Izoalkany

Izoalkany patří společně s alkany do skupiny uhlovodíků alifatických, tzn. necyklických. Izoalkany jsou vlastně alkylderiváty alkanů. Pomyslně je můžeme odvodit odtržením jednoho atomu H z molekuly alkanu a připojením jednovazného alkylu, např. methylu (-CH3), ethylu (-C2H5), pentylu (-C5H11) apod. Postranních řetězců může mít molekula izoalkanu více a mohou být i dále rozvětvené. Izoalkany mají stejné sumární vzorce a stejnou molekulovou hmotnost jako alkany se stejným počtem uhlíkových atomů. Například izobutan má stejný sumární vzorec C4H10 jako butan, ale strukturní vzorec má jiný:

butan a 2-methyl/propan (izobutan)
butan a 2-methyl/propan (izobutan)

Izoalkany s 5 atomy C v molekule mohou mít řetězec rozvětvený dvěma způsoby:

pentan, 2-methylbutan (izopentan) a 2,2-dimethyl/propan (neopentan)
pentan, 2-methylbutan (izopentan) a 2,2-dimethyl/propan (neopentan)

Tento jev se nazývá izomerie (konstituční neboli polohová). Izopentan a neopentan jsou izomery, tj. sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, stejnou molekulovou hmotností, ale jinou strukturou. Izomery tohoto typu mají odlišné vlastnosti. Třetím izomerem v této skupině je pentan.

Izoalkan C6 má 4 izomery: 2-methylpentan, 3-methylpentan, 2,2-dimethylbutan a 2,3-dimethylbutan. Izoalkan C8 má 17 izomerů – jedním z nich je např. známá vysokooktanová složka automobilového benzínu – hodně rozvětvený izomer C8, 2,2,4-trimethylpentan, nesprávně (ale tradičně) označovaný jako izooktan.

Počet teoreticky možných izomerů rychle roste s rostoucí molekulovou hmotností izoalkanu. Například izoalkan C10 má 74 izomerů a počet izomerů C15 již přesahuje 4000.

Ropa, i když je velmi složitou směsí, neobsahuje všechny teoreticky možné izomery. Struktury izoalkanů v ropě jsou odvozeny ze skeletů přírodních organických sloučenin, takže některé struktury jsou silně preferovány a jiné se v ropě vůbec nevyskytují. V relativně vysokých koncentracích jsou v ropách přítomny 2-methylalkany a 3-methylalkany (tzv. anteisoalkany). Jejich zdrojem byly při vývoji ropy jednak přírodní vosky a rozvětvené mastné kyseliny obsažené v lipidové frakci planktonu, jednak odštěpování postranních řetězců ze skeletů terpenů a jiných přírodních látek v průběhu katageneze. V těžších podílech ropy jsou i 2-methyl- a 3-methylalkany s dlouhými řetězci. V parafínu, vedle tuhých alkanů, je vždy určitý podíl tuhých izoalkanů jako např. 2-methylpentakosanu (C26H54) a 3 methylpentakosanu.

Dvě zvláštní homologické řady methylalkanů byly nalezeny v ruských ropách z východní Sibiře a v ropě z jižního Ománu. V těchto prekambrijských ropách jsou v poměrně velkých koncentracích izoalkany C24 až C30 s methylovým substituentem uprostřed řetězce, tj. v poloze 12- nebo 13-, např. 12-methylnonakosan a izomerní 13-methylnonakosan a 12-methylhexakosan a izomerní 13-methylhexakosan. Oba izomery jsou v ropě přítomny ve stejných koncentracích, což znamená, že vznikají současně štěpením z jednoho prekurzoru. Byla vyslovena domněnka, že by takovým prekurzorem mohla být karboxylová kyselina s cyklopropanovým kruhem v dlouhém řetězci, např. 12,13-methylentetrakosanová kyselina.

cyklopropanový kruh v řetězci alkanu
cyklopropanový kruh v řetězci alkanu

Podobné kyseliny (s kratším řetězcem) jsou sice součástí lipidů některých bakterií, ale v planktonu se takové látky nevyskytují. Původ těchto raritních izoalkanů v ropě zůstává proto záhadou. Poněvadž se tyto methylalkany substituované uprostřed řetězce nacházejí pouze v těch nejstarších ropách a v mladších ropách a v recentních sedimentech se nevyskytují, převažuje nyní názor, že zdrojem výchozí látky mohly být mořské organismy, které vyhynuly již v prekambriu a na složení mladších rop již neměly vliv.

Zastoupení jednotlivých izomerů izoalkanů C6 až C10 v různých ropách je podrobně prozkoumáno. V tabulce je např. uvedeno složení izomerů C7H16 v ropách z velmi vzdálených nalezišť. Uvedené hodnoty potvrzují již dříve zmíněnou skutečnost, že i v ropách ze vzdálených lokalit jsou v určité strukturní třídě zastoupeny tytéž uhlovodíky, a to v přibližně stejných koncentracích.

A – ruská ropa (Grozněnská), B – africká ropa (Hassi-Messaud), C - severoamerické ropy (průměrné hodnoty 18 rop), D – izomerační rovnováha uhlovodíků C7H16.
A – ruská ropa (Grozněnská), B – africká ropa (Hassi-Messaud), C - severoamerické ropy (průměrné hodnoty 18 rop), D – izomerační rovnováha uhlovodíků C7H16.

V tabulce je v posledním sloupci uvedeno experimentálně zjištěné složení izomerů C7H16 po dosažení izomerační rovnováhy při teplotě 400 K. Hodnoty ukazují, že poměr izomerů v ropě neodpovídá izomerační rovnováze. Vysoký obsah heptanu v ropě je evidentně výsledkem štěpení delších alkanových řetězců. Vzdálenost od rovnováhy nejlépe demonstruje obsah termodynamicky nejstabilnějšího izomeru 2,3-dimethylpentanu. Ve všech zkoumaných ropách je jeho koncentrace relativně nízká a svědčí o tom, že ani u nejstarších rop z prvohor, za stovky milionů let při teplotě cca 200 °C, nebylo mezi těmito uhlovodíky dosaženo izomerační rovnováhy. V průběhu maturace (zrání, stárnutí) ropy probíhají zřejmě štěpné reakce rychleji než izomerace.

Některé ropné izoalkany C10 si zachovaly zcela zřetelně strukturu terpenů z původní organické hmoty. Například skelet 2,6-dimethyloktanu odpovídá monoterpenu myrcenu.

myrcen a 2,6-dimethyl/oktan
myrcen a 2,6-dimethyl/oktan

Jiným preferovaným typem izoalkanů jsou tzv. izoprenoidní alkany. Vyznačují se specifickou strukturou, ve které je řetězec alkanu substituován methyly v pravidelných odstupech (ob tři uhlíky). Hlavními představiteli jsou 2,6,10,14-tetramethylhexadekan (fytan), 2,6,10,14-tetramethyl pentadekan (pristan) a 2,6,10trimethyldodekan (farnesan). Prekurzorem těchto izoprenoidních alkanů je nejvýznamnější substance fytoplanktonu - chlorofyl. Molekula chlorofylu je neobyčejně složitá a k jedné její části je esterově vázán acyklický diterpenický alkohol fytol, který má v řetězci onu specifickou izoprenoidní strukturu. Uvedené izoprenoidní alkany C15, C19 a C20 se dají v ropných frakcích snadno stanovit plynovou chromatografií. Na nepolární fázi jsou jejich píky dobře odděleny od alkanů.

chromatogram motorové nafty; Fa - farnesan, P - pristan, F - fytan
chromatogram motorové nafty; Fa - farnesan, P - pristan, F - fytan

Jiné izoprenoidní alkany v ropě vznikly odštěpením fragmentů z dlouhých řetězců skvalanu (C30) a lykopanu (C40). Oba tyto ropné uhlovodíky mají nepravidelnou izoprenoidní strukturu - v jednom místě řetězce jsou mezi dvěma postranními methyly čtyři skupiny CH2 místo tří. Prekurzorem skvalanu (2,6,10,15,19,23-hexamethyltetrakosanu) je v přírodě hojně rozšířený acyklický triterpen skvalen se třemi dvojnými vazbami. Lykopan je 2,6,10,14,19,23,27,31-oktamethyldotriakontan. Vznikl nasycením 13 dvojných vazeb (z toho je 11 konjugovaných) lykopenu, což je acyklický oktamer izoprenu, vyskytující se v přírodě jako červené rostlinné barvivo, strukturně blízké karotenům.

Kontakty


fiogf49gjkf0d
Vysoká škola
chemicko-technologická
Technická 5
166 28 Praha 6 - Dejvice

Ústav technologie ropy a alternativních paliv
Ing. Daniel Maxa, Ph.D.
daniel.maxa@vscht.cz
Odborný garant

fiogf49gjkf0d
Odborným garantem tohoto portálu je Česká národní rada světové rady pro ropu (WPC). Česká národní rada reprezentuje Českou republiku ve Světové radě pro ropu.

WPC


Světová rada pro ropu (World Petroleum Council – WPC) je mezinárodní nevládní organizace, jejíž cílem je prosazování využití vědeckého pokroku, přenosu technologií a posuzování ekonomických, finančních, environmentálních a sociálních vlivů na využívání ropy. Více informací...

Odběr novinek


Přihlásit k odběru novinek
Partner projektu

Česká asociacepetrolejářského průmyslua obchodu

Česká asociace
petrolejářského průmyslu
a obchodu

fiogf49gjkf0d
Česká asociace petrolejářského průmyslu a obchodu (ČAPPO) je dobrovolným zájmovým sdružením petrolejářských společností, které trvale provozují na území České republiky tyto činnosti: • zpracování ropy • dovoz ropy a ropných výrobků • export výrobků z českých rafinérií • tuzemský velkoobchod s ropou a ropnými výrobky • provozování sítě čerpacích stanic pohonných hmot. Více informací...