alkan - Alkane


z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Chemická struktura methanu , nejjednodušší alkan

V organické chemii , jako alkanu nebo parafin (historický název, který má i jiné významy ), je acyklický nasycený uhlovodík . Jinými slovy, alkan, se skládá z vodíku a uhlíku atomů uspořádaných ve stromové struktuře, ve které jsou všechny vazby uhlík-uhlík jsou jedno . Alkany mají obecný chemický vzorec C n H 2 n +2 . Tyto alkany se pohybují ve složitosti z nejjednodušším případě methanu (CH 4 ), kde n = 1 (někdy se nazývá původní molekula), na libovolně velké a komplexní molekuly, jako pentacontane (C 50 H 102 ) nebo 6-ethyl-2-methyl-5- (1-methylethyl) oktan, An izomer z tetradekanu (C 14 H 30 )

IUPAC definuje alkanů jako „acyklické uhlovodíky, rozvětvené nebo nerozvětvené, který má obecný vzorec C n H 2 n + 2 , a proto se skládá pouze z atomů vodíku a nasycené atomy uhlíku.“ Nicméně, některé zdroje používat termín pro označení jakékoliv nasycený uhlovodík, včetně těch, které jsou buď monocyklické (tj cykloalkany ) nebo polycyklický, přestože jejich mají jiný obecný vzorec (tj cykloalkany jsou C n H 2 N ).

V alkanu, každý atom uhlíku je sp 3 hybridizovaný se 4 sigma vazby (buď C-C nebo C-H ), a každý atom vodíku je spojen s jedním z atomů uhlíku (ve Ci-H vazby). Nejdelší série spojených atomů uhlíku v molekule je známý jako jeho uhlíkové kostře nebo oxid páteře. Počet atomů uhlíku může být myšlenka jako velikost alkanu.

Jedna skupina z vyšších alkanů jsou vosky , pevné látky při standardní teplotě a tlaku (SATP), pro které je počet atomů uhlíku v hlavním řetězci uhlíku je větší než asi 17. S jejich opakované -CH 2 jednotek, alkany tvoří homologické řady organických sloučenin, ve kterých členové se liší v molekulové hmotnosti násobky 14,03  u (celková hmotnost každé takové methylen-můstku jednotka, která obsahuje jeden atom uhlíku masové 12,01 U a dvou atomů vodíku z hmotnosti ~ 1,01 u každého).

Alkany jsou málo reaktivní a mají malou biologickou aktivitu . Mohou být viděn jako molekulární stromů, na kterých může být zavěšen na aktivnější / reaktivní funkční skupiny biologických molekul.

Tyto alkany mají dvě hlavní komerční zdroje: ropa (surová ropa) a zemní plyn .

Alkylová skupina , obvykle zkráceno s symbolu R, je funkční skupina, která, stejně jako alkanu, sestává pouze jednoduchou vazbou uhlíku a atomů vodíku připojených acyklicky-například methylová nebo ethylová skupina .

klasifikace struktura

Nasycené uhlovodíky jsou uhlovodíky , které mají pouze jednoduché kovalentní vazby mezi svými atomy uhlíku. Oni mohou být:

  • lineární (obecného vzorce C
    n
    H
    2 n + 2
    ), přičemž atomy uhlíku jsou spojeny v hadím struktury podobné
  • rozvětvenou (obecného vzorce C
    n
    H
    2 n + 2
    ,n > 2), kde atom uhlíku páteř odštěpuje v jednom nebo více směrech
  • cyklický (obecného vzorce C
    n
    H
    2 n
    ,n > 3), vyznačující se tím, páteř uhlíku spojeny tak, že tvoří smyčku.

V souladu s definicí podle IUPAC , bývalý dva jsou alkany, zatímco třetí skupina se nazývá cykloalkany . Nasycené uhlovodíky mohou také kombinovat jakoukoliv lineární, cyklické (např, polycyklický) a rozvětvené struktury; obecný vzorec je C
n
H
2 n -2 K 2
, kdekje počet nezávislých smyček. Alkany jsouacyklické(loopless) ty, které odpovídajík = 0.

izomerie

Různé C 4 alkany a cykloalkany (zleva doprava): n butan a isobutan jsou obě C 4 H 10 izomery; cyklobutan a methylcyklopropan , jsou obě C 4 H 8 alkanů izomery.
Bicyklo [1.1.0] butan je jediný C 4 H 6 alkan a nemá alkan izomer; tetrahedrane (viz níže), je jediný C 4 H 4 alkan a tak má žádný alkan isomer.

Alkany s více než třemi atomy atomy mohou být uspořádány různými způsoby, které tvoří strukturní izomery . Nejjednodušší izomer alkanu je ten, ve kterém jsou atomy uhlíku uspořádány v jediném řetězci bez větví. Tento izomer se někdy nazývá n -izomeru ( n pro „normální“, i když to není nezbytně nejčastější). Nicméně řetězec uhlíkových atomů může být také rozvětvená na jednom nebo více místech. Počet možných izomerů se rychle zvyšuje s počtem atomů uhlíku. Například u acyklických alkanů:

Rozvětvené alkany mohou být chirální . Například, 3-methylhexan a jeho vyšší homology jsou chirální v důsledku své stereogenní centrum na počtu atomů uhlíku, 3. Kromě alkanu izomerů, řetězec atomů uhlíku může tvořit jednu nebo více smyček. Tyto sloučeniny jsou nazývány cykloalkany . Stereoisomery a cyklické sloučeniny jsou vyloučeny při výpočtu počtu isomerů výše.

Nomenklatura

Podle názvosloví IUPAC (systematický způsob pojmenovávání sloučenin) pro alkany je založen na identifikaci uhlovodíkové řetězce. Nevětvené nasycené uhlovodíkové řetězce jsou systematicky pojmenovány s řeckým numerické předpony označující počet uhlíků a příponu „-ane“.

V roce 1866, August Wilhelm von Hofmann navrhl systematizací nomenklaturu pomocí celou posloupnost samohlásek a, e, i, o a u vytvořit přípony -ane, enu, -ine (nebo -yne) -on, -une, pro uhlovodíky C n H 2 n + 2 , C n H 2 n C n H 2 N -2 , C n H 2 n -4 , C n H 2 n -6 . Nyní, první tři název uhlovodíky s jedno-, dvou- a trojné vazby; „on“ představuje keton ; „ol“ znamená alkohol nebo skupinu OH; „-oxy-“ znamená ether a vztahuje se ke kyslíku mezi dvěma atomy uhlíku, takže methoxymethane je Název IUPAC pro dimethylether .

Je obtížné nebo nemožné nalézt sloučeniny s více než jednou IUPAC jménu. To je proto, že kratší řetězce spojené s delšími řetězci, jsou předpony a konvence zahrnuje držáky. Hodnoty uvedené v názvu, s odkazem na které uhlík skupina je připojena k, by měla být tak nízká, jak je to možné, aby 1 je naznačena a obvykle vynechán z názvů organických sloučenin s pouze jednou postranní skupiny. Symetrické sloučeniny budou mít dva způsoby, jak dosáhnout téhož jména.

Lineární alkany

S přímým řetězcem alkany jsou někdy označeny předponou „ n -“ (pro normální ), kde nelineární izomer existuje. I když to není nezbytně nutné, je využití je stále běžné v případech, kde je důležitý rozdíl ve vlastnostech mezi přímým řetězcem a isomery s rozvětveným řetězcem, například n -hexan nebo 2- nebo 3-methylpentan. Alternativní jména pro tuto skupinu jsou: lineární alkany nebo n -paraffins .

Členové série (pokud jde o počet atomů uhlíku), jsou pojmenovány takto:

metan
CH 4 - jeden atom uhlíku a čtyři vodík
etan 
C 2 H 6 - dva uhlíkové a šest vodík
propan
C 3 'H 8 - tři uhlík a vodík 8
butan 
C 4 H 10 - čtyřech atomech uhlíku a 10 vodík
pentan
C 5 H 12 - pět uhlík a vodík 12
hexan 
C 6 H 14 - šest uhlík a vodík 14

První čtyři jména byla odvozena z methanolu , etheru , kyselina propionová a kyselina máselná , v daném pořadí ( hexadekan je také někdy označována jako cetanového čísla). Alkany s pěti nebo více atomů uhlíku jsou pojmenovány přidáním příponu -ane do příslušné číselné multiplikátoru předponou s vynechání jakéhokoliv terminálu samohlásky ( -a nebo -o ) od základního numerického období. Z tohoto důvodu, pentan , C 5 H 12 ; hexan , C 6 H 14 ; heptan , C 7 H 16 ; oktan , C 8 H 18 ; atd. Předpona je obecně řecké, ale alkany s počtem atomu uhlíku, která končí v devět hodin, například nonanu , používat latinské předpony Nebankovní . Pro více kompletní seznam, viďte seznam alkany .

rozvětvené alkany

Míč-a-stick model of isopentanu (běžný název) nebo 2-methylbutan (IUPAC systematický název)

Jednoduché rozvětvené alkany často mají společný název s použitím předpony, aby se odlišily od lineární alkany, jako je například n pentan , isopentan a neopentan .

konvence IUPAC pojmenování může být použit k výrobě systematický název.

Mezi klíčové kroky při pojmenování složitějších rozvětvených alkanů jsou následující:

  • Identifikovat nejdelší souvislý řetězec atomů uhlíku,
  • Pojmenovat tuto nejdelší kořenový řetězec s použitím standardních pravidel pro pojmenování
  • Pojmenovat každý postranní řetězec změnou příponu názvu alkanu z „-ane“ na „yl“
  • Počet nejdelší souvislý řetězec s cílem poskytnout co nejnižší čísla postranních řetězců
  • Číslo a název postranní řetězce před jménem kořenového řetězce
  • Pokud existuje více postranních řetězců stejného typu, pomocí předpony, například „di“ a „tri“ označuje jako takové, a číslo každé z nich.
  • Přidejte jména postranní řetězce v abecedním (bez ohledu na „di-“ atd předpony) pořadí před názvem kořenu řetězce
Srovnání nomenklatur pro tři izomery C 5 H 12
Běžné jméno n pentan isopentan neopentan
název IUPAC pentan 2 methylbutan 2,2-dimethylpropan
Struktura Pentan-2D-Skeletal.svg Iso-2D-skeletal.png Neopentan-2D-skeletal.png

Nasycené cyklické uhlovodíky

I když technicky odlišný od alkanů této třídy uhlovodíků se označuje některými jako „cyklické alkany.“ Jak jejich popis předpokládá, že obsahují jeden nebo více kruhů.

Jednoduché cykloalkany mají předponu „cyklo-“, aby se odlišily od alkany. Cykloalkany jsou pojmenovány podle jejich acyklické protějšky vzhledem k počtu atomů uhlíku v jejich páteře, např, cyklopentan (C 5 H 10 ) je cykloalkan atomy 5 atomy uhlíku, stejně jako pentanu (C 5 H 12 ), ale jsou spojeny v pěti-členného kruhu. Podobným způsobem, propan a cyklopropan , butanu a cyklobutan , atd

Substituované cykloalkany jsou pojmenovány podobně jako substituované alkany - za cykloalkan kroužek je uvedeno, a substituenty jsou v závislosti na jejich poloze na kruhu, s číslováním rozhoduje o pravidlech přednosti Cahn-Ingold-Prelog .

Triviální / obecné názvy

Triviální (non- systematické ) označení pro alkany jsou alkany . Spolu, alkany jsou známy jako parafinové řady . Triviální názvy sloučenin jsou obvykle historické artefakty. Byly vytvořen před vývojem systematických jmen a byly zachovány díky známém využití v průmyslu. Cykloalkany se také nazývají nafteny.

Je téměř jisté, že termín parafín pochází z petrochemického průmyslu . Větvené alkany se nazývají isoparafiny . Použití termínu „parafin“ je obecný termín, a často nerozlišuje mezi čistých sloučenin a směsí izomerů , tj, sloučeniny stejného chemického vzorce , např, pentan a isopentan .

Příklady

Následující názvy jsou uchovávány v systému IUPAC:

Fyzikální vlastnosti

Všechny alkany jsou bezbarvé. Alkanů s nejnižší molekulovou hmotností, jsou plyny, ty střední molekulové hmotnosti jsou kapaliny, a nejtěžší jsou voskové pevné látky.

Tabulka alkany

alkan Vzorec Teplota tání [° C] Teplota tání [° C] Hustota [g / cm 3 ] (při 20 ° C )
Metan CH 4 -162 -182 0.000656 (plyn)
etan C 2 H 6 -89 -183 0,00126 (plyn)
propan C 3 H 8 -42 -188 0,00201 (plyn)
Butan C 4 H 10 0 -138 0,00248 (plyn)
pentan C 5 H 12 36 -130 0,626 (kapalina)
hexan C 6 H 14 69 -95 0,659 (kapalina)
Heptan C 7 H 16 98 -91 0,684 (kapalina)
Oktan C 8 H 18 126 -57 0,703 (kapalina)
nonan C 9 H 20 151 -54 0,718 (kapalina)
dekan C 10 H 22 174 -30 0,730 (kapalina)
undekan C 11 H 24 196 -26 0,740 (kapalina)
dodekan C 12 H 26 216 -10 0,749 (kapalina)
pentadekanu C 15 H 32 270 9.95 0,769 (kapalina)
hexadekan C 16 H 34 287 18 0,773 (kapalina)
heptadekan C 17 H 36 303 21.97 0,777 (kapalina)
n-ikosan C 20 H 42 343 37 pevný
Triacontane C 30 H 62 450 66 pevný
Tetracontane C 40 H 82 525 82 pevný
Pentacontane C 50 H 102 575 91 pevný
Hexacontane C 60 H 122 625 100 pevný

Bod varu

Tání (modré) a má teplotu varu (oranžová) body prvních 16 n -alkanů ve ° C.

Alkany zkušenosti intermolecular van der Waalsovy síly . Silnější intermolecular van der Waalsovy síly vést k větším body varu alkany.

Existují dva faktory pro síle van der Waalsovy síly:

  • množství elektronů obklopujících molekuly , která se zvyšuje s molekulovou hmotností v alkanové
  • plocha povrchu molekuly

Podle standardních podmínek , z CH 4 až C 4 H 10 alkany jsou plynné; z C 5 H 12 až C 17 H 36 jsou kapaliny; a poté, co C 18 H 38 jsou pevné látky. Vzhledem k tomu, bod varu alkanů je především určována podle hmotnosti, by nemělo být překvapením, že teplota varu má téměř lineární vztah k velikosti ( molekulové hmotnosti ) molekuly. Jako obecné pravidlo platí, bod varu 20-30 ° C stoupá pro každé přidané k řetězci uhlík; Toto pravidlo platí pro druhou homologní série.

S přímým řetězcem alkan bude mít bod varu vyšší, než je alkan s rozvětveným řetězcem v důsledku větší povrchové plochy v kontaktu, tím i větší van der Waalsovy síly, mezi sousedícími molekulami. Například porovnání isobutan (2-methylpropan) a n-butan (butan), která vře při teplotě -12 až 0 ° C, a 2,2-dimethylbutan a 2,3-dimethylbutan, která vře při teplotě 50 ° C a 58 ° C, v uvedeném pořadí , V druhém případě, dvě molekuly 2,3-dimethylbutan může „uzamknout“ do sebe lépe, než je ve tvaru kříže 2,2-dimethylbutan, tedy tím větší jsou van der Waalsovy síly.

Na druhé straně, cykloalkany, mají obvykle vyšší body varu než jejich lineární protějšky v důsledku zamčených konformace molekul, které dávají rovinu intermolekulárních kontaktu.

Teploty tání

K Teploty tání těchto alkanů sledovat podobný trend teploty varu ze stejného důvodu, jak je uvedeno výše. To znamená, že (všechny ostatní věci jsou stejné), tím větší je molekula, tím vyšší je teplota tání. Je zde jeden podstatný rozdíl mezi bodem varu a body tání. Tělesa mají více tuhou a pevnou strukturu než kapaliny. Tato tuhá konstrukce vyžaduje energii rozebrat. Tak lépe dohromady pevné struktury bude vyžadovat více energie, aby rozpadat. Pro alkanů, to může být patrné z výše uvedeného grafu (tj modrá čára). Lichých alkany mají nižší tendenci body tání než sudých alkany. Důvodem je, že sudé alkany balit i v pevné fázi, formující dobře organizovanou strukturu, která vyžaduje více energie, aby rozpadat. Lichých alkany balit méně dobře a tak „volnější“ organizovaná pevný obal konstrukce vyžaduje méně energie rozpadat.

Body tání alkanů s rozvětveným řetězcem, mohou být vyšší nebo nižší, než u odpovídajících alkanů s přímým řetězcem, opět v závislosti na schopnosti alkanu v pochybnost dobře balit v pevné fázi: To platí zejména pro isoalkanů (2 -methylová izomery), které často mají teploty tání vyšší než u lineárních analogů.

Vodivosti a rozpustnost

Alkany nevedou elektřinu v žádném případě, ani nejsou výrazně polarizována pomocí elektrického pole . Z tohoto důvodu, netvoří vodíkové vazby a jsou nerozpustné v polárních rozpouštědlech, jako je voda. Vzhledem k tomu, že vodíkové vazby mezi jednotlivé molekuly vody jsou zarovnány od alkanu molekuly, soužití alkanu a vody vede ke zvýšení molekulové pořadí (snížení entropie ). Jelikož neexistuje žádná významná vazba mezi molekulami vody a alkanů molekul je druhý termodynamický zákon naznačuje, že toto snížení entropie by mělo být minimalizováno tím, že minimalizuje kontakt mezi alkanu a vodu: alkany se říká, že hydrofobní v tom, že odpuzují vodu.

Jejich rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech, je relativně dobrá, vlastnost, která se nazývá lipofilita . Různé alkany jsou například mísitelná ve všech poměrech mezi sebou.

Hustota alkanů obvykle zvyšuje s počtem atomů uhlíku, ale zůstává menší, než je voda. Z tohoto důvodu, alkany tvořit horní vrstvě v alkan-voda.

Molekulární geometrie

sp 3 -hybridization v methanu .

Molekulární struktura z alkanů přímo ovlivňuje jejich fyzikální a chemické vlastnosti. To je odvozeno z elektronové konfigurace z uhlíku , který má čtyři valenční elektrony . Atomy uhlíku v alkany jsou vždy sp 3 hybridizovaný, to znamená, že valenční elektrony se říká, že ve čtyřech rovnocenných orbitals odvozených z kombinace 2s orbitální a tři 2p orbitalů. Tyto orbitaly, které mají stejnou energii, jsou uspořádány v prostoru ve tvaru čtyřstěnu , úhlu cos -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 ° mezi nimi.

délky vazeb a valenční úhly

Alkan molekula má jen C-H a C-C jednoduché vazby. První z nich vyplývají z překrývání s sp 3 orbitální uhlíku s 1s orbitalu vodíku; posledně jmenovaných překrytí dvou sp 3 orbitalů na různých atomech uhlíku. Vazba délky množství 1,09 x 10 -10  m pro C-H vazby a 1,54 x 10 -10  m pro C-C vazbou.

Čtyřboká struktura methanu.

Prostorové uspořádání vazeb je podobný tomu, který ze čtyř sp 3 orbitalů-jsou tetrahedrally uspořádány s úhlem 109.47 ° mezi nimi. Strukturní vzorce, které představují dluhopisy jako u pravých úhlů k jednomu jiný, zatímco oba obyčejný a užitečný, neodpovídají skutečnosti.

přizpůsobení

Strukturní vzorec a valenční úhly nejsou obvykle dostačující k úplnému popisu geometrie molekuly. Existuje ještě další stupeň volnosti pro každý uhlík-uhlík: ZAŘÍZENÍ úhel natočení mezi atomů nebo skupin vázaných k atomům na každém konci vazby. Prostorové uspořádání je popsáno v torzních úhly molekuly je známý jako jeho konformace .

Newman výstupky dvou konformací ethanu: zastínil na levé straně, střídavě na pravé straně.
Míč-a-Stick modely obou rotamerů ethan

Ethane tvoří nejjednodušší případ pro studium konformace alkanů, jak je tam jen jeden vazbu C-C. Podíváme-li se na osu vazby C-C, jeden bude vidět takzvanou Newman projekci . Atomy vodíku na přední i zadní atomy uhlíku mají úhel 120 ° mezi nimi, vyplývající z výstupku základny čtyřstěnu na ploché rovině. Avšak úhel natočení mezi daným atom vodíku připojeného k přednímu uhlíku a daný atom vodíku připojený k zadnímu uhlíku se mohou volně pohybovat v rozmezí od 0 ° a 360 °. To je důsledkem volného otáčení kolem jednoduché vazby uhlík-uhlík. Navzdory této zjevné volnosti pouze dva omezující konformace jsou důležité: zastíněn konformace a stupňovitý konformace .

Obě konformace, známé také jako rotamerů , se liší v energie: střídavé konformace je 12,6 kJ / mol nižší energie (stabilnější) než zatmělého konformace (nejméně stabilní).

Tento rozdíl v energii mezi oběma konformací, známý jako torzní energie , je nízká ve srovnání s tepelnou energii k ethanu molekuly při teplotě okolí. K dispozici je konstantní rotace kolem vazby C-C. Doba potřebná pro ethane molekulu pro přechod z jednoho odstupňované konformaci k příští, ekvivalentní k rotaci jednoho CH 3 skupiny o 120 ° vzhledem ke druhému, je řádově 10 -11  sekund.

Případ vyšších alkanů je mnohem složitější, ale na základě podobných principů, s antiperiplanar konformace vždy být nejprotěžovanější kolem každé vazbou uhlík-uhlík. Z tohoto důvodu alkany jsou obvykle uvedeny v klikatém uspořádání v diagramech nebo v modelech. Skutečná konstrukce bude vždy poněkud lišit od těchto idealizovaných forem, jako rozdíly v energii mezi konformací jsou malé v porovnání s tepelnou energii molekul: alkan molekuly nemají žádnou pevnou konstrukční tvar, bez ohledu na modely mohou navrhnout.

spektroskopické vlastnosti

Prakticky všechny organické sloučeniny obsahují uhlík-uhlík a uhlík-vodíkové vazby, a proto ukazují některé z funkcí alkanů v jejich spektra. Alkany jsou pozoruhodné pro mít žádné jiné skupiny, a proto k absenci jiných charakteristické spektroskopických vlastností jiné funkční skupiny jako -OH , -CHO , -COOH atd.

infračervené spektroskopie

Uhlík-vodík režimu natahování poskytuje silnou absorpci mezi 2850 a 2960  cm -1 , zatímco uhlík-uhlík režimu natahování absorbuje mezi 800 a 1300 cm -1 . Uhlík-vodík ohybu režimy závisí na povaze skupiny: methylové skupiny, ukazují pásy při 1450 cm -1 a 1375 cm -1 , zatímco methylenové skupiny ukazují pásy při 1465 cm -1 a 1450 cm -1 . Uhlíkové řetězce s více než čtyři atomy uhlíku, vykazují slabou absorpci na přibližně 725 cm -1 .

NMR spektroskopie

Protonů rezonance alkanů se obvykle nacházejí v delta H = 0,5 až 1,5. Uhlík-13 rezonance závisí na počtu atomů vodíku připojených k uhlíku: delta C = 8-30 (primární, methyl, CH 3 ), 15 až 55 (sekundární, methylenovou skupinu, skupinu -CH 2 -), 20 - 60 (terciární, methyne, C-H) a kvartérní. Uhlík-13 rezonance kvartérních atomů uhlíku je charakteristicky slabý, vzhledem k nedostatku nukleární Overhauser účinku a dlouhou dobu relaxace a může chybět ve slabých vzorků nebo vzorků, které nebyly v provozu po dostatečně dlouhou dobu.

Hmotnostní spektrometrie

Alkany mají vysokou ionizační energii , a molekulární iont je obvykle slabý. Fragmentace vzor může být obtížné interpretovat, ale v případě, že alkany s rozvětveným řetězcem, uhlíkový řetězec je přednostně štěpen v terciárních nebo kvarterních uhlíků v důsledku relativní stabilitu výsledných volných radikálů . Výsledný fragment ze ztráty jedné methyl skupiny ( M  - 15), je často přítomen, a jiné fragmenty jsou často umístěny intervaly čtrnácti jednotek hmotnosti, což odpovídá sekvenční ztrátě CH 2 skupin.

chemické vlastnosti

Alkany jsou pouze slabě reaktivní s iontovými a dalších polárních látek. Disociační konstanta kyseliny (pKa ) hodnoty všech alkanů jsou nad 60, a proto, že jsou v podstatě inertní vůči kyselinám a zásadám (viz: uhlíku kyselin ). To inertnost je zdrojem pojmu parafinů (s smyslu zde o „chybí afinitu“). V ropy alkanu molekuly zůstaly chemicky nezměněn po miliony let.

Nicméně redox reakce alkanů, zejména s kyslíkem a halogeny, jsou možné, protože atomy uhlíku jsou v silně sníženém stavu; v případě metanu, nejnižší možné oxidačním stavu pro uhlík (-4) je dosaženo. Reakce s kyslíkem ( pokud přítomný v dostatečném množství tak, aby splňovaly reakční stechiometrie ) vede ke spalování bez kouře, produkující oxid uhličitý a vodu. Radikálové halogenační reakce se vyskytují halogeny, což vede k produkci halogenalkany . Kromě toho se alkany bylo prokázáno, že interakce s a vázat se na, určitých komplexů přechodných kovů v aktivaci C-H vazby .

Volné radikály , molekuly s nepárové elektrony, hrají velkou roli ve většině reakcí alkany, jako je popraskání a reformace, kde jsou alkany s dlouhým řetězcem převede na alkany s kratším řetězcem a alkany s přímým řetězcem na isomery s rozvětveným řetězcem.

Ve vysoce rozvětvených alkanů, úhel vazbu, se mohou významně lišit od optimální hodnoty (109,5 °), aby se umožnilo různé skupiny dostatečný prostor. To způsobuje napětí v molekule, známý jako sterická zábrana , a může výrazně zvýšit reaktivitu.

Reakce s kyslíkem (spalovací reakce)

Všechny alkany reagují s kyslíkem ve spalovací reakce, i když stále obtížnější zapálit jako rostoucím počtem uhlíkových atomů. Obecná rovnice pro dokonalé spalování je:

C n H 2 n + 2 + ( 3 / 2 n  +  1 / 2 ) O 2 → ( n  + 1), H 2 O + n  CO 2
nebo C n H 2 n + 2 + ( 3 n + 1 / 2 ) O 2 → ( n  + 1), H 2 O + n  CO 2

V nepřítomnosti dostatečného množství kyslíku, oxidu uhelnatého , nebo dokonce saze mohou být vytvořeny, jak je uvedeno níže:

C n H 2 n + 2 + ( n  +  1 / 2O 2 → ( n  + 1), H 2 O + n  CO
C n H 2 n + 2 + ( 1 / 2 n  +  1 / 2O 2 → ( n  + 1), H 2 O + n  C

Například metan :

2 CH 4 + 3 O 2 → 2 CO + 4 H 2 O
CH 4 + 3 / 2  O 2 → CO + 2 H 2 O

Viz alkan teplo stolu formace pro podrobné údaje. Standardní Změna entalpie spalování , Δ c H , pro alkany zvýší asi o 650 kJ / mol na CH 2 skupinu. Rozvětvené alkany mají nižší hodnoty delta c H než přímým řetězcem alkanů se stejným počtem atomů uhlíku, a proto je možné vidět, že je poněkud stabilnější.

Reakce s halogeny

Alkany reagovat s halogeny v tzv volných radikálů halogenační reakce. Atomy vodíku alkanu jsou postupně nahrazeny atomy halogenu. Volné radikály jsou reaktivní druhy, které se účastní reakce, která obvykle vede ke směsi produktů. Reakce je vysoce exotermní , a může vést k explozi.

Tyto reakce jsou důležitou průmyslovou cestou k halogenované uhlovodíky. Existují tři kroky:

  • Zahájení halogen radikály tvořit od homolýza . Obvykle je potřebné energie ve formě tepla nebo světla.
  • Řetězová reakce nebo propagace pak probíhá-the halogenový radikál Abstracts vodík z alkanu, čímž se získá zbytek alkyl. Tento reaguje dál.
  • Pro zakončování řetězce , kde radikály rekombinují.

Experimenty ukázaly, že všechny halogenace produkuje směs všech možných izomerů, což znamená, že všechny atomy vodíku jsou náchylné k reakci. Směs vyrábí, však není statistická směs: Sekundární a terciární atomy vodíku jsou nahrazeny přednostně vzhledem k větší stabilitu sekundárních a terciárních volných radikálů. Jako příklad může být viděn v monobromination propanu:

Monobromination propanu

praskání

Praskání přestávky větší molekuly do menších. To může být provedeno s tepelnou nebo katalytickou metodou. Krakovací Způsob tepelného následuje homolytické mechanismus s tvorbou volných radikálů . Katalytického krakování zahrnuje přítomnost kyselých katalyzátorů (obvykle pevných kyselin, jako je oxid křemičitý-oxid hlinitý a zeolity ), které podporují heterolytic (asymetrické) rozbití vazeb přinášejících páry iontů opačných nábojů, obvykle karbokationtový a velmi nestabilní hydridu aniontu , Carbon-lokalizované volné radikály a kationty jsou oba vysoce nestabilní a procházejí procesy řetězce přesmyk, C-C štěpení v poloze beta (tj praskání) a intra- a intermolekulární přenosu vodíku nebo hydridu převodu. U obou typů procesů, odpovídající reaktivní meziprodukty (radikály, ionty) jsou trvale regeneruje, a tak pokračovat mechanismem samostatně se množící řetězce. Řetěz reakcí je nakonec ukončen radikálovou nebo iontovou rekombinace.

Isomerace a reformace

Dragan a jeho kolega byl první zprávy o izomerizací v alkany. Isomerace a reformace jsou procesy, ve kterých s přímým řetězcem alkany se zahřívá v přítomnosti platinového katalyzátoru. V isomeraci, alkany stávají isomery s rozvětveným řetězcem. Jinými slovy, neztrácí žádné atomy uhlíku nebo atomy vodíku, při zachování stejné molekulové hmotnosti. V reformace, alkany stávají cykloalkany nebo aromatické uhlovodíky , přičemž se uvolňuje vodík jako vedlejší produkt. Oba tyto procesy zvýšit oktanové číslo látky. Butan je nejčastější alkan, který je dán pod procesu izomerizace, jak to dělá mnoho rozvětvených alkanů s počtem vysokým oktanovým.

jiné reakce

Alkany bude reagovat s párou v přítomnosti niklového katalyzátoru za vzniku vodíku . Alkany lze chlorsulfonovaného a nitruje , ačkoli obě reakce vyžadují zvláštní podmínky. Fermentace alkanů na karboxylové kyseliny je nějaké technický význam. V reakci Reed , oxid siřičitý , chlor a lehký konvertovat uhlovodíky na sulfonylchloridy . Nukleofilní Abstrakce mohou být použity k oddělení alkanu z kovu. Alkylové skupiny mohou být převedena z jedné sloučeniny do druhého transmetalová reakcemi.

Výskyt

Výskyt alkany ve vesmíru

Methanu a ethanu tvoří malou část Jupiter ‚s atmosférou
Těžba ropy, který obsahuje mnoho různých uhlovodíky včetně alkanů

Alkany tvoří malou část atmosfér vnějších planet plynu, jako je Jupiter (0,1% metanu, 2  ppm ethan), Saturn (0,2% metanu, 5 ppm ethan), Uran (1,99% methanu, 2,5 ppm ethan) a Neptun ( 1,5% methanu, 1,5 ppm ethan). Titan (1,6% metan), satelitní Saturnu, byla zkoumána na Huygens sondou , který ukázal, že Titan atmosféra opakovaně prší kapalného metanu na povrchu měsíce. Také na Titanu mise Cassini je zobrazen sezónní methan / ethan jezer poblíž polárních oblastech Titanu. Metan a ethan Dále bylo zjištěno, v zadní části komety Hyakutake . Chemická analýza ukázala, že abundance etanu a metanu byly zhruba stejné, který je myšlenka znamenat, že jeho ledy vytvořený ve vesmírném prostoru, pryč od slunce, který by tyto odpaří těkavé molekuly. Alkany byly rovněž zjištěny v meteoritech , jako uhlíkatých chondrites .

Výskyt alkany na Zemi

Stopy metanu (0,0002% nebo 1745 ppb) se vyskytují v zemské atmosféře, produkoval primárně methanogenních mikroorganismům, jako jsou Archaea ve střevech přežvýkavců.

Nejdůležitější komerční zdroje alkany jsou zemní plyn a ropa . Zemní plyn obsahuje především methan a ethan, s některými propanu a butanu : olej je směs kapalných alkanů a dalších uhlovodíků . Tyto uhlovodíky byly tvořeny, když mořských živočichů a rostlin (zooplankton a fytoplankton) zemřelo a potopila na dno dávných moří a byly pokryty usazeninami v anoxického prostředí a převede přes mnoho milionů let při vysokých teplotách a vysokém tlaku na jejich současné podobě. Zemní plyn za následek, čímž například z následující reakce:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Tyto uhlovodíkové vklady, shromážděné v pórovité horniny uvězněných pod nepropustnými cap skály, zahrnují obchodní ropná pole . Mají vytvořeny po miliony let a jednou vyčerpány nelze snadno vyměnit. Vyčerpání těchto zásob uhlovodíků je základem pro to, co je známo jako energetické krize .

Metan je také přítomný v tzv bioplynu , produkované zvířaty a rozkládajících se věci, které je možno obnovitelný zdroj energie .

Alkany mají nízkou rozpustnost ve vodě, takže se obsah v oceánech je zanedbatelný; Nicméně, při vysokých tlacích a nízkých teplotách (například na dně oceánů), methan mohou společně krystalizovat s vodou za vzniku pevného metan hydrát (metan hydrát). I když to nelze komerčně využívány v současné době, je množství hořlavého energie známých metan hydrát polí překročí obsah energie všech plynových a ropných ložisek přírodních dohromady. Metan extrahovaná z metan hydrát je tedy kandidát na budoucí paliva.

biologická výskyt

Acyklické alkany vyskytují v přírodě v různých směrech.

Bakterie a archea
Methanogenních archea ve střevě této krávy jsou odpovědné za některé z metanu v zemské atmosféře.

Určité druhy bakterií může metabolizovat alkanes: oni preferují sudé uhlíkové řetězce, protože jsou snadněji k degradaci než lichých řetězců.

Na druhé straně určité archaea se methanogens , produkují velké množství metanu metabolismem oxidu uhličitého nebo jiných oxidovaných organických sloučenin. Energie se uvolňuje oxidací vodíku :

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Methanogens jsou také výrobci bahenní plyn v mokřadech , a uvolnit asi dvou miliard tun metanu ročně-atmosférického obsahu tohoto plynu se vyrábí téměř výhradně jimi. Výstup metanu z dobytka a dalších býložravců , což může uvolnit 30 až 50 litrů za den, a termitů , je také kvůli methanogens. Oni také produkují toto nejjednodušší ze všech alkany ve střevech člověka. Methanogenních archaea jsou tudíž na konci uhlíkového cyklu , přičemž uhlík se uvolní zpět do atmosféry poté, co byla stanovena fotosyntézy . Je pravděpodobné, že naše současná ložiska zemního plynu byla vytvořena podobným způsobem.

Houby a rostliny

Alkany také hraje roli, je-li menší role, v biologii tří eukaryotic skupin organismů: houby , rostliny a zvířata. Některé specializované kvasinky, například Candida tropické , Pichia sp., Rhodotorula sp., Lze použít alkany jako zdroj uhlíku nebo energie. Houba Amorphotheca resinae preferuje alkany s delším řetězcem v leteckých pohonných hmot , a může způsobit vážné problémy pro letadla v tropických oblastech.

V rostlinách, pevné alkany s dlouhým řetězcem se nacházejí v rostlinné kutikuly a epikutikulárních vosk z mnoha druhů, ale jsou jen zřídka hlavními složkami. Chrání rostlinu před ztrátou vody, brání vyplavování důležitých minerálů deštěm a chrání proti bakteriím, plísním a škodlivým hmyzem. Uhlíkové řetězce v rostlinných alkany jsou obvykle liché, mezi 27 a 33 atomy uhlíku v délce, a jsou vyrobeny z rostlin dekarboxylací v sudých mastných kyselin . Přesné složení vrstvy vosku je jen ne podle jednotlivých druhů, ale změny také na ročním období a takových environmentálních faktorů, jako světelné podmínky, teplota a vlhkost.

Více těkavé alkany s krátkým řetězcem jsou také produkovány a nachází se v rostlinných tkáních. Jeffrey borovice je známý pro výrobu mimořádně vysoké hladiny n - heptanu ve své pryskyřice, a proto se jeho destilát označené jako nulový bod pro jednu oktanovým číslem . Také dlouho známo, květinová vůně, že obsahují těkavé složky alkan, a n - nonanu je významnou složkou vůni některých růží . Emise plynných a těkavých alkany, jako je například ethan , pentan a hexan rostlinami bylo dokumentováno na nízké úrovni, i když nejsou obecně považovány za hlavní složkou znečištění biogenního vzduchu.

Jedlé rostlinné oleje také typicky obsahovat malé podíly biogenních alkany s širokým spektrem s počtem uhlíkových atomů, zejména 8 až 35, obvykle s vrcholem v nízké až horní 20s, s koncentracemi až desítky miligramů na kilogram (dílů na milion hmotnostních dílů) a někdy přes stovku za celkovou alkanu frakce.

zvěř

Alkany se nacházejí v živočišných produktech, i když jsou méně důležité než nenasycených uhlovodíků. Jedním z příkladů je Olej ze žraločích jater, což je přibližně 14% pristan (2,6,10,14-tetramethylpentadecane, C 19 H 40 ). Jsou důležité, protože feromony , chemický posel materiály, na kterých závisí hmyz pro komunikaci. U některých druhů, například nosné brouka Xylotrechus Colonus , pentacosane (C 25 H 52 ), 3-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) a 9-methylpentaicosane (C 26 H 54 ), jsou přenášeny kontaktem těla. S ostatními, jako je mouchy tsetse Glossina morsitans morsitans , feromon obsahuje čtyř alkany 2-methylheptadecane (C 18 H 38 ), 17,21-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ), 15,19-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ), a 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C 40 H 82 ), a působí tak, vůně přes delší vzdálenosti. Kývat-taneční včely produkují a uvolňují dva alkany, tricosane a pentacosane.

ekologické vztahy

Early spider orchidej ( Ophrys sphegodes )

Jeden příklad, ve kterém oba rostlinné a živočišné alkany hrají roli, je ekologický vztah mezi pískem včela ( Andrena nigroaenea ) a brzy pavouka orchidej ( Ophrys sphegodes ); Ta je závislá na opylení na to první. Pískové včely používají feromony, aby zjistila partnera; v případě A. nigroaenea , samice emitují směs tricosane (C 23 H 48 ), pentacosane (C 25 H 52 ) a heptacosane (C 27 H 56 ) v poměru 3: 3: 1, a muži jsou přitahovány specificky tento zápach. Orchideje využívá tohoto spojení uspořádání získat samčí včela shromažďovat a rozšiřovat své pyl; konstrukčních částí jeho květinu nejen podobají vzhled písečných včel, ale také produkují velké množství tří alkanes ve stejném poměru jako ženské pískové včely. Výsledkem je, že mnoho mužů jsou přilákal do květů a pokusit se pářit se svým imaginárním partnerem: ačkoli tato snaha není korunována úspěchem pro včelu, umožňuje orchidej převést svůj pyl, který bude rozptýlený po odchodu z frustrovaný muž různých květů.

Výroba

zpracovávající ropu

Jak bylo uvedeno výše, nejdůležitějším zdrojem alkanů je zemní plyn a ropa . Alkany jsou odděleny v ropné rafinerii od frakční destilací a zpracovány do mnoha různých výrobků.

Fischer-Tropsch

Fischer-Tropschova je metoda pro syntézu kapalných uhlovodíků, včetně alkanů, od oxidu uhelnatého a vodíku. Tato metoda se používá k výrobě náhražky ropných destilátů .

Laboratorní příprava

Tam je obvykle jen málo potřeba alkany, které mají být syntetizován v laboratoři, protože jsou obvykle komerčně dostupné. Také alkany jsou obecně nereaktivní chemicky nebo biologicky, a nejsou podrobeny funkčních skupin čistě. Pokud jsou alkany vyrobeny v laboratoři, je to často vedlejším produktem reakce. Například, použití n -butyllithia jako silná báze se získá konjugovaná kyselina, n butan jako vedlejší produkt:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Nicméně, někdy může být žádoucí, aby se část molekuly do alkan-jako funkce ( alkylové skupiny), za použití výše uvedených a podobných metod. Například ethylová skupina je alkylová skupina; pokud je tento připojen k hydroxylové skupině, dává ethanolu , což není alkan. K tomu, nejznámější metody jsou hydrogenace z alkenů :

RCH = CH 2 + H 2 → RCH 2 CH 3      (R = alkyl )

Alkany nebo alkylové skupiny mohou být také připraveny přímo ze alkylhalogenidy v reakci Corey-House-Posner-Whitesides . Bartoň-McCombie deoxygenací odstraní hydroxylové skupiny z alkoholů, např

Barton-McCombie schéma dezoxygenační

a snížení Clemmensenova odstraní karbonylové skupiny, z aldehydů a ketonů se tvoří alkany nebo alkyl-substituované sloučeniny například:

Clemmensen Reduction

Aplikace

Aplikace alkanů jsou závislé na počtu atomů uhlíku. První čtyři alkanes jsou používány především k vytápění a vaření účely, a v některých zemích pro výrobu elektřiny. Metan a ethan jsou hlavní složky zemního plynu; jsou obvykle uloženy jako plynů pod tlakem. Je však snadnější transport kapalin: To vyžaduje kompresi a chlazení plynu.

Propan a butan jsou plyny za atmosférického tlaku, který může být zkapalněný v poměrně nízkých tlaků a jsou běžně známé jako zkapalněný ropný plyn (LPG). Propan se používá v hořácích propanem a jako palivo pro silniční vozidla, butanu v topidla a jednorázové zapalovače. Oba jsou používány jako hnací látky v aerosolových sprejů .

Z pentanu se oktan alkany jsou vysoce těkavé kapaliny. Používají se jako palivo v motory s vnitřním spalováním , když odpařují snadno na vstupu do spalovací komory, aniž by vytvoření kapiček, které by narušují rovnoměrnost hoření. Větvené alkany jsou výhodné, protože jsou mnohem méně náchylné k předčasnému vznícení, který způsobuje klepání , než jejich přímým řetězcem homologů. Tento sklon k předčasnému vznícení se měří oktanovým číslem paliva, přičemž 2,2,4-trimethylpentan ( isooktan má) libovolnou hodnotu 100, a heptan má hodnotu nula. Na rozdíl od jejich využití jako paliva, prostřední alkany jsou také dobré rozpouštědlo pro nepolárních látek.

Alkany z nonanu se, například, hexadekan (alkan s šestnácti atomy uhlíku) jsou kapaliny s vyšší viskozitou , méně a méně vhodné pro použití v benzínu. Tvoří namísto převážné části nafty a leteckého paliva . Motorové nafty jsou charakteristické svou cetanové číslo , cetanové bytí staré jméno pro hexadekan. Nicméně vyšší body tání těchto alkanes mohou způsobit problémy při nízkých teplotách a v polárních oblastech, kde palivo stane se příliš tlusté správně proudit.

Alkany z hexadekanu směrem nahoru tvoří nejdůležitější složky topného oleje a mazacího oleje . V posledně jmenovaném funkci, pracují ve stejné době jako antikorozních činidel, jak jejich hydrofobní povaha znamená, že voda nemůže dosáhnout povrchu kovu. Mnoho pevných alkany najít uplatnění jako parafín , například při svíčkách . To by nemělo být zmatené ale s pravou voskem , který sestává převážně z esterů .

Alkany s délkou řetězce přibližně 35 nebo více atomů uhlíku jsou uvedeny v bitumenu , který se používá například pro povrchy vozovek. Nicméně vyšší alkanes mají malou hodnotu a jsou obvykle rozděleny do nižší alkany by praskání .

Některé syntetické polymery jako je polyethylen a polypropylen , jsou alkany s řetězce obsahující stovky tisíc atomů uhlíku. Tyto materiály se používají v nesčetných aplikacích a miliardy kilogramů těchto materiálů jsou vyrobeny a používají každý rok.

proměny životního prostředí

Alkany jsou chemicky velmi inertní nepolární molekuly, které jsou příliš reaktivní, jako organické sloučeniny. Tato netečnost přináší závažné ekologické problémy v případě, že jsou uvolňovány do životního prostředí. Vzhledem k jejich nedostatku funkčních skupin a s nízkou rozpustností ve vodě, alkany ukazují špatnou biologickou dostupnost pro mikroorganismy.

Existují však některé mikroorganismy mající metabolickou schopnost využít n-alkany, jako jsou atomy uhlíku a zdrojů energie. Některé druhy bakterií jsou vysoce specializované na ponižující alkany; Tyto jsou označovány jako hydrocarbonoclastic bakteriím.

nebezpečnosti

Metan je hořlavé, výbušné a nebezpečné inhalovat, protože to je bezbarvý, bez zápachu plyn, musí si počínat zvlášť opatrně kolem metanu. Ethan je také extrémně hořlavý, nebezpečný inhalovat a výbušný. Oba tyto může způsobit udušení. Podobně, propan je hořlavé a výbušné. Při vdechování může způsobit ospalost nebo bezvědomí. Butan má stejné nebezpečí, aby zvážila, jako propan-butan.

Alkany také představují hrozbu pro životní prostředí. Rozvětvené alkany mají nižší biologické rozložitelnosti než nerozvětvené alkany. Nicméně, metan je hodnocena jako nejnebezpečnější skleníkového plynu. Ačkoliv množství metanu v atmosféře je nízká, to představuje hrozbu pro životní prostředí.

viz též

Reference

Další čtení