Visoka poljoprivredno-prehrambena skola strukovnih studija u
Prokuplju
Seminarski rad
Dr Ljubiša Jovanović Milan Đorđević RP 187/13
Prokuplje, 2014.
2
Visoka poljoprivredno-prehrambena skola strukovnih studija u
Prokuplju
Seminarski rad
Tema: Alkani I cikloalkani
Dr Ljubiša Jovanović Milan Đorđević RP 187/13
Prokuplje, 2014.
4
Sadržaj:
Alakani………………………………………………………………………………………...5
Fizičke osobine alkana………………………………………………………………………...5
Nomenklatura alkana…………………………………………………..……………………....6
Dobijanje alkana……………………………………….………………………….…………...8
Hemijske
osobine……………………………………………………………………….........................10
Metan………………………………………………………………………............................10
Cikloalkani………………………………………………………………………...................11
Nomenklatura cikloalkana….………………………………………………………………...11
Dobijanje
cikloalkana………………………………………………………………………...................12
Fizičke osobine cikloalkana………………………………………………………………….12
Hemijske osobine cikloalakana………………………………………………………………13
Dobijanje cikloalkana………………………………………………………………………...13
5
Alakani
Alkani su zasićeni ugljovodonici, tj. oni koji ne poseduju
višestruke veze između atoma ugljenika. Razlika između metana i etana je samo u jednoj
CH
2
grupi. Razlika između svakog sledećeg alkana je takođe u jednoj CH
2
grupi. Takav tip
hemijskih jedinjenja čiji se susedni članovi razlikuju za pojednu grupu (u ovom slučaju za
CH
2
grupu) naziva sehomologi red
Skelet ugljenikovih atoma alkana može da bude:
Prost
Razgranat
Cikličan
Ime
zasićeni ugljovodonici
potiče od činjenice da alkani ne podležu nikakvoj adicionoj
reakciji. Alkani su dosta hemijski nereaktivni, podležu reakciji samo u ekstremnim
slučajevima (visoka temperatura i pritisak). Generalno se izdvajaju tri tipa reakcije kojima
podležu alkani:
1.sagorevanje (može biti: potpuno - produkti su ugljen dioksid i vodena para i nepotpuno
produkti su mešavina vodene pare, ugljen monoksida i čađi
CH
4
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O
2. halogenovanje ugljovodonika - U prisustvu sunčeve svetlosti ili visokih temperatura (preko
300 °C alkani stupaju u reakciju sa halogenim elementima i daju hemijska jedinjenja kod
kojih su atomi vodonika zamenjeni hlorom ili bromom.
CH
4
+ Cl
2
→ CH
3
Cl + HCl
3. Krakovanje (piroliza) alkana - Na temperaturama višim od 500 °C (u odsustvu kiseonika)
alkani se razlažu (raskidaju se C−C i C−H veze). Npr. iz etana se dobijaju eten i vodonik.
Alkani sa većim brojem ugljenikovih atoma se mogu razlagati na više načina: (etan)
CH
3
CH
3
→ CH
2
=CH
2
+ H
2
(propan)
CH
3
CH
2
CH
3
→ CH
3
CH=CH
2
+H
2
CH
3
CH
2
CH
3
→ CH
2
=CH
2
+CH
4
Opšta formula alkana je: C
n
H
2n+2
;
Iako imaju istu molekulsku formulu neki alkani imaju različite strukturne formule. Primer za
to su npr. Butan i Izobutan (2-metil propan) koji imaju istu molekulsku formulu ali se
razlikuju po strukturi. Takva pojava da jedno ili više jedinjenja imaju istu molekulsku
formulu a različitu strukturnu (samim tim i različite osobine) naziva se izomerija
Fizičke osobine alkana
7
Po starijoj nomenklaturi svi se ugljovodonici mogu shvatiti kao da su izvedeni iz osnovnog
ugljovodonika metana, zamenom njegovih vodonikovih atoma sa odgovarajućim radikalima
(alkil grupama), na primer, butanov izomer nosi naziv trimetil-metan.
Ako se u datoj formuli ponavljaju isti radikali više puta, onda se njihov broj označava sa di-,
tri-, tetra itd.
Savremena pravila za određivanje sistemskih imena razgranatih alkana po IUPAC-u su:
— Najpre se odabere najduži niz koji čini osnovno jedinjenje.
— Ukoliko se u molekulu mogu naći dva ravnopravna najduža niza onda se uzima onaj koji
ima više supstituenata (zapravo onaj niz koji ima jednostavnije supstituente).
— Odrede se imena supstituenata vezanih na ugljenikove atome odabranog niza (nastavak –
IL).
— Položaj supstituenata na glavnom nizu određen je rednim brojem ugljenikovih atoma na
koji je supstituent vezan. Redni brojevi ugljenikovih atoma glavnog niza određuju se tako da
supstituent bude na ugljenikovom atomu sa što manjim rednim brojem, tj. brojanje počinje sa
onog kraja kod koga se najbliže nalazi uvedena alkil-grupa. Ako se oba supstituenta nalaze na
istom udaljenju od levog i desnog kraja najdužeg niza, onda obeležavanje počinje sa kraja
gde ih ima više.
— Broj istovrsnih supstituenata na glavnom nizu označava se umnoženim prefiksom:
a) DI – za dva supstituenta
b) TRI – za tri supstituenta
c) TETRA – za četiri supstituenta
d) PENTA – za pet supstituenata itd.
— Supstituenti se najčešće navode abecednim redom, a pri tom se zanemaruju prefiksi poput:
izo, terc, di, tri, bis... Međutim neki autori ne zanemaruju prefikse. Pojedini autori navode
supstituente po veličini.
— Ukoliko je bočni niz račvast, ime dobija tako što se traži najduži niz počevši od ugljenika
kod kojeg je došlo do račvanja, a zatim se imenuju njegovi supstituenti. Celokupan naziv se
stavlja u zagradu, a ako ih je više, umesto tradicionalnih prefiksa di-, tri-, tetra-, za složene
supstituente koriste se bis-, tris-, tetrakis-, ...
— Radi pojednostavljivanja imenovanja bočnih račvastih nizova, IUPAC dozvoljava
trivijalne nazive metil-, etil-, propil- i butil-grupe kao i njihovih izomera.
— Svi izomeri se smatraju kao da su izvedeni iz normalnih ugljovodonika (sa usvojenim
trivijalnim imenima), „roditelja jedinjenja“, čiji su vodonikovi atomi zamenjeni raznim alkil-
8
grupama. Drugim rečima, alkani sa račvastim nizovima smatraju se derivatima alkana sa
normalnim nizovima. Zato i dobijaju imena prema svom roditelju, ugljovodoniku sa
najdužim normalnim nizom.
— Međutim, trivijalna imena za mnoga organska jedinjenja su se toliko odomaćila, kako u
hemijskoj literaturi tako i u govoru, da se zvanična sistemska nomenklatura dosta zapostavlja.
— Evo jednog primera dobro datog naziva alkana:
4-izobutil 2,5-dimetil heptan
C
molekulsk
a formula
racionalna
formula
ime
1
CH
4
CH
4
metan
2
C
2
H
6
CH
3
– CH
3
etan
3
C
3
H
8
CH
3
–CH
2
- CH
3
propan
4
C
4
H
10
CH
3
–(CH
2
)
2
-
CH
3
butan
5
C
5
H
12
CH
3
–(CH
2
)
3
-
CH
3
pentan
6
C
6
H
14
CH
3
–(CH
2
)
4
-
CH
3
heksan
7
C
7
H
16
CH
3
–(CH
2
)
5
-
CH
3
heptan
8
C
8
H
18
CH
3
–(CH
2
)
6
-
CH
3
oktan
9
C
9
H
20
CH
3
–(CH
2
)
7
-
nonan
10
•
Dekarboksilovanje karboksilnih kiselina daje bolji prinos
Hemijske osobine
Alkani su slabo reaktivna hemijska jedinjenja, pod normalnim uslovima ne reaguju sa
jakim kiselinama kao što su sulfatna kiselina i hloridna kiselina a ni sa jakim bazama kao što
su natrijum hidroksid i kalijum hidroksid. Alkani ne reaguju ni sa oksidacionim sredstvima
kao što su Kalijum permanganat ili kalijum dihromat. Alkani su nereaktivni jer su izgrađeni
od sigma C-C-C veza. Ove veze se teško raskidaju jer je potrebno uložiti veliku energiju za
taj proces. Zato alkani reaguju samo na posebnim uslovima.
1. Halogenovanje
Do reakcije dolazi izlaganjem smeše alkana i halogena (najčešće Cl
2
ili Br
2
) izvoru svetlosti,
nekog drugog zračenja, ili toplote
2.
Nitrovanje
Nitrovanje je reakcija pri kojoj se vodonikov atom alkana zamenjuje nitro-grupom, NO
2
.Za
razliku od halogenovanja, pored raskidanja C-H veza ovde dolazi i do raskidanja C-C veza.
Reakcija se može vršiti u gasnoj i u tečnoj fazi. U tečnoj fazi se reakcija izvodi pod pritiskom
i na temperaturi od 140
°
C, a dobijaju se polinitro-jedinjenja. U gasnoj fazi: alkani se
zagrevaju sa azotnom kiselinom ili azotovim oksidima na 150 do 475
°
C (zavisno od
ugljovodonika) pri čemu se dobija smeša mononitro-parafina
3.
Sulfonovanje
4.
Oksidacija
U višku kiseonika ili vazduha, svi alkani lako sagorevaju dajući ugljendioksid i vodu, uz
oslobađanje znatne količine energije
11
Metan
Metan je najprostiji ugljovodonik, a usto i najprostije organsko jedinjenje. CAS broj metana
je 74-82-8. Ovo jedinjenje je poznato i pod nazivima blatni gas i metil-hidrid. Molekulska
masa ovog molekula je 16.0425 g/mol. Pri normalnim uslovima to je bezbojni gas koji se na
Zemlji nalazi kao glavni sastojak u zemnom gasu. Velike količine metana se nalaza na
planetama u obliku mora (kao što na zemlji postoje mora vode, tako na nekim planetama
postoje mora metana).
Metan je molekul sa tetragonalnom strukturom, tj. ugljenikov atom u ovom molekulu je sp³
hibridizovan. Na ilustraciji sa desne strane prikazan je molekul metana (zeleno-plava lopta u
sredini predstavlja ugljenikov atom, a četiri žute lopte atome vodonika). Ugao veze između
ugljenikovod i vodonikovih atoma je 109°28" (109,48°). Sve četiri veze su podjednake i jako
malo su polarizovane, a molekul u celini je u potpunosti nepolaran zbog tetragonalne
strukture.
U zavisnosti od toga koji od izotopa ugljenika i vodonika ulazi u sastav metana razlikujemo
sledeće izomere metana: ¹³CH4, ¹³CD3, CH3D, CH2D2 i CD4. D u ovim formulama
predstavlja deuterijum, a H protijum.
U prirodi metan nastaje usled bezkiseoničnog raspada organskih materija (na primer u
močvarama).
Metan se koristi kao gas za grejanje i kao sirovina za dobijanje organskih jedinjenja.
tetradeuterometan
Formula ovog izotopskog izomera metana je CD4, a CAS broj mu je 558-20-3. Energija
jonizacije potrebna da nastane ovo jedinjenje je, po različitim autorima, između 12,658 ±
0,015eV (po Berkowidz, Greene i ostali 1987) i 13,1eV (Frauklin i Munson 1965).
Cikloalkani
Cikloalkani (nafteni) su ciklički zasićeni ugljikovodici kod kojih su svi atomi ugljika u prstenu
međusobno vezani jednostrukomkovalentnom vezom. Naziv cikloalkani je došao od činjenice da su
ciklički te da su spojeni jednostrukim kovalentnim vezama, kao alkani. Naziv nafteni se koristi jer su
prvi put pronađeni i izolirani iz nafte.
13
ime
temperatura
ključanja
temperatura
topljenja
ciklopropa
n
33°C
-127°C
ciklobutan
13°C
- 90°C
ciklopentan
49°C
-94°C
cikloheksa
n
81°C
7°C
Hemijske osobine cikloalakana
Cikloalkani pokazuju identične hemijske osobine kao i alkani s tom razlikom što su
cikloalkani sa malim prstenom (ciklopropan, ciklobutan) dosta reaktivniji od ostalih.
Tako npr. ciklopropan reaguje sa vodonikom u prisustvu
katalizatora
(
Ni
) i daje
propan
.
→
Na isti način on reaguje sa
bromom
i bromovodonikom
→ CH
2
CH
2
CH
2
| |
Br Br
Opšti tip adicionih reakcija izgleda ovako:
R-CH=CH-R' + CH
2
N
2
→ R-CH---CH-R
/
CH
2
Ciklobutan je stabilniji od ciklopropana ali je takođe dosta reaktivan i podleže adicionim
reakcijama.
Ciklopentan i cikloheksan su veoma postojani tako da ne reaguju sa vodonikom ni na visokim
temperaturama (preko 200°C).
14
Cis
i
trans
izomerija
Cis-trans izomerija je moguća kod disustituisanih cikloalkana jer je usled zatvaranja prstena
stvorana dosta kruta struktura od dve S-N veze. Tako dimetilciklopropan postoji u dva
prostorna izomera. Kao Cis izomer i kao trans izomer.
Ovaj tip izomerije se javlja i kod alkena s tim što se svi supstituenti nalaze u ravni, samo
različito orijentisani na dvostruku vezu, a kod cikloalkana supstituenti se nalaze ispod i iznad
ravni.
Dobijanje cikloalkana
Modifikovana Wurtz-ova reakcija (može se smatrati kao intramolekulska Wurtz-ova
reakcija)
Cikloalkani se laboratorijski dobijaju eliminacijom halogena iz dihalogenoalkana
CH
2
-CH
2
Cl-CH
2
-CH
2
-CH
2
-Cl + Zn → /
CH
2
