Przeczytaj
Węglowodory nasycone
Alkany są związkami stosunkowo biernymi chemicznie. Dzieje się tak dlatego, że wiązania typu sigma: węgiel–węgiel i węgiel–wodór należą do mocnych (duża energia wiązania) i trudnych do rozerwania. Reaktywność poszczególnych atomów wodoru w alkanach wzrasta wraz z rzędowością atomów węgla, z którymi są związane (połączone).
Podwyższona temperatura i naświetlanie powodują wzrost aktywności alkanów.
Charakterystyczną cechą węglowodorów nasyconych jest zdolność do reakcji substytucji, czyli podstawiania. Reakcja ta zachodzi, gdy dwa substraty wymieniają się fragmentami swoich cząsteczek, tworząc dwa nowe produkty.
Reakcją substytucji, w której biorą udział alkany, jest reakcja halogenowania (alkany reagują z , np. , ), zachodząca podczas naświetlania lub ogrzewania układu reakcyjnego. Reakcja z fluorem przebiega wybuchowo bez naświetlania lub ogrzewania, natomiast reakcja z jodem nie zachodzi ze względu na barierę energetyczną.
Podczas monobromowania propanu, w warunkach podanych poniżej, powstają różne produkty. Głównym produktem reakcji bromowania jest wyżej rzędowa pochodna, czyli pochodna, w której atom bromu przyłączony jest do węgla o wyższej rzędowości.
Powstające w pierwszym etapie halogenowania, cząsteczki monohalogenopochodnej alkanu (czyli cząsteczki alkanu, w której jeden atom wodoru został podstawiony atomem halogenu) mogą brać udział w reakcjach podstawiania kolejnych atomów wodoru atomami halogenu, aż podstawieniu ulegną prawie wszystkie atomy wodoru.
Podstawianie atomu wodoru chlorem lub bromem jest reakcją łańcuchową, przebiegającą według mechanizmu rodnikowego. Rodnik to atom lub grupa atomów z niesparowanym elektronem (w umownym zapisie oznacza się go kropką). Im wyżej rzędowy rodnik, tym jest trwalszy i szybciej się tworzy. Reaktywność rodników wynika z obecności w tej drobinie bardzo aktywnego i niesparowanego elektronu.
Reakcja ta składa się z następujących etapów:
inicjacja (zapoczątkowanie);
propagacja (rozwijanie);
terminacja (zakończenie).
Reakcja halogenowania jest reakcją:
rodnikową, ponieważ zachodzi wg mechanizmu rodnikowego;
fotochemiczną, ponieważ na etapie inicjacji potrzebna jest energia świetlna;
łańcuchową, ponieważ reakcje propagacji powtarzają się cyklicznie;
substytucji, ponieważ atom wodoru jest wymieniany (podstawiany) na atom halogenu.
Węglowodory nienasycone
Alkeny
Pierwszą grupą węglowodorów nienasyconych są alkeny. Są to węglowodory aktywne chemicznie.
Na wiązanie podwójne w cząsteczce alkenu składa się jedno mocne wiązanie typu sigmawiązanie typu sigmai drugie słabsze wiązanie typu pi. Wiązanie typu pi łatwo ulega rozerwaniu podczas reakcji chemicznej, co decyduje o dużej aktywności chemicznej alkenów. Charakterystyczną cechą alkenów jest zdolność do reakcji: addycjiaddycji i polimeryzacjipolimeryzacji.
Addycja cząsteczki HX zachodzi zgodnie z regułą Markownikowa, która mówi, że atom wodoru w reakcji addycji przyłącza się do atomu węgla, związanego z większą liczbą atomów wodoru („bogatszego w wodór”).
Jedną z ważniejszych reakcji alkenów jest reakcja z roztworem bromu w CClIndeks dolny 44.
Reakcja odbarwiania roztworu bromu w (lub w chloroformie) jest wykorzystywana w chemii analitycznej (jako tzw. reakcja probówkowa) do szybkiego odróżniania węglowodorów nienasyconych od nasyconych. Efektem wizualnym w tej reakcji jest zanik barwy roztworu (odbarwienie).
Alkadieny
Kolejną grupą węgolowodorów nienasyconych są alkadieny., czyli węglowodory nienasycone, które posiadają w cząsteczce dwa wiązania podwójne. Alkadieny – podobnie jak alkeny – są aktywne chemicznie i biorą udział w reakcjach addycji. Właściwości chemiczne ściśle wiążą się z układem wiązań występujących w cząsteczce alkadienu, np.:
przy izolowanym układzie wiązań podwójnych każde z wiązań zachowuje swoje właściwości (takie jak wiązanie podwójne w alkenach), wiązania podwójne nie oddziałują na siebie:
przy sprzężonym układzie wiązań podwójnych, w reakcji zachodzącej przy stosunku molowym substratów 1:1, możliwa jest addycja w układzie 1,2 (tzw. addycja 1,2) oraz addycja w układzie 1,4 (tzw. addycja 1,4):
Alkiny
Ostatnią grupą węglowodorów nienasyconych są alkiny. Ich charakterystyczną cechą jest zdolność do reakcji addycji i polimeryzacji. Na wiązanie potrójne w cząsteczce alkinu składa się zawsze jedno wiązanie mocne typu sigma i dwa słabe typu pi. Wiązania pi łatwo ulegają rozerwaniu podczas reakcji chemicznej. Ten fakt decyduje o dużej aktywności alkinów.
Reakcje, którym ulegają alkiny, to np.
addycja wodoru w obecności katalizatora;
addycja halogenów;
addycja halogenowodorów;
Jest to addycja zachodząca zgodnie z regułą Markownikowaregułą Markownikowa. W tym wypadku zawsze powstaje izomer E (dotyczy reakcji alkinu z HX w stosunku molowym 1:1), np.:
addycja wody (hydratacja) w określonych warunkach.
Natomiast dla alkinów terminalnych:
Addycja wody zachodzi pod wpływem siarczanu(VI) rtęci(II) w środowisku kwasowym. Powstający w pierwszym etapie enol natychmiast ulega przegrupowaniu w związek karbonylowy: aldehyd (dla wyjściowego etynu) lub keton (dla pozostałych alkinów).
Węglowodory aromatyczne
Węglowodory aromatyczne ulegają reakcjom substytucji elektrofilowej, które są charakterystyczne dla węglowodorów aromatycznych.
W określonych warunkach benzen może ulegać także innym przemianom chemicznym, takim jak:
uwodornienie benzenu do cykloheksanu;
addycja bromu do benzenu pod wpływem światła.
Przebieg reakcji substytucji elektrofilowej przedstawiono na poniższym schemacie.
Słownik
proces przyłączania do atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym lub potrójnym cząsteczek homo- lub heteroatomowych, w wyniku czego zmniejsza się krotność wiązania w cząsteczce organicznego substratu; zachodzi wtedy, gdy dwa substraty łączą się ze sobą, tworząc jeden produkt
reakcja, w której związek wielkocząsteczkowy (polimer) tworzy się z pojedynczych cząsteczek związku o małej masie cząsteczkowej (monomer); procesem odwrotnym jest depolimeryzacja
wiązanie chemiczne, utworzone przez elektrony, opisane orbitalem molekularnym symetrycznym względem obrotów wokół osi wiązania
w reakcji addycji niesymetrycznych cząsteczek HX do niesymetrycznych alkenów atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla przy wiązaniu podwójnym, przy którym przed reakcją było więcej atomów wodoru
Bibliografia
Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.
Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.