НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ

НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ (алкани, парафіни) — вуглеводні аліфатичного ряду, в молекулах яких атоми карбону зв’язані між собою простими ковалентними зв’язками. Загальна формула CnH2n + 2. Довжина зв’язку С–С становить 1,54 Å, зв’язку С–Н — 1,09 Å, валентний кут (кут між зв’язками С–С–С) у газоподібному стані 109°28′, у кристалічному стані кут збільшується на 2°, а в деяких випадках і більше. Н.в. становлять гомологічний ряд, першим представником якого є метан (таблиця). Атоми карбону в Н.в. можуть бути зв’язані між собою послідовно, складаючи нерозгалужений ланцюг, а починаючи з вуглеводня С4Н10, можуть мати як нерозгалужений, так і розгалужений ланцюг. Алкани із нерозгалуженим ланцюгом атомів карбону називають нормальними (н-алкани). Назви всіх членів гомологічного ряду мають групове закінчення -ан. Перші члени ряду мають тривіальні назви: метан СН4, етан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10; назви наступних гомологів складаються з грец. числівників: пентан С5Н12, гексан С6Н14 і т.д. Починаючи з етану, у алканів з’являються поворотні ізомери, з бутану — структурні ізомери (н-бутан, ізо-бутан), з гептану — оптичні ізомери (3-метилгептан). Кількість структурних ізомерів швидко збільшується із зростанням кількості атомів карбону в молекулі вуглеводню (бутан — С4Н10 — два ізомери; пентан — С5Н12 — три; октан — С8Н18 — 18 ізомерів, у декану С10Н22 їх 75 і т.д.). Нижчі члени гомологічного ряду (С1–С4 та неопентан) — гази, С5–С17 — рідини, починаючи з С18 — тверді речовини. Ізомери нормальної будови мають вищі Tкип, ніж ізомери з розгалуженим ланцюгом. Алкани мають декілька алотропічних модифікацій, кристалізуючись у гексагональній, тригональній, моноклинній та орторомбічній формах. Вони характеризуються великою теплотворною здатністю, є хорошими діелектриками.

Таблиця. Фізичні властивості насичених вуглеводнів

Формула Назва Тпл, °С Ткип, °С d420 n20D
СН4 Метан –182,48 –161,49 0,416 (при Ткип)
С2Н6 Етан –183,27 –88,63 0,546 (при Ткип)
С3Н8 Пропан –187,69 –42,07 0,5005 (у рідкому стані під тиском)
С4Н10 н-Бутан –138,35 –0,50 0,5788 (у рідкому стані під тиском) 1,3326 (нижче Тпл; рідина)
СН3СН(СН3)СН3 Ізобутан (2-метилпропан) –159,60 –11,73 0,5572 (у рідкому стані під тиском)
С5Н12 н-Пентан –129,72 36,07 0,6262 0,3575
СН3СН(СН3)СН2СН3 Ізопентан (2-метилбутан) –159,90 27,85 0,6197 1,3537
СН3С(СН3)2СН3 Неопентан (2,2-диметилпропан) –16,55 9,50 0,5910 (у рідкому стані під тиском) 1,342 (в рідкому стані під тиском)
С6Н14 н-Гексан –95,35 68,74 0,6594 1,3749
(СН3)3ССН2СН3 Неогексан (2,2-диметилбутан) –99,87 49,74 0,6492 1,3688
С7Н16 н-Гептан –90,61 98,43 0,6838 1,3876
С8Н18 н-Октан –56,80 125,67 0,7025 1,3974
С9Н20 н-Нонан –53,52 150,80 0,7176 1,4054
С10Н22 н-Декан –29,66 174,12 0,7301 1,4119
С16Н34 н-Гексадекан (цетан) 18,17 286,79 0,7734 1,4345
С20Н42 н-Ейкозан 36,8 342,7 0,7887 (нижче Тпл) 1,4426 (нижче Тпл)

Суміш твердих високомолекулярних Н.в. нормальної будови з розгалуженим ланцюгом та домішками циклоалканів має назву парафін. Вуглеводні, які входять до складу парафіну, поділяють на парафіни і церезини. Для парафінів характерна ланцюгова структура кристалів, вони є сумішшю твердих Н.в. з Tпл = 50–70 °С складу С19Н40–С35Н72. Церезини мають дрібнокристалічну будову, відповідають складу С37Н76–С52Н108, становлять ізопарафіни. Н.в. та парафін практично не розчиняються у воді, але добре розчиняються у галогенопохідних (CCl4; C2H4Cl2), етерах та естерах, органічних розчинниках.

За звичайних умов Н.в. є малореакційноздатними сполуками. Вони стійкі до дії лугів, кислот і окисників. Більшість хімічних перетворень у Н.в. супроводжуються гомолітичним розривом зв’язку С–Н із наступним заміщенням атомів водню на інші атоми або атомні групи. Реакції відбуваються за механізмом вільнорадикального заміщення (SR). При термічному хлоруванні або за наявності каталізаторів отримують хлористі алкіли або поліхлорпохідні Н.в. Перфторпохідні Н.в. одержують дією CоF3 при підвищеній температурі. При взаємодії Н.в. із сумішшю SO2 та Cl2 за наявності УФ-опромінення утворюються сульфохлориди CnH2n+1SO2Cl. Реакцією Н.в. з SO2 та О2 (сульфоокиснення) отримують сульфонові кислоти CnH2n+1SO3Н. Швидкість реакцій заміщення атому водню в Н.в. підвищується від первинного до третинного атомів карбону: СН3<CH2<CH, за винятком реакції сульфохлорування. У реакцію сульфохлорування третинні атоми карбону не вступають. Із Н.в., найчастіше під тиском, залежно від умов одержують спирти (R–OH), альдегіди (R–COH), кетони

Nasycheni_vuglevody.eps

карбонові кислоти (R–COOH). За наявності AlCl3 Н.в. реагують з СО та хлорангідридами карбонових кислот, утворюючи кетони. При T=450–750 °С Н.в. зазнають розриву С–С зв’язку. Під час піролізу, термічного та каталітичного крекінгу з Н.в. отримують насичені та ненасичені вуглеводні з меншою мол. м., ніж вихідна сполука. Н.в. вступають у реакцію дегідрування за наявності алюмохромових та інших каталізаторів з утворенням олефінів (пропену, бутену, амілену) та діолефінів (бутадієну, ізопрену). Основним джерелом, з якого отримують основну масу Н.в. та парафін, є нафта, кам’яне вугілля, горючі сланці та природний газ.

Деякі парафіни і власне парафін добувають з озокериту. Озокерит — викопна речовина нафтового походження, яка за хімічним складом є сумішшю вищих алканів, смол і мінеральних масел. Як і парафін, озокерит застосовують у медицині для лікування теплом при різного роду невралгіях, невритах, плекситах тощо. Поряд з парафіном та озокеритом у медичній практиці широко використовують як мазеві основи вазелін (суміш рідких і твердих алканів від С12 до С25); вазелінову олію (суміш алканів до С15). Вазелінова олія широко використовується також у парфумерно-косметичній промисловості.

Н.в. застосовуються і в інших галузях народного господарства: становлять значну частку моторного та ракетного пального; хороші розчинники; є основною базою для одержання різноманітних органічних сполук; важливою сировиною у процесах одержання напівпродуктів для виробництва пластмас, синтетичних каучуків та волокон, мийних засобів та ін. Н.в. нормальної будови використовують як поживний субстрат у мікробіологічному синтезі білка з нафти.

Общая органическая химия. — В 12 т. / Под общ. ред. Д. Бартона, У.Д. Оллиса. — Т. 1; Стереохимия, углеводороды, галогенсодержащие соединения / Под ред. Дж.Ф. Стоддарта. — М., 1981; Черных В.П., Зименковский Б.С., Гриценко И.С. Органическая химия / Под общ. ред. В.П. Черных. — 2 изд. — Х., 2007.