Alkany - Węglowodory nasycone

Alkany to podstawowe węglowodory o wzorze ogólnym C₁₂H₂ₙ₊₂. Tworzą szereg homologiczny, czyli związki różniące się grupą CH₂, ale mające podobne właściwości chemiczne.

Istnieją różne metody otrzymywania alkanów. W syntezie Würtza używamy halogenków alkilowych i sodu do tworzenia wiązań C-C: 2R-X + 2Na → R-R + 2NaX. W syntezie Grignarda tworzymy najpierw związek magnezoorganiczny, który po hydrolizie daje alkan: R-X + Mg → RMgX, a następnie RMgX + H₂O → R-H + Mg(OH)X.

Nazewnictwo alkanów opiera się na kilku zasadach: najpierw identyfikujemy najdłuższy łańcuch węglowy, numerujemy atomy węgla tak, by podstawniki miały jak najmniejsze lokanty, wymieniamy podstawniki w kolejności alfabetycznej i używamy przedrostków $di-, tri-, tetra-$ dla powtarzających się grup.

Zapamiętaj! Podstawniki w alkanach to najczęściej grupy węglowodorowe (metyl, etyl, propyl) lub fluorowce (F, Cl, Br, I).

Izomeria konstytucyjna węglowodorów

Izomeria to zjawisko występowania związków o tym samym wzorze sumarycznym, ale różnej budowie. Izomery konstytucyjne różnią się kolejnością lub sposobem połączenia atomów.

Spójrzmy na prosty przykład: C₄H₁₀ może istnieć jako butan $łańcuch prosty$ lub 2-metylopropan (izobutan) z rozgałęzionym łańcuchem. Co ciekawe, alkany rozgałęzione mają niższą temperaturę wrzenia i topnienia oraz mniejszą gęstość niż ich liniowe odpowiedniki.

Charakterystyczną reakcją alkanów jest substytucja rodnikowa - proces zastępowania atomu wodoru innym atomem. Przebiega w trzech etapach: inicjacja (powstanie rodników), propagacja (reakcja łańcuchowa) i terminacja (zakończenie reakcji).

Przykładem jest chlorowanie etanu: CH₃-CH₃ + Cl₂ → CH₃-CH₂Cl + HCl, gdzie zastępujemy atom wodoru chlorem.

Warto zapamiętać! Reakcje substytucji przebiegają według mechanizmu rodnikowego, gdzie kluczową rolę odgrywają cząsteczki z niesparowanym elektronem.

Metan - najprostszy alkan

Metan (CH₄), znany również jako gaz błotny lub kopalniany, to najprostszy węglowodór nasycony. Jego właściwości fizyczne są charakterystyczne - jest bezbarwny, bezzapachowy, nierozpuszczalny w wodzie i lżejszy od powietrza. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową, co stanowi zagrożenie w kopalniach.

Metan można otrzymywać na kilka sposobów, m.in. w reakcji węgliku glinu z wodą: Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al$OH$₃ lub przez rozkład octanu sodu z wodorotlenkiem sodu: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃.

W zależności od dostępu tlenu, metan ulega spalaniu całkowitemu $CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O$ lub niecałkowitemu $2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O lub CH₄ + O₂ → C + 2H₂O$.

Reaktywność fluorowców z metanem jest zróżnicowana: fluor reaguje w warunkach normalnych, chlor i brom po naświetleniu, a jod w ogóle nie reaguje.

Ciekawostka! Metan to główny składnik gazu ziemnego i ważne paliwo, ale jednocześnie silny gaz cieplarniany, którego emisja stanowi problem środowiskowy.

Cykloalkany - węglowodory pierścieniowe

Cykloalkany to węglowodory nasycone o budowie pierścieniowej, opisane wzorem ogólnym CₙH₂ₙ. Najprostsze z nich to cyklopropan (C₃H₆), cyklobutan (C₄H₈), cyklopentan i cykloheksan.

W nazewnictwie cykloalkanów rozgałęzionych pierścień jest zawsze ważniejszy niż długość łańcucha bocznego. Przykładowo, związek zawierający pierścień cyklopropanu z przyłączoną grupą metylową nazywamy metylocyklopropan, a nie cyklopropyloetan.

Otrzymywanie cykloalkanów często opiera się na eliminacji halogenków przy użyciu cynku, magnezu lub sodu. Przykładowo, w reakcji 1,3-dichloropropanu z cynkiem powstaje cyklopropan: CH₂-CH₂-CH₂$Cl$₂ + Zn → cyklopropan + ZnCl₂.

Podobnie, z 1,6-dichloroheksanu możemy otrzymać cykloheksan.

Pamiętaj! Cykloalkany są ważnymi związkami w przemyśle i występują naturalnie w ropie naftowej. Ich właściwości różnią się od liniowych alkanów ze względu na inną geometrię cząsteczki.

Izomeria szkieletowa i cis-trans

Izomeria szkieletowa to rodzaj izomerii konstytucyjnej, w której związki różnią się układem szkieletu węglowego. Przykładowo, związek C₆H₁₂ może występować jako cykloheksan lub jako różne metylocyklopentany.

Cykloalkany mogą również wykazywać izomerię cis-trans, gdy podstawniki znajdują się w różnym położeniu przestrzennym względem płaszczyzny pierścienia. Na przykład 1,2-dimetylocyklopropan może występować jako izomer cis (oba podstawniki po tej samej stronie pierścienia) lub trans (po przeciwnych stronach).

Cykloalkany, podobnie jak alkany, ulegają reakcjom substytucji rodnikowej. Przy reakcji chlorowcowania powstają różne produkty, w zależności od miejsca podstawienia. Przykładowo, chlorowanie metylocyklobutanu może prowadzić do powstania różnych izomerów monochlorowanych.

Ważne! Izomery cis-trans mają różne właściwości fizyczne i chemiczne, mimo tego samego wzoru sumarycznego i połączeń między atomami. Jest to spowodowane ich odmienną geometrią przestrzenną.

Alkeny - węglowodory z wiązaniem podwójnym

Alkeny to węglowodory nienasycone o wzorze ogólnym CₙH₂ₙ, zawierające wiązanie podwójne między atomami węgla. Najprostszym alkenem jest eten (etylen) o wzorze C₂H₄.

Charakterystyczną cechą alkenów jest płaska struktura wokół wiązania podwójnego, z kątem 120° między wiązaniami. Ta geometria jest wynikiem sztywnego wiązania podwójnego, które ogranicza rotację.

Właściwości alkenów zależą od długości łańcucha węglowego. Niższe alkeny $eten, propen, buten$ są gazami, średnie $C₅-C₁₈$ cieczami, a wyższe ciałami stałymi. Wszystkie są niepolarne, nierozpuszczalne w wodzie, ale rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych.

W nazewnictwie alkenów kluczowe jest określenie położenia wiązania podwójnego. Łańcuch numerujemy tak, aby wiązanie podwójne miało jak najniższy lokant. Przykładowo: CH₂=CH-CH₂-CH₂-CH₃ to pent-1-en, a CH₃-CH=CH-CH₂-CH₃ to pent-2-en.

Wskazówka! Alkeny łatwo rozpoznasz po przyrostku "-en" w nazwie oraz charakterystycznym wiązaniu podwójnym we wzorze. Ich reaktywność jest większa niż alkanów dzięki obecności wiązania π.

Izomeria alkenów

Alkeny wykazują kilka rodzajów izomerii konstytucyjnej. Izomeria szkieletowa dotyczy różnic w układzie szkieletu węglowego, np. pent-1-en i 3-metylobut-1-en mają ten sam wzór (C₅H₁₀), ale różną strukturę.

Kolejnym rodzajem jest izomeria położenia wiązania podwójnego, jak w przypadku pent-1-enu i pent-2-enu, gdzie wiązanie podwójne znajduje się w różnych miejscach łańcucha.

Izomeria cis-trans $geometryczna$ występuje, gdy grupy przy wiązaniu podwójnym mogą przyjmować różne położenia przestrzenne. W izomerze cis grupy są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego, a w izomerze trans - po przeciwnych.

Nowszy system nazewnictwa E/Z bazuje na regułach pierwszeństwa podstawników. W izomerze E $niem. "entgegen"$ grupy o wyższym priorytecie znajdują się po przeciwnych stronach, a w Z $niem. "zusammen"$ - po tej samej stronie.

O pierwszeństwie podstawnika decyduje liczba atomowa pierwiastka bezpośrednio przyłączonego do węgla wiązania podwójnego.

Zapamiętaj! Izomery geometryczne $cis-trans, E/Z$ mają identyczne wzory sumaryczne i konstytucyjne, ale różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi ze względu na odmienne rozmieszczenie atomów w przestrzeni.

Reakcje otrzymywania alkenów

Alkeny można otrzymać na wiele sposobów, najczęściej poprzez reakcje eliminacji. Oto najważniejsze metody:

Dehydratacja alkoholi to eliminacja wody z alkoholu w obecności Al₂O₃: CH₃-CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O. Reakcja zachodzi w podwyższonej temperaturze.

Eliminacja halogenowodorów $HX$ z halogenków alkilowych przy użyciu KOH w środowisku alkoholowym: CH₃-CHCl-CH₃ + KOH → CH₂=CH-CH₃ + KCl + H₂O.

Eliminacja halogenków $X₂$ za pomocą cynku: CH₂Cl-CHCl-CH₃ + Zn → CH₂=CH-CH₃ + ZnCl₂.

Inne metody to uwodornienie alkinów: CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂, odwodornienie alkanów: CH₃-CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂, oraz depolimeryzacja polietylenu: -$CH₂-CH₂$ₙ- → n CH₂=CH₂.

W reakcjach eliminacji obowiązuje reguła Zajcewa - wodór odrywa się od tego atomu węgla, przy którym jest mniej atomów wodoru, co prowadzi do powstania bardziej podstawionego alkenu.

W reakcjach addycji do wiązania podwójnego stosuje się regułę Markownikowa - atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla z wiązania podwójnego, przy którym jest więcej atomów wodoru.

Wskazówka! Reakcje eliminacji są kluczowe dla otrzymywania alkenów i stanowią przeciwieństwo reakcji addycji, które są typowe dla alkenów jako substratów.

Reakcje alkenów

Alkeny są bardziej reaktywne niż alkany dzięki obecności wiązania podwójnego. Najważniejsze reakcje alkenów to reakcje addycji:

Addycja wodoru $uwodornienie$: CH₂=CH-CH₃ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃ (wymaga katalizatora Ni lub Pt).

Addycja halogenów: CH₂=CH-CH₃ + Cl₂ → CH₂Cl-CHCl-CH₃ (prowadzi do dihalogenków).

Addycja halogenowodorów: CH₂=CH-CH₃ + HBr → CH₃-CHBr-CH₃ (zgodnie z regułą Markownikowa).

Addycja wody: CH₂=CH-CH₃ + H₂O → CH₃-CHOH-CH₃ (wymaga środowiska kwasowego).

Reakcje te przebiegają według mechanizmu addycji elektrofilowej, który obejmuje trzy etapy:

1. Rozerwanie wiązania w cząsteczce reagenta $np. Br₂ → Br⁺ + Br⁻$
2. Przyłączenie elektrofila do alkenu $np. CH₂=CH₂ + Br⁺ → CH₃-CH₂Br⁺$
3. Przyłączenie nukleofila do karbokationu $np. CH₃-CH₂Br⁺ + Br⁻ → CH₃-CH₂Br₂$

Inną ważną reakcją jest polimeryzacja - łączenie się wielu cząsteczek alkenu $monomerów$ w długie łańcuchy $polimery$. Przykładowo: n CH₂=CH₂ → -$CH₂-CH₂$ₙ- (polietylen).

Ciekawostka! Polimery otrzymywane z alkenów, jak polietylen czy polipropylen, są podstawowymi tworzywami sztucznymi używanymi w codziennym życiu, od opakowań po elementy samochodów.

Reakcje alkenów z odczynnikami utleniającymi

Alkeny reagują z wodą bromową i roztworem KMnO₄, co pozwala odróżnić je od węglowodorów nasyconych. W tych reakcjach słabsze wiązanie π ulega rozerwaniu.

W reakcji z wodą bromową następuje odbarwienie roztworu, a w rezultacie powstaje dibromopochodna: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br

W reakcji z roztworem KMnO₄ w środowisku obojętnym powstają diole (glikole): 3 CH₂=CH₂ + 2 KMnO₄ + 4 H₂O → 3 CH₂$OH$-CH₂$OH$ + 2 MnO₂ + 2 KOH

W środowisku kwasowym reakcja przebiega inaczej: 2 KMnO₄ + 5 CH₂=CH₂ + 3 H₂SO₄ + 2 H₂O → 2 MnSO₄ + 5 HOCH₂-CH₂OH + K₂SO₄

Polimeryzacja alkenów prowadzi do powstawania polimerów takich jak:

• Polichlorek winylu (PCV) z chlorku winylu
• Teflon z tetrafluoroetenu
• Poliizopren z izoprenu

Zapamiętaj! Odbarwienie roztworu KMnO₄ (reakcja Baeyera) to prosty test na obecność wiązania podwójnego lub potrójnego w cząsteczce. Związki nasycone nie odbarwiają tego roztworu.