Получение алканов

Главный природный источник алканов — природный газ (в основном метан), попутный нефтяной газ (этан, пропан, бутаны) и нефть. Из них алканы выделяют перегонкой. В лаборатории и в задачах ЕГЭ алканы получают реакциями, в которых углеродная цепь сохраняется, удлиняется или укорачивается. Различать эти случаи важно для цепочек превращений: по числу атомов углерода в продукте видно, какой способ использован.

Цепь не меняется: гидрирование

Алкены, алкины и диены присоединяют водород при нагревании с никелем или платиной и превращаются в алканы с тем же скелетом:

\[ \ce{CH2=CH-CH3 + H2 ->[Ni, t^\circ] CH3-CH2-CH3}; \qquad \ce{HC#CH + 2H2 ->[Ni, t^\circ] CH3-CH3} \]

Алкан с тем же числом атомов углерода получается и из галогеналкана при восстановлении, например иодоводородом: \(\ce{CH3-CH2-I + HI -> CH3-CH3 + I2}\).

Цепь удлиняется вдвое: реакция Вюрца

При нагревании галогеналкана с металлическим натрием два углеводородных радикала соединяются, и получается алкан с удвоенной цепью (реакция Вюрца):

\[ \ce{2CH3-CH2-Br + 2Na -> CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr} \]

\[ \ce{2CH3-CHCl-CH3 + 2Na -> CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3 + 2NaCl} \quad (\text{2,3-диметилбутан}) \]

Если взять смесь двух разных галогеналканов, получится смесь трёх алканов: из \(\ce{CH3Br}\) и \(\ce{C2H5Br}\) — этан, пропан и бутан. Поэтому для получения несимметричных алканов реакция Вюрца неудобна.

Цепь удлиняется вдвое: электролиз по Кольбе

При электролизе водного раствора соли карбоновой кислоты на аноде образуются радикалы, которые соединяются попарно (синтез Кольбе). Из ацетата натрия получается этан:

\[ \ce{2CH3-COONa + 2H2O ->[\text{электролиз}] CH3-CH3 ^ + 2CO2 ^ + H2 ^ + 2NaOH} \]

Этан и \(\ce{CO2}\) выделяются на аноде, водород — на катоде, щёлочь накапливается в растворе.

Цепь укорачивается на один атом: реакция Дюма

При сплавлении соли карбоновой кислоты со щёлочью от молекулы отщепляется карбоксильная группа в виде карбоната — это декарбоксилирование (реакция Дюма). Алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная соль:

\[ \ce{CH3-COONa + NaOH ->[t^\circ] CH4 ^ + Na2CO3} \]

\[ \ce{CH3-CH2-COONa + NaOH ->[t^\circ] CH3-CH3 ^ + Na2CO3} \]

Метан из карбида алюминия и из синтез-газа

Карбид алюминия гидролизуется водой с выделением метана; с соляной кислотой вместо гидроксида алюминия образуется хлорид:

\[ \ce{Al4C3 + 12H2O -> 3CH4 ^ + 4Al(OH)3 v}; \qquad \ce{Al4C3 + 12HCl -> 3CH4 ^ + 4AlCl3} \]

В промышленности смесь алканов получают из синтез-газа на кобальтовом или железном катализаторе (синтез Фишера — Тропша): \(\ce{$n$CO + ($2n+1$)H2 -> C_nH_{2n+2} + $n$H2O}\). Метан образуется и при прямом соединении углерода с водородом: \(\ce{C + 2H2 ->[Ni, t^\circ] CH4}\).