20.1 Kolvetni

Stærsti gagnagrunnurinn ¹ yfir lífræn efnasambönd telur um 10 milljónir efna, sem innihalda efnasambönd úr lifandi lífverum og þau sem efnafræðingar hafa búið til. Fjöldi mögulegra lífrænna efnasambanda hefur verið áætlaður ² 10⁶⁰ – stjarnfræðilega há tala. Tilvist svo margra lífrænna sameinda er afleiðing af getu kolefnisatóma til að mynda allt að fjögur sterk efnatengi við önnur kolefnisatóm, sem leiðir til keðja og hringja af mörgum mismunandi stærðum, gerðum og flækjustigum.

Einföldustu lífrænu efnasamböndin (e. organic compounds) innihalda aðeins frumefnin kolefni og vetni og eru kölluð kolvetni. Jafnvel þótt þau séu aðeins samsett úr tveimur tegundum atóma er til mikið úrval kolvetna því þau geta samanstaðið af keðjum af mismunandi lengd, greinóttum keðjum og hringjum kolefnisatóma eða samsetningum þessara bygginga. Að auki geta kolvetni verið mismunandi hvað varðar gerðir kolefnis-kolefnis efnatengja sem eru til staðar í sameindum þeirra. Mörg kolvetni finnast í plöntum, dýrum og steingervingum þeirra; önnur kolvetni hafa verið útbúin á rannsóknarstofu. Við notum kolvetni daglega, aðallega sem eldsneyti, svo sem jarðgas, asetýlen, própan, bútan og helstu efnisþætti bensíns, dísilolíu og húshitunarolíu. Hin kunnuglegu plastefni pólýetýlen, pólýprópýlen og pólýstýren eru einnig kolvetni. Við getum greint á milli nokkurra tegunda kolvetna eftir mismun á tengingum milli kolefnisatóma. Þetta leiðir til mismunar á rúmfræði og blendingu svigrúma kolefnisins.

Alkanar

Alkanar (e. alkanes), eða mettuð kolvetni (e. saturated hydrocarbons), innihalda aðeins stök samgild tengi milli kolefnisatóma. Hvert kolefnisatóm í alkana hefur sp³ blendingssvigrúm og er tengt fjórum öðrum atómum, sem hvert um sig er annaðhvort kolefni eða vetni. Lewis myndir og líkön af metani, etani og pentani eru sýnd á Mynd 20.2. Kolefniskeðjur eru venjulega teiknaðar sem beinar línur í Lewis myndum, en hafa ber í huga að Lewis myndum er ekki ætlað að gefa til kynna rúmfræði sameinda. Taktu eftir að kolefnisatómin í byggingarlíkönum (kúlu-og-prikalíkönum og rúmfyllulíkönum) pentansameindarinnar liggja ekki í beinni línu. Vegna sp³ blendingarinnar eru tengihornin í kolefniskeðjum nálægt 109,5°, sem gefur slíkum keðjum í alkana sikksakk-lögun.

Byggingu alkana og annarra lífrænna sameinda má einnig tákna á einfaldari hátt með þéttum byggingarformúlum (eða einfaldlega, þéttum formúlum). Í stað venjulegs sniðs fyrir efnaformúlur þar sem hvert frumefnistákn birtist aðeins einu sinni, er þétt formúla skrifuð til að gefa til kynna tengslin í sameindinni. Þessar formúlur líta út eins og Lewis mynd þar sem flest eða öll tengitákn hafa verið fjarlægð. Þéttar byggingarformúlur fyrir etan og pentan eru sýndar neðst á Mynd 20.2 og nokkur viðbótardæmi eru í æfingunum í lok þessa kafla.

The figure illustrates four ways to represent molecules for molecules of methane, ethane, and pentane. In the first row of the figure, Lewis structural formulas show element symbols and bonds between atoms. Methane has a central C atom with four H atoms bonded to it. Ethane has a C atom with three H atoms bonded to it. The C atom is also bonded to another C atom with three H atoms bonded to it. Pentane has a C atom with three H atoms bonded to it. The C atom is bonded to another C atom with two H atoms bonded to it. The C atom is bonded to another C atom with two H atoms bonded to it. The C atom is bonded to another C atom with two H atoms bonded to it. The C atom is bonded to another C atom with three H atoms bonded to it. In the second row, ball-and-stick models are shown. In these representations, bonds are represented with sticks, and elements are represented with balls. Carbon atoms are black and hydrogen atoms are white in this image. In the third row, space-filling models are shown. In these models, atoms are enlarged and pushed together, without sticks to represent bonds. The molecule names and structural formulas are provided in the fourth row. Methane is named and represented with a condensed structural formula as C H subscript 4. Ethane is named and represented with two structural formulas C H subscript 3 C H subscript 3 and C subscript 2 H subscript 6. Pentane is named and represented as both C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 3 and C subscript 5 H subscript 12. — Mynd 20.2 Á myndinni eru Lewis myndir, kúlu-og-prikalíkön og rúmfyllulíkön fyrir sameindir metans, etans og pentans.

Algeng aðferð sem lífrænir efnafræðingar nota til að einfalda teikningar af stærri sameindum er að nota grindarmynd (e. skeletal structure) (einnig kölluð línu-horna mynd). Í þessari tegund myndar eru kolefnisatóm ekki táknuð með C, heldur táknuð með hverjum enda línu eða beygju í línu. Vetnisatóm eru ekki teiknuð ef þau eru tengd við kolefni. Önnur atóm en kolefni og vetni eru táknuð með frumefnistáknum sínum. Mynd 20.3 sýnir þrjár mismunandi leiðir til að teikna sömu byggingu.

In this figure, a hydrocarbon molecule is shown in three ways. First, an expanded formula shows all individual carbon atoms, hydrogen atoms, and bonds in a branched hydrocarbon molecule. An initial C atom is bonded to three H atoms. The C atom is bonded to another C atom in the chain. This second C atom is bonded to one H atom and another C atom above the chain. The C atom bonded above the second C atom in the chain is bonded to three H atoms. The second C atom in the chain is bonded to a third C atom in the chain. This third C atom is bonded to on H atom and another C atom below the chain. This C atom is bonded to two H atoms and another C atom below the chain. This second C atom below the chain is bonded to three H atoms. The third C atom in the chain is bonded to a fourth C atom in the chain. The fourth C atom is bonded to two H atoms and a fifth C atom. The fifth C atom is bonded to two H atoms and a sixth C atom. The sixth C atom is bonded to three H atoms. Second, a condensed formula shows each carbon atom of the molecule in clusters with the hydrogen atoms bonded to it, leaving C H, C H subscript 2, and C H subscript 3 groups with bonds between them. The structure shows a C H subscript 3 group bonded to a C H group. The C H group is bonded above to a C H subscript 3 group. The C H group is also bonded to another C H group. This C H group is bonded to a C H subscript 2 group below and a C H subscript 3 group below that. This C H group is also bonded to a C H subscript 2 group which is bonded to another C H subscript 2 group. This C H subscript 2 group is bonded to a final C H subscript 2 group. The final structure in the figure is a skeletal structure which includes only line segments arranged to indicate the structure of the molecule. — Mynd 20.3 Sama byggingu má tákna á þrjá mismunandi vegu: með fullri formúlu, þéttri formúlu og grindarmynd.

Allir alkanar eru samsettir úr kolefnis- og vetnisatómum og hafa svipuð efnatengi, byggingu og formúlur; allir óhringtengdir alkanar hafa formúluna C_nH_2n+2. Fjöldi kolefnisatóma í alkana er ótakmarkaður. Meiri fjöldi atóma í sameindunum leiðir til sterkari aðdráttarkrafta milli sameinda (dreifkrafta) og samsvarandi mismunandi eðliseiginleika sameindanna. Eiginleikar eins og bræðslumark og suðumark (Tafla 20.1) breytast venjulega jafnt og þétt og á fyrirsjáanlegan hátt eftir því sem fjöldi kolefnis- og vetnisatóma í sameindunum breytist.

Tafla 20.1
Eiginleikar nokkurra alkana ³
Alkani	Sameindaformúla	Bræðslumark (°C)	Suðumark (°C)	Fasi við staðalaðstæður ⁴	Fjöldi byggingarhverfa
metan	CH₄	–182,5	–161,5	gas	1
etan	C₂H₆	–183,3	–88,6	gas	1
própan	C₃H₈	–187,7	–42,1	gas	1
bútan	C₄H₁₀	–138,3	–0,5	gas	2
pentan	C₅H₁₂	–129,7	36,1	vökvi	3
hexan	C₆H₁₄	–95,3	68,7	vökvi	5
heptan	C₇H₁₆	–90,6	98,4	vökvi	9
oktan	C₈H₁₈	–56,8	125,7	vökvi	18
nónan	C₉H₂₀	–53,6	150,8	vökvi	35
dekan	C₁₀H₂₂	–29,7	174,0	vökvi	75
tetradekan	C₁₄H₃₀	5,9	253,5	fast efni	1858
oktadekan	C₁₈H₃₈	28,2	316,1	fast efni	60.523

Kolvetni með sömu formúlu, þar á meðal alkanar, geta haft mismunandi byggingu. Til dæmis hafa tveir alkanar formúluna C₄H₁₀: Þeir eru kallaðir n-bútan og 2-metýlprópan (eða ísóbútan) og hafa eftirfarandi Lewis myndir:

The figure illustrates three ways to represent molecules of n dash butane and 2 dash methlylpropane. In the first row of the figure, Lewis structural formulas show element symbols and bonds between atoms. The n dash butane molecule shows 4 carbon atoms represented by the letter C bonded in a straight horizontal chain with hydrogen atoms represented by the letter H bonded above and below all carbon atoms. H atoms are bonded at the ends to the left and right of the left-most and right-most C atoms. In the second row, ball-and-stick models are shown. In these representations, bonds are represented with sticks, and elements are represented with balls. Carbon atoms are black and hydrogen atoms are white in this image. In the third row, space-filling models are shown. In these models, atoms are enlarged and pushed together, without sticks to represent bonds. The molecule names are provided in the fourth row.

Efnasamböndin n-bútan og 2-metýlprópan eru byggingarhverfur (hugtakið byggingarhverfur er einnig almennt notað). Byggingarhverfur hafa sömu sameindaformúlu en mismunandi staðsetningu atóma í sameindum sínum. n-bútansameindin inniheldur ógreinaða keðju, sem þýðir að ekkert kolefnisatóm er tengt fleiri en tveimur öðrum kolefnisatómum. Við notum hugtakið venjulegur, eða forskeytið n, til að vísa til kolefnisatómakeðju án greina. Efnasambandið 2-metýlprópan hefur greinótta keðju (kolefnisatómið í miðju Lewis myndarinnar er tengt þremur öðrum kolefnisatómum)

Að bera kennsl á hverfur út frá Lewis myndum er ekki eins auðvelt og það lítur út fyrir að vera. Lewis myndir sem líta ólíkt út geta í raun táknað sömu hverfurnar. Til dæmis tákna þrjár byggingarnar á Mynd 20.4 allar sömu sameindina, n-bútan, og eru því ekki mismunandi hverfur. Þær eru eins vegna þess að hver þeirra inniheldur ógreinaða keðju fjögurra kolefnisatóma.

The figure illustrates three ways to represent molecules of n dash butane. In the first row of the figure, Lewis structural formulas show carbon and hydrogen element symbols and bonds between the atoms. The first structure in this row shows three of the linked C atoms in a horizontal row with a single C atom bonded above the left-most carbon. The left-most C atom has two H atoms bonded to it. The C atom bonded above the left-most C atom has three H atoms bonded to it. The C atom bonded to the right of the left-most C atom has two H atoms bonded to it. The right-most C atom has three H atoms bonded to it. The C atoms and the bonds connecting all the C atoms are red. The second structure in the row similarly shows the row of three linked C atoms with a single C atom bonded below the C atom to the left. The left-most C atom has two H atoms bonded to it. The C atom bonded below the left-most C atom has three H atoms bonded to it. The C atom bonded to the right of the left-most C atom has two H atoms bonded to it. The right-most atom has three H atoms bonded to it. All the C atoms and the bonds between them are red. The third structure has two C atoms bonded in a row with a third C atom bonded above the left C atom and the fourth C atom bonded below the right C atom. The C atom bonded above the left C atom has three H atoms bonded to it. The left C atom has two H atoms bonded to it. The right C atom has two H atoms bonded to it. The C atom bonded below the right C atom has three H atoms bonded to it. All the C atoms and the bonds between them are red. In the second row, ball-and-stick models for the structures are shown. In these representations, bonds are represented with sticks, and elements are represented with balls. Carbon atoms are black and hydrogen atoms are white in this image. In the third row, space-filling models are shown. In these models, atoms are enlarged and pushed together, without sticks to represent bonds. — Mynd 20.4 Þessar þrjár framsetningar á byggingu n-bútans eru ekki hverfur vegna þess að þær innihalda allar sömu röðun atóma og efnatengja.

Grundvallaratriði lífrænnar nafnfræði: Nafngift alkana

Alþjóðasamband um hreina og hagnýta efnafræði (IUPAC) hefur þróað nafnakerfi sem byrjar á nöfnum alkana og hægt er að aðlaga þaðan til að taka tillit til flóknari bygginga. Nafnakerfið fyrir alkana byggir á tveimur reglum:

Til að nefna alkana skaltu fyrst finna lengstu keðju kolefnisatóma í byggingu hans. Tveggja kolefnisatóma keðja er kölluð etan; þriggja kolefnisatóma keðja, própan; og fjögurra kolefnisatóma keðja, bútan. Lengri keðjur eru nefndar sem hér segir: pentan (fimm kolefnisatóma keðja), hexan (6), heptan (7), oktan (8), nónan (9) og dekan (10). Þessi forskeyti má sjá í nöfnum alkana sem lýst er í Tafla 20.1.
Bættu forskeytum við nafn lengstu keðjunnar til að gefa til kynna staðsetningu og nöfn hliðarhópa (e. substituents). Hliðarhópar eru greinar eða virknihópar sem koma í stað vetnisatóma á keðju. Staðsetning hliðarhóps eða greinar er auðkennd með númeri kolefnisatómsins sem hann er tengdur við í keðjunni. Við númerum kolefnisatómin í keðjunni með því að telja frá enda keðjunnar sem er næst hliðarhópunum. Margir hliðarhópar eru nefndir hver fyrir sig og settir í stafrófsröð fremst í nafninu.

This figure shows structural formulas for propane, 2 dash chloropropane, 2 dash methylpropane, 2 comma 4 dash difluorohexane, and 1 dash bromo dash 3 dash chlorohexane. In each of the structures, the carbon atoms are in a row with bonded halogen atoms and a methyl group bonded below the figures. Propane is listed as simply C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 3, with the numbers 1, 2, and 3 appearing above the carbon atoms from left to right. 2 dash chloropropane similarly shows C H subscript 3 C H C H subscript 3, with the numbers 1, 2, and 3 appearing above the carbon atoms from left to right. A C l atom is bonded below carbon 2. The C l atom is red. 2 dash methylpropane similarly shows C H subscript 3 C H C H subscript 3, with the numbers 3, 2, and 1 appearing above the carbon atoms from left to right. A C H subscript 3 group is bonded beneath carbon 2 and is red. 2 comma 4 dash difluorohexane similarly shows C H subscript 3 C H subscript 2 C H C H subscript 2 C H C H subscript 3, with the numbers 6, 5, 4, 3, 2, and 1 appearing above the carbon atoms from left to right. F atoms are bonded to carbons 4 and 2 at the bottom of the structure and are red. 1 dash bromo dash 3 dash chlorohexane similarly shows C H subscript 2 C H subscript 2 C H C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 3, with numbers 1, 2, 3, 4, 5, and 6 appearing above the carbon atoms from left to right. B r is bonded below carbon 1 and C l is bonded below carbon 3. Both B r and C l are red.

Þegar fleiri en einn hliðarhópur er til staðar, annaðhvort á sama kolefnisatómi eða á mismunandi kolefnisatómum, eru hliðarhóparnir skráðir í stafrófsröð. Vegna þess að númerun kolefnisatóma byrjar á endanum sem er næst hliðarhópi, er lengsta keðja kolefnisatóma númeruð á þann hátt að lægsta mögulega talan fáist fyrir hliðarhópana. Endingin -ó kemur í stað -íð í lok nafns rafeindasækis hliðarhóps (í jónaefnum endar neikvætt hlaðna jónin á -íð eins og klóríð; í lífrænum efnasamböndum eru slík atóm meðhöndluð sem hliðarhópar og endingin -ó er notuð). Fjöldi hliðarhópa af sömu gerð er gefinn til kynna með forskeytunum dí- (tveir), trí- (þrír), tetra- (fjórir) og svo framvegis (til dæmis gefur díflúoró- til kynna tvo flúoríðhliðarhópa).

Dæmi 20.3

Nafngift halógen-tengdra alkana

Nefndu sameindina sem sýnd er hér:

Lausn

Fjögurra kolefnisatóma keðjan er númeruð frá endanum með klóratóminu. Þetta setur hliðarhópana á stöður 1 og 2 (ef númerað væri frá hinum endanum kæmu hliðarhóparnir á stöður 3 og 4). Fjögur kolefnisatóm þýðir að grunnnafn þessa efnasambands verður bútan. Brómið í stöðu 2 verður lýst með því að bæta við 2-brómó-; þetta kemur í upphafi nafnsins, þar sem brómó- kemur á undan klóró- í stafrófsröð. Klórinu í stöðu 1 verður lýst með því að bæta við 1-klóró-, sem leiðir til þess að nafn sameindarinnar verður 2-brómó-1-klóróbútan.

Skoðaðu þekkingu þína

Nefndu eftirfarandi sameind:

Við köllum hliðarhóp sem inniheldur einu vetnisatómi færra en samsvarandi alkan alkýlhóp. Nafn alkýlhóps (e. alkyl group) er fengið með því að sleppa viðskeytinu -an af alkanaheitinu og bæta við -ýl:

In this figure, methane is named and represented as C with four H atoms bonded above, below, to the left, and to the right of the C. The methyl group is shown, which appears like methane without the right most H. A dash remains at the location where the H was formerly bonded. Ethane is named and represented with two centrally bonded C atoms to which six H atoms are bonded; two above and below each of the two C atoms and to the left and right ends of the linked C atoms. The ethyl group appears as a similar structure with the right-most H atom removed. A dash remains at the location where the H atom was formerly bonded.

Opnu tengin í metýl- og etýlhópunum gefa til kynna að þessir alkýlhópar séu tengdir öðru atómi.

Dæmi 20.4

Nafngiftir á alkönum með hliðarhópum

Nefndu sameindina sem sýnd er hér:

Lausn

Lengsta kolefniskeðjan liggur lárétt yfir síðuna og inniheldur sex kolefnisatóm (þetta myndar grunninn að nafninu hexan, en við þurfum líka að fella inn nafn hliðarkeðjunnar). Í þessu tilfelli viljum við númera frá hægri til vinstri (eins og bláu tölurnar sýna) þannig að hliðarkeðjan tengist kolefni 3 (ímyndaðu þér tölurnar frá vinstri til hægri – þá væri hliðarkeðjan á kolefni 4, sem brýtur í bága við reglurnar okkar). Hliðarkeðjan sem tengist stöðu 3 á keðjunni okkar inniheldur tvö kolefnisatóm (númeruð með rauðu) – þannig að við tökum nafnið okkar fyrir tvö kolefni et- og bætum við -ýl í lokin til að gefa til kynna að við séum að lýsa hliðarkeðju. Þegar allt er sett saman er þessi sameind 3-etýlhexan.

Prófaðu þig áfram

Nefndu eftirfarandi sameind:

Sum kolvetni geta myndað fleiri en eina tegund alkýlhópa þegar vetnisatómin sem yrðu fjarlægð hafa mismunandi „umhverfi“ í sameindinni. Þennan fjölbreytileika mögulegra alkýlhópa má greina á eftirfarandi hátt: Vetnisatómin fjögur í metansameind eru jafngild; þau hafa öll sama umhverfi. Þau eru jafngild vegna þess að hvert þeirra er tengt kolefnisatómi (sama kolefnisatóminu) sem er tengt þremur vetnisatómum. (Það gæti verið auðveldara að sjá jafngildið í kúlu-og-prikalíkönunum í Mynd 20.2. Ef eitthvert af þessum fjórum vetnisatómum er fjarlægt úr metani myndast metýlhópur. Sömuleiðis eru vetnisatómin sex í etani jafngild (Mynd 20.2) og ef eitthvert þessara vetnisatóma er fjarlægt myndast etýlhópur. Hvert af þessum sex vetnisatómum er tengt kolefnisatómi sem er tengt tveimur öðrum vetnisatómum og einu kolefnisatómi. Hins vegar, bæði í própani og 2-metýlprópani, eru vetnisatóm í tveimur mismunandi umhverfum, sem greinast af aðliggjandi atómum eða hópum atóma:

In this figure, propane is shown as a chain of three bonded C atoms. Eight H atoms are shown with three bonded to the first C atom, two to the middle C atom, and three to the third C atom. The H atoms bonded to the middle C atom are purple. 2 dash methylpropane is also shown, which similarly has a chain of three bonded C atoms. In this structure, A C atom is bonded beneath the middle C atom of the chain. Ten H atoms are shown with three bonded to the first C atom, one to the middle C atom, three to the third C atom, and three to the C atom also bonded to the middle C atom. The H atom bonded to the middle C atom is green.

Hvert af sex jafngildum vetnisatómum af fyrstu gerð í própani og hvert af níu jafngildum vetnisatómum af þeirri gerð í 2-metýlprópani (öll sýnd með svörtu) er tengt kolefnisatómi sem er aðeins tengt einu öðru kolefnisatómi. Tvö fjólubláu vetnisatómin í própani eru af annarri gerð. Þau eru frábrugðin sex vetnisatómum af fyrstu gerð að því leyti að þau eru tengd kolefnisatómi sem er tengt tveimur öðrum kolefnisatómum. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani er frábrugðið hinum níu vetnisatómum í þeirri sameind og fjólubláu vetnisatómunum í própani. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani er tengt kolefnisatómi sem er tengt þremur öðrum kolefnisatómum. Tveir mismunandi alkýlhópar geta myndast úr hvorri þessara sameinda, eftir því hvaða vetnisatóm er fjarlægt. Nöfn og bygging þessara og nokkurra annarra alkýlhópa eru talin upp í Mynd 20.5.

This table provides a listing of alkyl groups and corresponding structures. Methyl is shown as C H subscript 3 followed by a dash. Ethyl is shown as C H subscript 3 C H subscript 2 followed by a dash. n dash propyl is shown as C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 2 followed by a dash. Isopropyl is shown as C H subscript 3 C H C H subscript 3 with a dash extending upward from the middle C. n dash butyl is shown as C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 2 followed by a dash. sec dash butyl is shown as C H subscript 3 C H subscript 2 C H C H subscript 3 with a dash extending upward from the third C counting left to right. Isobutyl is shown as C H subscript 3 C H C H subscript 2 with a dash extending to the right. There is a C H subscript 3 bonded to the middle C. tert dash butyl is shown as C H subscript 3 C C H subscript 3 with a C H subscript 3 group bonded below the middle C and a dash extending upward from the central C. — Mynd 20.5 Þessi listi sýnir nöfn og formúlur fyrir ýmsa alkýlhópa sem myndast við brottnám vetnisatóma frá mismunandi stöðum.

Athugið að alkýlhópar eru ekki til sem stöðugar, sjálfstæðar einingar. Þeir eru alltaf hluti af einhverri stærri sameind. Staðsetning alkýlhóps á kolvetniskeðju er gefin til kynna á sama hátt og hver annar hliðarhópur:

This figure shows structures of 3 dash ethylheptane, 2 comma 2 comma 4 dash trimethylpentane, and 4 dash isopropylheptane. The 3 dash ethylheptane structure shows C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 2 C H C H subscript 2 C H subscript 3. Under the C atom labeled 3, is a bond to C H subscript 2 C H subscript 3 which appears in red. The C atoms are labeled 7, 6, 5, 4, 3, 2, and 1 from left to right. The 2 comma 2 comma 4 dash trimethylpentane structure shows C H subscript 3 C bonded to C H subscript 2 C H C H subscript 3. The C atoms are labeled 1, 2, 3, 4, and 5 from left to right. The C atom labeled 2 has a C H subscript 3 bonded above it and below it. The C H subscript 3 groups both appear in red. The C atom labeled 4 has a bond above it to C H subscript 3. The C H subscript 3 group appears in red. The 4 dash isopropylheptane structure shows C H subscript 3 C H subscript 2 C H subscript 2 C H C H subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 3. From the fourth C counting from left to right, there is a C H group bonded above. Bonded up and to the right and and up to the left of this C H group are C H subscript 3 groups.

Alkanar eru tiltölulega stöðugar sameindir, en varmi eða ljós getur virkjað efnahvörf sem fela í sér rof á C–H eða C–C eintengjum. Bruni er eitt slíkt efnahvarf:

{CH}_{4} (g) + 2 O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g) + 2 H_{2} O (g)

Alkanar brenna í nærveru súrefnis, sem er mjög útvermið oxunar-afoxunarhvarf sem myndar koldíoxíð og vatn. Þar af leiðandi eru alkanar frábært eldsneyti. Til dæmis er metan, CH₄, aðalefnið í jarðgasi. Bútan, C₄H₁₀, sem notað er í útileguprímusa og kveikjara, er alkan. Bensín er fljótandi efnablanda af beinkeðju- og greinóttum alkönum, sem hver um sig inniheldur fimm til níu kolefnisatóm, auk ýmissa aukaefna til að bæta afköst þess sem eldsneytis. Steínolía, dísilolía og brennsluolía eru aðallega efnablöndur af alkönum með hærri sameindamassa. Aðaluppspretta þessara fljótandi alkanaeldsneyta er hráolía, flókin efnablanda sem er aðskilin með hluteimingu. Hluteiming nýtir sér mismun á suðumarki efnisþátta efnablöndunnar (sjá Mynd 20.6). Þú manst kannski að suðumark er fall af víxlverkunum milli sameinda, sem fjallað var um í kaflanum um lausnir og dreifur.

$This figure contains a photo of a refinery, showing large columnar structures. A diagram of a fractional distillation column is also shown. Near the bottom of the column, an arrow pointing into the column from the left shows a point of entry for heated crude oil. The column contains several layers at which different components are removed. At the very bottom, residue materials are removed through a pipe as indicated by an arrow out of the column. At each successive level, different materials are removed through pipes proceeding from the bottom to the top of the column. In order from bottom to top, these materials are fuel oil, followed by diesel oil, kerosene, naptha, gasoline, and refinery gas at the very top. To the right of the column diagram, a double sided arrow is shown that is blue at the top and gradually changes color to red moving downward. The blue top of the arrow is labeled, “Small molecules: low boiling point, very volatile, flows easily, ignites easily.” The red bottom of the arrow is labeled, “Large molecules: high boiling point, not very volatile, does not flow easily, does not ignite easily.”$

Mynd 20.6 Í súlu fyrir hluteimingu hráolíu gufar olía, sem hituð er í um 425 °C í ofninum, upp þegar hún kemur inn í botn turnsins. Gufurnar stíga upp í gegnum loftbólulok á röð bakka í turninum. Eftir því sem gufurnar kólna smám saman þéttast efnisbrot með hærra, síðan lægra, suðumark í vökva og eru tekin út. (heimild vinstra megin: breyting á verki eftir Luigi Chiesa)

Í skiptihvarfi (e. substitution reaction), sem er annað dæmigert efnahvarf alkana, er einu eða fleiri vetnisatómum alkansins skipt út fyrir annað atóm eða hóp atóma. Engin kolefnis-kolefnistengi rofna í þessum efnahvörfum og blendingsástand kolefnisatómanna breytist ekki. Til dæmis er efnahvarfið milli etans og klórsameindar sem sýnt er hér skiptihvarf:

C–Cl hluti klóretansameindarinnar er dæmi um virknihóp (e. functional group), þann hluta eða einingu sameindar sem gefur henni sérstaka hvarfgirni. Tegundir virknihópa sem eru til staðar í lífrænni sameind eru helstu áhrifaþættir efnaeiginleika hennar og eru notaðir til að flokka lífræn efnasambönd eins og nánar er lýst í eftirfarandi köflum þessarar greinar.

Alkenar

Lífræn efnasambönd sem innihalda eitt eða fleiri tví- eða þrítengi milli kolefnisatóma eru sögð ómettuð. Þú hefur líklega heyrt um ómettaða fitu. Þetta eru flóknar lífrænar sameindir með langar keðjur kolefnisatóma, sem innihalda að minnsta kosti eitt tvítengi milli kolefnisatóma. Ómettaðar kolvetnissameindir sem innihalda eitt eða fleiri tvítengi eru kallaðar alkenar (e. alkenes). Kolefnisatóm sem tengd eru með tvítengi eru bundin saman með tveimur efnatengjum, einu σ-tengi og einu π-tengi. Tví- og þrítengi valda annarri rúmfræði í kringum kolefnisatómið sem tekur þátt í þeim, sem leiðir til mikilvægs munar á lögun og eiginleikum sameinda. Mismunandi rúmfræði er ábyrg fyrir mismunandi eiginleikum ómettaðrar og mettaðrar fitu.

Eten, C₂H₄, er einfaldasti alkeninn. Hvert kolefnisatóm í eten, oft kallað etýlen, hefur þríhyrningslaga flata byggingu. Annar meðlimur raðarinnar er própen (própýlen) (Mynd 20.7); bútenhverfurnar fylgja næst í röðinni. Fjögur kolefnisatóm í keðju bútens leyfa myndun hverfa sem byggjast á staðsetningu tvítengisins, auk nýs forms hverfumyndunar.

Lewis structural formulas show carbon and hydrogen element symbols and bonds between the atoms. The first structure in this row shows two bonded C atoms with a double bond between them. Each C atom has two H atoms bonded to it as well. The second structure in the row shows three bonded C atoms with a double bond up and to the right between the first and second C atoms moving left to right across the chain, and a single bond down and to the right between the second and third C atom. The first C atom has two H atoms bonded to it, the second C atom has one H atom bonded to it, and the third C atom has three H atoms bonded to it. The third structure shows four bonded C atoms with one bonded up and to the right to a C atom, down and to the right to a C atom, and double bonded up and to the right to a C atom. The first C atom, moving from left to right, has three H atoms bonded to it. The second C atom has two H atoms bonded to it. The third C atom has one H atom bonded to it, and the fourth C atom has two H atoms bonded to it. In the second row, ball-and-stick models for the structures are shown. In these representations, single bonds are represented with sticks, double bonds are represented with two parallel sticks, and elements are represented with balls. Carbon atoms are black and hydrogen atoms are white in this image. In the third row, space-filling models are shown. In these models, atoms are enlarged and pushed together, without sticks to represent bonds. In the final row, names are provided. The molecule with the double bond between two C atoms is named ethene. The molecule with the double bond between the first and second C atoms in the chain of three is named propene. The molecule with the double bond between the carbon atoms in the chain of four is named 1 dash butene. — Mynd 20.7 Sýndar eru opnar byggingar, kúlu- og pinnabyggingar og rúmfyllulíkön fyrir alkenana eten, própen og 1-búten.

Etýlen (algengt iðnaðarheiti fyrir eten) er grunnhráefni í framleiðslu á pólýetýleni og öðrum mikilvægum efnasamböndum. Yfir 135 milljónir tonna af etýleni voru framleiddar um allan heim árið 2010 til notkunar í fjölliðu-, jarðolíuefna- og plastiðnaði. Etýlen er framleitt í iðnaði með ferli sem kallast varmakljúfur, þar sem langar kolvetniskeðjur í jarðolíuefnablöndu eru brotnar niður í smærri sameindir.

Efnafræði í daglegu lífi

Endurvinnsla plasts

Fjölliður (úr grísku orðunum poly sem þýðir „margir“ og mer sem þýðir „hlutar“) eru stórar sameindir sem samanstanda af endurteknum einingum, sem kallast einliður. Fjölliður geta verið náttúrulegar (sterkja er fjölliða úr sykruleifum og prótein eru fjölliður úr amínósýrum) eða tilbúnar [eins og pólýetýlen, pólývínýlklóríð (PVC) og pólýstýren]. Fjölbreytileiki í byggingu fjölliða skilar sér í breiðu úrvali eiginleika og notkunar sem gerir þær að órjúfanlegum hluta af daglegu lífi okkar. Að bæta virknihópum við byggingu fjölliðu getur leitt til verulega mismunandi eiginleika (sjá umræðuna um Kevlar síðar í þessum kafla).

Dæmi um fjölliðun er sýnt í Mynd 20.8. Einliðan etýlen (C₂H₄) er gas við stofuhita, en þegar hún er fjölliðuð með hliðarmálmi sem hvata breytist hún í fast efni sem samanstendur af löngum keðjum af –CH₂– einingum sem kallast pólýetýlen. Pólýetýlen er algengt plast sem er aðallega notað í umbúðir (poka og filmur).

Mynd 20.8 Sýnt er efnahvarf fyrir fjölliðun etýlens í pólýetýlen.

Pólýetýlen tilheyrir einum undirflokki tilbúinna fjölliða sem flokkast sem plast. Plast er tilbúið lífrænt fast efni sem hægt er að móta; það eru yfirleitt lífrænar fjölliður með háan sameindamassa. Flestar einliðurnar sem notaðar eru í algengt plast (etýlen, própýlen, vínýlklóríð, stýren og etýlen tereftalat) eru unnar úr jarðolíu og eru ekki mjög lífbrjótanlegar, sem gerir þær að hentugu efni til endurvinnslu. Endurvinnsla á plasti hjálpar til við að lágmarka þörfina á að nota meira af jarðolíubirgðum og lágmarkar einnig umhverfisspjöll af völdum þess að henda þessum ólífbrjótanlegu efnum.

Endurvinnsla plasts er ferlið við að endurheimta úrgang, brotajárn eða notað plast og endurvinna efnið í nytsamlegar vörur. Til dæmis er hægt að bræða pólýetýlen tereftalat (gosflöskur) og nota það í plasthúsgögn, í teppi eða í önnur forrit. Annað plast, eins og pólýetýlen (pokar) og pólýprópýlen (bollar, plastmatarílát), er hægt að endurvinna eða endurvinna til að nota aftur. Víða um land eru endurvinnsluáætlanir sem beinast að einu eða fleiri af algengu plastefnunum sem hafa fengið endurvinnslukóða (sjá Mynd 20.9). Þessar aðgerðir hafa verið í gildi síðan á áttunda áratugnum og hafa gert framleiðslu á sumum plastefnum meðal hagkvæmustu iðnaðaraðgerða í dag.

Mynd 20.9 Hver tegund af endurvinnanlegu plasti er merkt með kóða til að auðvelda auðkenningu.

Nafn alkens er dregið af nafni alkans með sama fjölda kolefnisatóma. Tilvist tvítengisins er táknuð með því að skipta út viðskeytinu -an fyrir viðskeytið -en. Staðsetning tvítengisins er auðkennd með því að nefna þá lægri af tölum kolefnisatómanna sem taka þátt í tvítenginu:

Four structural formulas and names are shown. The first shows two red C atoms connected by a red double bond illustrated with two parallel line segments. H atoms are bonded above and below to the left of the left-most C atom. Two more H atoms are similarly bonded to the right of the C atom on the right. Beneath this structure the name ethene and alternate name ethylene are shown. The second shows three C atoms bonded together with a red double bond between the red first and second C atoms moving left to right across the three-carbon chain. H atoms are bonded above and below to the left of the C atom to the left. A single H is bonded above the middle C atom. Three more H atoms are bonded above, below, and to the right of the third C atom. Beneath this structure the name propene and alternate name propylene is shown. The third shows four C atoms bonded together, numbered one through four moving left to right with a red double bond between the red first and second carbon in the chain. H atoms are bonded above and below to the left of the C atom to the left. A single H is bonded above the second C atom. H atoms are bonded above and below the third C atom. Three more H atoms are bonded above, below, and to the right of the fourth C atom. Beneath this structure the name 1 dash butene is shown. The fourth shows four C atoms bonded together, numbered one through four moving left to right with a red double bond between the red second and third C atoms in the chain. H atoms are bonded above, below, and to the left of the left-most C atom. A single H atom is bonded above the second C atom. A single H atom is bonded above the third C atom. Three more H atoms are bonded above, below, and to the right of the fourth C atom. Beneath this structure the name 2 dash butene is shown.

Hverfur alkena

Sameindir 1-bútens og 2-bútens eru byggingarhverfur; fyrirkomulag atómanna í þessum tveimur sameindum er ólíkt. Sem dæmi um mun á fyrirkomulagi er fyrsta kolefnisatómið í 1-búteni tengt tveimur vetnisatómum; fyrsta kolefnisatómið í 2-búteni er tengt þremur vetnisatómum.

Efnasambandið 2-búten og sumir aðrir alkenar mynda einnig aðra tegund hverfu sem kallast rúmhverfa. Í mengi rúmhverfa eru sömu tegundir atóma tengdar hver annarri í sömu röð, en rúmfræði sameindanna tveggja er ólík. Rúmhverfur alkena eru ólíkar hvað varðar afstöðu hópanna hvorum megin við ${\text{C}=\text{C}}$ efnatengi.

Kolefnisatóm geta snúist frjálslega í kringum eintengi en ekki í kringum tvítengi; tvítengi er stíft. Þetta gerir það að verkum að tvær hverfur af 2-búteni geta myndast, önnur með báða metýlhópana sömu megin við tvítengið og hin með metýlhópana sitt hvoru megin. Þegar bygging bútena er teiknuð með 120° efnatengishornum í kringum sp²-tvinnblönduðu kolefnisatómin sem taka þátt í tvítenginu koma hverfurnar í ljós. 2-búten hverfan þar sem metýlhóparnir tveir eru sömu megin er kölluð cis-hverfa; sú þar sem metýlhóparnir tveir eru sitt hvoru megin er kölluð trans-hverfa (Mynd 20.10). Mismunandi rúmfræði veldur mismunandi eðliseiginleikum, svo sem suðumarki, sem getur gert aðskilnað hverfanna mögulegan:

The figure illustrates three ways to represent isomers of butene. In the first row of the figure, Lewis structural formulas show carbon and hydrogen element symbols and bonds between the atoms. The first structure in this row shows a C atom with a double bond to another C atom which is bonded down and to the right to C H subscript 2 which, in turn, is bonded to C H subscript 3. The first C atom, moving from left to right, has two H atoms bonded to it and the second C atom has one H atom bonded to it. The second structure in the row shows a C atom with a double bond to another C atom. The first C atom is bonded to an H atom up and to the left and C H subscript 3 down and to the left. The second C atom is bonded to an H atom up and to the right and C H subscript 3 down and to the right. Both C H subscript 3 structures appear in red. The third structure shows a C atom with a double bond to another C atom. The first C atom from the left is bonded up to a the left to C H subscript 3 which appears and red. It is also bonded down and to the left to an H atom. The second C atom is bonded up and to the right to an H atom and down and to the left to C H subscript 3 which appears in red. In the second row, ball-and-stick models for the structures are shown. In these representations, single bonds are represented with sticks, double bonds are represented with two parallel sticks, and elements are represented with balls. C atoms are black and H atoms are white in this image. In the third row, space-filling models are shown. In these models, atoms are enlarged and pushed together, without sticks to represent bonds. In the final row, names are provided. The molecule with the double bond between the first and second carbons is named 1 dash butene. The two molecules with the double bond between the second and third carbon atoms is called 2 dash butene. The first model, which has both C H subscript 3 groups beneath the double bond is called the cis isomer. The second which has the C H subscript 3 groups on opposite sides of the double bond is named the trans isomer. — Mynd 20.10 Þessi sameindalíkön sýna byggingar- og rúmhverfur bútens.

Alkenar eru mun hvarfgjarnari en alkanar vegna þess að ${\text{C}=\text{C}}$ einingin er hvarfgjarn virknihópur. Auðveldara er að rjúfa π-tengi, sem er veikara efnatengi, en σ-tengi. Þess vegna gangast alkenar undir einkennandi efnahvarf þar sem π-tengið er rofið og tvö σ-tengi koma í staðinn. Þetta efnahvarf er kallað álagningarefnahvarf (e. addition reaction). Tvinnblöndun kolefnisatómanna í tvítengi alkens breytist úr sp² í sp³ við álagningarefnahvarf. Til dæmis leggjast halógenar á tvítengi í alken í stað þess að koma í stað vetnis, eins og gerist í alkan:

Dæmi 20.5

Hvarfgirni og nafnakerfi alkena

Gefðu upp IUPAC-nöfn fyrir hvarfefnið og myndefnið í halógeneringarefnahvarfinu sem sýnt er hér:

Lausn

Hvarfefnið er fimm kolefnisatóma keðja sem inniheldur kolefnis-kolefnis tvítengi, þannig að grunnafnið verður penten. Við byrjum að telja frá þeim enda keðjunnar sem er næstur tvítenginu – í þessu tilfelli frá vinstri – tvítengið spannar kolefnisatóm 2 og 3, þannig að nafnið verður 2-penten. Þar sem tveir kolefnisinnihaldandi hópar eru tengdir við kolefnisatómin tvö í tvítenginu – og þeir eru sömu megin við tvítengið – er þessi sameind cis-hverfa, sem gerir nafn upphafsalkensins að cis-2-penteni. Myndefni halógeneringarefnahvarfsins mun hafa tvö klóratóm tengd við kolefnisatómin sem voru hluti af kolefnis-kolefnis tvítenginu:

Þessi sameind er núna staðgenginn alkani og verður nefnd sem slík. Grunnur nafnsins verður pentan. Við munum telja frá þeim enda sem númerar kolefnisatómin þar sem klóratómin eru tengd sem 2 og 3, sem gerir nafn myndefnisins að 2,3-díklórpentani.

Spyrðu þig

Gefðu upp nöfn fyrir hvarfefnið og myndefnið í efnahvarfinu sem sýnt er:

Alkínar

Kolvetnissameindir með eitt eða fleiri þrítengi eru kallaðar alkínar (e. alkynes); þær mynda aðra röð ómettaðra kolvetna. Tvö kolefnisatóm sem eru tengd með þrítengi eru bundin saman með einu σ-tengi og tveimur π-tengjum. sp-blendinguðu kolefnin sem taka þátt í þrítenginu hafa tengihorn upp á 180°, sem gefur þessum tegundum tengja línulegt, stangarlaga form.

Einfaldasti meðlimur alkínaflokksins er etín, C₂H₂, almennt kallað asetýlen. Lewis myndin fyrir etín, línulega sameind, er:

The structural formula and name for ethyne, also known as acetylene, are shown. In red, two C atoms are shown with a triple bond illustrated by three horizontal line segments between them. Shown in black at each end of the structure, a single H atom is bonded.

IUPAC nafnakerfið fyrir alkína er svipað og fyrir alkena nema að viðskeytið -ín er notað til að gefa til kynna þrítengi í keðjunni. Til dæmis er ${{{\text{CH}}}_{3}{{\text{CH}}}_{2}\text{C}≡\text{CH}}$ kallað 1-bútín.

Efnafræðilega eru alkínar svipaðir alkenum. Þar sem ${\text{C}≡\text{C}}$ virknihópurinn hefur tvö π-tengi, hvarfast alkínar yfirleitt enn auðveldar og hvarfast við tvöfalt meira hvarfefni í álagningarhvörfum. Efnahvarf asetýlens við bróm er dæmigert dæmi:

Asetýlen og aðrir alkínar brenna einnig auðveldlega. Asetýlenkyndill nýtir sér háan bruna varma asetýlens.

Arómatísk kolvetni

Bensen, C₆H₆, er einfaldasti meðlimur stórrar fjölskyldu kolvetna, sem kallast arómatísk kolvetni (e. aromatic hydrocarbons). Þessi efnasambönd innihalda hringbyggingar og sýna tengingu sem verður að lýsa með samgildistengiskenningunni um samgildisblendinga eða með óstaðsetningarkenningu sameindasvigrúmskenningarinnar. (Til að rifja upp þessi hugtök, sjá fyrri kafla um efnatengi). Samgildisformúlur fyrir bensen, C₆H₆, eru:

Gildisrafeindatengslakenningin lýsir bensen-sameindinni og öðrum sléttum arómatískum kolvetnissameindum sem sexhyrndum hringjum af sp²-blendinguðum kolefnisatómum þar sem óblendingað p svigrúm hvers kolefnisatóms er hornrétt á plan hringsins. Þrjár gildisrafeindir í sp² blendingssvigrúmum hvers kolefnisatóms og gildisrafeind hvers vetnisatóms mynda ramma σ-efnatengja í bensen-sameindinni. Fjórðu gildisrafeind hvers kolefnisatóms er deilt með aðliggjandi kolefnisatómi í óblendinguðum p svigrúmum þeirra til að mynda π-efnatengin. Bensen sýnir þó ekki þá eiginleika sem eru dæmigerðir fyrir alkena. Hvert af sex efnatengjum milli kolefnisatóma þess er jafngilt og sýnir eiginleika sem eru mitt á milli eiginleika C–C eintengis og ${\text{C}=\text{C}}$ tvítengis. Til að tákna þetta einstaka efnatengi eru byggingarformúlur fyrir bensen og afleiður þess venjulega teiknaðar með eintengjum milli kolefnisatómanna og hring innan hringsins eins og sýnt er á Mynd 20.11.

A six carbon hydrocarbon ring structural formula is shown. Each C atom is bonded to only one H atom. A circle is at the center of the ring. — Mynd 20.11 Þessi þétta formúla sýnir einstaka efnatengjabyggingu bensens.

Það eru margar afleiður af benseni. Hægt er að skipta vetnisatómum út fyrir marga mismunandi hliðarhópa. Arómatísk efnasambönd gangast frekar undir skiptihvörf en álagningarhvörf; með því að skipta einu vetnisatóminu út fyrir annan hliðarhóp haldast óstaðbundnu tvítengin óbreytt. Eftirfarandi eru dæmigerð dæmi um afleidd bensenefnasambönd:

Three structural formulas are shown. The first is labeled toluene. This molecule has a six carbon hydrocarbon ring in which five of the C atoms are each bonded to only one H atom. At the upper right of the ring, the C atom that does not have a bonded H atom has a red C H subscript 3 group attached. A circle is at the center of the ring. The second is labeled xylene. This molecule has a six carbon hydrocarbon ring in which four of the C atoms are each bonded to only one H atom. At the upper right and right of the ring, the two C atoms that do not have bonded H atoms have C H subscript 3 groups attached. These C H subscript 3 groups appear in red. A circle is at the center of the ring. The third is labeled styrene. This molecule has a six carbon hydrocarbon ring in which five of the carbon atoms are each bonded to only one H atom. At the upper right of the ring, the carbon that does not have a bonded H atom has a red C H double bond C H subscript 2 group attached. A circle is at the center of the ring.

Tólúen og xýlen eru mikilvægir leysar og hráefni í efnaiðnaði. Stýren er notað til að framleiða fjölliðuna pólýstýren.

Neðanmálsgreinar

Þetta er Beilstein-gagnagrunnurinn, nú aðgengilegur í gegnum Reaxys-síðuna (www.elsevier.com/online-tools/reaxys). ↩
Peplow, Mark. „Organic Synthesis: The Robo-Chemist,“ Nature 512 (2014): 20–2. ↩
Eðliseiginleikar fyrir C₄H₁₀ og þyngri sameindir eru fyrir venjulegu hverfuna, n-bútan, n-pentan o.s.frv. ↩
Staðalaðstæður tákna 0 °C hitastig og 1 atm þrýsting. ↩

Námsmarkmið