12. PÉLDATÁR

Síkképlet:

H C C C H

H

H H

H H

H Ábrázolásmódok:

Fűrészbak-projekció: perspektivikus ábrázolásmód:

H

F H

H Br Cl

Newman-projekció: háromdimenziós szerkezetet úgy ábrázol, hogy két egymáshoz kapcsolódó atomot egymás mögé helyez:

H

Cl Br

H

H F

A fűrészbak- és Newman-projekciók kölcsönösen megfelelnek egymásnak:

H

F H

H Br Cl

H

Cl Br

H H F

Fischer-projekció: a háromdimenziós szerkezetből vonalképletet hoz létre. Egy vagy több atom körüli kötéselrendeződéseket lehet szemléltetni vele.

X C

Z

Y

W

C Y X W

Z

11.1.3. A szerves vegyületek felépítése

A szerves vegyületek általában egy szénláncból (vagy szénláncokból) és funkciós csoportokból épülnek fel.

Funkciós csoport: a szerves vegyület molekulájának az a része (atom vagy atomcsoport), amely jelentősen befolyásolja a vegyület fizikai és kémiai tulajdonságait. Például alkoholoknál a hidroxilcsoport (−OH), a karbonsavaknál a karboxilcsoport (−COOH).

A szerves vegyületek építőkockákból, különféle csoportokból épülnek fel. Gyakran a molekulát többféleképpen is feloszthatjuk funkciós csoportokra. Erre néhány példát szeretnénk bemutatni:

Etán:

Metil-acetát:

Paracetamol: N-(p-hidroxifenil)acetamid

Néhány fontos alapfogalom

Konstitúció: a molekulában az atomok kapcsolódási sorrendje.

Konfiguráció: egy szénatom körül az egymással közvetlenül nem kapcsolódó atomok, atomcsoportok viszonylagos térbeli elrendeződését.

Konformációk: a molekula azon lehetséges térszerkezetei, amelyek egy-egy kötéstengely körüli átfordulással átmehetnek egymásba.

Szubsztituens vagy helyettesítő: az adott szénatomhoz kapcsolódó (hidrogéntől eltérő) atom vagy csoport.

Például:

D C Cl F Br

A központi szénatomhoz kapcsolódik egy fluor-, egy klór-, egy bróm- és egy deutérium- szubsztituens. Ezért ezt a szénatomot négyszeresen szubsztituáltnak nevezzük.

A szénatomok rendűsége: megadja, hogy az adott szénatomhoz hány szénatom kapcsolódik a szénláncban.

Ez alapján megkülönböztetünk:

 primer: elsőrendű,

 szekunder: másodrendű,

 tercier: harmadrendű,

 kvaterner: negyedrendű szénatomokat.

A telítetlenségek elhelyezkedése a láncban:

 Kumulált: a két kettős kötés ugyanahhoz a szénatomhoz kapcsolódik:

−C=C=C−

 Konjugált: a két kettős kötés között pontosan egy egyszeres kötés van:

−C=C−C=C−

 Izolált: a két kettős kötés között legalább két egyszeres kötés van:

−C=C−C−C=C−, −C=C−C−C−C=C−, stb.

A lánchoz kapcsolódó csoportok elhelyezkedése alapján:

 Geminális: a két csoport ugyanahhoz a szénatomhoz kapcsolódik:

C C C X

X

 Vicinális: a két csoport egymás melletti szénatomokon található:

C C C C X X

 Diszjunkt: a két csoport olyan szénatomokhoz kapcsolódnak, melyek között legalább még egy szénatom található:

C C C C C X X

Aromás gyűrűhöz kapcsolódó csoportok elhelyezkedése alapján:

 Orto: a két csoport egymás melletti szénatomokhoz kapcsolódik:

X X

 Meta: a két csoport olyan szénatomokhoz kapcsolódik, melyek között a gyűrűben egy szénatom található:

X

X

 Para: a két csoport a gyűrű átellenes szénatomjain található:

X

X 11.1.4. A szerves vegyületek nagy számának okai

Felmerül a kérdés, hogy miért ismerünk nagyságrendekkel több szerves vegyületet, mint szervetlent (mintegy 10 millióra tehető az ismert szerves vegyületek száma, míg a szervetlen vegyületeké nagyjából százezres nagyságrendű). A válasz egyrészt a szénatom speciális tulajdonságaiban keresendő, mivel szénatomok egymással gyakorlatilag végtelen számban össze tudnak kapcsolódni igen változatos szerkezeteket és kötésformákat létrehozva. Másrészt igen gyakori, hogy egy adott összegképlethez többféle különböző szerkezetű molekulát is fel tudunk rajzolni. Most ismerkedjünk meg ezekkel részletesebben is!

A szénatom jellemzői:

 kisméretű,

 viszonylag nagy az elektronegativitása (EN=2,5),

 négy kovalens kötés kialakítására képes számos kémiai elemmel (H, O, N, S, P, halogének),

 igen erős C−C kötés kialakítására képes,

 számos oxidációs fokkal rendelkezhet vegyületeiben (−4-től +4-ig),

 változatos kötésszerkezeteket tud kialakítani (például többszörös kötések, aromás gyűrűk stb.),

 gyűrűk, láncok létrehozására alkalmas.

11.1.5. Az izoméria

Izomerek: olyan vegyületek, amelyeknek azonos az összegképletük (tapasztalati képletük), de az alkotó atomoknak eltérő a kapcsolódási sorrendje vagy a térbeli helyzete, és emiatt fizikai, illetve kémiai tulajdonságaik eltérőek.

Az izoméria fajtái:

– konstitúciós (szerkezeti) izoméria, – sztereoizoméria (térizoméria).

Konstitúciós (szerkezeti) izoméria: az izomer molekulákban az atomok kapcsolódási sorrendje (konstitúciója) tér el.

Például az etil-alkohol (H3C−CH2−OH) és a dimetil-éter (H3C−O−CH3) konstitúciós izomerek.

Sztereoizoméria (térizoméria): az izomer molekulákban a ligandumok (atomok, atomcsoportok) viszonylagos helyzete tér el, tehát más a konfigurációjuk.

Sztereoizomerek: azonos konstitúciójú, de eltérő szerkezetű, egymásba nem forgatható molekulák. Csak a csoportok térbeli elrendeződésében különböznek egymástól.

A sztereoizomeria fajtái:

– geometriai vagy cisz-transz izoméria, – optikai izoméria.

Geometriai vagy cisz-transz izoméria: a geometriai izoméria a kötés gátolt rotációja miatt alakul ki.

Feltétele, hogy a kettős kötéssel kapcsolódó szénatom pár mindegyikén két különböző csoport legyen. Például a but-2-én esetén a két izomer:

A gátolt rotációt nemcsak kettős kötés okozhatja, hanem például kötött geometriájú gyűrű is. Itt csak a legegyszerűbb háromtagú gyűrűt mutatjuk be, ám nagyobb tagszámú gyűrűk esetén is felléphet cisz-transz izoméria.

Optikai izoméria

Királis molekula: a molekula a tükörképével nem hozható fedésbe. A királis molekulákra jellemző az optikai aktivitás. Az optikai aktivitás azt jelenti, hogy a síkban polarizált fény síkját az egyik molekula jobbra, a másik molekula balra forgatja el azonos szöggel.

Megjegyzés: nem csak molekulák lehetnek királisak. Például a kezünk és a lábunk is királis, mivel nem hozható fedésbe a tükörképével.

A nem királis molekulákat (objektumokat) akirálisnak nevezzük. Az akirális molekulák fedésbe hozhatók tükörképükkel.

Királis szénatom: négy különböző csoport (ideértendő az atom is) kapcsolódik hozzá. A királis szénatomot tartalmazó vegyületeket két csoportra oszthatjuk: az egy királis szénatomot tartalmazó molekulák mindig királisak, ám abban az esetben, ha több királis szénatom (aszimmetriacentrum) is található a molekulában, nem szükségszerű, hogy a molekula királis legyen (lásd később).

Az optikai izoméria nem csak királis szénatomot tartalmazó molekulák esetén léphet fel, ám ezen vegyületekre is jellemző az optikai aktivitás.

Például a bután-2-olnak két sztereoizomerje létezik, amelyek egymásnak tükörképi párjai:

11.1.5.1. animáció: Tükörképi párok

A két molekula enantiomerpárt, vagyis egymással nem azonos tükörképi párt alkot. A királis molekula tükörképe nem azonos önmagával és mindkét molekula optikailag aktív. A négy különböző helyettesítővel rendelkező királis szénatomnak az enentiomerpároknál más a térbeli elrendeződése, más a két molekulában a konfiguráció.

Az optikai sztereoizomerek száma 2ⁿ képlettel számolható, ahol n a királis szénatomok száma, amennyiben nincs belső szimmetriasíkja a molekulának (lásd később).

Ha a szerves vegyületben több királis szénatom is található, diasztereomernek nevezzük azt a sztereoizomert, amely nem tükörképi párja a vizsgált molekulának.

Például a 3-bróm-butan-2-ol négy optikai izomerje:

Az a) és b) enantiomerpárok (tükörképi párok), a)-val c), illetve d) nem enantiomer-, hanem diasztereomerviszonyban áll.

Az élő szervezetben a legtöbb molekula királis, de a természetben sokszor csak az egyik enantiomer fordul elő. A két izomer azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkezik (ám a forgatásuk ellentétes irányú), de a biológiai tulajdonságuk eltér. Akirális molekulákkal reagálva a két enantiomer hasonló reakciót eredményez, ám a termék térszerkezetét csak a reakció alapos megismerésével lehet előre jelezni. (Ha a termék konfigurációja azonos a kiindulási anyagéval, retenció történik, ha ellentétes, akkor inverzióról beszélünk.)

Fontos hangsúlyozni, hogy a diasztereomer kifejezés nem csak a kiralitással áll összefüggésben:

például a cisz-transz izomerek is diasztereomerviszonyban vannak egymással, mivel nem azonosak és

nem is tükörképei egymásnak. (A diasztereomerek olyan sztereoizomerek, melyek nem tükörképei egymásnak.)

Racemát: a két enantiomer 1 : 1 arányú elegye vagy keveréke. A racém elegy optikailag inaktív, mert a két enantiomer forgatása kiegyenlíti egymást.

Reszolválás: a racém elegy szétválasztása. Ennek gyakori módja, hogy a két enantiomert királis molekulával reagáltatják, melynek során diasztereomerek keletkeznek, melyeknek már eltérőek a fizikai tulajdonságai. Például racém tejsavat (H3C−CH(OH)−COOH) királis bázis egyik tiszta enantiomerjével reagáltatva két só keletkezik, melyek már diasztereomer viszonyban állnak egymással, így például eltér az oldhatóságuk. Kedvező esetben frakcionált kristályosítással elválaszthatóak a diasztereomer sópárok, és ezekből kinyerhetők a tiszta enantiomerek. Napjainkban igen gyakori a királis vegyületek – gyakran biológiai úton történő – enantiomertiszta előállítása.

Mezo-vegyület: ha molekulának van belső tükörsíkja, akirális (optikailag inaktív) vegyületet kapunk. Például a mezo-borkősav.

Jól megfigyelhető, hogy a belső szimmetriasík csökkenti az izomerek számát, mivel a belső szimmetriasíkkal rendelkező molekula azonos a tükörképi párjával, így akirális.

Érdekességként megemlíthető, hogy az 1,2-dimetil-ciklopropán transz izomerje (a és b) is királis, míg a belső szimmetriasíkkal rendelkező cisz izomer (c) akirális:

H₃C H

H CH₃

CH₃ H H₃C

H CH₃ H H

H₃C

mezo c)

a) b)

Ezen vegyületek konstitúciós izomerjei például: metil-ciklobután (d), ciklopentán (e), pent-1-én (f), cisz- (g) és transz-pent-2-én (h), 2-metil-but-2-én (i).

CH₃

d) e)

C C C C

H₃C

CH₂ H₃C CH₂

H H

H H CH₃

CH₃ C C

H

CH₂ H

H

C C H₃C

CH₃ H₃C

H CH₂

CH₃

f) g) h) i)

Így az a) és c), b) és c), illetve g) és h) szerkezetek diasztereomer viszonyban állnak.

Mint korábban említettük, a kiralitásnak nem szükséges feltétele, hogy a molekula rendelkezzen királis szénatommal. (Az aszimmetriás szénatom következtében létrejött kiralitást szokás centrális kiralitásnak nevezni.) Az alábbiakban erre is szeretnénk bemutatni néhány példát az érdekesség kedvéért.

Axiális (tengelyes) kiralitás: például allénvegyületek (C=C=C egységet tartalmazó vegyületek) esetén lép fel, ha a szénatomokhoz különböző szubsztituensek kapcsolódnak.

C C C Cl

H Cl

H C C C

Cl

Cl H H

Atropizoméria: gátolt rotáció esetén jön létre. Az atropizoméria az axiális kiralitás egyik fajtája.

Például bifenilek esetén különböző és megfelelően nagy szubsztituenseket alkalmazva atropizomereket kapunk:

NO2

COOH O₂N HOOC

O2N

HOOC NO₂ COOH

Helikális kiralitás: spirálszerűen „tekeredő” molekulák esetén a jobbra és balra csavarodó spirál egymás tükörképe:

11.1.6. A szerves vegyületek csoportosítása

A szénváz alapján:

 alifás:

o nyílt láncú (aciklusos):

 el nem ágazó (normális),

 elágazó láncú, o gyűrűs (ciklusos, alicklusos),

 aromás.

Megjegyzés: az alifás kifejezés bizonyos irodalmakban nyílt láncú szénhidrogént jelent. Az IUPAC jelenlegi ajánlása alapján az alifás olyan szénhidrogént jelent, mely nem aromás.

Az alifás vegyületekben a szénatomok közötti kötés fajtája szerint tovább csoportosíthatunk:

 telített (csak szén-szén egyszeres kötést tartalmaz),

 telítetlen:

o szén-szén kettős kötést (kötéseket) tartalmazó, o szén-szén hármas kötést (kötéseket) tartalmazó,

o esetleg szén-szén kettős és hármas kötést is tartalmazó vegyületek.

A funkciós (jellemző) csoportok alapján:

A legfontosabb funkciós csoportok és vegyületcsoportok:

Funkciós csoport Vegyületcsoport Képlet Példa

Alkil Alkánok −(CH2)nCH3

bután

Alkenil Alkének

C C _{C C}^H

H H

H etén

Alkinil Alkinek C C HC CH

etin

Aril Aromás vegyületek aromás gyűrű,

például fenil: ^OH

fenil-metanol

Halogén Halogénszármazékok −X

fluoro: −F kloro: −Cl bromo: −Br jodo: −I

Cl

2-klór-propán

Hidroxi Alkoholok (nem

aromás csoporthoz kapcsolódik)

Fenolok (aromás csoporthoz

kapcsolódik)

O H OH

butanol (butil-alkohol) OH

fenol

Éter Éterek O O

dietil-éter

Aldehid Aldehidek

C O H

H₃C C O H acetaldehid Keton (karbonil) Ketonok

C O

H₃C C CH₃ O

aceton

Karboxil Karbonsavak

C O O H

HCOOH hnagyasav

Észter Észterek

C O O

H₃C C O O C₂H₅ etil-acetát

Amino Aminok primer:

N H H

NH₂ etil-amin szekunder:

N H

NH dipropil-amin tercier:

N H₃C N

CH₃ CH₃ trimetil-amin kvaterner:

N⁺

CH₃ N⁺ H₃C CHCH_{3 3}

tetrametil-ammónium ion

Amid Amidok

C O N

H₃C C O NH₂ acetamid

Nitro Nitrovegyületek

N O O

NO₂

nitro-benzol

Szulfhidril Tiolok ^S

H SH

etántiol

Szulfid Szulfidok (tiéterek) S

H₃C S CH₃ dimetil-szulfid A szerves vegyületek elemi összetétele alapján:

– Szénhidrogének: csak szénből és hidrogénből épülnek fel.

 Alifás szénhidrogének:

o Telített szénhidrogének:

 Alkánok: nyílt láncú szénhidrogének, melyekben csak egyszeres (ζ) kötés van a szénatomok között.

 Cikloalkánok: gyűrűs telített szénhidrogének, csak ζ-kötés van a szénatomok között.

o Telítetlen szénhidrogének:

 Alkének: legalább egy szénatompár között kettős kötés (C=C) található a szénhidrogén-molekulában.

 Alkinek: legalább egy szénatompár közt hármas kötés (C≡C) található a szénhidrogénben.

 Aromás vegyületek: aromás delokalizációval rendelkező gyűrűs vegyületek.

– Heteroatomot tartalmazó szerves vegyületek:

A szén- és hidrogénatomokon kívül a molekula tartalmaz heteroatomot, azaz halogén-, oxigén-, nitrogén-, kén- stb. atomot.

A teljesség igénye nélkül lehetnek például:

– Halogéntartalmú vegyületek

Halogénatomot (fluort, klórt, brómot, jódot) tartalmaznak.

– Oxigénatomot tartalmazó vegyületek

 Alkoholok, fenolok, enolok: −OH, hidroxilcsoportot tartalmaznak.

 Éterek: R−O−R’, étercsoport van bennük.

 Oxovegyületek: =O, oxocsoportot tartalmaznak.

o Aldehidek: −CHO, aldehidcsoportot tartalmaznak.

o Ketonok: C=O, karbonilcsoportot tartalmaznak, helyhez egy-egy szénatom kapcsolódik.

o Karbonsavak: −COOH, karboxilcsoportot tartalmaznak.

o Észterek: −COO− észtercsoport található bennük.

o Amidok: −CO−NH−, amidcsoportot tartalmaznak.

 Egyéb vegyületek.

– Nitrogénatomot tartalmazó vegyületek

 Aminok: −NH2 aminocsoportot tartalmaznak.

 Amidok: −CO−NH− amidcsoport található bennük.

 Nitrovegyületek: −NO2, nitrocsoport van bennük.

 Nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületek.

– Kénatomot tartalmazó vegyületek:

 Tiolok: −SH, tiolcsoportot (szulfhidrilcsoportot) tartalmaznak.

 Tioéterek (szulfidok): −S−, szulfidcsoport található bennük.

 Diszulfidok: −S−S−, diszulfidcsoportot tartalmaznak.

 Szulfonsavak: −SO3H, szulfonsavcsoport található bennük.

11.1.7. A homológ sor fogalma:

A különböző szerves vegyületek olyan sora, ahol az egymást követő tagok egy metiléncsoportban (CH2) különböznek.

Például: alkánok homológ sora, karbonsavak homológ sora, alkoholok homológ sora.

11.1.8. A szerves kémiai reakciók alapvető fajtái:

Szubsztitúció (kicserélődés): egy molekula atomja vagy atomcsoportja másik atomra vagy atomcsoportra cserélődik ki, melléktermék keletkezése mellett.

Jele: S

H₃C CH₂

CH₂ OH H₃C

CH₂ CH₂

Cl + NaOH + NaCl

Addíció (egyesülés): két vagy több molekulából egy molekula keletkezik melléktermék keletkezése nélkül.

Jele: A

H₂C CH₂ C

H₂ H₂ C Br Br Br₂

+

Elimináció: egy molekulából kettő vagy több molekula keletkezik. Gyakran egy kis molekula (például hidrogén-halogenid, víz stb.) szakad ki a nagyobb molekulából.

Jele: E

H₂C CH₂ + HOH H C C OH

H H

H H

Izomerizáció: egy molekulából annak izomerje keletkezik, így tulajdonképpen egy átrendeződés.

H₂C CH OH H₃C C O H

Kondenzáció: két vagy több molekulából egy molekula képződik kis molekulájú melléktermék keletkezése közben.

R' CH₂

OH ₊ H₂O

R C

OH O

+

R C

O O

CH₂ R'

Polimerizáció: kis molekulák (monomerek) óriásmolekulává alakulnak, melléktermék keletkezése nélkül.

Jele: P

CH₂CH₂ CH₂

H₂C n

n

Polikondenzáció: kis molekulájú monomerekből óriásmolekula képződik kis molekulájú melléktermék (például víz, ammónia, hidrogén-halogenid stb.) keletkezése közben.

n + n H₂O

N (CH₂)₆ H

H

+ n N

H

H

C (CH₂)₄ HO

O

C O

OH

N (CH₂)₆ H

N H

C O

(CH₂)₄ C O n

Oxidáció és redukció

Oxidáció: a hidrogénatomok száma csökken vagy az oxigénatomok száma nő a molekulában. (A szénatom oxidációfoka nő.)

: a hidrogénatomok száma nő vagy az oxigénatomok száma csökken a molekulában. (A szénatom oxidációfoka csökken.)

11.1.9. A nevezéktan szabályai

A szerves vegyületek elnevezése szempontjából meg kell különböztetnünk a szénláncot és a funkciós csoportot. Először a funkciós csoportot nem tartalmazó telített szénhidrogének elnevezésével foglalkozunk.

Telített szénhidrogének elnevezése

1. Megkeressük a leghosszabb szénláncot (alaplánc).

2. Amennyiben több azonos hosszúságú is van, akkor azt választjuk, amelyiknél több az elágazás.

3. Elnevezzük az alapláncot a szénatomszámnak megfelelően:

1 metán 6 hexán

2 etán 7 heptán

3 propán 8 oktán

4 bután 9 nonán

5 propán 10 dekán

4. Attól a láncvégről kezdjük számozni a szénatomokat, amelyhez legközelebb esik az elágazás.

Ha a láncvégtől két elágazás azonos helyzetben van, akkor az ábécérendben előbb álló kapja a kisebb számot.

5. A helyettesítőket, oldalláncokat az alaplánc neve előtt, ábécérendben felsoroljuk a helyzetüket megadó számmal együtt.

6. Ha az azonos csoport többször szerepel di-, tri-, tetra- stb. szócskával jelezzük. Ezek a sokszorozótagok nem számítanak az 5. pont szerinti ábécérendbe.

1 mono- 6 hexa-

2 di- 7 hepta-

3 tri- 8 okta-

4 tetra- 9 nona-

5 penta- 10 deka-

Az alábbi ábrákon az alapláncot zölddel jelöljük.

2-metil-bután 2,3-dimetil-bután 3,4-dimetil-hexán 2,2,4-trimetil- pentán

3,3-dimetil-hexán 2,4,4-trimetil-hexán 3-etil-5-metil-heptán 5-etil-3,3-dimetil- heptán

Telítetlen szénhidrogének elnevezése

1. Megkeressük azt a szénláncot, amely a legtöbb telítetlenséget tartalmazza. Ha több ilyen is van, akkor a több szénatomot tartalmazót válasszuk! Amennyiben ebből is több van, azt választjuk, melyben több a kettős kötés.

2. Úgy számozzuk a láncot, hogy minél kisebb számot kapjanak a kettős és hármas kötések. Ha több ilyen is van, akkor a kettős kötések száma legyen a legkisebb.

3. A helyettesítőket, oldalláncokat az alaplánc neve előtt, ábécérendben felsoroljuk a helyzetüket megadó számmal együtt.

4. Ha az azonos csoport többször szerepel, di-, tri-, tetra- stb. szócskával jelezzük.

5. Az alapláncot elnevezzük a szénatomszám alapján: a megfelelő alkán nevéből eltávolítjuk az -án végződést, mely helyett kettős kötések esetén -én, hármas kötések esetén -in végződést alkalmazunk. A végződés előtt jelöljük a telítetlenségek helyét (a kisebbik számú szénatomot).

A kettős kötés végződése megelőzi a hármas kötését.

hex-2-in 3-metil-

but-1-én buta-1,3-dién 3,3-dimetil-hex-1-in

but-1-én-3-in 3-pentil-penta-1,4-diin 2-etil-3-metil- pent-1-én

4,4-dimetil- hex-1-én-5-in

Funkciós csoportot tartalmazó vegyületek elnevezése

1. Megkeressük azt a szénláncot, mely a legtöbb utótagként megnevezhető funkciós csoportot tartalmazza. (Például a halogén- és nitrocsoport csak előtagként nevezhető meg.) Ha több ilyen is van, akkor a legtöbb többszörös kötést tartalmazót válasszuk! Amennyiben ebből is több van, azt választjuk, melyben a több szénatomot (illetve ezután a legtöbb a kettős kötést) tartalmazza.

2. Megállapítjuk a fő funkciós csoportot (amennyiben több is van). Ezt az alábbi prioritási sorrend alapján határozzuk meg (a legalacsonyabb prioritású csoport a fő funkciós csoport).

Prioritás Név Csoport Előtag Utótag

1 karbonsav −COOH karboxi- -karbonsav

2 észter −COOR R-oxikarbonil- -oát

3 amid −CONH2 karbamoil- -amid

4 aldehid −CHO formil- -al

5 keton −CO− oxo- -on

6 alkohol −OH hidroxi- -ol

7 fenol −OH hidroxi- -ol

8 amin −NH2 amino- -amin

9 éter −O− alkoxi-

10 halogén −X halogén-

3. Az alapláncot elnevezzük a fő funkciós csoport alapján: a megfelelő alkán, alkén stb. nevéhez a fenti utótagot illesztjük.

4. Úgy számozzuk a láncot, hogy minél kisebb számot kapjanak a funkciós csoportok. Ha több ilyen is van, akkor a többszörös kötések száma legyen a legkisebb.

5. A helyettesítőket, oldalláncokat az alaplánc neve előtt, ábécérendben felsoroljuk a helyzetüket megadó számmal együtt.

6. Ha az azonos csoport többször szerepel di-, tri-, tetra- stb. szócskával jelezzük.

OH O

O O

NH₂ O

H O

hexánkarbonsav etil-hexanoát hexánamid hexanal

O OH NH₂ Cl

hexan-3-on hexan-3-ol hexán-3-amin 3-klór-hexán

O OH

O

O O

OH

O OH

OH

4-oxo-hexánkarbonsav 4-oxo-hexanal 6-hidroxi-hexan-3-on hexán-1,4-diol

O O OH

O OH O

HO

H O

1-etoxi-propán 3-etoxi-propan-1-ol but-2-indikarbonsav hex-4-énal Egyszerűbb gyűrűs vegyületek elnevezése

A gyűrű számozásánál a legkisebb számot a legalacsonyabb prioritású helyettesítő kapja.

OH

OH

COOH OH

CH₃

CH₃

NH₂

COOH OH

ciklohexán-1,3-diol 2-hidroxi-benzoesav 1,2-dimetil-ciklobután 5-amino-2-hidroxi- benzoesav NH₂

OH

CHO

O

Cl Cl

4-amino-fenol ciklopent-2-

énkarbaldehid ciklohex-2-énon 1,2-diklór- cikloprop-1-én

11.2. Alkánok

11.2.1. Alkánok: telített, nyílt láncú szénhidrogének (így maximális a hidrogéntartalmuk a többi szénhidrogénnel összehasonlítva).

Az alkánok nevei -án végződésűek.

Az alkánok régies elnevezése: paraffinok.

11.2.2. Homológ sor, egyszerűbb képviselők és elnevezésük Az alkánok általános összegképlete: CnH2n+2

CH4 metán

C2H6 etán H3C−CH3

C3H8 propán H3C−CH2−CH3

C4H10 bután két konstitúciós (szerkezeti) izomerje van:

H₃C CH₂

CH₂ CH₃

CH₃ H₃C CH

CH₃

H3C−CH2−CH3 HC(CH3)3

normál bután (n-bután)

izobután (i-bután) Alkilcsoport: az alkánból egy hidrogénatom eltávolításával keletkező csoport.

Az alkilcsoportok nevei -il végződésűek.

Jele: R.

H3C− metilcsoport

H3C−CH2− etilcsoport

H3C−CH2−CH2− propilcsoport (egyenes) (H3C)2CH− izopropilcsoport (elágazó) H3C−CH2−CH2−CH2− butilcsoport (egyenes) (H3C)2CH−CH2−CH2− izobutilcsoport (elágazó)

H3C−CH2−CH(CH3)− szek-butilcsoport (elágazó, szekunder szénatommal kapcsolódik)

(H3C)3C− terc-butilcsoport (elágazó, tercier szénatommal kapcsolódik) 11.2.3. Előállítás

A földgáz főleg metánt és C2–C4-es gáz-halmazállapotú alkánokat tartalmaz.

A kőolaj folyékony szénhidrogének elegye, amely oldva tartalmaz gáz- és szilárd halmazállapotú alkánokat is.

a) Desztillációs elválasztás

A kőolaj frakcionált desztillációjával különböző szénatomszámú szénhidrogének elegyét lehet előállítani (a desztilláció párlatait nyers párlatoknak nevezik).

– Nyersbenzin: forráspontja 50–150 °C (C5–C10 szénatomszámú frakció),

– Petróleum vagy petrolátum: a kerozin alapanyaga, forráspontja 150–250 °C (C11–C12), – Nyersgázolaj: a dízelolaj alapanyaga, forráspont 250–350 ^oC (C13-C15),

– Pakura, fenéktermék: a forráspontja 350 °C feletti, fűtőanyagként használják, vagy további vákuumdesztillációnak vetik alá.

A pakura vákuumdesztillációjával: finom-, közép- és nehézkenőolaj-párlatokat, illetve gudront, a bitumen-, illetve aszfaltgyártás alapanyagát állítják elő.

b) Kémiai előállítás

– a kőolajlepárlás nyerspárlataiból krakkolással (lásd később), majd a telítetlen komponensek hidrogénezésével.

– szén-monoxid és hidrogéngáz reakciójával, melyet átmenetifém (Fe, Co, Ni, Ru) katalizátorral végeznek (Fischer–Tropsch-eljárás).

11.2.4. Szerkezet – Metán, CH4.

Szabályos tetraéder alakú molekula, a H−C−H kötésszög 109,5 ^o. H

C H HH – Etán, H3C−CH3.

A C−C kötéstengely elfordulásával létrejövő két szélső konformációs állás a nyitott állás és a fedő állás. Ennek oka, hogy a C−C kötés tengelye körül a két metilcsoport elfordulhat (szabad rotáció). A nyitott állás energetikailag kedvezőbb.

H

H H

H

H H H

H H H

H H

fedő állás nyitott állás

11.2.4.1. animáció: Az etán térszerkezete Nagyobb szénatom számú alkánok szerkezete

A szén körüli elrendeződés továbbra is tetraéderes, bár a kötésszögek az eltérő térkitöltésű csoportok miatt már nem azonos a metánban találhatóval. A nem elágazó szénláncú alkánok lánca cikkcakkos, és energetikailag kedvezőbb a nyitott állású. Megjegyzendő, hogy a hosszabb szénláncú szénhidrogének egy adott izomerjének számos konformációja lehetséges, melyek között rendszerint igen csekély az energiakülönbség. A normál hexán cikkcakkos láncelrendeződése:

Izomerek: a butánnak már van két konstitúciós izomerje, majd a szénatomszám növekedésével az izomerek száma egyre nő (például a nonánnak 35, míg a dekánnak 75 konstitúciós izomerje van). A heptántól kezdve a konstitúciós izomerek mellett már optikai izomerek is lehetségesek.

Képlet Név Konstitúciós izomer Összes izomer

C4H10 bután 2 2

C5H12 pentán 3 3

C6H14 hexán 5 5

C7H16 heptán 9 11

C8H18 oktán 18 24

11.2.5. Fizikai tulajdonságok

– Mint minden szénhidrogén, az alkánok is apolárisak. Az apoláris molekulák között csak a leggyengébb másodrendű kötés, a diszperziós kötés hat.

– Olvadás- és forráspontjuk, továbbá a sűrűségük is a moláris tömeggel nő. Az egyes izomerek eltérő tulajdonsággal rendelkeznek. Azonos moláris tömegnél többnyire az elágazó izomerek olvadáspontja nagyobb, a normális (el nem ágazó) láncúnak a forráspontja a magasabb.

– A C1–C4 szénatomszámúak gáz-halmazállapotúak, az el nem ágazó láncú C5–C16

szénatomszámúak folyadékok, C17-től pedig szilárdak 25 C hőmérsékleten és normál légköri nyomáson.

– Mivel apolárisak, vízben rosszul oldódnak.

– A sűrűségük kisebb a víz sűrűségénél, ezért a víz felszínén helyezkednek el. (Megjegyzés:

vízzel nem lehet oltani a benzint, mely bizonyos alkánok elegye!) 11.2.6. Kémiai tulajdonságok és reaktivitás

A paraffin elnevezés kicsi reakciókészséget jelent [parum (= kevéssé) + affinis (= képesség) latin szavak összetételéből származik].

A kis reakciókészség oka a molekulában lévő kötések nagy kötési energiája. (A C−C egyszeres kötés kötésfelszakítási energiája 344 kJ/mol, a C−H kötésé pedig 315 kJ/mol).

Szobahőmérsékleten gyakorlatilag nem vihetők spontán reakcióba. Melegítve vagy ultraibolya fénnyel (UV-fénnyel) megvilágítva reakcióba vihetők, és ilyenkor a jellemző reakciótípusúk a szubsztitúció.

a) Halogénezés

Halogénezés: olyan kémiai folyamat, amikor a szerves vegyületbe halogénatomot (F, Cl, Br, I) viszünk be.

Kis reakciókészségük miatt az alkánok csak erélyes körülmények között halogénezhetőek (ezért a brómos vizet közönséges körülmények közt nem színtelenítik el).

Például a metán klórozása magas hőmérsékleten vagy UV-fény hatására:

CH₄ + Cl₂ H₃C Cl + HCl

A termék szabályos neve: klórmetán (köznapi vagy triviális név: metil-klorid).

A reakció a szubsztitúciós reakciók csoportjába tartozik: egy hidrogénatomot „cserélünk ki”

klóratomra.

Ez más részről egy láncreakció, melyben a láncvivő részecskék a gyökök. (A gyök párosítatlan elektronnal rendelkező, nagy reakcióképességű részecske.)

A láncreakció első lépése (láncindítás) a gyökök keletkezése:

Cl₂ 2 Cl

(A kötés felszakításához szükséges a hő vagy a nagy energiájú fény.)

A klórgyök egy metánmolekuláról leszakít egy hidrogénatomot, így egy metilgyök keletkezik:

Cl CH₃

CH₄ + + HCl

A metilgyök egy klórmolekulával ütközve – a klór-metán keletkezése mellett – klórgyököt generál:

Cl₂

+ H₃C Cl + Cl CH₃

A klórgyök és a metilgyök láncvivő szerepet tölt be.

A lánczáró lépések a gyökök összekapcsolódása:

CH₃ + Cl H₃C Cl Cl₂ 2 Cl

A reakcióban többféle termék is keletkezhet: a klór-metán tovább reagálhat a klórral, és így diklór-metán, triklór-metán (kloroform) és tetraklór-metán (szén-tetraklorid) keletkezhet. Ezen vegyületek keletkezésének reakcióegyenletei:

CH₄ + 2 Cl₂ CH₂Cl₂ + HCl CH₄ + 3 Cl₂ CHCl₃ + HCl CH₄ + 4 Cl₂ CCl₄ + HCl

2 3 4

Megjegyzés: a klórozás és brómozás jól irányítható, ám a fluorozás igen heves reakció. A paraffinok elemi jóddal nem reagálnak.

b) Hőbontás (levegőtől elzárt térben hevítés)

– 650 °C-ig a hőbontás primer folyamata a krakkolás, azaz C−C kötés felbontása (láncszakadás), amelynek során a kiindulási alkánnál rövidebb szénláncú alkánok és alkének keletkeznek.

H₃C CH₂

H₂

C CH₃ H₃C CH₃ + H₂C CH₂

– 650 °C felett pirolízisről beszélünk, mert a C−C kötés felbomlásával párhuzamosan a C−H kötések felbontása is lejátszódik (dehidrogénezés) és a telített és telítetlen szénhidrogének mellett hidrogéngáz és korom is keletkezik.

H₃C CH₂

H₂ C C

H₂ H₂ C C

H₂ H₂

C CH₃ 4 H₂C CH₂ + H₂

c) Égés

Az égés tulajdonképpen az alkánok oxidációja, melynek során rendszerint igen jelentős energia szabadul fel.

Tökéletes égés esetén szén-dioxid és víz keletkezik:

CH_{4 +} 4 O₂ CO_{2 +} 2 H₂O

Egy CnH2n+2 általános összegképlettel leírható alkán tökéletes égése:

A részleges (parciális) oxidáció úgynevezett szintézis gázelegyet eredményez:

CH₄ + 0,5 O₂ CO + 2 H₂

Egy alkán tökéletes égésének általános reakcióegyenlete:

C_nH_2n+2 + 3n+1 O₂ n CO₂ + (n+1) H₂O 2

11.2.7. Felhasználás

a) Energiahordozók (tüzelőanyagok és üzemanyagok)

Oktánszám (a benzin kompressziótűrésének mértéke): megmutatja, hogy a benzin kompressziótűrése hány %-os izooktántartalmú izooktán–heptán modellelegy kompressziótűrésével egyezik meg.

Az izooktán (2,2,4-trimetil-pentán) kompressziótűrése igen jó (oktánszáma 100), a heptáné rossz (oktánszáma 0).

Az oktánszám nem csak 0 és 100 közötti értéket vehet fel (például a benzol oktánszáma 137).

Cetánszám (a gázolaj vagy dízelolaj öngyulladási tulajdonságait méri): megmutatja, hogy a gázolaj öngyulladási tulajdonsága hány %-os cetántartalmú cetán–1-metil-naftalin modellelegy tulajdonságaival egyezik meg.

A cetán (egyenes láncú hexadekán: C16H34) öngyulladóképessége kiváló, míg az 1-metil-naftaliné igen csekély.

b) Ipari méretű szintézisek segítségével különféle alapanyagokat lehet előállítani, amellyel a petrolkémia foglalkozik.

Például a szintézisgázból metil-alkoholt lehet előállítani katalitikus úton:

CO + 2 H₂ H₃C OH

11.2.8. Legfontosabb képviselők Metán (CH4):

– színtelen, szagtalan, normál légköri nyomáson −182 °C olvadáspontú és −161 °C forráspontú, a levegőnél kisebb sűrűségű gáz 25 C hőmérsékleten és normál légköri nyomáson,

– éghető, a levegővel robbanóelegyet képez (a bányákban a sújtólégrobbanás okozója), – apoláris, vízben rosszul oldódik, de apoláris oldószerben, például benzinben jól oldódik, – tüzelőanyag,

– szintézisgáz, etilén, acetilén, kloroform stb. előállítására használják.

11.3. Cikloalkánok

11.3.1. Cikloalkánok: telített, gyűrűs szénhidrogének.

A cikloalkánok nevei a ciklo- előtaggal kezdődnek és -án utótagra végződnek.

Általános összegképlet: CnH2n

11.3.2. Homológ sor, egyszerűbb képviselők és elnevezésük

Név Összegképlet Szerkezeti képlet

Ciklopropán C3H6

Ciklobután C4H8

Ciklopentán C5H10

Ciklohexán C6H12

Cikloheptán C7H14

11.3.3. Szerkezet

Legstabilabb az öt-, a hat- és héttagú gyűrű. A ciklopropán kivételével a cikloalkánok gyűrűje nem planáris szerkezetű. Itt részletesen csak a ciklohexán szerkezetével foglalkozunk.

A ciklohexán két szélső konformációja: a szék és a kád, ám emellett más – kevésbé fontos – konformációk is lehetségesek. A Fischer-projekción jól megfigyelhető, hogy a székkonformáció esetén a csoportok nyitott állásban vannak, míg a kádkonformáció esetén fedő állás jön létre, mely energetikailag kedvezőtlenebb. Ezért a székkonformáció a stabilabb. A két konformáció között egyensúly áll fenn, a konformációk könnyen egymásba tudnak alakulni.

szék kád

A molekulában kétféle helyzetű hidrogénatom van, az egyik helyzete: a székkonformáció közepén áthaladó képzeletbeli tengellyel párhuzamos (lefelé-, felfelé mutató) axiális (a) helyzet, a másik, a kifelé mutató ekvatoriális (e) helyzetű.

a e

a

e a

a a e e

e a

e

11.4. Alkének

11.4.1. Alkének: szén-szén kettős kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének.

Az alkének nevei -én végződésűek.

Az alkének régies elnevezése: olefinek.

Az alkének csoportosítása – A szénlánc jellege szerint:

– nyílt láncú, – gyűrűs.

– A kettős kötés száma alapján:

– monoolefinek: alkének, egy kettős kötés, – diolefin: alkadién, két kettős kötés, – poliolefin: alkapolién, sok kettős kötés.

– A kettős kötés helyzete alapján:

−C=C=C− kumulált,

−C=C−C=C− konjugált (legstabilabb), ha sok ilyen van színes a vegyület, −C=C−C−C=C− izolált.

11.4.2. Homológ sor, egyszerűbb képviselők és elnevezésük Általános összegképlet: CnH2n

Képlet Név Triviális név

H2C=CH2 etén etilén

H2C=CH−CH3 propén propilén

Alkenilcsoport: egy alkénből egy hidrogén eltávolításával keletkező csoport.

Képlet Név Triviális név

H2C=CH− etenil vinil

H3C−CH=CH− 1-propenil

H2C=CH−CH2− 2-propenil allil

H2C=C(CH3)− 1-metil-etenil izopropenil

A konstitúciós izomerek száma nagyobb az alkánokénál, mert a kettős kötés helye szerint is különbözhetnek a molekulák.

Például a buténnek (C4H8) a kettős kötés helyzete alapján két (helyzeti) konstitúciós izomerje van:

H2C=CH−CH2−CH3 H3C−CH=CH−CH3

but-1-én but-2-én

A but-2-énnél és minden olyan alkén esetében, ahol a kettős kötés mindkét szénatomjához különböző atomok, atomcsoportok kapcsolódnak, fellép a geometriai izoméria is.

C C C C

H₃C

CH₃

H₃C CH₃ H

H

H H

transz-but-2-én cisz-but-2-én

(Ne feledjük, az izoméria oka ebben az esetben a szén-szén kettős kötés gátolt rotációja! A π- kötés a molekula síkja alatt és felett helyezkedik el, ezért a két sztereoizomer nem tud átalakulni egymásba.)

A cisz-transz izomerek fizikai és kémiai tulajdonságai eltérnek: például a cisz-but-2-én forráspontja normál légköri nyomáson 4 °C, míg a transz-but-2-éné 1 °C.

11.4.3. Előállítás

a) Alkánok dehidrogénezésével

A dehidrogénezés olyan szerves kémiai folyamat, ahol hidrogén eltávolítása valósul meg.

Alkánok levegőtől elzárt hevítésével alkének állíthatóak elő. Az alábbi reakció egy dehidrogénezésnek tekinthető:

R CH₂ CH₂ R

R CH CH

R + 2 H₂

Például etán 700–900 °C hőmérsékleten etánból etilént lehet előállítani.

b) Kőolajpárlatok hőbontásával

Krakkolás során alkánok és alkének keletkeznek. Magas hőmérsékleten dehidrogéneződés is végbemegy, ilyenkor alkinek is keletkezhetnek. Az egyes szénhidrogéneket desztillációval lehet szétválasztani.

C₈H₁₈ 3 H₂C CH₂ + HC CH + 2 H₂ c) Eliminációval

– Halogénszármazékból eliminációval

Például klór-etánból tömény nátrium-hidroxid-oldat hatására etiléngáz képződik:

H₂C CH₂ + HCl H C C Cl

H H

H H

A reakcióban természetesen nem hidrogén-klorid keletkezik, hanem a lúgos közeg (NaOH) következtében nátrium-klorid és víz. A fenti formában felírva az egyenletet azonban az elimináció ténye sokkal szemléletesebben bemutatható.

Hidrogén-halogenid eliminációjakor a Zajcev-szabály érvényesül: a proton mindig a magasabb rendű szénatomtól lép ki. (Azaz a proton mindig onnan lép ki, ahol eleve kevesebb van.)

Így a 2-klór-butánból elsősorban but-2-én keletkezik (but-1-én sokkal kisebb mennyiségben keletkezik):

H₃C CH

HC CH₃ H₃C

C C

CH₃ + HCl

H H H Cl

– Alkoholokból vízeliminációval

Például etil-alkoholból vízelvonó szer (például tömény kénsav) hatására magas (160 °C fölött) etilén keletkezik:

H₂C CH₂ + HOH H C C OH

H H

H H 11.4.4. Szerkezet

Az etén szerkezete:

A molekulában mind a hat atom egy síkban van. A H−C−H kötésszög kisebb, mint 120 ^o, ennek oka a π-kötés nagyobb térigénye.

C C H H H

H

A szén-szén kettős kötés „erősebb” kötés, mint a szén-szén egyszeres kötés, ez megmutatkozik a kötéshosszakban is (erősebb kötés esetén a kötéshossz kisebb).

Kötés C−C CC

Kötéshossz (pm) 154 133

Kötési energia (kJ/mol) 344 615

A kettős kötésnek nem kétszer akkora a kötési energiája, mint egy egyes kötésnek: a „második”

azaz a π-kötés kötési energiája: 615 kJ/ mol − 344 kJ/mol = 271 kJ/mol.

Ennek következménye, hogy a kettős kötésű vegyületek reakcióképesebbek, mint az alkánok, ugyanis a π-kötés energiája kisebb, mint a ζ-kötésé, ezért könnyebben felszakad.

A buta-1,3-dién szerkezete:

C C

H H C

C H

H H

H

C C

H H C

C H

H H

H

A molekulában a két π-kötés delokalizálódik a teljes szénláncra, és a kötések hossza közel azonos lesz (137 pm, illetve 147 pm). Mint korábban láttuk, a szén-szén egyszeres kötés körül a rotáció (forgás) könnyen végbemehet, ám a buta-1,3-dién esetén a delokalizáció következtében a két

−CH=CH2 csoport viszonylag nagy aktiválási gáton keresztül tud csak elfordulni. A molekula a delokalizáció következtében sík szerkezetű.

11.4.5. Fizikai tulajdonságok

– Hasonlóan az alkánokhoz, mint minden szénhidrogén, az alkének is apolárisak. Az apoláris molekulák között csak a leggyengébb másodrendű kötés, a diszperziós kötés hat.

– Az olvadáspont, forráspont, és a sűrűség a molekula „méretével”, a moláris tömeggel nő (C2–C4

gáz, C5-től folyadék, C17-től szilárdak 25 C hőmérsékleten és normál légköri nyomáson).

– Mivel apolárisak, vízben rosszul oldódnak.

11.4.6. Kémiai tulajdonságok és reaktivitás

Az alkánokhoz képest jelentősen nagyobb a reakciókészségük, bizonyos reagensekkel már szobahőmérsékleten reakcióba lépnek (a szén-szén π-kötés könnyebben felbontható, mint a szén-szén ζ-kötés).

Jellemző reakciótípusok:

– addíció, – polimerizáció, – égés.

a) Hidrogénaddíció

Az alkének katalizátor (például platina, palládium vagy finom eloszlású nikkel) jelenlétében hidrogénezhetők, melynek során alkánok keletkeznek:

H₂C CH₂ + H₂ katalizátor H₃C CH₃

Azért szükséges katalizátor a hidrogénezéshez, mivel a hidrogén-hidrogén kötés igen erős (igen jelentős a disszociációs energiája). A katalizátor felületén megkötődik az alkén és a hidrogén is, majd részben vagy teljesen felbomlik a H−H kötés. Így a katalizátor felületén jóval kisebb aktiválási energiával megy végbe a hidrogénaddíció. Az alkének hidrogénezése egyébként energetikailag igen kedvező folyamat (exoterm). Ennek oka, hogy a keletkező két erős C−H kötés energetikailag kedvezőbb, mint az erős H−H és a gyengébb szén-szén π-kötés. Tulajdonképpen ez az alapja általánosságban az addíciós reakcióknak.

b) Halogénaddíció

Az alkének szobahőmérsékleten reagálnak az elemi halogénekkel (a telítetlenségek kimutathatóak brómos vízzel: a brómos víz elszíntelenedik).

H₂C CH₂ C

H₂ H₂ C Br Br Br₂

+

A bróm-bróm kötés disszociációs energiája kisebb a hidrogén-hidrogén kötésénél, ezért a brómaddíció esetén nincs szükség katalizátorra.

A buta-1,3-dién brómaddíciójánál mintegy 80%-ban 1-4 addíció történik és csak 20%-ban van 1-2 addíció:

H₂ C C

H HC

CH₂

Br Br

H₂ CCH

HC CH₂ Br Br₂

+

Br H₂C

CH HC

CH₂

80%

20%

Ez a delokalizált π-kötésekkel van összefüggésben, mivel lokalizált kettős kötések esetén elsősorban 1-2 addíció történne.

c) Hidrogén-halogenidek addíciója

Az alkének hidrogén-halogenideket is addícionálnak:

H₂C CH₂ + HCl H C C Cl H H

H H

A hidrogén-halogenidek addíciója a Markovnyikov-szabály szerint megy végbe: ha a π-kötéssel kapcsolt szénatomok rendűsége eltérő, akkor az alacsonyabb rendű szénatomhoz kapcsolódik a proton.

(A hidrogén mindig odamegy, ahol eleve több van.)

Így a propén HCl-addíciójával 2-klór-propán keletkezik:

CH₂ HC

H₃C CHCH₂

H₃C Cl HCl

+

H

CH₃ H₃C CH

Cl

=

d) Vízaddíció

Kénsav (H2SO4) katalizátor jelenlétében vízaddíció történik:

H₃C CH₂ OH H₂C CH₂ + H₂O

H₂SO₄ Hasonló módon előállítható propénből propan-2-ol is.

e) Polimerizáció

Az etilén katalitikus polimerizációjával hőre lágyuló (termoplasztikus) polietilén (PE), propilén polimerizációjával hőre lágyuló polipropilén (PP) keletkezik. (Ezen egyedi rövidítések [például PE, PP] segítik a szelektív hulladékgyűjtést is.)

A polietilén képződése:

CH₂CH₂ CH₂

H₂C n

n

A polipropilén képződése:

CH₂ CH CH₃ CH₃

CH H₂C n

n

A polimerizációs reakciókban mutatott nagy reaktivitás oka, hogy ilyenkor a „gyengébb” π-kötés helyett két „erősebb” ζ-kötés keletkezik. A katalizátornak (általában átmenetifém-vegyületek, például titánsók) a szerepe, hogy a π-kötést „felszakítsa”, illetve bizonyos esetekben a katalizátor befolyásolja a termék térszerkezetét. Például polipropilén esetén a hidrogénatomok és a metilcsoportok a láncon belül kétféleképpen is állhatnak, és ezek sorozatos elrendeződése hatással van a keletkező polimer mechanikai stabilitására. Például az alábbi szerkezetű polimereknek eltérőek a mechanikai tulajdonságai és megmunkálhatóságuk (a vonalképletben nem jelöltük a hidrogénatomokat, csak a metilcsoportok irányultságát):

izotaktikus polimer szindiotaktikus polimer ataktikus polimer A gumigyártás

Izoprén (2-metil-buta-1,3-dién) polimerizációjával poliizoprén keletkezik, mely tulajdonképpen a természetes kaucsukkal azonos szerkezetű:

H₂C C CH

CH₂ CH₃

CH₂ C C

H H₂ C CH₃ n

n

Vulkanizálás: a nem túl jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező poliizoprénből (nyersgumiból) keményebb, ellenállóbb gumi előállításához a poliizoprént kénnel főzik, így a polimerláncok között szulfid- (−S−) és diszulfid- (−S−S−) hidak alakulnak ki. Így a szerkezet térhálóssá válik (hőre keményedő polimer), mely jelentős hatással van a gumi mechanikai tulajdonságaira. (Megjegyzés: a vulkanizált gumi például a gumiabroncs alapanyaga.)

CH₂ C CH

H₂ C CH₃ S

S n

CH₂ C C

H H₂ C CH₃

n

S

Ebonit vagy keménygumi: legalább 30%-os kéntartalom (szigetelőanyagnak használják).

A műgumi gyártása hasonló a természetes gumi gyártásához, csak itt buta-1,3-diénből indulnak ki izoprén helyett.

CH₂

CH CHCH₂ S

S

n

S H₂C

HC CH

CH₂

CH₂ HC

CH H₂ n C

n

f) Égés

Egy alkén tökéletes égésének általános reakcióegyenlete:

C_nH_2n + 3n O₂ n CO₂ + n H₂O 2

11.4.7. Felhasználás

Szerves vegyipari alapanyagok előállítása:

– polimerek gyártása, – alkoholok előállítása,

– halogéntartalmú vegyületek előállítása.

11.4.8. Legfontosabb képviselők Etén:

– színtelen, édeskés szagú gáz,

– olvadáspontja és forráspontja igen alacsony,

– éghető; meggyújtva enyhén kormozó lánggal ég, mert magasabb a széntartalma, mint az etáné, – a levegővel robbanóelegyet képez,

– apoláris, vízben rosszul, de apoláris oldószerben jól oldódik.

Előállítása a laborban etil-alkohol dehidratálásával (160 °C fölött tömény kénsav jelenlétében):

H₃C CH₂ OH H₂C CH₂ + H₂O Előállítás az iparban: benzin pirolízisével.

Felhasználása: polietilén, PVC, glikol (HO−CH2−CH2−OH) előállítása.

Propén:

Előállítása iparban: kőolajpárlatok hőbontásával.

Felhasználása: polipropilén, aceton (H3C−CO−CH3) előállítása.

Buta-1,3-dién:

Előállítása butánból dehidrogénezéssel:

H₂C CH

HC CH₂ H₃C

CH₂ H₂

C CH₃ + 2 H₂

Felhasználása: műgumigyártás.

2-metilbuta-1,3-dién (köznapi neve izoprén) egységekből áll a kaucsukfa nedve, de az -karotin, a -karotin, és az A-vitamin is ilyen egységekből áll (konjugált kettős kötésűek).

11.5. Alkinek

11.5.1. Alkinek: szén-szén hármas kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének.

Az alkinek nevei -in végződésűek.

11.5.2. Homológ sor, egyszerűbb képviselők és elnevezésük Általános összegképlet: CnH2n−2

Képlet Név Triviális név

HC≡CH etin acetilén

HC≡C−CH3 propin metil-acetilén

HC≡C−CH2−CH3 but-1-in

H3C−C≡C−CH3 but-2-in

Alkenilcsoport: egy alkénből egy hidrogén eltávolításával keletkező csoport.

Képlet Név

HC≡C− etinil

CH3−C≡C− 1-propinil

HC≡C−CH2− 2-propinil

11.5.3. Előállítás Az acetilén előállítása:

a) Laboratóriumban kalcium-karbidból:

CaC_{2 +} 2 H₂O HC CH + Ca(OH)₂ A kalcium-karbidot kalcium-oxid és szén reakciójából lehet előállítani:

CaO + 3 C CaC₂ + CO

A karbidlámpában is hasonló módon acetiléngázt fejlesztenek, amelyet meggyújtva a kormozó lánggal világítanak.

b) Iparban metán termikus bontásával:

2 CH₄ HC CH + 3 H₂

A magasabb szénatomszámú homológokat rendszerint acetilénből állítják elő szubsztitúciós reakciókkal.

11.5.4. Szerkezet

Itt részletesen az acetilén szerkezetével foglalkozunk:

H−C≡C−H – a szénatomok között egy ζ-kötésés két π-kötés található, – a két π-kötés egymásra merőleges,

– a H, C, C és H atomok egy vonalba esnek, a molekula lineáris, – a H−C−C kötésszög 180°.

Az egyszeres, a kettős és a hármas kötést összehasonlítva a hármas kötés a legrövidebb, ennek a legnagyobb a kötési energiája:

Kötés C−C CC C≡C

Kötéshossz (pm) 154 133 121

Kötési energia (kJ/mol) 344 615 812

Ezek alapján a három kötés közül a hármas kötés a legerősebb kötés (ám nem háromszor olyan erős, mint egy egyszeres kötés).

11.5.5. Fizikai tulajdonságok

– Hasonló az alkánokhoz és alkénekhez, az apoláris molekulák között csak diszperziós kötés hat.

– Olvadáspont, forráspont, a sűrűség a moláris tömeggel nő (C2-C4 gáz, C5- folyadék a magasabb szénatomszámúak szilárdak (C17-től) 25 C hőmérsékleten és normál légköri nyomáson).

– Mivel apolárisak, vízben rosszul oldódnak.

11.5.6. Kémiai tulajdonságok és reaktivitás

Már szobahőmérsékleten jelentős reakciókészséggel rendelkeznek.

Jellemző reakciójuk:

– addíció, – oxidáció,

– gyenge savként viselkednek.

a) Hidrogénaddíció

Két lépésben, katalitikus úton (Pd, Pt vagy Ni) az alkinek alkánokká redukálhatóak:

HC CH + 2 H₂ katalizátor H₃C CH₃ Az első lépés a hármas kötés telítése kettős kötéssé:

HC CH + H₂ katalizátor H₂C CH₂

Amennyiben csak alkénig szeretnénk redukálni az alkint, rendszerint csökkentett aktivitású (mérgezett) katalizátort kell alkalmazni, mivel a reakció könnyen eredményezhet teljes telítődést.

b) Halogén- és hidrogénhalogenid-addíció

Az alkinek elemi halogénnel és hidrogén-halogenidekkel addíciós reakcióba vihetők. Például a brómos vizet elszíntelenítik, a reakció első lépésében 1,2-dibróm-etén keletkezik, melyből brómfeleslegben 1,1,2,2-tetrabróm-etán keletkezik.

Br₂

+ Br C

H C H Br HC CH

Br₂

+ Br C C Br

Br C H C

H Br

Br

H Br

H

Az alkinek reakciója hidrogén-halogenidekkel szintén kétlépéses folyamat: először vinil- halogenid (HCl esetén vinil-klorid) keletkezik:

HC CH + HCl H C

H C H Cl A második lépésben 1,1-diklór-etán keletkezik:

+ HCl H C C Cl

H C H C

H Cl

H

H Cl H c) Vízaddíció

Hg²⁺-sók és kénsav jelenlétében vinil-alkohol keletkezik első lépésben, ám ez átalakul a stabilabb acetaldehiddé:

H₂C CH OH

HC CH + H₂O H₃C C

O H

A reakciót Kucserov-reakciónak is nevezik. Régen ezzel a reakcióval állítottak elő acetaldehidet.