Szerves kémiai alapismeretek

Átírás

1 O COO N C C 3 C 3 O C C 3 C 3 C O O 3 C O O Szerves kémiai alapismeretek A szénatom hibridállapotai, kötéstípusok Telített szénhidrogének Telítetlen és aromás szénhidrogének Kőolaj, földgáz és feldolgozásuk

2 A szénatom és tulajdonságai A szén elemi álapotban is előfordul a természetben (grafit és gyémánt: atomrácsos szerkezet). A szénatomok egymással vegyületekben is (szinte) korlátlan számban összekapcsolódhatnak. A szén helye a periódusos rendszerben: 2. periódus, IV. oszlop. Elektronegativitás: 2,5 Elektronszerkezet: 1s 2 2s 2 2p 2 Az alapállapotú szénatomban két párosítatlan elektron van, ennek elenére nem kető, hanem általában négy kovalens kötést létesít. Magyarázat: hibridizáció.

3 ibridizáció 1 db s-pálya és 3 db p-pálya kombinációjával 4 db - azonos energiaszintű - hibridpályához jutunk: sp 3 hibridállapot.

4 s + p x + p y + p z ibridállapotok sp 3 109,5 C metán tetraéder alak s + p x + p y + p z s + p x + p y + p z sp 2 sp ~120 C C etilén sík molekula 180 C C acetilén lineáris molekula

5 A vegyületcsoportok tárgyalása: Szerkezet, elnevezés Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előfordulás, gyakorlati jelentőség, néhány példa, érdekességek Mit kell tudni a vizsgán? Az előadáson szereplő vegyületek szerkezeti képlete és neve, jelentősége Jelemző reakciótípusok egy-egy példával

6 Szénhidrogének Csak szénatomokból és hidrogénatomokból állnak. Telített szénhidrogének (csak egyszeres kötést tartalmaznak): Alkánok (nyílt láncú) és cikloalkánok(gyűrűs) Telítetlen szénhidrogének: Alkének (egy C=C kétszeres kötést tartalmaznak) Diének (két C=C kétszeres kötést tartalmaznak)... Alkinok (egy C C háromszoros kötést tartalmaznak) Aromás szénhidrogének (aromás szerkezet: 4n+2 -elektron delokalizált kötéseket alkot, egy síkban elhelyezkedő szénatomok gyűrűbe záródnak)

7 Alkánok (Parafinok) Szerkezet Összegképlet C n 2n+2 omológ sor: metán C 4 etán C 2 6 C 3 C 3 propán C 3 8 C 3 C 2 C 3 bután C 4 10 C 3 (C 2 ) 2 C 3 pentán C 5 12 C 3 (C 2 ) 3 C 3 hexán C 6 14 C 3 (C 2 ) 4 C 3 heptán C 7 16 C 3 (C 2 ) 5 C 3 oktán C 8 18 C 3 (C 2 ) 6 C 3 nonán C 9 20 C 3 (C 2 ) 7 C 3 dekán C C 3 (C 2 ) 8 C 3 Elnevezés: -án végződés undekán C C 3 (C 2 ) 9 C 3... A butánig a triviális neveket használjuk, a pentántól kezdve a nevet a szénatomszám görög megfelelőjéből képezzük. Az alkánok elnevezése a szisztematikus (IUPAC szerinti) nevezéktan alapja.

8

9 Szerkezet Alkánok Térszerkezet, szerkezeti képletek metán etán propán C C C C 4 C 3 C 3 C 3 C 2 C 3 bután C C 3 C 2 C 2 C 3 C C C C C C

10 Izoméria: azonos összegképlet, eltérő szerkezet Konstitúció: az atomok kapcsolódási sorrendje. Konstitúciós izoméria: az atomok kapcsolódása eltérő. Négy szénatomból álló váznál már fellép az izoméria: C 3 C 2 C 2 C 3 n-bután C 3 C 3 C C 3 i-bután 2-metil-propán Az izomerek fizikai és kémiai tulajdonságai kisebb-nagyobb mértékben eltérnek egymástól.

11 Elnevezés Alkánból egy hidrogénatom (képzeletbeli) eltávolításával alkilcsoportot (alkilgyököt) kapunk: C 4 C 3 metán metil csoport C 3 C 3 C 3 C 2 etán etil csoport C 3 C 2 C 3 C 3 C 2 C 2 propán n-propil csoport C 3 CC 3 i-propil csoport

12 A szénatomrendűsége: az adott szénatomhoz kapcsolódó szénatomok száma. harmadrendű (tercier) C 3 másodrendű (szekunder) C 3 C 3 C C 2 C C 3 elsőrendű (primer) C 3 negyedrendű (kvaterner)

13 Fizikai tulajdonságok Alkánok Olvadáspont, forráspont a szénatomszám növekedésével emelkedik. Szobahőmérsékleten C 1 -C 4 (színtelen, szagtalan) gáz, C 5 -C 19 (színtelen, jellegzetes szagú) folyadék, >C 20 szilárd halmazállapotúak. Apoláros molekulák ( EN = EN(C)-EN() = 2,5-2,1 = 0,4; a C- kötés enyhén poláros, de a molekulák szimmetriája miatt a töltéseloszlás egyenletes). Apoláros oldószerekben oldódnak, egymással elegyednek. Vízben nem oldódnak, kisebb sűrűségük miat a víz felszínén helyezkednek el.

14 Kémiai tulajdonságok Alkánok Szobahőmérsékleten kevésé reakcióképesek (parum affinis), innen kapták régi nevüket: parafinok. Oxigén jelenlétében elégethetők: C n 2n+2 + (3n+1)/2 O 2 = n CO 2 + (n+1) 2 O C O 2 = CO O alogénekkel (Cl 2, Br 2 ) gyökös mechanizmusú szubsztitúciós (helyettesítési) reakcióba lépnek (lásd láncreakciók!): C 4 + Cl 2 = C 3 Cl + Cl C 3 Cl + Cl 2 = C 2 Cl 2 + Cl (... CCl 3... CCl 4 ) A reakció fény hatására már szobahőmérsékleten is lejátszódhat.

15 Kémiai tulajdonságok Alkánok őbontás v. krakkolás (crack -tör): magas hőmérsékleten (500 C felett) a C C kötések felszakadnak, és kisebb részletek szakadnak ki: R C 2 C 2 C 3 R C 3 + C 2 C 2 Krakkolásal gyűrűs vegyületek (cikloalkánok és aromás vegyületek ) is előálíthatók a reakciókörülmények (hőmérséklet, nyomás, katalizátor) megfelelő beálításával. A vegyiparban főként alapanyagok (etilén, propilén, butadién, aromás vegyületek) előálítására alkalmazzák a krakkolást.

16 Előfordulás, felhasználás Alkánok Földgáz: főként kis szénatomszámú alkánok alkotják. Magyarországon a földgáz legnagyobb része metán. A metánt fűtésre, hidrogén előálítására (pl. ammóniaszintézishez), acetilén előálítására használják. A metánszíntelen, szagtalan gáz, levegővel keveredve robbanóelegyet képez. A földgázhoz kéntartalmú vegyületeket kevernek, hogy ezek szaga elárulja a szivárgást. Kőolaj: alkánokon kívül cikloalkánok, aromás vegyületek, heterociklusos vegyületek is találhatók benne. A kőolajat frakcionált desztilációval dolgozzák fel. A desztilláció termékei: oldott gázok (C 3, C 4 ) - PB gázpalackok töltésére használják könnyű- és nehézbenzin (C 5 - C 9 ) - oldószerek, motorbenzin petróleum (világítóolaj) (C 10 - C 12 ) - kerozin gázolaj (C 13 - C 15 ) - üzemanyag kenőolajok (C 16 - C 28 ) pakura -fűtőanyag, krakkolási alapanyag aszfalt - rugalmas útburkoló anyag alkotórésze

17

18 Motorhajtó anyagok minősítése Oktánszám:a motorbenzin kompresziótűrésének jelemzésére használják. Az oktánszám annak a n-heptán i-oktán (2,2,4-trimetil-pentán) elegynek a százalékban kifejezett i-oktán tartalma, amelynek kompresziótűrése a vizsgált benzinével megegyezik. C 3 C 3 C 3 (C 2 ) 5 C 3 C 3 C C 2 C C 3 n-heptán C 3 i-oktán Cetánszám: a gázolaj öngyulladási hajlamának jellemzésére szolgál. A cetánszám annak a cetán (n-hexadekán) -metil-naftalin elegynek a százalékban kifejezett cetántartalma, amelynek öngyulladási képessége a vizsgált gázolajéval azonos. C 3 C 3 (C 2 ) 14 C 3 cetán -metil-naftalin

19 Tengeri olajszennyezés Évente többmillió tonna nyersolaj kerülhet a tengerbe (ennek kb. 10%-a tartályhajókbaleseteinek következménye, a többi a normális működéssel jár) t / év tanker balesetek olajkutak "normális" működése "lefolyóból" (fáradtolaj, üzemanyag) füstből kiülepedő szárazföldi olajkutak természetes szivárgás

20 Kőolajsorsa a tengerben: nagy felületen szétterül kisebb szénatomszámú alkotórészek elpárolognak (kb. 25%, 1 hét alatt) el nem ágazó szénláncú alkánok: biológiai úton lebomlanak (kb. 30%) kb. 5% oldódik a tengervízben, ugyanennyi fotokémiai oxidációval bomlik le kb. 15% lesüllyed a tengerfenékre kb. 20% hosszú ideig a felszínen marad (többgyűrűs aromás vegyületek, cikloalkánok, kátrány), ezek a leginkább mérgezőek!

21 Az olajszennyezés hatásai az élővilágra: szűktűrésű fajok pusztulása olajpestis: vízre leszálló madarakat pusztítja el a tollakat borító zsiradék feloldódik, a madár egyre kevésbé tud fennmaradni a vízen ill. repülni (vagyis táplálékot szerezni, menekülni) ahőszigetelés károsodása miat az anyagcsere fokozódik, ez végkimerüléshez vezet a tolait tisztogatni igyekvő madár az olajat egyre jobban szétkeni a testén, egy részét lenyeli (mérgezés: vese, máj és emésztőrendszer károsodása)

22 Cikloalkánok Szerkezet Összegképlet C n 2n C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 ciklopropán ciklobután ciklopentán ciklohexán Elnevezés: ugyanúgy történik, mint az alkánok esetében, az alapváznak megfelelő szénatomszámú alkán nevéhez a ciklo- szócskát illesztjük.

23 Cikloalkánok Térszerkezet ciklopropán ciklobután ciklopentán ciklohexán 60 szék kád

24 ciklobután ciklopentán ciklohexán (szék)

25 Szerkezet Alkének (Olefinek) Összegképlet C n 2n omológ sor: etén (etilén) C 2 4 C 2 =C 2 propén C 3 6 C 2 =C C 3 but-1-én C 4 8 C 2 =C C 2 C 3 pent-1-én C 5 10 C 2 =C (C 2 ) 2 C 3 etenil (vinil) csoport Elnevezés: -én végződés, előte a ketőskötés helyét jelző számmal. (Újabb lehetőség izomériára!) but-1-én C 2 =C C 2 C 3 but-2-én C 3 C=C C 3 C 2 =C propenil (allil) csoport C 2 =C C 2 pent-1-én C 2 =C (C 2 ) 2 C 3 pent-2-én C 3 C=C C 2 C 3

26 Szerkezet Alkének Térszerkezet: a kétszeres kötésben részt vevő szénatomok sp 2 hibridállapotúak, a hozzájuk kapcsolódó atomokkal egy síkban helyezkednek el, amely egyben a -kötés csomósíkja. A -kötés elektronjai a sík alatt és felett tartózkodhatnak. C C A -kötés körül nem lehetséges elfordulás, ez újabb izoméria fellépésével jár (cisz-transz vagy (E)-(Z) izoméria).

27 Alkének cisz-transz vagy (E)-(Z) izoméria 3 C C 3 C C cisz-but-2-én (Z)-but-2-én 3 C C C C 3 transz-but-2-én (E)-but-2-én Az izomerek fizikai és kémiai tulajdonságai eltérőek.

28 Fizikai tulajdonságok Alkének A molekulák apolárosak, így a fizikai tulajdonságok (olvadáspont, forráspont, oldékonyság) az alkánokéhoz hasonlóak. Kémiai tulajdonságok A -kötés miat az alkének jóval reakcióképesebbek. Jelemző reakciójuk az elektrofil addíció (A E ). Olefin(olajképző) elnevezés eredete: C 2 =C 2 + Cl 2 Cl C 2 C 2 Cl (1,2-diklór-etán, olajszerű) A ketős kötés hidrogénnel telíthető katalizátor jelenlétében. Az alkének molekulái egymással hosszú láncokká (makromolekulákká) kapcsolódhatnak össze (polimerizáció).

29 Elektrofil addíció - etilén reakciója brómmal: C 2 =C 2 + Br 2 Br C 2 C 2 Br 1,2-dibróm-etán - propén reakciója hidrogén-kloriddal: C 2 C C 3 + Cl C 3 C C 3 - etilén reakciója vízzel: C 2 =C 2 + O C 3 C 2 O Cl 2-klór-propán etanol (etil-alkohol)

30 Katalitikus hidrogénezés C C + 2 kat. C C katalizátorok: Pt, Pd, Ni Polimerizáció n C C C C C C m

31 Vinilpolimerek monomer polimer név C 2 C 2 C 2 C 2 polietilén m C 2 CC 3 C 2 C polipropilén C 3 C 2 CCl C 2 C poli-vinil-klorid m (PVC) Cl C 2 CCN C 2 C poli-akril-nitril m (orlon) C N CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 m poli-tetrafluoretilén (teflon) C 2 C C 2 C poli-sztirol m m C 2 C 3 C C O OC 3 C 2 O C 3 C poli-metil-metakrilát m (plexi) C OC 3

32 Fontosabb alkének Etén (etilén): a kőolaj benzinfrakciójának krakkolásával álítják elő ( C hőmérsékleten). Számos vegyipari eljárás, köztük a polietilén gyártásának alapanyaga. Az etilén a természetben is előfordul, a növények érést szabályozó hormona. Propén (propilén): krakkolási melléktermék. Polipropilén, propán-2-ol, izopropil-benzol (kumol) előálításának alapanyaga. 2-metil-propén (izobutilén): krakkolási melléktermék. Magas oktánszámú szintetikus polimerbenzin és izoprén (l. diének) előállítására is használják. Pentének:a krakkolás során keletkeznek, izoprén előálítására használhatók.

33 Szerkezet Diének (Diolefinek) Összegképlet C n 2n-2 omológ sor (az elnevezés az alkénekével analóg): propadién (allén) C 3 4 C 2 =C=C 2 buta-1,2-dién C 4 6 C 2 =C=C C 3 buta-1,3-dién (butadién) C 4 6 C 2 =C C=C 2 penta-1,2-dién C 5 8 C 2 =C=C C 2 C 3 penta-1,3-dién C 5 8 C 2 =C C=C C 3 penta-1,4-dién C 5 8 C 2 =C C 2 C=C 2... Egyre több a lehetőség az izoméria változatos formáinak felépésére! propadién (allén)

34 Diének Egyéb diének C 2 C 3 C C C 2 2-metil-buta-1,3-dién (izoprén) ciklopenta-1,3-dién ciklohexa-1,4-dién

35 Diének Fizikai tulajdonságok: az alkénekéhez hasonlóak. Kémiai tulajdonságok:az alkénekhez hasonlóan jelemző reakciójuk az elektrofil addíció, hidrogénezhetők, hidroxilezhetők, oxidálhatók és polimerizálhatók is. Fontosabb diének Butadién (buta-1,3-dién): krakkolással és bután dehidrogénezésével gyártják. Főleg szintetikus kaucsuk előálítására használják. Izoprén (2-metil-buta-1,3-dién): a gumi monomerje. A kaucsukfa nedve lineáris polizoprént tartalmaz (ez kb izoprénegységből áll). A kaucsukból vulkanizálással térhálós polimert készítenek: a kaucsukot kénnel melegítik, ekkor a láncokban lévő ketős kötések felszakadnak, és a láncok kénhidakkal összekapcsolódnak. Napjainkban a gumigyártás alapanyaga már jórészt szintetikus izoprén. Kloroprén (2-klór-buta-1,3-dién): polimerizációjával készül a neoprén, amelyet vízhatlan és hőszigetelő ruhák készítésére használnak.

36 Izoprénegységekből felépülő természetes anyagok geraniol (a rózsaolaj alkotórésze) O O mentol (a borsmentaolaj alkotórésze) likopin -karotin

37 Alkinek (acetilén-szénhidrogének) Szerkezet Összegképlet C n 2n-2 omológ sor: etin (acetilén) C 2 2 C C propin C 3 4 C C C 3 but-1-in C 4 6 C C C 2 C 3 pent-1-in C 5 8 C C (C 2 ) 2 C 3 etinil csoport C C Elnevezés: -in végződés, előte a hármas kötés helyét jelző számmal. but-1-in C C C 2 C 3 but-2-in C 3 C C C 3 pent-1-in C C (C 2 ) 2 C 3 pent-2-in C 3 C C C 2 C 3

38 Szerkezet Alkinek Térszerkezet: a háromszoros kötésben részt vevő szénatomok sp hibridállapotúak, a hozzájuk kapcsolódó atomokkal egy vonal mentén helyezkednek el. A két -kötésnek két, egymásra merőleges csomósíkja van. 180 C C C C

39 Fizikai tulajdonságok Alkinek A molekulák apolárosak, így a fizikai tulajdonságok (olvadáspont, forráspont, oldékonyság) az alkánokéhoz, alkénekéhez hasonlóak. Kémiai tulajdonságok A két -kötés miatt az alkinek igen reakcióképesek. A hármas kötésben részt vevő szénatomhoz kapcsolódó hidrogénatom protonként lehasítható, az alkinek ezért savas jelleget mutatnak. (A víznél azonban jóval gyengébb savak, így savas jellegük vizes oldatban nem vizsgálható, folyékony ammóniában azonban igen.) Az alkinek gyakorlati szempontból legfontosabb képviselője az acetilén (etin).

40 Acetilén (etin) Fizikai tulajdonságok Az acetilén a levegőnél kissé könnyebb, színtelen, tiszta állapotban szagtalan gáz. Vízben nem, acetonban jól oldódik. (A hegesztéshez használt disszugáz (dissous = oldott) palackban acetonnal átitatott kovaföld van, ebben nyeletik el az acetilént. Erre azért van szükség, mert az acetilén nyomással nem cseppfolyósítható, felrobbanna.) Előálítás Metán vagy a kőolaj könnyűbenzin-frakciójának krakkolásával gyártják C hőmérsékleten. Korábban égetet mészből előálítot kalcium-karbid vízzel való reakciójával nyerték: CaO + 3 C = CaC 2 + CO CaC O = C Ca(O) 2 Sav-bázis reakció: a víz -mint erősebb sav - az acetilént - mint gyengébb savat - sójából felszabadítja (ez a karbidlámpa működésének alapja is).

41 Felhasználás Acetilén (etin) Az acetilén levegőn világító, kormozó lánggal ég (a nagy széntartalom miatt nem tökéletes az égés). Oxigénnel keverve tökéletesen elégethető, lángja magas hőmérsékletű, hegesztésre használható. Az 1930-as években dolgozták ki Németországban azokat az eljárásokat (Reppe-szintézisek), amelyekkel acetilénből műbenzint, műanyagipari alapanyagokat álítotak elő. C C + Cl C 2 C Cl vinil-klorid C C + 2 O C 2 C C 3 C O vinil-alkohol O acetaldehid

42 Alapvegyület: a benzol Aromás vegyületek Összegképlet C telítetlenségre utal, a kémiai tulajdonságok viszont ennek ellentmondanak: nem addíciós, hanem szubsztitúciós reakciókra hajlamos! Jelegzetes szagú, vízzel nem elegyedő, víznél kisebb sűrűségű folyadék. Súlyosan mérgező, rákkeltő anyag. A benzolt M. Faraday fedezte fel 1825-ben a bálnazsír hőbontásának termékei között. A látszólagos telítetlenség és a kémiai viselkedés ellentmondásai miatt sok kutató próbálkozott a benzol szerkezetének felírásával (amikor a szénatom négy vegyértékét már ismerték, de az atomszerkezetről még nem lehetek ismereteik). A. Kekulé von Stradonitz 1865-ben felismerte a benzol gyűrűs szerkezetét. Elméletének helyeségét csaknem száz évvel később a röntgendifrakciós szerkezetvizsgálat igazolta.

43

44 Aromás vegyületek A benzol szerkezete A szénatomok sp 2 hibridállapotúak. A kötésszögek értéke 120. A -kötések felírása után minden szénatomnak marad egy p-elektronja, amelyekből a gyűrű síkja alat és felet delokalizált -kötőpályák alakulnak ki. C C C C C C

45 Aromás vegyületek Az aromás szerkezet szimmetrikus, igen stabil, nehezen megbontható, ez a szokatlan kémiai stabilitás háttere. Az aromás szerkezet kialakulásának feltételei: a gyűrű atomjai egy síkban vannak ückel-szabály: a -elektronok száma: 4n + 2 (n = 1, 2, 3...) elnyelés a közeli UV tartományban A benzol UV spektruma

46 Aromás vegyületek A benzol szerkezetének jelölése vonalképletekkel: Kekulé-képlet Robinson-képlet: "hatszögbe írt kör" Vigyázat! ciklohexán

47 Aromás vegyületek Szubsztituált benzolszármazékok Cl C 3 C 3 C 3 C 3 klórbenzol NO 2 toluol (metil-benzol) o-xilol (1,2-dimetil-benzol) C 3 m-xilol (1,3-dimetil-benzol) C 3 C C 2 C 3 C C 3 nitrobenzol C 3 O 2 N NO 2 C 3 p-xilol (1,4-dimetil-benzol) sztirol (vinil-benzol) kumol (izopropil-benzol) NO 2 2,4,6-trinitro-toluol (TNT, trotil)

48 Aromás vegyületek Benzolból levezethető csoportok (gyökök) C 6 5 C 6 4 C 6 4 fenil csoport p-fenilén csoport o-fenilén csoport C 2 benzil csoport

49 Több aromás gyűrűt tartalmazó rendszerek Kondenzált gyűrűs poliaromás vegyületek naftalin antracén fenantrén pirén benzpirén PA = polyaromatic hydrocarbon

50 Több aromás gyűrűt tartalmazó rendszerek Izolált gyűrűs poliaromás vegyületek Cl Cl Cl Cl bifenil 3,3',4,4'-tetraklór-bifenil (egy gyakori PCB) PCB = polychlorinated biphenyl Cl O Cl Cl O Cl dioxin, TCDD (2,3,7,8-tetraklór-dibenzo-p-dioxin, a 2,4-D és a 2,4,5-T gyomirtók gyártásának mellékterméke)

51 A benzol (és az aromás vegyületek) kémiai tulajdonságai A benzol katalitikus hidrogénezése ciklohexánhoz vezet: 2 (PtO 2 ) Brómmal (vas katalizátor jelenlétében) és salétromsavval (kénsav jelenlétében) elektrofil szubsztitúció játszódik le: Br Br 2 (Fe) + Br NO 2 ONO 2 ( 2 SO 4 ) + 2 O

52 Fontosabb aromás vegyületek Benzol: régen a kőszénkátrány lepárlásával nyerték, ma főleg a benzinfrakció krakkolásával álítják elő. Erősen rákkeltő, kis koncentrációban is leukémiát okozhat. Felhasználása széleskörű: oldószer, vegyipari eljárások alapanyaga, oktánszám növelésére alkalmas adalék. Toluol, xilolok: krakkoláskor keletkeznek a benzol mellett. Kevésbé veszélyesek, oldószerként (,aromás hígító ) és motorbenzin-adalékként használják őket. 2,4,6-trinitro-toluol (TNT, trotil): nagy hatású robbanóanyag. asználata viszonylag biztonságos, mert ütésre, rázásra nem robban. Poliaromás szénhidrogének (PA-ok): nem tökéletes égéskor keletkeznek (pl. dohányfüst, pirított kenyér, füstölt áruk). Rákkeltő, mutagén hatású anyagok igen kis mennyiségben is.

53 Köszönöm a figyelmet!