background image

1

A L K A N Y

glowodory, czyli po czenia zawieraj ce wy cznie atomy w gla i wodoru (C

n

H

m

) uwa ane

si  za zwi zki macierzyste substancji organicznych, tzn.  e mo na z nich wyprowadzi  wszystkie
inne zwi zki organiczne, które mog  by  traktowane jako pochodne w glowodorów.

glowodory dziel  si  na alifatyczne  (

cuchowe), cykliczne  i aromatyczne. Po ród

alifatycznych i cyklicznych wyró nia si

glowodory nasycone, czyli alkany lub cykloalkany

oraz nienasycone, a po ród nich alkeny (w glowodory z  podwójnym lub podwójnymi
wi zaniami) i alkiny (w glowodory z potrójnym lub potrójnymi wi zaniami) i odpowiednio
cykloalkeny i cykloalkiny.

alifatyczne    cykloalifatyczne

GLOWODORY

alkany

(w. nasycone)

w. nienasycone     w. aromatyczne

                                    (areny)

alkeny                                     alkiny

Rys. 2.1. Podzia  w glowodorów

Alkany, czyli w glowodory nasycone o ogólnym wzorze C

n

H

2n+2

dziel  si  na w glowodory

nasycone prosto

cuchowe  (alifatyczne, inaczej normalne dawniej znane jako parafiny),

glowodory rozga zione  (izoalkany lub izoparafiny) oraz

glowodory pier cieniowe

(cykloalkanycykloalifatyczne, dawniej zwane naftenami). Wszystkie atomy C maj  w nich
hybrydyzacj sp

3

.

Alkany prosto

cuchowe nie s  podobne do rozci gni tej nitki czy raczej prostego drutu

kolczastego ze stercz cymi jak kolce atomami wodoru. Tetragonalny k t pomi dzy wi zaniami
atomu w gla sp

3

 wymusza zygzakowaty uk ad atomów C, a mo liwo  swobodnego obrotu

wokó  wi zania C

C powoduje,  e cz steczki mog  wyst powa  w ró nej konformacji, tzn.

przyjmuj  ró ne kszta ty.

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

metan,
CH

4

etan,
CH

3

CH

3

propan,
CH

3

CH

2

CH

3

Zarówno

etan

, jak i

propan

 mog  wyst powa  w konformacjach naprzeciwleg ej i

naprzemianleg ej oraz po rednich. Wraz ze wzrostem d ugo ci 

cucha w glowodorowego

ro nie mo liwo  przyjmowania przez cz steczk  jeszcze bardziej zró nicowanych kszta tów.
Taka ró norodno  kszta tów wyst puje w roztworze i w stanie gazowym, przy czym najwi ksza
jest populacja konformerów najtrwalszych. W stanie krystalicznym cz steczki przyjmuj  zwykle
jednolity kszta t.

H H H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

butan,
CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

w konformacji                 naprzemianleg ej  (antiperiplanarnej)                  naprzeciwleg ej

background image

2

Zwykle, pisz c, np. schematy reakcji nie ma potrzeby przedstawia  wzorów w tak rozbudowanej
formie, korzystamy wówczas z zapisów uproszczonych; np. dla

n-heksanu

:

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

3

C

6

H

14

CH

3

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

2

(CH

2

)

4

CH

3

     H  H  H  H  H  H
      I  I    I  I  I    I
H-C-C-C-C-C-C-H
      I  I    I  I  I    I
     H  H  H  H H  H

Rys. 2. 2. Uproszczone formy zapisu wzoru

heksanu

Wszystkie zwi zki organiczne ró ni ce si  od innych jednostk

–CH

2

 nazywaj  si

homologami. Homologi oczywi cie nale  zawsze do tej samej grupy zwi zków. Wszystkie
alkany s  homologami metanu
 i ka dego innego alifatycznego w glowodoru nasyconego.

Izolkany

 – w glowodory nasycone rozga zione

W w glowodorach rozga zionych jeden lub wi cej atomów w gla  czy si  z wi cej ni  z
jednym atomem w gla, w wyniku czego w takim miejscu 

cucha w glowodorowego tworzy si

rozga zienie:

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Rys. 2. 3. 

cuch zawieraj cy rozga zienia; dla uproszczenia podane s  tylko wi zania C-C

Nomenklatura (nazewnictwo) alkanów

Dla pierwszych czterech alkanów – od C

1

÷

C

4

 u ywa si  nazw zwyczajowych:

metan       etan       propan       butan

Nazwy alkanów od C

5

 wzwy  tworzy si  poprzez dodanie ko cówki „n” do liczebników greckich

lub  aci skich, np.:

pentan

 (5);

heksan

 (6);

heptan

 (7),

oktan

 (8);

nonan

 (9);

dekan

 (10);

undekan

 (11);

dodekan

 (12);

tridekan

 (13);

tetradekan

 (14) ...

ejkozan

 (20);

henejkozan

 (21);

dokozan

 (22);

trikozan

 (23) ...

triakontan

 (30);

hentriakontan

 (31);

dotriakontan

 (32) ...

Wy ej podane nazwy odnosz  si  do alkanów prosto

cuchowych, czyli normalnych. Je eli

chcemy zaznaczy  ten fakt to nazw  poprzedzamy literk  „n-„ pisan  kursyw , np.:

n-butan

,

n-pentan

 czy

n-nonan

. Przedrostek „n-„ mo e równie  poprzedza  wzór sumaryczny, np.:

n-

C

4

H

10

,

n-C

5

H

12

 czy

n-C

9

H

20

.

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

          CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

          CH

3

(CH

2

)

7

CH

3

butan (n-butan)          pentan (n-pentan)      nonan (n-nonan)

background image

3

W

glowodorach rozga zionych podajemy nazwy 

cuchów bocznych, które poprzedzaj

lokanty, czyli numery atomów w gla 

cucha g ównego, z którymi zwi zane s

cuchy

boczne, np. nazwa

2-metylopropan

 oznacza,  e przy drugim atomie w gla propanu znajduje si

reszta metylowa, czyli CH

3

:

C

H

3

CH CH

3

CH

3

2-metylopropan

1

2

3

Izomery w glowodorów zawieraj cych do 5 atomów w gla mog  by  rozró niane za pomoc
specjalnych przedrostków: izo-, sec-, czy neo-, w skrócie i-, s- lub t-. Skrót izo- oznacza izomer
alkanu normalnego, sec- lub tert- odpowiednio obecno  drugo- lub trzeciorz dowego atomu

gla, a neo-, „nowy” w stosunku do poprzednio znanego.

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CHCH

3

butan
(n
-butan)

izobutan
(2-metylobutan)

CH

3

CH

3

CCH

3

CH

3

CH

3

CHCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

                                        pentan (n-pentan)          izopentan (2-metylobutan)   neopentan

(2,2-dimetylopropan)

Reszta alkanu po formalnym oderwaniu jednego atomu wodoru nosi nazw alkilu lub grupy
(reszty alkilowej) – to nie jest rodnik! Rodnik zawiera niesparowany elektron; alkil mo e by
rodnikiem je eli wyst puje w nim pojedynczy elektron, np.:

.

CH

3

 –

rodnik metylowy

.

Nazw  alkilu tworzy si  z nazwy alkanu poprzez zamian  przyrostku
„-an” na „-yl” lub „-il” (po spó

oskach g,k i l):

metyl

 (CH

3

) od metanu,

etyl

 (CH

3

CH

2

) od etanu,

propyl

 (CH

3

CH

2

CH

2

) od propanu,

butyl

 (CH

3

(CH

2

)

2

CH

2

) od

butanu,

izobutyl

 [(CH

3

)

2

CHCH

2

] od izobutanu,

 tert-butyl

 od [(CH

3

)

3

C

] od tert-butylu,

                                                                         I

pentyl

 (CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

) od pentanu (nie zaleca si  stosowanie dawnej nazwy

amyl

)

W nazwie

dekan

 spó

oska „k” zostaje zamieniona na „c”, np.

decyl

 (CH

3

(CH

3

)

8

CH

2

) od dekanu,

                    undecyl

(CH

3

(CH

3

)

9

CH

2

) od undekanu

Nomenklatura systematyczna wg IUPAC

Jednolite zasady nazywania zwi zków organicznych s  bardzo wa ne, poniewa  trzeba
jednoznacznie nazywa  miliony indywiduów chemicznych. Tworzenie zasad nazewnictwa
(nomenklatury) zosta o powierzone Mi dzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej,  w
skrócie IUPAC (ang. International Union of Pure and Appied Chemistry).

background image

4

Propozycja ujednolicenia zasad nazewnictwa zwi zków organicznych zosta a wysuni ta ju  w
1892 r. w Genewie, pó niej rozszerzona w 1930 r. w raporcie Komitetu Reformy S ownictwa
Chemii Organicznej przy Mi dzynarodowej Unii Chemii (IUP). Nad zasadami nomenklatury
zwi zków organicznych IUPAC pracuje w sposób ci

y. W Polsce Polskie Towarzystwo

Chemiczne (PTChem) powo

o w 1974 r. Komisj  Nomenklaturow  Chemii Organicznej,

której zadaniem jest dostosowanie polskich nazw do zasad IUPAC. Najwa niejsze ustalenia tej
Komisji zawarte s  w opracowaniach pt.: Nomenklatura zwi zków organicznych, PTChem,
Warszawa 1992 i Przewodnik do nomenklatury zwi zków organicznych, PTChem, Warszawa
1994. Opublikowano te  zalecenia tej komisji dotycz ce nazewnictwa wybranych grup
zwi zków, w tym w glowodanów, steroidów, rodników i jonów.

W nazwie zwi zku organicznego wyró nia si  trzy cz ony

PRZEDROSTEK                      -                 RDZE                      -            PRZYROSTEK

okre la: miejsce,liczb  i             liczb  atomów C                   symbole grup funkcyjnych
     nazw  podstawnika (ów)      w 

cuchu g ównym

CH

3

-CH-CH-CH

2

-CH-CH

2

-OH

H

3

C

CH

2

CH

3

CH

3

6         5       4        3         2       1

rdze

grupa funkcyjna

podstawniki

lokanty

4-etylo-2,5-dimetyloheksa-1-ol

Nazwy podstawników znajduj  si  w przedrostku, a symbole grup funkcyjnych w przyrostku.

Nomenklatura alkanów rozga zionych wg IUPAC

Tworzenie nazwy rozga zionego alkanu rozpoczyna si  od identyfikacji najd

szego 

cucha,

który jako

cuch g ówny b dzie podstaw  nazwy rdzenia.

CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

3

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

3

1         2          3        4          5         6

4         5          6         7          8

CH

3

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH

3

1         2       3

A

B

heksan                                       oktan

A

 i

B

 nieprawid owo dobrane 

cuchy g ówne

CH

3

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

3

4        3           2          1

5         6           7           8          9

C

              prawid owo wybrany 

cuch g ówny –

 nonan

Rys. 2.4. Prawid owa nazwa w glowodoru

4-etylononan

background image

5

Lokanty (liczby okre laj ce po

enie podstawników w 

cuchu – numery atomów) nale y tak

przypisywa ,  eby podstawnik (grupa funkcyjna) otrzyma  mo liwie najni sz  warto . W
powy szym wzorze

C

, w którym numeracja atomów w gla jest prawid owa,

etyl

 znajduje si

przy czwartym atomie w gla – lokant 4. Gdyby numeracj  zacz

 od drugiego ko ca, to

etyl

by by zwi zany z szóstym atomem w gla –

lokant 6

. Poniewa  4<6, to prawid owa nazwa tego

glowodoru  brzmi

4-etylononan

, a nie

6-etylononan

.

Je eli w cz steczce wyst puj

rozga zienia drugiego i wy szych rz dów (rozga zienia z

rozga zie ), to te cz ci nazw podajemy w nawiasie lub kolejnych nawiasach, gdy rozga zie
jest wi cej:

H

3

C

CH

3

-CH-CH

3

CH

3

2         1

CH

3

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH-CH

2

CH

2

CH

2

-CH

3

H

3

C-CH-CH

2

-CH

2

CH-CH

2

-CH

3

CH

3

1         2         3        4         5          6         7        8

10      11      12       13

9

2

2         3

1

1

3

3-(1,1-dimetyloetylo)-6-(1-metylopropylo)-9-(3-metylobutylo)tridekan

Dla prostszych podstawników przyj to nazwy bez lokantów:

CH

3

-C-

CH

3

CH

3

CH

3

-CH-CH

3

CH

3

-CH-CH

2

-CH

3

CH

3

-CH-CH

2

-

CH

3

izopropyl

(

i-Pr

)

sec-butyl

(

sec-Bu     izobutyl (izo-Bu

tert-butyl

lub

lub

 s-Bu

)

lub

i-Bu

)

t-butyl, (t-Bu)

CH

3

-CH-CH

2

-CH

2

-

CH

3

CH

3

-C-CH

2

-

CH

3

CH

3

CH

3

-CH

2

-C-

CH

3

CH

3

izopentyl                       neopentyl

tert-pentyl

Stosuj c uproszczone nazwy krótkich rozga zionych grup alkilowych powy ej omawiany alkan
otrzymuje równie  uproszczon  nazw :

H

3

C

CH

3

-CH-CH

3

CH

3

2         1

CH

3

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH-CH

2

-CH

2

-CH-CH

2

CH

2

CH

2

-CH

3

H

3

C-CH-CH

2

-CH

2

CH-CH

2

-CH

3

CH

3

1         2         3        4         5          6         7        8

10      11      12       13

9

2

2         3

1

1

3

3-tert-butylo-6-sec-butylo-9-izopentylotridekan

background image

6

Je eli we wzorze alkanu znajduje si  kilka 

cuchów bocznych, to atomy w gla w 

cuchu

nale y tak ponumerowa ,  eby pierwsze rozga zienie otrzyma o najni szy z mo liwych
lokantów:

CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

3

5         6          7

CH

3

-CH

2

-CH-CH-CH

3

4

3

CH

2

2

1

CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

3

3         2          1

CH

3

-CH

2

-CH-CH-CH

3

4

5

CH

2

6

7

nieprawid owa

prawid owa

pierwsze rozga zienie
przy C4

pierwsze rozga zienie
przy C3

   numeracja atomów C (przypisanie lokantów)

     3-etylo-4-metyloheptan

Nazwy podstawników (

cuchów bocznych) zajmuj  w nazwie zwi zku miejsca zgodnie z

kolejno ci  alfabetyczn , przy czym bierze si  pod uwag  pierwsz  liter  podstawnika, a nie
liczebnika okre laj cego liczb  tych podstawników, czy rz dowo  atomów C, tzn.

etyl

 b dzie

przed

dimetylem

, a

tert-butyl

 przed

etylem

:

H

3

C-CH

2

-CH-CH-CH-CH

2

-CH

2

-CH-C(CH

3

)

3

CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

2

-CH

3

CH

3

5        6         7

9       10        11        12       13

8

2         3

4

1

CH

2

-CH

3

CH

3

8-tert-butylo-4-etylo-3,5-dimetylotridekan

Lokanty w prawid owo napisanej nazwie zwi zku umieszcza si  przed nazw  podstawnika. Po
lokancie lub przed i po, je eli znajduje si  wewn trz nazwy, umieszcza si  my lnik –

8-

, lub

-4-

.

Kolejne lokanty rozdziela si  przecinkiem (

-3,5-

), a liczb  takich samych podstawników okre la

si  liczebnikiem  aci skim (

di-

,

tri-

,

tetra-

,

penta-

,

heksa

-

, itd.).

ród a alkanów

ropa naftowa (du a ró norodno , od gazowych poprzez ciek e do sta ych);
gaz ziemny (metan – gaz suchy, metan + etan, propan i butan – gaz mokry);
hydrat metanu;

upki bitumiczne (zawieraj  10-15% zwi zków organicznych, wydobywa si  je przez

wytlewanie);
produkty wytlewania w gla (niskotemperaturowa piroliza w gla kopalnego);
synteza chemiczna (dowolne w glowodory, stosowana w przemy le)

Frakcje ropy naftowej (tw.

o

C, zawarto  atomów C w cz steczkach)

eter naftowy (30-40, C

5

-C

6

);

ligroina lub benzyna lekka (60-100, C

6

-C

7

)

benzyna lub gazolina (40-200, C

5

-C

10

); nafta lub paliwo odrzutowe (175-320, C

11

-C

18

)

olej nap dowy (paliwo dieslowe); olej lekki (oopa owy) (>275, C

15

-C

25

)

mazut;

oleje smarowe (trudno lotne sk adniki); wosk parafinowy lub wazelina

asfalt lub gudron;   koks naftowy

background image

7

Emisja metanu (szacunkowa, mln ton)

Tabela 2.1.

ród a naturalne

ród a antropologiczne

torfowiska 

mokrad a   100  

byd o 

inne 

prze uwacze  75

oceany, 

morza 

jeziora  30  

pola 

ry owe   

70

termity     30  

przetwarzanie 

biomasy  60

tundra      

5  

wysypiska 

mieci 

cieki  60

      

kopalnictwa 

w glowe  

30

      

gaz 

ziemny 

ropa 

naftowa

                                                                      

(wydobycie i transport) 

30

           razem

165 (34%)

325 (66%)

CZNIE  490 mln ton

Hydrat metanu

Szcz tki organiczne s  cz sto przetwarzane przez mikroorganizmy w

metan

. Ten proces zachodzi

w warunkach beztlenowych, np. na dnach zbiorników wodnych, takich jak stawy, mokrad a,
jeziora, morza i oceany. Na terenach podmok ych wydobywa si  w postaci tzw. gazu b otnego.

Pod wysokim ci nieniem, np. na dnach oceanów na g boko ciach kilkuset metrów (w obszarach
umiarkowanych poni ej 500 m, w morzach arktycznych znacznie p ycej) CH

4

 tworzy z wod

metastabilny, podobny do lodu

hydrat CH

4

.

6H

2

O

. Ocenia si ,  e z

a hydratu metanu zawieraj

oko o 15 mld ton metanu, tj. wi cej zwi zanego w gla ni  z

a gazu ziemnego, ropy naftowej i

gla kamiennego razem wzi te. Pierwsz  grudk  hydratu metanu wydobyto na powierzchni  z

dna oceanu w 1980 r., a dopiero w 1996 r. uda o si  zgromadzi  w termosach oko o 50 kg tej
substancji i podda  j  gruntownym badaniom.

Leki wzrost temperatury wody nad z

em

hydratu metanu

 powoduje jego rozk ad i uwalnianie

gazowego

metanu

, który porywa ze sob  kawa ki hydratu, przyspieszaj c jego rozk ad. Z 1 cm

3

hydratu metanu

 wydobywa si  164 cm

3

 gazowego

metanu

. Udokumentowano w druj ce ku

powierzchni bloki hydratu wielko ci samochodu. Gwa towny rozk ad du ych ilo ci hydratu
metanu mo e spowodowa  ogromne fale tsunami. Oko o 8000 lat temu 5 600 km

3

 brzegu

Norwegii osun o si  do morza przypuszczalnie z powodu destabilizacji hydratu metanu
cementuj cego przybrze ne dno
.

W wielu miejscach na dnach mórz i oceanów znajduj  si  ogromne kratery o powierzchni
kilkudziesi ciu km

2

 i g boko ci kilkudziesi ciu metrów, powsta e w wyniku wybuchowego

rozk adu du ych pok adów hydratu metanu. Hydrat metanu jest równie  istotn  przyczyn
zwi kszania efektu cieplarnianego, poniewa  metan jest 20 razy aktywniejszy ni  CO

2

  w

poch anianiu ciep a. S  przypuszczenia,  e okresowe, znaczne ocieplenia na ziemi mog y by
spowodowane uwolnieniem do atmosfery du ych ilo ci metanu z jego hydratu.

Hydrat metanu jest palny. Pali si  czerwonym p omieniem, a po spaleniu pozostaje woda. Ma
budow  klastratu, zawieraj cego cz steczk  metanu otoczonego 6 cz steczkami wody. W
hydracie obok metanu wyst puje w niewielkich ilo ciach siarkowodór (1-2%), etan i amoniak.

a hydratu metanu zasiedlone s  mikroorganizmami, które przetwarzaj  metan w CO

2

,

background image

8

czerpi c z tego energi

yciow . Z CO

2

 wytwarza si  w glan wapnia inkrustuj cy z

a hydratu.

Zalegaj ce na dnach mórz i oceanów ska y w glanowe maj  cz ciowo to samo pochodzenie.

Obecne mo liwo ci technologiczne nie pozwalaj  na przemys owe pozyskiwanie metanu ze z
jego hydratu. ( wiat Nauki2000 (02) str. 38-47, (04) str. 13-14.

Synteza alkanów

Uwodornienie alkenów lub alkinów

kat. (Pt,Pd lubNi)                                                                                kat.

C

n

H

2n

  +  H

2

→

 C

n

H

2n+2

                       C

n

H

2n-2

  +  2 H

2

→

 C

n

H

2n+2

Hydroliza zwi zków Grignarda

eter                              HOH

CH

3

Cl   +   Mg

→

  CH

3

MgCl

→

CH

4

chlorek metylu      chlorek metylomagnezowy     metan

Redukcja halogenków alkilowych

                                   kat.

C

n

H

2n+1

Cl +  H

2

→

 C

n

H

2n+2

  +  HCl        C

n

H

2n+1

Cl +  Zn  +  H

+

 C

n

H

2n+2

  +  Zn

+

  +  Cl

-

Reakcja Wurtza

2 C

4

H

10

Cl  +  2 Na

→

 C

8

H

18

  +  2 NaCl

chlorek n-butylu

n-oktan

Wykorzystanie odczynników Gilmana

C

3

H

7

Cl  +  2 Li

→

 C

3

H

7

Li +  LiCl

propylolit

C

6

H

13

Cl

2 C

3

H

7

Li + CuI

 (C

3

H

7

)

2

CuLi

→

 C

9

H

20

 + C

3

H

7

Li + LiCl

propylolit       dipropylomiedzian(I) litu   nonan

                           (odczynnik Gilmana)

Redukcja aldehydów i ketonów

   a/ reakcja Clemmensena

 b/ reakcja Wolffa-Ki nera

H

+

/HOH                                                                      KOH

RCOR   +  Zn(Hg)

→

 RCH

2

R

RCOR   +  H

2

NNH

2

→

 RCH

2

R +  N

2

  +  HOH

background image

9

ciwo ci fizyczne alkanów

Temperatura wrzenia (tw.)

Alkany od C

1

÷

C

4

 i rozga ziony

neopentan

 – (CH

3

)

4

C – s  gazami w temperaturze pokojowej;

ich tw. s  nast puj ce [

o

C]:

metan

 -162;

etan

 -88,5;

propan

 -42;

izobutan

 -12;

butan

 – 0;

neopentan

 – 9, 5

Alkany od

n-pentanu

 (tw. 36

o

C)  i

izopentanu

 (tw. 28

o

C) do

n-hepta-dekanu

 (tw. 302

  o

C, a tt.

22

o

C) s  cieczami. Rozga zienia obni aj  temperatur  wrzenia izomerów.

Za wyj tkiem kilku ni szych alkanów temperatury wrzenia w glowodorów zwi kszaj  si  o
oko o 20

÷

30

o

C przy wzro cie 

cucha o grup  CH

2

.

Temperatura topnienia alkanów ro nie wraz z ich mas  cz steczkow , ale nie tak regularnie jak
temperatura wrzenia. Rozga zienia obni aj  tt. izomerów. Równie  domieszki innych zwi zków
obni aj  tt. w glowodorów. Od

n-oktadekanu

 (tt. 28

o

C) zaczynaj  si  cia a sta e. Sta e

glowodory to parafina, a wy sze ciek e – olej parafinowy.

Temperatury topnienia i wrzenia wybranych alkanów                                              Tabela 2.2.

Nazwa alkanu

Wzór

tt. [

o

C] 

tw. 

[

o

C]

metan

CH

4

 -183

 -162

etan

CH

3

CH

3

 -172

   -88,5

propan

CH

3

CH

2

CH

3

 -187

   -42

n-butan

CH

3

(CH

2

)

2

CH

3

 -138

      0

izobutan

(CH

3

)

2

CHCH

3

 -159

   -12

n-pentan

CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

 -130

      36

izopentan

(CH

3

)

2

CHCH

2

CH

3

 -160

      28

neopentan

(CH

3

)

4

C

   -17

        9,5

n-heksan

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

   -95

       69

izoheksan

(CH

3

)

2

CH(CH

2

)

2

CH

3

 -154

       60

3-metylopentan

CH

3

CH

2

CH(CH

3

)CH

2

CH

3

 -118

       63

2,2-dimetylobutan

(CH

3

)

3

CCH

2

CH

3

   -98

       50

2,3-dimetylobutan

(CH

3

)

2

CHCH(CH

3

)

3

 -129

       58

n-heptan

CH

3

 (CH

2

)

5

CH

3

   

-90,5        

98

n-oktan

CH

3

 (CH

2

)

6

CH

3

   -57

     126

n-nonan

CH

3

 (CH

2

)

7

CH

3

   -54

     151

n-dekan

CH

3

 (CH

2

)

8

CH

3

   -30

     174

n-undekan

CH

3

 (CH

2

)

9

CH

3

   -26

     196

n-dodekan

CH

3

 (CH

2

)

10

CH

3

   -10

     216

n-tridekan

CH

3

 (CH

2

)

11

CH

3

     -6

     234

n-tetradekan

CH

3

 (CH

2

)

12

CH

3

       

5,5      

252

n-pentadekan

CH

3

 (CH

2

)

13

CH

3

      

10      

266

n-heksadekan

CH

3

 (CH

2

)

14

CH

3

      

18      

280

n-heptadekan

CH

3

 (CH

2

)

15

CH

3

      

22      

292

n-oktadekan

CH

3

 (CH

2

)

16

CH

3

      

28      

308

n-nonadekan

CH

3

 (CH

2

)

17

CH

3

      

32      

320

n-ejkozan

CH

3

 (CH

2

)

18

CH

3

      

36      

220

30mmHg

background image

10

Rozpuszczalno
Alkany s  bardzo hydrofobowe, nie mieszaj  si  z wod , nie s  zwil ane przez wod  i s  w niej
nierozpuszczalne.  atwo rozpuszczaj  si  w niepolarnych, niskopolarnych i  redniopolarnych
rozpuszczalnikach organicznych. W metanolu rozpuszczaj  si  w ograniczonym zakresie; przy
wi kszych st eniach nast puje rozdzielenie si  warstw. W etanolu ni sze alkany rozpuszczaj
si

atwo, wy sze s abiej. Mieszanki paliwowe zawieraj ce etanol  jako dodatek (biopaliwo)

rozwarstwiaj  si  pod wp ywem wody, dlaczego?

sto
sto  alkanów waha si  oko o 0,8 g/cm

3

, s  wi c l ejsze od wody.

Palno
Wszystkie w glowodory, a wi c i alkany s

atwopalne. Gazowe w glowodory i pary

glowodorów tworz  mieszanki wybuchowe z powietrzem.

Zapach
Gazowe i lotne ciek e alkany maj  zapach benzynowego rozpuszczalnika do farb i lakierów.
Benzyna – paliwo silnikowe ma zapach zmieniony obecno ci  dodatków uszlachetniaj cych.
Sta e i wysokowrz ce ciek e w glowodory s  bez zapachu i bez smaku.

ciwo ci chemiczne alkanów

  (reaktywno )

Alkany s  ma o reaktywne. W pewnych warunkach mog  jednak reagowa  gwa townie.

Reakcje  alkanów:

spalanie;
fluorem reaguj  wybuchowo (nawet w ciemno ciach i w niskich temperaturach);
chlorowanie i bromomowanie wymaga inicjacji;
rozk adaj  si  pod wp ywem wysokiej temperatury (pirolizakraking, izomeryzacja),
sulfonowanienitrowanie,
wchodz  tak e w reakcj  z bardzo reaktywnymi odczynnikami, takimi jak HF

.

SbF

5

 czy

FSO

3

.

SbF

5

 (kwas magiczny).

Spalanie

C

n

H

2n+2

+  O

2

 (nadmiar)

→

 n CO

2

  +  (n + 1) HOH

n-C

5

H

12

  +  8 O

2

→

 5 CO

2

  +  6 HOH    - 3 538 kcal

Pó spalanie

CH

4

+  O

2

  +  HOH

→

 2 CO  +  H

2

      gaz syntezowy

Zamiast metanu u ywa si  olei odpadowych, wy szych frakcji naftowych, mazutu, asfaltu, a nawet w gla
kamiennego czy koksu.

Niepe ne spalanie

CH

4

+  1,5 O

2

→

 HCOOH  +  HOH

kwas mrówkowy

background image

11

4 CH

4

+   O

2

→

 C

2

H

2

  +  2 CO  +  7 H

2

etyn

 (g ówna frakcja)

Bromowanie

CH

3

CH

2

CH

3

  +  Br

2

h

ν

lub

CH

3

CHBrCH

3

  +  HBr

Kraking  termiczny

                                                       450

o

C

RCH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

3

→

 RCH

2

CH

3

 + CH

2

=CHCH

3

                                   katalizator glinokrzemianowy

Hydrokraking

450

o

C

C

14

H

30

  +  H

2

→

 C

9

H

20

  + CH

4

  + C

2

H

6

  + C

3

H

8

  +  ..........

                      15 Mpa, kat. glinokrzem

.

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

(CH

2

)

5

CH

3

90-120

o

C

2 Mpa, AlCl

3

CH

3

-CH-CH-CH

3

n-heptan

2,2,3-trimetylobutan

Izomeryzacja

CH

3

CH

2

CH

3

 + HNO

3

CH

3

CH

2

CH

2

NO

2

(25%)

  +

CH

3

CHNO

2

CH

3

(40%)

  +

CH

3

CH

2

NO

2

(10%)

 +

CH

3

NO

2

(25%)

Nitrowanie

1-nitropropan

2-nitropropan

nitroetan

nitrometan

Chlorosulfonowanie

15-35

o

C                             80

o

C

Alk-H  +  SO

2

  +  Cl

2

→

 Alk-SO

2

Cl

→

 Alk-SO

3

Na

                                              - HCl                    NaOH/HOH

mersole                  mersolany

Sulfoutlenianie

                                                                                  25-30

o

C

C

n

H

2n+1

CH

2

CH

2

C

m

H

2m+1

 + SO

2

 + 0,5 O

2

→

 C

n

H

2n+1

CHCH

2

C

m

H

2m+1

                                                                                h

ν

, 300 nm

I

                                                                                               SO

3

kwas  alkanosulfonowy

background image

12

Cykloalkany

 (w glowodory alicykliczne)

cuchy w glowodorowe mog  zamyka  si  w pier cienie tworz c zwi zki cykliczne.

Cykloalkany niepodstawione z

one s  z powtarzaj cych si  elementów –CH

2

-, tak wi c ich

wzór sumaryczny mo na przedstawi  jako (CH

2

)

n

 lub C

n

H

2n

, przy czym literk  „c” zaznaczmy,

e s  to zwi zki cykliczne: c(CH

2

)

n

. Cz sto przedstawiane s  one za pomoc  wieloboków

foremnych:

cyklopropan  cyklobutan   cyklopentan   cykloheksan  cykloheptan

Rys. 2. 5. Wzory cykloalkanów; w ka dym w le znajduje si  element –CH

2

Nomenklatura

Nazwy cykloalkanów tworzy si  od nazw alkanów zawieraj cych tak  sam  liczb  atomów

gla przez dodanie przedrostku „cyklo”, np.

cyklopropan

,

cyklobutan

, ...

cyklodekan

, itd. W

nazwie wymienia si  podstawniki przy czone do pier cienia zaznaczaj c miejsca przy cze
mo liwie najni szymi lokantami, przy czym suma lokantów powinna przyjmowa  najni sz  z
mo liwych  warto :

CH

2

CH

C

H

2

CH

3

C

H

2

C

H

2

C

H

2

C

H

CH

2

C

H

C

4

H

9

C

2

H

5

CH

3

C

2

H

5

C

3

H

7

metylocyklopropan   2-etylo-1-metylo-3-   1-butylo-3-etylo-

                                                                 -propylocyklopentan     cykloheksan

Znane s cykloalkany dicykliczne i policykliczne. Ich nazwy zaczynaj  si  od podania liczby
pier cieni: bicyklo-, tricyklo-, itd. Nast pnie w nawiasach kwadratowych podaje si  liczby
atomów w gla (oddzielone kropkami, np. [2.2.1]) w poszczególnych mostkach, tj. 

cuchach

glowych od mostka do mostka (pomi dzy atomami przyczó kowymi), po czym znajduje si

nazwa rdzenia wynikaj ca z liczby atomów w gla tworz cych cz steczk :

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

8

bicyklo[2.2.1]heptan     bicyklo[2.2.2]oktan     tricyklo[2.2.2.0

2,6]

heptan

                                   (

norbornan

)                                                         (

nortricyklan

)

Uk ad numeruje si  zaczynaj c od jednego atomu przyczó kowego, przez najd

szy mostek do

drugiego atomu przyczó kowego, nast pnie z powrotem do pierwszego atomu przyczó kowego
przez kolejny najd

szy jeszcze nie numerowany mostek; te dwa mostki s  uznawane za g ówny

background image

13

pier cie  uk adu (na Rys. od C1-C6). Nazw  ko czy  przypisanie lokantów kolejnemu mostkowi
– 0

2,6

. Dla tego mostka numeracj  zaczyna si  te  od pierwszego atomu przyczó kowego.

Zwi zki policykliczne s  tak fascynuj ce,  e zsyntezowano wiele specyficznych struktur, których
nazwy oddaj  ich kszta t, np.:

kuban                      adamantan                      basketan

Wyst powanie i otrzymywanie

Cykliczne alkany raczej nie wyst puj  w naturze, natomiast w wielu zwi zkach naturalnych
znajduj  si  alicykliczne ugrupowania:

CH

3

H

H

C

H

3

COOH

COOH

NH

2

CH

2

CH

COOH

NH

2

CH

hipoglicyna A

kwas chryzantemowy

                        wyst puje w owocach

kw. 1-aminocyklopropano-

         naturalny pestycyd

karboksylowy

, prekursor etenu,

                                                                      czynnika przyspieszaj cego
                                                                      dojrzewanie owoców

Pi ciocz onowe pier cienie znajduj  si  w prostaglandynach (hormonach tkankowych) i
hormonach p ciowych, np. w

estrodiolu

:

OH

O

OH

H

H

OH

H

O

O

H

H

OH

H

H

Rys. 1.

Prostaglandyna E

1

 (PGE

1

)

estradiol

Otrzymywanie  cykloalkanów

Naj atwiej otrzymuje si  pi ciocz onowe i sze ciocz onowe cykliczne zwi zki organiczne, w tym
cykloalkany. Zarówno mniejsze (trój- i czterocz onowe), jak i wi ksze (od siedmiocz onowego w
wzwy ) powstaj  z mniejsza wydajno ci .

Cyklizacja dihalogenoalanów

(eliminacja halogenów z oligometylenów za pomoc  metali)

CH

2

Cl

CH

2

Cl

CH

2

CH

2

H

2

C

H

2

C

+  Zn

CH

2

-CH

2

-Br

CH

2

-CH

2

-Br

H

2

C

+

2

 Na

1,3-dichloropropan

cyklopropan                                 1,5-dibromopentan

cyklopentan

background image

14

Znane s  sposoby otrzymywania pochodnych cykloalkanów, które nast pnie mo na
przeprowadzi  w w glowodory. Sole wapniowe kwasów 1,6-heksanowego lub 1,7-heptanowego
w trakcie dekarboksylacji przekszta caj c si  w odpowiednie ketony. Ketony redukuje si  do
alkanów znanymi metodami, np. metod  Clemmensena). W ten sposób nie da si  otrzyma  trój-
ani czterocz onowych  pier cieni.

CH

2

-CH

2

-COO

CH

2

-CH

2

-COO

O

H

2

C

-

-

Ca

2+

Zn(Hg)

+

H

3

O

pimelinian wapnia              cykloheksanon          cykloheksan

ciwo ci fizyczne

Cyklopropan

  i

cyklobutan

 w temperaturze pokojowej s  gazami; ich temperatury wrzenia

wynosz  odpowiednio – 33,3 i 12,9

o

C. Od

cyklopentanu

 do

cyklodekanu

 to ciecze, a wy sze

cia a sta e. Podobnie jak alkany s  hydrofobowe, tworz  mieszanki wybuchowe z powietrzem i
nale  do substancji  atwopalnych.

ciwo ci chemiczne

Cyklopropan
Cyklopropan

  i

cyklobutan

 ró ni  si  reaktywno ci  od wy szych homologów cykloalkanów.

ciwo ci chemiczne od

cyklopentanu

 wzwy  s  bardzo zbli one do alkanów, natomiast

cyklopropan

  i

cyklobutan

 zachowuj  si  w niektórych reakcjach jak zwi zki nienasycone, tzn.

ulegaj  reakcjom addycji z równoczesnym otwarciem pier cienia:

Y

Y

CH

2

-CH

2

CH

2

Z

Y

CH

2

-CH

2

CH

2

Z

Y

H

2

C

CH

2

CH

2

Z

addycja
elektrofilowa

addycja
rodnikowa

H

2

C

CH

2

CH

2

Z

Rys. 2.6. Addycja do cyklopropanu z równoczesnym rozerwaniem pier cienia mo e biec mechanizmem
elektrofilowym, np. z Cl

2

/FeCl

3

 lub rodnikowym, np. z chlorem czy bromem w obecno ci  wiat a

Do rodnikowego przy czenia bromu dochodzi pod wp ywem  wiat a:

+  Br

2

h

ν

Br-CH

2

-CH

2

-CH

2

-Br

1,3-dibromopropan

Elektrofilowe przy czenie chloru dokonuje si  w obecno ci chlorku  elaza:

+  Cl

2

FeCl

3

Cl-CH

2

-CH

2

-CH

2

-Cl

1,3-dichloropropan

background image

15

Addycja jodowodoru nast puje w podwy szonej temperaturze:

+  HI

I-CH

2

-CH

2

-CH

2

-I

1,3-dijodopropan

Cyklopropan

 rozrywa si  równie  pod wp ywem kwasu siarkowego:

+  H

2

SO

4

CH

3

-CH

2

-CH

2

-OH

n-propanol

st

ony

Uwodornienie

cyklopropanu

 równie  otwiera pier cie :

+  H

2

CH

3

-CH

2

-CH

3

80

o

C

Ni

n-propan

Cyklobutan

 jest mniej aktywny w tego typu reakcjach, nie ulega rozerwaniu pod wp ywem

chloru, bromu ani halogenowodorów. Jego uwodornienie nast puje dopiero w temperaturze
120

o

C. Jeszcze mniej reaktywne s  wy sze cykloalkany;

cyklopentan

 otwiera si  w reakcji z

wodorem dopiero powy ej 300

o

C.

Jaka jest przyczyna takich ró nic w reaktywno ci podobnych zwi zków? Wed ug starszej
hipotezy utworzenie pier cieni trój- i czterocz onowych wymaga zniekszta cenia wi za ,
wygi cia ich w taki sposób,  e k t tetraedryczny (109,5

o

), typowy dla atomów C

zhybrydyzowanych sp

3

, zostaje zmniejszony odpowiednio do 60

o

 lub 90

o

. Taka zmiana wymaga

energii, o warto  której zmniejsza si  energia wi za . Obrazowo takie wi zania nazywane s
napr onymi (od napr onej spr yny). Os abione wi zania  atwiej ulegaj  rozerwaniu, a do
uwolnionych  atomów C  przy cza si  reagent.

H

H

H

H

H

H

60

o

H

H

H

H

H H

H

H

90

o

C

H

3

CH

3

H

H

C

109,5

o

Rys. 2. 7. Utworzenie mniejszych pier cieni wymaga zmniejszenia k ta tetraedrycznego pomi dzy wi zaniami C

C,

a to obni a energi  tych wi za

Zgodnie z teori  orbit molekularnych (MO) w ma ych pier cieniach energia wi za C

C jest

mniejsza poniewa  orbitale atomowe tworz ce wi zanie

σ

 nie nak adaj  si  osiowo, lecz pod

pewnym pod k tem, a tym samym stopie  na

enia (ca ka pokrycia) jest mniejsza.

Rys. 2. 8. Osiowe nak adanie si  orbital sp

3

 (a) i pod zmniejszonym k tem w cyklopropanie (b)

Energia wewn trzna

cyklopropanu

 obliczona na podstawie ciep a spalania jest o 8,8

kcal/równowa nik  –CH

2

– wy sza ni  w strukturze ca kowicie beznapi ciowej –

cykloheksanie

czy w alkanach alifatycznych. Ze spalanie równowanika –CH

2

– niezale nie z jakiego

glowodoru pochodzi uzyskuje si  mol CO

2

 i mol HOH, ró nica warto ci wydzielonego ciep a

background image

16

spalania (

H) odzwierciedla energi  wewn trzn  cz steczki ulegaj cej spalaniu. Im wi ksza

warto

H, tym mniejsza energia wewn trzna cz steczki (zwi zek bardziej stabilny), a to

oznacza,  e wi zania C-C (g ównie) s  silniejsze.

–CH

2

–  +  3/2 O

2

→

 CO

2

  +  HOH  + ciep o

(

H

CH2

 dla uk adu beznapi ciowego = 157,4 kcal)

Tabela 2.3.

Alkan

wzór

H,

kcal/mol

H

CH2

,

kcal/mol

H

CH2

 – 157,4

Ró nica energii

wew. kcal/mol

cyklopropan

c(CH

2

)

3

499,8  166,6

9,2

27,6

cyklobutan

c(CH

2

)

4

655,8  163,9

6,5

26,0

cyklopentan

c(CH

2

)

5

793,6  158,7

1,3

6,5

cykloheksan

c(CH

2

)

6

944,5  157,4

0

0

n-heksan

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

 

944,4  157,4

0

0

cykloheptan

c(CH

2

)

7

1108

158,3

0,9

6,3

cyklooktan

c(CH

2

)

8

1268,8 158,6

1,2

9,6

cyklononan

c(CH

2

)

9

1428,3 158,7

1,3

11,7

cyklodekan

c(CH

2

)

10

1586

158,6

1,2

12,0

cyklopentadekan

c(CH

2

)

15

2362

157,5

0,1

~ 0

cykloheptadekan

c(CH

2

)

17

2672

157,2

-0,2

~ 0

Konformacja

cyklopropanu

 jest ustalona i nie ulega przemianom podobnym jak zwi zkach

cuchowych, gdzie mo liwy jest swobodny obrót wokó  pojedynczych wi za  C

C.  W

cyklopropanie

 obrót wokó  takiego wi zania spowodowa by jego rozerwanie.

Rys. 2. 9. Modele cz steczki

cyklopropanu

 (a) i jej       Modele cz steczki cyklobutanu (a) i jej rzuty. Konformacja

rzuty (b i c). U

enie atomów wodoru na s siadu-         cz steczki

cyklobutanu

 jest ustalona. Atomy wodoru na

cych atomach w gla jest naprzeciwleg e (c);                 s siaduj cych atomach w gla uk adaj  si  naprzemianlegle

W

cyklopentanie

t wewn trzny pi cioboku foremnego (108

o

) ma warto  zbli on  do warto ci

ta tetraedrycznego, tak wi c p aska cz steczka

cyklopentanu

 powinna by  bez napi ciowa.

Jednak ciasno upakowane atomy w cz steczce cyklopentanu odpychaj  si , deformuj  j . Przez
to nie jest ona zupe nie p aska, ale za to energia wewn trzna cyklopentanu jest tylko o 1,3
kcal/równowa nik  –CH

2

– wy sza ni  w strukturach ca kowicie beznapi ciowych.

Cykloheksan

ciwo ciami chemicznymi przypomina raczej alkany alifatyczne ni  ni sze

cykloalkany. Jego pier cie  nie jest p aski. Dzi ki mo liwo ci zachowania swobodnego obrotu

background image

17

wokó  wi za C

C cz steczka przyjmuje konformacje zapewniaj ce k t tetraedryczny pomi dzy

wi zaniami poszczególnych atomów w gla. Takich konformacji mo e by  bardzo du o. Po ród
nich wyró nia si  konformacje kra cowe: krzes ow pó krzes ow ódkow   i skr conej  ódki.
Ró ni  si  one trwa

ci . Najbardziej trwa a (o najni szej energii) jest konformacja

ódkowa (schemat). Rzeczywista cz steczka

cykloheksanu

 jest mieszanin  konformerów

cych w stanie równowagi dynamicznej. Udzia  ich w ca ej populacji jest proporcjonalny do

ich trwa

ci. Przej cie pomi dzy poszczególnymi konformerami dokonuje si  poprzez obrót

wokó  C

C wi za  .

Schemat 2. 10.  Zale no  energii potencjalnej cykloheksanu od konformacji cz steczki

Wzór szkieletu w glowego konformeru krzes owego

cykloheksanu

 przedstawiany jest tak jak na

schemacie lub (cz ciej) w uk adzie przypominaj cym krzes o z oparciem i podnó kiem:

Rys. 2. 11. Schematycznie przedstawiony szkielet w glowy cz steczki cykloheksanu w konformacji krzes owej

Rys. 2. 12  Modele cz steczki cykloheksanu          Rys. 2. 13. W cz steczce

cykloheksanu

 mo na wyró ni

                                                                                 dwa elementy n-butanowe o konformacji synklinalnej:
                                                                                 C6, C1,  C2, C3 i drugi C3, C4, C5 i C6.

Warto zwróci  uwag  na dwie po ówki cz steczki

cykloheksanu

, maj  one taka sam

konformacj  jak konformer synklinalny

n-butanu

. Jest to widoczne na rysunku:

Atomy wodoru zwi zane z tym samym atomem w gla w cz steczce cykloheksanu nie s
równocenne; wi zanie jednego jest osiowe (równoleg e do pionowej osi cz steczki), a drugiego
jest lekko odchylone od p aszczyzny cz steczki. Ten pierwszy atom wodoru nazywa si
aksjalnym, za  ten drugi ekwatorialnym. W cz steczce cykloheksanu znajduje si  6 aksjalnych i
6 ekwatorialnych atomów wodoru.

background image

18

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

 cz steczki

aksjalny

ekwatorialny

Rys. 2. 14. Aksjalne i ekwatorialne atomy wodoru

Wi kszy podstawnik ni  atom wodoru (np. metyl) zajmuj cy pozycj  aksjaln  odpycha si
wzajemnie nawet z atomami wodoru, przez co konformer, w którym wi kszy podstawnik
zajmuje pozycj  aksjaln  jest mniej trwa y od tego z du ym podstawnikiem w pozycji
ekwatorialnej. Oba konformery znajduj  si  w równowadze dynamicznej.

CH

3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

CH

3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Rys. 2. 15. Równowaga dynamiczna pomi dzy konformerami krzes owymi z grup  metylow  w po

eniu

aksjalnym (a) i ekwatorialnym (e)

Du y podstawnik w pozycji akcjalnej odpycha si  równie  z grup  –CH

2

– przy C3. Jest to

podobny destabilizuj cy uk ad jak w synklinalnej konformacji

n-butanu

.

CH

3

C

H

3

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

6

1

3

5

6

                                             grupa metylowa aksjalnie

n-butan

 w konformacji

                                             zwi zana z

cykloheksanem

     synklinalnej

CH

3

C

H

3

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

6

1

3

5

6

                                        grupa metylowa ekwatorialnie

n-butan

 w konformacji

                                        zwi zana z

cykloheksanem

                naprzemianleg ej

Rys. 2. 16. Porównanie konformacji cz steczek

cykloheksanu

 i

n-butanu

Izomeria cis-trans dipodstawionych cykloalakanów

Dipodstawione cykloalkany niezale nie od wielko ci pier cienia mog  wyst powa  w postaci
dwóch izomerów cis lub trans. W izomerze cis oba podstawniki znajduj  si  po tej samej stronie
pier cienia, a w trans po stronach przeciwnych. W pier cieniach p askich (3-5 cz onowych) nie
ma problemu z okre leniem izomeru.

background image

19

H

C

H

3

H

CH

3

H

H

C

H

3

H

CH

3

H

C

H

3

H

H

H

CH

3

C

H

3

H

H

H

CH

3

H

H CH

3

H

H

CH

3

H

H CH

3

H

CH

3

H

3

C

H

3

C

H

3

C

H

3

C

1,2-dimetylocyklopropan                 1,3-dimetylocyklobutan

cis                     trans               cis                 tras

Rys. 2. 17.  Stereoizomery

1,2

-

dimetylocyklopropanu

 i

1,2

-

dimetylocyklobutanu

H

CH

3

H

H

H

H

H

H

C

H

3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

H

3

CH

3

cis-1,2-dimetylocyklopentan

trans-1,2-dimetylocyklopentan

                                           tw. [

o

C]         99,5                                          91,9

Rys. 2. 18.  Stereoizomery

1,2-dimetylocyklopentanu

Stereoizomery cis-trans s  ró nymi zwi zkami, ró ni  si  w

ciwo ciami fizycznymi i

chemicznymi. W tabeli 1. podane s  temperatury wrzenia i topnienia czterech izomerów

dimetylocykloheksenu

 i dwóch izomerów

1,2-dichlorocykloheksenu

.

Wybrane w

ciwo ci fizyczne niektórych dipodstawionych izomerów cykloheksanu                                 Tabela. 2. 3.

Pochodne cykloheksanu

Stereoizomer

tt. [

o

C]

tw. [

o

C]

1,2-dimetylo-

cis

   -50

   130

1,2-dimetylo-

trans

   -89

   124

1,3-dimetylo-

cis

    76

   120

1,3-dimetylo-

trans

   -90

   123

1,2-dichloro-

cis

     -6

   93

22    a

1,2-dichloro-

trans

     -7

   75

16    a

a

 – ci nienie w mm s upa Hg, przy jakim oznaczono temperatur  wrzenia

Cz steczka

cykloheksanu

 nie jest p aska, dlatego te  zaliczenie jego dipochodnych do izomeru

cis lub trans mo e pocz tkowo sprawia  trudno ci. Jako odniesienie trzeba bra  p aszczyzn
pier cienia przechodz

 przez jego  rodek – p aszczyzn  prostopad  do pionowej osi

cz steczki. W pochodnych

dicykloheksanu

 rozró nia si  takie, w których podstawnik

przy czony jest akcjalnie (a) lub ekwatorialnie (e). Dipodstawione pochodne cykloheksanu
mog  by  zatem zwi zane w sposób a,a lub e,e (izomery trans) oraz a,e lub e,a (izomery cis).
Izomery a,a i e,e s  z sob  w stanie równowagi dynamicznej, podobnie jak izomery a,e i e,a.

background image

20

H

CH

3

H

CH

3

CH

3

H

H

C

H

3

H

CH

3

CH

3

H

H

CH

3

H

C

H

3

cis-1,4-dimetylocykloheksan

konformer

a,e (aksjalno-ekwatorialny)     e,a (ekwatorialno-aksjalny)

trans-1,4-dimetylocykloheksan

konformer

a,a (diaksjalny)                     e,e (diekwatorialny)

Rys. 2. 19. Równowaga konformacyjna dipochodnych cykloheksanu

Du e podstawniki, takie jak brom czy tert-butyl z regu y zajmuj  pozycje ekwatorialn ,
wymuszaj c w ten sposób konformacj  pier cienia cykloheksanowego.

CH

3

H

H

H

H

H

H

H

(CH

3

)

3

C

H

H

H

H

H

H

H

H

CH

3

H

H

H

H

H

(CH

3

)

3

C

cis:   ekwatorialno-akcjalna              akcjalno-ekwatorialna

H

H

H

H

H

H

CH

3

H

(CH

3

)

3

C

H

H

H

CH

3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

(CH

3

)

3

C

trans: ekwatorialno-ekwaterialna          akcjalno-aksjalna

Rys. 2. 20. Stabilna konformacja

1-tert-butylo-4-metylocykloheksanu