1. szénhidrogének, halogénezett szénhidrogének

Szerves Kémia

• Lavoisier az élő természetből származó anyagok elemi összetételét vizsgálta, és megállapította, hogy szén, hidrogén, oxigén és nitrogén alkotják.
• Berzelius a XIX. században megkülönböztette az anorganikus és organikus kémiát.
• A „vis vitalis” elmélet szerint az élő szervezetekből származó anyagokat mesterségesen nem lehetett előállítani.
• Wöhler 1828-ban cáfolta ezt az elméletet, amikor a karbamidot, egy szerves vegyületet, szervetlen anyagokból állította elő.
• A szénvegyületek száma rendkívül nagy, mind természetes, mind mesterséges formában előfordulnak.
• A szénhidrogének alapvető szerves vegyületek, amelyek szén- és hidrogénatomokból állnak.
• A szénhidrogének lehetnek telítettek (alkánok), telítetlenek (alkének, alkinek) vagy aromások.
• Az alkánok telített szénhidrogének, egyetlen C-C egyszeres kötést tartalmaznak.
• Az alkánok általános képlete CnH2n+2.
• Az alkánok nyílt láncúak (lineáris) vagy elágazó láncúak lehetnek.
• A szerkezeti izoméria azt jelenti, hogy azonos molekulaképletű vegyületek eltérő szerkezettel rendelkeznek.
• Az alkánok elnevezése IUPAC nomenklatúra szerint történik.
• A szénatom sp3 hibridállapotú, így 4 egyszeres kötést képez.
• Az etán térszerkezetét Newman-projekcióval ábrázolhatjuk.
• A cikloalkánok gyűrűs szerkezetűek.
• A cikloalkánok szögfeszültség és torziós feszültség miatt instabilabbak, mint a nyílt láncú alkánok.
• A ciklohexán szék konformációja a legstabilabb, mivel nincs szögfeszültség és torziós feszültség.
• Az alkánok forráspontja a szénatomszám növekedésével nő, az elágazó láncú izomerek alacsonyabb forráspontúak, mint a lineárisak.
• Az alkánok nem oldódnak vízben, de jól oldódnak sok szerves oldószerben.
• Az alkánok fontos reakciói a hőbontás, a halogénezés, a szulfonálás, a nitrálás és az oxidáció.
• A földgázban és a kőolajban találhatók meg az alkánok.
• A kőolaj finomításával nyerik ki az alkánokat.
• Az alkánok széles körben felhasználhatók, például benzin, dízelolaj, paraffinviasz és műanyag gyártásához.
• Az alkének telítetlen szénhidrogének, egy C=C kettős kötést tartalmaznak.
• Az alkének általános képlete CnH2n.
• Az alkének sztereoizomériát mutatnak, cis- és transz-izomerek formájában.
• A szénatomok sp2 hibridállapotúak, és így egy síkban helyezkednek el.
• A kettőskötés erősebb, mint az egyszeres kötés, és a kettőskötésű szén atomoknak 3 hibridpályája és 1 p-pályája van.
• A DDT-t rovarölő szerként használták, de a környezetre káros hatásai miatt betiltották.
• A 1,4-diklór-benzol gombaellenes és fertőtlenítő hatású, és piszoár illatosító golyóként használható.

Elektrofil szubsztituensek

• Az elektronküldő szubsztituensek (pl. alkilcsoport) gyorsítják a reakciót és aktiválják a molekulát.
• Az sp2 szénatom nagyobb elektronegativitású, mint az sp3 szénatom, ezért az elektronok az alkilcsoport felől a benzolgyűrű felé tolódnak.
• Az elektronküldő szubsztituensek orto- és para helyeken irányítják a következő elektrofil szubsztitúciót.

Elektronszívó szubsztituensek

• Az elektronszívó szubsztituensek (pl. -NO2, -CN) lassítják a reakciót és dezaktiválják a molekulát.
• Az elektronszívó szubsztituensek meta helyen irányítják a következő elektrofil szubsztitúciót.

Elektrofil szubsztitúciós reakciók irányítási szabályai

• Az orto- és para irányító szubsztituensek aktiválják az aromás gyűrűt.
• A meta irányító szubsztituensek dezaktiválják az aromás gyűrűt.
• A halogének egyszerre -I és +M effektust mutatnak, de -I effektusuk erősebb, ezért dezaktiváló szubsztituensek.

Aromás szénhidrogének

• A benzol planáris molekula.
• A benzol minden szénatomja sp2 hibridállapotban van.
• A benzolgyűrű aromás jellegű, a delokalizált elektronok száma 4n+2 (Hückel-szabály).

Aromás vegyületek kémiai tulajdonságai

• Az aromás vegyületek elektrofil szubsztitúciós reakciókat szenvednek el (SEAr).
• A SEAr reakciókban az elektrofil (E+) az elektronban legdúsabb szénatomot támadja.
• A reakció sebességét és helyét a gyűrűhöz kapcsolódó szubsztituensek befolyásolják.

Szulfonálás

• A szulfonálás során benzolszulfonsav keletkezik.

Nitrálás

• A nitrálás során nitrobenzol keletkezik.

Alkilezés

• Az alkilezés során egy alkilcsoportot kapcsolnak az aromás gyűrűhöz.

Acilezés

• Az acilezés során egy acilcsoportot kapcsolnak az aromás gyűrűhöz.

Friedel-Crafts reakciók

• A Friedel-Crafts reakciókban elektrofil szubsztitúciót végeznek.
• A reakciók katalizátorként Lewis-savakat használnak.

Sztirol

• A sztirol vinilbenzol ismert, polimerizációja sztirol műanyagot eredményez.

Isolált policiklusos aromás szénhidrogének

• A bifenil, difenil-metán és trifenil-metán izolált policiklusos aromás szénhidrogének.
• A stilbén cis- és transz izomereket képez.

Kondenzált policiklusos aromás szénhidrogének

• A naftalin, antracén és fenantrén kondenzált policiklusos aromás szénhidrogének.
• A benzo[a]pirén karcinogén hatású.

A naftalin hidrogénezése

• A naftalin hidrogénezése során cisz- és transz-dekalin keletkezik.

Halogénezett szénhidrogének

• A halogénezett szénhidrogének nukleofil szubsztitúciós reakciókat szenvednek el.
• A reakciók sebességét a halogénatom típusa és a szubsztituensek befolyásolják.
• A halogénezett szénhidrogének toxikusak lehetnek.

Benzol

• A benzol molekula 6 szénatomból áll, amelyek ciklikusan kapcsolódnak egymáshoz.
• Minden szénatomhoz 1 hidrogénatom kapcsolódik.
• A benzol planáris molekula.
• A C-C kötések hossza 134 pm, ami közt van egyetlen és kettős kötés hossza között.
• A kötésszög 120 fok.
• A benzol szénatomjai sp2 hibridizációban vannak.
• A benzol molekula aromás jellegű.

Aromás Jelleg

• A gyűrűrendszert alkotó váz planáris.
• A delokalizált elektronok száma 4n+2., ahol n = 1,2,3... (Hückel-szabály).
• A gyűrűt alkotó összes atom rendelkezik pz atompályával, ami folytonos konjugációt eredményez.

Aromás Szénhidrogének Elnevezése

• A benzol egyszerűszármazékai a toluol (metil-benzol) és az etil-benzol.
• A toluol egy szénatomhoz kapcsolódó metilcsoporttal rendelkezik.
• Az etil-benzol egy szénatomhoz kapcsolódó etilcsoporttal rendelkezik.
• A benzol több szubsztituenssel rendelkező származékai a xilol (dimetil-benzol).
• A xilol izomerekben létezik: orto, meta és para.
• A benzol származékai: fenil, o-fenilén, m-fenilén, p-fenilén, sztirol, 4-etil-sztirol, 1-etil-3-propil-benzol.

Aromás Vegyületek Kémiai Tulajdonságai

• A benzol elektrofil szubsztitúciós reakciókban vesz részt.
• A benzol brominnal reagál, vas-tribromid katalizátor jelenlétében.
• A reakció első lépése a lassú, sebességmeghatározó lépés, ami a bróm elektrofil támadásából áll a benzolgyűrűre.
• A benzol szulfonsavvá történő átalakulása a szulfonálás.
• A benzol nitrobenszollá történő átalakulása a nitrálás.
• Az alkilezés Friedel-Crafts reakció, ami egy alkilcsoport beépítését jelenti a benzolgyűrűbe.
• Az acilezés Friedel-Crafts reakció, ami egy acilcsoport beépítését jelenti a benzolgyűrűbe.

Elektrofil Szubsztitúciós Reakciók Irányítási Szabályai

• Az aromás gyűrűhöz kapcsolódó szubsztituens befolyásolja a második szubsztitúció sebességét és helyét.
• Az orto-, meta- és para pozíciókat az elektrofil támadás helyeként lehet meghatározni.
• A szubsztituensek aktiválók vagy dezaktiválók lehetnek.
• Az aktiváló szubsztituensek gyorsítják a reakciót és elősegítik az orto- és para-pozíciókban történő szubsztitúciót.
• A dezaktiváló szubsztituensek lassítják a reakciót és elősegítik a meta-pozícióban történő szubsztitúciót.

Egyéb Reakciók

• A benzol oxidációja maleinsavanhidriddé történik.
• A benzol hidrogénezése ciklohexánná történik.
• A benzol halogénezése hexaklórciklohexán (HCH) előállításához vezet.

Aromás Szénhidrogének Fontosabb Képviselői

• A benzol 80°C-on olvad és 6°C-on forr.
• Kormozó lánggal ég és rákkeltő.
• A benzolt ipari nyersanyagként használják.
• Toluol: 111°C-on forr.

Benzol szerkezete

• A benzol molekula síkbeli, egy hatszögletű gyűrűt alkot
• Minden szénatom három másik atommal létesít kötést: két szénatommal és egy hidrogénatommal
• A kötésszögek 120 fok
• A benzol szénatomjai sp2 hibridizált állapotban vannak
• A három planáris hibridpálya három szigma kötést alkot (két szén-szén és egy szén-hidrogén kötés)
• A hibridizált pályák összekapcsolódása planáris szerkezetet eredményez

Molekulapálya elmélet

• A benzolban hat pz atompálya van
• A hat pz atompálya hat molekulapályát hoz létre: három kötő és három lazító pályát
• A kötő molekulapályák az elektronok delokalizációját teszik lehetővé a gyűrűben

Aromás jelleg

• Az aromás vegyületek planáris gyűrűrendszereket alkotnak
• A delokalizált elektronok száma 4n+2 (ahol "n" lehet 1, 2, 3, stb), ez a Hückel-szabály
• Minden gyűrűt alkotó atom rendelkezik pz atompályával, ez biztosítja a folyamatos konjugációt

Aromás szénhidrogének elnevezése

• Megismerhetőek a benzol és származékai, például toluol, etilbenzol, xilol és fenil.

Aromás vegyületek kémiai tulajdonságai

• Az aromás vegyületek elektrofil szubsztitúciós reakciókon mennek keresztül
• A reakcióban elektrofil támadó reagens lép fel
• A reakció megköveteli a Lewis-sav katalizátort, például vas(III)-bromidot (FeBr3)
• A reakció kétszakaszos:
• A szubsztitúciós komplex képződése: az elektrofil támadja a benzolgyűrűt.
• A komplex bomlása: a hidrogénion kilép, és az elektrofil helyet foglal el a benzolgyűrűben.

Aromás elektrofil szubsztitúciós reakciók

• Szulfonálás: benzol-szulfonsav keletkezik
• Nitrálás: nitrobenzol keletkezik
• Alkilezés: Friedel-Crafts reakció, alkilcsoport kapcsolódik a benzolgyűrűhöz
• Acilezés: Friedel-Crafts reakció, acilcsoport kapcsolódik a benzolgyűrűhöz

Elektrofil szubsztitúciós reakciók irányítási szabályai

• Az aromás gyűrűhöz kapcsolódó szubsztituens befolyásolja a második szubsztitúció sebességét és helyét
• Az orto- és para-irányító szubsztituensek aktiválják a gyűrűt, ami gyorsítja a reakciót
• A meta-irányító szubsztituensek deaktiválják a gyűrűt, ami lassítja a reakciót
• A szubsztituens elektronikus hatásai: indukciós (+I) és mezomer (+M) effektusok

Egyéb reakciók

• Oxidáció: maleinsav-anhidrid keletkezik
• Hidrogénezés: telített szénhidrogén képződik (cisz- vagy transz-izomer, a katalizátortól függően)
• Halogénezés: halogenált aromás vegyület keletkezik

Aromás szénhidrogének fontosabb képviselői

• Benzol: fontos ipari nyersanyag, krónikus mérgezést okozhat
• Toluol: oldószer, robbanékony vegyület
• Xilol: üzemanyag

Benzol szerkezete

• A benzol egy hat szénatomos gyűrű, amelyben minden szénatom három másik atommal képez kötést.
• A benzolban minden szénatom sp2 hibridizált állapotban van.
• Minden szénatom három planáris hibrid pályán keresztül képez kötéseket: két C-C és egy C-H kötés.
• A benzol molekula síkbeli.
• A kötésszögek 120 fokosak.
• A szénatomok közötti kötéshossz 134 pm.

Molekulapálya elmélet

• A benzol szénatomjai pz atompályákat is tartalmaznak, amelyek kölcsönhatnak egymással.
• 6 pz atompálya 6 molekulapályát képez, ebből három kötő és három lazító.

Aromás jelleg

• A benzol gyűrűrendszere planáris.
• A delokalizált elektronok száma 4n+2, ahol n = 1,2,3... (Hückel szabály).
• A benzol gyűrűben minden szénatom rendelkezik pz atompályával, amely folyamatos konjugációt biztosít.

Aromás szénhidrogének elnevezése

• A benzolhoz kapcsolódó névadó szubsztituens: fenil.
• A benzolhoz kapcsolódó di szubsztituált izomerek (orto, meta, para)
• Az aromás szénhidrogének elnevezése a benzol néven alapul.
• Szubsztituenseket a benzolgyűrűhöz viszonyítva számozással vagy helyzetjelző (orto, meta, para) prefiksszel jelöljük.

Aromás vegyületek kémiai tulajdonságai

• Aromás elektrofil szubsztitúció: a benzolgyűrűhöz elektrofil kapcsolódása, amelyet pozitív töltésű, elektrofil reagens katalizál.
• Lewis-sav: elektronhiányos molekula, amely Lewis-bázist képes elfogadni.
• Bromónium ion (elektrofil): Br+ ion, amely elektrofil támadóként viselkedik.
• A reakcióban először p-komplex, majd -komplex (arénium ion) képződik.
• A H+ ion elvesztésével aromás elektrofil szubsztitúció történik.

A reakció mechanizmusa

• A sebességmeghatározó lépés az első, lassú lépés.
• A reakciót elektrofil (E+) és anion (A-) katalizálja.
• A reakcióban először a benzol és az elektrofil kölcsönhatnak, majd a H+ ion elveszik.

Aromás elektrofil szubsztitúció

• Szulfonálás: a benzol szulfonsavat képez H2SO4/SO3 jelenlétében.
• Nitrálás: a benzol nitrobenzolt képez HNO3/H2SO4 jelenlétében.
• Alkilezés: az alkil-halogenid a benzol gyűrűhöz kapcsolódik AlCl3 jelenlétében
• Acilezés: az acilező klórid a benzol gyűrűhöz kapcsolódik AlCl3 jelenlétében

Elektrofil szubsztitúciós reakciók irányítási szabályai

• Az orto, meta, para irányító szubsztituensek befolyásolják a második szubsztitúció sebességét és helyét.
• A szubsztituensek elektronküldő vagy elektronszívó effektussal rendelkeznek, amely befolyásolja a benzolgyűrű elektroneloszlását.
• Az orto- és para-irányító szubsztituensek aktiválják a gyűrűt, míg a meta-irányító szubsztituensek dezaktiválják.

Egyéb reakciók

• Oxidáció: a benzol maleinsav-anhidridre oxidálódik.
• Hidrogénezés: a benzol ciklohexánná redukálódik.
• Halogénezés: a benzol hexaklórciklohexánná (HCH, rovarirtó) halogénezhető.

Aromás szénhidrogének fontosabb képviselői

• Benzol:
  • Fp: 80 °C
  • Op: 6 °C
  • Kormoozó lánggal ég
  • Rákkeltő
  • Fontos ipari nyersanyag
  • Előállítható kőolajfrakciókból, acetilénből és homológok dezalkilezése révén
• Toluol:
  • Fp: 111 °C