alkane - Alkane


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Estrutura química de metano , o alcano mais simples

Em química orgânica , um alcano , ou parafina (um nome histórico que também tem outros significados ), é um acíclico saturado hidrocarboneto . Em outras palavras, um alcano consiste em hidrogénio e carbono átomos dispostas numa árvore de estrutura na qual todas as ligações carbono-carbono são único . Alcanos tem a fórmula química geral C n H 2 N 2 . Os alcanos variam em complexidade do caso mais simples de metano (CH 4 ), onde n = 1 (por vezes chamada a molécula progenitora), a moléculas arbitrariamente grandes e complexos, como pentacontane (C 50 H 102 ) ou 6-etil-2-metil-5- (1-metiletil) octano, um isómero de tetradecano (C 14 H 30 )

IUPAC define alcanos como "acíclico ramificado ou hidrocarbonetos não ramificados possuindo a fórmula geral C n H 2 n 2 , e, por conseguinte, consistindo inteiramente de átomos de hidrogénio e átomos de carbono saturados." No entanto, algumas fontes usar o termo para denotar qualquer hidrocarboneto saturado, incluindo aqueles que são tanto monociclico (ou seja, os cicloalcanos ) ou policíclico, apesar de terem uma fórmula geral diferente (isto é, cicloalcanos são C n H 2 N ).

Em um alcano, cada átomo de carbono é sp 3 com hibridação com 4 ligações sigma (o C-C ou C-H ), e cada átomo de hidrogénio está associado a um dos átomos de carbono (em uma ligação C-H). A série mais longa de átomos de carbono ligados numa molécula é conhecida como o seu esqueleto de carbono ou no esqueleto de carbono. O número de átomos de carbono pode ser pensado como o tamanho do alcano.

Um grupo dos alcanos mais elevados são ceras , sólidos em condições normais de temperatura ambiente e pressão (SATP), para que o número de carbonos no esqueleto de carbono é superior a cerca de 17. Com as suas repetidas -CH 2 unidades, os alcanos constituem uma série homóloga de compostos orgânicos em que os membros diferem na massa molecular por múltiplos de 14,03  u (a massa total de cada uma dessas metileno-ponte unidade, que compreende um único átomo de carbono de massa 12,01 L e dois átomos de hidrogénio de massa ~ 1,01 L cada).

Alcanos não são muito reativos e têm pouca atividade biológica . Eles podem ser vistos como árvores moleculares sobre a qual podem ser pendurados as mais activas / reactivos grupos funcionais de moléculas biológicas.

Os alcanos tem duas principais fontes comerciais: petróleo (óleo bruto) e gás natural .

Um alquilo grupo , geralmente abreviado com o símbolo R, representa um grupo funcional que, como um alcano, consiste apenas de átomos de ligado por ligação simples carbono e hidrogénio ligados acíclico, por exemplo, um metilo ou um grupo etilo .

classificação estrutura

Hidrocarbonetos saturados são hidrocarbonetos possuindo apenas ligações covalentes simples entre os seus átomos de carbono. Eles podem ser:

  • linear (fórmula geral C
    N
    H
    2 n 2
    ), em que os átomos de carbono são unidas numa estrutura de cobra
  • ramificada (fórmula geral C
    N
    H
    2 n 2
    ,n > 2), em que a espinha dorsal de carbono separa-se em uma ou mais direcções
  • cíclico (fórmula geral C
    N
    H
    2 n
    ,n > 3) em que o esqueleto de carbono é ligada, de modo a formar um laço.

De acordo com a definição por IUPAC , os dois primeiros são os alcanos, enquanto que o terceiro grupo é chamado cicloalcanos . Hidrocarbonetos saturados também possível combinar qualquer um dos linear, clico (por exemplo, policlico) e as estruturas de ramificação; a fórmula geral é C
N
H
2 n -2 k 2
, ondeké o número de ciclos independentes. Alcanos são osacíclicos(argolas) aqueles, que corresponde ak = 0.

isomeria

Diferentes C 4 alcanos e cicloalcanos (da esquerda para a direita): n -butano e isobutano são os dois C 4 H 10 isómeros; ciclobutano e metilciclopropano são os dois C 4 H 8 isómeros alcano.
Biciclo [1.1.0] butano é o único C 4 H 6 alcano e não tem qualquer isómero alcano; tetrahedrane (abaixo) é o único C 4 H 4 alcano e portanto não tem isómero alcano.

Alcanos com mais do que três carbono átomos podem ser dispostas de várias maneiras diferentes, formando os isómeros estruturais . O isómero mais simples de um alcano é aquele em que os átomos de carbono estão dispostos em uma única cadeia, sem ramos. Esse isômero é às vezes chamado de n isómero ( n para "normal", embora não seja necessariamente o mais comum). No entanto, a cadeia de átomos de carbono pode também ser ramificado em uma ou mais pontos. O número de possíveis isómeros aumenta rapidamente com o número de átomos de carbono. Por exemplo, para alcanos acíclicos:

Alcanos ramificados pode ser quiral . Por exemplo, 3-metil-hexano e as suas maiores homólogos são quirais, devido ao seu centro estereogénico no átomo de carbono número 3. Além dos isómeros de alcano, a cadeia de átomos de carbono podem formar um ou mais circuitos. Tais compostos são chamados cicloalcanos . Os estereoiseros e compostos cíclicos são excluídos quando se calcula o número de isómeros acima.

Nomenclatura

A nomenclatura da IUPAC (maneira sistemática de nomeação dos compostos) para alcanos é baseado na identificação de cadeias de hidrocarbonetos. , Cadeias de hidrocarbonetos saturados não ramificados são denominados sistematicamente com um prefixo numérico grego que denota o número de átomos de carbono e o "-ano" sufixo.

Em 1866, agosto Wilhelm von Hofmann sugerido sistematizar nomenclatura usando toda a sequência de vogais A, E, I, O e U para criar sufixos -ano, -eno, -ine (ou ino) -ona, -une, para o hidrocarbonetos C n H 2 n 2 , C n H 2 N , C n H 2 N -2 , C n H 2 N -4 , C n H 2 N -6 . Agora, os três primeiros hidrocarbonetos nome com ligações simples, duplos e triplos; "-ona" representa uma cetona ; "-ol" representa um álcool ou um grupo OH; "-oxy-" significa um éter e refere-se a oxigénio entre dois átomos de carbono, de modo que metoximetano é o nome IUPAC de éter dimetílico .

É difícil ou impossível encontrar compostos com mais de um IUPAC nome. Isto é porque cadeias mais curtas ligadas a cadeias mais longas são prefixos e a convenção inclui suportes. Os números entre o nome, referentes ao qual o carbono um grupo está ligado a, deve ser tão baixo quanto possível, de modo que 1- está implícito e normalmente omitidos de nomes de compostos orgânicos com apenas um lado-grupo. Compostos simétricos terá duas maneiras de chegar ao mesmo nome.

alcanos lineares

De cadeia linear alcanos são por vezes indicado pelo prefixo " n -" (para o normal ), em que um não-linear isómero existe. Embora isto não seja estritamente necessário, o uso ainda é comum nos casos em que há uma diferença importante em propriedades entre a isómeros de cadeia ramificada, de cadeia linear e, por exemplo, n -hexano ou 2- ou 3-metilpentano. Os nomes alternativos para este grupo são: parafinas lineares ou n -paraffins .

Os membros da série (em termos de número de átomos de carbono) são denominados como se segue:

metano
CH 4 - um carbono e hidrogénio quatro
etano 
C 2 H 6 - dois átomos de carbono e hidrogénio seis
propano
C 3 H 8 - três átomos de carbono e hidrogénio 8
gás butano 
C 4 H 10 - quatro carbono e hidrogénio 10
pentano
C 5 H 12 - cinco átomos de carbono e hidrogénio 12
hexano 
C 6 H 14 - seis átomos de carbono e hidrogénio 14

Os quatro primeiros nomes foram derivadas a partir de metanol , éter , ácido propiónico e ácido butírico , respectivamente ( hexadecano também é por vezes referido como cetano). Alcanos com cinco ou mais átomos de carbono são designados através da adição do sufixo -ano para o apropriado multiplicador numérica prefixo com elisão de qualquer vogal terminal ( -a ou -o ) a partir do termo de base numérica. Assim, pentano , C 5 H 12 ; hexano , C 6 H 14 ; heptano , C 7 H 16 ; octano , C 8 H 18 ; etc O prefixo é geralmente grego, no entanto alcanos com uma contagem de átomo de carbono que terminam em nove, por exemplo nonano , utilizar a Latina prefixo não . Para obter uma lista mais completa, ver Lista de alcanos .

alcanos ramificados

Modelo de bolas e varetas de isopentano (nome comum) ou 2-metilbutano (IUPAC nome sistemático)

Alcanos ramificados simples, muitas vezes têm um nome comum utilizando um prefixo para distingui-los a partir de alcanos lineares, por exemplo n -pentano , isopentano , e neopentano .

convenções de nomenclatura da IUPAC pode ser usado para produzir um nome sistemático.

Os passos chave na nomenclatura de alcanos ramificados mais complicadas são as seguintes:

  • Identificar a mais longa cadeia contínua de átomos de carbono
  • Nome essa cadeia raiz mais longa usando as regras de nomenclatura padrão
  • O nome de cada cadeia lateral, alterando o sufixo do nome do alcano de "-ano" para "-il"
  • Número a mais longa cadeia contínua, a fim de dar os números mais baixos possíveis para as cadeias laterais
  • Número e citar as cadeias laterais antes do nome da raiz cadeia
  • Se houver várias cadeias laterais do mesmo tipo, tais como usar prefixos "di" e "tri" para indicar que, como tal, e o número de cada uma.
  • Adicionar nomes de cadeia lateral em ordem alfabética (desconsiderando "di-" etc. prefixos) ordem na frente do nome da cadeia de raiz
Comparação de nomenclaturas por três isómeros de C 5 H 12
Nome comum n -pentano isopentano neopentano
nome IUPAC pentano 2-metilbutano 2,2-dimetilpropano
Estrutura Pentano-2D-skeletal.svg Isopentano-2D-skeletal.png Neopentane-2D-skeletal.png

hidrocarbonetos cíclicos saturados

Embora tecnicamente distinto dos alcanos, esta classe de hidrocarbonetos é referido por alguns como os alcanos cíclicos "" Como sua descrição implica, eles contêm um ou mais anéis.

Cicloalcanos simples têm um prefixo "ciclo-" para distingui-los dos alcanos. Cicloalcanos são nomeados de acordo com os seus homólogos acíclicos com respeito ao número de átomos de carbono nas suas cadeias principais, por exemplo, ciclopentano (C 5 H 10 ) é um cicloalcano com 5 átomos de carbono tal como pentano (C 5 H 12 ), mas eles são unidos -se num anel de cinco membros. De um modo semelhante, propano e ciclopropano , butano e ciclobutano , etc.

Cicloalcanos substituídos são nomeados de forma semelhante aos alcanos substituídos - o anel de cicloalcano é indicado, e os substituintes estão de acordo com a sua posição no anel, com a numeração decidida pelas regras de prioridade de Cahn-Ingold-Prelog .

/ nomes comuns triviais

A (não-trivial sistemática ) nome para alcanos é parafinas . Juntos, os alcanos são conhecidos como a série de parafina . Nomes triviais para compostos são geralmente artefatos históricos. Eles foram cunhados antes do desenvolvimento de nomes sistemáticos, e foram retidos devido ao uso familiar na indústria. Cicloalcanos são também chamados de naftenos.

É quase certo que o termo parafina decorre da indústria petroquímica . Alcanos de cadeia ramificada são chamados isoparafinas . O uso do termo "parafina" é um termo geral e, muitas vezes não faz distinção entre os compostos puros e misturas de isómeros , isto é, compostos da mesma fórmula química , por exemplo, pentano e isopentano .

Exemplos

Os seguintes nomes triviais são mantidos no sistema IUPAC:

Propriedades físicas

Todos os alcanos são incolores. Alcanos com os menores pesos moleculares são gases, os de peso molecular intermédio são líquidos, e a mais pesada são sólidos cerosos.

Tabela de alcanos

alkane Fórmula Ponto de ebulição [° C] Ponto de fusão [° C] Densidade [g / cm 3 ] (a 20 ° C )
Metano CH 4 -162 -182 0.000656 (gás)
Etano C 2 H 6 -89 -183 0,00126 (gás)
Propano C 3 H 8 -42 -188 0,00201 (gás)
gás butano C 4 H 10 0 -138 0,00248 (gás)
pentano C 5 H 12 36 -130 0,626 (líquido)
hexano C 6 H 14 69 -95 0,659 (líquido)
Heptano C 7 H 16 98 -91 0,684 (líquido)
Octano C 8 H 18 126 -57 0,703 (líquido)
nonano C 9 H 20 151 -54 0,718 (líquido)
Decane C 10 H 22 174 -30 0,730 (líquido)
undecano C 11 H 24 196 -26 0,740 (líquido)
Dodecane C 12 H 26 216 -10 0,749 (líquido)
pentadecano C 15 H 32 270 9.95 0,769 (líquido)
Hexadecane C 16 H 34 287 18 0,773 (líquido)
heptadecano C 17 H 36 303 21,97 0,777 (líquido)
Icosane C 20 H 42 343 37 sólido
triacontano C 30 H 62 450 66 sólido
tetracontano C 40 H 82 525 82 sólido
Pentacontane C 50 H 102 575 91 sólido
Hexacontane C 60 H 122 625 100 sólido

Ponto de ebulição

Derreter (azul) e pontos de ebulição (laranja) dos primeiros 16 n -alcanos em ° C.

Experiência alcanos intermolecular de van der Waals . Mais fortes intermolecular van der Waals forças dar origem a maiores pontos de alcanos de ebulição.

Existem dois factores determinantes para a força de Van der Waals:

  • o número de electrões em torno da molécula , o que aumenta com o peso molecular do alcano
  • a área de superfície da molécula

Sob condições padrão , a partir de CH 4 a C 4 H 10 alcanos são gasoso; de C 5 H 12 para C 17 H 36 são líquidos; e depois de C 18 H 38 eles são sólidos. Como o ponto de alcanos de ebulição é determinada principalmente por peso, não deve ser uma surpresa que o ponto de ebulição tem quase uma relação linear com o tamanho ( peso molecular ) da molécula. Como uma regra do polegar, o ponto de ebulição sobe 20-30 ° C durante cada carbono adicionado à cadeia; esta regra se aplica a outras séries homólogas.

Um alcano de cadeia linear terá um ponto de ebulição mais elevado do que um alcano de cadeia ramificada, devido à maior área de superfície em contacto, portanto, maior forças de van der Waals, entre moléculas adjacentes. Por exemplo, compare isobutano (2-metil-propano) e n-butano (butano), que fervem a -12 e 0 ° C, e 2,2-dimetilbutano e 2,3-dimetilbutano que fervem a 50 e 58 ° C, respectivamente . Para este último caso, duas moléculas de 2,3-dimetilbutano pode "bloquear" um para o outro melhor do que o 2,2-dimetilbutano em forma de cruz, por conseguinte, os maiores forças de van der Waals.

Por outro lado, cicloalcanos tendem a ter pontos de ebulição mais elevados do que as suas congéneres lineares devido às conformações bloqueados das moléculas, que dão um plano de contacto intermolecular.

Pontos de fusão

Os pontos de fusão dos alcanos seguir uma tendência semelhante para os pontos de ebulição para a mesma razão como descrita acima. Ou seja, (todas as outras coisas sendo iguais) quanto maior a molécula maior será o ponto de fusão. Há uma diferença significativa entre os pontos de ebulição e pontos de fusão. Sólidos têm uma estrutura mais rígida e fixa de líquidos. Esta estrutura rígida requer energia para quebrar. Assim, as estruturas sólidas melhor juntos vai exigir mais energia para quebrar. Para os alcanos, isto pode ser visto a partir do gráfico de cima (isto é, a linha azul). Os alcanos ímpares têm uma tendência menor em pontos de fusão de alcanos mesmo numeradas. Isto é porque até mesmo alcanos numeradas embalar bem na fase sólida, formando uma estrutura bem organizada, que requer mais energia para quebrar. Os alcanos ímpares embalar menos bem e por isso o "looser" organizada estrutura de embalagem sólida requer menos energia para quebrar.

Os pontos de fusão dos alcanos de cadeia ramificada pode ser maior ou menor do que os dos correspondentes alcanos de cadeia linear, mais uma vez, dependendo da capacidade do alcano em questão para embalar bem na fase sólida: Isto é particularmente verdadeiro para os isoalcanos (2 isómeros -metil), que têm frequentemente pontos de fusão mais elevados do que aqueles dos análogos lineares.

Condutividade e solubilidade

Alcanos não conduzir eletricidade de forma alguma, nem são substancialmente polarizada por um campo elétrico . Por esta razão, eles não formam ligações de hidrogénio e são insolúveis em solventes polares, tais como água. Uma vez que as ligações de hidrogénio entre as moléculas individuais de água estão alinhados de distância a partir de uma molula de alcano, a coexistência de um alcano e água leva a um aumento da ordem molecular (uma redução na entropia ). Como não há nenhuma ligação significativa entre as moléculas de água e as moléculas de alcano, a segunda lei da termodinâmica sugere que esta redução na entropia deve ser minimizado minimizando o contacto entre o alcano e água: alcanos são referidos como sendo hidrofóbica , em que eles repelem a água.

Sua solubilidade em solventes não-polares é relativamente bom, uma propriedade que é chamado lipofilicidade . Diferentes são os alcanos, por exemplo, miscível em todas as proporções entre si.

A densidade dos alcanos geralmente aumenta com o número de átomos de carbono, mas continua a ser menos do que a da água. Assim, alcanos formar a camada superior de uma mistura de alcano-água.

geometria molecular

sp 3 -hybridization em metano .

A estrutura molecular dos alcanos afecta directamente as suas características físicas e químicas. Ele é derivado da configuração electrónica de carbono , que tem quatro electrões de valência . Os átomos de carbono em alcanos são sempre sp 3 com hibridação, que é dizer que os electrões de valência são referidos como sendo em quatro orbitais equivalentes derivados a partir da combinação dos 2s orbital e os três 2p orbitais. Estas orbitais, que têm energias idênticos, estão dispostos espacialmente na forma de um tetraedro , o ângulo de cos -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 ° entre eles.

comprimentos de ligação e ângulos de ligação

Uma molula de alcano tem apenas C-H e C-C ligações simples. O ex resultado da sobreposição de uma sp 3 orbital de carbono com as 1s orbitais de um átomo de hidrogénio; o último pela sobreposição de duas sp 3 orbitais em diferentes átomos de carbono. O comprimentos de ligação quantidade de 1,09 x 10 -10  M para uma ligação C-H e 1,54 x 10 -10  M para uma ligação C-C.

A estrutura tetraédrica de metano.

O arranjo espacial das ligações é semelhante ao dos quatro sp 3 orbitais-estão dispostas tetraedricamente, com um ângulo de 109,47 ° entre eles. Fórmulas estruturais que representam os títulos como sendo em ângulo reto com o outro, enquanto ambos comum e útil, não correspondem com a realidade.

formação

A fórmula estrutural e os ângulos de ligação não são geralmente suficientes para descrever completamente a geometria de uma molécula. Há ainda um certo grau de liberdade para cada ligação carbono-carbono: o ângulo de torção entre os átomos ou grupos ligados aos átomos em cada extremidade da ligação. O arranjo espacial descrito por os ângulos de torção da molécula é conhecida como a sua conformação .

projeções Newman das duas conformações de etano: eclipsada pela esquerda, cambaleou à direita.
Modelos bola-e-vara dos dois rotâmeros de etano

Etano constitui o caso mais simples para estudar a conformação de alcanos, como existe apenas uma ligação C-C. Se alguém olha para baixo do eixo da ligação C-C, um vai ver o chamado projeção Newman . Os átomos de hidrogénio em ambos os átomos de carbono dianteiro e traseiro têm um ângulo de 120 ° entre eles, resultante da projecção de base do tetraedro sobre uma superfície plana. No entanto, o ângulo de torção entre um dado átomo de hidrogénio ligado ao carbono de frente e um dado átomo de hidrogénio ligado ao carbono traseira pode variar livremente entre 0 ° e 360 °. Isto é uma consequência da rotação livre sobre uma ligação simples carbono-carbono. Apesar desta aparente liberdade, apenas duas conformações limitantes são importantes: eclipsado conformação e conformação escalonada .

As duas conformações, também conhecidos como roteros , diferem na energia: A conformação escalonada é de 12,6 kJ / mol mais baixo em energia (mais estável) do que a conformação eclipsada (a menos estável).

Esta diferença de energia entre as duas conformações, conhecida como a energia de torção , é baixa em comparação com a energia térmica de uma molécula de etano à temperatura ambiente. Há rotação constante em torno da ligação C-C. O tempo necessário para que uma molécula de etano para passar de uma conformação escalonada para o próximo, equivalente à rotação de um CH 3 grupo por 120 ° em relação à outra, é da ordem de 10 -11  segundos.

O caso de alcanos mais elevadas é mais complexo mas, com base em princípios similares, com a conformação antiperiplanar sempre ser os mais favorecidos em torno de cada ligação carbono-carbono. Por esta razão, os alcanos são geralmente mostrado em um arranjo em ziguezague em diagramas ou em modelos. A estrutura real irá sempre diferem um pouco a partir dessas formas idealizadas, como as diferenças de energia entre as conformações são pequenas em comparação com a energia térmica das moléculas: as moléculas de Alcano não possuem uma forma estrutural fixo, quaisquer que sejam os modelos podem sugerir.

propriedades espectroscópicas

Praticamente todos os compostos orgânicos contêm ligações carbono-carbono, e de carbono-hidrogénio, e assim mostra algumas das características dos alcanos nos seus espectros. Alcanos são notável por ter não há outros grupos, e, por conseguinte, para a ausência de outras características espectroscópicas característica de um grupo funcional diferente, como -OH , -CHO , -COOH , etc.

espectroscopia de infravermelho

O carbono-hidrogénio modo alongamento dá uma forte absorção entre 2850 e 2960  cm -1 , enquanto que o modo de alongamento carbono-carbono absorve entre 800 e 1300 cm -1 . O carbono-hidrogénio flexão modos dependem da natureza do grupo de: grupos metilo mostra bandas a 1450 cm -1 e 1375 centímetro -1 , enquanto que os grupos metileno mostra bandas a 1465 cm -1 e 1450 cm -1 . Cadeias de carbono com mais do que quatro átomos de carbono mostram uma absorção fraca em cerca de 725 cm -1 .

espectroscopia de RMN

As ressonâncias de protões de alcanos são geralmente encontrados em δ H = 0,5-1,5. Os carbono-13 ressonâncias depende do número de átomos de hidrogénio ligados ao carbono: δ C = 30/08 (primário, metilo, -CH 3 ), 15-55 (secundário, metileno, -CH 2 -), 20-60 (terciário, metino, C-H) e quaternário. O carbono-13 de ressonância de átomos de carbono quaternário é caracteristicamente fraco, devido à falta de efeito nuclear de Overhauser e o longo tempo de relaxamento , e pode ser dispensada em amostras fracas, ou amostras que não tenham sido rodados para um tempo suficientemente longo.

Espectrometria de massa

Alcanos tem uma alta energia de ionização , e o ião molecular é geralmente fraco. O padrão de fragmentação pode ser difícil de interpretar, mas, no caso dos alcanos de cadeia ramificada, a cadeia de carbono é preferencialmente clivada em átomos de carbono terciário ou quaternário, devido à estabilidade relativa dos resultantes radicais livres . O fragmento resultante da perda de um único grupo metilo ( M  - 15) é muitas vezes ausente, e outros fragmentos são muitas vezes espaçadas por intervalos de catorze unidades de massa, correspondendo à perda sequencial de CH 2 grupos.

Propriedades quimicas

Alcanos são apenas fracamente reactivo com substâncias polares iónicos e outros. A constante de dissociação de ácido (pKa um valores de todos os alcanos) são acima de 60, por conseguinte, eles são praticamente inerte aos ácidos e às bases (ver: ácidos de carbono ). Esta inércia é a fonte do termo parafinas (com o significado aqui de "falta de afinidade"). Em petróleo bruto as moléculas de alcano mantiveram-se quimicamente inalterado durante milhões de anos.

No entanto reacções redox de alcanos, em especial com o oxigénio e os átomos de halogénio, são possíveis como os átomos de carbono estão em condições fortemente reduzida; no caso do metano, o menor possível estado de oxidação do carbono (-4) é alcançado. A reacção com oxigénio ( se presente em quantidade suficiente para satisfazer a reacção estequiometria ) leva a uma combustão sem qualquer fumaça, produzindo dióxido de carbono e água. Halogenação radical reacções ocorrem com halogéneos, levando à produção de haloalcanos . Além disso, os alcanos foram mostrados para interagir com, e ligar-se a, certos complexos de metais de transição na activação da ligação C-H .

Os radicais livres , moléculas com electrões não emparelhados, desempenham um papel importante na maioria das reacções de alcanos, tais como fissuração e reformação, onde os alcanos de cadeia longa são convertidos em alcanos de cadeia mais curta e de alcanos de cadeia linear em isómeros de cadeia ramificada.

Em alcanos altamente ramificados, o ângulo de ligação podem diferir significativamente do valor óptimo (109,5 ° C), a fim de permitir que os diferentes grupos de espaço suficiente. Isto faz com que uma tensão na molécula, conhecida como impedimento estereoquímico , e pode aumentar substancialmente a reactividade.

As reacções com oxigénio (reacção de combustão)

Todos os alcanos reagem com o oxigénio em uma combustão de reacção, embora eles se tornam cada vez mais difícil de inflamar como o número de átomos de carbono aumenta. A equação geral para a combustão completa é a seguinte:

C N H 2 N 2 + ( 3 / 2 n  +  1 / 2 ) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2
ou C n H 2 N 2 + ( 3 n + 1 / 2 ) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2

Na ausência de oxigénio suficiente, monóxido de carbono ou ainda fuligem pode ser formado, como mostrado abaixo:

C N H 2 N 2 + ( n  +  1 / 2O 2 → ( n  + 1) H 2 O + N  CO
C N H 2 N 2 + ( 1 / 2 n  +  1 / 2O 2 → ( n  + 1) H 2 O + N  C

Por exemplo, o metano :

2 CH 4 + 3 O 2 → 2 CO + 4 H 2 O
CH 4 + 3 / 2  O 2 → CO 2 + H 2 O

Veja o calor alcano da tabela formação para os dados detalhados. O padrão de mudança de entalpia de combustão , Δ c H , para alcanos aumenta em cerca de 650 kJ / mol por CH 2 grupo. Alcanos de cadeia ramificada ter menores valores de Δ c H que alcanos de cadeia linear com o mesmo número de átomos de carbono, e por isso pode ser visto a ser um pouco mais estável.

Reações com halogênios

Alcanos reagem com halogéneos em uma assim chamada halogenação radical reacção. Os átomos de hidrogénio do alcano são progressivamente substituído por átomos de halogénio. Os radicais livres são as espécies reactivas que participam na reacção, o que geralmente conduz a uma mistura de produtos. A reacção é altamente exotérmica , e pode levar a uma explosão.

Estas reacções são uma importante via industrial de hidrocarbonetos halogenados. Há três passos:

  • Iniciação do halogéneo por radicais formar ruptura homolítica . Normalmente, a energia na forma de calor ou luz é necessária.
  • Reacção em cadeia ou propagação , em seguida, tem lugar a-halogéneo resumos radicais um átomo de hidrogénio a partir do alcano para dar um radical alquilo. Este reage mais.
  • A terminação da cadeia , onde os radicais recombinar.

As experiências mostraram que todos halogenação produz uma mistura de todos os isómeros possíveis, indicando que todos os átomos de hidrogénio são sensíveis a reacção. A mistura produzida, no entanto, não é uma mistura estatística: átomos de hidrogénio secundários e terciários são preferencialmente substituídos, devido à maior estabilidade de radicais livres secundárias e terciárias. Um exemplo pode ser visto na mono-bromação do propano:

Mono-bromação de propano

Cracking

Cracking quebras de moléculas maiores em menores. Isto pode ser feito com um método térmico ou catalítico. O processo de craqueamento térmico segue um homolítica mecanismo com a formação de radicais livres . O processo de craqueamento catalítico envolve a presença de ácidos catalisadores (ácidos normalmente sólidos, tais como sílica-alumina e zeólitos ), que promovem uma heterolítica ruptura (assimétrico) de ligações produzindo pares de iões de cargas opostas, geralmente um carbocatião e o muito instável hidreto anião . Os radicais livres e catiões localizada-carbono são altamente instáveis e passam por processos de rearranjo de cadeia, C-C cisão em posição beta (isto é, fissuras) e intra e intermolecular de transferência de hidrogénio ou hidreto de transferência. Em ambos os tipos de processos, os correspondentes intermediários reactivos (radicais, iões) são permanentemente regenerado, e assim eles prosseguir por um mecanismo de corrente de auto-propagação. A cadeia de reacções, eventualmente, é terminada por recombinação radical ou iónica.

Isomerização e reforma

Dragan e seu colega foram os primeiros a relatar sobre isomerização em alcanos. Isomerização e reformação são processos em que os alcanos de cadeia linear são aquecidos na presença de uma platina catalisador. Em isomerização, os alcanos tornar-se isómeros de cadeia ramificada. Em outras palavras, ele não perde nenhum carbonos ou hidrogênios, mantendo o mesmo peso molecular. Em reformação, os alcanos tornar cicloalcanos ou hidrocarbonetos aromáticos , desprendendo hidrogénio como um subproduto. Ambos os processos elevar o índice de octano da substância. Butano é o alcano mais comum que é colocado sob o processo de isomerização, uma vez que torna muitas alcanos ramificados com números de elevado índice de octano.

outras reações

Alcanos reagem com vapor na presença de um níquel catalisador para dar hidrogénio . Alcanos podem ser clorossulfonado e nitrados , embora ambas as reações requerem condições especiais. A fermentação de alcanos de ácidos carboxílicos é de alguma importância técnica. Na reacção Reed , dióxido de enxofre , cloro e luz converter hidrocarbonetos para cloretos de sulfonilo . Nucleofílico abstracção pode ser usado para separar um alcano de um metal. Os grupos alquilo podem ser transferidas a partir de um composto a outro por transmetalação reacções.

Ocorrência

Ocorrência de alcanos no Universo

Metano e etano constituem uma pequena proporção de Júpiter atmosfera 's
Extracção de óleo, que contém diversos hidrocarbonetos incluindo alcanos

Alcanos formar uma pequena porção das atmosferas dos planetas gases exteriores, tais como Júpiter (0,1% de metano, 2  ppm de etano), Saturn (0,2% de metano, 5 ppm etano), Urano (1,99% de metano, 2,5 ppm etano) e Neptuno ( 1,5% de metano, etano de 1,5 ppm). Titan (1,6% de metano), um satélite de Saturn, foi examinada pela Huygens sonda , o que indicava que a atmosfera de Titan chove periodicamente metano líquido sobre a superfície da lua. Também na Titan a missão Cassini tem imaged sazonais lagos de metano / etano perto das regiões polares de Titã. Metano e etano , também foram detectados na cauda do cometa Hyakutake . A análise química mostrou que a abundância de etano e metano foram aproximadamente igual, que se pensa que implica que os seus ices formada no espaço interestelar, longe do Sol, o que teria evaporado estas moléculas voláteis. Alcanos também foram detectados em meteoritos tais como condritos carbonáceos .

Ocorrência de alcanos na Terra

Traços de gás metano (cerca de 0,0002% ou 1,745 ppb) ocorrer na atmosfera da Terra, produzida principalmente por metanogénicas microrganismos, tais como Archaea no intestino dos ruminantes.

As fontes comerciais mais importantes para alcanos são o gás natural e petróleo . O gás natural contém principalmente metano e etano, com um pouco de propano e butano : óleo é uma mistura de alcanos líquidos e outros hidrocarbonetos . Estes hidrocarbonetos foram formadas quando os animais e plantas marinhos (zooplâncton e fitoplâncton) morreu e afundou para o fundo do mar antigos e foram cobertos com sedimentos numa anóxica ambiente e convertido ao longo de muitos milhões de anos a altas temperaturas e alta pressão para a sua forma actual. O gás natural resultou, assim, por exemplo a partir do seguinte reacção:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Estes depósitos de hidrocarbonetos, recolhidos em rochas porosas presas entre tampão rochas impermeáveis, compreendem comerciais campos de petróleo . Eles formaram ao longo de milhões de anos e uma vez esgotado não pode ser facilmente substituído. O esgotamento destes hidrocarbonetos reservas é a base para o que é conhecido como a crise energética .

O metano também está presente no que é chamado biogás , produzido por animais e matéria em decomposição, que é uma possível fonte de energia renovável .

Alcanos tem uma baixa solubilidade em água, de modo que o conteúdo nos oceanos é desprezável; no entanto, a altas pressões e temperaturas baixas (tais como no fundo dos oceanos), o metano pode co-cristalizam com água para formar um sólido hidrato de metano (metano hidrato). Embora esta não pode ser comercialmente exploradas no momento presente, a quantidade de energia combustível dos campos metano clatrato conhecidos exceder o teor de energia de todos os depósitos de gás e de petróleo naturais colocados juntos. Metano extraído de hidrato de metano é, por conseguinte, um candidato para combustíveis futuras.

ocorrência biológica

alcanos acíclicos ocorrem na natureza de várias maneiras.

Bactérias e archaea
Metanogênico archaea no intestino desta vaca são responsáveis por algumas das metano na atmosfera da Terra.

Certos tipos de bactérias podem metabolizar alcanos: preferem cadeias de carbono com numeração par como eles são mais fáceis de degradar do que cadeias ímpares.

Por outro lado, certos archaea , os metanógenos , produzem grandes quantidades de metano pelo metabolismo de dióxido de carbono ou outros oxidados compostos orgânicos. A energia é libertado pela oxidação do hidrogénio :

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O

Methanogens são também os produtores de gás do pântano em zonas húmidas , e liberar cerca de dois bilhões de toneladas de metano por ano-o conteúdo atmosférica deste gás é produzido quase exclusivamente por eles. A produção de metano de gado e de outros herbívoros , que pode libertar 30 a 50 litros por dia, e de térmitas , também é devido a metanogenos. Eles também produzem este simples de todos os alcanos nos intestinos de humanos. Archaea metanogénicas são, por isso, no fim do ciclo do carbono , com carbono de ser libertado para a atmosfera, depois de ter sido fixado por fotossíntese . É provável que nossos depósitos atuais de gás natural foram formados em uma maneira similar.

Fungos e plantas

Alcanos também desempenham um papel, se um papel menor, na biologia dos três eucarióticas grupos de organismos: fungos , plantas e animais. Algumas leveduras especializadas, por exemplo, Cândida tropicale , Pichia sp., Rhodotorula sp., Pode usar alcanos como uma fonte de carbono ou energia. O fungo Amorphotheca resinae prefere os alcanos de cadeia mais em combustível de aviação , e pode causar sérios problemas para aeronaves em regiões tropicais.

Em plantas, os sólidos-alcanos de cadeia longa são encontrados na cutícula da planta e cera epicuticular de muitas espécies, mas são apenas raramente principais constituintes. Eles protegem a planta contra a perda de água, evitar a lixiviação de minerais importantes pela chuva, e proteger contra bactérias, fungos e insetos nocivos. As cadeias de carbono em alcanos de plantas são geralmente ímpar, entre 27 e 33 átomos de carbono em comprimento e são feitas pelas plantas por descarboxilação de ímpares ácidos gordos . A composição exacta da camada de cera não só está dependente da espécie, mas também modificações e com a estação de tais factores ambientais como condições de iluminação, temperatura ou humidade.

Mais voláteis de cadeia curta alcanos também são produzidos por e encontrado em tecidos de plantas. O pinho Jeffrey é conhecida para a produção de níveis excepcionalmente elevados de n - heptano em sua resina, razão pela qual a sua destilado foi designado como o ponto zero para um número de octanas . Aromas florais também têm sido conhecido para conter componentes de alcanos voláteis, e n - nonano é um componente significativo do perfume de algumas rosas . Emissão de alcanos gasosos e voláteis tais como etano , pentano e hexano por plantas também foi documentada em níveis baixos, embora eles não são geralmente considerados como sendo um componente importante de poluição do ar biogénico.

óleos vegetais comestíveis também contêm tipicamente pequenas fracções de alcanos biogénicas com um amplo espectro de números de carbono, principalmente 8-35, geralmente com um pico no baixo a 20s superiores, com concentrações até dezenas de miligramas por quilograma (partes por milhão, em peso) e às vezes mais de uma centena para a fração alcano total.

animais

Alcanos são encontrados em produtos de origem animal, embora eles são menos importantes do que os hidrocarbonetos insaturados. Um exemplo é o óleo de fígado de tubarão, que é aproximadamente 14% de pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C 19 H 40 ). Eles são importantes como feromonas , materiais mensageiro químico, em que os insectos dependem para a comunicação. Em algumas espécies, por exemplo, o escaravelho apoio Xylotrechus colonus , pentacosano (C 25 H 52 ), 3-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) e 9-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) são transferidos pelo contacto com o corpo. Com outros como a mosca tsé-tsé morsitans Glossina morsitans , a feromona contém os quatro alcanos 2-methylheptadecane (C 18 H 38 ), 17,21-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ), 15,19-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ) e 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C 40 H 82 ), e actua por cheiro a longas distâncias. Waggle-dança abelhas produzem e liberam dois alcanos, tricosane e pentacosano.

relações ecológicas

Orquídea aranha precoce ( sphegodes Ophrys )

Um exemplo, em que ambos os alcanos de plantas e animais desempenham um papel, é a relação entre o ecológico abelha areia ( Andrena nigroaenea ) e a orquídea cedo aranha ( sphegodes Ophrys ); o último é dependente para a polinização no ex. Abelhas areia usam feromônios, a fim de identificar um companheiro; no caso de A. nigroaenea , as fêmeas emitem uma mistura de tricosane (C 23 H 48 ), pentacosano (C 25 H 52 ) e heptacosane (C 27 H 56 ) na proporção de 3: 3: 1, e os machos são atraídos por especificamente este odor. A orquídea leva vantagem deste arranjo de acoplamento para obter a abelha macho para recolher e disseminar seu pólen; partes do seu flor não só se assemelham a aparência de abelhas areia mas também produzir grandes quantidades dos três alcanos na mesma proporção que as abelhas de areia do sexo feminino. Como resultado, muitos homens são atraídos para as flores e tentar copular com seu parceiro imaginário: embora este esforço não é coroado de êxito para a abelha, ele permite que a orquídea para transferir seu pólen, que serão distribuídos após a saída do masculino frustrante para flores diferentes.

Produção

refinamento de petróleo

Como afirmado anteriormente, a mais importante fonte de alcanos é o gás natural e petróleo bruto . Alcanos são separados numa refinaria de petróleo por destilação fraccionada e transformados em muitos produtos diferentes.

Fischer-Tropsch

O processo de Fischer-Tropsch é um método para sintetizar os hidrocarbonetos líquidos, incluindo alcanos, a partir de monóxido de carbono e hidrogénio. Este método é utilizado para a produção de substitutos para destilados de petróleo .

preparação laboratorial

Geralmente, há pouca necessidade de alcanos a ser sintetizado em laboratório, uma vez que eles são geralmente comercialmente disponíveis. Além disso, os alcanos são geralmente não reactivo quimicamente ou biologicamente, e não sofrer interconversões de grupos funcionais de forma limpa. Quando alcanos são produzidos em laboratório, é muitas vezes um produto secundário da reacção. Por exemplo, a utilização de n -butil-lítio como uma forte base de dá o ácido conjugado, n -butano como um produto secundário:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

No entanto, por vezes, pode ser desejável fazer uma secção de uma molécula em um (alcano-funcionalidade como alquilo grupo), utilizando os métodos acima referidos ou semelhantes. Por exemplo, um grupo etilo é um grupo alquilo; quando este está ligado a um hidroxilo grupo, dá- etanol , o que não é um alcano. Para isso, os métodos mais conhecidos são hidrogenação de alcenos :

RCH = CH 2 + H 2 → RCH 2 CH 3      (R = alquilo )

Alcanos ou grupos alquilo também podem ser preparados directamente a partir de halogenetos de alquilo na reacção de Corey-House-Posner-Whitesides . A desoxigenação de Barton-McCombie remove grupos hidroxilo de álcoois, por exemplo

esquema de desoxigenação Barton-McCombie

e a redução de Clemmensen remove grupos carbonilo de aldeídos e cetonas para formar compostos alcanos ou alquil-substituídos, por exemplo:

Redução de Clemmensen

aplicações

As aplicações de alcanos dependem do número de átomos de carbono. Os quatro primeiros alcanos são utilizados principalmente para fins de aquecimento e de cozinha, e em alguns países para a geração de eletricidade. Metano e etano são os principais componentes de gás natural; eles são normalmente armazenados como gases sob pressão. É, contudo, mais fácil para transportá-los como líquidos: Isto requer tanto a compressão e o arrefecimento do gás.

O propano e o butano são gases à pressão atmosférica, que pode ser liquefeito a pressões relativamente baixas e são comumente conhecidos como gás de petróleo liquefeito (GPL). Propano é usado em queimadores de gás propano e como combustível para veículos rodoviários, butano em aquecedores e isqueiros descartáveis. Ambos são utilizados como propulsores em aerossóis .

De pentano para octano os alcanos são líquidos altamente voláteis. Eles são utilizados como combustíveis em motores de combustão interna , como se vaporizam facilmente à entrada na câmara de combustão sem a formação de gotículas, o que prejudicaria a uniformidade da combustão. Alcanos de cadeia ramificada são preferidos uma vez que são muito menos propensos a ignição prematura, o que provoca a bater , do que os seus homólogos de cadeia linear. Esta propensão para a ignição prematura é medido pelo índice de octanas do combustível, onde 2,2,4-trimetilpentano ( isooctano ) tem um valor arbitrário de 100, e heptano tem um valor de zero. Além de seu uso como combustíveis, os alcanos médios também são bons solventes para substâncias não-polares.

Alcanos de nonano para, por exemplo, hexadecano (um alcano com dezasseis átomos de carbono) são líquidos de mais alta viscosidade , cada vez menos adequados para utilização em gasolina. Eles formam vez a maior parte diesel e combustível de aviação . Os combustíveis diesel são caracterizados pelo seu número de cetano , cetano ser um nome velho para hexadecano. No entanto, os pontos de fusão mais elevados destes alcanos pode causar problemas a baixas temperaturas e em regiões polares, em que o combustível se torna demasiado espessa flua correctamente.

Alcanos de hexadecano para cima formar os componentes mais importantes de óleo combustível e óleo lubrificante . Na última função, eles funcionam ao mesmo tempo como agentes anti-corrosivos, como a sua natureza hidrófoba significa que a água não pode atingir a superfície do metal. Muitos alcanos sólidos encontrar uso como cera de parafina , por exemplo, em velas . Isto não deve ser confundido com o verdadeiro no entanto cera , que consiste principalmente de ésteres .

Alcanos com um comprimento de cadeia de cerca de 35 ou mais átomos de carbono encontram-se em betume , utilizado, por exemplo, no revestimento de estradas. No entanto, os alcanos superiores têm pouco valor e são geralmente divididos em alcanos menores por rachaduras .

Alguns sintéticos polímeros , tais como polietileno e polipropileno são alcanos com cadeias contendo centenas de milhares de átomos de carbono. Estes materiais são usados em inúmeras aplicações, e bilhões de quilos de estes materiais são feitos e usados a cada ano.

transformações ambientais

Alcanos são quimicamente moléculas apoiares muito inertes que não são muito reactivos como compostos orgânicos. Esta inércia produz questões ecológicas graves se forem libertados no ambiente. Devido à sua falta de grupos funcionais e de baixa solubilidade em água, alcanos mostram pobre biodisponibilidade para os microrganismos.

Há, no entanto, alguns microorganismos que possuem a capacidade metabólica para utilizar n-alcanos como ambas as fontes de carbono e energia. Algumas espécies de bactérias são altamente especializados na degradação alcanos; estes são referidos como bactérias hidrocarbonoclásticas.

Riscos

O metano é inflamável, explosiva e perigosa para inalar, porque é um gás incolor, inodoro, cuidado especial deve ser tomado em torno de metano. Etano também é extremamente inflamável, perigoso inalar e explosivo. Ambos podem causar asfixia. Da mesma forma, o propano é inflamável e explosivo. Pode provocar sonolência ou perda de consciência se inalado. Butano tem os mesmos perigos a considerar como propano.

Alcanos também representam uma ameaça para o meio ambiente. alcanos ramificados têm uma biodegradabilidade inferior a alcanos não ramificados. No entanto, o metano é classificado como o gás de efeito estufa mais perigosos. Embora a quantidade de metano na atmosfera é baixo, ele representar uma ameaça para o ambiente.

Veja também

Referências

Outras leituras