Hemija

Ugljovodonici

Sva organska jedinjenja su prema srukturi podeljena u nekoliko osnovnih grupa i podgrupa:

1. alifatska (aciklična)-jedninjenja otvorenog ugljenikovog lanca
2. ciklična-jedinjenja zatvorenog lanca (prstena)

Ciklična jedinjenja mogu biti:

1. karbociklična-prsten je sastavljen samo od ugljenikovih i vodonikovih atoma
   • aliciklična jedinjenja-ciklizovana alifatska jedinjenja
   • aromatska jedinjenja-jedinjenja sa benzenovim prstenom
   • hidroaromatska jedinjenja-jedinjenja sa delimično ili potpuno hidrogenizovanim benzenovim prstenom
2. heterociklična-prsten pored ugljenika sadrži i druge atome (azot, kiseonik, sumpor...)

Organska jedinjenja se dele i prema funkcionalnim grupama
Proučavanje organske hemije počinje od njenih osnovnih i najprostijih jedinjenja-ugljovodonika. U svom sastavu sadrže samo ugljenik i vodonik. Vezivanjem funkcionalnih grupa na ugljovodonike nastaju sva ostala organska jedinjenja. Iz imena ugljovodonika se izvode imena svih organskih jedinjenja.
Gasovoti ugljovodonici se u prirodi nalaze u zemnom gasu. Nafta je osnovni izvor ugljovodonika. Čvrsti ugljovodonici mogu se naći i u mineralu ozokeritu. U laboratoriji ugljovodonici se sintetišu na više načina od kojih su najvažniji Wurtz-ova sinteza:

i suva destilacija smeše soli organskih kiselina i NaOH:

Ugljovodonici se prema tipu veze koju oseduju dele na zasićene i nezasićene. Zasićeni ugljovodonici sadrže samo jednostruke veze, dok nezasićeni sadrže najmanje jednu dvostruku ili trostruku ugljenik-ugljenik vezu.

Zasićeni aciklični ugljovodonici (alkani, parafini)

Zasićeni aciklični ugljovodonici, alkani su se još nazivali i parafini zbog izrazite hemijske inertnosti. Opšta formula alkana je C_nH_2n+2. Prvih deset alkana s nazivima su:

Niz jedinjenja kod kog se svaki clan razlikuje za po jednu -CH₂- grupu zove se homologi niz. Sva jedinjenja u nizu imaju slicne hemijske osobine (podležu slicnim reakcijama...). Prva cetiri alkana su gasovita, alkani od cetiri da jedanaest ugljenikovih atoma su tecni, a preko 11 su čvrsti. U vodi su netopivi, ali se tope dobro u organskim rastvaracima. Po pravilu tacka kljucanja "normalnog" alakana uvek je viša od tacki kljucanja njegovih izomera.
Ne zna se pouzdano koji bi mogao biti najviši alkan. Dosadašnjim istraživanjima preden je alkan sa 60 C atoma.

Nomenklatura alkana

Za davanje imena izomerima alkana koristi se medunarodna, Ženevska nomenklatua. Za osnovu se uzima najduži ugljenikov lanac, a smeštaj bocnih lanaca (koji dobijaju ime po radikalu) se oznacava brojevima. Oznacavanje brojevima pocinje od funkcionalne grupe, tako da se njoj dodeli najniža vrednost (0).
2,2,4-trimetilheksan
Zasićeni aliciklični ugljovodonici (cikloalkani, cikloparafini, nafteni)Dobijaju se takode Wurtz-ovom sintezom (iz dihalogen derovata alkana):

Posotoje dva niza homologa cikloalkana. Kod prvog se za -CH₂- grupu povecava prsten.

Najlakše se zatvarju prstenovi sa pet i šest ugljenika zbog povoljnih uglova izmedu veza. Drugi homologi niz nastaje kada se za -CH2- grupu produžuju bocni lanci.
metil-ciklopentan
Opšta formula cikloalkana je C_nH_2n i podudara se sa opstom formulom alkena. Izvor cikloalkana je nafta.

Hemijske osobine acikličnih i alicikličnih zasićenih ugljovodonika

Kod organskih jedinjenja imamo pet klasicnih tipova reakcija (oksidacija, redukcija, supstitucija, hidroliza, adicija). Alkani i cikloalkani ne podlažu hidrolizi ni redukciji ni adiciji, niti direktnoj oksidaciji blagim oksidacionim sredstvima (KMnO₄, K₂Cr₂O₄-pri cemu bi nastali alkoholi). Svi alkani i cikloalkani gore. Pri produživanju lanca potrebna je sve veca temperatura za pocetak reakcije:
Supstitucija alkana se najlakše izvodi pomocu halogena ili halogenvodonika (u gasovitom stanju ugljovodonici reaguju vec pri fotolizi-katalizi svetla). Osim pomocu halogena i halogenvodonika, supstitucija se može pri povoljnim uslovima izvrštiti i nekom jakom neorganskom kiselinom (azotnom, sumpornom). Pri svakoj supstituciji jedan ili više vodonikovih atoma se zamenjuju drugim atomima ili atomskim grupama (-Cl, -NO₂...).

Nezasićeni ugljovodonici

Dve su osnovne grupe nezasićenih acikličnih ugljovodonika- alkeni (C_nH_2n, ugljovodonici sa jednom dvostrukom vezom) i alkini (C_nH_2n-2, ugljoivodonici sa jednom trostrukom vezom). Fizicke osobine nezasićenih ugljovodonika uglavnom se podudaraju sa fizickim osobinama zasićenih.

Alkeni (olefini)

Alkeni dobijaju ime iz alkana tako što se od imena alkana odbije sufiks -an i doda -en. Prvi clan homologog niza je eten (etilen), CH2=CH2.
Dvistruku ili trostruku vezu nezasićenih ugljovodonika možemo smatrati i funkcionalnom grupom. Za nomenklaturu je važno to da se ona može smestiti u razlicite položaje i tako nastaju razlicti izomeri. Imena ovih izomera sadrže pored imena osnovnog lanca i oznaku (broj) ugljenika na kom se nalazi dvostruka ili trostruka veza.
2-metil-2-buten
Osnovni ugljovodonik se oznacava prefiksom n (n-heptan).
Sinteza alkena se zove eliminacija i izvodi se u alkoholnom rastvoru halogen derivata alkana i alkalije.

Alkini (acetileni)

Alkini dobijaju imena iz imena alkana pomocu nastavka -in. Prvi clan homologog niza je etin (acetilen), . Etin se dobija na više nacina. Tehnicki je pomocu kalcijum-karbida:

Laboratorijski postupak može da se primeni i na dobijanje alkina dužeg lanca:

Polinezasićeni ugljovodonici

Polinezasićeni ugljovodonici sadrže u svom sastavu više od jedne dvostruke ili trostruke veze. Najvažniji su ugljovodonici sa dve dvostruke veze (dieni). Opšta formula im je identična sa alkinima, C_nH_2n-2.

Dieni

Dieni dobijaju ime slično alkenima samo se umesto sufiksa -en dodaje -dien. Prema položaju dvostrukih veza dele se na tri grupe od kojih su najvažniji konjugovani dieni. Kod njih se izmedu dve dvostruke veze nalazi jedna jednostruka. Ovakav raspored doprinosi stabilnosti jedinjenja (što se tumaci efektom rezonancije). Najvažniji dieni si butandien 1,3 i 2-metil-butandien-1,3 (izopren). Njihovi polimeri nalaze se u prirodnoj gumi. Napravljeni su mnogi pokušaji proizvodnje umetne gume, ali nijedan za sad nije finansijski isplativ.

Hemijske osobine nezasićenih ugljovodonika

Nezasićeni ugljovodonici su znatno reaktivniji. Kao i zasićeni oni gore, ali za razliku od njih podložni su i uticaju slabih oksidacionih sredstava. Tako blagom oksidsacijom alkena nastaju jedinjenja sa dve alkoholne grupe.

Najtipicinija reakcija za nezasićena jedinjenja je adicija. Adicijom nezasićena teže da predu u stabilna, zasićena jedinjenja. Adicija nezasićenih ugljovodonika najlakše se izvodi pomocu halogena. Za adiciju vodonikom potreni su katalizatori (platina ili paladijum).
Po pravilu adira se prvo ugljenikov atom koji je najsiromašniji vodonikom (što se tumaci elektronskm uticajima).

Nezasićeni ugljovodonici za razliku od zasićenih mogu da polimerizuju. Polimerizacijom se produžuje lanac i zasicuje se molekul. Izborom katalizatora možemo uticati na dužinu prozivoda (ime i na njegove osobine). Polimerizacija se izvodi pri vecim pritiscima i razlicitim temperaturama. Od polimera ugljovodonika najvažniji su polietilen i polipropilen, polifeniletilen (polistiren), poliizobutilen (poli-2-metil-1-buten) kao i vec pomenuti polimeri butandiena(1,3) i 2-metil-butanidena (1,3).

Aromatski ugljovodonici (areni)

Aromatski ugljovodonici u svojoj strukturi sadrže benzenov prsten. Aromatičnost je posledica posebnog efekta-rezonancije. Izvor arena je katran kamenog uglja.

Struktura benzena i rezonancija

Dugo su hemičari pokušavali da odgonetnu strukturu benzena. Posebnu zabunu unosile su neobične hemijske osobine za naizgled nezasićeno jedinjenje. Tek je Kekule, 1865., 40 godina posle izolovanja uspeo da osmisli prvu strukturnu formulu benzena kao jedinjenja trineskog karaktera.
Problem strukture benzena danas se rešava pomoću teorije rezonancije-"konjugovane dvostruke i jednostruke veze nisu statičke, već usred stalnog pomeranja elektrona one imaju dinamički karakter".

Rezonantnu strukturu stabilizuje višak energije u odnosu na statičko stanje koji se nazive energija rezonancije.
Iz strukture benzena zaključuje se da se mogu izvesti tri izomera disupstituenata:

i tri izomera trisupstituenta (pri pisanju imena mora se označti položaj supstituenata):

S benzenom počinje homologi niz areni čiji su sledeći članovi:

Homolozi benzena se sintetišu Wurtz-ovom ili Friedel-Craft-ovom sintezom

Benzen i njegovi homolozi su mirišljave tečnosti. Tope su u organskim rastvaračima.

Hemijske osobine aromatičnih ugljovodonika

Aromatični ugljovodonici se ponašaju svi hemijski slično benzenu. Benzen gori (čađavim plamenom pri normalnim uslovima). Otporan je na sredstva blage oksidacije. Pri noramalnim uslovima reakcija klasična za arene je supstitucija (usled efekta rezonancije koji daje izvesnu "zasićenost"). Adicija se može izvesti pri visokim temperaturama i uz prisustvo katalizatora.

Pravila supstitucije Usled različitih elektronskih efekata različtitih atoma i atomskih grupa moguće je predvideti smeštaj supstituenata (drugog). Tako tzv. "supstituenti prvog reda" (-Cl, -Br, -I, -NH₂, alikili, -NHR, - NR₂, -N=O), odnosno elektrofilni supstituenti usmeravaju drugi supstituent na orto ili para-položaj. "Supstituent drugog reda" (-NO₂, H, -COOH, -SO₃H, -CN...), odnosno elektrofobni supstituenti usmeravaju drugi supstituent na meta-položaj.

Aromatski ugljovodonici sa kondenzovanim jezgorom

Kondenzacijom ("taloženjem) molekula benzena međusobno ili sa drugim prstenovima nastaju kondenzovani aromatski ugljovodonici. Najvažniji njihovi predtstavnici su:

U ovu grupu ubrajamo i jedinjenja kao što su:

Nafta

Nafta je osnovni izvor ugljovodonika. Nastala je od biljnog i životinjskog planktona biohemijskom razgradnjom. Sirova nafta je crna tečnost gustine 0.77-0.94 g/cm². Proces prerade nafte počijnje odstranjivanjem grubih primesa (pesak, voda). Zatim se nafta podvrgava frakcionoj destilaciji (zatim frakcionoj kondenzaciji). Tako se dobija 5 frakcija:

1. sirovi benzin, 40-180⁰C
2. petrojel, 180-250⁰C
3. dizel i ogrevno ulje, 250-320⁰C
4. parafin i parafinsko ulje (viši ugljovodonici)
5. asfaltni ostatak

Prva frakcija opet ide na destilaciju:

1. petroletar 40-70⁰C (pentan, heksan, heptan)
2. laki benzin 70-120⁰C (heksan, heptan, oktan)
3. srednji benzin 120-135⁰C (heptan, oktan)
4. teški benzin 135-180⁰C (nonan, dekan)

Da bi se poboljšala proizvodnja benzina, više frakcije se podvrgavaju creckingu. U tom postupku od viših ugljovodonika se pod velikim pritiskom, temperaturom i u prisustvu katalizatora dobijaju niži ugljovodonici.
Druga frakcija se podvragava delovanju NaOH i H₂SO₄ i zatim se iz nje izdvaja petrolej koji čine uglavnom ug;ljovodonici od dekan do heksadekana. U nafti se nalaze još mnoga jedinjenja azota, kiseonika, sumpora...
Iz ozokerita (nastato prirodnom destilcijom nafte) se sličnim postupkom izoluje parafin.

Hidrogenizacija uglja

Hidrogenizacija uglja je proces kojim se iz ugljenog praha vodonika uz katalizatore i visoku temperaturu i pritisak prvo dobija smeša gasova CO i 2H2 koja se zatim pretvara u tečne ugljovodonike.

Katran kamenog uglja

Katran kamenog uglja je nusprodukt karbonizacije uglja u koksarama. Destilacijom se deli na pet glavnih frakcija:

1. lako ulje 80-170⁰C (benzen i homolozi)
2. srednje ulje 170-230⁰C (naftalen, fenoli, piridinske baze)
3. teško ulje 230-280⁰C (naftalen, homolozi fenola)
4. antracensko ulje 280-350⁰C (antracen, fentaren...)
5. smola

Literatura:

"Organska hemija", Prof. dr Božidar Rožina, skripta Fakulteta polj. znanosti Sveučilišta u Zagrebu

Predstavnici ugljovodonika

Alkani, cikloalkani

Alkeni, cikloalkeni

Alikini, cikloalkini

• etin

Polinezasićeni ugljovodonici

Aromatski ugljovodonici

Aromatski ugljovodonici sa kondenzovanim jezgrom