آلکانها

آلکانها دسته ای از هیدروکربنهای آلیفاتیک هستند که در آنها فقط پیوندهای ساده یا یگانه بدون حلقه داریم. بعبارتی آلکانها هیدروکربنهای غیر حلقوی هستند که پیوندهای کربن–کربن دوگانه () یا سه گانه () ندارند. فرمول مولکولی عمومی آلکانها بصورت  است (بعبارتی در آلکانها تعداد اتمهای هیدروژن دوبرابر تعداد اتمهای کربن بعلاوه دو است) که  هر عدد طبیعی می تواند باشد که بعنوان مثال میتوان  و ... با ساختارهای زیر را در نظر گرفت:

ایزومری در آلکانها

در آلکانها می توانیم ایزومری داشته باشیم که از تغییر نحوه اتصال اتمهای کربن بهم یا به اصطلاح تغییر اسکلت کربنی مولکول ناشی می شود. بعنوان مثال برای آلکان به فرمول  دو ایزومری ساختاری زیر را می توان در نظر گرفت:

در این راستا، آلکانها را می توان به دو دسته راست زنجیر (نرمال) و شاخه دار طبقه بندی نمود. در آلکانهای راست زنجیر کلیه اتمهای کربن بصورت پشت سرهم بدون اتصالات جانبی کربنهای دیگر برروی یک زنجیر قرار می گیرند. در حالیکه در آلکانهای شاخه دار نمی توان تمامی اتمهای کربن موجود را برروی یک زنجیر در نظر گرفت و بایستی چند زنجیر متصل بهم برای آنها در نظر گرفته شود که در اینجا یک زنجیر با بیشترین تعداد اتم کربن بعنوان زنجیر اصلی انتخاب می شود و مابقی زنجیرها بعنوان زنجیرهای جانبی یا شاخه های متصل به آن در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال برای ساختارهای رسم شده برای  در شکل قبلی ایزومر سمت چپ یک آلکان راست زنجیر است، درحالیکه ایزومر سمت راست یک آلکان شاخه دار است و می توان آن را به صورت مجموع یک زنجیر اصلی با سه اتم کربن و یک زنجیر جانبی با یک اتم کربن که از طریق کربن دوم زنجیر اصلی به زنجیر اصلی وصل می شود، در نظر گرفت.

بنابراین با تغییر اسکلت کربنی یا در واقع تغییر نوع، تعداد و محل اتصال شاخه ها در آلکانها ایزومری به وجود می آید. بعنوان مثال دیگر ایزومریهای آلکان با فرمول  را در نظر می گیریم:

دقت داشته باشید که شکل اصلی ساختار اسکلت کربنی مهم است و نمایشهای مختلف برای یک اسکلت کربنی یکسان به معنای ایزومری و مواد مختلف نیست. بعنوان مثال کلیه نمایشهای زیر برای یک ماده یا ایزومری هستند و نمایانگر مواد یا ایزومرهای مختلف نیستند:

با افزایش تعداد اتمهای کربن یک آلکان، تعداد ایزومرهای آن به سرعت افزایش می یابد. بعنوان مثال برای:  تعداد ایزومرها به ترتیب برابر 1، 1، 1، 2، 3، 5، 355، 27711253769، 22158734535770411074184 هستند.

نامگذاری آلکانها

برای نامگذاری ترکیبات آلی هم از نامگذاری آیوپاک () و هم نامگذاری غیر آیوپاک استفاده می شود. نامگذاری آیوپاک یک نامگذاری سیستماتیک است که در آن نام ترکیب با طی یک سری مراحل براساس یک سری قواعد بدست می آید. نامگذاری غیر آیوپاک یا معمولی، نامگذاری است که براساس پیروی کامل از قواعد آیوپاک صورت نمی گیرد و نام ترکیب براساس مواردی مثل نام تجاری، محل کشف، نام کاشف و...... یا یک سری قواعد که قابل اعمال بر روی همه ترکیبات نیستند، بدست می آید.

در نامگذاری آیوپاک آلکانها، آلکانهای راست زنجیر از اول براساس تعداد اتمهای کربن نام معلومی دارند و آلکانهای شاخه دار بصورت مشتقات آلکانهای راست زنجیر نامگذاری می شوند. نام آلکانهای راست زنجیر بصورت مجموع پیشوند «آلک» مشخص کننده تعداد اتمهای کربن زنجیر و پسوند «ان» مشخص کننده آلکان بودن ترکیب است. جدول زیر تعدادی از پیشوندهای یاد شده را لیست کرده است:

تعداد اتمهای کربن	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	15	20
پیشوند	مت	ات	پروپ	بوت	پنت	هگز	هپت	اکت	نون	دک	پنتادک	ایکوز

بعنوان مثال نام آلکانهای راست زنجیر با فرمول  به ترتیب متان، بوتان و دکان است. درمورد آلکانهای راست زنجیر ممکن است پیشوند -n یا نرمال به معنای راست زنجیری بودن قبل از نام بکار رود.

برای آلکانهای شاخه دار که چند زنجیر دارند، یک زنجیر بعنوان زنجیر اصلی انتخاب می شود و مابقی زنجیرها بعنوان شاخه های زنجیر اصلی درنظر گرفته می شوند. زنجیر اصلی زنجیری است که تعداد اتمهای کربن بیشتری داشته باشد. درصورتیکه دو یا چند زنجیر بطور همزمان بیشترین تعداد اتم های کربن را داشته باشند، زنجیر اصلی بین آنها زنجیری انتخاب می شود که شاخه ها یا استخلاف های بیشتری داشته باشد. نام زنجیر اصلی براساس تعداد اتمهای کربن آن (ونه کل ترکیب) مشابه آلکانهای راست زنجیر انتخاب می شود.

بعد از انتخاب زنجیر اصلی، قسمتهای باقیمانده مولکول که در زنجیر اصلی نیستند و بعنوان انشعابات یا شاخه ها بر روی آن قرار گرفته اند، مشخص و نامگذاری می شوند. زنجیرهای کربنی جانبی بصورت آلکیل نامگذاری می شوند که پیشوند «آلک» بیانگر تعداد اتمهای کربن وپسوند «ایل» بیانگر شاخه جانبی یا استخلاف بودن است. بعنوان مثال نام استخلاف ها یا گروهها یا شاخه های  بترتیب متیل و اتیل است. بعد از نامگذاری شاخه ها، زنجیر اصلی شماره گذاری می شود. برای شماره گذاری زنجیر اصلی دوجهت (مثلا از سربه ته و از ته به سر) می توان در نظر گرفت که جهتی انتخاب می شود که شماره های کمتری برای شاخه ها نتیجه دهد یا دقیقتر بگوئیم اولین شماره (کمترین شماره) در آن در مقایسه با جهت دیگر کمتر باشد و اگر اولین شماره ها یکسان بودند، دومین شماره ها برای دو جهت شماره گذاری ممکن بایستی مقایسه شوند و الی آخر.

در نهایت نام ماده با ترکیب محل شاخه ها (موقعیت قرار گیری شاخه روی زنجیر اصلی یا شماره اتم کربن زنجیره اصلی که شاخه بدان متصل است)، نام شاخه ها و نام زنجیر اصلی بدست می آید. محل شاخه و نام شاخه با یک هایپن «-» از هم جدا می شوند. بعبارت دیگر مراحل زیر بایستی در نامگذاری آلکانهای شاخه دار طی شوند:

1- انتخاب و نامگذاری زنجیر اصلی

2- تشخیص و نامگذاری شاخه های جانبی

3- انتخاب جهت شماره گذاری زنجیر اصلی و شماره گذاری آن

4- ترکیب محل و نام شاخه ها با نام زنجیر اصلی

بعنوان مثال ترکیب زیر را در نظر بگیرید:

برای نامگذاری این ترکیب که یک آلکان شاخه دار است، در ابتدا زنجیر اصلی آن را تعیین می کنیم. برای این ترکیب سه زنجیر بعنوان کاندیدای زنجیر اصلی می توان در نظر گرفت که در شکل زیر نمایش داده شده و با شماره مشخص شده اند:

زنجیرهای 1 و 2 و 3 مشخص شده به ترتیب دارای 7 و 6 و 4 اتم کربن هستند و بنابراین زنجیر 1 که بیشترین تعداد کربن را دارد، زنجیر اصلی است. با معلوم شدن زنجیر اصلی، شاخه های جانبی متصل به آن را شناسایی و نامگذاری می کنیم. باتوجه به شکل قبلی برروی زنجیر اصلی فقط یک شاخه آنهم با یک اتم کربن داریم، بنابراین یک شاخه متیل داریم. سپس زنجیر اصلی را شماره گذاری می کنیم که برای شماره گذاری آن دو جهت بصورت زیر می توان در نظر گرفت:

از بین این دو جهت شماره گذاری، شماره گذاری سمت راست که در آن به شاخه جانبی شماره کمتری میرسد، انتخاب می شود. پس گروه یا شاخه متیل در ماده یاد شده بر روی کربن شماره 3 زنجیره اصلی قرار دارد. این مطلب بصورت 3-متیل مشخص می شود. درنهایت نام ترکیب با ترکیب محل و نام شاخه ها با نام زنجیر اصلی بصورت 3-متیل هپتان بدست می آید.

در صورتیکه دو یا چند شاخه مختلف بر روی زنجیر اصلی داشته باشیم، موقع ترکیب محل و نام شاخه ها با نام زنجیر اصلی، شاخه ها را به ترتیب حروف الفبای لاتین مستقل از بزرگی یا کوچکی شماره محل شاخه ذکر می کنیم. یعنی شاخه ای که از نظر حروف الفبای لاتین مقدمتر است، زودتر ذکر می شود. بعنوان مثال بین دو شاخه یا گروه متیل و اتیل، اتیل () که با  شروع می شود، بر متیل () که با  شروع می شود مقدمتر است، چون در حروف الفبای لاتین  بر  مقدم است. بنابراین نام ترکیب زیر 3-اتیل-2-متیل اکتان و نه 2-متیل-3-اتیل اکتان است:

در صورتیکه دو یا چند شاخه یکسان بر روی زنجیر اصلی داشته باشیم، نام شاخه فقط یکبار ذکر می شود و تعداد آن شاخه ها با پیشوندهای دی (برای دو)، تری (برای سه)، تترا (برای چهار) و ... قبل از نام شاخه مشخص می شود. محل شاخه ها با اعدادی که توسط ویرگول از هم جدا می شوند، مشخص می شوند و اعداد بترتیب بزرگی آنها ذکر می شوند. دقت داشته باشید که حتی اگر محل شاخه ها یکسان هم باشد، برای محل هر شاخه یک عدد بکار می رود. پیشوندهای دی، تری، و ... در تعیین اولویت حروف الفبایی شاخه ها دخالت داده نمی شوند. بعنوان مثال داریم:

3-اتیل--دی متیل پنتان	-دی متیل بوتان	-دی متیل بوتان

دقت داشته باشید که در تعیین جهت شماره گذاری، به کوچکتر بودن شماره اول (در صورت یکسان بودن، شماره دوم و الی آخر) توجه می کنیم و مجموع شماره ها برای ما مهم نیست. بعنوان مثال ترکیب زیر را در نظر بگیرید:

در صورتیکه از چپ براست زنجیر اصلی را شماره گذاری کنیم، نام ترکیب - تترا متیل نونان خواهد بود، در حالیکه اگر از راست به چپ شماره گذاری کنیم، نام ترکیب - تترامتیل نونان خواهد بود. نام اول از نظر آیوپاک درست است، چرا که شماره اول آن یعنی 2 از شماره اول نام دوم یعنی 3 کمتر است، با وجود اینکه مجموع شماره ها در نام اول 22 و در نام دوم 18 است.

در صورتیکه شماره گذاری از دو جهت، کاملا یکسان باشد، ملاک انتخاب جهت شماره گذاری، تقدم حروف الفبایی شاخه ها خواهد بود. بعبارتی شماره گذاری از جهتی انجام خواهد شد که شماره اول آن (کوچکترین) به شاخه مقدمتر در حروف الفبایی می رسد و اگر از دو جهت شاخه های شماره اول یکسان باشند، تقدم حروف الفبایی شاخه های شماره دوم را در نظر می گیریم و الی آخر. بعنوان مثال نام ترکیب زیر 3-اتیل-5-متیل هپتان و نه 5-اتیل-3- متیل هپتان است:

مثال: تمام ایزومرهای ساختاری آلکانها با پنج اتم کربن () و هفت اتم کربن () را رسم و نامگذاری کنید.

حل:

برای داریم:

-دی متیل پروپان	2- متیل بوتان	پنتان (n-پنتان)

برای  داریم:

3- متیل هگزان	2- متیل هگزان	هپتان (n-هپتان)
- دی متیل پنتان	- دی متیل پنتان	- دی متیل پنتان
-تری متیل بوتان	- اتیل پنتان	- دی متیل پنتان

*****

در صورتیکه شاخه های جانبی زنجیر اصلی ماده آلی خود متشکل از چند زنجیر باشند، نام شاخه جانبی بصورت ترکیب محل و نام شاخه های جانبی اش با نام زنجیر اصلی اش نوشته خواهد شد. زنجیر اصلی شاخه جانبی حتما باید از کربن متصل به زنجیر اصلی ماده آلی شروع شود و جهت شماره گذاری نیز حتما از کربن متصل به زنجیر اصلی ماده آلی به سمت کربنهای دورتر است. بعبارتی به کربن متصل به زنجیر اصلی حتما شماره یک می رسد. مابقی اصول نامگذاری در اینجا نیز همان اصول نامگذاری بحث شده قبلی هستند.

برای چنین شاخه های جانبی که خود شاخه دارند (و ممکن است به اصطلاح شاخه های جانبی پیچیده خوانده شوند) کل نام درون پرانتز قرار میگیرد و بعنوان مثال داریم (در شکلهای زیر شاخه جانبی پیچیده با یک دایره بدورش نمایش داده شده و شماره گذاری آن نیز مشخص شده است):

-(-متیل پروپیل) دکان	- (-دی متیل اتیل) هپتان

خواص فیزیکی آلکانها

آلکانها ترکیباتی بیرنگ و بی بو هستند. بعلت قطبیت پایین پیوندهای کربن- هیدروژن (که از اختلاف الکترونگاتیویته کم آنها ناشی می شود) و جهت گیریهای مختلف تعداد زیادی از آنها در یک آلکان، آلکانها ترکیباتی غیرقطبی هستند و نیروهای بین مولکولی آنها از جنس لاندن هستند. بنابراین با افزایش اندازه (یا جرم) آلکان و افزایش سطح تماس مولکولها با هم (با دور شدن شکل مولکول از حالت کروی و میل کردن به حالت زنجیر راست) نیروهای بین مولکولی قویتر می شوند و دمای ذوب و جوش افزایش می یابد. بعنوان یک قاعده سرانگشتی گفته می شود که با افزایش هر کربن (هر )، دمای ذوب وجوش باندازه  تا  درجه سانتی گراد افزایش می یابد. قاعده یاد شده کمابیش در دیگر ترکیبات همولوگ نیز صادق است. در دما و فشار اتاق ( و)، تا  گاز، و به بعد جامد هستند..

در مقایسه دمای ذوب و جوش آلکانهای ایزومر (هم کربن یا با تعداد کربن برابر)، شاخه ای شدن بعلت کاهش سطح تماس مولکول ها با هم منجر به کاهش دمای ذوب و جوش می شود و آلکان راست زنجیر در مقایسه با ایزومرهای خود معمولا دمای ذوب و جوش بیشتری دارد. البته گاهی اوقات که شاخه دار شدن منجر به تقارن بالا در مولکول می شود، استثناءً ممکن است دمای ذوب (و نه دمای جوش) آلکان شاخه دار متقارن از آلکان راست زنجیر بیشتر باشد. بعنوان مثال دمای ذوب و جوش ایزومرهای  را در نظر بگیرید:

-دی متیل پروپان	2- متیل بوتان	پنتان (n-پنتان)

از آنجائیکه آلکانها ترکیباتی غیرقطبی هستند، در حلالهای غیرقطبی مثل بنزن ()، کربن تترا کلرید () و ... حل می شوند و در حلالهای قطبی مثل آب حل نمی شوند. آلکانها لیپوفیل یا چربی دوست و هیدروفوب یا آبگریز محسوب می شوند.

چگالی آلکانها با افزایش تعداد اتمهای کربن آنها افزایش می یابد. چگالی آلکانها از آب کمتر است، بنابراین بر روی آب قرار می گیرند.

خواص شیمیائی آلکانها

آلکانها با یونها و مواد قطبی به سختی واکنش می دهند و از این جهت پارافین (بیاثر) نامیده می شوند. بهرحال آلکانها در برخی واکنشهای دیگر مثل سوختن بخوبی شرکت می کنند و در کل به هیچ وجه نمی توان آنها را واکنش ناپذیر یا بی اثر مثل گازهای نجیب در نظر گرفت.

آلکانها در واکنش سوختن با اکسیژن ترکیب می شوند و در صورتیکه اکسیژن به مقدار کافی (استوکیومتری) موجود باشد،   و  را بعنوان محصولات حاصل از سوختن کامل خود تولید می کنند. واکنش سوختن عمومی آنها را تحت این شرایط می توان بصورت زیر در نظر گرفت:

درصورتیکه مقدار اکسیژن در واکنش سوختن آلکانها کافی نباشد، سوختن ناقص آلکانها را خواهیم داشت که بجای ،  یا حتی دوده (شکل نامنظمی از کربن) تولید می شود. بعنوان مثال می توان سوختن ناقص متان را در نظر گرفت:

همچنین آلکانها می توانند بطور مستقیم با هالوژنهای فلوئور، کلر و برم ترکیب شوند، واکنش هالوژندار شدن جانشینی (واکنشی که در آن برخی یا همه اتمهای هیدروژن آلکان با اتمهای هالوژن جانشین می شود) را انجام دهند و هالوآلکانها (ترکیبات هالوژندار)را تولید کنند. یک نمایش کلی برای این واکنش می تواند بصورت زیر باشد:

بعنوان مثال داریم:

جابجایی یک اتم هیدروژن با یک اتم هالوژن، مونوهالوژن دارشدن، جابحایی دو اتم هیدروژن با دو اتم هالوژن، دی هالوژن دار شدن و ... نیز نامیده می شود. موقع هالوژندار شدن آلکان محصولات مونوهالوژنه، دی هالوژنه و ... متنوعی می تواند تشکیل شود، تنها درصورتیکه مقدار آلکان به مراتب بیشتر از مقدار هالوژن باشد، محصول عمده محصول مونوهالوژنه خواهد بود. حتی در صورت مونو هالوژندارشدن، همواره امکان تشکیل محصولات یا ایزومرهای مختلف وجود خواهد داشت. بعنوان مثال واکنش مونوکلردار شدن پروپان را در نظر بگیرید که دو محصول زیر را تولید می کند که محصول سمت چپ با جابجایی یکی از اتمهای هیدروژن کربنهای واقع در سر و ته زنجیر با کلر و محصول سمت راست با جابجایی یکی از اتمهای هیدروژن کربن واقع در وسط زنجیر پروپان با کلر بدست می آید:

واکنش هالوژن دار شدن جانشینی آلکانها گرماده است و مقدار گرمای تولید شده در واکنش از برم به فلوئور افزایش می یابد، بطوریکه واکنش با فلوئور می تواند حالت انفجاری بخود بگیرد.

آلکانها واکنش های دیگری نیز مثل کراکینگ (شکسته شدن آلکان به مولکولهای کوچکتر)، ایزومراسیون (تبدیل ایزومرهای یک آلکان بهم)، نوآرایی (تولید ترکیبات حلقوی و آروماتیک از آلکان به اضافه هیدروژن بعنوان محصول جانبی) و واکنش با بخار آب و تولید هیدروژن و  و ... نیز انجام می دهند که انجام آنها معمولاَ نیازمند حرارت و کاتالیزور و تنظیم شرایط است.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||