Charakteristika
– alkany byly dříve nazývány parafíny, protože byly považovány za málo reaktivní
– jedná se o nasycené uhlovodíky
– jejich názvy jsou odvozeny od řeckých nebo latinských číslovek (kromě prvních čtyř, které mají historický původ)
– alkany mají v názvu koncovku –an a homologický vzorec CnH2n+2
– vyskytují se v zemním plynu (plynné alkany), ropě (kapalné a pevné alkany i cykloalkany), přírodním asfaltu (pevné alkany a cykloalkany)
– cykloalkany mají v názvu předponu cyklo-, koncovku –an a homologický vzorec CnH2n
– cykloparafíny, nafteny, izomerní s alkeny
– vzorce často vyjadřujeme pomocí víceúhelníků
Vlastnosti
–
alkany:
● C1 až C4 jsou plyny
● C5 až C15 jsou kapaliny
● C16 a vyšší jsou pevné látky
– nerozpustné ve vodě, bezbarvé, rozpouštějí se v organických rozpouštědlech,samy rozpouštějí některé organické látky (tuky, oleje)
– v homologických řadách s rostoucí relativní molekulovou hmotností sloučenin stoupají i teploty varu
– kolem vazby C – C může dojít
k rotaci, a tím ke vzniku různých konformací (prostorových uspořádání molekul téže sloučeniny):
● u ethanu
rozlišujeme dvě krajní konformace – nezákrytovou (nesouhlasnou a energeticky chudší) a zákrytovou
(souhlasnou). Mezi těmito dvěma základními konformacemi ethanu existuje další množství konformací lišících se o dihedrální
úhel Φ (úhel, který v Newmanově projekci vymezují dvě vazby C – H na sousedních uhlíkových atomech).
nezákrytová
(anti) nesouhlasná zákrytová (syn) souhlasná
● u cyklohexanu rozlišujeme dvě
krajní konformace – židličkovou (energeticky chudší) a vaničkovou. Za normální teploty – 99 %
židličkových konformací.
židličková vaničková
a – vazba axiální, e – vazba ekvatoriální
– krajní konformace jsou dvě extrémní konformace, které se od sebe nejvíce liší. Molekuly s různou konformací se od sebe liší energií, která je dána především vzájemným odpuzováním protilehlých atomů vodíku (čím jsou blíže u sebe, tím se více odpuzují a energie roste). Konformace nezákrytová má proto ze všech konformací ethanu energii nejnižší.
Příprava
– hydrogenací alkenů a dalších nenasycených uhlovodíků:
R – CH ═ CH2 R – CH2 – CH2
– z halogen vodíků:
a) redukcí
zinkem:
b) Wurtzovou syntézou:
2 CH3 – CH2 – Br + 2 Na → CH3 – CH2 – CH2 – CH3 + 2
NaBr
c) přes Grignardovo činidlo:
CH3 – CH2 – X + Mg → CH3 – CH2MgX CH3 – CH3 +
Mg(OH)X
3. z alkoholů:
a) redukcí kyselinou jodovodíkovou
R – CH2 – OH + 2 HI
→ R – CH3 + H2O + I2
b) hydrogenací:
R – CH2 – OH R – CH3
4. z aldehydů a ketonů redukcí pomocí ZnHgx + HCl
5. z karboxylových kyselin a jejich derivátů redukcí (H2, WS2) nebo alkalickým tavením sodných solí karboxylových kyselin s NaOH
Reaktivita
1. substituce
– probíhá radikálovým mechanismem SR
– vazba C – C je nepolární, vazba C – H je nepolární a málo polarizovatelná a dochází k jejich homolytickému (radikálovému) zániku
–
podmínkou zániku vazeb je vyšší teplota, záření, účinek látek snadno se štěpících na radikály (např. látky
peroxidového charakteru)
| | | | | |
– C – H → – C● + ●H – C – C – →
– C● + ●C –
| | | | | |
– průběh SR:
1. iniciace: rozštěpení vazeb a vznik radikálu. Protože energie vazby C – C i C – H je vysoká, účinkem teploty, záření nebo katalyzátoru se nejdříve štěpí vazby činidla.
2. propagace: šíření reakce. Radikál činidla je nestálý, z molekuly alkanu odebere vodík a vznikne organický radikál. Nestálý organický radikál se stabilizuje radikálovým rozštěpením vazby činidla. Reakce má řetězový průběh (až do spotřeby všech radikálů činidla ve směsi).
3. terminace:
ukončení reakce
a) snížením teploty: radikály činidla se spojí
b) přidáním inhibitoru,
který zreaguje s radikály činidla
c) reakcí radikálu s organickým radikálem
d) eliminací atomu vodíku
ze sousedního uhlíku organického radikálu (vznik dvojné vazby mezi uhlíky)
– příklady SR
a)
halogenace – vznik mono-, di-,… polyhalogenuhlovodíků, podmínkou průběhu je zvýšená teplota a UV záření.
Činidlo je halogen. Reaktivita halogenů klesá v pořadí F > Cl > Br > I.
b) sulfochlorace – vodík
se nahrazuje sulfochloridovou skupinou SO2Cl2. Jako činidlo se používá sulfurylchlorid SO2Cl2 nebo směs Cl2 a SO2.
H
H
| |
R – C – H + SO2 + Cl2 R – C – SO2Cl +
HCl
| |
H H alkansulfonylchlorid
c) sulfooxidace – vodík se nahrazuje sulfoskupinou –SO3H. Jako
činidlo se používá směs Cl2 + SO2 + O2.
H H
| |
R – C – H + SO2 + Cl2 + O2 R – C – SO3H
| |
H H alkansulfonová kyselina
d)
nitrace – vodík se nahrazuje nitroskupinou –NO2. Jako činidlo se používají oxidy dusíku nebo zředěná HNO3 (koncentrovaná by
způsobila oxidaci).
H H
| |
R – C – H + HNO3 R
– C – NO2 + H2O
| |
H H nitroalkan
e) úplná oxidace (spalování) – prudká reakce s
kyslíkem (iniciace zapálením), tedy hoření, vzniká oxid uhličitý a voda (nedokonalé spálení vznik oxidu uhelnatého nebo uhlíku)
C7H16
+ 11 O2 → 7 CO2 + 8 H2O
f) autooxidace (regulovaná oxidace) – je možno připravit alkoholy, aldehydy (ketony),
kyseliny
2. eliminace
– radikál s elektronovým septetem se stabilizuje odštěpením vodíku ze
sousedního uhlíku za vzniku dvojné vazby
R – CH – CH2 R – CH ═ CH2
┼ ●
H
a)
dehydrogenace
– podmínkou je přítomnost dehydrogenačních katalyzátorů (Ni, Pt, Pd, Fe, Se,…), teplota 200
– 400 0C
CH3 – CH3 CH2 ═ CH2
ethan ethen
b) pyrolýza alkanů – vznikne směs alkanů a
alkenů. Podmínkou je vysoká teplota.
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH2● + CH3 – CH2 – CH2● CH3 – CH3 + CH2 ═ CH –
CH3
methan propen
– reakce cykloalkanů
– cyklopropan a cyklobutan: velmi reaktivní
(cyklopropan reaktivnější než cyklobutan). Při některých reakcích se chovají jako nenasycené uhlovodíky (dávají adiční reakce, i když
nemají násobné vazby).
a) reakce s vodíkem:
CH2
/
CH2 – CH2 + H2 CH3 – CH2 –
CH3
b) reakce s bromem:
cyklopropan – projevuje nenasycené vlastnosti – vznik
1,3-dibrompropanu:
CH2
/
CH2 – CH2 + Br2 CH2 – CH2 – CH2
| |
Br Br
cyklobutan –
kruh se účinkem Br2 neotevře, uskuteční se SR:
CH2 – CH2 CH2 – CH – Br
| | + Br2 | | + HBr
CH2 – CH2 CH2 – CH2
bromcyklobutan
– cyklopentan: velmi stálý
– cyklohexan: patří mezi nejstálejší cykloalkany, molekula není rovinná
Zástupci
– Methan CH4: bezbarvý plyn, podstata zemního plynu, bioplynu, bahenního (rozklad celulosy v přírodě) a důlního plynu. Ve směsi se vzduchem exploduje (již od šesti objemových procent) – třaskavé povětří. Používá se jako topivo, v chemickém průmyslu k výrobě vodíku, syntézního plynu (směs CO + H2), acetylenu, kyanovodíku, sazí a chlorovaných derivátů methanu.
– Ethan C2H6: slouží jako plynné palivo, vzniká katalytickou hydrogenací ethenu
– Propan C3H8, butan C4H10: provází methan v zemním plynu. Používají se např. jako směs do vařičů. Jejich pyrolýzou se získávají alkeny.
– Směs pentanů a hexanů – petrolether: důležité rozpouštědlo
– Cyklopropan: bezbarvý plyn rozpustný ve vodě. Používá se k narkózám.
– Cyklopentan: součást některých rop
– Cyklohexan: součást některých rop, důležité rozpouštědlo,
surovina pro přípravu kyseliny adipové a cyklohexanonu (výroba syntetických vláken). Jeho dehydrogenací vzniká benzen.