ALCANI CHIMIE ORGANIC Curs Anul I Biologie Titular

ALCANI CHIMIE ORGANICĂ – Curs Anul I - Biologie Titular curs: Conf. dr. Zoiţa 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 sp 3. În această stare unghiurile dintre valenţele atomului de carbon sunt de 109 o 28’; ele sunt orientate în spaţiu după direcţiile celor 4 vârfuri ale unui tetraedru regulat.

H 109 o 28’ C H H H

H H C H H H Modelele spaţiale moleculelor de CH 4 şi C 2 H 6

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.

carbon terţiar carboni secundari CH 3 – CH 2 – CH 3 CH 3 carboni primari CH 3 H 3 C – CH 3 carbon cuaternar

Izomeria de catenă întâlnită la alcani afectează numai constantele fizice. Izomerii de catenă apar de la CH 4 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 plană Denumirea alcanului 1. CH 4 metan 2. C 2 H 6 H 3 – CH 3 etan 3. C 3 H 8 H 3 C – CH 2 – CH 3 propan 4. C 4 H 10 H 3 C – CH 2 – CH 3 butan 5. C 5 H 12 H 3 C – (CH 2)3 – CH 3 pentan 6. C 6 H 14 H 3 C – (CH 2)4 – CH 3 hexan 7. C 7 H 16 H 3 C – (CH 2)5 – CH 3 heptan 8. C 8 H 18 H 3 C – (CH 2)6 – CH 3 octan 9. C 9 H 20 H 3 C – (CH 2)7 – CH 3 nonan 10. C 10 H 22 H 3 C – (CH 2)8 – CH 3 decan 11. C 11 H 24 H 3 C – (CH 2)9 – CH 3 undecan

Nr. de atomi de carbon Formulă moleculară Formulă plană Denumirea alcanului 12. C 12 H 26 H 3 C – (CH 2)10 – CH 3 dodecan 13. C 13 H 28 H 3 C – (CH 2)11 – CH 3 tridecan 14. C 14 H 30 H 3 C – (CH 2)12 – CH 3 tetradecan 15. C 15 H 32 H 3 C – (CH 2)13 – CH 3 pentadecan 16. C 16 H 34 H 3 C – (CH 2)14 – CH 3 hexadecan 17. C 17 H 36 H 3 C – (CH 2)15 – CH 3 heptadecan 18. C 18 H 38 H 3 C – (CH 2)16 – CH 3 octadecan 19. C 19 H 40 H 3 C – (CH 2)17 – CH 3 nonadecan 20. C 20 H 42 H 3 C – (CH 2)18 – CH 3 icosan 21. C 21 H 44 H 3 C – (CH 2)19 – CH 3 henicosan 22. C 22 H 46 H 3 C – (CH 2)20 – CH 3 docosan 23. C 23 H 48 H 3 C – (CH 2)21 – CH 3 tricosan

Nr. de atomi de carbon Formulă moleculară Formulă plană Denumirea alcanului 24. C 24 H 50 H 3 C – (CH 2)22 – CH 3 tetracosan 30. C 30 H 62 H 3 C – (CH 2)28 – CH 3 triacontan 40. C 40 H 82 H 3 C – (CH 2)38 – CH 3 tetracontan 50. C 50 H 102 H 3 C – (CH 2)48 – CH 3 pentacontan 60. C 60 H 122 H 3 C – (CH 2)58 – CH 3 hexacontan 70. C 70 H 142 H 3 C – (CH 2)68 – CH 3 heptacontan 80. C 80 H 162 H 3 C – (CH 2)78 – CH 3 octacontan 90. C 90 H 182 H 3 C – (CH 2)88 – CH 3 nonacontan 100. C 100 H 202 H 3 C – (CH 2)98 – CH 3 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 CH 4 - CH 3 metil etan H 3 C – CH 3–CH 2 - etil H 3 C–CH–CH 2 - propil H 3 C–CH–CH 3 sec-propil (izopropil) H 3 C–CH 2–CH- n-butil propan butan H 3 C – CH 2 – CH 3 H 3 C–CH 2–CH 3 H 3 C–CH–CH 2 - izobutan secbutil izobutil H 3 C – CH 3 H 3 C – CH 2 CH 3 terţ-butil

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. : CH 4 – metan C 2 H 6 – etan - CH 2 - metilen - CH 2 – CH 2 - etilen CH 3 – CH C 3 H 8 – propan etiliden - CH 2 – CH 2 - 1, 3 propilen H 3 C – CH 2 - 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. CH 4 – metan C 2 H 6 – etan metilidin metin 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 450 o C, 300 atm, folosind catalizatori Fe. SO 4, (NH 4)2 Mo. O 4

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 C 5 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.

g/cm 3 Entalpia de combustie (k. J/mol) Denumire Formulă Stare de agregare Punct de topire Punct de fierbere Densitate Metan CH 4 gaz -183 -162 0, 424 -890 Etan C 2 H 6 gaz -172 -89 0, 546 -1560 Propan C 3 H 8 gaz -188 -42 0, 582 -2220 Butan C 4 H 8 gaz -138 - 0, 579 -2870 Pentan C 5 H 12 lichid -130 36 0, 626 -3509 Hexan C 6 H 14 lichid -95 69 0, 659 -4195 Heptan C 7 H 16 lichid -91 98 0, 684 -4853 Octan C 8 H 18 lichid -57 126 0, 703 -5512 Nonan C 9 H 20 lichid -54 151 0, 718 -6124 Decan C 10 H 22 lichid -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.

C. Arderea sau combustia, oxidarea Oxidare: ex.

Ardere incompletă: Ardere completă:

D. Reacţia cu SO 2+Cl 2: 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;