Alkany a cykloalkany

1. Charakteristika alkanů a cykloalkanů

Alkany (resp. cykloalkany) jsou nejzákladnější organické sloučeniny složené pouze z atomů uhlíku a vodíku. Všechny vazby uhlík-uhlík jsou jednoduché (C-C). Vazba mezi atomy uhlíku a vodíku je jednoduchá vždy (C – H). Alkany mají všechny řetězce acyklické, zatímco u cykloalkanů se vyskytuje určitý uzavřený řetězec.  

ALKANY  CYKLOALKANY 
Otevřený (acyklický) řetězec, nerozvětvený Uzavřený (cyklický) řetězec, nerozvětvený
 Otevřený (acyklický) řetězec, rozvětvený Uzavřený (cyklický) řetězec, rozvětvený

Pro alkany se dříve používalo označení parafiny, což pochází ze spojení latinských slov parum  (= málo) a affinis (= slučivý) , které vystihují vlastnosti těchto sloučenin. Cykloalkany byly označovány jako nafteny, neboť se vyskytují v naftě. 

(nahoru)

2. Homologická řada

Obecný vzorec alkanů je CnH2n+2 (cykloalkanů CnH2n). Jelikož je atom uhlíku čtyřvazný, je vzorec methanu CH4 a ethanu C2H6. U dalších alkanů se přidává mezi krajní atomy uhlíku tzv. homologický (konstantní) přírůstek -CH2-, čímž vzniká tzv. homologická řada:

Název alkanu Sumární vzorec alkanu Strukturní vzorec alkanu
 Methan  CH4 CH4
 Ethan  C2H6  CH3-CH3
 Propan C3H8  CH3-CH2-CH3
 Butan C4H10  CH3-(CH2)2-CH3
 Pentan  C5H12 CH3-(CH2)3-CH3
 Hexan  C6H14  CH3-(CH2)4-CH3
 Heptan  C7H16  CH3-(CH2)5-CH3
 Oktan  C8H18  CH3-(CH2)6-CH3
 Nonan  C9H20  CH3-(CH2)7-CH3
 Dekan  C10H22  CH3-(CH2)8-CH3
 Undekan  C11H24  CH3-(CH2)9-CH3
 Dodekan  C12H26  CH3-(CH2)10-CH3
 Tridekan  C13H28  CH3-(CH2)11-CH3
 Tetradekan  C14H30  CH3-(CH2)12-CH3
 Pentadekan  C15H32  CH3-(CH2)13-CH3
 Hexadekan  C16H34  CH3-(CH2)14-CH3
 Heptadekan  C17H36  CH3-(CH2)15-CH3
 Oktadekan  C18H38  CH3-(CH2)16-CH3
 Nonadekan  C19H40  CH3-(CH2)17-CH3
 Ikosan  C20H42  CH3-(CH2)18-CH3

(nahoru)

3. Názvosloví alkanů a cykloalkanů

Pro alkany a cykloalkany je charakteristická koncovka -an v jejich názvu. Pro cykloalkany se využívá předpona cyklo-. Je-li řetězec rozvětvený, musíme očíslovat hlavní (nejdelší) řetězec tak, aby na něj navázané části měly co nejnižší hodnotu koeficientu v řetězci. Pokud je na hlavní řetězec navázáno více substituentů, číslujeme je tak, aby měl nižší pořadové číslo substituent, který je dříve v abecedě, případně aby číselný součet všech čísel byl co nejnižší. Pro uhlovodíkové zbytky (alkyly) se využívá koncovka -yl (koncovka "-an" v názvu alkanu je nahrazena právě koncovkou "-yl)". Pokud je v řetězci navázáno více stejných alkylů, využívá se pro jejich zápis číselné označení (di-, tri-, tetra-...).

     
 butan 2-methylbutan 4-ethyl-2,3-dimethylhexan

   

cyklopropan
1-propylcyklohexan

Pro zápis vzorců alkanů a cykloalkanů s delším řetězcem se obvykle využívají zjednodušené (triviální) vzorce.

hexan  2,5-dimethyloktan  cyklobutan

Pro některé alkany se používají semitriviální názvy:

 

 2,2-dimethylpropan
 n-pentan

2-methylbutan

isopentan

2,2-dimethylpropan

neopentan

 

(nahoru)

4. Fyzikální a chemické vlastnosti alkanů

Alkany se za běžných podmínek vyskytují jak ve skupenství plynném (C1-C4), tak i kapalném (C5-C16) a pevném (C17 a více). S ohledem na kovalentní charakter vazeb C-C a C-H patří mezi nepolární sloučeniny (jsou nerozpustné ve vodě, dobře rozpustné v organických rozpouštědlech, nevedou elektrický proud). Alkany mají nízké body tání a varu, neboť mezi nimi nepůsobí žádné vodíkové můstky, pouze slabé Van der Waalsovy síly. Tyto hodnoty se však zvyšují společně s rostoucím počtem atomů uhlíku v uhlovodíku (s výjimkou odchylky u teplot tání prvních tří členů alkanů).

Tab.: Body tání a varu alkanů C1-C10

 Název a vzorec alkanu Bod tání [°C]  Bod varu [°C]
 Methan CH4  -184 -161
 Ethan C2H6  -172 -88
 Propan C3H8  -188 -42
 Butan C4H10  -135 0
 Pentan C5H12  -130 36
 Hexan C6H14  -95 69
 Heptan C7H16  -91 98
 Oktan C8H18  -57 125
 Nonan C9H20  -54 151
 Dekan C10H22  -30 174

U alkanů s počtem atomů uhlíku vyšším jak 3 se můžeme setkat s izomerií - počty izomerů vybraných alkanů jsou následující: C4 (2), C5 (3), C10 (75) a C20 (366 319). Alkany a cykloalkany jsou hořlavé látky, jejich dokonalým spalováním vzniká voda (ve formě páry) a oxid uhličitý. Při nedokonalém spalování vzniká namísto oxidu uhličitého oxid uhelnatý. V případě nedostatku kyslíku mohou vznikat i saze (uhlík). Stabilita cykloalkanů je tím vyšší, čím blíže jsou vazebné úhly podobné úhlům v molekule methanu (109°28') - nejblíže k tomuto úhlu má cyklopentan a cyklohexan. Ostatní cykloalkany tak snadněji (díky vysokému pnutí v molekule) postupují například izomerační reakce.

Dokonalé spalování methanu: CH4 + 2 O2CO2 + 2 H2O

Nedokonalé spalování methanu: 2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O

Nedostatek kyslíku při spalování methanu: CH4 + O2C + 2 H2O

Alkany i cykloalkany zpravidla odolávají působení oxidačních činidel (KMnO4, K2Cr2O7 aj.).

(nahoru)

4.1. Radikálová substituce alkanů

Typickými reakcemi alkanů a cykloalkanů je radikálová substituce SR. Reakci lze zapsat pomocí reakčního mechanismu například chlorace methanu:

Iniciace

(např. účinkem UV záření)

Cl-ClCl∙ + ∙Cl

Propagace

CH4 + ∙ClCH3 + HCl

CH3 + Cl-ClCH3Cl + ∙Cl

Terminace

CH3 + Cl∙CH3Cl

Cl∙ + Cl∙Cl-Cl

CH3 + CH3CH3-CH3

Radikálovou substituci lze provádět až do nahrazení všech atomů vodíků ve struktuře alkanu, případně cykloalkanu. V závislosti na množství činidla tak mohou vznikat různé produkty, pro chloraci methanu to je:

CH4 + Cl2 → HCl + CH3Cl (chlormethan)

CH4 + 2 Cl2 → 2 HCl + CH2Cl2 (dichlormethan)

CH4 + 3 Cl2 → 3 HCl + CHCl3 (trichlormethan)

CH4 + 4 Cl2 → 4 HCl + CCl4 (tetrachlormethan)

Radikálová substituce může probíhat jako halogenace (reakce s halogenem X2, iniciována UV zářením, za vzniku halogenderivátu R-X), nitrace (reakce se zředěnou kyselinou dusičnou HNO3 při teplotě 400 °C za vzniku nitrosloučeniny R-NO2), sulfochlorace (reakce s chlorem Cl2 a oxidem siřičitým SO2, iniciována UV zářením za vzniku alkansulfonylchloridu R-SO2Cl).

Mechanismem radikálové substituce probíhá i hoření alkanů a cykloalkanů (viz výše).

(nahoru)

4.2. Krakování

Mnohé alkany mají příliš dlouhé řetězce, a tak se zpracovávají tzv. krakováním za vzniku dvou menších řetězců, přičemž jeden obsahuje násobnou vazbu. Tento děj se provádí při zvýšené teplotě (termolýze).

Příkladem může být krakování hexadekanu:

CH3-(CH2)14-CH3CH3-(CH2)5-CH=CH2 + CH3-(CH2)6-CH3

(nahoru)

4.3 Dehydrogenace

Alkany, resp. cykloalkany, je možné za zvýšené teploty, sníženého tlaku a v přítomnosti katalyzátoru (Pt, Pd) dehydrogenovat, čímž vznikají nenasycené uhlovodíky. Tato reakce je eliminační.

Ukázkovou reakcí je dehydrogenace ethanu:

CH3-CH3CH2=CH2 + H2

(nahoru)

4.4 Přesmyk

Dalším typem reakce je přesmyk, ke kterému dochází buď působením vnitřních interakcí, či účinkem vnějších vlivů (zvýšená teplota, působení katalyzátoru).

Třeba přesmykem oktanu může vzniknout 2,2,4-trimethylpentan:

(nahoru)

5. Příprava alkanů a cykloalkanů

Alkany a cykloalkany je možné připravit několika způsoby, jako třeba:

a) Dekarboxylací solí organických kyselin:

R-COONa + NaOHR-H + Na2CO3

b) Eliminací halogenderivátů, působením zinku v kyselém prostředí:

2 R-X + Zn + 2 H+ → 2 R-H + ZnX2

c) Eliminací halogenderivátů, působením sodíku v přítomnosti etheru:

2 R-X + 2 NaR-R + 2 NaX

Br-(CH2)3-Br + 2 Na → C3H6 + 2 NaBr (Wurtzova syntéza)

d) Katalytickou hydrogenací nenasycených uhlovodíků (resp. aromátů):

R-CH=CH2 + H2R-CH2-CH3

C10H8 + 6 H2 → C10H20

(nahoru)

6. Zástupci alkanů, cykloalkanů a jejich využití

Methan CH4 (bahenní plyn) je hlavní složkou zemního plynu, v němž je doprovázen také  stopovým množstvím propanu či butanu. Jedná se o hořlavý plyn (se vzduchem vytváří výbušnou směs) bez barvy, který je lehčí než vzduch. Vyvíjí se z odumřelých zbytků organismů, uniká v uhelných dolech, při erupcích sopek, tvoří atmosféru některých vesmírných těles či je složkou bioplynu. Methan je možné připravit reakcí karbidu hliníku s vodou:

Al4C3 + 12 H2O → 3 CH4 + 4 Al(OH)3

Částečnou oxidací methanu vzniká acetylen. Methan se dále využívá pro výrobu mnoha důležitých sloučenin (např. halogenderivátů methanu), sazí,  vodíku  či jako výhřevné palivo.

Ethan C2H6 má podobné vlastnosti (bezbarvost, hořlavost) a využití jako methan. Tento plyn se rovněž vyskytuje v zemním plynu.

Propan C3H8 a butan C4H10 se využívají jako náplň přenosných hořáků či zapalovačů. Oba plyny jsou v malém množství obsaženy v zemním plynu i ropě.

Směs izomerů pentanu C5H12 a hexanu C6H14 jsou součástí petroletheru - významného chemického rozpouštědla.

Cyklohexan C6H12 je dobrým rozpouštědlem, využívá se při výrobě syntetických vláken. Kapalné alkany jsou součástí paliv (benzíny, petrolej), pevné jsou obsaženy v parafinu a mazacích olejích.

(nahoru)