|  | ||||||||
|  | ||||||||
| | ||||||||
| | ||||||||
 |
kategória |  |
||||||||
|
|
||||||||||
 |
 |
|
|
|
|
|
||
|
|
SZÉNHIDROGÉNEK CSOPORTOSÍTÁSA
A legegyszerübb szerves vegyületek, a szénhidrogének csak szénböl és hidrogénböl épülnek fel. Közülük azokat a szénhidrogéneket, amelyekben a szénatomok e 525j92f gyszeres kötéssel kapcsolódnak egymáshoz telített szénhidrogéneknek nevezzük. Mivel a telített szénhidrogének nyílt szénláncúak és gyürüs szerkezetüek egyaránt lehetnek, ezért két csoportjukat különböztetjük meg, mégpedig az alkánokat és a cikloalkánokat.
A telítetlen szénhidrogénekben a szénatomok nemcsak egyszeres, hanem kettös és hármas kötésekkel is kapcsolódhatnak egymáshoz. A szén-szén kettös kötést tartalmazó vegyületek - annak megfelelöen, hogy nyílt láncúak vagy gyürüsek - lehetnek alkének, más néven olefinek vagy cikloalkének, a hármas kötést tartalmazó nyílt láncú telítetlen szénhidrogéneket pedig alkinoknak, illetve acetilén-szénhidrogéneknek nevezzük. A telítetlen gyürüs szénhidrogének különleges képviselöi az aromás vegyületek, amelyek legfontosabb képviselöje a benzol.
TELÍTETT SZÉNHIDROGÉNEK: ALKÁNOK ÉS CIKLOALKÁNOK
Földünkön az alkánok vagy más néven a paraffinok óriási mennyiségben fordulnak elö a köolaj és a földgáz alkotórészeiként. Mai tudásunk szerint ezek a vegyületek növényi és állati eredetü szerves anyagokból oxigéntöl elzárt térben bomlással képzödtek.
A földgáz kis szénatomszámú (C1-C4) nyílt láncú szénhidrogének keveréke. Ezzel szemben a köolaj nagyon változatos összetételü elegy, a sokféle alkán, cikloalkán és aromás szénhidrogén mellett oxigén-, nitrogén- és kéntartalmú vegyületeket is tartalmaz.
Az 1-5 szénatomos nyílt szénláncú paraffinok lehetséges szerkezeteit már korábban a konstitúciós izoméria tárgyalása során (l. ???. old.) bemutattuk. Az egymást követö, növekvö szénatomszámú alkánok sorozatában a szomszédos vegyületek minden esetben egy -CH2- csoporttal különböznek egymástól. Általános képletük CnH2n+2 - ahol n a szénatomok számát jelenti. Az ilyen analóg szerkezetü vegyületek sorozatát homológ sorozatnak nevezzük.
A nyílt láncú alkánok szénlánca lehet egyenes, más néven normál és lehet elágazó szerkezetü. Miként korábban láttuk, az azonos szénatomszámú normál és elágazó láncú paraffinok egymásnak szerkezeti izomerjei.
Az egyenes szénláncú vegyületek homológ sorozatának elsö négy tagját -án végzödésü triviális névvel jelöljük: metán, etán, propán és bután. Az öt szénatomos és az azt követö nagyobb szénatomszámú alkánok nevét a görög számnevekböl -án végzödéssel képezzük: C5 = pentán, C6 = hexán, C7 = heptán, C8 = oktán stb.
Az elágazó szénláncú izomer alkánok nevét a normál szerkezetü paraffinok elnevezéséböl a szubsztitúciós nómenklatúra szabályainak alkalmazásával származtatjuk:
Az izoalkán elnevezés csak az izobután és izopentán esetében megengedett. Ugyancsak használható a 2,2-dimetilpropán esetén a neopentán név is.
Az alkánokból egy vagy több hidrogén elvételével kapott egy vagy több szabadvegyértékü csoportok nevét az alapnévböl -il, -diil vagy -ilidén, -triil vagy -ilidin utótagokkal képezzük.
Egy szabadvegyértékü csoportok:
Gyakran használjuk a megengedett triviális neveket is például: szek-butil, terc-butil, izopropil stb. Ezekben a szek-, terc- elötagok a szénatom rendüségére utalnak.
Két szabadvegyértékü csoportok:
Három szabadvegyértékü csoport:
Az egy vagy több gyürüt tartalmazó telített szénhidrogéneket cikloalkánoknak vagy cikloparaffinoknak nevezzük.
Ezek a vegyületek csak egy gyürüt tartalmaznak. Homológ sorozatuk általános képlete CnH2n. Nevüket a megfelelö normál szénláncú alkán nevéböl a ciklo- elötaggal képezzük.
A vegyületeket gyakran a megfelelö poligonnal ábrázoljuk a szénatomok és a hidrogénatomok feltüntetése nélkül. A szubsztituált származékok elnevezésénél a gyürü számozását - amennyiben a szubsztituensek minden esetben azonos helyzetszámot kapnának - az ábécérendben elsö szubsztituensnél kezdjük. A csoportnevekben a szabad vegyértékü atom a legkisebb helyzetszámot kapja.
A többgyürüs cikloalkánokat attól függöen, hogy a szomszédos gyürüknek hány közös szénatomjuk van négy csoportba sorolhatjuk: izolált gyürüs policikloalkánok, spiránok, kondenzált és áthidalt gyürüs cikloalkánok.
Az ilyen vegyületekben a két vagy több gyürünek nincs közös szénatomja. A gyürük közvetlenül is összekapcsolódhatnak, de lehet köztük egy vagy több szénatom is. Ez utóbbi esetben az összekötö alkillánc neve lesz a vegyület alapneve.
A spiránok szomszédos gyürüi egy közös ún. spiroszénatomon keresztül kapcsolódnak össze. A vegyület nevét az azonos szénatomszámú alkán nevéböl a spiro-elötaggal képezzük, és szögletes zárójelben adjuk meg a gyürük nem-közös szénatomjainak a számát. A számozást a kisebb szénatomszámú gyürün kezdjük.
Ha a két- vagy többgyürüs policiklusban a szomszédos gyürük két közös szénatommal kapcsolódnak össze, kondenzált gyürürendszerröl beszélünk, ha pedig kettönél több közös szénatom köti össze a gyürüket, akkor áthidalt gyürürendszerként említjük.
Mindkét vegyülettípus nevét az azonos szénatomszámú alkán nevéböl származtatjuk, a biciklo-, triciklo-, tetraciklo- stb. elötagokkal, attól függöen, hogy a vegyület hány gyürüt tartalmaz. Ezt követöen megnézzük, hogy a hídföatomokat hány szénatom kapcsolja össze. Ezek számát szögletes zárójelben csökkenö érték szerint adjuk meg. A gyürürendszer számozása az egyik hídföatomon kezdödik és a leghosszabb hídon a másik hídföig halad, majd a következö leghosszabb hídon a kiinduló hídföig folytatódik. Ez a két híd képezi a rendszer fögyürüjét. Végül az elsö hídföhöz legközelebbi atomon kezdve a legrövidebb hidat számozzuk be.
A három és többgyürüs rendszerek esetén a további áthidalások (másodlagos hidak) kapcsolódási helyét a szénatomszámot jelölö szám felsö indexeként, a fögyürü számozása alapján adjuk meg.
Egyes gyürürendszerek triviális nevét a belölük levezethetö aromás rendszerek (naftalin, antracén, fenantrén stb.) nevéböl perhidro elötaggal képezzük. A számozásuk az alapvegyületnek megfelelöen történik.
ALKÁNOK SZERKEZETE
A legegyszerübb telített szénhidrogénben, a metánban valamennyi C-H kötés 109,4 pm hosszú és azonos kötésszöget (109,5 ) zár be. A szénatomoknak ezt a tetraéderes vegyértékorientációját 1874-ben van't Hoff és Le Bell a tetraszubsztituált metánszármazékok optikai izoméria jelenségeinek vizsgálata során ismerte fel (l. ???. old.). A tetraéderes vegyértékorientációt a szénatom sp3 hibridállapota eredményezi (l. ???. old.).
Hasonló módon értelmezhetö az etán szerkezete is, azzal a kiegészítéssel, hogy a C-H s-kötések mellett a molekulában C-C s-kötés is van.
A C-C egyszeres kötés szabad rotációja miatt a vegyület különbözö konformációt vehet fel (l. ???. old.). Az el nem ágazó nyílt láncú alkánok kristályait nyújtott lánc alakú molekulák építik fel, amelyekben a szomszédos szénatomok nyitott (antiperiplanáris) konformációban vannak.
A cikloalkánokban az alkánokhoz hasonlóan a szénatomok egyszeres kötésekkel kapcsolódnak össze, mégis ha modellezni akarjuk a vegyületeket, a három és négytagú gyürük felépítése tetraéderes szénatomokból nehézségbe ütközik.
A 109,5 -os kötésszögek helyett a síkalkatú ciklopropánban 60 , a ciklobutánban pedig 90 a gyürüt alkotó szénatomok kötésszöge. Ezt a kötésszög torzulásából eredö Baeyer-feszültséget a fedöállású hidrogénatomok kölcsönös taszításából származó torziós feszültség (más néven Pitzer-feszültség) tovább növeli.
A ciklopropán esetében olyan mérvü a kötésszögtorzulás (49,5 ), hogy nem valósulhat meg az sp3 hibridpályák tökéletes átlapolása, ezért a szénatomok közötti maximális elektronsürüség helye nem a két atommag közötti egyenesre, hanem egy körívre esik. Az ilyen kötést hajlított- vagy banánkötésnek nevezzük.
A ciklobután kötésszögtorzulása kisebb (19,5 ), mivel a vegyület a síkalkatból kimozdulva csökkenti a torziós feszültséget.
A síkalkatú ciklopentánban mindössze 1,5 a kötésszögtorzulás. A vegyület a síkból kiforduló boríték, valamint csavart konformáció egyensúlyi elegyeként létezik, ami a torziós feszültségek csökkenését eredményezi.
A tetraéderes szénatomokból feszültségmentesen lehet felépíteni a nem síkalkatú ciklohexánt. A hattagú gyürük konformációs mozgásait részletesen elemeztük a 2.fejezetben.
A cikloalkánok egymáshoz viszonyított relatív stabilitása jól jellemezhetö a vegyületek képzödéshö (DHf ) értékeivel (l. ???. old.). Mivel a képzödéshö az adott vegyület égéshö adataiból (DH ) a termokémia ismert tételei alapján kiszámítható, ezért az égéshöértékek közvetlenül a vegyületek stabilitási viszonyait jellemzik.
Például, a bután és izobután esetében az égéshö adatokból kitünik, hogy az izobután stabilabb, mint a bután, mert kevesebb hö szabadul fel égése során.
Az el nem ágazó nyílt láncú alkánok égéshö adataiból egyszerüen megadható egyetlen -CH2- csoportra esö átlagos égéshöérték, ami 658,6 kJ mol-1.
Ha a fenti értéket összevetjük a cikloparaffinok 2.1. táblázatban szereplö égéshö adataival, következtetésként megállapíthatjuk, hogy a ciklohexán a legstabilabb, mivel egyetlen -CH2- csoportjára esö égéshöértéke a legkisebb, s ami egyben megegyezik a nyílt láncú alkánok átlagos értékeivel. A termokémiai adatokból a gyürüfeszültség - kJ mol-1 értékben kifejezett - nagyságára következtethetünk.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A természetben - mint már utaltunk rá - nagy mennyiségben és nagy változatossággal fordulnak elö szénhidrogének a földgázban és a köolajban. A háztartásokban is használt földgáz - kevés etén mellett - föleg metánt tartalmaz. Az ún. nedves földgáz nagyobb szénatomszámú alkánokat (propánt és butánt) is tartalmaz, amelyek cseppfolyósítással különíthetök el.
A köolaj is tartalmaz 1-4 szénatomos alkánokat oldott formában, bár fö tömegét az ötnél nagyobb szénatomszámú alkánok, cikloalkánok és aromás szénhidrogének adják. Köolajfinomítókban az egyes komponenseket forráspontkülönbség alapján szétválasztják, oly módon, hogy a köolajat 400 C-on gözzé alakítják, majd a gözökböl szakaszos lehütéssel (frakcionált kondenzációval) különbözö köolajpárlatokat nyernek (2.2. táblázat).
2.2. táblázat. Köolajpárlatok forráspontjai
|
Párlat neve |
Forráspont ( C) |
|
|
|
petroléter könnyü benzin ligroin nehéz benzin |
|
|
petróleum (kerozin) |
|
|
|
|
||
|
350 felett |
||
A legmagasabb forráspontú frakciót, a pakurát vákuumban további tisztításnak vetik alá, és így nyerik a kenöolajat, a vazelint és a paraffinokat. A tisztítási müvelet végsö maradéka a bitumen.
A köolajfinomítás során nyert egyes párlatok szintén szénhidrogének elegyei. Gyakorlati felhasználásuk történhet e keverékek formájában, de szétválasztásukra is van mód. Általában azonban az alkánok tiszta állapotban történö elöállítására a különbözö szintézisek használatosak.
Alkénekböl, alkinekböl és alkil-halogenidekböl katalitikus hidrogénezéssel
Alkének és alkinek katalitikus hidrogénezése alkánokat eredményez.
A hidrogénezési reakció exoterm folyamat, bár nagy aktiválási energiája miatt a reakció még magas hömérsékleten sem önként játszódik le. Katalizátor alkalmazásával a reakció kisebb aktiválási energiát igénylö úton megy végbe. Katalizátorként leggyakrabban a reakcióelegyben oldhatatlan hordozófelületre (pl. elemi szénre) molekuláris rétegben felvitt palládiumot vagy platinát alkalmaznak.
A hidrogénezési reakció elsö lépéseként a hidrogénmolekula és az olefin adszorbeálódik a katalizátor felületén. Ezt követöen részint a hidrogénmolekula s-kötése felhasad, és a hidrogénatomok alakítanak ki újabb kötéseket a katalizátorral, másrészt az alkén p-kötése(i) is kölcsönhatásba lép(nek) a katalizátorral, és annak felületén szabadon mozogva összekapcsolódnak a hidrogénatomokkal. Végül a redukálódott termék leválik a felületröl (2.1. ábra).
:
13072
