Alkani – nomenklatura, dobivanje i reakcije

II dio

Fizikalna svojstva alkana topljivost: hidrofobni, slabo polarni netopljivi u vodi

gustoća: manja od 1 g/mL (gustoća se povećava s veličinom alkana)

vrelišta rastu s porastom broja C atoma: Pri sobnoj temperaturi prva 4 člana su plinovi, alkani s 5 do 15 C atoma jesu tekućine, a u čvrstom stanju su oni sa više od 15 C atoma u molekuli

izomer s ravnim lancem ima više vrelište od izomera s razgranatim lancem

Nalazišta i upotreba alkana

Primjeri u prirodi:

C7H16 heptan (ulje bora)

n-C29H60 nonakosan (lišće kupusa)

n-C31H64 hentriakontan (pčelinji vosak)

Glavni izvor alkana:

NAFTA i PRIRODNI PLIN

Osobine alkana

Prva četiri člana homologne serije alkana su pod normalnim uslovima gasovite supstance; sa C5 – C15 su tečnosti, a viši homolozi, C16 pa na dalje, su čvrste supstance.

Osobine alkana

Mali hemijski afinitet prema drugim molekulama – inertni prema vedini reagenasa kao što su kiseline, baze, oksidirajudi i reducirajudi agensi.

Struktura alkana Dva elektrona iz 2p orbitale su jedini nespareni elektroni – zašto

onda struktura metana nije CH2?

Mala energetska barijera između 2s i 2p orbitale omogudava prelaz jednog elektrona iz 2s u praznu 2p orbitalu čime se dobivaju četiri nesparena elektrona raspoloživa za vezivanje CH4.

U metanu su sve veze ugljik-vodik jednake, a elektroni su smješteni u dvije različite vrste orbitala?

Elektroni su ponovo preraspodjeljeni u procesu hibridizacije: jedna s i tri p orbitale daju četiri identične sp3 hibridne orbitale.

Metan

sp3 –hibridne orbitale usmjerene su prema uglovima pravilnog tetraedra, jer su pri takvom geometrijskom rasporedu četiri orbitale međusobno najudaljenije.

Reakcijski mehanizam: detaljni opis naačina pretvaranja reaktanata u produkte. Uključuje pomake elektrona (kojima se kidaju i nastaju veze) te stereohemijske i energetske promjene do kojih dolazi u toku reakcije.

Hemijske veze

Konfiguracija plemenitog gasa postiže se transferom elektrona s jednog atoma na drugi – rezultirajudi ioni imaju suprotne naboje te se međusobno privlače – ionska veza.

Prema Lewisovoj teoriji, atom je najstabilniji kada mu je vanjska ljuska popunjena elektronima – pravilo okteta U cilju popunjavanja svoje vanjske ljuske, atom daje, prima ili dijeli elektrone pri čemu postiže konfiguraciju plemenitog gasa.

Ionska veza nastaje između elektropozitivnih elemenata s lijeve strane PSE i elektronegativnih elemenata smješteni na desnoj strani PSE (razlika u elektronegativnosti >1,9). Karakteristična je za anorganske spojeve, dok se u organskim spojevima javlja rijetko.

Povezani atomi postižu elektronski oktet podjelom veznog elektronskog para.

Atomi sličnih elektronegativnosti povezuju se nepolarnom kovalentnom vezom u kojoj je zajednički elektronski par ravnomjerno raspodjeljen, dok se atomi različitih elektronegativnosti povezuju polarnim kovalentnim vezama (elektronegativniji atom privlači zajednički elektronski par).

Broj kovalentnih veza koje atom tvori ovisi o broju dodatnih elektrona potrebnih za postizanje konfiguracije plemenitog gasa.

Dobivanje alkana - laboratorijsko 1. Hidrogenacija alkena i alkina (adicija vodika)

2. Redukcija alkilhalogenida

a) Hidroliza Gringard-ovog reagensa

b) Redukcija pomodu metala i kiseline

C) Redukcija sa litij-aluminij hidridom

3. Wurtz reakcija (sinteza simetričnih alkana)

4. Corey-House-ova reakcija sparivanja

Dobivanje alkana 1. Hidrogenacija alkena i alkina (adicija vodika na

dvostruku vezu alkena; trostruku vezu alkina):

Dobivanje alkana Hidroliza Gringardovog reagensa

Dobivanje alkana

Gringard-ova jedinjenja su veoma reaktivna

Za dobivanje alkana preko Gringard-ovog reagensa najbolja kiselina je voda

Sa Gringard-ovim reagensom mogu da reaguju sva organska jedinjenja koja imaju kiseli vodik (svaki spoj koji sadrži vodik vezan za kisik ili azot mnogo je kiseliji nego alkan)

Dobivanje alkana Redukcija alkil-halogenida pomoću metala i kiseline

Dobivanje alkana Redukcija alkil-halogenida sa litij-aluminijhidridom

Dobivanje alkana Wurtz-ova reakcija (sinteza simetričnih alkana)

Dobivanje alkana sa većim brojem C-atoma od početnog RX;

Rastvarači: etar ili 1,4-dioksan

Dobivanje alkana

Corey-House reakcija sparivanje (Gilman-ov

reagens)

R XLi

R Li + LiX

R LiCuX

2 Cu LiR

R+ LiX

an organocuprate

(Gilman reagent)

Cu LiR

R+ R' X R R' + R Cu + LiX

organobakreni spoj

Gilman-ov reagens

Zadaci za vježbu

Koji se alkan dobije ako se djeluje vodom na:

n-propilmagnezijev hlorid

Izopropilmagnezjev bromid

Reakcije alkana 1. Halogeniranje

2. Sagorjevanje

3. Piroliza

Reakcije alkana Transformacije kojima podliježu alkani uključuju reakcije preko

slobodnih radikala tzv. radikalske reakcije,

U reakcijama po tipu radikala, kovalentne veze se raskidaju homolitički;

Nastale reakcione vrste (fragmenti), sadrže po jedan NEsparen elektron i veoma su reaktivne.

Reakcije alkana Nastali fragnemti imaju po jedan nespareni elektron:

Atomi (H. , Cl. Itd)

Radikali (CH3. CH3CH2

. ; sadrže više od jednog atoma)

Reakcije alkana Drugi način raskidanja veza gdje gdje elektronski vezivni

par prelezi na jedan od atoma jeste heterolitičko cijepanje;

Pri ovom raskidanju nastaju ioni.

Reakcije alkana Homolitičko cijepanje se odvija u nepolarnim

rastvaračima ili u gasovitoj fazi;

Heterolitičko cijepanje se odvija u polarnim rastvaračima.

Reakcije alkana – halogeniranje Halogeniranje se odvija po radikalskom mehanizmu;

Reakcija supstitucije H atoma alkana sa atomom halogena.

• Relativna reaktivnost halogena: F2 > Cl2 > Br2 > I2

• Koriste se samo Cl2 i Br2 • Do jodiranja ne dolazi, a reakcije sa F2 su burne

Reakcije alkana – halogeniranje Halogeniranje (hloriranje) metana

Reakcije alkana – halogeniranje Mehanizam halogeniranja:

Inicijacija

Propagacija (odvija se u dva koraka)

Terminacija

Reakcije alkana – halogeniranje Inicijacija – homolitičko cijepanje Cl-Cl veze

Reakcije alkana – halogeniranja Faza propagacije koja se odvija u dva koraka:

Reakcije alkana - halogeniranje Terminacija

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

Reakcije alkana – halogeniranje Sumarni mehanizam halogeniranja:

Reakcije alkana – halogeniranje Halogeniranje viših alkana

Svih 6 H-atoma je ekvivalentno i nastaje samo jedan proizvod monohloriranja

Reakcije alkana – halogeniranje Halogeniranje propana – nastaje više produkata

Reakcije alkana – halogeniranje Hloriranje i bromiranje 2-metilpropana

Bromiranje je veoma selektivno – pogodan način za dobivanje alkil-bromida

41

Primjer:

CH3CHCH2CHCH3

CH3

Cl

ClCH2CH2CH2CHCH3

CH3

CH3CH2CHCHCH3

CH3

Cl

CH3CH2CH2CCH3

CH3

Cl

CH3CH2CH2CHCH2Cl

CH3

1-hlor-4-metilpentan

2-hlor-4-metilpentan

3-hlor-2-metilpentan

2-hlor-2-metilpentan

1-hlor-2-metilpentan

1

2

3

4

5

C H 3 C H 2 C H 2 C H C H 3

C H 3

C l 2

C l 2

C l 2

C l 2 C l 2

Reakcije alkana Reakcija susptitucije sa HNO3 i H2SO4

Nitriranje: Na sobnoj temepraturi - nema reakcije Konc HNO3, povedana temperatura – oksidacija Razblažena HNO3, povedana temperatura - nitriranje

C H 3C H 2C H 3 C H 3C H 2C H 2N O 2 + C H 3C H C H 3 + C H 3C H 2N O 2 + C H 3N O 2

N O 2H N O 3

Reakcije alkana Reakcija susptitucije sa HNO3 i H2SO4

Sulfonovanje: Na sobnoj temepraturi - nema reakcije H2SO4, povedana temepratura – oksidacija H2SO4 pažljivo zagrijavanje – sulfonovanje

R H + H 2 S O 4 / S O 3 R S O 3 H + H 2 O

Reakcije alkana – sagorijevanje Sagorijevanjem ugljikovodika nastaju CO2 i H2O uz

oslobađanje velike količine toplote

Reakcije alkana – piroliza Razgradnja nekog spoja djelovanjem toplote – piroliza

Zagrijavanjem alkana na visokoj temepraturi dolazi do raskidanja C-H i C-C veza u odsustvu O2

Pri tome nastaju viši i niži alkani i alkeni

Piroliza alkana, posebno nafte – krekiranje

ZADACI za vježbu Nacrtajte strukture slijedećih spojeva:

a) 2,3,5-trimetilheksan

b) 5-terc-butil-2,7-dimetilnonan

c) 4-izopropil-3-metiloktan

d) 3,3-dimetilpentan

ZADACI za vježbu Imenujte sledeća jedinjenja prema IUPAC nomenklaturi:

ZADACI za vježbu Imenujte sledeća jedinjenja prema IUPAC nomenklaturi:

ZADACI za vježbu Napišite i imenujte produkte slijedećih reakcija:

ZADACI za vježbu Napišite i imenujte produkte slijedećih reakcija:

ZADACI za vježbu Prikažite strukture za za sve produkte koje očekujete

nakon monohloriranja na sobnoj temperaturi slijdećih spojeva:

2,2,4-trimetilpentana

2,2-dimetilbutana

ZADACI za vježbu Napišite hemijske reakcije za pripremu n-butana iz:

n-butilbromida

sek-butilbromida

1-butena CH3CH2CH=CH2

2-butena CH3CH=CHCH3