Węglowodory nienasycone

Właściwości chemiczne - reakcje addycji i polimeryzacji

Właściwości chemiczne węglowodorów nienasyconych - ze względu na obecność w cząsteczkach węglowodorów nienasyconych słabych wiązań  (oprócz mocnych wiązań ), które mogą łatwo ulegać rozerwaniu, alkeny i alkiny wykazują dużą aktywność chemiczną. Ulegają one reakcjom addycji, w czasie których następuje przyłączenie (dodanie) dwóch takich samych lub różnych atomów do sąsiednich atomów węgla w miejsce wiązania nienasyconego. Reakcje addycji są reakcjami charakterystycznymi dla związków nienasyconych.

a) addycja wodoru (reakcje uwodornienia):

Właściwości chemiczne - reakcje addycji i polimeryzacji

W wyniku reakcji addycji wodoru do cząsteczki etenu następuje przyłączenie atomów wodoru w miejsce wiązania podwójnego - powstaje etan.

Addycja wodoru do alkinu prowadzi do uwodornienia częściowego (katalizator Pd) lub uwodornienia całkowitego (katalizator Pt):

- uwodornienie częściowe:

Addycja 1 cząsteczki wodoru do alkinu w miejsce wiązania potrójnego prowadzi do powstania wiązania powójnego - w reakcji powstaje alken.

- uwodornienie całkowite:

Addycja 2 cząsteczek wodoru do alkinu w miejsce wiązania potrójnego prowadzi do powstania węglowodoru nasyconego (alkanu) w wyniku przyłączenia 4 atomów wodoru, po 2 do każdego z sąsiednich atomów węgla.

b) addycja halogenów (chloru, bromu, jodu) - polega na przyłączeniu atomów halogenu do sąsiednich atomów węgla w miejsce wiązania wielokrotnego. W wyniku tej reakcji ulega odbarwieniu woda bromowa (Br2 aq) i roztwór KMnO4 (manganian VII potasu) - reakcja charakterystyczna dla węglowodorów nienasyconych, odróżniająca je od węglowodorów nasyconych.

c) addycja wody

- do etenu:

- do etynu:

d) addycja halogenowodorów (HCl, HBr, HI) - w wyniku przyłączenia atomu wodoru i halogenu do sąsiednich atomów węgla, w miejsce wiązania wielokrotnego (potrójnego lub podwójnego) powstaje odpowiednio halogenoalken lub halogenoalkan.

W przypadku węglowodorów nienasyconych o większej liczbie atomów węgla w cząsteczkach, miejsce przyłączenia atomów w reakcji addycji wody lub halogenowodorów określa reguła Markownikowa: atom wodoru przyłącza się do atomu węgla zawierającego więcej atomów wodoru, a pozostałe atomy do atomu węgla z mniejszą ilością atomów wodoru. Np. reakcja addycji HBr do propenu przebiega wg równania:

Zgodnie z regułą Markownikowa atom wodoru z cząsteczki HBr ulega addycji w miejsce wiązania wielokrotnego do pierwszego, „bogatszego” atomu węgla (z 2 atomami wodoru), atom bromu ulega addycji do drugiego atomu węgla „uboższego” w wodór, zatem produktem reakcji jest 2-bromopropan.

Węglowodory nienasycone oprócz reakcji addycji ulegają procesom polimeryzacji, które polegają na łączeniu się wielu cząsteczek, tzw. monomerów w produkt wielkocząsteczkowy, tzw. polimer:

W reakcji polimeryzacji „n” cząsteczek etylenu (monomery) łączy się ze sobą w wyniku rozerwania słabego wiązania p w wiązaniu podwójnym i powstaje produkt wielkocząsteczkowy (polimer), zbudowany z „n” takich samych fragmentów, zawierających wyłącznie trwałe wiązania pojedyncze.

Izomeria węglowodorów nienasyconych

Wśród węglowodorów nienasyconych, podobnie jak wśród alkanów występuje zjawisko izomerii.

a) izomeria łańcuchowa (szkieletowa) - związki o takim samym składzie (wzorze sumarycznym) różnią się budową łańcucha węglowego, np.:

Izomeria węglowodorów nienasyconych. Izomery łańcuchowe szkieletowe. Łańcuch prosty, zawierający 5 atomów węgla w cząsteczce, stąd w nazwie pent-1 za 1 atomem węgla wiązanie podwójne - końcówka -en. Łańcuch rozgałęziony, zawierający w najdłuższym łańcuchu z wiązaniem podwójnym (końcówka -en) 4 atomy węgla (but-), które numerujemy tak, aby położenie wiązania podwójnego miało jak najniższy numer (1). Na początku nazwy podajemy rodzaj podstawnika(- CH3 -metyl) i jego położenie (trzeci atom węgla).

b) izomeria położeniowa - związki o takim samym wzorze sumarycznym, które mogą się różnić) położeniem wiązania wielokrotnego oraz położeniem podstawników:

Izomeria węglowodorów nienasyconych. Izomery położeniowe. Numerujmy 5 atomów węgla (stąd w nazwie pent) od strony lewej, aby wiązanie potrójne (końcówka w nazwie -yn) miało jak najniższy numer, tj. 1. Związek ten zawiera również 5 atomów węgla (pent-), które należy ponumerować od strony lewej, aby wiązanie potrójne (-yn) miało jak najniższy numer, tj. 2 (przy numeracji od strony prawej byłoby za 3 atomem węgla). Związki te różnią się położeniem wiązania potrójnego (izomery położeniowe).

Izomeria węglowodorów nienasyconych. Numerujemy 4 atomy węgla od strony lewej, aby wiązanie podwójne miało jak najniższy numer (1). Wymieniamy podstawniki w kolejności alfabetycznej (brom, chlor) podając ich położenie. Dodajemy nazwę alkenu (buten), wpisując przed końcówką -en numer określający położenia wiązania podwójnego. Wiązanie podwójne znajduje się (bez względu na numerację) za drugim atomem węgla, dlatego porównujemy teraz sumy lokantów podstawników: numerując od strony lewej 2(Cl) + 4(Br) = 6, numerując od strony prawej 1(Br) + 3(Cl) = 4. Wybieramy niższą sumę, a zatem atomy węgla numerujemy od strony prawej do lewej. Wymieniamy podstawniki w kolejności alfabetycznej, podając ich położenie wraz z nazwą alkenu o 4 atomach węgla. Przed końcówkę -en wpisujemy numer określający położenie wiązania podwójnego. Związki te są izomerami położeniowymi, różnią się zarówno położeniem wiązania podwójnego, jak i położeniem podstawników.

e) izomeria geometryczna (izomeria cis-trans) - związki różnią się geometrią cząsteczek (przestrzennym ułożeniem podstawników).

Jeżeli podstawniki przy atomach węgla z wiązaniem podwójnym są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania, to forma taka nosi nazwę CIS, jeżeli podstawniki znajdują się po przeciwnych stronach, to jest to forma TRANS.

Np.: but-2-en CH3 — CH CH — CH3 tworzy izomery geometryczne cis i trans:

Aby narysować wzory izomerów geometrycznych, rysujemy 2 atomy węgla między którymi jest wiązanie podwójne, a pozostałe atomy (1 atom wodoru oraz atom węgla z 3 atomami wodoru) traktujemy jako podstawniki. Umieszczając je po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego otrzymujemy izomer cis, po przeciwnych stronach - izomer trans.

Zadanie 1

Które z węglowodorów: C₆H₁₂, C₅H₁₂, C₆H₁₀, C₆H₁₄, C₅H₁₀, C₄H₆ należą do szeregu homologicznego metanu, które do szeregu etenu, a które do szeregu etynu?

Rozwiązanie:

Do szeregu homologicznego metanu (alkanów) należą: C5H12, C6H14. Do szeregu homologicznego etenu (alkenów) należą: C6H12, C5H10. Do szeregu homologicznego etynu (alkinów) należą: C6H10, C4H6. Korzystamy ze wzoru ogólnego alkanów CnH2n + 2 (których przedstawicielem jest metan), wybierając spośród podanych wzorów te, w których liczba atomów wodoru wynosi 2n + 2 (za n podstawiamy ilość atomów węgla). Ze wzoru ogólnego alkenów CnH2n których przedstawicielem jest eten wynika, że liczba atomów wodoru jest dwa razy większa od liczby atomów węgla, a zatem spośród podanych wzorów wypisujemy te, które spełniają ten warunek. Alkiny, których przedstawicielem jest etyn, mają wzór ogólny CnH2n - 2. Spośród podanych związków wybieramy te, w których liczba atomów wodoru jest równa 2n - 2 (za n podstawiamy liczbę atomów węgla w cząsteczce).

Zadanie 2

Porównaj etan z etenem i etynem wpisując „+” w odpowiednim miejscu tabelki, jeśli podana reakcja zachodzi. Napisz odpowiednie równanie reakcji.

Reakcja	etan	eten	etyn
Podstawiania
Przyłączania
Polimeryzacji

Rozwiązanie:

Reakcja	etan	eten	etyn
Podstawiania	+
Przyłączania		+	+
Polimeryzacji		+	+

Reakcja podstawiania (substytucji) etanu. Reakcje przyłączania (addycji). Reakcje polimeryzacji. Reakcje substytucji (podstawiania) są reakcjami charakterystycznymi dla węglowodorów nasyconych, m.in. etanu. W reakcji tej 1 atom wodoru w etanie ulega podstawieniu przez atom np. chloru, powstaje chloroetan. Należy pamiętać, że reakcja ta zachodzi jedynie pod wpływem światła. Reakcje addycji to reakcje charakterystyczne dla węglowodorów nienasyconych (etenu i etynu), w czasie których następuje przyłączenie atomów chloru w miejsc wiązań wielokrotnych (podwójnego lub potrójnego). W wyniku przyłączenia cząsteczki chloru do etenu powstaje 1,2-dichloroetan. Do cząsteczki etynu (w wyniku rozerwania dwóch słabych wiązań pi w wiązaniu potrójnym) mogą przyłączyć się 2 cząsteczki chloru (4 atomy Cl) i powstaje 1,1,2,2-tetrachloroetan. Pojedyncze cząsteczki węglowodorów nienasyconych łączą się ze sobą w reakcji polimeryzacji, tworząc polimery. Przykładem może być reakcja polimeryzacji etylenu oraz dimeryzacja (łączenie się ze sobą 2 cząsteczek) acetylenu.

Zadanie 3

Napisz reakcje spalania całkowitego i częściowego:

a) heksenu

b) pentynu

Rozwiązanie:

Heksen. Spalanie całkowite. Na podstawie wzoru ogólnego alkenów CnH2n ustalamy wzór sumaryczny heksenu (6 atomów węgla) i układamy równanie reakcji, wiedząc, że produktami spalania całkowitego jest tlenek węgla (IV) oraz para wodna. Równanie uzgadniamy.

Spalanie częściowe. Pentyn. Spalanie całkowite. Produktami spalania częściowego jest tlenek węgla (II) i para wodna lub węgiel (sadza) i para wodna. Pamiętamy o uzgodnieniu równań reakcji. Wiedząc, że pentyn jest alkinem i ma 5 atomów węgla w cząsteczce, ustalamy jego wzór sumaryczny (wzór ogólny alkinów CnH2n - 2) C5H8. Układamy i uzgadniamy równanie reakcji spalania całkowitego, pamiętając, że produktami w tej reakcji są tlenek węgla (IV) i para wodna. Zapisujemy i uzgadniamy równanie reakcji spalania częściowego, wiedząc, że produktami jest tlenek węgla i para wodna lub węgiel i para wodna.

Zadanie 4

Podaj wzory półstrukturalne następujących związków:

a) 1-chlorobut-2-yn

b) 2-etyloheks-1-en

c) 3,4-dimetylopent-1-yn

d) 2-bromo-4-chloro-3-metylohept-2-en

Rozwiązanie:

Końcowa część nazwy związku (but-2-yn) mówi nam, że zbudowany jest on z 4 atomów węgla, a za drugim znajduje się wiązanie potrójne (końcówka -yn). 1-chloro oznacza atom chloru przyłączony do pierwszego atomu węgla. Pamiętamy, że węgiel w związkach organicznych jest IV-wartościowy, a zatem liczba wiązań, jakie tworzy każdy z atomów węgla wynosi 4. Pierwszy atom węgla łączy się z 2 atomami wodoru (wiązanie z chlorem + wiązanie z węglem + 2 wiązania z dwoma atomami wodoru = 4 wiązania), przy drugim i trzecim nie ma żadnego atomu wodoru (każdy z nich tworzy wiązanie potrójne i pojedyncze, co daje 4 wiązania), przy ostatnim atomie węgla, który łączy się wiązaniem pojedynczym z atomem węgla są 3 atomy wodoru (4 wiązania). Heks- oznacza, że związek zawiera 6 atomów węgla, 1-en wiązanie podwójne za pierwszym atomem węgla. Przy drugim atomie węgla znajduje się grupa etylowa(- C2H5). Dopisujemy atomy wodoru, tak aby każdy z atomów węgla był IV-wartościowy (miał 4 wiązania).

Rysujemy 5 atomów węgla (pent), między pierwszym a drugim jest wiązanie potrójne (1-yn). Przy 3 i 4 atomie węgla znajdują się grupy metylowe. Na końcu dopisujemy atomy wodoru, tak aby każdy z atomów węgla miał 4 wiązania. Rysujemy 7 atomów węgla (hept), za drugim jest wiązanie podwójne (2-en), wszystkie pozostałe wiązania są pojedyncze. Przy 2 atomie węgla znajduje się brom (2-bromo), przy 3 metyl(- CH3), przy 4 chlor (4-chloro). Dopisujemy jeszcze atomy wodoru do atomów węgla, tak aby każdy z nich był IV-wartościowy.

Zadanie 5

Narysuj wzory oraz podaj nazwy izomerów:

a) C₅H₈ (wszystkie izomery)

b) C₆H₁₁Cl (osiem izomerów)

Rozwiązanie:

Rysujemy 5 atomów węgla tworzących łańcuch prosty. Jedno z wiązań między atomami węgla jest potrójne (wzór C5H8 wskazuje, że jest to alkin), pozostałe są wiązaniami pojedynczymi. Węglowodory nienasycone tworzą izomery położeniowe różniące się położeniem wiązania, w tym przypadku potrójnego, dlatego rysujemy związki, w których wiązanie to znajduje się kolejno za pierwszym i za drugim atomem węgla. Przesunięcie tego wiązania za kolejny atom węgla w prawo powoduje, że zmienia się numeracja atomów węgla w łańcuchu (zamiast od lewej strony prawidłowa jest teraz numeracja od strony prawej) tak, aby wiązanie wielokrotne miało jak najniższy numer, a zatem dostajemy izomery pent-1-yn oraz pent-2-yn. Oprócz izomerów położeniowych możemy narysować izomer różniący się budową łańcucha (zamiast łańcucha prostego ma łańcuch rozgałęziony). Rysujemy 4 atomy węgla tworzące łańcuch, piąty atom węgla wraz z 3 atomami wodoru (grupa metylowa) przyłączamy do jednego z atomów węgla jako podstawnik (tylko nie skrajnych atomów węgla, ponieważ mielibyśmy w łańcuchu znowu 5 atomów węgla). W tej sytuacji wiązanie potrójne może znajdować się tylko za pierwszym atomem węgla (umieszczenie go za drugim atomem węgla spowoduje wyższą wartościowość węgla niż IV) stąd w nazwie 1-yn. Podajemy również położenie grupy metylowej oraz nazwę alkinu, zwracając uwagę, ze w tym związku w najdłuższym łańcuchu są 4 atomy węgla (butyn).

Na podstawie wzoru sumarycznego rysujemy 6 atomów węgla oraz 1 atom chloru (umieszczamy go np. przy pierwszym atomie węgla). Ponieważ na 6 atomów węgla przypada 11 atomów wodoru oraz 1 atom chloru (12 atomów) wnioskujemy, że w związku tym jest wiązanie podwójne, które najlepiej narysować za pierwszym atomem węgla (rysując izomery będziemy przesuwać wiązanie podwójne za kolejne atomy węgla) - stąd nazwa związku 1-chloroheks-1-en. Rysując wzór kolejnego izomeru pozostawiamy atom chloru w tym samym miejscu (przy pierwszym atomie węgla), a wiązanie podwójne przesuwamy za drugi atom węgla. Atom chloru pozostaje przy tym samym atomie węgla, wiązanie podwójne przesuwamy za trzeci atom węgla. Do atomów węgla dopisujemy tyle atomów wodoru, aby każdy z atomów węgla był IV-wartościowy, zwracamy szczególną uwagę na atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym. W dalszym ciągu nie zmieniamy położenia atomu chloru, wiązanie podwójne przesuwamy za kolejny atom węgla (czwarty - licząc od strony lewej) i aby wiązanie podwójne miało jak najniższy numer, numerujemy atomy węgla od strony prawej do lewej. A zatem wiązanie podwójne znajduje się za drugim atomem węgla, a atom chloru przy szóstym. Kolejny izomer tworzymy przesuwając wiązanie podwójne w prawo (nie zmieniamy położenia atomu chloru). Ponieważ zgodnie z zasadami nazewnictwa ma mieć ono jak najniższy numer, numerujemy atomy węgla od strony prawej. Pozostawiamy teraz wiązanie podwójne za pierwszym atomem węgla (numerujemy atomy węgla od strony prawej), a zmieniamy położenie atomu chloru, przesuwając go o 1 atom w prawo. Zmieniamy tylko położenie atomu chloru przesuwając go znowu o 1 atom węgla w prawo (numerujemy atomy węgla od strony prawej, tak aby wiązanie podwójne miało jak najniższy numer).

Przesuwamy atom chloru w prawo o 1 atom węgla, w dalszym ciągu numerując atomy węgla od strony prawej (ze względu na położenie wiązania podwójnego). Pozostałe izomery tworzymy podobnie przesuwając atom chloru oraz zmieniając położenie wiązania podwójnego (należy pamiętać o prawidłowej numeracji atomów węgla). Można również utworzyć izomery łańcuchowe, rysując zamiast prostych łańcuchy rozgałęzione.

Zadanie 6

Ułóż równania reakcji, za pomocą których można dokonać następujących przemian, podaj nazwy wszystkich związków organicznych oraz typ reakcji:

Węglik wapnia. Pent-1-yn. 1,2-dibromopropan. Propan, proyn, propen, 1,1,2,2-tetrachloropropan

Rozwiązanie:

Reakcja węgliku wapnia z wodą jest reakcją otrzymywania acetylenu (jako produkt uboczny powstaje wodorotlenek wapnia). Acetylen ulega reakcji addycji przyłączając 2 atomy wodoru do sąsiednich atomów węgla, w miejsce wiązania potrójnego, w wyniku czego powstaje eten (alken). Eten, który jest również węglowodorem nienasyconym, przyłącza atom wodoru i atom chloru (z HCl) do sąsiednich atomów węgla, w miejsce wiązania podwójnego.

Addycja HBr do węglowodorów nienasyconych przebiega zgodnie z regułą Markownikowa; atom wodoru (z HBr) przyłącza się do pierwszego atomu węgla (atom węgla bogatszy w wodór), atom bromu do drugiego uboższego w wodór atomu węgla. Zamiast wiązania potrójnego jest teraz wiązanie podwójne. W miejsce wiązania podwójnego do sąsiednich atomów węgla przyłącza się atom wodoru (z cząsteczki H2), powstaje związek, w którym wszystkie wiązania są pojedyncze. Aby z propynu (wiązanie potrójne w cząsteczce) otrzymać 1,2-dibromopropen (2 atomy bromu w cząsteczce) należy przyłączyć w miejsce wiązania potrójnego cząsteczkę Br2, w wyniku czego powstanie wiązanie podwójne (stąd w nazwie -propen). Aby z propynu (C3H4) otrzymać propan (C3H8) należy przyłączyć 2 cząsteczki wodoru (4 atomy), po 2 do każdego z sąsiednich atomów węgla (w miejsce wiązania potrójnego). Aby z propynu (alkinu) powstał propen (alken), należy przyłączyć 1 cząsteczkę wodoru. Chcąc otrzymać 1,1,2,2-tetrachloropropan (4 atomy Cl), należy do propynu przyłączać 4 atomy chloru czyli 2 cząsteczki Cl2. W wyniku addycji tych atomów w miejsce wiązania potrójnego powstanie związek, w którym wszystkie wiązania są pojedyncze.

Opracowania

Węglowodory nienasycone

Węglowodory nienasycone

Szereg homologiczny alkenów i alkinów

Budowa węglowodorów nienasyconych

Otrzymywanie węglowodorów nienasyconych - reakcje eliminacji

Właściwości fizyczne

Spalanie węglowodorów nienasyconych

Właściwości chemiczne - reakcje addycji i polimeryzacji

Nazewnictwo