Alkany i Cykloalkany
CnH2n+2 CnH2n
Alkany - węglowodory nasycone RH
węglowodory ponieważ składają się jedynie z atomów C i H
nasycone, bo zawierają jedynie pojedyncze wiązania C  C i tym samym mają
maksymalną możliwą liczbę atomów H.
Alkany  związki alifatyczne (od greckiego słowa aleiphas  tłuszcz )
lub parafiny ( od łacińskiego parum affinis co oznacza  niewielkie powinowactwo ) .
Określenie to trafnie wskazuje na małe powinowactwo alkanów do innych związków i ich
obojętność chemiczną w stosunku do większości odczynników chemicznych.
Związki, w których atomy węgla połączone są w szereg noszą nazwę alkanów normalnych lub
alkanów nierozgałęzionych.
Nazwy alkanów nierozgałęzionych
Liczba atomów Nazwa Wzór Liczba atomów Nazwa Wzór
Węgla (n) CnH2n+2 Węgla (n) CnH2n+2
1 metan CH4 16 heksadekan C16H34
2 etan C2H6 17 heptadekan C17H36
3 propan C3H8 18 oktadekan C18H38
4 butan C4H10 19 nonadekan C19H40
5 pentan C5H12 20 ejkozan C20H42
6 heksan C6H14 21 henejkozan C21H44
7 heptan C7H16 22 dokozan C22H46
8 oktan C8H18 23 trikozan C23H48
9 nonan C9H20 24 tetrakozan C24H50
10 dekan C10H22 25 pentakozan C25H52
11 undekan C11H24 26 heksakozan C26H54
12 dodekan C12H26 27 heptakozan C27H56
13 tridekan C13H28 28 oktakozan C28H58
14 tetradekan C14H30 29 nonakozan C29H60
15 pentadekan C15H32 30 triakontan C30H62
Grupy alkilowe
Jeśli atom wodoru zostanie usunięty z alkanu, częściowa struktura, która pozostała nosi
nazwę grupy alkilowej R
Nazwy grup alkilowych powstają w wyniku zastąpienia zakończenia  an występującego w
macierzystym alkanie, przyrostkiem  yl
CH4 metan CH3-metyl Me
CH3CH3 etan CH3CH2-etylEt
CH3CH2CH3 propan CH3CH2CH2- n-propyl n-Pr (Pr)
(CH3)2CH i-propyl i-Pr
C C C CH3CHCH3
H
n-butyl n-Bu
C C C C H CH3CH2CH2CH2
sec-butyl sec-Bu
CH3CHCH2CH3
C C C C
H
C
i-butyl i-Bu
(CH3)2CHCH2
C C C H
CH3
C
tert-butyl tert-Bu
(CH3)3C
CH3 C
C C C
CH3
H
Rzędowość węgla  z iloma atomami węgla połączony jest dany atom węgla
H
CH3 CH3
R C H
1o I rz
CH3CCH2CHCH3
H
CH3
R
CH3 CH3
1o 2o 3o 4o
R C H
2o II rz
CH3CCH2CHCH3
H
CH3
R
R C H
3o III rz
R
R
4o IV rz
R C R
R
H
0o
H C H
H
Nazewnictwo alkanów
System nazewnictwa zaleciła IUPAC
 Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej
(ang. International Union of Pure and Applied Chemistry)
PRZEDROSTEK-RDZEC
-PRZYROSTEK
Jaka to rodzina związków?
Określenie miejsca Ile atomów
Określenie grupy funkcyjnej
podstawnika węgla
Nazewnictwo alkanów
1. Określ nazwę macierzystego związku:
a) znajdz
najdłuższy ciągły łańcuch węglowy obecny w cząsteczce i użyj nazwy tego
łańcucha, jako nazwy macierzystej.
CH2CH3 CH2CH3
6 węgli nazwa od heksanu
CH3CH2CH2CH CH3 CH3CH2CH2CH CH3
CH2CH3 CH2CH3
7 węgli nazwa od heptanu
CH3CHCHCH2CH3 CH3CHCHCH2CH3
CH2CH2CH3 CH2CH2CH3
b) jeśli obecne są dwa różne łańcuchy o równej długości,
to za łańcuch macierzysty wybierz ten o większej liczbie punktów rozgałęzienia:
CH3 CH3 CH3
CH3CHCHCH2CH2CH3 CH3CHCHCH2CH2CH3 CH3CHCHCH2CH2CH3
CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3
nazwany jako heksan nazwany jako heksan
z dwoma podstawnikami z jednym podstawnikiem
2. Ponumeruj atomy w łańcuchu głównym:
a) rozpoczynając od końca najbliższego pierwszego rozgałęzienia. Oznacz cyfrą każdy atom
węgla w łańcuchu macierzystym.
4
4 7
6
2 1
CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3
CH3CHCHCH2CH3 CH3CHCHCH2CH3 CH3CHCHCH2CH3
3
5
CH2CH2CH3 CH2CH2CH3 CH2CH2CH3
3 2 1
5 6
7
pierwsze rozgałęzienie pierwsze rozgałęzienie
przy C3 przy C4
b) jeśli rozgałęzienie usytuowane jest w równej odległości od obydwu końców łańcucha
macierzystego, numerowanie rozpocznij od końca najbliższego drugiego punktu rozgałęzienia :
CH2CH3 CH3
Liczba utworzona z kolejnych liczb lokantów musi być
CH3CHCH2CH2CHCHCH2CH3
jak najmniejsza:
CH2CH3
1
2
8 9
CH2CH3 CH33 2 1
CH2CH3 CH37 8 9
CH3CHCH2CH2CHCHCH2CH3
CH3CHCH2CH2CHCHCH2CH3
4 5 6 5 4
3 7 6
CH2CH3
CH2CH3
3,4,7
3,6,7
3. Określ i ponumeruj podstawniki:
a) oznacz cyfrowo każdy podstawnik zgodnie z jego miejscem dołączenia do łańcucha głównego:
CH3
8
9
CH2CH3
3 2 1
A
ańcuch macierzysty skład się z 9 węgli - nonan
CH3CHCH2CH2CHCHCH2CH3
7 6 5 4
CH2CH3
Podstawniki: na C3 C2H5 - 3-etylo
na C4 CH3 -4-metylo
na C7 CH3 -7-metylo
b) jeśli na danym atomie węgla znajdują się dwa podstawniki, oznacz obydwa tą samą cyfrą.
Ile jest podstawników, tyle musi być cyfr oznaczających miejsce podstawienia:
CH3 CH3
CH3CH2CCH2CHCH3
Podstawniki: na C2 CH3-2-metylo
CH2CH3
na C4 CH3-4-metylo
CH3 CH3
na C4 CH3CH2- 4-etylo
6 5 4
CH3CH2CCH2CHCH3
3 2
CH2CH3 1
4. Zapisz nazwę w postaci jednego słowa, stosując łączniki do rozdzielenia różnych
przedrostków i stosując przecinki do rozdzielenia cyfr.
Jeśli jest więcej takich samych podstawników użyj przedrostka:
2di-
3tri-
4 tetra
5penta
6heksa
Podstawniki podajemy w kolejności alfabetycznej nie zwracając uwagi na przedrostki di-, tri-
itd., i-, sec-, t-, tert-.
izopropylo, izobutylo itp. pisane razem zaczynają się na literę  i .
CH3 CH3 CH2CH3 CH3
CH3CH2CCH2CHCH3 CH3CHCH2CH2CHCHCH2CH3
CH2CH3 CH2CH3
4-etylo-2,4-dimetyloheksan 3-etylo-4,7-dimetylononan
CH3
CH2CH3
CH3CHCHCH2CH2CH3
CH3CHCHCH2CH3
CH2CH3
CH2CH2CH3
4-etylo-3-metyloheptan 3-etylo-2-metyloheksan
Nazewnictwo cykloalkanów
1. Ustal liczbę atomów węgla w pierścieniu i w największym podstawniku.
Jeśli liczba atomów węgla w pierścieniu jest równa liczbie atomów węgla w największym
podstawniku lub większa od niej, związek przyjmuje nazwę od cykloalkanu podstawionego
grupą alkilową.
1
3
6
5
n-butylocykloheksan
1 4
2
4 2
3
Jeśli liczba atomów węgla w największym podstawniku jest większa od liczby atomów węgla
w pierścieniu, związek przyjmuje nazwę od alkanu podstawionego grupą cykloalkilową:
3 5
1
1-cyklobutylopentan
2 4
2. Dla cykloalkanów podstawionych grupą alkilową oznaczanie pozycji rozpoczyna się od
punktu dołączenia podstawnika.
Podstawniki w pierścieniu numeruje się tak, aby suma numerów podstawionch atomów
węgla była jak najmniejsza.
CH3 CH3
1
1
6 2
2 6
3
5
5
3
CH3 CH3
4
4
1,3-dimetylocykloheksan 1,5-dimetylocykloheksan
1 + 3 = 4 1 + 5 = 6
Kiedy w cząsteczce obecne są dwie lub więcej grup alkilowych, numerujemy je w kolejności
alfabetycznej:
CH3
2
1 CH2CH3 1-etylo-2-metylocyklopentan
3
4 5
Jeżeli obecny jest atom fluorowca, to postępujemy z nim dokładnie tak samo jak z grupami
alkilowymi:
CH3
1-bromo-3-metylocykloheksan
2
4
3
1
5
Br
6
Br
6
2
1
1-bromo-3-etylo-5-metylocykloheksan
5
3
CH3CH2 4 CH3
Izomeria cis-trans w cykloalkanach
projekcja Haworth a
Br Br
CH3
CH3 CH3
Cl
CH3
Cl
(1) (2) (3) (4)
(1) cis-1,2-dimetylocyklopropan (3) cis-1,2-dibromocyklopentan
(2) trans-1,2-dimetylocyklopropan (4) trans-1,3-dichlorocykloheksan
Stereochemia alkanów i cykloalkanów
Wokół wiązań pojedynczych C  C w cząsteczkach otwartołańcuchowych dochodzi do
swobodnego obrotu (rotacji).
Różne rozmieszczenie atomów w przestrzeni, wynikające z rotacji wokół wiązania
pojedynczego, nosi nazwę konformacji.
Konkretna, względnie trwała konformacja nazywa się konformerem (konformacyjny izomer).
Odmiennie, niż w przypadku izomerów konstytucyjnych, różne konformery na ogół nie mogą
być wyizolowane, ponieważ ich wzajemne przemiany zachodzą zbyt szybko.
Chemicy przedstawiają izomery konformacyjne w dwojaki sposób:
W projekcji konikowej (koziołkowej)
W projekcji tej rozpatruje się wiązanie węgiel  węgiel patrząc na nie z ukosa.
obrót wokół wiązania C2  C3
CH3CH2CH2CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
obrót węgla z tyłu
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
obrót węgla z przodu
W projekcji Newmana patrzymy na cząsteczkę wzdłuż wiązania węgiel  węgiel bezpośrednio.
Dwa atomy węgla przedstawiane są jako koło
przedni atom węgla atom węgla
będący z tyłu
CH3
CH3
CH3
CH3
obrót węgla z tyłu
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Konformacja synklinalna antyperiplanarna
naprzemianległa
najtrwalsza
CH
CH3
CH3
CH33
CH3
CH3
synperiplanarna
naprzeciwległa
najmniej trwała
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H H
H H
CH3
CH3
H H
H H
CH3
CH3 CH3
H
H
H H
H H
H H
CH3
CH3
CH3
CH2CH3 CH2CH3
CH2OH
OH CH2Br
CH3
CH2CH3 CH2CH3
H H
H H H H
H H
H H H H
CH2OH
OH CH2Br
obrót wokół wiązania C1 C2 obrót wokół wiązania C2 C3 obrót wokół wiązania C2-C3
w 1-butanolu w 1-butanolu w 1-bromopentanie
Konformacje cykloheksanu
Cykloheksan nie jest płaski.
Jest pofałdowany w przestrzeni trójwymiarowej, co umożliwia usunięcie wszelkich naprężeń.
Kąt C-C-C cykloheksanu może osiągnąć wartość tetraedryczną 109,5o, jeżeli pierścień
przyjmuje konformację krzesłową.
Pozycje:
aksjalne aksjalne ekwatorialne ekwatorialne
1
4
6
5
6
5
2 3
2 4
3
1
x
ruch tego atomu
węgla w dół
4
6
5
2
3
1
ruch tego atomu
węgla w górę
 przekręt pierścienia
1
5
6
3
2 4
x
Konformacje cykloheksanów jednopodstawionych
oddziaływania
1,3-diaksjalne
H CH3
H
CH3
H CH3
H
CH3
Konformacje cykloheksanów dwupodstawionych
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
e,a a,e
cis-1,2-dimetylocykloheksan
Te dwie konformacje są dokładnie równe energetycznie
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
trans-1,2-dimetylocykloheksan
e,e a,a
> 99%
Uprzywilejowane pozycje ekwatorialne  brak oddziaływań 1,3-diaksjalnych.
Duże objętościowo podstawniki będą zawsze  wolały pozycję ekwatorialną.
Otrzymywanie alkanów
Na skalę przemysłowążródłem alkanów jest przede wszystkim destylacja frakcyjna ropy naftowej.
Temp. wrzenia Liczba atomów Nazwa frakcji
frakcji [ o C ] węgla
<20 C1  C4 gaz naturalny
gaz rafineryjny
20  60 C5  C6 eter naftowy
60 - 100 C6  C7 ligroina
40 - 200 C5  C10 benzyna
180 - 300 C11  C14 nafta
250 - 400 C12  C25 olej napędowy
Destylacja pod
oleje smarowe i
zmniejszonym
woski
ciśnieniem
nielotna smolista asfalt, mazut
pozostałość
Właściwości fizyczne alkanów
Alkan t.t. oC t.wrz. oC
Gaz w temp. pokoj. CH4 - 183 - 161,5
C2H6 - 172 - 88,6
C3H8 -188 - 42
C4H10 - 132 - 0,5
Ciecz w temp. pok. C5H12 - 130 36,1
C6H14 - 95 68,7
C7H16 - 91 98,4
C8H18 - 57 125,7
C14H30 6 253
C15H32 10 270
C16H34 18 287
C17H36 22 303
Ciało stałe C18H38 28 308
C19H40 32 330
C20H42 36 344
Synteza alkanów
1. Uwodornienie alkenów:
H2
kat. = Pt, Pd, Ni
C C
C C
kat.
H H
2. Redukcja halogenków alkili:
a) hydroliza odczynnika Grignarda
eter H2O
R-X + Mg RMgX R-H
związek
Grignarda
b) redukcja metalem w środowisku kwaśnym:
R-X + Zn + H+ R-H + ZnX2
c) uwodornienie katalityczne:
H2
R-X R-H + HXx
kat.
3. Redukcja związków karbonylowych:
R
Zn / Hg
R
C O
R C H
R HCl
H
R
1. H2NNH2
R
C O R C H
2. KOH, "t
R
H
4. Reakcja Wurtza: (tylko do otrzymywania symetrycznych alkanów)
2 R-X + 2 Na R-R + 2 NaX
Reakcje alkanów
1. Utlenianie  spalanie
RH + O2 CO2 + H2O
CO + H2O
C + H2O
2. Halogenowanie alkanów, SR - substytucja rodnikowa, reakcja łańcuchowa
Cl2
R-H R-Cl + HCl
x
h�
Br2
R-H R-Br + HBrx
h�
F2 reaguje wybuchowo
I2  w ogóle
Mechanizm reakcji halogenowania alkanów:
1. Etap inicjowania łańcucha:
h�
Cl Cl 2 Cl
Energia wiązań:
Cl-Cl 243 kJ / mol 58 kcal / mol
C-H 420 104
C-C 356 90
H-H 436 kJ / mol 104 kcal / mol
F-F 151 38
2. Etap wzrostu łańcucha ( propagacji) :
a)
Cl + +
H R H Cl
R
b)
R
+ Cl Cl +
R Cl
Cl
Ciągłe powtarzanie się etapów a) i b)
3. Terminacja (zakończenie reakcji):
+ R R
R R
Cl + Cl Cl 2
R Cl R Cl
+
Wolne rodniki nie ulegają przegrupowaniu.
Trwałość rodników: 3o >2o >1o
Brom jest mniej reaktywny niż chlor a więc bardziej selektywny.
Cl2
CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3
h�
x
Cl
55%
45%
CH3CH2CH3
Br2
CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3
h�
x
Br
97%
3%
W reakcji z bromem decyduje trwałość powstających rodników alkilowych : 2o >1o
Reakcje cykloalkanów
Cyklopropan i cyklobutan są bardzo reaktywne ze względu na naprężenia w pierścieniu.
A
atwo ulegają reakcjom prowadzącym do otwarcia pierścienia
i powstania produktów łańcuchowych.
HBr
CH3CH2CH2Br
Br2
BrCH2CH2CH2Br
kat.
H2
CH3CH2CH3
kat.
Cl
Cl2
+ HCl SRx
h�
C5, C6 i wyżej - cykloalkany reagują podobnie jak alkany