• Alkany
  • jsou to nasycené alifatické uhlovodíky
• Cykloalkany
  • jsou to nasycené uhlovodíky s obecným vzorcem $C_nH_{2n}$
  • jsou izomerní s alkeny

Dělení alkanů podle typu řetězce

• nerozvětvené (přímé) alkany
• rozvětvené alkany
  • obsahuje postranní řetězce
• Uhlíkové atomy
  • primární uhlíkový atom
    • jeden atom uhlíku má na sobě tři atomy vodíku a jeden atom uhlíku
    • může být součástí nerozvětvených i rozvětvených alkanů
  • sekundární uhlíkový atom
    • jeden atom uhlíku má na sobě dva atomy vodíku a dva atomy uhlíku
    • může být součástí nerozvětvených i rozvětvených alkanů
  • terciární uhlíkový atom
    • jeden atom uhlíku má na sobě jeden atom vodíku a tři atomy uhlíku
    • je součástí rozvětvených alkanů
  • kvartérní uhlíkový atom
    • jeden atom uhlíku má na sobě čtyři atomy uhlíku
    • je součástí rozvětvených alkanů

Nomenklatura

Nomeklatura alkanů

Alkany s nerozvětveným řetězcem

Alkany s rozvětveným řetězcem

Tvorba názvu

1. určime nejdelší řetězec
   • např.:

     

     • 6 atomů - hexan
2. hlavní řetězec očíslujeme
   • polohy alkylů musí mít co nejmenší lokant
   • např.:

     

     • číslujeme zleva
3. sestavíme název
   • lokant a název substituentu
     • mezi lokanty se píše čárka
     • mezi lokanty a názvy substituentů se píše spojovník
     • substituenty řadíme podle abecedy
     • pro více stejných substituentů používáme násobné předpony
       • nemají vliv na abecední pořadí
     • pokud jsou dva různé substituenty v symetrickém pořadí, ten, který je dřív v abecedě má nižší lokant
   • název hlavního řetězce
   • např.:

     

     • 2,3-dimethylhexan

Tvorba vzorce

1. napíšeme hlavní řetězec a očíslujeme
   • např.: 3-ethyl-2,5-dimethylhexan
     • $^1C^2C^3C^4C^5C^6C$
2. na příslušné uhlíky připojíme substituenty
   • např.: 3-ethyl-2,5-dimethylhexan

     

3. doplníme atomy vodíku tak, aby z každého uhlíku vycházeli čtyři vazby

   

Nomenklatura cykloalkanů

• název se tvoří pomocí prefixu cyklo- k názvu jednoduchého uhlovodíku
  • cyklus se čísluje stejně jako řetězce*
  • cylkus je vždy hlavní řetězec
• vzorce jsou zacyklené
  • např.:

    

  • většinou ce kreslí zjednodučeně
    • např.:

      

Fyzikální vlastnosti alkanů a cykloalkanů

• nižší alkany jsou plyny ($C_1-C_4$)
  • jsou hořlavé
  • se vzduchem tvoří výbušnou směs
• střední alkany jsou kapaliny ($C_5-C_{15}$)
• vyšší alkany jsou pevné látky ($C_{16}-$)
• Teplota tání a varu
  • je relativně nízká
    • způsobeno slabšími nevazebnými interakcemi
  • body varu rostou v závislosti na počtu uhlíkových atomů v molekule
  • alkany s rozvětveným řetězcem mají nižší teplotu tání a varu
  • cykloalkany mají nejvyšší body tání a varu
• jsou nepolární
• nejsou rozpustné ve vodě, ale jsou rozpustné v organických rozpouštědlech
• Spalné teplo
  • spalné teplo methanu je $890\ kJ\cdot{mol^{-1}}$
  • u každého dalšího členu homologické řady se liší o $690\ kJ\cdot{mol^{-1}}$
• Vlastnosti cyklalkanů
  • cyklopropan a cyklobutan jsou rektivnější
    • jejich vazebné úhly se totiž liší od teoretické hodnoty 109°
    • důsledkem je velké pnutí a vyšší reaktivita
  • vyšší cykloalkany nemají všechny atomy uhlíku v jedné rovině a vazebné úhly se nedeformují
  • otáčivost jednoduchách vazeb je omezena
    • vznikají cis a trans izomerií*

Chemické vlastnosti alkanů a cykloalkanů

• jsou málo reaktivní
• obsahují pouze $\sigma$ vazby
• všechny atomy uhlíku mají hybridizaci $sp^3$
• při reakcích se štěpí homoliticky
• typická je radikálová substituce
  • podmínkou je dodání energie
• radikály mohou reagovat s neutrálními molekulami za vzniku komplexnějších radikálů
• Stabilita radikálů
  • nejstabilnější je methylový radikál ($CH_3\cdot$)
  • nejméně stabilní je terciární radikál
    • nepárový elektron na terciárním uhlíku

Reakce alkanů

Substituční reakce

Radikálová substituce

Fáze radikálové substituce

• příkladem je halogenace
  • v praxi dochází ke vzniku i více chlorovaných uhlovodíků
    • $CH_4+Cl_2\longrightarrow{HCl+CH_3Cl}$
    • $CH_3Cl+Cl_2\longrightarrow{HCl+CH_2Cl_2}$
    • $CH_2Cl_2+Cl_2\longrightarrow{HCl+ CHCl_3}$
    • $CHCl_3+Cl_2\ \ \longrightarrow{HCl+CCl_4}$
    • vzniká směs všech těchto produktů
• iniciace
  • vznik radikálů z molekul halogenu (činidla)
  • $Cl_2\stackrel{UV}{\longrightarrow}2\ Cl\cdot$
• propagace
  • vznikají alkylové radikály a halogenovodíky
  • alkylové radikály napadají molekuly halogenu
    • vzniká alkylhalogenid a radikál halogenu, který reaguje znovu s dalšími molekulami alkanu
  • probíhá tak dlohou, dokud ve směsi nezbydou další radikály
  • $Cl\cdot+CH_4\ \ \longrightarrow{HCl}+CH_3\cdot$
  • $CH_3\cdot+Cl_2\longrightarrow{CH_3Cl}+Cl\cdot$
• terminace
  • zánik radikálů
  • Způsoby zániku radikálů
    1. na alkylovém radikálu proběhne eliminační reakce
       • vzniká nenasycený uhlovodík a vodíkový radikál
    2. do směsi se přidá inhibitor
       • většinou kyslík
       • vzniká peroxoalkylový radikál, který je málo reaktivní a zastaví propagaci
    3. sloučení dvou stejných radikálů
       • $2\ Cl\cdot\longrightarrow{Cl_2}$
       • $2\ CH_3\cdot\longrightarrow{CH_3CH_3}$
       • $Cl\cdot+CH_3\cdot\longrightarrow{CH_3Cl}$
  • ukončení halogenace

Nitrace

• probíhá při teplotách 400 - 500 °C
• vodík se nahrazuje nitroskupinou ($-NO_2$)
• používají se oxidy dusíku nebo kyselina dusičná
• reakci iniciuje oxid dusičitý, který ná nepárový elektron ($\cdot{NO_2}$)
  • oxid dusičitý může díky nepárovému elektrony tvořit dimer $N_2O_4$
  • za standardních podmínek je mezi monomerem a dimerem dynamická rovnováha
  • vyšší teplota posouvá rovnováhu ve prospěch monomeru
• propagační reakce:
  • $RH+\cdot{NO_2}\longrightarrow{R\cdot}+HNO_2$
    • kyselina dusitá je nestabilní
    • rozkládá se za vzniku kyseliny dusičné, oxidu dusnatého a vody
      • $3\ HNO_2\longrightarrow{HNO_3}+2\ NO+H_2O$
    • oxidací oxidu dusitého vzniká znovu oxid dusičitý, který vstupuje zpět do reakce
      • $2\ NO+O_2\longrightarrow{2}\ NO_2$
  • $R\cdot+HNO_3\longrightarrow{R-NO_2}+\cdot{OH}$
  • $RH+\cdot{OH}\longrightarrow{R\cdot}+H_2O$
• produktem nitrace jsou směsi izomerních nitrosloučenin
• dochází také ke štěpení uhlíkatého řetězce a vzniku dalších nitroderivátů
• jednotlivé produkty od sebe lze oddělit destilací

Sulfochlorace

• vodík se nahrazuje skupinou $-SO_2Cl$
• vzniká alkansulfonylchlorid
• reakce je iniciována UV zářením
• při propagaci vzniká reakcí alkylového radikálu s oxidem siřičitým ke vzniku alkansulfonylového radikálu ($RSO_2\cdot$)
• při terminaci zanikají radikály

Eliminační reakce

Dehydrogenace

• eliminace vodíku $H_2$
• probíhá za přítomnosti katalizátoru ($Ni$ nebo $Pt$) při teplotách 200 - 400 °C
• vznikají nenasycené uhlovodíky
• $R-CH_2-CH_3\stackrel{Al_2O_3}{\longrightarrow}R-CH=CH_2+H_2$

Termolýza - krakování

• homolytické štěpení vazeb $C-C$
• provádí se za vysoké teploty (termicé krakování) nebo za přítomnosti katalyzátoru (katalitické krakování)
• při reakci není přítomen kyslík
• vzniká směs nasycených a nenasycených uhlovodíků s kratšími řetězci
• využívá se při zpracování ropy
• např.:
  • $R-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3\stackrel{t}{\longrightarrow}R-CH=CH_2+CH_3-CH_2-CH_3$

Izomerace alkanů

• v průběhu vznikají alkany s rozvětveným řetězcem
• probíhá při teplotách vyšších než 100 °C
• probíhá v přítomnosti halogenalkanů nebo alkoholů a halogenidů hlinitých
• Mechanismus izomerace
  • zahájením je odtržení chloridového aniontu z molekuly halogenalkanu prostřednictvím Lewisovy kyseliny
    • $R-Cl+AlCl_3\longrightarrow{R^+}+[AlCl_4]^-$
  • vzniklý kation $R^+$ reaguje s molekulou původního alkanu za vzniku nového kationtu
    • tento kation izomeruje neustále dokola odtrhnutím hydridového aniontu
  • smísením nového kationtu s molekulou původního alkanu vzniká stabilní rozvětvený alkan a další kation
• používá se při úpravách produktů zpracování ropy

Oxidace

• Prudká oxidace (hoření)
  • exotermický děj
  • je to radikálová reakce
    • kyslík se chová jako biradikál
  • úplná oxidace - hoření
    • vzniká oxid uhličitý a voda
    • $CH_4+2\ O_2\longrightarrow{CO_2}+2\ H_2O$
  • neúplná oxidace - nedokonalé hoření
    • vzniká oxid uhelnatý nebo uhlík v podobě sazí a voda
    • $CH_4+O_2\longrightarrow{C}+2\ H_2O$
    • $CH_4+\frac{3}{2}\ O_2\longrightarrow{CO}+2\ H_2O$
• Mírná oxidace
  • vznikají kyslíkaté deriváty

Příprava a výroba alkanů a cykloalkanů

Katalytická hydrogenace

• je to jedna z nejpoužívanějších redukčních metod
• je založena na působení molekuly vodíku na původní látku nebo její roztok v prostředí s katalyzátorem
  • katalyzátorem je nejčastěji kovy nebo směsi oxidů
  • kovy jsou speciálně upravovány
    • Raneyův nikl
      • vzniká rozkladem slitiny hliníku a niklu alkalickým hydroxidem
      • na vzduchu je samozápalný
      • může být uchován pod rozpouštědlem, ve kterém bude reakce probíhat
• má radikálový mechanismus
• alkany se připravují katalytickou hydrogenací nenasycených uhlovodíků
  • dají se připravit i hydrogenací nižších cykloalkanů
• cykloalkany se získávají katalytickou hydrogenací aromatických uhlovodíků

Výroba benzínu

• katalytická hydrogenace se používá při výrobě syntetického benzínu
• prvním způsobem je vysokotlaká hydrogenace hnědouhelného dehetu
  • vzniká benzín o oktanovém čísle 75 až 80
• druhým způsobem je hydrogenace vodního plynu
  • vodní plyn je směs oxidu uhelnatého a vodíkového plynu
  • probíhá př teplotách nad 200 °C
  • vzniká benzín o nízkém oktanovém čísle
    • musí se dále upravit
    • do spalovacích motorů je nevhodný pro přítomnost nečistot

Redukce alkylhalogenidů kovem

• jako kov se většinou používá zinek
• používá se v laboratořích
• probíhá v kyselém prostředí
• vznikají alkany a anorganické soli
• výroba alkanů
  • $2\ R-X+Zn+2\ H^+\longrightarrow{R-H}+ZnX_2$
• výroba cykloalkanů
  • používají se dihalogenderiváty
  • např.:
    • $CH_2Cl-CH_2-CH_2Cl+Zn\longrightarrow{\textit{cyklopropan}}+ZnCl_2$

Dekarboxylace solí karboxylových kyselin

• provádí se termickým rozkladem soli kyseliny s alkalickým hydroxidem
• vzniká alkan a sůl kyseliny uhličité
• $R-COOM+MOH\stackrel{t}{\longrightarrow}R-H+M_2CO_3$

Zástupci

Methan

• $CH_4$
• je to nejjednodušší alkan
• tvoří podstatnou část zemního plynu a je rozpuštěn v ropě
• nachází se i v bahením plynu a sopečných plynech a v plynech střev přežvýkavců
• na vzduchu hoří modrým plamenem
• je produktem lidské činnosti
  • vzniká v laboratoři reakcí trikarbidu tetrahlinitého s vodou
    • $Al_4C_3+12\ H_2O\longrightarrow{3\ CH_4}+4\ Al(OH)_3$
  • lze ho připravit reakcí natrium-acetátu s hydroxidem sodným
    • $CH_3-COONa+NaOH\longrightarrow{CH_4}+Na_2CO_3$
• jeho spalováním za nedostatečného přístupu kyslíku vznikají saze
• částečnou oxidací vodní párou vzniká ethyn
• směs methanu s kyslíkem a amoniakem reaguje za vzniku kyanovodíku a vody
  • $2\ CH_4+3\ O_2+2\ NH_3\longrightarrow{2\ HCN}+6\ H_2O$
  • kyanovodík se pak používá při průmyslové výrobě akrylonitrilu
    • ten slouží k výrobě polymerových vláken
  • tato reake pravděpodobně probíhala blízko po zrodu a při ochlazování naší planety

Ethan

• $C_2H_6$
• v menším množství se vyskytuje v zemním plynu a ropě
• laboratorně se připravuje dekarboxylací natrium-propionátu nebo reakcí jodmethanu se sodíkem
• průmyslově se vyrábí katalitickou hydrogenací ethenu
• je významný pro výrobu dalších organických látek

Propan a butan

• $C_3H_8$ a $C_4H_{10}$
• jsou v malém množství obsaženy v zemním plynu a ropě
• jsou odpadem při výrobě syntetického benzínu
• dají se lehce skapalnit a tvoří hořlavou směs
• jejich směs, propanbutan, se používá v domácnostech jako pohoná hmota hořáků a jednoduchých motorů
• vyrábí se z nich nenasycené uhlovodíky

Kapalné alkany

• jsou součástí kapalných paliv a pohonných hmot
• získávají se v průběhu zpracování ropy

Pevné alkany

• jsou obsaženy ve vazelínách a mazacích olejích

Pevné alkany

• jsou obsaženy ve vazelínách a mazacích olejích