Alifatik ve Aromatik Hidrokarbonlar

Konu Anlatımı

Ne Öğreneceğiz?

Bu konuda hidrokarbonların ne anlama geldiğini açıklayacağız; alifatik hidrokarbonları alkanlar, alkenler ve alkinler olarak inceleyecek ve aromatik hidrokarbonların neden ayrı bir sınıf oluşturduğunu öğreneceğiz. Sınıflandırmanın ayrıntılı kuralları ile adlandırma başka konularda ele alınacaktır; burada temel yapı, hibridizasyon, geometri ve tepkime karakterleri üzerinde durulacaktır.

Hidrokarbon, yalnızca karbon ve hidrojen atomlarından oluşan organik bileşiklerdir. Bu bileşikler apolar oldukları için suda pratikte çözünmez; katı ve sıvı hâlleri su yüzeyinde kalır. Doğal gaz, benzin, kerosene, parafin, asfalt, doğal kauçuk ve bazı lifler bu sınıfın örnekleridir.

Ön Bilgi: Bağ Türleri ve Hibridizasyon

Bir atom iki bağ oluşturuyorsa sp hibridizasyonundadır ve doğrusal geometri verir (180°); üç bağ oluşturuyorsa sp² hibridizasyonundadır ve üçgen düzlemsel geometri verir (120°); dört bağ oluşturuyorsa sp³ hibridizasyonundadır ve tetrahedral geometri verir (109,5°). Karbonun hibridizasyonu yaptığı bağ sayısıyla birebir ilişkilidir; molekülün geometrisi bu nedenle karbonun çevresindeki bağlardan okunur.

İki atom arasındaki bağ iki biçimde kurulur. σ (sigma) bağı, elektron yoğunluğunun eksen doğrultusunda örtüşmesiyle oluşur; π (pi) bağı ise iki p orbitalinin yan yana örtüşmesiyle elektron yoğunluğunu iki atomun üst ve alt bölgelerinde toplar. Tek bağ yalnızca bir σ bağıdır; çift bağ bir σ ve bir π bağı, üçlü bağ ise bir σ ve iki π bağı içerir.

Alkanlar: Tek Bağlı ve Doymuş Alifatik Hidrokarbonlar

Alkanlar, karbon atomları arasında yalnızca tek bağ bulunan doymuş alifatik hidrokarbonlardır. Genel formülleri CₙH₂ₙ₊₂'dir; ilk örnekler metan (CH₄), etan (C₂H₆), propan (C₃H₈) ve bütan (C₄H₁₀)'dır. Karbonlar sp³ hibridize olduğundan molekül tetrahedral geometrilidir ve C–H ile C–C bağ açıları yaklaşık 109,5°'dir. CₙH₂ₙ₊₂ tipi bir molekülde toplam 3n + 1 tane σ bağı bulunur ve hiç π bağı yoktur.

Alkanlar kimyasal olarak oldukça kararlıdır; bu nedenle doğada doğal gaz ve petrol ürünleri olarak bulunurlar. Oda sıcaklığında C₁–C₄ karbon sayılı alkanlar gaz, C₅–C₁₇ arası alkanlar sıvı, C₁₈ ve daha büyükleri katı hâldedir. Aynı sınıfta kaynama noktası artan karbon sayısıyla yükselir; aynı karbon sayısına sahip dallanmış moleküllerin kaynama noktası ise daha düşüktür.

Alkenler: Çift Bağ İçeren Alifatik Hidrokarbonlar

Alkenler, en az bir karbon–karbon çift bağı taşıyan doymamış alifatik hidrokarbonlardır. Tek çift bağlı açık zincirli alkenlerin genel formülü CₙH₂ₙ'dir; en basit hâli etilen (C₂H₄)'tür. Çift bağdaki karbonlar sp² hibridize olduğundan ilgili üç karbon ile bağlı hidrojenler aynı düzlemde, üçgen düzlemsel düzende bulunur ve açılar 120°'dir.

Alkenlere tipik olarak katılma (eski adıyla bileşme) tepkimeleri uygulanır: katalitik hidrojenleme (H₂), bromlama (Br₂, brom suyunun rengini söker), HX katılması ve asit katalizli su katılması. Asimetrik alkenlerde hidrojenin daha çok bağlı olduğu karbona katılması beklenir; bu düzen Markovnikov kuralı olarak adlandırılır. Katılma sonucu doymuş bir bileşik oluşur ve yanma ısısı başlangıç maddesine göre azalır.

Alkinler: Üçlü Bağ İçeren Alifatik Hidrokarbonlar

Alkinler, en az bir karbon–karbon üçlü bağı içeren doymamış alifatik hidrokarbonlardır. Tek üçlü bağlı açık zincirli alklerin genel formülü CₙH₂ₙ₋₂'dir; en basit hâli etilin ya da asetilendir (C₂H₂). Üçlü bağdaki karbonlar sp hibridize olduğundan ilgili dört atom doğrusaldır ve bağ açısı 180°'dir. Üçlü bağ bir σ ve iki π bağı içerdiği için alkenlere göre daha fazla sayıda katılma gerçekleştirebilir.

Alkinler alkenlerle aynı türden katılma tepkimelerini verir; tam hidrojenlenmede iki mol H₂ harcanır. Uç karbonunda hidrojen bulunan terminal alkinler metallerle yükseltgenme basamağı oluşturarak asetilenit tuzları oluşturur; bu tepkime onların zayıf asidik karakterini gösterir. Terminal alkinlere Hg²⁺ katalizörlü su katılmasıyla ise keton elde edilir.

Aromatik Hidrokarbonlar: Benzen Halkası

Aromatik hidrokarbonlar, kapalı bir halka içinde üst üste gelen p orbitelleriyle konjuge olan ve 4n + 2 kuralınca kararlı π elektron sayısına sahip sistemlerdir (Hückel kuralı). En küçük ve en önemli aromatik hidrokarbon benzen (C₆H₆)'dır. Benzen halkası düzlemseldir, karbonlar sp² hibridize olup her karbona bir hidrojen bağlıdır. Kekulé yapısında üç çift bağ gösterilir; gerçek yapı ise rezonans (eski adıyla mesomeri) hibritleriyle ifade edilir ve altı π elektron halka üzerinde eşit olarak dağılmıştır.

Bu eş dağılımın üç sonucu vardır. Birincisi, halkadaki altı C–C bağının uzunluğu birbirine eşittir ve tek bağ ile çift bağ uzunlukları arasında yer alır. İkincisi, altı C–H bağı da eşittir; yani halkadaki tüm hidrojenler kimyasal bakımdan aynıdır. Üçüncüsü, aromatik halka katılma yerine sübstitüsyonu (hidrojenin yerine başka bir grubun geçmesi) tercih eder, çünkü katılma delokalize π elektron sistemini bozar. Benzende sübstitüsyon tepkimeleri katalizörle yürütülür: nitrasyonda konsantre sülfürik asit, halojenasyonda demir(III) klorür, alkilasyonda alüminyum klorür.