKNA

Temperature ključanja

Broj C atoma

tk, oC

Temperature ključanja i topljenja

n-pentan CH3CH2CH2CH2CH3

izopentan

(CH3)2CHCH2CH3

neopentan

(CH3)4C

tk 36,1 oC tk 28 oC tk 9,4 oC tt -129.8 oC tt -159.9 oC tt -16,8 oC

KONFORMACIJE ETANA

Njumanova

projekciona

formula diedralni

ugao

60 o

stepeničasta

konformacija

eklipsna

konformacija

(12 kJ/mol) rotameri

KONFORMACIJE ETANA

E

Stepen rotacije

eklipsna

stepeničasta

KONFORMACIJE BUTANA

E

Stepen rotacije

anti anti

goš

(gauche-nezgodan)

sin

DOBIJANJE ALKANA Industrijsko (iz prirodnih izvora)

Laboratorijsko

PRIRODNI GAS čine:

• 75% metan

• 10% etan

• 5%propan

NAFTA se sastoji od oko 150 ugljovodonika (pretežno alkani i

cikloalkani)

• Primarna prerada

frakciona destilacija (atmosferska i vakuum)

• Sekundarna prerada

termički postupci (krekovanje)

katalitički postupci (krekovanje, reformiranje)

rafinerijski gas,

1%

petroletar, ligroin, benzin i nafta 15-30%

kerozin, lož ulje, 5-20%

gasno ulje, dizel gorivo,

ulje za podmazivanje

asfalt, 10-40%

Uljni ostatak, parafinski

vosak, asfalt, smola,

8-69%

LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA

1. Hidrogenovanje alkena i alkina

2. Redukcija alkil-halogenida

3. Vircova (Würtz) reakcija

LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA

1. Hidrogenovanje alkena i alkina

alken alkan

alkan alkin

ili

LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA

2. Redukcija alkil-halogenida

hidroliza Grinjarovog (Grignard) reagensa

redukcija pomoću metala i kiseline

RX + Mg RMgX RHH2O

R:Mg+

:X:..

..kovalentna veza

jonska veza _

Primer: 2-brombutan butan Zn, HBr

2-brombutan butan

3. Vircova reakcija

LABORATORIJSKO DOBIJANJE ALKANA

R-X + 2Na + R-X R-R + 2NaX

Primer: 1-brompropan heksan

ograničenje –kao polazni molekul se može koristiti samo jedan alkil-halogenid

u suprotnom će se dobiti smeša proizvoda

Na

REAKCIJE ALKANA

1. Oksidacija

2. Halogenovanje

3. Piroliza

REAKCIJE ALKANA

CH4 + O2 CO2 + 2H2O + toplota (212 kcal/mol)

toplota sagorevanja je količina toplote oslobođena po molu ugljovodonika

toplota sagorevanja raste sa brojem C atoma

toplota sagorevanja se smanjuje sa račvanjem

toplota sagorevanja ukazuje na stabilnost molekula

4817 kJ/mol

5471 kJ/mol

6125 kJ/mol

654 kJ/mol

654 kJ/mol

heptan

oktan

nonan

8CO2 + 9H2O

5452 kJ/mol

5458 kJ/mol

5471 kJ/mol

5466 kJ/mol O2

+ 25

2

O2 +

25

2 O2 +

25

2 O2 +

25

2

REAKCIJE ALKANA

2. Halogenovanje

DHo=energija disocijacije veze

DHo

(raskinutih veza) (stvorenih veza)

uvedena energija-oslobođena energija

ili

Energija disocijacije veze – količina utrošene ili oslobođene energije za raskidanje ili nastajanje

veze. Predstavlja jačinu neke veze

CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4

Cl2, h Cl2, h Cl2, h Cl2, h

dihlormetan

(metilenhlorid)

trihlormetan

(hloroform)

tetrahlormetan

(ugljentetrahlorid) hlormetan

za monohlorovanje je potreban

veliki višak metana

inicijacija

propagacija

terminacija

Lančana reakcija – serija stupnjeva,

U svakom se stvara reaktivna čestica za sledeći stupanj

Mehanizam halogenovanja

inicijacija propagacija terminacija

Inicijacija

homolitičko raskidanje veze

atom hlora

mali broj inicijacija je potreban da bi se svi reaktanti preveli u proizvode !

ili

Propagacija 1 metil-radikal

Reakciona koordinata

za Br2

Ho=16 kcal/mol

Eact=18 kcal/mol . .

Propagacija 2

Propagacija

propagacija 1 propagacija 2

r.k.

Terminacija

Inhibitori-supstance koje usporavaju ili zaustavljaju reakciju čak i u maloj količini

Ukoliko dođe do reakcije između bilo koja dva radikala, dolazi do terminacije

Problem kod hlorovanja predstavlja kontrola selektivnosti

proizvoda

Fluor i brom reaguju sa metanom i alkanima

Jod ne reaguje

Prva propagaciona faza je uvek sporija od druge. Ona postaje

sve egzotermnija i njena Ea opada idući od Br, preko Cl do F.

Ovim trendom se objašnjavaju relativne reaktivnosti halogena

U slučaju fluora, prelazno stanje je mnogo bliže polaznim

materijalima nego proizvodima reakcije. Rana prelazna stanja

često su karakteristična za brze egzotermne procese

U slučaju broma, prelazno stanje je mnogo bliže proizvodima

reakcije. Kasna prelazna stanja često su karakteristična za spore

endotermne procese

relativna reaktivnost halogena F2>Cl2>Br2>(I2)

Halogenovanje viših alkana

.

CH3CH3

XCH3CH2

.CH3CH2-X

etil-radikal

43 % 57%

1 o 2 o

1-hlorpropan 2-hlorpropan

etan

propan

orijentacija je određena relativnom brzinom izdvajanja vodonika, odnosno

relativnom reaktivnošću

Halogenovanje viših alkana

r.k.

relativna reaktivnost 2o : 1o = 4 : 1 na 25 oC za hlorovanje

Apstrakcija 2o vodonika je

egzotermniji proces sa

nižom Ea

Halogenovanje viših alkana

1-hlor-2-metilpropan 2-hlor-2-metil-propan

relativna reaktivnost 3o : 1o = 5 : 1 na 25 oC za hlorovanje

relativna reaktivnost 3o : 2o : 1o = 5 : 4 : 1 na 25 oC za hlorovanje

hlor je neselektivan !

Halogenovanje viših alkana

2-brom-2-metilpropan 1-brom-2-metilpropan

relativna reaktivnost 3o : 2o : 1o = 1600 : 82 : 1 na 127 oC za bromovanje

brom je selektivan !

Halogenovanje viših alkana

r.k.

Brom pokazuje veliku selektivnost zato što se prelazna stanja kasno postižu i po strukturi su slična radikalu koji nastaje

Stabilnost radikala

Energija disocijacije veze kod alkana opada u

sledećem nizu:

metan>1o>2o > 3o

C-H jača veza Manje stabilan radikal

CH3-H CH3· + H· DH0 = 105 kcal mol-1

CH3CH2-H CH3CH2 · + H· DH0 = 101 kcal mol-1

(CH3)2CH-H (CH3)2CH· + H· DH0 = 98.5 kcal mol-1

(CH3)3C-H (CH3)3C· + H· DH0 = 96.5 kcal mol-1

C-H slabija veza Stabilniji radikal

opad

a ja

čina

veze

Stabilnost radikala Relativna stabilnost alkil-radikala se može objasniti

preklapanjem orbitale koja sadrži nesparen elektron (p orbitala) i orbitale na susednom C atomu (sp3 orbitala).

Ovo preklapanje se zove hiperkonjugacija.

Hiperkonjugacija dozvoljava vezujućem paru elektrona u vezi da se delokalizuje u delimično praznoj p orbitali.

Doprinos stabilnosti kod 2 i 3o radikala je smanjenje sternih interakcije zbog promene geometrije sistema (sp2 hibridizacije).

Faktori koji stabilizuju radikal stabilizuju i prelazno stanje

Struktura metil-radikala

prelazno stanje

metil-radikal HCl

Struktura 1o, 2o i 3o-radikala

1o 2o 3o

porast hiperkonjugacije

REAKCIJE ALKANA

3. Piroliza zagrevanjem alkana na visokoj temperaturi dolazi do raskidanja C-H i C-C

veza u odsustvu O2

pri tom nastaju viši i niži alkani i alkeni

propen

eten

kombinacija radikala

apstrakcija vodonika