НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ

Насичені вуглеводні (алкани, парафіни) — вуглеводні аліфатичного ряду, в молекулах яких атоми карбону зв’язані між собою простими ковалентними зв’язками. Загальна формула C_nH_2n + 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 T_кип, 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

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 T_пл = 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 насичених вуглеводнів супроводжуються гомолітичним розривом зв’язку С–Н із наступним заміщенням атомів водню на інші атоми або атомні групи. Реакції відбуваються за механізмом вільнорадикального заміщення (S_R). 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 насичених вуглеводнів із сумішшю SO₂ та Cl₂ за наявності УФ-опромінення утворюються сульфохлориди C_nH_2n+1SO₂Cl. Реакцією Н.в. з SO₂ та О₂ (сульфоокиснення) отримують сульфонові кислоти C_nH_2n+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

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.

Насичені вуглеводні 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. Насичені вуглеводні 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.