Chimie OrganicĂ – Curs Anul i
description
Transcript of Chimie OrganicĂ – Curs Anul i
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.
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
d) Reacţii de hidroliză compuşi organometalici
iodură de metilmagneziu
iodură bazică de magneziu
dietilzinc
f) Metoda Wurtz: combinaţiile halogene se transformă în alcani în urma reacţiei cu sodiu – catalitic.
g) Sinteza anodică (Kolbe)
.
. .
. .
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
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
II. Reacţii cu mecanism heterolitic
Izomerizarea hidrocarburilor saturate
ex.
n–butan 18,3 % izobutan 81,7 %