Teorija strukture A. Predavanje na temu: "Osnovne odredbe teorije strukture organskih spojeva A.

Kao što je u anorganskoj kemiji temeljna teorijska osnova Periodni zakon i periodni sustav kemijskih elemenata D.I. Mendeljejeva, tako je u organskoj kemiji vodeća znanstvena osnova Butlerov-Kekule-Cooperova teorija strukture organskih spojeva.

Kao i svaka druga znanstvena teorija, teorija o građi organskih spojeva rezultat je generalizacije najbogatijeg činjeničnog materijala što ga je organska kemija, koja se kao znanost oblikovala početkom 19. stoljeća, nakupila. Otkrivano je sve više i više novih ugljikovih spojeva, čiji se broj rastao poput lavine (tablica 1).

stol 1
Broj organskih spojeva poznatih u različitim godinama

Znanstvenici s početka 19. stoljeća objasnili su ovu raznolikost organskih spojeva. ne mogu. Fenomen izomerije potaknuo je još više pitanja.

Na primjer, etilni alkohol i dimetil eter su izomeri: ove tvari imaju isti sastav C 2 H 6 O, ali različitu strukturu, odnosno drugačiji redoslijed povezivanja atoma u molekulama, a time i različita svojstva.

Vama već poznati F. Wöhler opisao je organsku kemiju u jednom od svojih pisama J. J. Berzeliusu: “Organska kemija sada svakoga može izluditi. Čini mi se kao gusta šuma, puna nevjerojatnih stvari, beskrajna šikara iz koje ne možeš izaći, u koju se ne usuđuješ prodrijeti...”

Na razvoj kemije velik je utjecaj imao rad engleskog znanstvenika E. Franklanda, koji je na temelju ideja atomizma uveo pojam valencije (1853.).

U molekuli vodika H2 nastaje jedna kovalentna kemijska veza H-H, tj. vodik je jednovalentan. Valencija kemijskog elementa može se izraziti brojem atoma vodika koje jedan atom kemijskog elementa dodaje sebi ili nadomješta. Na primjer, sumpor u sumporovodiku i kisik u vodi su dvovalentni: H 2 S, ili H-S-H, H 2 O ili H-O-H, a dušik u amonijaku je trovalentan:

U organskoj kemiji, koncept "valencije" analogan je konceptu "oksidacijskog stanja", s kojim ste navikli raditi u tijeku anorganske kemije u osnovnoj školi. Međutim, to nije ista stvar. Na primjer, u molekuli dušika N2, oksidacijsko stanje dušika je nula, a valencija je tri:

U vodikovom peroksidu H2O2, oksidacijsko stanje kisika je -1, a valencija je dva:

U amonijevom ionu NH + 4, oksidacijsko stanje dušika je -3, a valencija je četiri:

Obično se u odnosu na ionske spojeve (natrijev klorid NaCl i mnoge druge anorganske tvari s ionskim vezama) ne koristi izraz "valentnost" atoma, već se razmatra njihovo oksidacijsko stanje. Stoga je u anorganskoj kemiji, gdje većina tvari ima nemolekularnu strukturu, poželjno koristiti koncept "oksidacijskog stanja", au organskoj kemiji, gdje većina spojeva ima molekularnu strukturu, u pravilu, koncept " koristi se valencija”.

Teorija kemijske strukture rezultat je generalizacije ideja izvrsnih organskih znanstvenika iz tri europske zemlje: Nijemca F. Kekulea, Engleza A. Coopera i Rusa A. Butlerova.

Godine 1857. F. Kekule je klasificirao ugljik kao četverovalentni element, a 1858. je zajedno s A. Cooperom primijetio da se atomi ugljika mogu međusobno povezivati ​​u različite lance: linearne, razgranate i zatvorene (cikličke).

Radovi F. Kekulea i A. Coopera poslužili su kao osnova za razvoj znanstvene teorije koja objašnjava fenomen izomerije, odnos između sastava, strukture i svojstava molekula organskih spojeva. Ovu teoriju stvorio je ruski znanstvenik A.M.Butlerov. Upravo se njegov radoznali um “usudio prodrijeti” u “gustu šumu” organske kemije i početi pretvarati tu “bezgraničnu šikaru” u pravi park obasjan suncem sa sustavom staza i uličica. Osnovne ideje ove teorije prvi je iznio A. M. Butlerov 1861. godine na kongresu njemačkih prirodoslovaca i liječnika u Speyeru.

Glavne odredbe i posljedice Butlerov-Kekule-Cooperove teorije o strukturi organskih spojeva mogu se ukratko formulirati na sljedeći način.

1. Atomi u molekulama tvari povezani su u određenom nizu prema svojoj valenciji. Ugljik u organskim spojevima je uvijek četverovalentan, a njegovi atomi mogu se međusobno spajati, tvoreći različite lance (linearne, razgranate i cikličke).

Organski spojevi mogu se poredati u nizove tvari sličnih po sastavu, strukturi i svojstvima – homologne redove.

Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828.-1886.), ruski kemičar, profesor na Sveučilištu u Kazanu (1857.-1868.), od 1869. do 1885. - profesor na Sveučilištu u St. Petersburgu. Akademik Petrogradske akademije znanosti (od 1874). Tvorac teorije kemijske strukture organskih spojeva (1861). Predvidio i proučavao izomeriju mnogih organskih spojeva. Sintetizirao mnoge tvari.

Na primjer, metan CH 4 je predak homologne serije zasićenih ugljikovodika (alkana). Njegov najbliži homolog je etan C 2 H 6, ili CH 3 -CH 3. Sljedeća dva člana homolognog niza metana su propan C3H8, ili CH3-CH2-CH3, i butan C4H10, ili CH3-CH2-CH2-CH3, itd.

Lako je vidjeti da se za homološki niz može izvesti opća formula za niz. Dakle, za alkane ova opća formula je C n H 2n + 2.

2. Svojstva tvari ne ovise samo o njihovom kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o strukturi njihovih molekula.

Ovo stajalište teorije strukture organskih spojeva objašnjava pojavu izomerije. Očito je da je za butan C 4 H 10, osim molekule s linearnom strukturom CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, također moguća razgranata struktura:

Ovo je potpuno nova tvar sa svojim individualnim svojstvima, različitim od svojstava butana s linearnom strukturom.

Butan, u čijoj su molekuli atomi raspoređeni u linearni lanac, naziva se normalni butan (n-butan), a butan, čiji je lanac ugljikovih atoma razgranat, naziva se izobutan.

Postoje dvije glavne vrste izomerije - strukturna i prostorna.

U skladu s prihvaćenom klasifikacijom, razlikuju se tri vrste strukturne izomerije.

Izomerija ugljikovog skeleta. Spojevi se razlikuju po redoslijedu ugljik-ugljik veza, na primjer, raspravljani n-butan i izobutan. Upravo je ovaj tip izomerije karakterističan za alkane.

Izomerija položaja višestruke veze (C=C, C=C) ili funkcionalne skupine (tj. skupine atoma koja određuje pripada li spoj određenoj klasi organskih spojeva), na primjer:

Međuklasna izomerija. Izomeri ovog tipa izomerije pripadaju različitim klasama organskih spojeva, na primjer, etilni alkohol (klasa zasićenih monohidričnih alkohola) i dimetil eter (klasa etera) o kojima se raspravljalo gore.

Postoje dvije vrste prostorne izomerije: geometrijska i optička.

Geometrijska izomerija karakteristična je, prije svega, za spojeve s dvostrukom vezom ugljik-ugljik, budući da na mjestu takve veze molekula ima ravnu strukturu (slika 6).

Riža. 6.
Model molekule etilena

Na primjer, za buten-2, ako su identične skupine atoma na atomima ugljika na dvostrukoj vezi na jednoj strani ravnine C=C veze, tada je molekula cis izomer, ako je na suprotnim stranama trans izomer.

Optička izomerija opažena je, na primjer, u tvarima čije molekule imaju asimetrične, ili kiralne, atome ugljika vezane na četiri razne zastupnici. Optički izomeri su zrcalne slike jedan drugoga, kao dva dlana, i nisu kompatibilni. (Sada, očito, razumijete drugo ime ove vrste izomerije: grčki chiros - ruka - primjer asimetrične figure.) Na primjer, 2-hidroksipropanska (mliječna) kiselina, koja sadrži jedan asimetrični atom ugljika, postoji u obliku dvaju optičkih izomera.

U kiralnim molekulama nastaju izomerni parovi u kojima su molekule izomera povezane jedna s drugom u svojoj prostornoj organizaciji na isti način kao što su predmet i njegova zrcalna slika međusobno povezani. Par takvih izomera uvijek ima ista kemijska i fizikalna svojstva, s izuzetkom optičke aktivnosti: ako jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu, onda drugi nužno rotira suprotno od kazaljke na satu. Prvi izomer naziva se desnorotirajući, a drugi lijevorotirajući.

Važnost optičke izomerije u organizaciji života na našem planetu je vrlo velika, budući da se optički izomeri mogu značajno razlikovati kako u svojoj biološkoj aktivnosti tako iu kompatibilnosti s drugim prirodnim spojevima.

3. Atomi u molekulama tvari utječu jedni na druge. Međusobni utjecaj atoma u molekulama organskih spojeva razmotrit ćete tijekom daljnjeg proučavanja kolegija.

Suvremena teorija strukture organskih spojeva temelji se ne samo na kemijskoj, već i na elektronskoj i prostornoj strukturi tvari, o čemu se detaljno govori na profilnoj razini studija kemije.

U organskoj kemiji naširoko se koristi nekoliko vrsta kemijskih formula.

Molekularna formula odražava kvalitativni sastav spoja, odnosno pokazuje broj atoma svakog od kemijskih elemenata koji tvore molekulu tvari. Na primjer, molekularna formula propana je: C3H8.

Strukturna formula odražava redoslijed veze atoma u molekuli prema valenciji. Strukturna formula propana je:

Često nema potrebe za detaljnim prikazom kemijskih veza između atoma ugljika i vodika, pa se u većini slučajeva koriste skraćene strukturne formule. Za propan, ova formula je napisana na sljedeći način: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Struktura molekula organskih spojeva odražava se pomoću različitih modela. Najpoznatiji su volumetrijski (vaga) i modeli s kuglom i štapićem (slika 7).

Riža. 7.
Modeli molekule etana:
1 - kugla i šipka; 2 - ljestvica

Nove riječi i pojmovi

1. Izomerija, izomeri.
2. Valencija.
3. Kemijska struktura.
4. Teorija strukture organskih spojeva.
5. Homologni niz i homologna razlika.
6. Molekulske i strukturne formule.
7. Modeli molekula: volumetrijski (vaga) i kuglični.

Pitanja i zadaci

1. Što je valencija? Kako se razlikuje od oksidacijskog stanja? Navedite primjere tvari kod kojih su vrijednosti oksidacijskog stanja i valencije atoma brojčano iste i različite,
2. Odredite valenciju i oksidacijsko stanje atoma u tvarima čije su formule Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Što je izomerija; izomeri?
4. Što je homologija; homolozi?
5. Kako pomoću znanja o izomeriji i homologiji objasniti raznolikost ugljikovih spojeva?
6. Što se podrazumijeva pod kemijskom građom molekula organskih spojeva? Formulirajte odredbe teorije strukture, koje objašnjavaju razliku u svojstvima izomera, koje objašnjavaju raznolikost organskih spojeva.
7. Kakav je doprinos ovoj teoriji dao svaki od znanstvenika - utemeljitelja teorije kemijske strukture? Zašto je doprinos ruskog kemičara odigrao vodeću ulogu u razvoju ove teorije?
8. Mogu postojati tri izomera sastava C 5 H 12. Napiši njihove pune i skraćene strukturne formule,
9. Na temelju modela molekule tvari prikazanog na kraju odlomka (vidi sl. 7.) sastavite njezinu molekulsku i skraćenu strukturnu formulu.
10. Izračunajte maseni udio ugljika u molekulama prva četiri člana homolognog niza alkana.

Prvi se pojavio početkom 19. stoljeća. radikalna teorija(J. Gay-Lussac, F. Wehler, J. Liebig). Radikali su skupine atoma koje prolaze bez promjene tijekom kemijskih reakcija iz jednog spoja u drugi. Ovaj koncept radikala je sačuvan, ali se većina drugih odredbi teorije radikala pokazala netočnom.

Prema teorije tipa(C. Gerard) sve organske tvari mogu se podijeliti u tipove koji odgovaraju određenim anorganskim tvarima. Na primjer, alkoholi R-OH i eteri R-O-R smatrani su predstavnicima vodene vrste H-OH, u kojoj su atomi vodika zamijenjeni radikalima. Teorija tipova stvorila je klasifikaciju organskih tvari, od kojih se neki principi koriste i danas.

Modernu teoriju strukture organskih spojeva stvorio je izvrsni ruski znanstvenik A.M. Butlerov.

Temeljna načela teorije strukture organskih spojeva A.M. Butlerov

1. Atomi u molekuli raspoređeni su u određenom nizu prema svojoj valenciji. Valencija ugljikovog atoma u organskim spojevima je četiri.

2. Svojstva tvari ovise ne samo o tome koji su atomi iu kojim količinama uključeni u molekulu, već io redoslijedu kojim su međusobno povezani.

3. Atomi ili skupine atoma koji čine molekulu međusobno utječu jedni na druge što određuje kemijsku aktivnost i reaktivnost molekula.

4. Proučavanje svojstava tvari omogućuje nam određivanje njihove kemijske strukture.

Međusobni utjecaj susjednih atoma u molekulama najvažnije je svojstvo organskih spojeva. Taj se utjecaj prenosi ili kroz lanac jednostavnih veza ili kroz lanac konjugiranih (izmjeničnih) jednostavnih i dvostrukih veza.

Klasifikacija organskih spojeva temelji se na analizi dva aspekta strukture molekula – strukture ugljikovog kostura i prisutnosti funkcionalnih skupina.

Organski spojevi

Ugljikovodici Heterociklički spojevi

Limit - Bez presedana - Aroma -

učinkovito praktično

Alifatski karbociklički

Vrhunska nezasićena aliciklička aromatika

(Alkani) (Cikloalkani) (Arene)

S P H 2 P+2 C P H 2 P S P H 2 P-6

Kraj posla -

Ova tema pripada odjeljku:

Uvod. Osnove moderne teorije strukture

Organski spojevi.. uvod.. bioorganska kemija proučava strukturu i svojstva tvari koje sudjeluju u životnim procesima u..

Ako trebate dodatne materijale o ovoj temi ili niste pronašli ono što ste tražili, preporučamo pretraživanje naše baze radova:

Što ćemo učiniti s primljenim materijalom:

Ako vam je ovaj materijal bio koristan, možete ga spremiti na svoju stranicu na društvenim mrežama:

Sve teme u ovom odjeljku:

Alkeni Alkadijeni Alkini
SpN2p SpN2p-2 SpN2p-2 Sl. 1. Podjela organskih spojeva prema građi

Elektronska struktura atoma ugljika. Hibridizacija.
Za sloj valentnih elektrona atoma C, koji se nalazi u glavnoj podskupini četvrte skupine druge periode periodnog sustava D. I. Mendeljejeva, glavni kvantni broj n = 2, sekundarni (orbitalni

Konjugirani sustavi
Postoje dvije vrste konjugiranih sustava (i spojnica). 1. p, p-konjugacija - elektroni su delokalizirani

TEMA 3. Kemijska struktura i izomerija organskih spojeva
Izomerija organskih spojeva. Ako dvije ili više pojedinačnih tvari imaju isti kvantitativni sastav (molekulsku formulu), ali se međusobno razlikuju po

Konformacije organskih molekula
Rotacija oko C–C s-veze je relativno laka, a ugljikovodični lanac može imati različite oblike. Konformacijski oblici lako prelaze jedni u druge i stoga nisu različiti spojevi

Konformacije cikličkih spojeva.
ciklopentan. Peteročlani prsten u ravnom obliku ima vezne kutove od 108°, što je blizu normalne vrijednosti za sp3 hibridni atom. Stoga se u ravnom ciklopentanu, za razliku od ciklusa

Konfiguracijski izomeri
To su stereoizomeri s različitim rasporedom oko određenih atoma drugih atoma, radikala ili funkcionalnih skupina u međusobnom prostoru. Postoje koncepti dijastere

Opće karakteristike reakcija organskih spojeva.
Kiselost i bazičnost organskih spojeva. Za procjenu kiselosti i bazičnosti organskih spojeva od najveće su važnosti dvije teorije - Brønstedova teorija i teo.

Bronstedove baze su neutralne molekule ili ioni koji mogu prihvatiti proton (akceptori protona).
Kiselost i bazičnost nisu apsolutna, već relativna svojstva spojeva: kisela svojstva nalaze se samo u prisutnosti baze; osnovna svojstva – samo u prisutnosti ki

Opće karakteristike reakcija organskih spojeva
Većina organskih reakcija uključuje nekoliko uzastopnih (elementarnih) koraka. Detaljan opis ukupnosti ovih faza naziva se mehanizam. Mehanizam reakcije -

Selektivnost reakcija
U mnogim slučajevima organski spoj sadrži nekoliko nejednakih reakcijskih centara. Ovisno o strukturi produkata reakcije, govore o regioselektivnosti, kemoselektivnosti i

Radikalne reakcije.
Klor reagira sa zasićenim ugljikovodicima samo pod utjecajem svjetla, topline ili u prisutnosti katalizatora, a svi atomi vodika sukcesivno se zamjenjuju klorom: CH4

Reakcije elektrofilne adicije
Nezasićeni ugljikovodici - alkeni, cikloalkeni, alkadieni i alkini - pokazuju sposobnost podvrgavanja reakcijama adicije, budući da sadrže dvostruke ili trostruke veze. Važnije in vivo je dvostruko

I eliminacija iz zasićenog atoma ugljika
Reakcije nukleofilne supstitucije na sp3-hibridiziranom ugljikovom atomu: heterolitičke reakcije uzrokovane polarizacijom s-veze ugljik - heteroatom (halogenopro

Reakcije nukleofilne supstitucije koje uključuju sp2-hibridizirani ugljikov atom.
Razmotrimo mehanizam reakcija ove vrste na primjeru interakcije karboksilnih kiselina s alkoholima (reakcija esterifikacije). U karboksilnoj skupini kiseline dolazi do p,p-konjugacije, budući da je par

Reakcije nukleofilne supstitucije u nizu karboksilnih kiselina.
Samo s čisto formalnog stajališta karboksilna skupina može se smatrati kombinacijom karbonilnih i hidroksilnih funkcija. Zapravo je njihov međusobni utjecaj jedan na drugog takav da potpuno i

Organski spojevi.
Oksidacijsko-redukcijske reakcije (ORR) zauzimaju veliko mjesto u organskoj kemiji. OVR je od iznimne važnosti za životne procese. Uz njihovu pomoć, tijelo će zadovoljiti

Sudjelovanje u životnim procesima
Velika većina organskih tvari uključenih u metaboličke procese su spojevi s dvije ili više funkcionalnih skupina. Takvi spojevi obično se klasificiraju

Dvoatomni fenoli
Dvoatomni fenoli - pirokatehol, resorcinol, hidrokinon - dio su mnogih prirodnih spojeva. Svi oni daju karakteristično bojenje željeznim kloridom. Pirokatehol (o-dihidroksibenzen, kateho

Dikarboksilne i nezasićene karboksilne kiseline.
Karboksilne kiseline koje sadrže jednu karboksilnu skupinu nazivaju se monobazične, dvije dibazične itd. Dikarboksilne kiseline su bijele kristalne tvari koje imaju

Amino alkoholi
2-aminoetanol (etanolamin, kolamin) je strukturna komponenta složenih lipida, nastalih otvaranjem napetih tročlanih prstenova etilen oksida i etilenimina s amonijakom odnosno vodom.

Hidroksi i aminokiseline.
Hidroksi kiseline sadrže i hidroksilne i karboksilne skupine u molekuli, aminokiseline sadrže karboksilne i amino skupine. Ovisno o položaju hidroksi ili amino skupine

Oksokiseline
Oksokiseline su spojevi koji sadrže i karboksilne i aldehidne (ili ketonske) skupine. U skladu s tim razlikuju se aldehidne kiseline i ketokiseline. Najjednostavnija aldehidna kiselina

Heterofunkcionalni derivati ​​benzena kao lijekovi.
Posljednja desetljeća obilježena su pojavom mnogih novih lijekova i pripravaka. Istovremeno, neke skupine dosad poznatih lijekova i dalje su od velike važnosti.

TEMA 10. Biološki važni heterociklički spojevi
Heterociklički spojevi (heterocikli) su spojevi koji uključuju jedan ili više atoma osim ugljika (heteroatoma) u ciklusu. U osnovi su heterociklički sustavi

TEMA 11. Aminokiseline, peptidi, proteini
Struktura i svojstva aminokiselina i peptida. Aminokiseline su spojevi u čijim su molekulama istovremeno prisutne amino i karboksilne skupine. Prirodni a-amin

Prostorna struktura polipeptida i proteina
Polipeptide i proteine ​​velike molekulske mase, uz primarnu strukturu, karakteriziraju i više razine organizacije koje se obično nazivaju sekundarne, tercijarne i kvartarne strukture.

TEMA 12. Ugljikohidrati: mono, di- i polisaharidi
Ugljikohidrate dijelimo na jednostavne (monosaharidi) i složene (polisaharidi). Monosaharidi (monoze). To su heteropolifunkcionalni spojevi koji sadrže karbonil i nekoliko g

TEMA 13. Nukleotidi i nukleinske kiseline
Nukleinske kiseline (polinukleotidi) su biopolimeri čije su monomerne jedinice nukleotidi. Nukleotid je trokomponentna struktura koja se sastoji

Nukleozidi.
Heterocikličke baze tvore N-glikozide s D-ribozom ili 2-deoksi-D-ribozom. U kemiji nukleinskih kiselina takvi N-glikozidi nazivaju se nukleozidi. D-riboza i 2-deoksi-D-riboza u str

Nukleotidi.
Nukleotidi se nazivaju fosfati nukleozida. Fosforna kiselina obično esterificira alkoholni hidroksil na C-5" ili C-3" u ostatku riboze ili deoksiriboze (atomi prstena dušične baze su numerirani

Steroidi
Steroidi su široko rasprostranjeni u prirodi i obavljaju različite funkcije u tijelu. Do danas je poznato oko 20 000 steroida; više od 100 ih se koristi u medicini. Steroidi imaju

Steroidni hormoni
Hormoni su biološki aktivne tvari koje nastaju kao rezultat rada endokrinih žlijezda i sudjeluju u regulaciji metabolizma i fizioloških funkcija u tijelu.

steroli
Stanice su u pravilu vrlo bogate sterolima. Ovisno o izvoru izolacije, razlikuju se zoosteroli (iz životinja), fitosteroli (iz biljaka), mikosteroli (iz gljiva) i steroli mikroorganizama. U

Žučne kiseline
U jetri se steroli, osobito kolesterol, pretvaraju u žučne kiseline. Alifatski bočni lanac na C17 u žučnim kiselinama, derivatima holanskog ugljikovodika, sastoji se od 5 atoma ugljika

Terpeni i terpenoidi
Ovaj naziv objedinjuje brojne ugljikovodike i njihove derivate koji sadrže kisik - alkohole, aldehide i ketone, čiji je ugljikov kostur građen od dvije, tri ili više izoprenskih jedinica. Sami

Vitamini
Vitaminima se obično nazivaju organske tvari čija je prisutnost u malim količinama u hrani ljudi i životinja neophodna za njihovo normalno funkcioniranje. Ovo je klasična op.

Vitamini topivi u mastima
Vitamin A je seskviterpen i nalazi se u maslacu, mlijeku, žumanjku i ribljem ulju; svinjska mast i margarin ga ne sadrže. Ovo je vitamin rasta; nedostatak u hrani uzrokuje

Vitamini topivi u vodi
Krajem prošlog stoljeća tisuće mornara na japanskim brodovima patilo je, a mnogi od njih umrli mučnom smrću od misteriozne bolesti beri-beri. Jedna od misterija beri-berija bila je ta da su mornari na

Osnova za stvaranje teorije kemijske strukture organskih spojeva je A.M. Butlerov je bio inspiriran atomsko-molekularnom teorijom (radovi A. Avagadra i S. Cannizzara). Bilo bi pogrešno pretpostaviti da se prije njegova nastanka u svijetu ništa nije znalo o organskim tvarima i da se nije pokušavalo dokazati strukturu organskih spojeva. Do 1861. (godine kada je A.M. Butlerov stvorio teoriju kemijske strukture organskih spojeva), broj poznatih organskih spojeva dosegao je stotine tisuća, a identifikacija organske kemije kao neovisne znanosti dogodila se još 1807. (J. Berzelius).

Preduvjeti za teoriju strukture organskih spojeva

Široko proučavanje organskih spojeva započelo je u 18. stoljeću radom A. Lavoisiera, koji je pokazao da se tvari dobivene iz živih organizama sastoje od nekoliko elemenata - ugljika, vodika, kisika, dušika, sumpora i fosfora. Od velike je važnosti uvođenje pojmova “radikal” i “izomerija”, kao i formiranje teorije o radikalima (L. Guiton de Morveau, A. Lavoisier, J. Liebig, J. Dumas, J. Berzelius) , uspjesi u sintezi organskih spojeva (urea, anilin, octena kiselina, masti, tvari slične šećeru i dr.).

Pojam “kemijska struktura”, kao i temelje klasične teorije kemijske strukture, prvi je objavio A.M. Butlerov 19. rujna 1861. u svom izvješću na kongresu njemačkih prirodoslovaca i liječnika u Speyeru.

Temeljna načela teorije strukture organskih spojeva A.M. Butlerov

1. Atomi koji tvore molekulu organske tvari povezani su jedni s drugima određenim redoslijedom, a jedna ili više valencija iz svakog atoma troše se na međusobno vezivanje. Nema slobodnih valencija.

Butlerov je niz veza atoma nazvao "kemijskom strukturom". Grafički su veze između atoma označene linijom ili točkom (slika 1).

Riža. 1. Kemijska struktura molekule metana: A – strukturna formula, B – elektronska formula

2. Svojstva organskih spojeva ovise o kemijskoj strukturi molekula, t.j. Svojstva organskih spojeva ovise o redoslijedu veza atoma u molekuli. Proučavajući svojstva, možete prikazati tvar.

Razmotrimo primjer: tvar ima bruto formulu C 2 H 6 O. Poznato je da kada ova tvar stupa u interakciju s natrijem, oslobađa se vodik, a kada kiselina djeluje na nju, nastaje voda.

C2H6O + Na = C2H5ONa + H2

C2H6O + HCl = C2H5Cl + H2O

Ova tvar može imati dvije strukturne formule:

CH 3 -O-CH 3 - aceton (dimetil keton) i CH 3 -CH 2 -OH - etil alkohol (etanol),

Na temelju kemijskih svojstava karakterističnih za ovu tvar zaključujemo da se radi o etanolu.

Izomeri su tvari istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, ali različite kemijske strukture. Postoji nekoliko vrsta izomerije: strukturna (linearna, razgranata, ugljični skelet), geometrijska (cis- i trans-izomerija, karakteristična za spojeve s višestrukom dvostrukom vezom (slika 2)), optička (zrcalna), stereo (prostorna, karakteristično za tvari , koje se mogu različito locirati u prostoru (slika 3)).

Riža. 2. Primjer geometrijske izomerije

3. Na kemijska svojstva organskih spojeva utječu i drugi atomi prisutni u molekuli. Takve skupine atoma nazivaju se funkcionalne skupine, zbog činjenice da njihova prisutnost u molekuli tvari daje posebna kemijska svojstva. Na primjer: -OH (hidroksi skupina), -SH (tio skupina), -CO (karbonilna skupina), -COOH (karboksilna skupina). Štoviše, kemijska svojstva organske tvari manje ovise o ugljikovodikovom kosturu nego o funkcionalnoj skupini. Upravo funkcionalne skupine osiguravaju raznolikost organskih spojeva, zbog kojih se klasificiraju (alkoholi, aldehidi, karboksilne kiseline itd. Ugljik-ugljik veze (višestruke dvostruke i trostruke) ponekad se ubrajaju među funkcionalne skupine. Ako postoje nekoliko identičnih funkcionalnih skupina, tada se naziva homopolifunkcionalna (CH 2 (OH)-CH(OH)-CH 2 (OH) - glicerol), ako ih je nekoliko, ali različitih - heteropolifunkcionalna (NH 2 -CH(R)-COOH - amino kiseline).

sl.3. Primjer stereoizomerije: a – cikloheksan, oblik “stolice”, b – cikloheksan, oblik “kade”

4. Valencija ugljika u organskim spojevima uvijek je četiri.

Predavanje 15

Teorija strukture organskih tvari. Glavne klase organskih spojeva.

Organska kemija - znanost koja se bavi proučavanjem organske tvari. Inače se može definirati kao kemija ugljikovih spojeva. Potonji zauzima posebno mjesto u periodičnom sustavu D.I. Mendeljejeva zbog raznolikosti spojeva, od kojih je poznato oko 15 milijuna, dok je broj anorganskih spojeva pet stotina tisuća. Organske tvari poznate su čovječanstvu odavno, kao što su šećer, biljne i životinjske masti, boje, mirisne i ljekovite tvari. Ljudi su postupno naučili preradom tih tvari dobivati ​​razne vrijedne organske proizvode: vino, ocat, sapun itd. Napredak organske kemije temelji se na dostignućima u području kemije proteinskih tvari, nukleinskih kiselina, vitamina itd. Organski Kemija je od velike važnosti za razvoj medicine, budući da su velika većina lijekova organski spojevi ne samo prirodnog podrijetla, već i dobiveni uglavnom sintezom. Izniman značaj na velike molekularne težine organski spojevi (umjetne smole, plastika, vlakna, sintetička guma, boje, herbicidi, insekticidi, fungicidi, defolijansi...). Organska kemija ima veliki značaj za proizvodnju hrane i industrijske robe.

Suvremena organska kemija duboko je prodrla u kemijske procese koji se odvijaju tijekom skladištenja i prerade prehrambenih proizvoda: procese sušenja, užeglosti i saponifikacije ulja, fermentacije, pečenja, fermentacije, proizvodnje pića, u proizvodnji mliječnih proizvoda itd. Otkriće i proučavanje enzima te parfema i kozmetike također je odigralo veliku ulogu.

Jedan od razloga velike raznolikosti organskih spojeva je jedinstvenost njihove strukture, koja se očituje u stvaranju kovalentnih veza i lanaca ugljikovih atoma, različitih vrsta i duljina. Štoviše, broj vezanih atoma ugljika u njima može doseći desetke tisuća, a konfiguracija ugljikovih lanaca može biti linearna ili ciklička. Osim ugljikovih atoma, lanci mogu sadržavati kisik, dušik, sumpor, fosfor, arsen, silicij, kositar, olovo, titan, željezo itd.

Manifestacija ovih svojstava ugljikom povezana je s nekoliko razloga. Potvrđeno je da su energije C–C i C–O veza usporedive. Ugljik ima sposobnost formiranja tri vrste orbitalne hibridizacije: četiri sp 3 - hibridne orbitale, njihova orijentacija u prostoru je tetraedarska i odgovara jednostavan kovalentne veze; tri hibridne sp 2 orbitale smještene u istoj ravnini, u kombinaciji s nehibridnom orbitalom, tvore dvostruki višekratnici veze (─S = S─); također uz pomoć sp - nastaju hibridne orbitale linearne orijentacije i nehibridne orbitale između ugljikovih atoma trostruki višekratnici veze (─ C ≡ C ─). Štoviše, atomi ugljika tvore ove vrste veza ne samo međusobno, već i s drugim elementima. Dakle, moderna teorija strukture tvari objašnjava ne samo značajan broj organskih spojeva, već i utjecaj njihove kemijske strukture na njihova svojstva.

Također u potpunosti potvrđuje osnove teorije kemijske strukture, koji je razvio veliki ruski znanstvenik A.M. Butlerov. Glavne odredbe ITS-a:

1) u organskim molekulama atomi su međusobno povezani određenim redom prema valenciji, što određuje strukturu molekula;

2) svojstva organskih spojeva ovise o prirodi i broju njihovih sastavnih atoma, kao i o kemijskoj strukturi molekula;

3) svaka kemijska formula odgovara određenom broju mogućih izomernih struktura;

4) svaki organski spoj ima jednu formulu i ima određena svojstva;

5) u molekulama postoji međusobni utjecaj atoma jednih na druge.

Klase organskih spojeva

Prema teoriji, organski spojevi se dijele u dvije serije - acikličke i cikličke spojeve.

1. Aciklički spojevi.(alkani, alkeni) sadrže otvoren, nezatvoren ugljikov lanac - ravan ili razgranat:

N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Normalni butan izobutan (metilpropan)

2. a) Aliciklički spojevi– spojevi koji u svojim molekulama imaju zatvorene (cikličke) ugljikove lance:

ciklobutan cikloheksan

b) aromatski spojevi,čije molekule sadrže benzenski kostur - šesteročlani prsten s izmjeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama (areni):

c) Heterociklički spojevi– ciklički spojevi koji osim ugljikovih atoma sadrže dušik, sumpor, kisik, fosfor i neke elemente u tragovima, koji se nazivaju heteroatomi.

furan pirol piridin

U svakom retku organske tvari raspoređene su u klase - ugljikovodike, alkohole, aldehide, ketone, kiseline, estere u skladu s prirodom funkcionalnih skupina njihovih molekula.

Postoji i klasifikacija prema stupnju zasićenosti i funkcionalnim skupinama. Prema stupnju zasićenosti razlikuju se:

1. Izuzetno zasićen– ugljikov kostur sadrži samo jednostruke veze.

─S─S─S─

2. Nezasićen nezasićen– u ugljikovom skeletu postoje višestruke (=, ≡) veze.

─S=S─ ─S≡S─

3. Aromatičan– nezasićeni ciklusi s prstenastom konjugacijom (4n + 2) π-elektrona.

Po funkcionalnim skupinama

1. Alkoholi R-CH 2 OH

2. Fenoli

3. Aldehidi R─COH Ketoni R─C─R

4. Karboksilne kiseline R─COOH O

5. Esteri R─COOR 1

Najveći događaj u razvoju organske kemije bilo je stvaranje velikog ruskog znanstvenika 1961. prije podne Butlerov teorije kemijske strukture organskih spojeva.

Prije A.M. Butlerov je smatrao nemogućim spoznati strukturu molekule, odnosno redoslijed kemijskih veza među atomima. Mnogi su znanstvenici čak poricali stvarnost atoma i molekula.

prije podne Butlerov je zanijekao ovo mišljenje. Došao je s pravog mjesta materijalistički te filozofske ideje o realnosti postojanja atoma i molekula, o mogućnosti spoznaje kemijske veze atoma u molekuli. Pokazao je da se struktura molekule može ustanoviti eksperimentalno proučavanjem kemijskih transformacija tvari. Suprotno tome, poznavajući strukturu molekule, mogu se zaključiti kemijska svojstva spoja.

Teorija kemijske strukture objašnjava raznolikost organskih spojeva. To je zbog sposobnosti četverovalentnog ugljika da formira ugljikove lance i prstenove, kombinira se s atomima drugih elemenata i prisutnosti izomerije u kemijskoj strukturi organskih spojeva. Ta je teorija postavila znanstvene temelje organske kemije i objasnila njezine najvažnije zakonitosti. Temeljna načela svoje teorije A.M. Butlerov je to opisao u svom izvješću "O teoriji kemijske strukture".

Glavni principi teorije strukture su sljedeći:

1) u molekulama su atomi međusobno povezani u određenom nizu u skladu s njihovom valencijom. Redoslijed kojim se atomi vezuju naziva se kemijska struktura;

2) svojstva tvari ovise ne samo o tome koji su atomi iu kojoj količini uključeni u njezinu molekulu, već io redoslijedu kojim su međusobno povezani, tj. o kemijskoj strukturi molekule;

3) atomi ili skupine atoma koji tvore molekulu međusobno utječu jedni na druge.

U teoriji kemijske strukture velika se pozornost posvećuje međusobnom utjecaju atoma i skupina atoma u molekuli.

Kemijske formule koje prikazuju redoslijed kojim su atomi spojeni u molekule nazivaju se strukturne formule ili formule strukture.

Važnost teorije kemijske strukture A.M. Butlerova:

1) najvažniji je dio teorijske osnove organske kemije;

2) po važnosti se može usporediti s periodnim sustavom elemenata D.I. Mendeljejev;

3) omogućio je sistematizaciju ogromne količine praktičnog materijala;

4) omogućilo je unaprijed predvidjeti postojanje novih tvari, kao i naznačiti načine za njihovo dobivanje.

Teorija kemijske strukture služi kao temelj za sva istraživanja u organskoj kemiji.

12 fenoli, hidroksi derivati aromatski spojevi, koji sadrži jednu ili više hidroksilnih skupina (–OH) vezanih na ugljikove atome aromatske jezgre. Na temelju broja OH skupina razlikuju se jednoatomni spojevi, na primjer, oksibenzen C 6 H 5 OH, koji se obično naziva jednostavno fenol, hidroksitolueni CH 3 C 6 H 4 OH - tzv krezoli, oksinaftaleni – naftoli, dvoatomni, na primjer dioksibenzeni C 6 H 4 (OH) 2 ( hidrokinon, pirokatehin, rezorcinol), poliatomski, na primjer pirogalol, floroglucinol. F. - bezbojni kristali s karakterističnim mirisom, rjeđe tekućine; visoko topljiv u organskim otapalima (alkohol, eter, ensol). Posjedujući kisela svojstva, fosfor stvara produkte slične soli - fenolate: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar je aromatski radikal). Alkilacijom i acilacijom fenolata nastaju fosforni esteri - jednostavni ArOR i složeni ArOCOR (R je organski radikal). Esteri se mogu dobiti izravnom reakcijom fosfora s karboksilnim kiselinama, njihovim anhidridima i kiselim kloridima, nastaju npr. fenolne kiseline. salicilna kiselina. Za razliku od alkoholi, hidroksilna skupina F. se vrlo teško zamjenjuje halogenom. Elektrofilna supstitucija u jezgri fosfora (halogeniranje, nitriranje, sulfoniranje, alkiliranje itd.) provodi se mnogo lakše nego u nesupstituiranim aromatskim ugljikovodicima; šalju se zamjenske grupe orto- I par-položaj u OH skupini (vidi Pravila orijentacije). Katalitička hidrogenacija F. dovodi do alicikličkih alkohola, na primjer C 6 H 5 OH se reducira u cikloheksanol. F. također karakteriziraju reakcije kondenzacije, na primjer, s aldehidima i ketonima, koji se koriste u industriji za proizvodnju fenolnih i resorcinol-formaldehidnih smola, difenilolpropana i drugih važnih proizvoda.

Fosfati se dobivaju npr. hidrolizom odgovarajućih halogenih derivata, alkalnim taljenjem arilsulfonskih kiselina ArSO 2 OH, te izoliraju iz katrana ugljena, katrana smeđeg ugljena itd. Fizika je važna sirovina u proizvodnji raznih polimera, ljepila , boje i lakovi, bojila i lijekovi (fenolftalein, salicilna kiselina, salol), površinski aktivne tvari i mirisi. Neki se F. koriste kao antiseptici i antioksidansi (na primjer, polimeri, ulja za podmazivanje). Za kvalitativnu identifikaciju željeznog klorida koriste se otopine željeznog klorida koje sa željeznom kiselinom stvaraju obojene produkte. F. su otrovni (vidi Otpadne vode.).

13 alkani

opće karakteristike

Ugljikovodici su najjednostavniji organski spojevi koji se sastoje od dva elementa: ugljika i vodika. Zasićeni ugljikovodici ili alkani (međunarodni naziv) su spojevi čiji se sastav izražava općom formulom C n H 2n+2, gdje je n broj ugljikovih atoma. U molekulama zasićenih ugljikovodika atomi ugljika međusobno su povezani jednostavnom (jednostrukom) vezom, a sve ostale valencije zasićene su atomima vodika. Alkani se također nazivaju zasićeni ugljikovodici ili parafini (izraz "parafini" znači "niski afinitet").

Prvi član homolognog niza alkana je metan CH4. Završetak -an tipičan je za nazive zasićenih ugljikovodika. Zatim slijede etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10. Počevši od petog ugljikovodika, naziv se sastoji od grčkog broja koji označava broj ugljikovih atoma u molekuli i završetka -an. Ovo je pentan C 5 H 12 heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dekan C 10 H 22 itd.

U homolognom nizu uočava se postupna promjena fizičkih svojstava ugljikovodika: povećavaju se vrelište i talište, povećava se gustoća. U normalnim uvjetima (temperatura ~ 22°C), prva četiri člana niza (metan, etan, propan, butan) su plinovi, od C 5 H 12 do C 16 H 34 su tekućine, a od C 17 H 36 su čvrste tvari.

Alkani, počevši od četvrtog člana niza (butana), imaju izomere.

Svi alkani su zasićeni vodikom do granice (maksimuma). Njihovi ugljikovi atomi su u stanju sp 3 hibridizacije, što znači da imaju jednostavne (jednostruke) veze.

Nomenklatura

Imena prvih deset članova niza zasićenih ugljikovodika već su dana. Kako bi se naglasilo da alkan ima ravni ugljikov lanac, nazivu se često dodaje riječ normalan (n-), na primjer:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3

n-butan n-heptan

(normalni butan) (normalni heptan)

Kada se atom vodika ukloni iz molekule alkana, nastaju jednovalentne čestice koje se nazivaju ugljikovodični radikali (skraćeno R). Imena jednovalentnih radikala izvedena su iz imena odgovarajućih ugljikovodika s završetkom –an zamijenjenim s –il. Evo relevantnih primjera:

Radikale ne tvore samo organski, već i anorganski spojevi. Dakle, ako od dušične kiseline oduzmete hidroksilnu skupinu OH, dobit ćete monovalentni radikal - NO 2, koji se naziva nitro skupina itd.

Kada se dva atoma vodika uklone iz molekule ugljikovodika, dobiju se dvovalentni radikali. Njihova su imena također izvedena iz imena odgovarajućih zasićenih ugljikovodika sa završetkom -an zamijenjenim s -iliden (ako su atomi vodika odvojeni od jednog atoma ugljika) ili -ilenom (ako su atomi vodika uklonjeni iz dva susjedna atoma ugljika) . Radikal CH 2 = naziva se metilen.

Nazivi radikala koriste se u nomenklaturi mnogih derivata ugljikovodika. Na primjer: CH 3 I - metil jodid, C 4 H 9 Cl - butil klorid, CH 2 Cl 2 - metilen klorid, C 2 H 4 Br 2 - etilen bromid (ako su atomi broma vezani na različite atome ugljika) ili etiliden bromid (ako su atomi broma vezani na jedan atom ugljika).

Za imenovanje izomera široko se koriste dvije nomenklature: stara – racionalna i moderna – supstitucijska, koja se još naziva i sustavnom ili međunarodnom (predložila ju je Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju IUPAC).

Prema racionalnoj nomenklaturi, ugljikovodici se smatraju derivatima metana, u kojima je jedan ili više vodikovih atoma zamijenjeno radikalima. Ako se isti radikali ponavljaju nekoliko puta u formuli, tada se označavaju grčkim brojevima: di - dva, tri - tri, tetra - četiri, penta - pet, heksa - šest itd. Na primjer:

Racionalna nomenklatura pogodna je za ne baš složene veze.

Prema supstitucijskoj nomenklaturi naziv se temelji na jednom ugljikovom lancu, a svi ostali fragmenti molekule smatraju se supstituentima. U ovom slučaju odabire se najduži lanac ugljikovih atoma, a atomi lanca se numeriraju od kraja kojemu je ugljikovodični radikal najbliži. Tada nazivaju: 1) broj ugljikovog atoma kojemu je radikal pridružen (počevši od najjednostavnijeg radikala); 2) ugljikovodik koji ima dugi lanac. Ako formula sadrži nekoliko identičnih radikala, tada ispred njihovih imena navedite broj riječima (di-, tri-, tetra-, itd.), a brojevi radikala su odvojeni zarezima. Evo kako bi se izomeri heksana trebali zvati prema ovoj nomenklaturi:

Evo složenijeg primjera:

I supstitucijska i racionalna nomenklatura koriste se ne samo za ugljikovodike, već i za druge klase organskih spojeva. Za neke organske spojeve koriste se povijesno utvrđeni (empirijski) ili tzv. trivijalni nazivi (mravlja kiselina, sumporni eter, urea i dr.).

Pri ispisivanju formula izomera lako je uočiti da atomi ugljika u njima zauzimaju različite položaje. Atom ugljika koji je vezan samo na jedan atom ugljika u lancu naziva se primarnim, na dva se naziva sekundarnim, na tri je tercijarni, a na četiri je kvaternarni. Tako, na primjer, u posljednjem primjeru, atomi ugljika 1 i 7 su primarni, 4 i 6 su sekundarni, 2 i 3 su tercijarni, 5 je kvaternarni. Svojstva atoma vodika, drugih atoma i funkcionalnih skupina ovise o tome jesu li vezani na primarni, sekundarni ili tercijarni atom ugljika. O tome uvijek treba voditi računa.

Priznanica. Svojstva.

Fizička svojstva. U normalnim uvjetima, prva četiri člana homolognog niza alkana (C 1 - C 4) su plinovi. Normalni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) su tekućine, počevši od C 18 pa nadalje su krutine. Kako se broj ugljikovih atoma u lancu povećava, tj. Kako se relativna molekularna težina povećava, vrelište i talište alkana se povećavaju. Uz isti broj atoma ugljika u molekuli, razgranati alkani imaju niža vrelišta od normalnih alkana.

Alkani su praktički netopljivi u vodi, jer su njihove molekule niskopolarne i ne stupaju u interakciju s molekulama vode; dobro se otapaju u nepolarnim organskim otapalima kao što su benzen, ugljikov tetraklorid itd. Tekući alkani se međusobno lako miješaju.

Glavni prirodni izvori alkana su nafta i prirodni plin. Razne frakcije ulja sadrže alkane od C 5 H 12 do C 30 H 62. Prirodni plin sastoji se od metana (95%) s primjesama etana i propana.

Među sintetskim metodama za proizvodnju alkana mogu se razlikovati sljedeće:

1. Dobiva se iz nezasićenih ugljikovodika. Interakcija alkena ili alkina s vodikom ("hidrogenacija") događa se u prisutnosti metalnih katalizatora (Ni, Pd) na
grijanje:

CH 3 -C≡CH + 2H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3.

2. Priprema iz halogeniranih vodiča. Kad se monohalogenirani alkani zagrijavaju s metalnim natrijem, dobivaju se alkani s dvostrukim brojem ugljikovih atoma (Wurtzova reakcija):

C2H5Br + 2Na + Br-C2H5 → C2H5 -C2H5 + 2NaBr.

Ova reakcija se ne provodi s dva različita halogenirana alkana jer rezultira smjesom tri različita alkana

3. Priprava iz soli karboksilnih kiselina. Kad se bezvodne soli karboksilnih kiselina spajaju s alkalijama, dobivaju se alkani koji sadrže jedan ugljikov atom manje u usporedbi s ugljikovim lancem izvornih karboksilnih kiselina:

4.Dobijanje metana. U električnom luku koji gori u atmosferi vodika nastaje značajna količina metana:

C + 2H 2 → CH 4.

Ista se reakcija događa kada se ugljik zagrijava u atmosferi vodika na 400-500 °C pri povišenom tlaku u prisutnosti katalizatora.

U laboratorijskim uvjetima metan se često dobiva iz aluminijeva karbida:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = ZSN 4 + 4Al (OH) 3.

Kemijska svojstva. U normalnim uvjetima alkani su kemijski inertni. Otporni su na djelovanje mnogih reagensa: ne stupaju u interakciju s koncentriranom sumpornom i dušičnom kiselinom, s koncentriranim i rastaljenim alkalijama, ne oksidiraju se jakim oksidacijskim sredstvima - kalijevim permanganatom KMnO 4 itd.

Kemijska stabilnost alkana objašnjava se velikom čvrstoćom C-C i C-H s-veza, kao i njihovom nepolarnošću. Nepolarne C-C i C-H veze u alkanima nisu sklone ionskom cijepanju, ali se mogu homolitički cijepati pod utjecajem aktivnih slobodnih radikala. Stoga su alkane karakterizirane reakcijama radikala, koje rezultiraju spojevima u kojima su atomi vodika zamijenjeni drugim atomima ili skupinama atoma. Posljedično, alkani stupaju u reakcije koje se odvijaju putem mehanizma radikalne supstitucije, označene simbolom S R (od engleskog, substitution radicalic). Prema tom mehanizmu atomi vodika najlakše se zamjenjuju na tercijarnim, zatim na sekundarnim i primarnim atomima ugljika.

1. Halogeniranje. Kada alkani reagiraju s halogenima (klor i brom) pod utjecajem UV zračenja ili visoke temperature, nastaje smjesa produkata mono- do polihalogenom supstituiranih alkana. Opća shema ove reakcije prikazana je na primjeru metana:

b) Rast lanca. Radikal klora uklanja atom vodika iz molekule alkana:

Cl + CH 4 → HCl + CH 3

U tom slučaju nastaje alkilni radikal koji uklanja atom klora iz molekule klora:

CH 3 + Cl 2 → CH 3 Cl + Cl

Ove se reakcije ponavljaju dok se lanac ne prekine u jednoj od reakcija:

Cl + Cl → Cl 2, CH 3 + CH 3 → C 2 H 6, CH 3 + Cl → CH 3 Cl

Ukupna jednadžba reakcije:

U radikalskim reakcijama (halogeniranje, nitriranje) najprije se miješaju atomi vodika na tercijarnim atomima ugljika, zatim na sekundarnim i primarnim atomima ugljika. To se objašnjava činjenicom da se veza između tercijarnog atoma ugljika i vodika najlakše kida homolitički (energija veze 376 kJ/mol), zatim sekundarna (390 kJ/mol), a tek onda primarna (415 kJ /mol).

3. Izomerizacija. Normalni alkani se pod određenim uvjetima mogu pretvoriti u alkane razgranatog lanca:

4. Krekiranje je hemolitičko cijepanje C-C veza, koje nastaje zagrijavanjem i pod utjecajem katalizatora.
Kada se krekiraju viši alkani, nastaju alkeni, a kada se krekiraju metan i etan, nastaje acetilen:

C 8 H 18 → C 4 H 10 + C 4 H 8,

2CH 4 → C 2 H 2 + ZN 2,

C 2 H 6 → C 2 H 2 + 2H 2.

Ove reakcije su od velike industrijske važnosti. Na taj se način naftne frakcije visokog vrelišta (loživo ulje) pretvaraju u benzin, kerozin i druge vrijedne proizvode.

5. Oksidacija. Blagom oksidacijom metana s atmosferskim kisikom u prisutnosti različitih katalizatora mogu se dobiti metilni alkohol, formaldehid i mravlja kiselina:

Blaga katalitička oksidacija butana s atmosferskim kisikom jedna je od industrijskih metoda za proizvodnju octene kiseline:

t°
2C 4 H 10 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O.
mačka

Na zraku alkani izgaraju do CO 2 i H 2 O:

C n H 2n+2 + (3n+1)/2O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O.

Alkeni

Alkeni (inače olefini ili etilenski ugljikovodici) su aciklički nezasićeni ugljikovodici koji sadrže jednu dvostruku vezu između ugljikovih atoma, tvoreći homologni niz s općom formulom CnH2n. Atomi ugljika na dvostrukoj vezi su u stanju sp² hibridizacije.

Najjednostavniji alken je eten (C2H4). Prema IUPAC-ovoj nomenklaturi, imena alkena tvore se od naziva odgovarajućih alkana zamjenom sufiksa “-ane” s “-ene”; Položaj dvostruke veze označen je arapskim brojem.

Homologne serije

Alkeni s više od tri ugljikova atoma imaju izomere. Alkene karakterizira izomerija ugljikovog skeleta, položaji dvostrukih veza, međurazredni i geometrijski.

Fizička svojstva

Točke taljenja i vrelišta rastu s molekularnom težinom i duljinom ugljikove okosnice.
U normalnim uvjetima, alkeni od C2H4 do C4H8 su plinovi; od C5H10 do C17H34 - tekućine, nakon C18H36 - krutine. Alkeni su netopljivi u vodi, ali lako topljivi u organskim otapalima.

Kemijska svojstva

Alkeni su kemijski aktivni. Njihova kemijska svojstva određena su prisutnošću dvostruke veze.
Ozonoliza: alken se oksidira u aldehide (u slučaju monosupstituiranih vicinalnih ugljika), ketone (u slučaju disupstituiranih vicinalnih ugljika) ili smjesu aldehida i ketona (u slučaju tri-supstituiranog alkena na dvostrukoj vezi) :

R1–CH=CH–R2 + O3 → R1–C(H)=O + R2C(H)=O + H2O
R1–C(R2)=C(R3)–R4+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(R4)=O + H2O
R1–C(R2)=CH–R3+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(H)=O + H2O

Ozonoliza u teškim uvjetima - alken se oksidira u kiselinu:

R"–CH=CH–R" + O3 → R"–COOH + R"–COOH + H2O

Veza dvostruke veze:
CH2=CH2 +Br2 → CH2Br-CH2Br

Oksidacija perkiselinama:
CH2=CH2 + CH3COOOH →
ili
CH2=CH2 + HCOOH → HOCH2CH2OH