Konformacja 3. Alkany. Cykloalkany.

3. Alkany. Cykloalkany.

Konformacja

Alkany

Alkan Nazwa ogólna Liczba izomerów

CH₄ metan 1

C₂H₆ etan 1

C₃H₈ propan 1

C₄H₁₀ butan 2

C₅H₁₂ pentan 3

C₆H₁₄ heksan 5

C₇H₁₆ heptan 9

C₈H₁₈ oktan 18

C₉H₂₀ nonan 35

C₁₀H₂₂ dekan 75

…….

C₂₀H₄₂ eikozan 366 319

undekan (11) dodekan

tridekan

…

eikozan (20)

heneikozan (21) dokozan

trikozan

…

triakontan (30)

…

hektan (100) szereg homologiczny

(związki różnią się grupą metylenową, -CH₂-)

Nazewnictwo alkanów

n-butan izobutan

propan

n-pentan izopentan neopentan

Co dalej?

(liniowe) (rozgałęzione)

Nazewnictwo alkanów

Nomenklatura IUPAC – jednolite zasady nazewnictwa alkanów:

1. Najdłuższy łańcuch węglowy stanowi podstawę nazwy (alkan).

2. Podstawniki nazywamy jako pochodne alkanów (alkil).

3. Łańcuch numerujemy tak by numery podstawionych atomów węgla łańcucha głównego były najniższe.

4. Przed każdym podstawnikiem umieszczamy numer - lokant.

5. Jeśli te same podstawniki powtarzają się dodajemy di, tri, tetra, itd.

6. Podstawniki szeregujemy alfabetycznie przed nazwą alkanu.

Podstawniki

Przykłady

• izo wchodzi do ustalenia kolejności alfabetycznej podstawnika

• di, tri, tetra itd. nie wchodzą do ustalenia kolejności alfabetycznej

• n-, sec-, tert- nie wchodzą do ustalenia kolejności alfabetycznej

Konformacje alkanów (etan)

Projekcja Newmana: pokazuje ułożenie przestrzenne podstawników w osi pojedynczego wiązania chemicznego

H H H H

H H

H H H H

H H

H H H H

H

H

H

H

H H

H H

Izomery konformacyjne (konformery, rotamery) wynikają z możliwości rotacji wokół wiązań C-C.

antyperiplanarna (naprzemianległa) synperiplanarna (naprzeciwległa)

Konformacje alkanów (etan)

E

Kąt torsyjny

Konformacje butanu

CH₃ H H CH₃

H H

CH₃ H H H

H₃C H

CH₃ H H H

H H₃C

CH₃ H H CH₃

H H

H₃C H H H

H

CH₃

H

H

CH ₃ CH ₃ H

H

CH₃ H

H

H

H

H₃C

CH ₃ CH ₃ H H

antyperiplanarna antyklinalna synklinalna synperiplanarna

(skośna zasłonięta) (skośna)

Konformacje butanu

sp sc ac ap ac sc sp

Transformacja konformacji Fischera / Newmana

Właściwości fizyczne alkanów

- Stan skupienia C₁ – C₄ gazy C₅ – C₁₇ ciecze

> C₁₇ ciała stałe

- Niepolarne lub mało polarne (niewielka różnica elektroujemości C i H, ~ 0,3 D)

- Mała gęstość (< 0.8 g/cm³)

- Nierozpuszczalne w wodzie, nie mogą tworzyć wiązań wodorowych - Niskie temperatury topnienia i wrzenia, słabe oddziaływania

międzycząsteczkowe

- tt, tw rosną z długością łańcucha, tw maleją ze wzrostem rozgałęzienia

Temperatury topnienia / wrzenia

alkan tt ^oC tw ^oC

metan -183 -162

etan -172 -89

propan -187 -42

n-butan -138 0

n-pentan -130 36

n-heksan -95 69

…

n-heptadekan 22 292

n-oktadecan 28 308

izopentan -160 28

neopentan 10

nieparzyste parzyste

Reaktywność alkanów

Energia dysocjacji:

436 kJ/mol

381 kJ/mol

369 kJ/mol

Typy rozpadów wiązania:

- homolityczny X:Y  X• + Y•

- heterolityczny X:Y  X: + Y

Alkany zawierają wiązania kowalencyjne, słabo spolaryzowane, o wysokiej energii dysocjacji. Ulegają głównie reakcjom rodnikowym, np. spalanie, chlorowcowanie, …

Halogenowanie (chlorowcowanie) 1. Zapoczątkowanie (inicjacja)

Cl

 2Cl•

2. Kontynuacja (propagacja) Cl• + RH  R• + H-Cl

R• + Cl

 R-Cl + Cl•

Cl• + R-H  R• + H-Cl, itd.

3. Zakończenie (terminacja) 2Cl•  Cl

Cl• + R•  R-Cl 2R•  R-R

Wymagany jest inicjator (temperatura lub hν), reakcja ma charakter łańcuchowy.

Postęp reakcji (R = CH

)

E

ΔH° – entalpia reakcji (obliczona z energii wiązań)

E_a – energia aktywacji

(eksperymentalna) [stan przejściowy reakcji]

produkt pośredni

Wpływ budowy alkanów na produkty reakcji

Cl

, h, rt

Cl +

Cl

Cl

Cl

45% 55%

64% 36%

Reaktywność zależy od rzędowości atomu węgla, w tych warunkach:

1(I) : 3,7(II) : 5(III).

Rodniki o wyższej rzędowości są trwalsze !

Rodniki mają budowę płaską (sp²).

Cykloalkany

Nomenklatura

Br

W podstawionych pierścieniach numerację prowadzimy tak, aby lokanty miały jak najniższe wartości (przy równoważnych wartościach w obu

„kierunkach”, rozpoczynamy od niższego alfabetycznie). Chlorowce traktujemy tak jak podstawniki alkilowe!

1-bromo-3-etylo-2-metylocykloheksan

bicyklo[4.2.0]oktan Związki policykliczne

spiro[4.5]dekan

Cyklopropan

Cyklopropan ma naprężona płaską budowę,

wyższe pierścienie wykazują różne konformacje.

Cykloheksan

Uprzywilejowana enrgetycznie konformacja: krzesłowa

Protony aksjalne i ekwatorialne

a (aksjalne – prostopadłe do płaszczyzny pierścienia)

e (ekwatorialne – w

płaszczyźnie pierścienia)

Inne konformacje

krzesłowa krzesłowa

łódkowa łódkowa

skręcona

łódkowa skręcona

półkrzesłowa półkrzesłowa

Podstawienie aksjalne i ekwatorialne

Podstawienia ekwatorialne są trwalsze ze względu na brak niekorzystnych oddziaływań 1,3

cis czy trans?

CH

C

H

C H₃

CH₃

CH₃

podstawienie 1,2 oraz 1,4: aa lub ee - trans ae lub ea – cis podstawienie 1,3: aa lub ee - cis

ae lub ea - trans

cis trans trans