Alkany

náhled|Tabulka prvních 10 alkanů Alkany jsou nasycené uhlovodíky s molekulou bez násobných vazeb (dvojných a/nebo trojných) mezi atomy uhlíku (v uhlíkovém řetězci). Alkany také patří mezi alifatické sloučeniny, tj. neobsahují aromatické cykly. Dříve se alkany nazývaly též parafíny.

Struktura alkanů Uhlíkový skelet (kostra) alkanů může být lineární, bez rozvětvení, nebo se může libovolně větvit a vytvářet tak velké množství různých izomerů. Toto větvení může nastat poprvé u alkanu se čtyřmi uhlíkovými atomy v molekule, u kterého můžeme pozorovat dva různé konstituční izomery.

Přehled izomerů butanu

U alkanu s pěti uhlíkovými atomy již máme tři konstituční izomery

Přehled izomerů pentanu

u šestiuhlíkového pět, u sedmiuhlíkového devět, u osmiuhlíkového již 18, u dalších 35, 75, 159, 355 atd. Počet teoreticky možných izomerů s počtem uhlíků stoupá téměř geometrickou řadou.

S přidáním jednoho uhlíkového atomu do molekuly alkanu musíme současně přidat i dva další atomy vodíku; proto obecný sumární vzorec pro alkany je možno zapsat jako CnH2n+2. Pokud při tomto přidávání atomů nedojde k rozvětvení uhlíkového skeletu, dostaneme řadu sloučenin velice podobných strukturou a tedy i jejich chemickými a fyzikálními vlastnostmi, které se mění prakticky monotónně (např. roste jejich bod varu); tuto řadu nazýváme homologická řada alkanů.

Geometrie molekul alkanů náhled|vpravo|sp3-hybridizace v methanu

Prostorová stavba molekul alkanů může být fenomenologicky vysvětlena na základě hybridizace orbitalů atomů uhlíku. Jeden orbital typu 2s s kulovou symetrií a tři orbitaly typu 2p s lineární symetrií, vzájemně k sobě kolmé, vytvoří čtyři nové identické hybridizované orbitaly označované jako sp3. Aby mohly být identické, nemohou být již na sebe kolmé, ale jejich osy musí mít symetrii pravidelného čtyřstěnu (tetraedru); atom uhlíku je v těžišti tohoto tělesa. Osy orbitalů proto vzájemně svírají úhel 109,47°.

Překryvem (lineární kombinací) dvou orbitalů sp3 dvou uhlíkových atomů vznikne mezi nimi jednak vazebný σ orbital, obsazený dvěma elektrony sdílenými sousedními atomy, jednak antivazebný orbital σ*, který je v základním stavu prázdný. Podobně může vzniknout σ-orbital překryvem sp 3 orbitalu uhlíkového atomu a 1s orbitalu atomu vodíkového.

V případě překryvu orbitalů uhlíkových atomů vzniká chemická vazba C—C typu σ, jejíž průměrná délka v alkanech je 154 pm (tj. 1,54×10−10 m); σ-vazba C—H je kratší a v průměru je dlouhá 109 pm.

Konformace alkanů vlevo|náhled|250px|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.

Konformace ethanu a propanu 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.

Konformace vyšších alkanů 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.

vpravo|náhled|250px|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 %.

Názvosloví alkanů Názvosloví alkanů je základem systematického názvosloví všech organických sloučenin, proto má mimořádný význam. Kořen názvu je tvořen kombinací z řeckých a latinských číslovek, které vyjadřují počet uhlíkových atomů v molekule, nebo v její základní části. Výjimku představují pouze jména čtyř prvních alkanů, která jsou převzata z historických důvodů z jejich triviálních (obecných) názvů.

V případě alkanů se ke kořeni názvu připojuje koncovka an.

Alkany s lineárním řetězcem 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.

1 – 20 21 – 40 41 – 60 61 – 80 81 – 100 n Název Vzorec n Název Vzorec n Název Vzorec n Název Vzorec n Název Vzorec 1 methanCH4 21 henikosanC21H44 41 hentetrakontanC41H84 61 henhexakontanC61H124 81 henoktakontanC81H164 2 ethanC2H6 22 dokosanC22H46 42 dotetrakontanC42H86 62 dohexakontanC62H126 82 dooktakontanC82H166 3 propanC3H8 23 trikosanC23H48 43 tritetrakontanC43H88 63 trihexakontanC63H128 83 trioktakontanC83H168 4 butanC4H10 24 tetrakosanC24H50 44 tetratetrakontanC44H90 64 tetrahexakontanC64H130 84 tetraoktakontanC84H170 5 pentanC5H12 25 pentakosanC25H52 45 pentatetrakontanC45H92 65 pentahexakontanC65H132 85 pentaoktakontanC85H172 6 hexanC6H14 26 hexakosanC26H54 46 hexatetrakontanC46H94 66 hexahexakontanC66H134 86 hexaoktakontanC86H174 7 heptanC7H16 27 heptakosanC27H56 47 heptatetrakontanC47H96 67 heptahexakontanC67H136 87 heptaoktakontanC87H176 8 oktanC8H18 28 oktakosanC28H58 48 oktatetrakontanC48H98 68 oktahexakontanC68H138 88 oktaoktakontanC88H178 9 nonanC9H20 29 nonakosanC29H60 49 nonatetrakontanC49H100 69 nonahexakontanC69H140 89 nonaoktakontanC89H180 10 dekanC10H22 30 triakontanC30H62 50 pentakontanC50H102 70 heptakontanC70H142 90 nonakontanC90H182 11 undekanC11H24 31 hentriakontanC31H64 51 henpentakontanC51H104 71 henheptakontanC71H144 91 hennonakontanC91H184 12 dodekanC12H26 32 dotriakontanC32H66 52 dopentakontanC52H106 72 doheptakontanC72H146 92 dononakontanC92H186 13 tridekanC13H28 33 tritriakontanC33H68 53 tripentakontanC53H108 73 triheptakontanC73H148 93 trinonakontanC93H188 14 tetradekanC14H30 34 tetratriakontanC34H70 54 tetrapentakontanC54H110 74 tetraheptakontanC74H150 94 tetranonakontanC94H190 15 pentadekanC15H32 35 pentatriakontanC35H72 55 pentapentakontanC55H112 75 pentaheptakontanC75H152 95 pentanonakontanC95H192 16 hexadekanC16H34 36 hexatriakontanC36H74 56 hexapentakontanC56H114 76 hexaheptakontanC76H154 96 hexanonakontanC96H194 17 heptadekanC17H36 37 heptatriakontanC37H76 57 heptapentakontanC57H116 77 heptaheptakontanC77H156 97 heptanonakontanC97H196 18 oktadekanC18H38 38 oktatriakontanC38H78 58 oktapentakontanC58H118 78 oktaheptakontanC78H158 98 oktanonakontanC98H198 19 nonadekanC19H40 39 nonatriakontanC39H80 59 nonapentakontanC59H120 79 nonaheptakontanC79H160 99 nonanonakontanC99H200 20 ikosanC20H42 40 tetrakontanC40H82 60 hexakontanC60H122 80 oktakontanC80H162 100 hektanC100H202

Alkany s rozvětveným řetězcem 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:

V molekule se vyhledá přímý řetězec s největším počtem uhlíkových atomů, který se prohlásí za základní. Pokud je takových řetězců více, zvolí se z nich za základní ten, ke kterému se pojí větší počet bočních řetězců. Pokud nelze rozhodnout podle předchozích pravidel, zvolí se za základní ten, u kterého mají polohy připojení vedlejších řetězců nižší čísla umístění (tzv. lokanty). Pokud nelze rozhodnout podle předchozích pravidel, zvolí se za základní ten, u kterého je větší počet uhlíkových atomů v nejkratších postranních řetězcích. Nelze-li ani teď rozhodnout, zvolí se za základní ten, u kterého je nejméně rozvětvený postranní řetězec. 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. 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. Postranní řetězec pojmenujeme podobným způsobem s tou výjimkou, že místo koncovky an použijeme koncovku yl. Názvy postranních řetězců seřadíme abecedně (bez ohledu počet stejných postranních řetězců). 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. 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. Je-li postranní řetězec také rozvětven, procedura se opakuje s tím, že celý název rozvětveného řetězce se uzavře do závorek. Všechny názvy postranních řetězců se předřadí názvu základního řetězce, ke kterému se připojí bez interpunkce a bez mezery.

střed|náhled|Nomenklatura isopentanu

střed|náhled|Nomenklatura neopentanu

střed|náhled|Nomenklatura rozvětveného alkanu

Výskyt alkanů Alkany patří k velmi rozšířeným organickým sloučeninám na Zemi i ve vesmíru.

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

Atmosféra Země