Наситени въглеводороди – Алкани

Въглеводородите са различни по размер органични съединения, които са изградени от атомите само на два елемента – водород и въглерод. Те са най-простите по състав и всички останали органични съединения могат да се разглеждат като произлезли от тях.

Хомоложен ред и номенклатура на алкани

Алкани – това са най-богатите на водород въглеводороди (наситени), в които връзките между въглеродните атоми са прости и единични. Характерно за някои органични съединения е, че можем да опишем цял един клас с една обща формула. За алканите тя е:

C_nH_2n+2

CH₄ – метан; C₂H₆ – етан; C₃H₈ – пропан; C₄H₁₀ – бутан;… C_nH_2n+2 – алкан;

Представителите на алканите могат да се подредят по нарастване на молекулната си маса, като по този начин образуват хомоложен ред. Всеки следващ представител в реда се отличава от предишния с една метиленова група.

Първите четири представителя на този клас органични съединения носят тривиалните наименования изредени по-горе. Останалите представители се именуват по номенклатурата на IUPAC. За целта се използва латинско или гръцко числително бройно и наставката -ан: пентан, хексан, хептан, октан, нонан, декан и т.н. Когато съединението има разклонена верига, названието му се определя от нейния най-дълъг участък, този който съдържа най-голям брой въглеродни атоми.

Всички останали „стърчащи“ части се наричат алкилови групи (присъединени алкилови радикали) и имената им се изреждат в азбучен ред преди наименованието на съединението. Пред името на всеки свързан алкилов радикал с число се указва на каква позиция от началото на веригата се намира той.

Самото начало на главната верига се определя от това, до кой неин край най-близо има алкилова група. Ако съществуват няколко алкилови групи от един един и същ вид, номерата на техните позиции се изброяват със запетайки пред названието им, а към името им се добавя представка съответстваща на техния брой (ди-, три-, тетра- и т.н.). На следващото изображение е показан пример:

В практиката много органични съединения са познати предимно под тривиалните си названия, а понякога имат и търговски, под които са патентовани.

Строеж на алкани

Молекулите на алканите съдържат само прости сигма връзки (σ). Въглеродните атоми на тези наситени въглеводороди са в sp3-хибридно състояние. Четирите хибридни орбитали са равностойни и са разположени под формата на тетраедър в пространството.

Водородните атоми имат една s-aтомна орбитала. Химичната връзка се образува в следствие припокриване на орбиталите по мислената ос минаваща през ядрата на двата свързващи се атома (въглерод – водород или въглерод – въглерод).

Химичните връзки (С-С) са неполярни или (С-Н) слабополярни. Енергията необходима за разкъсване на въглерод-въглерод връзката е 360 килоджаула на мол (kJ/mol), а на въглерод водород 430 kJ/mol. Алкиловите групи имат положителен индукционен ефект.

Изомерия при алкани

Алканите проявяват верижна и конформационна изомерия. Изомерите обикновено са съединения, които имат еднакъв химичен състав, но различни физични свойства.

Физични свойства на наситените въглеводороди

Нисшите представители на хомоложния ред на алканите са газове без миризма, средните са течности със специфична миризма, а висшите са твърди вещества почти без мирис. Всички алкани са безцветни, по-леки от водата и не се разтварят в нея. Разтворими са в органични разтворители. С нарастване на молекулната им маса, нарастват съответно и температурите им на топене и кипене.

Химични свойства на алкани

Заместителни реакции

Алканите са слабо реактивоспособни и заради това биват наричани още парафини. Те влизат в заместителни реакции с халогени, които протичат по верижно-радикалов механизъм. Атомите на халогенния елемент заместват един, няколко или всички водородни атоми в съответния алкан. Заместването с хлор става под пряка слънчева светлина, с йод много бавно, а с флуор индиректно, за да не се стигне до деструкция на въглеводорода. Халогенирането протича на три етапа:

1. иницииращ стадий: Cl₂ + светлина → Cl- + -Cl

2. верижна реакция: Cl- + H-CH₃ → H-Cl + -CH₃ метилов радикал

3. хомолитично разпадане: Cl₂ + -CH₃ → -Cl + Cl-CH₃ метилхлорид
и отново етап 2. до изчерпване на алкана в реактивната смес.

В началото, като продукт се получава главно метилхлорид, но е възможно да се получи и етан ако два метилови радикала се свържат. В отсъствие на светлина, това може да доведе до прекратяване на верижната реакция. Същият ще е резултатът ако хлорните атоми започнат да се свързват помежду си при липса на светлинен източник.

Горене и окисление

Алканите подобно на почти всички органични съединения изгарят в кислородна среда. Те са висококалорични заради голямото съдържание на въглерод.

CH₄ + 2О₂ → 2H₂O + CO₂

Освен деструктивно окисляване (горене), алканите участват и в умерено окисление. При наличието на кислород и манганови соли като катализатор се получава смес от органични киселини.

2C₂₁H₄₄ + 5О₂ → 2С₉H₁₉СООН + Н₂O

Нитриране и сулфониране

Водороден атом в молекулата на алкан може да се замести и с нитрогрупа (-NO₂) или сулфогрупа (-SO₃H). В първия случай се нарича нитриране, а във втория сулфониране. Всеки от двата процеса протича при висока температура в среда обогатена с парите на съответната киселина. Заместването става най-лесно при третичен и вторичен въглероден атом:

CH₃CH₂CH₃ + HNO₃ → CH₃CH(NO₂)CH₃ + Н₂O

Крекинг

Често в химическата промишленост, в следствие от така наречените крекинг процеси, от висши алкани при висока температура и налягане, чрез разкъсване на химични връзки се получава смес от въглеводороди.

C₃H₈ → C₂H₄ етен + CН₄ метан

Получаване на алкани

Освен чрез крекинг на висши алкани, представители на класа могат да се получават при каталитично хидриране на ненаситени въглеводороди (редукция на алкени и алкини, катализатори Pt, Ni и др.):

H₂С=СH₂ + H₂ → H₃С-СH₃

Друг метод е синтезът на Вюрц (R – радикал, Х – халоген), който обаче е подходящ главно за получаването на симетрични алкани. Въпреки това е възможна и долната реакция, но тогава ще се получи смес от различни алкани:

R-X + 2Na + X-R’ → R-R’ + 2NaX или R’-R’ или R-R

Алкани се получават и чрез редукция на алкилхалогениди с водород в присъствие на катализатор:

R-X + H₂ → R-Н + НX

Промишлено метан може да се получава посредством каталитична редукция на въглероден диоксид. Природен източник на нисши алкани (метан, етан, пропан, бутан) е земният газ, а на нисши, средни и висши алкани е петролът.

Употреба

Алканите се използват като горива, смазочни масла, промишлени разтворители, суровини за органичен синтез в това число и фармацевтичната промишленост и други. Съществуват висши алкани, които са продукти на животинската биохимия и при някои видове животни те се отделят като феромони.