Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑red

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).

Ważne!

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 X2, np. Br 2 , Cl 2 ), 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.

RRovJdV1KAl501
Jak wynika z powyższego schematu, substrat, czyli propan, został przekształcony w dwa produkty powstające w wyniku przebiegu tzw. reakcji równoległych, czyli konkurencyjnych. Jedna z nich jest dominująca i nosi nazwę reakcji głównej, druga to reakcja uboczna. Produktem głównym bromowania propanu jest 2‑bromopropan (97%). Reakcje bromowania alkanów podlegają następującej regule: produkt główny reakcji bromowania to wyżej rzędowa pochodna. Tej reguły nie można jednak zastosować do reakcji chlorowania alkanów.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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);

R1drKpxdua5Jr
Reakcja rozpoczyna się od homolizy cząsteczki halogenu X2 pod wpływem światła lubogrzania. Rozrywane jest wiązanie X-X, którejest słabsze w porównaniu z wiązaniami C-Club C-H w cząsteczce węglowodoru R-H.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • propagacja (rozwijanie);

R1STRATZwO5fq
Atom halogenu o nieparzystej liczbie elektronów(a więc rodnik) oraz rodnik R• są bardzo reaktywne. Następuje oderwanie atomuH od cząsteczki węglowodoru R–H lub atomuhalogenu od cząsteczki halogenu X–X.W etapie propagacji powstają m.in. cząsteczkiR–X oraz HX. Proces ten może się powtarzaćwielokrotnie.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • terminacja (zakończenie).

RfMb74tgK7Pqy
Zakończenie łańcucha reakcji następuje wtedy, gdy rodniki R• oraz X połączą się ze sobą na trzy sposoby. W czasie tych reakcji usuwane są reaktywne rodniki.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

bg‑red

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 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: addycjiaddycjaaddycjipolimeryzacjipolimeryzacjapolimeryzacji.

Ważne!

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”).

R1Nt1IAMN8Pcp1
reakcje addycji Alkeny, jako węglowodory nienasycone, mogą przyłączać:
▪ cząsteczkę wodoru w obecności katalizatora; Schemat reakcji addycji wodoru do wiązania podwójnego w alkenie. Cząsteczka alkenu, wiązanie podwójne występuje pomiędzy atomami węgla, dodać cząsteczka wodoru H2. Strzałka w prawo, nad strzałką katalizatory: Pd, Pt lub Ni. Za strzałką cząsteczka produktu, czyli alkanu, w której atomy dwa węgla oraz związane z nimi dwa atomy wodoru znajdują się w płaszczyźnie monitora, zaś jedno wiązanie od każdego atomu węgla wychodzi za płaszczyznę monitora, a drugie przed płaszczyznę. np. addycja wodoru do propenu: Schemat reakcji addycji wodoru do wiązania podwójnego w cząsteczce propenu. Cząsteczka propenu o strukturze grupa CH2 związana za pomocą wiązania podwójnego z grupą CH, która to łączy się z grupą CH3. Dodać cząsteczka wodoru H2, strzałka w prawo, nad strzałką katalizatory: Pd, Pt lub Ni, za strzałką produkt reakcji propan o strukturze grupa CH3 związana z grupą CH2, która to łączy się z grupą CH3. ▪ cząsteczkę halogenu X2; Schemat reakcji addycji cząsteczki halogenu do wiązania podwójnego w alkenie. Cząsteczka alkenu, w której występuje wiązanie podwójne pomiędzy atomami węgla, dodać cząsteczka halogenu Schemat reakcji addycji wodoru do wiązania podwójnego w cząsteczce propenu. Cząsteczka propenu o strukturze grupa CH2 związana za pomocą wiązania podwójnego z grupą CH, która to łączy się z grupą CH3. Dodać cząsteczka wodoru H2, strzałka w prawo, nad strzałką katalizatory: Pd, Pt lub Ni, za strzałką produkt reakcji propan o strukturze grupa CH3 związana z grupą CH2, która to łączy się z grupą X2. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka dihalogenopochodnej. np. addycja bromu do propenu: Schemat reakcji addycji cząsteczki bromu do wiązania podwójnego w cząsteczce propenu. Cząsteczka propenu o strukturze grupa CH2 związana za pomocą wiązania podwójnego z grupą CH, która to łączy się z grupą CH3. Dodać cząsteczka bromu Br2, strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka 1,2-dibromopropanu o strukturze grupa CH2 związana z atomem bromu oraz z grupą CH podstawioną atomem bromu oraz grupą CH3. ▪ cząsteczkę halogenowodoru HX: Schemat reakcji addycji cząsteczki halogenowodoru HX do wiązania podwójnego w alkenie. Cząsteczka alkenu, w którym pomiędzy atomami węgla występuje wiązanie podwójne, dodać cząsteczka halogenowodoru HX, który może stanowić HCl lub HBr. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka halogenopochodnej, w której w wyniku zerwania wiązania podwójnego, jedne z atomów węgla przy pierwotnym wiązaniu podwójnym został podstawiony atomem wodoru, a drugi atomem halogenu. np. addycja chlorowodoru do propenu: Schemat reakcji addycji cząsteczki chlorowodoru do wiązania podwójnego w cząsteczce propenu. Cząsteczka propenu dodać cząsteczka chlorowodoru. Zgodnie z regułą Markownikowa strzałka poprowadzona od atomu chloru w cząsteczce chlorowodoru do węgla grupy CH w cząsteczce propenu. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka 2-chloropropanu o strukturze grupa CH3 związana z grupą CH, która to łączy się z atomem chloru Cl oraz kolejną grupą CH3. ▪ cząsteczkę wody (hydratacja) w środowisku kwasowym. Schemat reakcji addycji cząsteczki wody, czyli hydratacji, do wiązania podwójnego w alkenie w środowisku kwasowym. Cząsteczka alkenu dodać cząsteczka wody. Strzałka w prawo, nad strzałką kation wodorowy H+, za strzałką cząsteczka alkoholu. Atomy węgla pierwotnie przy wiązaniu podwójnym, na skutek zerwania wiązania podwójnego zostały podstawione, jeden atomem wodoru, zaś drugi grupą hydroksylową OH. np. addycja wody do propenu: Schemat reakcji addycji cząsteczki wody do wiązania podwójnego w cząsteczce propenu. Strzałka skierowana od atomu tlenu grupy OH w cząsteczce wody do grupy CH w cząsteczce propenu, zgodnie z regułą Markownikowa. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka propan-2-olu o strukturze grupa CH3 związana z grupą CH połączoną z grupą hydroksylową OH oraz z drugą grupą CH3. Addycja cząsteczki wody oraz 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”)., reakcje addycji elektrofilowej Jak przebiegają reakcje addycji elektrofilowej cząsteczek halogenowodorów do alkanów? Mechanizm reakcji addycji elektrofilowej cząsteczki HCl do etenu przedstawiono na poniższym schemacie.
1. Pod wpływem elektronów p, z wiązania podwójnego następuje silniejsza polaryzacja wiązania atomowego w cząsteczce HCl. Schemat reakcji addycji cząsteczki chlorowodoru do cząsteczki etanu. Cząsteczka etanu dodać cząsteczkę chlorowodoru, strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka chloroetanu. Poniżej cząsteczka etanu z zaznaczonymi orbitalami p wiązania podwójnego, od którego poprowadzona jest łukowata strzałka do atomu wodoru w cząsteczce chlorowodoru. Następuje zerwanie wiązania w pomiędzy atomem wodoru i chloru w cząsteczce chlorowodoru. Strzałka poprowadzona jest od pary elektronowej do atomu chloru, powstaje anion chlorkowy.
2. Polaryzacja wiązania prowadzi do dysocjacji cząsteczki HCl, w wyniku czego pojawiają się dwa jony o przeciwnych ładunkach – Cl- nazywamy czynnikiem nukleofilowym, a H+ czynnikiem elektrofilowym. Rysunek przedstawiający wzór kropkowy cząsteczki chlorowodoru. Pomiędzy atomem wodoru H i atomem chloru Cl znajdują się dwie kropki, oznaczające uwspólnioną parę elektronów. Przy atomie chloru Cl znajduje się sześć kropek symbolizujących trzy wolne pary elektronowe.Od wspólnej pary poprowadzona jest łukowata strzałka do atomu chloru. Strzałka w prawo, za strzałką czynnik powstały czynnik elektrofilowy H+, dodać czynnik nukleofilowy anion chlorkowy Cl- przedstawiony jako symbol Cl i cztery pary kropek znajdujących się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się znak minus.
3. W następnej kolejności czynnik elektrofilowy przyłącza się do jednego z atomów węgla, który tworzy wiązanie podwójne, wykorzystując parę elektronową z wiązania podwójnego. W wyniku tego procesu drugi atom węgla traci elektrony i zyskuje ładunek dodatni, stając się karbokationem. Schemat przedstawiający reakcję etenu z kationem wodorowym. Cząsteczka etenu dodać kation wodorowy, strzałka w prawo, za strzałką powstały karbokation. przy jednym z atomów węgla zaznaczono znak plus w kółku, jest on związany z dwoma atomami wodoru. Zaznaczono również powstałą lukę elektronową, jako pusty orbital p.
4. Następnie czynnik nukleofilowy przyłącza się do karbokationu, w wyniku czego powstaje cząsteczka produktu. Schemat przedstawiający atak anionu chlorkowego na centrum karbokationu, w wyniku którego powstaje cząsteczka chloroetanu. reakcje polimeryzacji W odpowiednich warunkach (temperatura, ciśnienie, katalizator) alkeny ulegają reakcji polimeryzacji. Schemat reakcji polimeryzacji z wykorzystaniem cząsteczki etenu jako monomeru. N cząsteczek etenu. Strzałka w prawo, nad strzałką symbole ciśnienia p oraz temperatury T. Za strzałką polimer w nawiasie związane ze sobą grupy CH2, od których wychodzą wiązania poza nawias, w którym się znajdują. Względem nawiasu w indeksie dolnym znajduje się litera n. W łańcuchu polimerowym pojedyncza grupa, w tym przypadku CH2, stanowi mer. Polimery, otrzymywane w wyniku polimeryzacji cząsteczek alkenów, mają zastosowanie w życiu codziennym. Połączone z odpowiednimi dodatkami (np. barwnikami) to tworzywa sztuczne, które służą do wyrobu wielu przedmiotów.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ważne!

Jedną z ważniejszych reakcji alkenów jest reakcja z roztworem bromu w CClIndeks dolny 4.

Reakcja odbarwiania roztworu bromu w  CCl 4 (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:

RoXGDSkfLqE9L1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • 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):

RfOFYqyPkq68s1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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;

RVrjwaARe8baE1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • addycja halogenów;

RzUUAb2V0YL3j1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • addycja halogenowodorów;

RwPg4yJS17wro1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jest to addycja zachodząca zgodnie z regułą Markownikowareguła Markownikowaregułą Markownikowa. W tym wypadku zawsze powstaje izomer E (dotyczy reakcji alkinu z HX w stosunku molowym 1:1), np.:

R7855sQJwSeGn1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • addycja wody (hydratacja) w określonych warunkach.

R1WrAi8moNOft1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Natomiast dla alkinów terminalnych:

RoliiFzzxVzNZ1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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).

bg‑red

Węglowodory aromatyczne

Węglowodory aromatyczne ulegają reakcjom substytucji elektrofilowej, które są charakterystyczne dla węglowodorów aromatycznych.

R11nYrS8sKfCm1
halogenowanie Reagenty i warunki reakcji: działanie X2 w obecności katalizatorów, którymi są halogenki żelaza(III).
Nazwa produktu: halogenopochodna.
Grupa (atom) wprowadzona(y): -X
Przykładowe równanie reakcji: halogenowanie - chlorowanie benzenu w obecności FeCl3. Schemat reakcji halogenowania benzenu. Cząsteczka benzenu, dodać cząsteczka chloru Cl2, strzałka w prawo, nad strzałką cząsteczka FeCl3. Za strzałką cząsteczka chlorobenzenu dodać cząsteczka chlorowodoru HCl. acylowanie (metoda Fridla-Craftsa) Reagenty i warunki reakcji: działanie chlorkiem kwasowym w obecności katalizatorów.
Nazwa produktu: keton alifatyczno-aromatyczny.
Grupa (atom) wprowadzona(y): R-C=O.
Przykładowe równanie reakcji: acylowanie benzenu metodą Friedla-Craftsa. Schemat reakcji acylowania metodą Fridla-Craftsa. Cząsteczka benzenu dodać cząsteczka chlorku acetylu o strukturze grupa CH3 związana z atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu i za pomocą wiązania pojedynczego z atomem chloru. Strzałka w prawo, nad strzałką cząsteczka chlorku glinu AlCl3. Za strzałką cząsteczka acetofenonu o strukturze pierścień fenylowy podstawiony atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz związany z grupą CH3. Dodać cząsteczka chlorowodoru HCl. alkilowanie Reagenty i warunki reakcji: działanie halogenkiem alkilowym w obecności katalizatora, czyli chlorku glinu.
Nazwa produktu: związek alifatyczno-aromatyczny.
Grupa (atom) wprowadzona(y): R-.
Przykładowe równanie reakcji: alkilowanie – etylowanie benzenu w obecności AlCl3. Schemat reakcji alkilowania benzenu. Cząsteczka benzenu, dodać cząsteczka chloroetanu. Strzałka w prawo, nad strzałką chlorek glinu. Za strzałką cząsteczka etylobenzenu, dodać cząsteczka chlorowodoru HCl.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W określonych warunkach benzen może ulegać także innym przemianom chemicznym, takim jak:

  • uwodornienie benzenu do cykloheksanu;

RCW5oLucYxo7y
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • addycja bromu do benzenu pod wpływem światła.

RhoasVHlmw2d4
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przebieg reakcji substytucji elektrofilowej przedstawiono na poniższym schemacie.

R13Gn77U6dX6a
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

addycja
addycja

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

polimeryzacja
polimeryzacja

reakcja, w której związek wielkocząsteczkowy (polimer) tworzy się z pojedynczych cząsteczek związku o małej masie cząsteczkowej (monomer); procesem odwrotnym jest depolimeryzacja

wiązanie sigma
wiązanie sigma

wiązanie chemiczne, utworzone przez elektrony, opisane orbitalem molekularnym symetrycznym względem obrotów wokół osi wiązania

reguła Markownikowa
reguła Markownikowa

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.