Építőanyagok és kémia II. Szerves-, és Polimerkémia

Átírás

1 Építőanyagok és kémia II. Szerves-, és Polimerkémia Építéskivitelezési és Alaptárgyi Intézet Építőanyagok és Minőségirányítás Szakcsoport 2012/2013. II. félév Összeállította:Leczovics Péter mérnöktanár

2 Szerves kémia A szerves kémia elnevezés onnan ered, hogy sokáig azt hitték, csak az élő szervezet képes előállítani az őket felépítő szénvegyületeket. Ezt az álláspontot (vis vitalis elmélet) Friedrich Wöhler cáfolta meg, amikor 1828-ban szervetlen anyagból kiindulva karbamidot, szerves szénvegyületet állított elő. Szerves vegyületek A szerves vegyületek molekulákból felépülő, széntartalmú vegyületek. A molekulákban a szénatomok többnyire szénatomláncokat képeznek, úgy, hogy egyes, kettős, vagy hármas kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Vannak azonban egy szénatomos szerves vegyületek is, pl. a metán vagy a Wöhler-kísérletben előállított karbamid. A szerves vegyületeket felépítő elemeket organogén elemeknek nevezzük: C, H, N, O, halogének (F, Cl, Br, I), S, P. (Szén láncok)

3 Szénatomláncok A szénláncokban a kovalens kötések irányítottak, azaz meghatározott szöget zárnak be, és a kötéstávolság is jól meghatározott értékű. Ebből kifolyólag a molekuláknak sajátos alakja van. Lehetnek: Telített láncok Telítetlen láncok (Telített láncok)

4 Telített láncok A telített szénláncokban a szénatomok sp 3 hibridállapotban vannak, és egyes kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. bután - 4 C-atomból álló lánc szerkezeti képlete (síkképlet) A bután - 4 C-atomból álló lánc 3D molekula-modellje Konformáció Az egyes kovalens kötéssel kapcsolódó szénatomok az egyes kötés tengelye körül egymáshoz képest elfordulhatnak, így a molekula különböző alakokat vehet fel. Például az etán konformációi: különböző 3D szerkezetei, melyek csak az egyszeres kötés körüli elforgatásban különböznek egymástól: nyílt állás fedő állás (Telítetlen láncok)

5 Telítetlen láncok Az ún. telítetlen szénláncokban a szénatomok egy része (legalább két-két szénatom) sp 2 vagy s hibridállapotban van, és kettős, vagy hármas kötéssel kapcsolódik egymáshoz. Ezek szerkezete az etén, propén, illetve acetilén szerkezetével, illetve molekulamodelljével szemléltethető. (csoportosítás )

6 A telített és telítetlen szénláncok osztályozása egyenes láncok: pl. a már említett bután. Az egyenes láncú butánt normál-butánnak (n-bután) nevezzük. elágazó láncok: a bután elágazó láncú izomerje a 2-metil-propán (izobután). A bután és a 2-metil-propán (izobután) azonos számú szén-és hidrogénatomot tartalmaz, ezért ezek egymásnak láncizomerjei. gyűrűs láncok: például a ciklohexán (Aromás gyűrű)

7 Aromás gyűrű A legegyszerűbb aromás gyűrű a benzolgyűrű melynek szénatomjai sp² hibridállapotban vannak, és 6 atomból álló szabályos hatszög alakú, zárt láncot, gyűrűt, képeznek. A benzolt többféleképpen ábrázoljuk: A legegyszerűbb ábrázolásmód a Kekulé-féle képlet. A benzol szerkezete A benzol szerkezete (Kekulé képlet) A benzol szerkezete A benzol szerkezete (Kekulé képlet) (Mol.képlet)

8 Molekulaképlet A szerves vegyületek leírása nem elegendő a szerves vegyületek bonyolult összetételének leírására. Ismernünk kel az atomok kapcsolódási sorrendjét vagy más néven konstitúcióját, valamint az atomok egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződését is. (pl. CH 4, C 6 H 12 O 6 ) Szerkezeti képlet A legegyszerűbbek az úgynevezett vonal-képletek: a szén- és a hidrogénatomokat nem jelöljük azok vegyjelével, egy törés az egyenes vonalban a szén jelenlétét jelöli; a törések közötti kettős vagy hármas kötéstől, vagy elágazástól eltekintve, a szénatomok minden szabad vegyértékét egy hidrogénatom foglalja le. Konstitúciós képlete (síkképlet), Egyszerűsített konstitúciós képletei, Az atomok egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződését részben tükröző egyszerű konstitúciós képlet, Vonalképlete (Nomenklatura)

9 A szerves kémia nomenklatúrája Szerves vegyületek nagy száma és változatossága miatt már a kezdetben is felismerték, hogy igen fontos a szerves vegyületek elnevezésére egy nemzetközileg elfogadott rendszert felállítani. A genfi nomenklatúra jött létre 1892-ben. Azt is felismerték, hogy bármely rendszer a szerves anyagok számának gyarapodásával el fog avulni, bővítésére és változtatásokra lesz szükség. Ezt a feladatot az International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC kapta meg. (Csoportosítás)

10 A szerves vegyületek csoportosítása 1. Szénhidrogének Telített szénhidrogének Nyílt láncú szénhidrogének (Alkánok (Paraffinok) Zárt láncú (gyűrűs) szénhidrogének - Cikloalkánok (Cikloparaffinok) Telítetlen szénhidrogének Alkének (Olefinek) Di- és poliolefinek Alkinek Aromás szénhidrogének 2. Funkciós csoportot tartalmazó szénvegyületek Halogén-vegyületek Hidroxi-vegyületek Alkoholok Enolok Fenolok Éterek Nitrogéntartalmú-vegyületek aminok amidok Aminosavak és fehérjék nukleinsavak Oxovegyületek Aldehidek Ketonok Karbonsavak és észterek (zsírok) Szénhidrátok (szacharidok) (Reakció típusok)

11 A szerves vegyületek reakciótípusai A szerves reakciók típusai lehetnek: -szubsztitúciós (helyettesítéses reakció) a szerves vegyület egy atom(csoport)ja egy másik atom(csoport)ra cserélődik ki melléktermék képződése közben. Lehet nukleofil, elektrofil,valamint gyökös. A szubsztitúció a telített szénhidrogének (alkánok) jellemző reakciótípusa. R-X+Y' R-Y+X -addíciós két vagy több vegyület molekulája melléktermék képződése nélkül egyesül egymással. Két- vagy háromszoros kémiai kötéssel rendelkező vegyületek között fordul elő. -eliminációs egy vegyület kisebb molekula kilépése közben alakul új vegyületté. Az elimináció során a molekula vagy telítetlenné válik, vagy az átalakulás révén új gyűrű képződik. -átrendeződéses reakciók. A szerves reakciók jellege: több lépéses és összehangolt, azaz ionos-, gyökös-és elektrociklusos reakciók. (Szénhidrogének)

12 Szénhidrogének I. Csak szén és hidrogénatomokat tartalmaznak, nevük is erre utal. A legegyszerűbb szénhidrogén a metán, ebben a molekulában a szénatom mind a négy vegyértéke hidrogénatomhoz kapcsolódik. Sztöchiometriai összetételük és szerkezetük igen változatos. Az alkánok(vagy paraffinok) nyílt láncú telített szénhidrogének. Általános összegképletük C n H 2n+2 Telített szénhidrogének a cikloalkánok vagy cikloparaffinok is. Szénvázuk egy vagy több gyűrűt tartalmaz. Cikloalkánok például a ciklopentán és a dekalin. Általános összegképletük ezért C n H 2n

13 Szénhidrogének II. Az alkének egy vagy több szén-szén kétszeres kötést tartalmaznak. Telítetlen szénhidrogének, kevesebb hidrogénatomot tartalmaznak, mint az azonos szénatomszámú, telített szénhidrogének. A telítetlen szénhidrogéneket három csoportra osztják, ezek az alkének, az alkinek és az aromás szénhidrogének. A legegyszerűbb alkén az etilén vagy etén. Az alkének között is találhatók nyílt és zárt szénláncúak (gyűrűsek). Az egy kettős kötést tartalmazó nyílt láncú alkének, a monoolefinek általános összegképlete C n H 2n. Alkének például az etilén, butadién és a ciklohexén. A telítetlen szénhidrogének közé tartoznak az aromás szénhidrogének is. Ezek a vegyületek mindig tartalmaznak legalább egy gyűrűt. Gyakran több gyűrű is található a molekulájukban. Jellegzetes aromás kötésrendszert tartalmaznak. Az aromás szénhidrogénekre példa a benzol és a naftalin. A nem aromás vegyületeket alifás vegyületeknek nevezik.

14 Szénhidrogének III. Az alkinek(vagy acetilén-szénhidrogének) egy vagy több háromszoros szén-szén kötést tartalmazó szénhidrogének. A legegyszerűbb képviselőjük az acetilén. Léteznek zárt szénláncú (gyűrűs) alkinek is. Az egy háromszoros kötést tartalmazó alkinek általános összegképlete Alkin az acetilén mellett például a butadiin is. C n H 2n-2 (Alkánok)

15 Alkánok Az alkánoka telített szénhidrogének egyik csoportját alkotják (a másik csoport a gyűrűt tartalmazó cikloalkánok). Nyílt láncú vegyületek, lehetnek elágazó és el nem ágazó szénláncúak. A szénatomok bennük csak σ(szigma)-kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, hozzájuk hidrogénatomok kapcsolódnak, ezek telítik a szénatomok fennmaradó vegyértékeit. Reakciókészségük kicsi, innen származik a paraffin nevük (parum affinis = kis reakciókészség). Egy paraffinnál az eggyel nagyobb szénatomszámú paraffin a szénatomon kívül két hidrogénatommal tartalmaz több atomot. Egymástól csak egy -CH 2 - (metilén-) csoportban különböznek, az alkánok homológ sort alkotnak. Általános képletük: C n H 2n+2. A háromnál nagyobb szénatomszámú alkánoknál fellép az izoméria (izo-bután, n-bután) jelensége. (Fiz.tul.)

16 Az alkánok fizikai tulajdonságai Az első 14 n-alkán olvadáspontja (kék) és forráspontja (rózsaszín) C-ban a szénatomszám függvényében. Az alkánok apoláris vegyületek, vízzel nem elegyednek. Szerves oldószerekben és egymásban jól oldódnak. A folyadék halmazállapotú alkánok úsznak a víz tetején, mivel sűrűségük kisebb a víznél (0,8 g/cm 3 alatti). Olvadás-és forráspontjuk a szénatomszámmal növekszik. A nyílt láncú alkánoknál az olvadáspont növekedése nem egyenletes, egyenletes növekedés csak akkor tapasztalható, ha külön vizsgáljuk a páros és a páratlan szénatomszámú alkánokat. Ennek az az oka, hogy a páros, illetve a páratlan szénatomszámú homológok különböző szerkezetű rácsban kristályosodnak. (A páros rendszámúak monoklin. a páratlan rendszámúak rombos szerkezetű rácsban). Az elágazó szénláncú alkánok illékonyabbak, mint a nyílt szénláncúak, és alacsonyabb a forráspontjuk. Ez azzal magyarázható, hogy az elágazó szénláncú alkánoknál a molekulák közt kisebb az érintkezési felület, és emiatt gyengébbek a molekulák közti másodlagos kölcsönhatások. Az el nem ágazó alkánok homológ sorának első négy tagja gáz halmazállapotú, a sorozat tagja cseppfolyós, a 17-nél nagyobb szénatomszámú alkánok szilárdak. (Kém.tul.)

17 Az alkánok kémiai tulajdonságai Az alkánok reakciókészsége kicsi, erre utal paraffin elnevezésük is, mely a latin parum(= kevéssé) + affinis (=ebben az értelemben reakcióképesség) szavak összetételéből származik. Tömény szervetlen savakkal és lúgokkal nem reagálnak. Ellenállóak más erélyes reagensekkel szemben is, például sok erős oxidálószernek (például káliumpermanganát, kálium-dikromát) ellenállnak. Oxigén jelenlétében elégnek, szén-dioxid és víz keletkezik. Ez a reakció nagy hőfelszabadulással jár. Égésük általános reakcióegyenlete: (Halogénezés)

18 Halogénezés A legegyszerűbb alkán, a metán kis reakciókészsége miatt szobahőmérsékleten és sötétben nem reagál az egyébként reakcióképes klórral. Megvilágítás hatására szobahőmérsékleten vagy 300 C feletti hőmérsékleten sötétben azonban a reakció végbemegy, klór-metán, diklór-metán, triklór-metán és tetraklór-metán képződik a következő reakcióegyenletek szerint: A reakció szubsztitúció. A keletkező származékok aránya függ a kiindulási klór-metán aránytól, metánfelesleg esetén klór-metán, klórfelesleg esetén tetraklór-metán keletkezik a legnagyobb mennyiségben. A metán klórozási reakciója exoterm folyamat, termodinamikailag kedvező. Annak, hogy a klórozási reakció nem játszódik le szobahőmérsékleten és sötétben, nem termodinamikai, hanem reakciókinetikai oka van: nagy a reakció aktiválási energiája. A reakció gyökös mechanizmus szerint játszódik le. A metánnál nagyobb szénatomszámú alkánok klórozása is gyökös mechanizmus szerint játszódik le. A reakció során többféle termék is képződik, ezek vagy a klóratomok számában, vagy azok helyzetében különböznek. (Nitrálás)

19 Nitrálás A nitrálás szintén szubsztitúciós reakció, nitráláskor egy hidrogénatom nitrocsoportra cserélődik ki. A nitráláshoz általában használt nitráló elegy (ami tömény kénsav és tömény salétromsav elegye) illetve a tömény salétromsav alkánok esetében nem alkalmazható, mert ezek hatására főként oxidáció, és nem nitrálás megy végbe. Viszont az alkánok gázfázisban, magasabb hőmérsékleten és nyomás alatt salétromsavval nitrálhatók. A reakció egyenlete: Az alkánok nitrálása a halogénezéshez hasonlóan gyökös mechanizmus szerint és több lépésben játszódik le. A reakció több párhuzamos ágon fut. Elsősorban a kisebb szénatomszámú paraffinok nitrálásának van nagy gyakorlati jelentősége. (Szulfonálás)

20 Szulfonálás és szulfoklórozás A szulfonálás olyan szubsztitúciós reakció, amelyben egy hidrogénatom szulfonsavcsoportra (-SO 2 OH) cserélődik ki. Az alkánok tömény kénsavval nem lépnek reakcióba, ezért a szulfonálást füstölgő kénsavval, óleummal végzik. A keletkező szulfonsavak erős savak, stabil sókat képeznek. Kén-dioxid és klór segítségével az alkánok egyik hidrogénatomja -SO 2 Cl csoportra cserélhető ki. A folyamat szobahőmérsékleten, ultraibolya fény hatására játszódik le. Ennek a reakciónak a neve szulfoklórozás vagy klórszulfonálás, a reakcióban alkilszulfokloridok keletkeznek. A reakció szintén gyökös mechanizmus szerint lejátszódó szubsztitúció. Az alkilszulfoklorid mellett klórozott alkánszármazék is képződhet (mellékreakcióként klórozás játszódik le). A szulfonálásnak és a szulfoklórozásnak a tisztító- és mosószerek gyártásánál van jelentősége. (Oxid.)

21 Oxidáció Enyhébb oxidációnak (KMnO 4, CrO 3 ) az alkánok ellenállnak. Csak erélyesebb oxidálószer, például tömény salétromsav hatására játszódik le oxidáció. Katalizátor jelenlétében oxigénnel az alkánok alkoholokká oxidálhatók, a metánból metanol, az izobutánból terc.-butilalkohol képződik. Tömény salétromsav hatására vagy katalizátor jelenlétében a paraffinok karbonsavakká oxidálhatók. Ez a reakció lánchasadással jár. A lánchasadás bármelyik láncon belüli -CH 2 -csoportnál bekövetkezhet, a reakcióban egymástól nehezen elkülöníthető karbonsavak elegye keletkezik. A keletkező zsírsavak szénatomszáma kisebb, mint az eredeti paraffiné. A folyamat során először ketonok képződnek, majd ezek oxidálódnak tovább lánchasadás mellett karbonsavakká. (Hőbontás)

22 Hőbontás Az alkánok C körüli hőmérsékleten hőbomlást szenvednek. A hőbomlás iránya a körülményektől függ (hőmérséklet, nyomás, katalizátor). A magasabb forráspontú frakcióinak krakklepárlását 500 C-on és nyomás alatt végzik. A krakkolás során a hosszabb szénláncú alkánokból rövidebb szénláncú telített és telítetlen szénhidrogének keletkeznek. Így a kőolajból nagyobb mennyiségű benzin nyerhető. A hőbontást gyakran izomerizáció kíséri, az izomerizáció során normál szénláncú alkánokból elágazó szénláncú izomerek keletkeznek. Ezt a reakciót leginkább az alumínium-klorid katalizálja. A hőbontás gyakran dehidrogéneződéssel jár, az alkánokból telítetlen szénhidrogének, vagy gyűrűvé záródással aromás vegyületek is keletkezhetnek. Az aromás vegyületek képződésével járó reakció neve: dehidroaromatizáció. Például n-hexánból benzol keletkezik. A dehidroaromatizációt finom eloszlású platina vagy molibdén-oxid és króm-oxid katalizátorok katalizálják. (Paraffin)

23 Paraffin A paraffina kémiában a C n H 2n+2 felépítésű alkán szénhidrogének gyűjtőneve. Köznapi nyelven a paraffin viaszt értjük rajta, mely olyan szénhidrogének keveréke, ahol a szénláncok szénatomot tartalmaznak. A paraffin viasz(vagy köznapi nevén paraffin) tiszta formában fehér, szagtalan, viaszos tapintású, szilárd anyagot alkot. Olvadáspontja a benne található molekulák átlagos hosszától függően C, sűrűsége 0,9 g/cm 3. Vízben nem oldékony, de szerves oldószerekben (éterben, benzolban, és néhány észterben) könnyen oldható. A legtöbb kémiai vegyülettel nem lép reakcióba, viszont könnyen éghető anyag. A folyékony paraffin a kőolajfinomítás melléktermékeként, nehéz alkánokból hátramaradt keverék. Átlagos sűrűsége 0,8 g/cm 3. A nagy tisztaságú, orvosi célra alkalmazott paraffin elősegíti a bélmozgásokat, így a gyógyászatban enyhe hashajtóként alkalmazzák. Előnye, hogy a bélrendszerből nem szívódik fel, viszont csökkenti a víz felszívódását. Az élelmiszeriparban az élelmiszereket készítő gépsorok kenésére, alkatrészek síkossá tételére, sütőformák kikenésére, valamint az élelmiszerek felületének fényessé tételére (pékáruk, édességek, gyümölcsök esetén) alkalmazzák E905 néven. Napi maximum beviteli mennyiségek nincs meghatározva, ugyanakkor nagy mennyiségben hashajtóként viselkedhet. (Cikloalkán)

24 Cikloalkánok A cikloalkánok(vagy más néven cikloparaffinok) Egy vagy több gyűrűt tartalmazó telített szénhidrogének. (A telített szénhidrogének másik csoportját a nyílt láncú alkánok alkotják.) Az egy gyűrűt tartalmazó cikloalkánok neve: monocikloalkán. Ezek a nyílt láncú alkánokból vezethetők le, gondolatban két hidrogénatom elvételével. Homológ sort alkotnak, a legegyszerűbb képviselőjük a ciklopropán. Nevük a velük megegyező szénatomszámú alkán nevéből vezethető le, a ciklo-szó hozzáillesztésével. További monocikloalkánok: ciklobután, ciklopentán, ciklohexán, cikloheptán, ciklooktán. Általános képletük: C n H 2n. Az egy gyűrűt tartalmazó cikloalkánok a monocikloalkánok. A több gyűrűt tartalmazó cikloalkánok neve policikloalkán. Fizikai tulajdonságaik: A két legkisebb szénatomszámú monocikloalkán, a ciklopropán és a ciklobután szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú. A homológ sor 5-13 tagú gyűrűt tartalmazó tagjai folyadékok, a ciklotetradekán (C 14 H 28 ) és az annál nagyobb szénatomszámúak pedig szilárdak. Az oldhatóságuk az alkánokéhoz hasonló. Apoláros vegyületek, apoláros oldószerekben (benzolban, éterben. kloroformban) jól oldódnak, vízben oldhatatlanok. Kémiai tulajdonságaik: A ciklopropán nagyon reakcióképes vegyület, kémiai tulajdonságai inkább az alkénekre, mint az alkánokra emlékeztetnek. (Alkének)

25 Alkének Az alkénekolyan telítetlen szénhidrogének, amelyekben egy vagy több szén-szén kétszeres kötés található. Régies olefin nevük onnan származik, hogy a kisebb rendszámú alkének halogének addíciójával olajszerű termékké alakultak. A legegyszerűbb alkén az etén. A molekulában lévő szénatomok közti kettős kötések száma szerint léteznek mono-, di-, triolefinek. Az egy kettős kötést tartalmazó alkének homológ sort alkotnak. Általános képletük: C n H 2n Léteznek gyűrűs olefinek is, ezek neve cikloalkén vagy cikloolefin. Az alkánokhoz hasonlóan az alkéneknél is fellép a szerkezeti vagy konstitúciós izoméria. (Fiz., kém. tul)

26 Az alkének fizikai, kémiai tulajdonságai Fizikai tulajdonságok: A monoolefinek homológ sorának első négy tagja szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, az 5 és a 15 közti szénatomszámúak folyadékok, az ennél több szénatomot tartalmazók szilárdak. A konjugált diének közül a butadién gáz (forráspontja -4,4 C), az izoprén és a gyűrűs ciklopentadién cseppfolyós halmazállapotú. Apoláris vegyületek, vízben alig, szerves oldószerekben jól oldódnak. Kémiai tulajdonságok: Nagyon reakcióképes vegyületek, szemben a kis reakciókészségű alkánokkal. Amíg általában a telített szénhidrogénekre a szubsztitúciós reakciók a jellemzők, addig az alkéneknél az addíciós reakciók a meghatározók. Addíciós reakciók A nyílt láncú alkének hidrogénnel alkánokká, a gyűrűs cikloolefinek cikloalkánokká telíthetők. A hidrogénaddíció nikkel vagy platinakatalizátor jelenlétben játszódik le. A nyílt láncú olefinek telítésének reakcióegyenlete: (Addició)

27 Addíciós reakciók Az alkének halogénekkel nagyon könnyen addíciós reakcióba lépnek. A reakciókészség Cl< Br< I irányban nő. Könnyen addícionálnak hidrogén-halogenideket is. Az addíció során alkil-halogenidek keletkeznek. A hidrogénhalogenidek addíciójára általában érvényes a Markovnyikov-szabály az alkén úgy addícionálja a hidrogénhalogenidet, hogy a hidrogénje a kettős kötésnek ahhoz a szénatomjához kötődik, amelyhez eleve is több hidrogén kapcsolódott Polimerizáció A polimerizáció vagy poliaddíció az alkének fontos és nagy gyakorlati jelentőségű reakciója. Polimerizáció során nagyon sok alkénmolekula kapcsolódik össze óriásmolekulává. A polimerizáció savakkal vagy peroxidokkal katalizálható, a katalizátor a reakció mechanizmusát is befolyásolja. Az alkének és az alkénszármazékok polimerizációs termékei fontos műanyagok, etilén polimerizációjakor polietilén propilénből polipropilén, sztirolból polisztirol vinil-kloridból PVC, izoprénből kaucsuk, kloroprénből klórkaucsuk keletkezik. A polimerizáció általános reakcióegyenlete: (Oxidáció)

28 Oxidációs reakciók A telítetlen kötés érzékeny oxidációval szemben. Enyhébb oxidáció során (például hidrogén-peroxiddal oxidálva vagy kálium-permanganát hatására lúgos közegben) az alkének először epoxidokká oxidálódnak. Az epoxidok háromtagú gyűrűs heterociklusos vegyületek, a gyűrűjükben oxigénatom található. Gyűrűs étereknek tekinthetők, igen reakcióképes vegyületek. Az oxidációkor keletkező epoxidok víz hatására könnyen kétértékű alkoholokká hidrolizálnak. A legegyszerűbb alkén, az etilén oxidációjakor például először etilén-oxid keletkezik, majd ez hidrolizál etilénglikollá. Az alkének erőtejes oxidációjakor kettős kötésük felhasad, az eredetileg a kétszeres kötést alkotó szénatomok karboxilcsoporttá oxidálódnak. A reakcióban karbonsavak keletkeznek, 1- buténből egy molekula hangyasav és egy molekula propionsav, 2-buténből két molekula ecetsav. (Szubsztituciós)

29 Szubsztitúciós reakciók Az alkének szubsztitúciós reakciói kevésbé jelentősek, mint az addíciós reakciók, egyedül a halogénezés jelentős. Az allilhelyzetű szénatomhoz (A kétszeres kötéshez közvetlenül kapcsolódó telített szénatomhoz) kapcsolódó hidrogénatomok bizonyos módszerekkel halogénre cserélhetők. Az allilhelyzetű brómozás N-bróm-szukcinimiddel végezhető el, az alkén kloroformos oldatának forralásával (Ziegler-féle brómozás). A propén 500 C-on klórozható az allilhelyzetű szénatomján, allilklorid keletkezik. Ez egy gyökös mechanizmus szerint lejátszódó szubsztitúciós reakció. (Alkének)

30 Alkinek Az alkinekvagy acetilén-szénhidrogének a telítetlen szénhidrogének egyik csoportját alkotják. Molekulájukban egy vagy több szénatomok közti háromszoros kötést tartalmaznak. Az egy háromszoros kötést tartalmazó alkinek általános képlete a diénekkel megegyező, C n H 2n 2. Homológ sort alkotnak. A homológ sor legegyszerűbb és legjelentősebb képviselője az acetilén vagy etin. A nagyobb szénatomszámú alkineknél szerkezeti izoméria lép fel, az izomerek egymástól a láncelágazásokban és a háromszoros kötés helyében különböznek. Az alkinekben található háromszoros kötést szokás acetilénkötésnak is nevezni. (Fiz. Kém. tul.)

31 Alkinek fizikai és kémiai tulajdonságai Fizikai tulajdonságok: Az acetilén és a kisebb szénatomszámú alkinek gáz halmazállapotúak, az 5, vagy ennél nagyobb szénatomszámúak folyadékok, a nagy szénatomszámú alkinek szilárd halmazállapotúak. Az alkinek közül az acetilén vízben kis mértékben oldódik, a vízoldhatóság a szénatomszámmal csökken. Az alkinek jól oldódnak szerves oldószerekben. Kémiai tulajdonságok: Az alkinek nagyon reakcióképes vegyületek. Az alkénekhez hasonlóan a legjellemzőbb reakcióik az addíciós reakciók. (Addició)

32 Addíciós reakciók I. Hidrogénezés:két lépésben játszódik le. Egy molekula hidrogén addíciójakor alkén keletkezik, ha az alkén még egy molekula hidrogént addícionál, telített szénhidrogén, alkán keletkezik. A hidrogénaddíció katalizátor hatására megy végbe. Halogénezés: szintén két lépésben addícionálnak. A halogénaddíció igen heves reakció, különösen az acetilén esetében. Az alkinek hidrogén-klorilddal szintén addíciós reakcióba lépnek. Acetilén hidrogén-kloridaddíciójakor vinil-klorid keletkezik. A vinil-kloridat a műanyagipar használja fel. A vinil-klorid tovább reagálhat, a további hidrogén-klorid addíció során nagyobb mennyiségben 1,1-diklór-etán, kisebb mennyiségben 1,2-diklór-etán képződik. Hidrogén-cianid addíciója akrilnitrilt eredményez, amit szintén a műanyagipar használ fel.

33 Addíciós reakciók II. Az acetilénből addíciós reakciókban a vinil-kloridon kívül más vinilcsoportot (CH 2 =CH-) tartalmazó vegyületek is keletkezhetnek, alkoholok (vagy fenolok) addíciója vinil-éterekhez, karbonsavak addíciója vinil-észerekhez vezet. Ezek a reakciók katalizátorok jelenlétében mennek végbe. Az acetilén dimerizálódhat, ekkor vinil-acetilén keletkezik. Az acetilén és a láncvégi acetilénkötést tartalmazó alkinek hő és katalizátor hatására aromás vegyületekké trimerizálódhatnak. Az acetilén trimerizációjakor benzol keletkezik. (Aromás szénhidrogének)

34 Aromás szénhidrogének Az aromás szénhidrogének(vagy ritkán használatos megnevezéssel arének) olyan gyűrűs telítetlen szénhidrogének, amelyek molekulájában egy vagy több benzolgyűrű található. Az aromás szénhidrogének alapvegyületének, a benzolnak a molekulájában hat szén és hat hidrogén atom van. Az első gyűrűs képletet Kekulé javasolta. Annak ellenére, hogy nagyon telítetlen, nehezen addícionál más vegyületeket, viszont könnyen vesz részt szubsztitúciós reakcióban. A benzol gyűrű szerkezetében a kettős kötések nem rögzítettek, hanem delokalizáltak és emiatt adódik az aromás jelleg (van szaguk). Színtelen, mozgékony folyadék, amelynek szaga kellemetlen, könnyen párolog. Fajsúlya 20 C -on 0,880; forráspontja 80,5 C. Az olvadó jég hőmérsékletére lehűtve kristályos tömeggé dermed, mely 6 C-on megolvad. Vízben alig oldódik; vízmentes borszesszel és éterrel elegyíthető. Gyantákat és zsírokat bőségesen old. A jódot, a ként és a foszfort is feloldja. A brómot is oldja, de azzal nem lép reakcióba bizonyítja a stabilis szerkezetet. Meggyújtva világító és kormozó lánggal ég. Igen nagy számú származékait ismerjük, amelyeket benzolszármazékoknak vagy aromás vegyületeknek nevezünk. Számos bonyolultabb összetételű szénvegyület száraz desztillálásakor képződik. Jelentékeny mennyiségben van a kőszénkátrányban. (Mono- és több ciklusos)

35 Aromás szénhidrogének képviselői Monociklusos arének Az első képviselő a toluol, vagy más néven a metil-benzol. Fontos megjegyezni, hogy a benzol gyűrű egyik szénatomjához hozzákapcsolódik egy metil csoport. Más képviselő például az etil-benzol, propil benzol, izopropil-benzol. Többciklusos arének Kondenzált gyűrűsök: két vagy több közös szén atomjuk van. Ilyen például a naftalin, és a fenantrén Izolált gyűrűsök: nincs közös szén atomjuk, ide tartozik például a bifenil (Fiz. Kém. tul.)

36 Aromás szénhidrogének fizikai és kémiai tulajdonságai Fizikai tulajdonságok: Halmazállapot: folyékony, szilárd. Vízben nem oldódik, de oldódik szerves oldószerekben (pl. éterekben). Olvadás és forráspontja magasabb mint a nyíltláncú szénhidrogéneknek. Fontos megjegyezni, hogy a naftalin szublimál. Kémiai tulajdonságok: Elsőrendű szubsztituens: pl.: alkilgyökök, halogének, -OH, -NH 2. Orto és para helyzetbe irányít Másodrendű szubsztituens: pl.: nitro-, szulfon-, karbonil-, karboxil-, vinil-, nitrilcsoport Meta helyzetbe irányít (Reakciók)

37 Aromás szénhidrogének reakciói Szubsztituciós reakciók Ezek a típusú reakciók könnyen végbemennek. 1.Halogénezési reakció:alcl 3 vagy FeCl 3 jelenlétében. Halogén fölöslegben a reakció tovább folytatódik. Ha más szubsztituens mar a benzol gyűrűn van (pl. a toluolon levő CH 3 csoport) akkor a táblázat alapján fog irányítódni a halogén, orto, para vagy meta helyzetbe. 2. Nitrálási reakció: nitráló eleggyel történik, HNO 3 és H 2 SO 4 jelenlétében. A salétromsav felírható a következőképpen: HO-NO 2. A nitro csoport fog csatlakozni a benzolhoz, vagy ennek más izomerjéhez. Ha egyszerűen csak benzollal reagáltatjuk a salétromsavat, akkor a nitro csoport 1-es helyzetbe fog kerülni, ha pedig izomerével (pl. toluol) reagáltatjuk, akkor a már ott lévő szubsztituens határozza meg azt, hogy a nitro csoport hová kerül. Ezt a táblázatból meglehet nézni. A reakció során víz is keletkezik. Ha HNO 3 fölösleg van, akkor a reakciót tovább lehet folytatni. 3. Alkilezési reakcióvagy más néven Friedel-Crafts reakció: Ezt a reakciót nevezzük lánchosszabbító reakciónak. 4. Szulfonálási reakciókoncentrált H 2 SO 4 -el történik (Funkcós csop. tartalmú)

38 Funkciós csoportot tartalmazó szénvegyületek Halogén-vegyületek Hidroxi-vegyületek Alkoholok Éterek Nitrogéntartalmú-vegyületek aminok Oxovegyületek Szénhidrátok (szacharidok Enolok Fenolok amidok aminosavak és fehérjék nukleinsavak aldehidek ketonok karbonsavak és észterek (zsírok) (Halogénezett)

39 Halogénezett szénhidrogének Fizikai tulajdonságaik: Néhány kis molekulatömegű halogénszármazék gáz, a közepes molekulatömegűek folyadékok, a nagyobb molekulatömegűek pedig szilárdak.. A folyékonyak jellegzetes szagúak. Szénhalogén kötései polárisak. Vízben nem, csak szerves oldószerben oldódik. Nem gyúlékony Előállításuk: Alkánokból szubsztitúcióval állíthatók elő, például a metán klórozása (kék fény mellett). Aromás vegyületekből szubsztitúcióval állíthatók elő (katalizátor jelenlétében, FeBr 3 ), például benzol brómozása vaspor jelenlétében brómbenzolt eredményez. Telítetlen vegyületekből pedig addícióval. (Fontosabb)

40 Gyakorlati szempontból fontos halogénezett szénhidrogének I. Kloroform: Kellemes szagú, színtelen folyadék, vízben nem, alkoholban, éterben, benzolban jól oldódik. Önmagában is kitűnő oldószer. Belélegezve narkotikus, bódító hatású, fény és oxigén hatására mérgező foszgénné és hidrogén-kloriddá alakul. Freon-12 (difluor-diklórmetán, CF 2 Cl 2 ) Könnyen cseppfolyósítható, színtelen, szagtalan, nem tűzveszélyes, nem mérgező gáz A Freonok (Chlorofluorocarbons, CFC) mesterségesen előállított gázok, amelyek az ózonlyukat növelik. Szén-tetraklorid (tetraklórmetán), CCl 4 Színtelen, erősen fénytörő, kellemes szagú, mérgező, éghetetlen folyadék. Kitűnő oldószere zsíroknak, olajoknak..forráspontja alacsony. Felhasználása: ipari oldószerként

41 Gyakorlati szempontból fontos halogénezett szénhidrogének II. Etil-klorid (klór-etán) Színtelen, kellemes szagú, könnyen cseppfolyósítható gáz. Felhasználása: gyógyászatban helyi érzéstelenítésre Vinil-klorid (klór-etén): Színtelen, szagtalan, mérgező gáz. Polimerizációval PVC-t állítanak elő Triklóretilén (1,1,2-triklór-etén): Színtelen, nem gyúlékony, kloroformra emlékeztető szagú folyadék. Vízben nem, szerves oldószerekben jól oldódik. Oldja a zsírokat, olajokat, viaszokat, gyantákat, bitument. Tetrafluoretilén (1,1,2,2-tetrafluor-etén): Színtelen, szagtalan, gyúlékony gáz. Polimerjét teflon néven hozzák a forgalomba; melyet edények, laboratóriumi eszközök bevonására használnak. (Hidroxi vegy.)

42 Hidroxi-vegyületek Alkoholok Az alkoholok egy vagy több hidroxilcsoportot (-OH) tartalmazó szerves vegyületek. Általános képletük: R-OH. Nevezéktan, típusok: Az alkoholok neve: Szabályos nevüket a megfelelő szénhidrogénlánc nevének végéhez illesztett -olvégződéssel képezzük. Három-, vagy több szénatomos alkoholoknál az -olvégződés előtt fel kell tüntetni annak a szénatomnak a számát, melyhez a hidroxilcsoport kapcsolódik. Így a CH 3 -CH(OH)-CH 2 -CH 3 vegyület szabályos neve bután-2-ol. Egyes alkoholoknak csoportfunkciós és triviális neve is használatos. Az alkoholok rendűségeannak a szénatomnak a rendűségét adja meg, amelyikhez a hidroxilcsoport kapcsolódik. A rendűség megmutatja, hogy a hidroxilcsoporthoz kapcsolódó szénatom hány olyan kötést alakít ki, melyekkel másik szénatomhozkapcsolódik. Az elsőrendűalkoholokban a hidroxilcsoporthoz kapcsolódó szénatom 1 másik szénatomhoz kapcsolódik. A másodrendűekbenugyanez a szénatom 2 másik szénatomhoz kapcsolódik, vagy egyhez, kétszeres kötéssel. Az alkoholok legfeljebb harmadrendűek lehetnek. (Tulajdonságok)

43 Hidroxi-vegyületek Alkoholok tulajdonságai I. Fizikai tulajdonságok A kis szénatomszámú alkoholok színtelen, jellegzetes szagú folyadékok. A magasabb szénatomszámú alkoholok szilárdak. Olvadás-és forráspontjuk a megfelelő szénhidrogénekénél, aldehidekénél és ketonokénál magasabb, mivel a legerősebb intermolekuláris kölcsönhatás, a hidrogén-hídkialakítására képesek. A karbonsavakénál viszont alacsonyabb forrás-, ill. olvadásponttal rendelkeznek, mivel előbbiekkel szemben molekulánként csak 1 db hidrogénkötést tudnak létrehozni. A kis szénatomszámú alkoholok polárosságuk miatt jól elegyednek a vízzel, ez az alapja a különböző alkoholos italok készítésének. Magasabb szénatomszám esetén vízben nem oldódnak. Az összes alkohol jól oldódik etanolban és éterben. A tiszta alkoholok, ill. azok tiszta vizes oldata nem vezeti az áramot, mivel az alkoholok vízben nem disszociálnak.

44 Hidroxi-vegyületek Alkoholok tulajdonságai II. Kémiai tulajdonságok Az alkoholok vizes oldata első közelítésben semleges, így az alkoholok a Brönsted-féle savelmélet alapján se nem savak, se nem bázisok. Második közelítésben az alkohol vízben igen csekély mértékben disszociál, ez azonban a ph-t jelentősen nem befolyásolja. Alkáli- és alkáliföldfémekkel redoxireakcióba lépnek, hidrogén képződése közben: 2 R-OH + 2 Na = 2 R-O Na + + H 2 A képződő R-O - iont alkoholátionnak nevezzük. Cseppfolyós alkoholokban szilárd kálium- vagy nátrium-hidroxidot oldva kálium- és nátriumalkoholát képződik. R-OH + NaOH = R-ONa + H 2 O Alkoholokat melegítve kb. 130 C-on az alkoholnak megfelelő szimmetrikus éter és víz képződik: 2 R-OH = R-O-R + H 2 O

45 Hidroxi-vegyületek Alkoholok tulajdonságai Magasabb hőmérsékleten, kb. 160 C-on vízkilépéssel az alkohol láncának megfelelő alkén keletkezik: R-CH 2 -CH 2 -OH = R-CH CH 2 + H 2 O Az alkoholok enyhe oxidáció hatásra (pl. forró réz-oxid) megfelelő oxovegyületté (a primer alkoholok aldehiddé, a szekunderek ketonná alakulnak át: R-CH 2 OH + CuO = R-CH O + Cu + H 2 O Erősebb oxidációs hatásra megfelelő karbonsav, vagy szén-dioxid keletkezik. Karbonsavakkal vízkilépéssel észtereket képeznek: R 1 -OH + R 2 -COOH = R 2 -C( O)-O-R 1

46 Hidroxi-vegyületek A nyílt láncú alkoholok (alkil-alkoholok, vagy alifás alkoholok) a tulajdonképpeni alkoholok. Ezek hidroxilcsoportja nem mutat savas jelleget, oldatuk semleges. Az alifás alkoholok közé tartozik a legismertebb alkohol, az etanol. Igen mérgező a metanol, más néven faszesz. Ide tartoznak még a gyűrűs, de nem aromás alkoholok is. A fenolok (aromás alkoholok, aril-alkoholok) az alkoholoktól különálló vegyületcsoportot alkotnak. A hidroxilcsoport közvetlenül aromás gyűrűhöz kapcsolódik, és savas jelleget mutat. (Enolok)

47 Hidroxi vegyületek Enolok Olyan szénvegyületek, amelyekben egy hidroxilcsoport egy telítetlen szénatomhoz fűződik (>C=C(OH)-) alkének hidroxilcsoporttal. Az enol-forma valójában az oxoforma (>CH-CO-) tautomerje, azzal egyensúlyi elegyet alkot. A legtöbb vegyület esetében az enol-alak mennyisége kicsi (pl. az acetecetészternél (CH 3COCH 2COOC 2H 5 5 CH 3 -C(OH)=CH-COO-C 2 H 5 ) az enol-forma 7%-ot, míg az oxo- forma 97%-ot tesz ki), de vannak erősen enolizált vegyületek is (pl. az 1,3-trifenil- 1,3-dioxo-propán (C 6 H 5 -CO-CH 2 -CO-C 6 H 5 ) és a legtöbb 1,3-diketon (R-CO-CH 2 -CO- R)). Az enolok savas jellegűek, híg lúgoldatokban nátriumsóként feloldódnak, vas(iii)-kloriddal színes vas(iii)-sót adnak. (Fenolok)

48 Hidroxi vegyületek Fenolok Olyan hidroxilcsoportot(vagy hidroxilcsoportokat) tartalmazó aromás vegyületek, amelyekben a hidroxilcsoportok közvetlenül az aromás gyűrűhöz kapcsolódnak. A csoport neve a legegyszerűbb ide tartozó vegyület nevéből, a fenoléból ered. A fenolok szerkezetüket tekintve a tercier (harmadrendű) alkoholokra emlékeztetnek, a kémiai tulajdonságaik viszont eltérnek az alkoholok tulajdonságaitól. Fontos különbség például, hogy a fenolok kifejezetten savjellegű vegyületek. Az aromás gyűrűhöz kapcsolódó hidroxilcsoportok száma alapján egyértékű, kétértékű és többértékű fenolokat különböztetnek meg. Fizikai tulajdonságaik: A fenolok általában színtelen, kristályos vegyületek, de lehetnek folyékony halmazállapotúak is. Forráspontjuk magas. Jellegzetes, átható szagú vegyületek. A legtöbb fenol alkoholban és éterben jól oldódik. Néhány monociklusos(egy gyűrűt tartalmazó) fenol vízben is jól oldható. Vízoldhatóságuk általában a hidroxilcsoportok számával növekszik. A fenolok általában mérgező hatású vegyületek. Sejtmérgek, a fehérjéket kicsapják. E tulajdonságuk miatt baktériumölő és gombaölő szerként alkalmaznak bizonyos fenolokat. (Kém. tulajdonságok)

49 Savi jelleg: Hidroxi vegyületek Fenolok kémiai tulajdonságai A fenolok kifejezetten savjellegű vegyületek, sokkal könnyebben disszociálnak vizes oldatban, mint az alkoholok.erős bázisokkal (például nátrium-hidroxid) sókat képeznek. A fenolok sóit fenolátoknak nevezik. A fenolok azonban gyenge savak, a sóik vizes oldatban könnyen hidrolizálnak. Általában gyengébb savak, mint a szénsav, ezért nem képeznek sókat az alkálifémek karbonátjaival, sőt a szénsav az alkáli-fenolátokból felszabadítja a fenolt. A benzolgyűrűhöz kapcsolódó halogéneket vagy nitrocsoportokat ( NO 2 ) tartalmazó fenolok általában lényegesen erősebb savak. Például a pikrinsav (trinitro-fenol) már az ásványi savakhoz hasonló erősségű sav. Fenoléterek, fenolészterek: A fenolok az alkoholokhoz hasonlóan az alkoholokkal étereket, a karbonsavakkal észtereket képeznek. A fenolok hidroxilcsoportja viszonylag könnyen éteresíthető. Például metil-éterré alakíthatóak dimetilszulfáttal vagy diazometánnal. A fenoléterek tulajdonságai az alifás éterek tulajdonságaira emlékeztetnek. Stabil vegyületek, éterkötésük csak erélyes behatásra bomlik el. Számos, a növényvilágban elterjedt vegyület tartozik a fenoléterek közé. Különösen a metoxicsoportot tartalmazók a jelentősek.. (Éterek)

50 Hidroxi vegyületek Éterek Az éterekolyan szerves vegyületek, melyek molekuláiban található olyan oxigénatom, mely két szénatomot(szénhidrogéncsoportot) köt össze. A köznapi nyelvben éternek nevezzük a dietil-étert. A nyílt láncú éterek lehetnek szimmetrikusak vagy vegyesek aszerint, hogy az oxigénatomhoz kapcsolódó két csoport azonos vagy különböző. Az éterek elnevezése az oxigénatomhoz kapcsolódó szénhidrogéncsoportok nevéből és az éter szóból tevődik össze. A két szénhidrogéncsoport nevét abc-rendben kell felsorolni az "-éter" szó előtt (pl. dimetil-éter, etil-vinil-éter... stb.). Fizikai tulajdonságok: A kisebb szénatomszámú éterek folyadékok (kivéve a dimetil-étert, amely gáz halmazállapotú). A nagyobb szénatomszámúak (17-18-tól) kristályosak. Forráspontjuk lényegesen alacsonyabb a megfelelő alkoholokénál, amelyekkel konstitúciós izomerek. Ennek az az oka, hogy az étermolekulák nem tudnak hidrogénkötést létesíteni egymással. Fizikai tulajdonságaik ezért inkább a szénhidrogénekéhez hasonlóak. Az étermolekulák között ugyanis a diszperziós kölcsönhatások mellett csak nagyon gyenge dipólus-dipólus kölcsönhatás lép fel. (Fontosabbak)

51 Fontosabb éterek Hidroxi vegyületek Éterek A nyílt láncú étereket az iparban oldószerként, a gyógyászatban altató-, ill. bódítószerként alkalmazzák. A dietil-éter (CH 3 CH 2 -O-CH 2 CH 3 ) gyorsan párolgó és rendkívül gyulladékony, alacsony forráspontú folyadék, érzéstelenítőként alkalmazták. A VIII. Magyar Gyógyszerkönyvben aether néven hivatalos. Sok nyílt láncú éter, mint például a diizopropil-éter, a divinil-éter, a dimetil-éter, a dipropil-éter színtelen, jellegzetes szagú, a nyálkahártyákat ingerlő anyag, erős narkotikus hatása van. (N-tart., aminok)

52 Nitrogéntartalmú-vegyületek Aminok Az aminokolyan szerves vegyületek, melyek nitrogént tartalmaznak a funkciós csoportjukban. Formálisan az ammóniából származtathatók úgy, hogy az ammónia egy vagy több hidrogénatomját egy alkilcsoporttal (rövidítése: R) helyettesítjük. Amennyiben csak egy hidrogénatomot cserélünk le a széntartalmú alkilcsoportra, akkor primer aminokról, vagy egyszerűen csak aminokról beszélünk. Természetesen a nitrogénhez kapcsolódó többi hidrogént is helyettesíthetjük a fentiek szerint. Ekkor szekunder illetve tercier aminokról beszélünk. Fizikai tulajdonságaik: A kisebb szénatomszámú alkil-aminok gáz halmazállapotúak, szaguk általában az ammóniára emlékeztet. A nagyobb szénatomszámúak folyadékok vagy szilárd vegyületek. A kisebb szénatomszámúak vízben jól (a primer aminok például 5 szénatomig), a nagyobbak rosszul oldódnak. Az etanol és a dietil-éter általában jól oldja az aminokat. Az aminok sói színtelen, szagtalan, kristályos vegyületek. (Kém.tul.)

53 Nitrogéntartalmú-vegyületek Aminok Kémiai tulajdonságaik: Bázisos jelleg Az aminok nitrogénatomjának van egy szabad, nemkötő elektronpárja, így az ammóniához hasonlóan képesek protont megkötni, bázisos tulajdonságú vegyületek. Mivel képesek a víztől protont felvenni, az oldatukban a hidroxidionokkerülnek túlsúlyba, az oldat lúgos kémhatású lesz. A reakcióegyenlet(primer aminokra felírva): Az alifás aminok általában az ammóniánál erősebb bázisok, a disszociációállandójuk többnyire legalább egy nagyságrenddel nagyobb. Ez a nitrogénatomhoz kapcsolódó alkilcsoportok elektronküldő hatásával magyarázható. Az adott alkilcsoportot tartalmazó aminok közül a szekunder aminok erősebb bázisok, mint a primer és a tercier aminok. Az aminok savakkal sókat képeznek. Mivel gyenge bázisok, a sóik vizes oldatban hidrolizálnak. Erős savakkal alkotott sóik oldata savas kémhatású. A sókból az aminok erősebb bázisokkal felszabadíthatók. (Amidok)

54 Nitrogéntartalmú-vegyületek Amidok Az amidokkarbonsavakból és az aminokból (illetve ammóniából) vízelvonással levezethető vegyületek, vagyis az ammónia illetve a primer és szekunder aminok acilezett származékai. Észter, illetve savanhidrid és amin, illetve ammónia reakciójával állítják elő. Az amid csoport összetett funkciós csoport. Hidrogénkötés kialakítására is képesek. Az amidkötés poláris. Fizikai tulajdonságai:színtelen, szagtalan anyag, a kisebb molekulák jól oldódnak vízben. A hidrogén kötés miatt az amidok olvadás és forráspontja magas Előfordulása: Fehérjékben, a karbamid a fehérje anyagcsere végterméke, a vizelettel távozik. Felhasználása: Gyógyszerekben Műtrágya gyártásban Műanyagiparban (poliamidok gyártására) (Aminosavak)

55 Nitrogéntartalmú vegyületek Aminosavak Az aminosavak (más néven amino-karbonsavak) olyan szerves vegyületek, amelyek molekulájában aminocsoport (-NH 2 ) és karboxilcsoport (-COOH) egyaránt előfordul. Az α-aminosavak kiemelkedő jelentőségűek az élővilág számára, mivel a fehérjemolekulák (proteinek) építőkövei. (Az α-aminosavak közös szerkezeti jellemvonása, hogy molekuláikban egy aminocsoport és egy karboxilcsoport kapcsolódik ugyanahhoz a szénatomhoz.) Az aminocsoportnak a karboxilcsoporthoz viszonyított helyzete alapján α-, β-, γ-stb. aminosavakról beszélünk. A fehérjék kizárólag α-aminosavakból épülnek fel. A többi biológiailag általában jelentéktelen. Az egyetlen élettani jelentőséggel bíró β-aminosav a β- alanin, ennek származékai a pantoténsav és a koenzim-a. Lényeges még az agy anyagcseréjének egyik eleme, a γ-aminovajsav(gaba), valamint a vitamin hatású p-aminobenzoesav. (Tulajd.)

56 Nitrogéntartalmú vegyületek Aminosavak Az élő szervezetekben 25-féle α-aminosav található, ezek közül 20 fehérjeépítő. Ezek kapcsolódási sorrendje az aminosav szekvencia, a fehérjék elsődleges szerkezete. A szervezet fehérjéinek és egyéb nitrogéntartalmú alkotórészeinek felépítéséhez, és ezek újraképzéséhez szükséges aminosavakat a táplálék fehérjéi adják. A fehérjeszükséglet tehát aminosav szükségletet jelent. Kémiai tulajdonságok Az aminosavak ún. amfotertulajdonságú vegyületek, vagyis amfolitok: savakkal szemben gyenge bázisként, bázisokkal (lúgokkal) szemben gyenge savként viselkednek. Tehát vizes oldatban egyaránt semlegesítik az erős savak illetve erős bázisok kis mennyiségét, illetve lényegesen tompítják azokat. Az ilyen anyagokat puffernek nevezzük. (A vasúti kocsik ütközőjét hívják így németül.) Ennek óriási szerepe van az élő szervezetekben, mivel azok mind vizes oldatok. Kivédik azokban az elsavasodást, illetve lúgosodást. Az aminosavakra egyaránt jellemzőek a karboxilcsoport és az aminocsoport reakciói. (Nukleinsavak)

57 Nitrogéntartalmú vegyületek Nukleinsavak A nukleinsavakmonomer nukleotid láncokból álló makromolekulák. A biokémiában ezek a molekulák felelősek a sejten belüli genetikai információ hordozásáért. A leggyakoribb nukleinsavak a dezoxiribonukleinsav(dns) és a ribonukleinsav(rns). Élő szervezetekben univerzálisan fordulnak elő, sejtekben és vírusokban egyaránt megtalálhatók. A nukleinsavak felfedezése (1871) Friedrich Miescher nevéhez fűződik. A két természetesen előforduló DNS és RNS-en kívül léteznek még mesterséges nukleinsavak, ezek a peptid-nukleinsavak(pns), Morfolino- és zárolt nukleinsavak (ZNS), valamint glikol nukleinsavak(gns) és treóz nukleinsavak(tns). Mindegyiket molekulagerincük változása különbözteti meg a természetes fajtáktól. (Oxo, aldehid)

58 Oxovegyületek Aldehidek Az aldehidek olyan szerves vegyületek, amelyek molekulájában egy vagy több formilcsoport (aldehidcsoport) található. A formilcsoport egy oxigénatomból, egy szénatomból és egy hidrogénatomból áll. Osztályozásuk Az aldehidek, a formilcsoporthoz kapcsolódó szénhidrogéngyök természete szerint lehetnek: Alifásak: telített: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=O(butanal vagy butiraldehid) telítetlen: CH 2 =CH-CH=O (akrilaldehid vagy akrolein) Aromások: C 6 H 5 -CH=O(benzaldehid) Vegyesek: C 6 H 5 -CH 2 -CH=O(fenil-acetaldehid) (Ketonok)

59 Oxovegyületek Ketonok A ketonokláncközi oxocsoportot ( O) tartalmazó oxigéntartalmú szerves vegyületek. Általános képletük: R 1 - CO-R 2. A képletben szereplő R 1, R 2 láncokat a keton oldalláncainak nevezzük. Szabályos nevüket a megfelelő szénhidrogénlánc nevének végéhez illesztett -on végződéssel jelöljük. Az -on végződés előtt feltüntetjük annak a szénatomnak a számát, amelyhez az oxocsoport kapcsolódik. Így az aceton (CH 3 -CO-CH 3 ) szabályos, genfi nómenklatúra szerinti neve propán-2-on. Egyes ketonoknak régies neve is használatos. A ketonok legegyszerűbb képviselője az aceton. (Fiz., kém. tul.)

60 Oxovegyületek Ketonok Fizikai tulajdonságok: A kisebb-és közepes szénatomszámú ketonok jellegzetes, az éterekéhez hasonló szagú folyadékok. Forráspontjuk az alkoholokénál és a karbonsavakénál alacsonyabb, mivel nem képesek hidrogén-híd kialakítására, viszont a szénhidrogénekénél magasabb, mivel a poláris molekulák dipól-dipól kölcsönhatásba léphetnek egymással. A kis szénatomszámú ketonok jól oldódnak vízben, a szénatomszám növekedésével az oldhatóság egyre csökken, az ötös szénatomszámú ketonok már vízben gyakorlatilag nem oldódnak. Az összes keton jól oldódik alkoholban és éterben. Kémiai tulajdonságok: A ketonok oldalláncai jellegük szerint szubsztitúciós, addíciós, vagy egyéb reakciókban vehetnek részt. A ketonok az aldehidekkel ellentétben enyhe oxidációs hatásra nem oxidálódnak, így nem adják sem az ezüsttükör-, sem a Fehling-próbát. Megfelelően erős oxidációs hatásra (pl. HNO 3 ) azonban lánchasadás mellett oxidálhatók, ekkor különféle szénatomszámú karbonsavak keletkeznek. (Karbonsavak)

61 Oxovegyületek Karbonsavak A karbonsavakaz oxigéntartalmú szerve vegyületek egyik csoportját alkotják. Molekulájukban egy vagy több karboxilcsoportot tartalmaznak. A karboxilcsoport összetett funkciós csoport, egy karbonilcsoportból és egy hidroxilcsoportból épül fel. A karbonsavak savjellegű vegyületek, proton leadására képesek. A nyílt láncú, telített monokarbonsavak (egy karboxilcsoportot tartalmazó karbonsavak) homológ sort alkotnak. A legegyszerűbb képviselőjük a hangyasav, továbbiak az ecetsav, a propionsav, és a vajsav. A telített monokarbonsavak homológ sorának tagjait zsírsavaknak is szokás nevezni. (Fiz.tul)

62 Oxovegyületek Karbonsavak Fizikai tulajdonságok: A karbonsavak forráspontja magas, sokkal magasabb, mint a hozzájuk hasonló molekulatömegű alkánoké. Ez a karbonsavak molekuláinak asszociációjával magyarázható. A karbonsavak karboxilcsopotja hidroxilcsoportot is tartalmaz, ezért hidrogénkötéseket tudnak kialakítani. A karbonsavak dimereket alkotnak, két karbonsavmolekula hidrogénkötésekkel összekapcsolódik egy nyolctagú gyűrűt alkotva. Az ecetsavmolekulák asszociációja olyan erős, hogy az ecetsav gőzeiben is dimerek találhatók. A karbonsavak olvadáspontjai periodikusan változnak, a páros szénatomszámú zsírsavak olvadáspontja magasabb a páratlan számú szénatomot tartalmazókénál. Ez azzal magyarázható, hogy a páros szénatomszámúak más szerkezetű kristályrácsban kristályosodnak, mint a páratlanok. A négy legkisebb szénatomszámú karbonsav (hangyasav, ecetsav, propionsav, vajsav) vízzel korlátlanul elegyednek, bennük a karboxilcsoport hidrofil, poláris jellege érvényesül inkább, mint a szénhidrogénlánc hidrofób, apoláris jellege. A szénatomszám növekedésével a szénhidrogénlánc vagy gyűrű apoláros jellege egyre erősebb lesz, a karbonsav vízoldhatósága csökken. Ha a molekulában nincs más poláris jellegű csoport, a nyolc-kilenc szénatomos karbonsavak vízben alig, szerves oldószerekbebn (alkoholban, éterben) jól oldódnak. (Kém.tul)

63 Oxovegyületek Karbonsavak Kémiai tulajdonságaik, karbonsavszármazékok: A karbonsavak reakcióképes vegyületek. Reakciókészségük egyrészt a bennük található karboxilcsoport reakciókészségével, másrészt azzal magyarázható, hogy a karboxilcsoport elektronvonzó hatása miatt lazítja a vele szomszédos szénatomhoz kapcsolódó hidrogénatomot vagy hidrogénatomokat. Savi jelleg: A karbonsavak savjellegű vegyületek, vizes oldatban protonra és savmaradékionra disszociálnak. Az erős szervetlen savaknál (sósav, kénsav) azonban sokkal gyengébb savak. Bázisokkal sókat képeznek. Sóik vizes oldatban hidrolizálnak, mert a karbonsavak gyenge savak. A karbonsavak erős bázisokkal alkotott sóinak vizes oldata ezért lúgos kémhatású. Észterek keletkezése Karbonsavak és alkoholok reakciójában észterek képződnek. Ez a folyamat a közvetlen észteresítés. Az észterek képződése megfordítható folyamat, az észterek víz hatására könnyen hidrolizálnak. Az észteresítés állás vagy melegítés hatására megy végbe. (Savszármazékok)

64 Karbonsav-halogenidek Oxovegyületek Karbonsavak A karbonsav-halogenidek a karbonsavakból nyerhetők a karboxilcsoporton belül található hidroxilcsoport halogénnel való helyettesítésével. A legjelentősebbek a savkloridok, ezek karbonsavakból foszfor-pentakloriddal (PCl 5 ) vagy tionil-kloriddal (SOCl 2 ) állíthatók elő. Karbonsavanhidridek A karbonsavanhidridek a karbonsavakból keletkeznek vízelvonással. A vízelvonás vízelvonószerek (például ecetsav-anhidrid) vagy 400 C-on katalizátorok hatására játszódik le. Karbonsavamidok A karbonsavamidokban a karboxilcsoportban található -OH-csoport NH 2 -csoportra, vagy annak helyettesített változataira van kicserélve. A karbonsavamidok ammóniából vagy aminokból állíthatók elő acilezőszerekkel. Redukció, dekarboxilezés A karboxilcsoport nehezen redukálható csoport, a karbonsavakból csak erélyes redukció hatására keletkeznek aldehidek vagy primer alkoholok. (észterek)

65 Oxovegyületek Észterek Az észterekaz oxigéntartalmú szerves vegyületek egy csoportját alkotják. Alkoholokból (esetleg enolokból vagy fenolokból) és savakból keletkeznek egy molekula víz kilépésével (kondenzáció). A savak lehetnek karbonsavak vagy ásványi savak, ez alapján megkülönböztetnek karbonsavésztereket, illetve szervetlen (vagy más néven anorganikus) savak észtereit. A karbonsavészterek a karbonsavszármazékok egyik csoportját alkotják. A legfontosabb szervetlen savak, amelyekből észterek vezethetők le a foszforsav, a kénsav, a salétromsav, a salétromossav és a bórsav. Az észter név a német essig-äther kifejezésből ered, az etil-acetát egyik régies nevéből. (kém.tul.)

66 Oxovegyületek Észterek Kémiai tulajdonságaik: Általában jellemző az észterekre, hogy hidrolízisre hajlamosak. Az észterek képződése alkoholokból és savakból megfordítható reakció, a megfordítása az észterhidrolízis. Az észterek gyakorlatilag teljes hidrolízise lúgok, például nátrium- hidroxid hozzáadásával valósítható meg. Az ilyen folyamat neve elszappanosítás. (Az elszappanosítás név onnan ered, hogy ezzel a módszerrel állítottak elő legrégebben szappant). Ekkor az alkohol mellett a sav sója (NaOH esetén nátriumsója) keletkezik. A keletkező só már nem tud reagálni az alkohollal, emiatt lesz a hidrolízis gyakorlatilag teljes. (Polimer kémia)

67 Polimer kémia Összeállította:Leczovics Péter 2013.

68 Bevezetés Az ismétlődő egységekből felépülő nagyméretű molekulákat, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze Polimer- nek nevezzük. Az ismétlődő egység neve monomer. A polimerek a közhiedelemmel ellentétben nem azonosak a műanyagokkal. (A műanyagok olyan mesterségesen előállított anyagok, melyek gyakran több anyag keverékéből állnak, legalább egy komponensük polimer. A többi kitöltő-, vázanyag, öregedésgátló, feldolgozást segítő adalékanyag, színezék...). Felépítése: Monomer: a görög mono "egy" és meros "rész" szavakból, azon egyszerű molekulákat, melyek megfelelő körülmények között képesek nagy számban összekapcsolódni. Dimer: Két összekapcsolódott monomerből álló molekula. Trimer: Három összekapcsolódott monomerből álló molekula. Makromolekula: Kb. száznál több atomot tartalmazó molekulákat makromolekuláknak nevezzük. Ezek alapvázát jellemzően szénatomok alkotják, és a szerves kémia foglalkozik velük részletesen. (Makromolekulák) Leczovics Péter

69 Nagymolekulájú (makromolekulás) anyagok A makromolekulákat alkotó vegyületek kovalens kötéssel kapcsolódnak sokszor igen nagy, es relatív molekulatömegű képződményekké. Lehetnek: Természetes makromolekulás anyagok Mesterséges makromolekulás anyagok: polimerek Kaucsuk Cellulóz alapúak n x monomer polimer n=többezer n x monomer oligomer n=néhány többféle monomer kopolimer Tulajd.ált.-ban Leczovics Péter

70 P O L I M E R E K Előnyei: Hátrányai: kis sűrűség (0,9 2,0 103 kg/m 3 ) kis rugalmassági modulus (0, MPa, hőre keményedőnél MPa) kis szakítószilárdság (5 80 MPa) általában nagy nyúlás ( %) kis súrlódási együttható (jó siklási tulajdonság) kis hővezető képesség jó elektromos szigetelő jó ellenállás savakkal, lúgokkal környezeti hőmérsékleten jó hangszigetelés, rezgés-és zajcsillapítás könnyű megmunkálhatóság viszonylag kis gyártási ár nagy hőtágulási együttható kisebb szilárdság és merevség elektrosztatikus feltöltődés kúszási hajlam már 20 o C-on is nagyobb öregedési hajlam normál környezeti hatásokra kis kifáradási határ nagyobb gyúlékonyság (csoportosítás) Leczovics Péter

71 A polimerek csoportosítása Eredet szerint természetes mesterséges Előállításuk szerint Polimerizációval (PE, PP, PVC, PS) Polikondenzációval (PA, PET) Poliaddicióval (PUR, EP) Primer szerkezetük szerint Homo-polimer, azonos monomerekből áll a főlánc (PE, PP, PVC, PS) Kopolimer, keverék (ABS, Poliblend) Feldolgozás szerint Hőre lágyuló (termoplaszt) Hőre keményedő (duroplaszt) anyagok Szerkezet alapján lineárisak, elágazóak, valamint térhálósak. Forma alapján részben kristályos és amorf forma. Az őket felépítő kémiai atomok szerint szerves, szervetlen és elemorganikus polimerek. Csop.fiz.tulajd. Leczovics Péter

72 Csoportosítás fizikai tulajdonságaik alapján Fluidoplasztok: 20 C-on folyékony műanyagok Elasztomerek: Plasztomerek: Termoplasztok: Duropalsztok: gumi rugalmasságú makromolekuláris anyagok hőre lágyuló műanyagok hőre keményedő műanyagok Term.polim. Leczovics Péter

73 Természetes alapú polimerek Cellulóz Képlete (C 6 H 10 O 5 ) n. Béta-glukózból származtatott poliszacharid. A cellulóz a földön előforduló leggyakoribb szerves anyag, mert a növények vázanyagának nagy része cellulóz. Pontosabban a fa 40%-a, a gyapot 50%- a, a len és a kender 80%-a. A vatta és a papír szinte 100%-ban cellulózmolekulákból áll.a tiszta cellulóz fehér színű, szobahőmérsékleten szilárd anyag. Vízben, híg savban, híg lúgban és szerves oldószerekben nem oldódik, ezért kiváló vázépítő. Fehérjék A fehérjék aminosavak lineáris polimereiből felépülő szerves makromolekulák. A fehérjék kialakításában a 20 féle "proteinogén" aminosav vesz részt, melyek szomszédos amino és karboxil csoportjaik között kialakuló peptidkötés révén kapcsolódnak egymáshoz, így kialakítva a fehérjék elsődleges szerkezetét, amit aminosav szekvenciának is nevezünk. Kaucsuk Leczovics Péter

74 Természetes kaucsuk (Hevea brasiliensis) Polireakciók Leczovics Péter

75 Polireakciók A polireakcióknak, azaz a makromolekulák képződési reakcióinak három fajtáját ismerjük: a polimerizációt, a poliaddíciót a polikondenzációt. (Polimerizáció) Leczovics Péter

76 Polimerizációval előállított makromolekulás polimerek Telítetlen monomerekből, a kettős kötés felhasadásával, melléktermék nélkül keletkeznek. A folyamat megindulása aktiválási energiát igényel, ami hővel vagy kémiai úton valósítható meg, lánclezárás inhibítorokkal. Általános képlet: na (A) n Példák: nch 2 =CH 2 -[CH 2 -CH 2 ] n - Etilén polietilén (PE) nch 2 =CH -[CH 2 -CH] n - Cl Cl vinil-klorid polivinil-klorid (PVC) Ide tartozik még:polipropilén, polisztirol (Polikond.) Leczovics Péter

77 Polikondenzációval előállított makromolekulás anyagok A monomer molekulák összekapcsolódását valamilyen kis molekulájú melléktermék kilépése kíséri; (leggyakrabban víz). Általános képlet: x-r-y + x-r -y x-r-r -y+xy dimer pl.: H 2 O Például: x-r-r -y + x-r-y x-r-r -R-y+xy trimer... Fenoplasztok (fenol+metanol bakelit) Poliamidok, poliészterek (Poliadd.) Leczovics Péter

78 Poliaddicióval előállított makromolekulájú anyagok A poliaddíció általánosan az na + nb (AB) n Példák: epoxi gyanta (pl. műanyag kötésű beton) poli-uretán (PU, pl. festék, lakk, hab) képlettel írható fel. (Termo.görbe) Leczovics Péter

79 Polimerek termomechanikai görbéje A polimerek hő hatására bekövetkező viselkedése a termomechanikai görbével jellemezhető. A görbén jól megkülönböztethető a polimerek három á fizikai állapota: üvegszerű, nagyrugalmasságú (elasztikus) viszkózusan folyós Az állapotok közötti átmenetre a dermedési (T d ), illetve a lágyulási (T l ) tartomány jellemző. (Nem minden polimernek van meg mindhárom tartománya. A kis polimerizációs fokú polimer vagy csak üvegszerű, vagy csak viszkózusan folyós. Az elasztikus szakasz a polimerizáció fokával (a monomerek számával) nő. (Elasztomerek) Leczovics Péter

80 Elasztomerek A gumi előállítása: Latex-kaucsuk-kaucsukkeverék (vulkanizálószer, gyorsítók, lágyítók, plasztifikátorok, stb)-vulkanizálás (hőhatás) kénhidak kialakulása, térhálós szerkezet gumi Kaucsuk (térhálósítatlan gumi) és vulkanizált, térhálósított gumi szerkezete Vulkanizálási görbe (modellek) Leczovics Péter

81 Plasztomerek Viszkoelasztikus anyagok reológiai modelljei Rugalmas elem(hook-elem): feszültség arányos a deformációval Viszkózus elem (Newton-elem): feszültség arányos a deformáció sebességével Leczovics Péter

82 Csoportosítás fizikai tulajdonságaik alapján Fluidoplasztok: 20 C-on folyékony műanyagok Elasztomerek: Plasztomerek: Termoplasztok: Duropalsztok: gumi rugalmasságú makromolekuláris anyagok hőre lágyuló műanyagok hőre keményedő műanyagok (Hőre kem. Pl.feldolg.) Leczovics Péter

83 Plasztomerek feldolgozása A hőre keményedő műanyagok jellemző feldolgozási eljárásai: Sajtolás Műanyag porból vagy granulátumból préseléssel Fröccssajtolás Bonyolult, vékonyfalú, mély lyukakkal, fémbetétekkel, szigorú mérettűréssel rendelkező darabok gyártása esetén alkalmazzák. Fröccsöntés Csigadugattyús fröccsgépeken. Nemcsak olcsóbb eljárás, mint a nyomásos sajtolás vagy a fröccssajtolás, hanem a késztermék is jobb minőségű és méretpontosabb. (Lágyuló pol.i.) Leczovics Péter