Алкани утворюють гомологічний ряд, в якому кожен член відрізняється на постійну структурну одиницю -CH2-, що називається гомологічною різницею. Найпростіший представник - метан CH4.
- Загальна формула алканів: CnH2n+2
Зміст статті:
Ізомерія
Починаючи з бутану C4H10 для алканів характерна структурна ізомерія. Кількість структурних ізомерів зростає зі збільшенням кількості вуглецевих атомів у молекулі алканів. Так, для пентану C5H12 відомо три ізомери, для октану C8H18 - 18, для декану C10H22 - 75.
Для алканів крім структурної існує конформаційна ізомерія і починаючи з гептану - енантіомерія:
Номенклатура IUPAC
У назвах алканів використовують префікси н-, втор-, ізо, трет-, нео:
- н- означає нормальну (нерозгалужену) будову вуглеводневого ланцюга;
- втор- застосовується лише для вторинного бутилу;
- трет- означає алкіл третинної структури;
- ізо розгалуження на кінці ланцюга;
- нео використовується для алкілу з четвертинним атомом вуглецю.
Номенклатура розгалужених алканів побудована заснована на таких основних правилах:
- Для побудови назви вибирають найдовший ланцюг атомів вуглецю й нумерують його арабськими цифрами (локантами), починаючи з кінця, ближче до якого розміщений замісник, наприклад:
- Якщо одна і та сама алкільна група зустрічається більше одного разу, то в назві перед нею ставлять помножуючі префікси ди- (перед голосною ді-), три-, тетра- тощо і позначають цифрою кожний алкіл окремо, наприклад:
Необхідно зауважити, що для складних залишків (груп) застосовуються помножуючі префікси на зразок біс-, трис-, тетракіс- тощо.
- Якщо у бокових відгалуженнях головного ланцюга розміщені різні алкіли-замісники, то їх переразовують за алфавітом (при цьому помножуючі префікси ди-, тетра- тощо, а також префікси н-, втор-, трет- не беруть до уваги), наприклад:
- Якщо можливі два або більше варіантів найдовшого ланцюга, то обирають той, який має максимальну кількість бічних розгалужень.
- Назви складніших алкільних груп будуються за тим же принципам, що і назви алканів, але нумерація ланцюга алкілу завжди автономна і починається з того атому вуглецю, який має вільну валентність, наприклад:
- При використанні в назві такої групи її беруть у дужки і в алфавітному порядку враховується вже перша літера всієї назви:
Промислові методи добування
1. Добування алканів газу. Природний газ складається головним чином з метану та невеликих домішок етану, пропану, бутану. Газ під тиском при знижених при знижених температурах розділяють на відповідні фракції.
2. Добування алканів з нафти. Сиру нафту очищують та піддають переробці (розгонка, фракціювання, крекінг). З продуктів переробки отримують суміші або індивідуальні сполуки.
3. Гідрування вугілля (метод Ф. Бергіуса, 1925 р.). Кам'яне або буре вугілля в автоклавах при 30 МПа у присутності каталізаторів (оксиди та сульфіди Fe, Mo, W, Ni) в середовищі вуглеводнів гідруються і перетворюються в алкани, так зване моторне паливо:
nC + (n+1)H2 = CnH2n+2
4. Оксосинтез алканів (метод Ф. Фішера - Г. Тропша, 1922 р.). За методом Фішера - Тропша алкани одержують з синтез-газу. Синтез газ являє собою суміш CO та H2 з різним співвідношенням. Його отримують з метану однією з реакцій, які відбуваються при 800-900°C в присутності оксиду нікелю NiO, нанесеного на Al2O3:
CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2
CH4 + CO2 ⇄ 2CO + 2H2
2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
Алкани отримують за реакцією (температура близько 300°C, каталізатор Fe-Co):
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O
Утворена суміш вуглеводнів, яка складається в основному з алканів будови (n=12-18), називають "синтином".
5. Суха перегонка. У відносно невеликих кількостях алкани одержують за допомогою сухої перегонки або нагрівання вугілля, сланців, деревини, торфу без доступу повітря. Приблизний склад отриманої суміші при цьому становить 60% водню, 25% метану та 3-5% етилену.
Лабораторні методи добування
1. Одержання з галогеналкілів
1.2 Взаємодія з літійдіалкілкупратами. Метод (інколи називають реакцією Е. Корі - Х. Хауса) полягає у взаємодії реакційноздатних літійдіалкілкупратів R2CuLi з галогеналкілами. Спочатку відбувається взаємодія металічного літію з галогеналканом у середовищі етеру. Далі відповідний алкіллітій реагує з галогенідом міді(I) з утворенням розчинного літійдіалкілкупрату:
1.3 Відновлення галогеналкілів. Відновлювати галогеналкіли можливо каталітично збудженим молекулярним воднем, атомарним воднем, йодоводнем тощо:
5. Суха перегонка. У відносно невеликих кількостях алкани одержують за допомогою сухої перегонки або нагрівання вугілля, сланців, деревини, торфу без доступу повітря. Приблизний склад отриманої суміші при цьому становить 60% водню, 25% метану та 3-5% етилену.
Лабораторні методи добування
1. Одержання з галогеналкілів
1.1. Взаємодія з металічним натрієм (Вюрц, 1855 р.). Реакція полягає у взаємодії лужного металу з галогеналкілом та застосовується для синтезу вищих симетричних алканів:
2CH3-I + 2Na ⇄ CH3-CH3 + 2NaI
У разі участі у реакції двох різних галогеналкілів утворюється суміш алканів:
3CH3-I + 3CH3CH2-I + 6Na → CH3-CH3 + CH3CH2CH3 + CH3CH2CH2CH3 + 6NaI
CH3Cl + 2Li → CH3Li + LiCl
2CH3Li + CuI → (CH3)2CuLi + LiI
При взаємодії такого літійдіалкілкупрату з відповідним галогеналкілом утворюється кінцева сполука:
(CH3)2CuLi + 2CH3(CH2)6CH2-I → 2CH3(CH2)6CH2-CH3 + LiI + CuI
Метод дозволяє досягти виходу алканів майже 100% при застосуванні первинних галогеналкілів. При їх вторинній або третинній будові вихід складає лише 30-55%. Природа алкільної складової в літійдіалкілкупраті мало впливає на вихід алкану.
1.3 Відновлення галогеналкілів. Відновлювати галогеналкіли можливо каталітично збудженим молекулярним воднем, атомарним воднем, йодоводнем тощо:
CH3I + H2 → CH4 + HI (каталізатор Pd)
CH3CH2I + 2H → CH3CH3 + HI
CH3I + HI → CH4 + I2
Метод має препаративне значення, часто використовують сильний відновник - йодоводень.
2. Одержання з солей карбонових кислот.
2.1 Електроліз солей (Кольбе, 1849 р.). Реакція Кольбе полягає в електролізі водних розчинів солей карбонових кислот:
2. Одержання з солей карбонових кислот.
2.1 Електроліз солей (Кольбе, 1849 р.). Реакція Кольбе полягає в електролізі водних розчинів солей карбонових кислот:
R-COONa ⇄ R-COO- + Na+
На аноді аніон карбонової кислоти окиснюється, утворюючи вільний радикал, і легко декарбоксилюється чи відщеплює CO2. Алкільні радикали далі внаслідок рекомбінації перетворюються в алкани:
R-COO- → R-COO• + e-
R-COO• → R• + CO2
R• + R• → R-R
Препаративний метод Кольбе вважається ефективним при наявності відповідних карбонових кислот і неможливості застосувати інші методи синтезу.
2.2 Сплавляння солей карбонових кислот з лугом. Солі лужних металів карбонових кислот при славленні з лугом утворюють алкани:
CH3CH2COONa + NaOH → Na2CO3 + CH3CH3
3. Відновлення кисневмісних сполук (спиртів, кетонів, карбонових кислот). Відновниками виступають вищезгадані сполуки. Найчастіше застосовують йодоводень, який здатен відновлювати навіть кетони:
R-OH + 2HI → R-H + I2 + H2O
CH3-CO-CH3 + 4HI → CH3-CH2-CH2 + 2I2 + H2O
У препаративному плані часто використовують відновлення карбонільних сполук за Е. Клемменсеном та М. Кіжнером.
4. Гідрування ненасичених вуглеводнів. Реакція гідрування ненасичених сполук широко застосовується при переході від одного класу вуглеводнів до іншого:
4. Гідрування ненасичених вуглеводнів. Реакція гідрування ненасичених сполук широко застосовується при переході від одного класу вуглеводнів до іншого:
CH3-CH=CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3 (каталізатор Pt, Ni)
CH≡CH + 2H2 → CH3-CH3 (каталізатор Pt, Ni)
Реакції гідрування показують генетичний зв'язок між насиченими і ненасиченими сполуками та можливість їх взаємного переходу одні в інші.
Фізичні властивості
Перші чотири представники алканів від метану до бутану (C1-C4) - гази, від пентану до пентадекану (C5-C15) - рідини, від гексадекану (C16) - тверді речовини. Збільшення іх молекулярних мас призводить до збільшення температур кипіння і топлення, при чому алкани з розгалуженим ланцюгом киплять при нижчій температурі, ніж алкани нормальної будови. Це пояснюється меншою вандерваальсівською взаємодією між молекулами розгалужених вуглеводнів у рідкому стані. Температура топлення парних гомологів вища порівняно з відповідно температурою для непарних.
Алкани набагато легші за воду, неполярні і важко поляризуються, проте розчиняються в більшості неполярних розчинників, завдяки чому самі можуть бути розчинником для багатьох органічних сполук.
