20.1 Kolvetni
20.1 Kolvetni
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- útskýra mikilvægi kolvetna og ástæðuna fyrir fjölbreytileika þeirra
- nefna mettuð og ómettuð kolvetni og sameindir sem eru afleiddar af þeim
- lýsa einkennandi efnahvörfum mettaðra og ómettaðra kolvetna
- bera kennsl á byggingar- og rúmhverfur kolvetna
Stærsti gagnagrunnur1 yfir lífræn efnasambönd telur um 10 milljónir efna. Þar á meðal eru efnasambönd sem eiga uppruna sinn í lifandi lífverum og önnur sem efnafræðingar hafa framleitt. Fjöldi mögulegra lífrænna efnasambanda hefur verið áætlaður2 um 1060, sem er stjarnfræðilega há tala. Tilvist svo margra lífrænna sameinda stafar af getu kolefnisatóma til að mynda allt að fjögur sterk efnatengi við önnur kolefnisatóm. Þetta leiðir af sér keðjur og hringi af mjög mismunandi stærð, lögun og flækjustigi.
Einföldustu lífrænu efnasamböndin innihalda aðeins frumefnin kolefni og vetni og kallast kolvetni. Þótt þau samanstandi aðeins af tveimur tegundum atóma er til mikill fjöldi mismunandi kolvetna. Það er vegna þess að þau geta samanstaðið af mislöngum keðjum, greinóttum keðjum og hringjum úr kolefnisatómum, eða blöndu af þessum byggingum. Að auki geta kolvetni verið breytileg eftir því hvaða tegundir kolefnis-kolefnistengja eru til staðar í sameindum þeirra. Mörg kolvetni finnast í plöntum, dýrum og steingervingum þeirra. Önnur kolvetni hafa verið framleidd á rannsóknarstofu. Við notum kolvetni á hverjum degi, aðallega sem eldsneyti, svo sem jarðgas, asetýlen, própan, bútán og helstu innihaldsefni bensíns, dísilolíu og brennsluolíu. Hin þekktu plastefni pólýetýlen, pólýprópýlen og pólýstýren eru einnig kolvetni. Við getum greint á milli nokkurra tegunda kolvetna út frá mismunandi tengjum milli kolefnisatóma. Þetta leiðir til mismunar í rúmfræði og svigrúmablöndun kolefnis.
Alkanar
Alkanar, eða mettuð kolvetni, innihalda aðeins eintengi milli kolefnisatóma. Hvert kolefnisatóm í alkani hefur sp3-blandsvigrúm og tengist fjórum öðrum atómum, sem hvert um sig er annaðhvort kolefni eða vetni. Lewis-byggingar og líkön af metani, etani og pentani eru sýnd á mynd 20.2. Kolefniskeðjur eru venjulega teiknaðar sem beinar línur í Lewis-byggingum. Hins vegar verður að muna að Lewis-byggingum er ekki ætlað að sýna rúmfræði sameinda. Taktu eftir að kolefnisatómin í byggingarlíkönum (kúlu-og-strikalíkönum og rýmislíkönum) af pentansameindinni liggja ekki í beinni línu. Vegna sp3-svigrúmablöndunarinnar eru tengjahornin í kolefniskeðjum nálægt 109,5°, sem gefur slíkum keðjum í alkani sikksakk-lögun.
Byggingar alkana og annarra lífrænna sameinda má einnig sýna á minna nákvæman hátt með þjöppuðum byggingarformúlum (eða einfaldlega þjöppuðum formúlum). Í stað venjulegs sniðs efnaformúlna þar sem hvert frumefnistákn birtist aðeins einu sinni, er þjöppuð formúla skrifuð til að gefa til kynna tengin í sameindinni. Þessar formúlur líta út eins og Lewis-bygging þar sem flest eða öll tengjatákn hafa verið fjarlægð. Þjappaðar byggingarformúlur fyrir etan og pentan eru sýndar neðst á mynd 20.2 og nokkur fleiri dæmi eru gefin í æfingunum í lok þessa kafla.

Algeng aðferð sem lífrænir efnafræðingar nota til að einfalda teikningar af stærri sameindum er að nota beinagrindarbyggingu (einnig kölluð línubygging). Í þessari gerð byggingar eru kolefnisatóm ekki táknuð með C, heldur með hverjum enda línu eða broti í línu. Vetnisatóm eru ekki teiknuð ef þau tengjast kolefni. Önnur atóm en kolefni og vetni eru táknuð með frumefnistáknum sínum. Mynd 20.3 sýnir þrjár mismunandi leiðir til að teikna sömu byggingu.

Dæmi 20.1
Dæmi 20.2
Allir alkanar samanstanda af kolefnis- og vetnisatómum og hafa svipuð tengi, byggingu og formúlur. Óhringlaga alkanar hafa allir formúluna CₙH2ₙ₊2. Fjöldi kolefnisatóma í alkönum er ótakmarkaður. Meiri fjöldi atóma í sameindunum leiðir til sterkari millisameindakrafta (dreifikrafta) og þar með mismunandi eðliseiginleika sameindanna. Eiginleikar á borð við bræðslumark og suðumark (tafla 20.1) breytast venjulega jafnt og þétt og með fyrirsjáanlegum hætti eftir því sem fjöldi kolefnis- og vetnisatóma í sameindunum breytist.
| Alkan | Sameindaformúla | Bræðslumark (°C) | Suðumark (°C) | Fasi við STP4 | Fjöldi byggingarhverfa |
|---|---|---|---|---|---|
| metan | –182,5 | –161,5 | lofttegund | 1 | |
| etan | –183,3 | –88,6 | lofttegund | 1 | |
| própan | –187,7 | –42,1 | lofttegund | 1 | |
| bútan | C4H10 | –138,3 | –0,5 | lofttegund | 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 kallast n-bútan og 2-metýlprópan (eða ísóbútan) og hafa eftirfarandi Lewis-byggingar:

Efnasamböndin n-bútan og 2-metýlprópan eru byggingarhverfur (hugtakið formgerðarhverfur er einnig oft notað). Formgerðarhverfur hafa sömu sameindaformúlu en mismunandi tengiröð atóma í sameindum sínum. Sameind n-bútans inniheldur ógreinda keðju, sem þýðir að ekkert kolefnisatóm er tengt fleiri en tveimur öðrum kolefnisatómum. Við notum hugtakið venjulegt, eða forskeytið n, til að vísa til ógreindrar keðju kolefnisatóma. Efnasambandið 2-metýlprópan hefur greinda keðju; kolefnisatómið í miðju Lewis-byggingarinnar er tengt þremur öðrum kolefnisatómum.
Það er ekki eins auðvelt og það sýnist að bera kennsl á hverfur út frá Lewis-byggingum. Lewis-byggingar sem líta út fyrir að vera mismunandi geta í raun táknað sömu hverfurnar. Til dæmis tákna byggingarnar þrjár á mynd 20.4 allar sömu sameindina, n-bútan, og eru því ekki mismunandi hverfur. Þær eru nákvæmlega eins vegna þess að hver þeirra inniheldur ógreinda keðju fjögurra kolefnisatóma.

Grunnatriði lífrænnar nafnakerfisfræði: Nafngiftir alkana
Alþjóðasamtök um hreina og hagnýta efnafræði (IUPAC) hafa þróað nafnakerfi sem hefst á nöfnum alkana og hægt er að aðlaga þaðan til að taka tillit til flóknari bygginga. Nafnakerfi alkana byggist á tveimur reglum:

Þegar fleiri en einn tengihópur er til staðar, annaðhvort á sama kolefnisatómi eða á mismunandi kolefnisatómum, eru tengihóparnir taldir upp í stafrófsröð. Þar sem tölusetning kolefnisatóma hefst á þeim enda sem er næst tengihópi er lengsta kolefniskeðjan tölusett þannig að tengihóparnir fái sem lægstar tölur. Endingin -ó kemur í stað -íð í lok heitis rafneikvæðs tengihóps. Í jónaefnum endar neikvætt hlaðna jónin á -íð, eins og klóríð; í lífrænum efnasamböndum er litið á slík atóm sem tengihópa og endingin -ó er notuð. Fjöldi tengihópa af sömu gerð er tilgreindur með forskeytunum dí- (tveir), trí- (þrír), tetra- (fjórir) og svo framvegis; til dæmis merkir díflúoró- tvo flúortengihópa.
Dæmi 20.3
Tengihópur sem inniheldur einu vetni minna en samsvarandi alkan kallast alkýlhópur. Heiti alkýlhóps er myndað með því að fella niður endinguna -an úr heiti alkansins og bæta við -ýl:

Opnu tengin í metýl- og etýlhópunum gefa til kynna að þessir alkýlhópar séu tengdir öðru atómi.
Dæmi 20.4
Sum kolvetni geta myndað fleiri en eina tegund alkýlhópa þegar vetnisatómin sem fjarlægja á 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 tengist sama kolefnisatóminu, sem tengist þremur vetnisatómum. Hugsanlega er auðveldara að sjá þetta jafngildi í kúlu- og prikalíkönunum á mynd 20.2. Ef eitt af vetnisatómunum fjórum er fjarlægt úr metani myndast metýlhópur. Sömuleiðis eru vetnisatómin sex í etani jafngild (mynd 20.2), og ef eitt þeirra er fjarlægt myndast etýlhópur. Hvert þessara sex vetnisatóma tengist kolefnisatómi sem aftur tengist tveimur öðrum vetnisatómum og einu kolefnisatómi. Hins vegar eru vetnisatóm í tvenns konar umhverfi í bæði própani og 2-metýlprópani, sem aðgreinast af nálægum atómum eða atómahópum:

Hvert hinna sex jafngildu vetnisatóma af fyrri gerðinni í própani og hvert hinna níu jafngildu vetnisatóma af sömu gerð í 2-metýlprópani, sem öll eru sýnd með svörtu, tengist kolefnisatómi sem tengist aðeins einu öðru kolefnisatómi. Fjólubláu vetnisatómin tvö í própani eru af annarri gerð. Þau eru frábrugðin vetnisatómunum sex af fyrri gerðinni að því leyti að þau tengjast kolefnisatómi sem tengist tveimur öðrum kolefnisatómum. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani er frábrugðið hinum níu vetnisatómunum í þeirri sameind og fjólubláu vetnisatómunum í própani. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani tengist kolefnisatómi sem tengist þremur öðrum kolefnisatómum. Hægt er að mynda tvo mismunandi alkýlhópa úr hvorri þessara sameinda, allt eftir því hvaða vetnisatóm er fjarlægt. Nöfn og bygging þessara og nokkurra annarra alkýlhópa eru talin upp á mynd 20.5.

Athugið að alkýlhópar eru ekki til sem stöðugar, sjálfstæðar einingar. Þeir eru alltaf hluti af stærri sameind. Staðsetning alkýlhóps á kolvetniskeðju er tilgreind á sama hátt og fyrir aðra tengihópa:

Alkanar eru tiltölulega stöðugar sameindir, en hiti eða ljós getur komið af stað efnahvörfum sem fela í sér rof á C–H eða C–C eintengjum. Bruni er dæmi um slíkt efnahvarf:
Alkanar brenna í návist súrefnis, sem er mjög útvermið oxunar- og afoxunarhvarf þar sem koldíoxíð og vatn myndast. Þar af leiðandi eru alkanar frábært eldsneyti. Til dæmis er metan, CH4, helsti efnisþáttur jarðgass. Bútan, C4H10, sem notað er í útileguprímusa og kveikjara, er alkan. Bensín er fljótandi blanda af alkönum með beinum og greinóttum keðjum, sem hver inniheldur fimm til níu kolefnisatóm, auk ýmissa aukaefna til að bæta eiginleika þess sem eldsneytis. Steinolía, dísilolía og brennsluolía eru fyrst og fremst blöndur alkana með meiri mólmassa. Helsta uppspretta þessa fljótandi alkanaeldsneytis er hráolía, sem er flókin blanda sem aðskilin er með brotaeimingu. Brotaeiming nýtir sér mismunandi suðumark efnisþátta blöndunnar (sjá mynd 20.6). Þú mannst ef til vill að suðumark er háð millisameindakröftum, sem fjallað var um í kaflanum um lausnir og kvoður.

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

C–Cl hluti klóróetansameindarinnar er dæmi um virkan hóp, þann hluta sameindar sem ljær henni ákveðna efnafræðilega hvarfgirni. Þær tegundir virkra hópa sem eru til staðar í lífrænni sameind ráða miklu um efnaeiginleika hennar. Þeir eru jafnframt notaðir til að flokka lífræn efnasambönd, eins og nánar er lýst í síðari hlutum þessa kafla.
Alkenar
Lífræn efnasambönd sem innihalda eitt eða fleiri tvítengi eða þrítengi milli kolefnisatóma kallast ómettuð. Þú hefur líklega heyrt um ómettaða fitu. Hún samanstendur af flóknum lífrænum sameindum með löngum keðjum kolefnisatóma sem innihalda að minnsta kosti eitt tvítengi milli kolefnisatóma. Ómettaðar kolvetnissameindir sem innihalda eitt eða fleiri tvítengi kallast alkenar. Kolefnisatóm sem tengjast með tvítengi eru bundin saman með tveimur tengjum, einu σ-tengi og einu π-tengi. Tvítengi og þrítengi valda annarri rúmfræði í kringum þau kolefnisatóm sem taka þátt í þeim. Þetta leiðir til mikilvægs munar á lögun og eiginleikum sameinda. Þessi ólíka rúmfræði veldur mismunandi eiginleikum ómettaðrar og mettaðrar fitu.
Eten, C2H4, er einfaldasti alkeninn. Hvert kolefnisatóm í eteni, sem oftast kallast etýlen, hefur þríhyrnda planbyggingu. Annar meðlimur raðarinnar er própen (própýlen) (mynd 20.7). Þar á eftir koma hverfur bútens. Fjögur kolefnisatóm í keðju bútens gera kleift að mynda hverfur sem byggjast á staðsetningu tvítengisins, auk nýrrar tegundar hverfni.

Etýlen (almennt iðnaðarheiti á eteni) er grunnhráefni í framleiðslu á pólýetýleni og öðrum mikilvægum efnasamböndum. Yfir 135 milljónir tonna af etýleni voru framleiddar á heimsvísu árið 2010 til notkunar í fjölliðu-, jarðolíu- og plastiðnaði. Etýlen er framleitt í iðnaði með ferli sem kallast krökkun, þar sem langar kolvetniskeðjur í jarðolíublöndu eru brotnar niður í smærri sameindir.
Nafn alkens er dregið af nafni alkansins með sama fjölda kolefnisatóma. Tilvist tvítengisins er gefin til kynna með því að skipta út endingunni -an fyrir endinguna -en. Staðsetning tvítengisins er tilgreind með því að nefna minni töluna af þeim kolefnisatómum sem taka þátt í tvítenginu:

Ísómerur alkena
Sameindir af 1-búteni og 2-búteni eru byggingarhverfur; uppröðun atómanna í þessum tveimur sameindum er ólík. Sem dæmi um mun á uppröðun er fyrsta kolefnisatómið í 1-búteni tengt tveimur vetnisatómum; fyrsta kolefnisatómið í 2-búteni er tengt þremur vetnisatómum.
Efnasambandið 2-búten og sum önnur alken mynda einnig aðra tegund hverfa sem kallast rúmhverfur. Í hópi rúmhverfa eru sömu tegundir atóma tengdar hver annarri í sömu röð, en rúmfræði sameindanna tveggja er ólík. Rúmhverfur alkena eru ólíkar hvað varðar stefnu hópanna hvorum megin við tengið.
Kolefnisatóm geta snúist frjálst um eintengi en ekki um tvítengi; tvítengi er stíft. Þetta gerir það að verkum að hægt er að hafa tvær hverfur af 2-búteni, aðra með báða metýlhópana sömu megin við tvítengið og hina með metýlhópana hvorum megin við það. Þegar byggingar bútens eru teiknaðar með 120° tengihornum í kringum sp2-blönduðu kolefnisatómin sem taka þátt í tvítenginu verða hverfurnar augljósar. Hverfan af 2-búteni þar sem metýlhóparnir tveir eru sömu megin kallast cis-hverfa; sú þar sem metýlhóparnir tveir eru hvorum megin kallast trans-hverfa (mynd 20.10). Ólík rúmfræði hefur í för með sér ólíka eðliseiginleika, svo sem suðumark, sem getur gert það mögulegt að aðskilja hverfurnar:

Alken eru mun hvarfgjarnari en alkanar vegna þess að -hlutinn er hvarfgjarn virkur hópur. Þar sem π-tengi er veikara tengi rofnar það mun auðveldar en σ-tengi. Því gangast alken undir einkennandi efnahvarf þar sem π-tengið rofnar og tvö σ-tengi koma í þess stað. Þetta efnahvarf kallast samlagningarhvarf. Svigrúmablöndun kolefnisatómanna í tvítengi alkens breytist úr sp2 í sp3 við samlagningarhvarf. Til dæmis leggjast halógenar á tvítengið í alkeni í stað þess að koma í stað vetnis, eins og gerist í alkani:

Dæmi 20.5
Alkýn
Kolvetnissameindir með eitt eða fleiri þrítengi kallast alkýnar; þær mynda annan flokk ómettaðra kolvetna. Tvö kolefnisatóm sem tengjast með þrítengi eru bundin saman með einu σ-tengi og tveimur π-tengjum. Kolefnisatómin með sp-svigrúmablöndun sem mynda þrítengið hafa tengjahornið 180°, sem gefur þessari tegund tengja línulega, stanglaga lögun.
Einfaldasta efnið í flokki alkýna er etýn, C2H2, sem oftast er kallað asetýlen. Lewis-bygging etýns, sem er línuleg sameind, er svohljóðandi:

IUPAC-nafnakerfið fyrir alkýn er svipað og fyrir alken, að því undanskildu að viðskeytið -ýn er notað til að gefa til kynna þrítengi í keðjunni. Til dæmis kallast 1-bútýn.
Dæmi 20.6
Efnafræðilega eru alkýn svipuð alkenum. Þar sem virki hópurinn hefur tvö π-tengi, hvarfast alkýn venjulega enn auðveldar og hvarfast við tvöfalt meira magn hvarfefnis í samlagningarhvörfum. Hvarf asetýlens við bróm er dæmigert:

Asetýlen og önnur alkýn brenna einnig auðveldlega. Asetýlenbrennari nýtir sér hinn háa brunahita asetýlens.
Arómatísk kolvetni
Bensen, C6H6, er einfaldasta efnið í stórri fjölskyldu kolvetna sem kallast arómatísk kolvetni. Þessi efnasambönd innihalda hringbyggingar og sýna efnatengi sem lýsa verður með hugtakinu um samhljómunarblending í gildistengjakenningunni eða hugtakinu um afstaðsetningu í sameindasvigrúmakenningunni. (Til að rifja upp þessi hugtök er bent á fyrri kafla um efnatengi). Samhljómunarbyggingar bensens, C6H6, eru:

Gildistengjakenningin lýsir bensensameindinni og öðrum flötum arómatískum kolvetnasameindum sem sexhyrndum hringjum af sp2-blönduðum kolefnisatómum þar sem óblandað p-svigrúm hvers kolefnisatóms er hornrétt á flöt hringsins. Þrjár gildisrafeindir í sp2-blandsvigrúmum hvers kolefnisatóms og gildisrafeind hvers vetnisatóms mynda grind σ-tengja í bensensameindinni. Fjórðu gildisrafeind hvers kolefnisatóms er deilt með aðliggjandi kolefnisatómi í óblönduðum p-svigrúmum þeirra til að mynda π-tengin. Bensen sýnir þó ekki þá eiginleika sem eru dæmigerðir fyrir alkena. Hvert af sex tengjum milli kolefnisatóma þess er jafngilt og sýnir eiginleika sem eru mitt á milli C–C-eintengis og -tvítengis. Til að sýna þessi sérstöku tengi eru byggingarformúlur fyrir bensen og afleiður þess venjulega teiknaðar með eintengjum milli kolefnisatómanna og hring inni í hringnum eins og sýnt er á mynd 20.11.

Til eru margar afleiður bensens. Hægt er að skipta vetnisatómunum út fyrir marga mismunandi tengihópa. Arómatísk efnasambönd ganga frekar í skiptihvörf en samlagningarhvörf; ef einu vetnisatómi er skipt út fyrir annan tengihóp haldast afstaðsettu tvítengin óskert. Eftirfarandi eru dæmigerð dæmi um útskiptar bensenafleiður:

Tólúen og xýlen eru mikilvæg leysiefni og hráefni í efnaiðnaði. Stýren er notað til að framleiða fjölliðuna pólýstýren.
-tvítengi ásamt Cl2. Hvarförin bendir að auðu myndefnasvæði." width="975" height="144">
–CH3 er sýnd. Kolefnisatómin eru tölusett 1 til 4 frá vinstri." width="256" height="59">