Alkany

Konformace ethanu

S výjimkou methanu, který má jen jeden uhlík, se můžeme u vyšších alkanů setkat s další prostorovou různorodostí, spojenou se skutečností, že jednotlivé části molekul se mohou kolem vazeb C—C mezi sousedními uhlíky téměř volně otáčet. Tyto různé prostorové konfigurace molekul obecně nazýváme konformace a molekulu, zaujímající určitou konformaci nazýváme konformer. Počet různých konformací u takových molekul je velmi veliký (v prvním přiblížení nekonečný), protože úhly natočení podle vazeb C—C se mohou (téměř) spojitě měnit. Protože však mezi některými konformery existuje energetický rozdíl, ustavuje se mezi nimi rovnováha, v niž jsou energeticky výhodnější konformery zastoupeny více než jiné.

Například u ethanu (viz obrázek) můžeme kolem jediné vazby C—C otáčet methylové skupiny CH₃ proti sobě tak, že se mění úhel θ, zvaný torzní úhel, který svírají roviny C—C—H a H—C—C definované vodíky na sousedních uhlících. Protože se vodíkové atomy vzájemně odpuzují, je potenciální energie konforméru s θ = 0° („zákrytová“ konformace) vyšší, než v případě hodnoty úhlu θ = 60° (nezákrytová konformace) a to o 12,6 kJ/mol. Proto za normální teploty většina molekul ethanu (až 99 %) bude mít konformaci blízkou hodnotám úhlu θ = 60°, 180° nebo 300° (v rozmezí ±30°), přičemž všechny tyto tři konformace budou energeticky rovnocenné.

Tepelná kinetická energie molekul za normální teploty (20 °C) je 3,7 kJ/mol, tedy srovnatelně velká s energetickou bariérou, bránící volné rotaci kolem vazby C—C. Proto za těchto podmínek jeden konformer spontánně přechází v jiný, přičemž doba, potřebná pro přechod (přetočení) z jedné konformace do druhé je řádově 10⁻¹¹ s.

Podobná situace je i u dalšího homologu, u propanu.

U vyšších homologů alkanů již obecně nejsou konformace odpovídající lokálním minimům energetické křivky v závislosti na torzním úhlu θ kolem nekoncové vazby C—C identické, jak lze ukázat na příkladu butanu (viz obrázek). V případě tzv. synklinální konformace pro θ = 60° (energeticky rovná θ = 300°) je hodnota potenciální energie o něco vyšší, než v případě antiperiplanární konformace pro θ = 180°. Rotace na koncových C C vazbách v molekulách vyšších alkanů má díky trojčetné symetrii koncové methylové skupiny CH₃ stejné vlastnosti jako v molekule ethanu. Synperiplanární konformace (nazývaná též plně zákrytová, θ = 0°) představuje absolutní energetické maximum, antiklinální konformace (částečně zákrytová, θ = 120° resp. θ = 240°) je nižším, lokálním maximem na energetické křivce.

Konformace butanu

I zde platí, že volná rotace kolem vazby C—C je zachována, byť energetický rozdíl mezi absolutním minimem a absolutním maximem je v tomto případě vyšší, přibližně 19 kJ/mol. V případě n-butanu bude na prostřední vazbě C—C za normální teploty antiperiplanární konformaci zaujímat (opět v rozmezí ±30° kolem minima) přibližně 66 % molekul a každou ze zbývajících dvou výhodných synklinálních konformací vždy po přibližně 16 %.

První tři alkany s nerozvětveným řetězcem se nazývají pouhým základním názvem. Protože počínaje butanem mají alkany se stejným sumárním vzorcem více izomerů, tento samotný název obecně avšak nepřesně pojmenovává všechny izomerní látky, každá má však jiný systematický název. Pokud je zapotřebí vyjádřit, že se jedná právě o izomer s nerozvětveným řetězcem, předřazuje se jménu alkanu písmeno n (od slova normální), spojené s další částí jména pomlčkou. V následující tabulce jsou shrnuta jména všech nerozvětvených alkanů až do počtu jednoho sta uhlíkových atomů v molekule, spolu s jejich sumárními vzorci.

V počátcích organické chemie byly pro jednotlivé izomery s rozvětveným řetězcem vytvářeny zvláštní názvy a to buď triviální (odvozené většinou od jejich původu), nebo pomocí předpon od izomerního alkanu s přímým řetězcem. Tak např. druhý izomer n-butanu dostal jméno isobutan (iso od slova izomer). Dva izomery n-pentanu dostaly názvy isopentan a neopentan. Je zřejmé, že v případě vyšších alkanů tento systém pojmenovávání nebyl udržitelný.

Systematické názvosloví alkanů s rozvětveným řetězcem tvoří názvy podle následujících pravidel:

1. V molekule se vyhledá přímý řetězec s největším počtem uhlíkových atomů, který se prohlásí za základní.
   1. Pokud je takových řetězců více, zvolí se z nich za základní ten, ke kterému se pojí větší počet bočních řetězců.
   2. Pokud nelze rozhodnout podle předchozích pravidel, zvolí se za základní ten, u kterého mají polohy připojení vedlejších řetězců nižší čísla umístění (tzv. lokanty).
   3. Pokud nelze rozhodnout podle předchozích pravidel, zvolí se za základní ten, u kterého je větší počet uhlíkových atomů v nejkratších postranních řetězcích.
   4. Nelze-li ani teď rozhodnout, zvolí se za základní ten, u kterého je nejméně rozvětvený postranní řetězec.
2. Za základ názvu alkanu nyní vezmeme název z tabulky z předchozího odstavce (bez prefixu n) pro počet uhlíků v základním řetězci a s koncovkou -an.
3. Po zvolení základního řetězce se jeho atomy očíslují arabskými čísly (lokanty) tak, aby tato čísla použitá pro označení míst připojení postranních řetězců začínala co nejmenšími hodnotami.
4. Postranní řetězec pojmenujeme podobným způsobem s tou výjimkou, že místo koncovky an použijeme koncovku yl.
5. Názvy postranních řetězců seřadíme abecedně (bez ohledu počet stejných postranních řetězců).
6. Pokud se v molekule vyskytne více stejných postranních řetězců, předřadíme jejich názvu násobící prefix (di, tri, tetra, … atd.), vyjadřující jejich počet; pořadí názvů postranních řetězců se nemění.
7. Před názvy postranních řetězců s případnými násobícími prefixy předřadíme lokant (lokanty), který od sebe oddělíme čárkami bez mezer a od názvu pomlčkou; následuje-li další jiný postranní řetězec, připojí se za předchozí pomlčkou.
8. Je-li postranní řetězec také rozvětven, procedura se opakuje s tím, že celý název rozvětveného řetězce se uzavře do závorek.
9. Všechny názvy postranních řetězců se předřadí názvu základního řetězce, ke kterému se připojí bez interpunkce a bez mezery.

Nomenklatura isopentanu

Nomenklatura neopentanu

Nomenklatura rozvětveného alkanu

V počátečním období vývoje Země jako planety bylo množství uhlovodíků v atmosféře i v nitru naší planety mnohem vyšší, než v současnosti.

V současném ovzduší zeměkoule se nachází nepatrné množství methanu (řádově 10⁻⁴ %), který vzniká zejména biochemickými procesy, souvisejícími s činností metanogenních bakterií. Menší množství methanu i vyšších uhlovodíků se dostává do atmosféry též z ložisek ropy a zemního plynu.

Methan a všechny plynné uhlovodíky obecně patří ke skleníkovým plynům, které zvyšují teplotu atmosféry.

Alkany, vedle cykloalkanů a aromatických uhlovodíků i dalších složitějších organických látek, tvoří nejpodstatnější složku zemního plynu a ropy, případně ozokeritu (zemního vosku) a asfaltu.

Methan a další nižší alkany jsou produkovány některými druhy metanogenních bakterií (např. rodu Methanobacterium) při rozkladu organických látek.

Nižší kapalné alkany jsou obsaženy v silicích řady vyšších rostlin. Vyšší pevné alkany jsou součástí vosků rostlin chránících zejména pokožku listů nebo plodů i produktů některých druhů hmyzu (např. ve včelím vosku), či v různých sekretech některých živočichů.

U řady druhů hmyzu slouží některé alkany jako feromony.

Kromě atmosféry Země bylo nepatrné množství methanu detekováno též v atmosféře Marsu, což vedlo ke spekulacím, zda je biogenního nebo abiogenního původu; tato otázka dosud není uspokojivě vyřešena.

Značné množství methanu a vyšších uhlovodíků je obsaženo v atmosférách velkých planet Jupiteru, Saturnu, Uranu a Neptunu. Malé množství methanu je také přítomno v převážně dusíkové atmosféře planetky Pluto; v tomto případě však většina je ve zmrzlé formě jako sníh na jejím povrchu.

Směs různých alkanů spolu s dalšími organickými látkami je přítomna v atmosféře největšího Saturnova měsíce Titanu.

Methan a další uhlovodíky byl také spektroskopicky potvrzen v kómě komet a v mezihvězdných plynových oblacích.

S rostoucím počtem uhlíkových atomů roste monotónně teplota varu jednotlivých alkanů s přímým řetězcem uhlíkových atomů (viz graf). Stejně tak, ale poněkud pomaleji, roste i teplota tání. Nevětvené alkany s lichým počtem uhlíkových atomů mají nižší teploty tání, neboť jejich molekuly jsou v pevné fázi od sebe více vzdáleny, než je tomu u alkanů se sudým počtem uhlíků. Také větvení uhlíkového řetězce působí na prostorové uspořádání molekul vedle sebe v pevné a v kapalné fázi a proto ovlivňuje hodnoty teploty tání i teploty varu.

Methan až butan jsou za normální teploty plyny, n-pentan a n-hexan jsou vysoce těkavé látky s teplotou varu nižší než voda. n-Heptan až n-heptadekan jsou výševroucí kapaliny, přičemž s rostoucím počtem uhlíkových atomů roste jejich viskosita. Od n-oktadekanu (teplota tání 22 °) výše jsou to za normální teploty voskovité pevné látky.

S počtem uhlíků v molekule roste u n-alkanů také jejich hustota.

Alkany jsou elektricky nevodivé.

Hustota n-alkanů

Alkany jsou nepolární látky, s málo polarizovanými vazbami C—H, takže nemohou na rozdíl od vody tvořit vodíkové můstky. Vzhledem k tomu se prakticky nerozpouštějí ve vodě, velmi špatně v polárních rozpouštědlech (např. v ethanolu). Dobře se rozpouštějí v jiných nepolárních látkách.

Naopak kapalné alkany jsou velmi dobrými rozpouštědly nepolárních nebo málo polárních látek, zejména dobře se v nich rozpouštějí tuky.

Všechny alkany snadno reagují s kyslíkem, přičemž směs jejich par (plynů) se vzduchem reaguje explozivně. Při přebytku kyslíku se spalují na směs oxidu uhličitého a vody za současného vývinu značného množství tepla

2 C_nH_2n+2 + (3n+1) O₂ → 2n CO₂ + (2n+2) H₂O.

Spalují-li se alkany s menším množstvím kyslíku, místo oxidu uhličitého vzniká oxid uhelnatý

2 C_nH_2n+2 + (2n+1) O₂ → 2n CO + (2n+2) H₂O.

S ještě menším množstvím kyslíku se uhlík nespaluje a mění se v elementární uhlík (saze)

2 C_nH_2n+2 + (n+1) O₂ → 2n C + (2n+2) H₂O.

Všechny tři uvedené reakce probíhají souběžně, navíc při nedokonalém spalování alkanů mohou být ve spalných plynech obsaženy jak původní chemické sloučeniny, tak uhlovodíky s menší molekulou (nasycené i nenasycené, případně i aromatické). Toto může být vážným problémem z hlediska ekologického při používání alkanů jako pohonných látek nebo topiv.

Působením elementárních halogenů a při osvětlování zejména ultrafialovým zářením dochází k substituci atomů vodíku atomy halogenu za vzniku halogenovaných uhlovodíků, tzv. halogenace. Tato reakce probíhá řetězovým mechanismem, u chloru a fluoru velmi bouřlivě, až explozivně. Podobně, ale obtížněji, reagují alkany i s bromem, ale s jodem nereagují vůbec.

Působením vysokých teplot a za přítomnosti katalyzátorů se vyšší alkany štěpí na kratší řetězce (podstata zvyšování podílu benzinových frakcí při zpracování ropy krakováním). Za přítomnosti katalyzátorů také může probíhat izomerizace n-alkanů na rozvětvené uhlovodíky (tzv. reforming), kterým se zlepšují antidetonační vlastnosti benzinu (oktanové číslo).

• Jaroslav Fikr, Jaroslav Kahovec; Názvosloví organické chemie; 2. vydání ISBN 80-7346-017-3
• Červinka O., Dědek V., Ferles M.: Organická chemie, druhé přepracované vydání, SNTL, Praha

• Obrázky, zvuky či videa k tématu alkany na Wikimedia Commons