ALCANI

CHIMIE ORGANICĂ –CHIMIE ORGANICĂ – Cur Curss Anul IAnul I - - IPA IPA Titular curs: Conf. dr. Titular curs: Conf. dr. Zoiţa BERINDEZoiţa BERINDE

Definiţie:

Alcanii sunt hidrocarburi saturate care conţin atomi de carbon legaţi prin legături σ, formând catene lineare sau ramificate.

Structură:

În molecula alcanilor toţi atomii de carbon au starea de hibridizare sp3. În această stare unghiurile dintre valenţele atomului de carbon sunt de 109o28’; ele sunt orientate în spaţiu după direcţiile celor 4 vârfuri ale unui tetraedru regulat.

C

H

H

H

H

109o28’

HH

H

H

H

H

CC

Modelele spaţiale ale

moleculelor de CH4 şi C2H6

Metanul conţine un singur atom de carbon legat covalent de patru atomi de hidrogen. Toţi ceilalţi alcani conţin pe lângă legătura σC-H şi legături de tip σ între atomi de carbon σC-C. Această legătură realizată printr-un dublet comun de electroni între atomi identici, este o legătură covalentă nepolară.

Lungimea legaturii σC-C este de 1,54 Å, mai mare decât lungimea legăturii σC-H de 1,1 Å.

Legătura simplă C-C permite rotaţia liberă a grupelor de atomi pe care le uneşte. În cristalele şi topiturile alcanilor liniari a fost pusă în evidenţă aşezarea în zig-zag a atomilor de carbon, cu păstrarea geometriei tetraedrice a acestora.

Izomerie:

Izomerii sunt substanţe cu aceeaşi formulă moleculară, dar cu proprietăţi şi structuri diferite.

La alcani izomeria este determinată de posibilitatea atomilor de carbon de a se uni diferit în catenă – izomerie de catenă.

Pe lângă atomii de carbon primar şi secundar dintr-un alcan normal, în izoalcani apar atomi de carbon terţiar şi cuaternar.

CH3 – CH2 – CH2 – CH3

carboni primari

carboni secundari

CH3 – CH – CH3

carbon terţiar

CH3

H3C – C – CH3

CH3

CH3

carbon cuaternar

Izomeria de catenă întâlnită la alcani afectează numai constantele fizice. Izomerii de catenă apar de la CH4 şi cresc cu numărul de atomi de carbon din moleculă.

Nomenclatura:

După tipul catenei, alcanii sunt:

Normal alcani (parafine) – cu catenă liniară (n-alcani);

Izoalcani (izoparafine) cu catenă ramificată (i-alcani).

1. Normal alcani

Nr. de atomi de carbon

Formulă moleculară

Formulă planăDenumirea alcanului

1. CH4 CH4 metan

2. C2H6 H3 – CH3 etan

3. C3H8 H3C – CH2 – CH3 propan

4. C4H10 H3C – CH2 – CH2 – CH3 butan

5. C5H12 H3C – (CH2)3 – CH3 pentan

6. C6H14 H3C – (CH2)4 – CH3 hexan

7. C7H16 H3C – (CH2)5 – CH3 heptan

8. C8H18 H3C – (CH2)6 – CH3 octan

9. C9H20 H3C – (CH2)7 – CH3 nonan

10. C10H22 H3C – (CH2)8 – CH3 decan

11. C11H24 H3C – (CH2)9 – CH3 undecan

Nr. de atomi de carbon

Formulă moleculară

Formulă planăDenumirea alcanului

12. C12H26 H3C – (CH2)10 – CH3 dodecan

13. C13H28 H3C – (CH2)11 – CH3 tridecan

14. C14H30 H3C – (CH2)12 – CH3 tetradecan

15. C15H32 H3C – (CH2)13 – CH3 pentadecan

16. C16H34 H3C – (CH2)14 – CH3 hexadecan

17. C17H36 H3C – (CH2)15 – CH3 heptadecan

18. C18H38 H3C – (CH2)16 – CH3 octadecan

19. C19H40 H3C – (CH2)17 – CH3 nonadecan

20. C20H42 H3C – (CH2)18 – CH3 icosan

21. C21H44 H3C – (CH2)19 – CH3 henicosan

22. C22H46 H3C – (CH2)20 – CH3 docosan

23. C23H48 H3C – (CH2)21 – CH3 tricosan

Nr. de atomi de carbon

Formulă moleculară

Formulă planăDenumirea alcanului

24. C24H50 H3C – (CH2)22 – CH3 tetracosan

30. C30H62 H3C – (CH2)28 – CH3 triacontan

40. C40H82 H3C – (CH2)38 – CH3 tetracontan

50. C50H102 H3C – (CH2)48 – CH3 pentacontan

60. C60H122 H3C – (CH2)58 – CH3 hexacontan

70. C70H142 H3C – (CH2)68 – CH3 heptacontan

80. C80H162 H3C – (CH2)78 – CH3 octacontan

90. C90H182 H3C – (CH2)88 – CH3 nonacontan

100. C100H202 H3C – (CH2)98 – CH3 hectan

2. Izoalcani

Nomenclatura lor se face ţinând cont de catena principală şi de ramificaţii;

Ramificaţiile se denumesc prin numele radicalului pe care îl prezintă.

a) Radicali monovalenţi proveniţi de la alcani: - se obţin îndepărtând un hidrogen din molecula

alcanului; - nomenclatura se face înlocuind sufixul an cu

sufixul il; - dacă radicalii sunt ramificaţi numărul de carboni

cu valenţă liberă se notează cu 1; - pentru anumiţi radicali se păstrează denumiri

nesemnificative.

Denumirea alcanului

Formula plană a alcanului

Formula grupei alchil

Denumirea grupei alchil

metan CH4 - CH3 metil

etan H3C – CH3 CH3–CH2- etil

propan H3C – CH2 – CH3

H3C–CH–CH2- propil

H3C–CH–CH3 sec-propil (izopropil)

butan H3C–CH2–CH2–CH3

H3C–CH2–CH2–CH- n-butil

H3C–CH–CH2–CH3secbutil

izobutanH3C – CH – CH3

H3C–CH–CH2- izobutil

H3C – C – CH2 terţ-butil

CH3

CH3

b) Radicali divalenţi proveniţi de la alcani - radicalii divalenţi de la carboni diferiţi se denumesc

înlocuind sufixul –an cu –ilen; - radicalii divalenţi de la acelaşi carbon se denumesc

înlocuind sufixul –an cu sufixul -iliden

ex.: CH4 – metan - CH2 - metilen

C2H6 – etan - CH2 – CH2 - etilen

CH3 – CH etiliden

C3H8 – propan - CH2 – CH – CH2 - 1,3 propilen

H3C – CH – CH2 - 1,2 propilen

c) Radicali trivalenţi proveniţi de la alcani - radicalii trivalenţi de la carboni diferiţi se denumesc

înlocuind sufixul –an cu –in; - radicalii trivalenţi de la acelaşi carbon se denumesc

înlocuind sufixul –an cu –ilidin

ex. CH4 – metan metilidin

metin

C2H6 – etan etilidin

etin

În conformitate cu normele IUPAC nomenclatura alcanilor se ace astfel:

1. Se caută catena principală; ea va da numele hidrocarburii.

2. Dacă sunt posibile mai multe catene principale se alege catena cu cele mai multe ramificaţii.

3. Catena prinicpală se notează cu cifre arabe astfel încât ramificaţiile obţin indicii cei mai mici. Dacă sunt mai multe ramificaţii a căror indici diferă în funcţie de sensul în care se numerotează catena principală, se scriu indicii în ordine crescătoare pentru cele souă situaţii şi se compară pas cu pas până se obţine primul indice inferior, aceasta va fi

seria corectă (suma indicilor cea mai mică).4. Numele izoalcanului va cuprinde: indicii, numele

ramificaţiilor in oridne alfabetică, pentru radicalii identici se folosesc prefixe de multiplicare de care nu se ţine cont în ordine alfabetică, denumirea alcanului al catenei principale.

Indicii se separă cu virgulă, între indici şi denumirea radicalului se pune “-”.

Stare naturală:

Principalele surse de alcani sunt gazele naturale şi petrolul. Gazele naturale pot fi şi formate din metan (gazul metan) cât şi din gaze de sondă sau gaze de petrol. Petrolul este un amestec de hidrocarburi. O sursă naturală pentru obţinerea hidrocarburilor este cărbunele şi oxidul de carbon obţinut din acesta.

Metode de sinteză:

a) Sursa naturală de alcani o formează gazele naturale şi ţiţeiul din care se izolează un mare număr de hidrocarburi saturate folosind diferite metode.

b) Direct din carbon şi hidrogen (sinteza totală)

Utilizând catalizatori, se poate lucra la temperaturi mai joase. Reacţia este valorificată în “procedeul Bergius” (1927) pentru fabricarea benzinei sintetice

c) Din oxid de carbon şi hidrogen

gaz de apă

d) Reacţii de hidroliză compuşi organometalici

iodură de metilmagneziu

iodură bazică de magneziu

dietilzinc

carburi metalice

e) Din hidrocarburi nesaturate prin hidrogenare catalitică

f) Metoda Wurtz: combinaţiile halogene se transformă în alcani în urma reacţiei cu sodiu – catalitic.

g) Sinteza anodică (Kolbe)

.

. .

. .

h) Din alcooli şi dervaţii lor funcţionali prin reducere cu HI

i) Din compuşi carbonilici prin reducere (Metoda Clemmensen)

j) Din sărurile acizilor carboxilici prin încălzire

k) Sinteze de benzine sintetice - procedeul Fischer-Tropsch din gaz de sinteză

- procedeul Bergius prin hidrogenarea cărbunilor de pământ amestecaţi cu ulei mineral la 450o C, 300 atm, folosind catalizatori FeSO4, (NH4)2 MoO4

l) Metoda cu ester malonic

Proprietăţi fizice:

Alcanii sunt compuşi cu molecule nepolare. Forţele de atracţie dintre molecule sunt foarte slabe, de tip van der Waals. Din acest motiv, temperaturile de topire şi fierbere au valori mici. În condiţii normale de temperatură şi presiune, alcanii cu până la 4 atomi de carbon sunt gaze. Începând cu C5 sunt lichizi, iar peste 16 atomi de carbon sunt solizi. Această modificare a stării de agregare se datorează creşterii continue a punctelor de fierbere şi de topire cu numărul atomilor de carbon.

În seriile omoloage punctele de fierbere şi de topire cresc cu creşterea masei moleculare. Această regulă se păstrează şi în cazul izoalcanilor, dar ramificarea micşorează punctul de fierbere al compuşilor respectivi. Alcanii solizi şi lichizi au densitatea mai mică decât unitatea. Sunt substanţe insolubile în apă, dar solubile în solvenţi organici: benzen, alcool eter, cloroform etc. Alcanii lichizi sunt solvenţi pentru multe substanţe organice.

Alcanii gazoşi nu au miros şi de aceea pentru depistarea scăpărilor de gaze din conducte sau din butelii (aragaz), li se adaugă substanţe urât mirositoare (mercaptani),a căror prezenţă este foarte uşor de sesizat.

Denumire FormulăStare de agregare

Punct de topire

Punct de fierbere

g/cm3 Densitate

Entalpia de

combustie (kJ/mol)

Metan CH4gaz -183 -162 0,424 -890

Etan C2H6gaz -172 -89 0,546 -1560

Propan C3H8gaz -188 -42 0,582 -2220

Butan C4H8gaz -138 - 0,5 0,579 -2870

Pentan C5H12lichid -130 36 0,626 -3509

Hexan C6H14lichid -95 69 0,659 -4195

Heptan C7H16lichid -91 98 0,684 -4853

Octan C8H18lichid -57 126 0,703 -5512

Nonan C9H20lichid -54 151 0,718 -6124

Decan C10H22lichid -30 174 0,730 -6778

Proprietăţi chimice:

Alcanii prezintă reactivitate relativ scăzută. Reacţiile alcanilor pot fi grupate în reacţii cu mecanism homolitic având ca intermediari atomi şi radicali liberi şi reacţii cu mecanism heterolitic sau ionic având ca intermediari carbocationi.

I. Reacţii cu mecanism homolitic

A. Descompunerea termică a alcanilor Reacţii chimice:

- reacţia de dehidrogenare

- reacţia de cracare

ex.

negru de fum

B. Reacţii de substituţie (halogenare)

ex.

ex.

ex.

C. Arderea sau combustia, oxidarea

Oxidare:

ex.

Ardere incompletă:

Ardere completă:

D. Reacţia cu SO2+Cl2: în prezenţa luminii sau a unui promotor

.hν

..

. ...

. .

II. Reacţii cu mecanism heterolitic

Izomerizarea hidrocarburilor saturate

ex.

n–butan 18,3 % izobutan 81,7 %

Utilizări

alcanii pot fi folosiţi drept combustibili;

alcanii sunt folosiţi pentru obţinerea de compuşi chimici cu diferite utilizări;

clorura de metil este un agent frigorific;