Ugljovodonici

1. Ugljovodonici • Najjednostavnija organska jedinjenja • Dele se na: • Alifatične • alkani • alkeni • alkini • aliciklični • Aromatične

2. Alkani • zasićeni ugljovodoniciili parafini (latinski: parum affinis) • predstavljaju koren porodičnog stabla organskih molekula • Prirodni gas • Nafta • benzin, ulja za podmazivanje, vazelinski i parafinski voskovi, katran i smole • sirovine za proizvodnju plastičnih masa, sintetičkih vlakana i gume, alkohola, antifriza i mnogih drugih petrohemijskih proizvoda

3. Struktura • najjednostavniji alkan, metan, CH4

4. Homologi niz alkana • Etan, propan, butan

5. Struktura alkana (nastavak) • opšta formula alkana CnH2n+2 • Izomerija kod alkana • Zastupljena je strukturna • Normalni (n-) i račvasti alkani (ugljovodonici) • C7– 9 C10 – 75 C15 - 4347

6. Konformacija • Ma koji od neograničenog broja trenutnih prostornih oblika, koje može zauzimati jedan molekul određene strukture pri rotaciji oko prostih veza, naziva se konformacija

7. Predstavljanje konformacija • Razvijenim strukturnim formulama, kod kojih je prosta veza između dva C-atoma oko koje se vrši rotacija prikazana dijagonalno i nešto je duža nego ostale veze

8. Predstavljanje konformacija (nastavak) • Newman-oveprojekcione formule • eklipsne i stepeničaste konformacije etana • torzioni ugao 

9. Energetska barijera • Između eklipsne i stepeničaste konformacije postoji energetska barijera od oko 12,5 kJ/mol (~3 kcal/mol) • Energija potrebna da molekul rotira oko CC veze naziva se torziona energija

10. Konformacije kod butana • Kod butana, pri rotaciji oko C2C3 σveze, najnestabilnija je eklipsna konformacija dveju voluminoznih metil-grupa • Kada se dva supstituenta nađu u takvim konformacijama, da je torzioni ugao između njih po apsolutnoj vrednosti manji od 90 (| | < 90), one se nazivaju sin konformacije. U suprotnom, kada je | | > 90, to su anti konformacije

11. Nomenklaturaalkana • Svako organsko jedinjenje mora se označiti ili hemijskim simbolima (formulom) ili imenom koje odgovara njegovoj strukturi • Ime mora da bude jasno, precizno i jednostavno, i što je najvažnije, mora da se odnosi na samo jednu molekulsku strukturu • Danas su u upotrebi tri osnovna sistema nomenklature organskih jedinjenja: • trivijalna ili obična imena, • supstituisana ili izvedena imena i • ženevska (IUC ili IUPAC nomenklatura) • Trivijalna ili obična imena davana su jedinjenjima kojima nije bila poznata struktura i najčešće su ukazivala na njihovo poreklo ili neku specifičnu osobinu • Danas se ova nomenklatura koristi za dobro poznata jedinjenja ili za složena jedinjenja za koja je nepodesno koristiti sistematska imena

12. Trivijalna ili obična imena – pravila • Alkani do četiri ugljenikova atoma imaju trivijalna imena, koja potiču od trivijalnih imena alkohola sa istim brojem ugljenikovih atoma (metil-, etil-, propil- i butil-alkohol) • Za više ugljovodonike koriste se osnove grčkih i latinskih naziva brojeva, koji označavaju broj ugljenikovih atoma u molekulu, iza kojih sledi nastavak –an • Svi normalni alkani imaju u imenu prefiks n

13. Trivijalna ili obična imena – pravila (nastavak) • Npr. CH3CH2CH2CH2CH3n-pentan • Prefiks izo- korisi se za alkane koji sadrže grupu (CH3)2CH-, a prefiks neo- za alkane sa (CH3)3C- grupom. Upotreba prefiksa neo- je ograničena samo na neopentan i neoheksan

14. Izvedena (supstituisana)imena • Izvedena imena su se mnogo koristila do uvođenja Ženevske nomenklature • Vrlo su laka za razumevanje i zahtevaju poznavanje relativno malog broja imena • Po ovoj nomenklaturi smatra se da je svaki alkan izveden od metana zamenom vodonikovog atoma drugim grupama. Ove grupe su ugljovodonici sa jednim vodonikovim atomom manje i nazivaju se alkil-grupe

15. Izvedena – supstituisana -imena (nastavak) • Alkil grupe dobijaju imena tako što se od imena alkana odbije nastavak –an i doda nastavak –il • Tako je -CH3 metil-grupa, -C2H5 je etil-, itd. • Opšta formula alkil grupa je CnH2n+1 • Izobutan, na primer, izveden je od metana tako što su tri vodonikova atoma zamenjena metil- grupama i naziva se trimetilmetan:

16. Izvedena – supstituisana -imena (nastavak) • Kod alkil-grupa se sreće izomerija kao i kod ugljovodonika. Zavisno od toga koji je vodonikov atom zamenjen (primaran ili sekundaran), razlikuje se n-propil- i izopropil-grupa: • CH3CH2CH2- CH3CHCH3 | • Postoje 4 butil-grupe, 2 izvedene iz normalnog, a 2 iz račvastog butana: n-butil-, sek-butil-, izobutil- i terc-butil-: CH3CH2CH2CH2-

17. Izvedena – supstituisana -imena (nastavak) • Navedene alkil-grupe čine osnov za imenovanje velikog broja račvastih alkana • Posle butil-grupe, broj izomernih grupa je tako veliki, da ih je nemoguće razlikovati prefiksima, pa je ova nomenklatura ograničena na niže ugljovodonike • Koji C-atom uzeti kao metanski kod ovakvog jedinjenja? • Najsupstituisaniji: • izopropil-trimetilmetan

18. IUPAC nomenklatura • Prva dva sistema nomenklature nisu mogla da obuhvate mnoga složena jedinjenja • Stoga je 1892. godine u Ženevi održan sastanak Međunarodne Unije za čistu i primenjenu hemiju (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC), na kome je usvojena tzv. Ženevska nomenklatura ili IUPAC sistem nomenklature organskih jedinjenja. • U međuvremenu dopunjena i ispravljena, pravila nomenklature organskih jedinjenja objavljena su u 4. izdanju Nomenklature organskih jedinjenja 1979. godine; dopune ovih pravila od 1993. mogu se naći na sajtu IUPAC-a www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/

19. Osnovna pravila IUPAC nomenklature • Pronaći i imenovati najduži niz u molekulu • Prva četiri zasićena nerazgranata aciklična ugljovodonika nazivaju se metan, etan, propan i butan. Imena viših članova homologog niza izvedena su iz numeričkog prefiksa i nastavka “-an”

20. Ime Formula Ime Formula metan etan propan butan pentan heksan heptan oktan nonan dekan undekan dodekan tridekan tetradekan pentadekan CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 heksadekan heptadekan oktadekan nonadekan ikosan henikosan dokosan trikosan itd. triakontan heksatriakontan tetrakontan pentakontan heksakontan heptakontan oktakontan C16H34 C17H36 C18H38 C19H40 C20H42 C21H44 C22H46 C23H48 itd. C30H62 C36H74 C40H82 C50H102 C60H122 C70H142 C80H162

21. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Glavni niz se ponekad teško uočava • Ako postoje dva ili više nizova iste dužine, za osnovni se uzima najrazgranatiji niz

22. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) 2. Imenovati sve alkil-supstituente vezane za najduži niz • Jednovalentnegrupe, koje se izvode iz zasićenih nerazgranatih acikličnih ugljovodonika oduzimanjem vodonikovog atoma sa terminalnog ugljenikovog atoma, imenuju se tako da umesto završetka “-an” u imenu tog ugljovodonika dobijaju nastavak “-il”. • Ugljenikov atom koji ima slobodnu valencu označava se brojem 1 • Ovakvegrupe klasifikuju se kao normalni alkili, odnosno alkili sa nerazgranatim nizom

23. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Primeri: • Ukoliko je alkil grupa račvasta, primenjuju se ista IUPAC pravila kao i za osnovni niz: traži se najduži niz te alkil grupe, određuju supstituenti i dodaju odgovarajući nastavci

24. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) 3.Numerisati ugljenikove atome najdužeg niza, polazeći od onog kraja koji je najbliži susptituentu • Primer: • Ispravno 1 2 3 4 • Ako se dva supstituenta nalaze na istom rastojanju od dva različita kraja niza, niz se numeriše prema abecednom redu supstituenata. Prvi supstituent prema abecednom redu vezuje se za ugljenik sa manjim brojem

25. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Kada ima 3 i više supstituenata: • numerisati osnovni niz s jednog, pa s drugog kraja; • uporediti brojeve C-atoma za koje su vezani supstituenti. Ispravan način numerisanja sadrži najmanje brojeve (princip razlikovanja na prvoj tački) • Primer: • Brojevi supstituisanih C-atoma: 2, 4, 9 (ispravno) 2, 7, 9 (neispravno)

26. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) 4. Napisati ime alkana uređujući sve supstituente po abecednom redu (svakome prethodi broj ugljenikovog atoma za koji je vezan i crtica), a zatim dodati ime osnovnog niza (bez crtice ili razmaka između imena alkil-grupe i osnovnog niza) • Prisustvo više istih, nesupstituisanih alkil-grupa obeležava se prefiksima di-, tri-, tetra-, itd. • Ukoliko se na istom C-atomu nalaze dve iste alkil-grupe, broj tog C-atoma se ponavlja u imenu

27. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Primeri 2,4,9-trimetildekan 4-etil-2,3,5-trimetilheptan 2,2,5-trimetilheksan

28. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Sledeća imena mogu se koristiti samo za nesupstituisane ugljovodonike: • izobutan (CH3)2CH-CH3 • izopentan (CH3)2CH-CH2-CH3 • neopentan (CH3)4C • izoheksan (CH3)2CH-CH2-CH2-CH3

29. Osnovna pravila IUPAC nomenklature (nastavak) • Prisustvo više složenih supstituenata označava se prefiksima bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, itd., iza kojih sledi ime složenog supstituenta u zagradi • Prefiksi di-, tri-, tetra- itd., kao i sek-, terc- ne raspoređuju se po abecednom redu, osim ako su deo imena složenog supstituenta 3,3-dietil-4-metil-5-(1-metilpropil) nonan (ili 5-sek-butil-3,3-dietil-4-metilnonan)

30. Fizičke osobine • Polarnost • Mala razlika u elektronegativnosti između C i H • Veze su usmerene na potpuno simetričan, način tako da se i mala polarnost pojedinačnih veza poništava. Zbog ovakve strukture molekul alkana je nepolaran ili neznatno polaran • Tačke ključanja i topljenja • Sile koje deluju između molekula nepolarnih jedinjenja su slabe van der Waals-ove sile • Deluju na malom rastojanju, između delova molekula koji su sasvim blizu jedan drugom, odnosno na površinama molekula. Sa porastom broja ugljenikovih atoma raste površina molekula i jačaju ove sile • Posledica toga je porast tački ključanja i tački topljenja sa porastom broja ugljenikovih atoma.

31. Fizičke osobine: tačka ključanja • Alkani od: • C1 do C4 su bezbojni gasovi, • C5do C17 su bezbojne tečnosti • C18 i viši su bezbojne čvrste supstance • Tačke ključanja normalnih alkana pravilno rastu s porastom broja C-atoma. Izuzev za niže članove, tačka ključanja se povećava za 20-30oC za svaki novi C-atom, odnosno CH2 grupu, koja se uvede u molekul • To je karakteristično za sve homologe nizove

32. Tačka ključanja(nastavak) • Normalni izomer ima višu tačku ključanja.Što je veće grananje, tačka ključanja je niža • Račvanjem molekul teži da dobije sferni oblik, smanjuje mu se površina, a privlačne sileslabe • Primer: n-butan izobutan Tklj., 0C -0,5 -12 n-pentan izopentan neopentan 36 28 9,5

33. Tačka topljenja • ne menja se pravilno kao tačka ključanja, jer intermolekulske sile u kristalu ne zavise samo od veličine molekula, već i od toga kako se molekul pakuje u kristalnu rešetku • Ako se tačke topljenja nanesu na grafikon u zavisnosti od broja C-atoma, dobija se cik-cak kriva • u gornjim tačkama krive su tačke topljenja ugljovodonika s parnim brojem ugljenikovih atoma (bolje se “pakuju” u kristalne strukture), a u donjim s neparnim

34. Tk alkana C1-C20

35. Rastvorljivost • Rastvorljivost • “slično se u sličnom rastvara” • rastvorni u nepolarnim ili slabo polarnim rastvaračima, kao što su npr.petroletar, etar, hloroform, a nerastvorni u vodi i dr. polarnim rastvaračima • I sami odlični rastvarači (n-pentan i n-heksan)

36. Nalaženje alkana u prirodi i njihovo dobijanje • Nafta • Zemni gas • “Močvarni gas” • Metode za dobijanje nekog organskog jedinjenja • Industrijske (proizvodnja velike količine krajnjeg proizvoda po niskoj ceni) • Laboratorijske • Vreme • Mala količina supstance • Čistoća supstance

37. Dobijanje alkana • Hidrogenizacijom alkena • Redukcijom alkil-halogenida • Redukcija metalom i kiselinom • Hidroliza Grignard-ovog reagensa

38. Dobijanje alkana (nastavak) • RMgX je so vrlo slabe kiseline RH, koju istiskuje svaka jača kiselina, odnosno svako jedinjenje koje ima kiseliji vodonikov atom (voda, alkohol, fenol, kiselina)

39. Dobijanje alkana (nastavak) • WURTZ-ova reakcija • dobijanje alkana sa većim brojem C-atoma od početnog RX; • Rastvarači: etar ili 1,4-dioksan • Metoda je pogodna za dobijanje simetričnih ugljovodonika

40. Dobijanje alkana (nastavak) • Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina i njihovih soli • Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina daje bolji prinos

41. Hemijske reakcije alkana • Na sobnoj temperaturi inertna– slabo reaktivna – jedinjenja; otuda im i naziv parafini (latinski: parum affinis) • Pod oštrijim uslovima i prema određenim reagensima, alkani mogu biti vrlo reaktivni • Reakcije kojima podležu ne koriste se mnogo u laboratorijama, ali imaju veliku industrijsku primenu. • Reakcije alkana vrše se preko slobodnih radikala • Osnovni tip reakcija: supstitucija

42. 1. Halogenovanje • Do reakcije dolazi izlaganjem smeše alkana i halogena (najčešće Cl2 ili Br2) izvoru svetlosti, nekog drugog zračenja, ili toplote • Ova reakcija teče slobodno radikalskim mehanizmom sa sledećim fazama: • Početna faza • Faze širenja • Završne faze

43. Sporedne reakcije kod halogenovanja • Sporedne reakcije i njihovi proizvodi su vrlo česta pojava kod supstitucionih reakcija • Primer: hlorovanje metana

44. 2. Nitrovanje • Nitrovanje je reakcija pri kojoj se vodonikov atom alkana zamenjuje nitro-grupom, NO2 • Za razliku od halogenovanja, pored raskidanja C-H veza ovde dolazi i do raskidanja C-C veza • Reakcija se može vršiti u gasnoj i u tečnoj fazi • U tečnoj fazi se reakcija izvodi pod pritiskom i na temperaturi od 140C, a dobijaju se polinitro-jedinjenja • u gasnoj fazi: alkani se zagrevaju sa azotnom kiselinom ili azotovim oksidima na 150 do 475C (zavisno od ugljovodonika) pri čemu se dobija smeša mononitro-parafina • Odlični su rastvarači, koriste se kao dodaci gorivu za specijalne trkačke i prototip motore, kao intermedijeri u sintezi lekova, insekticida, eksploziva, itd.

45. 3. Sulfonovanje • Lakoća zamenjivanja vodonikovog atoma je: 321

46. 4. Oksidacija • U višku kiseonika ili vazduha, svi alkani lako sagorevaju dajući ugljendioksid i vodu, uz oslobađanje znatne količine energije • Količina energije koja se oslobodi sagorevanjem 1 mola jedinjenja naziva se toplota sagorevanja • Toplota sagorevanja povećava se sa brojem C-atoma i to za oko 649 kJ/mol za svaku -CH2- grupu

47. Nepotpuna oksidacija • Do nepotpunog sagorevanja alkana dolazi u uslovima nedovoljne količine kiseonika ili vazduha. Proizvodi reakcije mogu biti ugljen-monoksid ili čak čist ugljenik

48. Piroliza – krakovanje • Piroliza alkana – razgradnja na visokoj temperaturi bez prisustva vazduha • Krakovanje se vrši radikalskim mehanizmom. • metan:

49. Piroliza etana i propana • Etan • Raskida se i C-C veza (slabija od C-H veze) • propan • moguće tri početne reakcije:

50. Izomerizovanje • Izomerizovanje je proces u kojem normalni alkani prelaze u račvaste izomere zagrevanjem u prisustvu katalizatora • proces je važan za proizvodnju goriva većeg oktanskog broja