POWRÓT

SEMESTR II

WĘGLOWODORY - POCHODNE


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Pochodne węglowodorów
Alkohole, fenole
Aldehydy, ketony
Kwasy karboksylowe

 

Pochodne węglowodorów

   


Węglowodory należą do podstawowych związków organicznych i podlegają reakcjom chemicznym, podczas których powstają nowe związki organiczne. Ilość tych nowych związków organicznych jest bardzo duża a zawdzięczamy to zjawisku izomerii oraz zdolności do tworzenia różnorodnych łańcuchów przez atomy węgla. Obecnie zajmiemy się tą grupą związków organicznych w których atomy wodoru w cząsteczkach węglowodorów zastąpione są atomami lub grupami atomów innych pierwiastków. Otrzymana grupa związków organicznych nosi nazwę pochodnych węglowodorów.
Cząsteczki tych połączeń zbudowane są z grupy węglowodorowej (alkilowej lub arylowej) oraz podstawnika, zwanego grupą funkcyjną.

Grupa funkcyjna - jest to atom lub grupa atomów, które w połączeniu z grupą węglowodorową tworzą cząsteczkę pochodnej węglowodorowej i nadają danej grupie połączeń charakterystyczne właściwości. Obecność jednej grupy funkcyjnej zalicza dany związek do jednofunkcyjnych pochodnych węglowodorów.

Najważniejsze grupy funkcyjne zestawiono w poniższej tabeli.

Grupa funkcyjna

Nazwa grupy funkcyjnej (Z)

Nazwa pochodnych

-F, -Cl, -Br, -I

Fluorowce (halogenki)

Fluorowcopochodne węglowodorów

-OH

Hydroksylowa

Jeżeli jest połączona z grupą alkilową - alkohole
Jeżeli jest połączona z grupą arylową - fenole

Aldehydowa

Aldehydy

Ketonowa

Ketony

Karboksylowa

Kwasy karboksylowe

-NH2

Aminowa

Aminy

-NO2

Nitrowa

Związki nitrowe

Z połączenia grupy funkcyjnej (Z) z grupą alkilową lub arylową otrzymujemy jednofunkcyjne pochodne, które przedstawiono w powyższej tabeli. Są to najważniejsze jednofunkcyjne pochodne, które mają praktyczne zastosowanie i z którymi wielokrotnie spotykamy się w codziennej działalności. Przykładem jest ocet który jest kwasem karboksylowym, alkohol, zmywacz do paznokci który jest ketonem o nazwie aceton, itp.

Do góry


 

Alkohole, fenole

   


Związki organiczne zawierające grupę funkcyjną Z = -OH można podzielić na trzy zasadnicze typy:

  • alkohole
  • fenole
  • enole.

Alkohole

Grupa funkcyjna Z = -OH grupa hydroksylowa w połączeniach tworzy związki typu:

  • alkanole o wzorze ogólnym CnH2n+1OH (alkohole)
  • alkandiole o wzorze ogólnym CnH2n(OH)2
  • alkantriole o wzorze ogólnym CnH2n-1(OH)3

Hybrydyzacja atomów tlenu - sp3.

Fenole

Fenole są to związki organiczne powstałe przez wprowadzenie do pierścienia aromatycznego w miejsce wodoru grupy (grup) -OH.
Wzór ogólny - ArOH


Nazewnictwo

Alkohole

W użyciu mają zastosowanie nazwy zwyczajowe i systematyczne.

  • nazewnictwo zwyczajowe (dotyczy prostszych alkoholi). Składaja się one z nazwy grupy alkilowej, poprzedzonej słowem alkohol. Przykład - alkohol etylowy.
  • nazewnictwo systemowe w którym:
    - jako strukture podstawową wybiera sie najdłuższy łańcuch weglowy. Struktura podstawowa ma nazwę w zależności od ilości atomów węgla, etanol, propanol,.... Nazwę tworzy się przez dodanie końcówki -ol
    - określamy cyfrą położenie grupy -OH
    - położenie każdej z pozostałych grup przyłączonych do łańcucha podstawowego określa się również odpowiednią cyfrą, np. 2-metylobutan-1-ol

  • alkohole zawierające w cząsteczce dwie grupy wodorotlenowe nazywane są ogólnie diolami (dawniej glikolami)
  • alkohole zawierające w cząsteczce trzy grupy wodorotlenowe nazywane są glicerynami

Alkohole propan-1-ol i propan-2-ol są przykładem występowania izomerii łańcuchowej wśród alkoholi.
Grupa węglowodorowa -R w cząsteczce alkoholu może pochodzić również od węglowodorów nienasyconych i wówczas otrzymuje się alkohole nienasycone, np.
prop-2-en-1-ol

CH2=CH-CH2-OH


Przykłady alkoholi:

metanol, alkohol metylowy

CH3-OH

etanol, alkohol etylowy

C2H5-OH

propan-1-ol, alkohol propylowy

CH3-CH2-CH2-OH


Przykłady alkoholi wielowodorotlenowych:


Rzędowość alkoholi

Ponadto alkohole klasyfikuje się według rzędowości węgla


Fenole Ar-OH

Fenole są związkami o ogólnym wzorze Ar-OH, w którym Ar oznacza fenyl, naftyl..... Fenole różnią się od alkoholi tym, że grupa -OH związana jest bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym.
Nazwy fenoli tworzy się na ogół od nazwy najprostszego przedstawiciela, a mianowicie fenolu. Metylofenole mają specyficzną nazwę krezole.

Właściwości chemiczne

Alkohole

O właściwościach chemicznych alkoholi decyduje obecność grupy hydroksylowej w cząsteczce. Reakcje alkoholi mogą polegać na rozerwaniu jednego z dwóch wiązań; albo wiązania C-OH z odszczepieniem grupy -OH, albo wiązania O-H z oderwaniem atomu H. Każda z tych przemian może polegać na reakcji substytucji, w której następuje wymiana grupy -OH lub atomu wodoru na inną grupę, albo na reakcji eliminacji, w wyniku której zostaje utworzone wiązanie podwójne. Oto przykłady.

Reakcja z halogenowodorami

R-OH + HX --> RX + H2O

CH3CH2CH2CH2-OH   +   HBr (48%)   <===>   CH3CH2CH2CH2-OH2(+) Br(-)   ---->   CH3CH2CH2CH2-Br   +   H2O

(CH3)3C-OH   +   HCl (37%)   <===>   (CH3)3C-OH2(+) Cl(-)   <===>   (CH3)3C(+) Cl(-)   +  H2O  --->  (CH3)3C-Cl   +   H2O

Reakcja z trójhalogenkami fosforu

R-OH + PX3 --> RX + H3PO4 (PX3 = PBr3, PI3)

Reakcja dehydratacji

Rekcja dehydratacji przebiega w środowisku kwasowym np. H2SO4.

CH3-CH2OH --> CH2=CH2 + H2O

Reakcje alkoholi z metalami aktywnymi

Metalami aktywnymi są: Na, K, Al

2CH3-CH2OH + 2Na --> 2CH3-CH2ONa + H2

Reakcja tworzenia estrów

Reakcja tworzenia estrów przebiega w środowisku kwasowym np.H2SO4

CH3-CH2OH + CH3COOH --> CH3COOC2H5 + H2O

Mechanizm reakcji

Estrami są;

  • tłuszcze
  • substancje zapachowe
  • woski
  • inne

Estry o miłym zapachu wykorzystywane są wykorzystywane w przemyśle kosmetycznym i spożywczym (aromaty spożywcze). Zapach kwiatów i owoców to zapach estrów, które znajdują się w tych produktach przyrody.

Szczególną grupę estrów stanowią tłuszcze, którym jest poswięcony jeden kolejnych działów.


Fenole

Najbardziej charakterystyczną właściwością chemiczną fenoli jest ich kwasowość i zdolność tworzenia soli.

ArOH + H2O <=> ArO- + H3O+

Oprócz kwasowości, fenole charakteryzują się dużą reaktywnością pierścienia w reakcjach substytucji elektrofilowej.
Fenole ulegają nie tylko reakcjom podstawienia elektrofilowego, typowym dla większości związków aromatycznych, lecz także wielu innym reakcjom, które możliwe są tylko dzięki niezwykłej reaktywności pierścienia. Do tych reakcji zaliczamy;

  • reakcja tworzenia eterów - synteza Williamsona

    ArO- + RX ----> ArOR + X-

  • reakcja tworzenia estrów

  • Substytucja w pierścieniu
    Przykładami reakcji substytucji elektrofilowej są następujące reakcje chemiczne.
    • reakcja nitrowania

      W wyniku działania stężonego kwasu azotowego na fenol powstaje 2,4,6-trinitrofenol (kwas pikrynowy)

    • reakcja sulfonowania

    • reakcja halogenowania

      Bromowanie w obecności CS2 i w temperaturze 0oC daje produkt o nazwie p-bromofenol.

    • alkilowananie metodą Friedla-Craftsa
    • acylowanie metodą Friedla-Craftsa
    • karboksylowanie

    • tworzenie aldehydów - reakcja Reimera-Tiemanna


Do góry


 

Aldehydy, ketony

   


Aldehydami nazywami pochodne węglowodorów zawierające w cząsteczce grupę aldehydową -CHO, natomiast ketonami nazywami nazywamy pochodne węglowodorów zawierające w cząsteczce grupę ketonową =C=O.
Symbol aldehydów - RCHO, ketonów - RCOR1
Hybrydyzacja atomów grupy karbonylowej- Csp2 i Osp.
Podstawowe wiązanie w grupie karbonylowej - s i p


Nazewnictwo

Nazewnictwo aldehydów


Nazwy zwyczajowe aldehydów pochodzą od nazw zwyczajowych odpowiednich kwasów karboksylowych, w których słowo "kwas" zastąpiono słowem"aldehyd", np. aldehyd mrówkowy.
W nazwach systematycznych nazwy wyprowadzamy od nazwy weglowodoru dodając końcówkę -al

Przykłady:

metanal, aldehyd mrókowy

HCHO

etanal, aldehyd octowy

CH3-CHO

aldehyd benzoesowy (aromatyczny)

C6H5-CHO


Nazewnictwo ketonów

Ketony mogą być; alifatyczne, alifatyczno-aromatyczne i aromatyczne.

Zasady nazewnictwa są podobne do tych które były opisywane przy aldehydach.
Nazwę ketonu tworzy się przez dodanie końcówki -on do nazwy węglowodoru.

Przykłady:

propanon, aceton

2-butanon, keton etylo-metylowy

C2H5COCH3

acetofenon (aromatyczny)

C6H5COCH3

Aldehydy i ketony dają szereg reakcji uwarunkowanych obecnością grupy karbonylowej C=O. Jest to grupa silnie spolaryzowana.
Aldehydy i ketony podlegają reakcjom

  • utleniania
  • redukcji
  • addycja związków Grignarda
  • addycji alkoholi i wody
  • addycja pochodnych amoniaku
  • addycji wodorosiarczanu, hydroksyloaminy, hydrazyny, cyjanków
  • kondensacja aldolowa
  • reakcji Cannizaro.

Przykłady:

Utlenianie aldehydów i ketonów

Utleniaczem może być KMnO4, K2Cr2O7 lub Ag(NH3)2+)

RCHO lub ArCHO --> RCOOH lub ArCOOH

najbardziej znana reakcja jest reakcja "lustra srebrnego", wykorzystywana do wykrywania aldehydów

CH3CHO + 2Ag(NH3)2+ + 3OH- --> 2Ag + CH3COO- + 4NH3 + H2O

Redukcja aldehydów i ketonów

Produktami redukcji moga być alkohole lub węglowodory.
Redukcja do alkoholi
Reakcja przebiega z udziałem katalizatorów Ni, Pt lub Pd, LiAlH4 lub NaBH4.

RCHO + H2 --> RCH2OH

Redukcja do węglowodorów
Reakcja przebiega z udziałem katalizatorów Zn + stęż.HCl lub NH2NH2.

C6H5-CO-CH2CH3 ----> C6H5-CH2-CH2CH3

Do góry


 

Kwasy karboksylowe

   


Kwasami karboksylowymi nazywami pochodne węglowodorów zawierające w cząsteczce grupę karboksylową -COOH.

Symbol kwasów karboksylowych - RCOOH, ArCOOH
Hybrydyzacja atomu węgla- Csp2.
Podstawowe wiązania - s i p i pojedyńcze z grupą -OH.


Nazewnictwo

Kwasy karboksylowe były znane od dawna, stąd często spotykamy ich nazwy zwyczajowe , np. kwas octowy, kwas mrówkowy, kwas masłowy,....
Nazwy systematyczne tworzy się od nazwy węglowodoru o tej samej liczbie atomów węgla przez dodanie końcówki -owy

Przykłady:

kwas metanowy, kwas mrówkowy

HCOOH

kwas etanowy, kwas octowy

CH3COOH

kwas benzoesowy (aromatyczny)

C6H5COOH


Oprócz kwasów jednokarboksylowych , spotykane są kwasy wielokarboksylowe, nazywane kwasami polikarboksylowymi. Przykładem jest kwas szczawiowy HOOC-COOH, kwas malonowy HOOC-CH2-COOH, ....itd. W podanych przykładach były podane nazwy zwyczajowe. ale jak wiemy obowiązuje nas stosowanie nazw systematycznych.
Jeżeli związek zawiera 2 grupy -COOH, to stosuje się przyrostek - diowy (HOOC-COOH kwas etanodiowy, HOOC-CH2-COOH kwas propanodiowy) lub gdy grupy -COOH są połączone z pierścieniem - przyrostek - dikarboksylowy. W każdym przypadku wstawia się "o" łącznikowe.
Nazwy kwasów trikarboksylowych, w których wszystkie grupy -COOH są bezpośrednio związane z numerowanym łańcuchem, tworzy się wyłącznie z przyrostka typu - trikarboksylowy itd, wstawiając "o" łącznikowe. Atomy węgla grup -COOH nie podlegają numeracji.


Właściwości fizyczne

1. Rozpuszczalność jest uzależniona od zawartości atomów w cząsteczce;
C1 - C4 - mieszają się z wodą w każdym stosunku
C5 - C12 - rozpuszczają się w bezwodnym alkoholu etylowym na zimno
> C13 - rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach organicznych.
2. Stan skupienia jest uzależniony od zawartości atomów w cząsteczce
C1 - C8 - ciecz
> C9 - ciała stałe
3. Łatwo krystalizują
4. Są mało lotne
5. Dyfrakcja promieni rentgenowskich wskazuje na zygzakowatą budowę łańcucha kwasu karboksylowego.

Właściwości chemiczne

Podstawowe właściwości chemiczne kwasów karboksylowych wynikają z obecności grupy karboksylowej -COOH.

Grupa ta jest tworzona z grupy karbonylowej =C=O i z grupy wodorotlenowej -OH. I to właśnie grupa -OH ulega każdej reakcji. Dzieje się tak między innymi obecności grupy karbonylowej.
Pozostała część cząsteczki kwasu (grupa alifatyczna lub aromatyczna, nasycona lub nienasycona), ulega reakcjom charakterystycznym dla tej struktury.

Charakterystyczne reakcje kwasów karboksylowych to;

  • kwasowość i tworzenie soli
  • przekształcenie w grupie funcyjnej w:
    • chlorki kwasowe
    • estry
    • amidy
  • redukcja

Kwasowość i tworzenie soli

Przykładem są reakcje dysocjacji i reakcje z metalami i wodorotlenkami z utworzeniem soli.

RCOOH <=> RCOO- + H+
CH3COOH + NaOH ---> CH3COONa + H2O

Przekształcenia w grupie funkcyjnej

Otrzymywanie chlorków kwasowych

reakcja przebiega z udziałem SOCl2, PCl3 i PCl5

Przykładem jest reakcja otrzymywania chlorku acetylu

3CH3COOH + PCl3 ----> 3CH3COCl + H3PO3

Przekształcenia w estry

Jest to reakcja, nazywana reakcją estryfikacji, która zachodzi pomiędzy kwasem karboksylowym a alkoholem w środowisku kwasowym (H+).
Przykładem jest reakcja pomiędzy kwasem octowym a alkoholem etylowym.

CH3COOH + C2H5OH <=> CH3COOC2H5 + H2O

Przekształcenia w amidy

Reakcja przebiega w dwóch etapach. W pierwszym etapie przekształcamy kwas karboksylowy w chlorek kwasowy udziałem SOCl2, a w drugim etapie działając amoniakiem na chlorek kwasowy otrzymujemy amid.

RCOOH + SOCl2 ----> RCOCl + SO2 + HCl
RCOCl + NH3 ----> RCONH2 + HCl

Redukcja

Jest reakcja, która pozwala nam przekształcać kwasy w alkohole. Reakcja przebiega z udziałem tetrahydrydyglinianu litowego (LiAlH4). W pierwszym etapie reakcji otrzymujemy alkoholan, który w wyniku hydrolizy uwalnia się alkohol.

4RCOOH + 3LiAlH4 ----> 4H2 + 2LiAlO2 + (RCH2O)4AlLi
(RCH2O)4AlLi + H2O ---> 4RCH2OH

Do góry


   

 

 (C) 2010 - 2013 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved