alcano - Alkane


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Estructura química de metano , el alcano más simple

En química orgánica , un alcano , o de parafina (un nombre histórico que también tiene otros significados ), es una acíclico saturado de hidrocarburos . En otras palabras, un alcano consta de hidrógeno y de carbono átomos dispuestos en un árbol de estructura en la que todos los enlaces carbono-carbono son solo . Los alcanos tienen la fórmula química general C n H 2 n +2 . Los alcanos varían en complejidad desde el caso más simple de metano (CH 4 ), donde n  = 1 (a veces llamada la molécula padre), a moléculas arbitrariamente grandes y complejos, como pentacontano (C 50 H 102 ) o 6-etil-2- (1-metiletil) octano metil-5-, un isómero de tetradecano (C 14 H 30 )

IUPAC define alcanos como "acíclico ramificado o no ramificados que tienen la fórmula general C n H 2 n 2 , y por lo tanto compuesto enteramente de átomos de hidrógeno y átomos de carbono saturados". Sin embargo, algunas fuentes utilizan el término para denotar cualquier hidrocarburo saturado, incluidos los que son ya sea monocíclico (es decir, los cicloalcanos ) o policíclico, a pesar de tener una fórmula general diferente (es decir, cicloalcanos son C n H 2 n ).

En un alcano, cada átomo de carbono es sp 3 hibridado con 4 enlaces sigma (ya sea C-C o C-H ), y cada átomo de hidrógeno está unido a uno de los átomos de carbono (en un enlace C-H). La serie más larga de átomos de carbono unidos en una molécula se conoce como su esqueleto de carbono o cadena principal de carbono. El número de átomos de carbono puede ser pensado como el tamaño del alcano.

Un grupo de los alcanos superiores son ceras , sólidos a temperatura estándar y presión ambiente (SATP), para lo cual el número de carbonos en la cadena principal de carbono es mayor que aproximadamente 17. Con sus repetidas -CH 2 unidades, los alcanos constituyen una serie homóloga de compuestos orgánicos en los que los miembros difieren en masa molecular por múltiplos de 14,03  u (la masa total de cada una de tales metileno-puente unidad, que comprende un único átomo de carbono de la masa 12,01 U y dos átomos de hidrógeno de masa ~ 1,01 u cada una).

Alcanos no son muy reactivos y tienen poca actividad biológica . Ellos pueden ser vistos como árboles moleculares sobre la cual se pueden colgar las más activa / reactiva grupos funcionales de moléculas biológicas.

Los alcanos tienen dos principales fuentes comerciales: petróleo (petróleo crudo) y gas natural .

Un alquilo grupo , generalmente abreviado con el símbolo R, es un grupo funcional que, como un alcano, consiste únicamente de átomos de carbono y con enlaces de hidrógeno individuales conectadas de forma acíclica-por ejemplo, un metilo o un grupo etilo .

estructura de clasificación

Los hidrocarburos saturados son hidrocarburos que tienen solamente enlaces covalentes simples entre sus carbonos. Ellos pueden ser:

  • lineal (fórmula general C
    n
    H
    2 n 2
    ) en la que los átomos de carbono se unen en una estructura de tipo serpiente
  • ramificado (fórmula general C
    n
    H
    2 n 2
    ,n > 2) en el que la cadena principal de carbono se separa en una o más direcciones
  • cíclico (fórmula general C
    n
    H
    2 n
    ,n > 3) en el que la cadena principal de carbono está ligado a fin de formar un bucle.

Según la definición de la IUPAC , los dos primeros son alcanos, mientras que el tercer grupo se llama cicloalcanos . Los hidrocarburos saturados también pueden combinar cualquiera de los lineal, cíclico (por ejemplo, policíclico) y las estructuras de ramificación; la fórmula general es C
n
H
2 n -2 k 2
, dondekes el número de bucles independientes. Los alcanos son losacíclicos(loopless) queridos, correspondiente ak = 0.

isomería

Diferentes C 4 alcanos y cicloalcanos (de izquierda a derecha): n -butano y isobutano son los dos C 4 H 10 isómeros; ciclobutano y metilciclopropano son los dos C 4 H 8 isómeros de alcano.
Biciclo [1.1.0] butano es la única C 4 H 6 alcano y no tiene ningún isómero alcano; tetrahedrane (abajo) es el único C 4 H 4 alcano y así no tiene isómero alcano.

Alcanos con más de tres de carbono los átomos pueden estar dispuestos en varias formas diferentes, formando isómeros estructurales . El isómero más simple de un alcano es aquel en el que los átomos de carbono están dispuestos en una sola cadena sin ramas. Este isómero se denomina a veces el n isómero ( n para "normal", aunque no es necesariamente el más común). Sin embargo, la cadena de átomos de carbono también puede estar ramificado en una o más puntos. El número de posibles isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono. Por ejemplo, para alcanos acíclicos:

Alcanos ramificados pueden ser quiral . Por ejemplo, 3-metilhexano y sus mayores homólogos son quirales debido a su centro estereogénico en átomo de carbono número 3. Además de los isómeros de alcano, la cadena de átomos de carbono puede formar uno o más bucles. Tales compuestos se denominan cicloalcanos . Los estereoisómeros y los compuestos cíclicos se excluyen cuando se calcula el número de isómeros anteriormente.

Nomenclatura

La nomenclatura de la IUPAC (forma sistemática de nombrar los compuestos) para los alcanos se basa en la identificación de cadenas de hidrocarburos. , Cadenas de hidrocarburos saturados no ramificados se nombran sistemáticamente con un prefijo numérico griego que denota el número de carbonos y el "-ano" sufijo.

En 1866, August Wilhelm von Hofmann sugiere sistematizar la nomenclatura mediante el uso de toda la secuencia de vocales a, e, i, o, u crear sufijos -ano, -ene, ine (o -ino), ona, -UNE, por la hidrocarburos 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 . Ahora, los tres primeros hidrocarburos de nombre con enlaces simples, dobles y triples; "-ona" representa una cetona ; "-ol" representa un alcohol o un grupo OH; "-oxy-" significa un éter y se refiere a oxígeno entre dos átomos de carbono, de modo que methoxymethane es el nombre de la IUPAC para dimetil éter .

Es difícil o imposible encontrar compuestos con más de un IUPAC nombre. Esto se debe a cadenas más cortas unidas a cadenas más largas son prefijos y la convención Incluye soportes. Los números en el nombre, se hace referencia a que el carbono un grupo está unido a, deben ser tan bajo como sea posible para que 1- está implícito y generalmente omitidos de nombres de compuestos orgánicos con un solo grupo lateral. Compuestos simétricos tendrán dos maneras de llegar al mismo nombre.

alcanos lineales

De cadena lineal alcanos a veces se indican mediante el prefijo " n -" (para normales ) cuando un no lineal isómero existe. Aunque esto no es estrictamente necesario, el uso es todavía común en los casos en que hay una importante diferencia en las propiedades entre la de cadena lineal y los isómeros de cadena ramificada, por ejemplo, n -hexano o 2- o 3-metilpentano. Los nombres alternativos para este grupo son: parafinas lineales o n -parafinas .

Los miembros de la serie (en términos de número de átomos de carbono) se denominan como sigue:

metano
CH 4 - uno de carbono y cuatro de hidrógeno
etano 
C 2 H 6 - dos carbonos y seis de hidrógeno
propano
C 3 H 8 - tres de carbono y 8 de hidrógeno
butano 
C 4 H 10 - cuatro de carbono y 10 de hidrógeno
pentano
C 5 H 12 - cinco átomos de carbono y de hidrógeno 12
hexano 
C 6 H 14 - de seis carbonos y 14 de hidrógeno

Los primeros cuatro nombres se derivan a partir de metanol , éter , ácido propiónico y ácido butírico , respectivamente ( hexadecano también se refiere a veces como de cetano). Los alcanos con cinco o más átomos de carbono se nombran añadiendo el sufijo -ano a la apropiada multiplicador numérico prefijo con elisión de cualquier vocal terminal ( -a o -O ) a partir de la expresión numérica básica. Por lo tanto, pentano , C 5 H 12 ; hexano , C 6 H 14 ; heptano , C 7 H 16 ; octano , C 8 H 18 ; etc. El prefijo es generalmente griega, sin embargo alcanos con un número de átomos de carbono que termina en nueve, por ejemplo, nonano , utilice el América prefijo no . Para una lista más completa, véase la Lista de alcanos .

alcanos ramificados

Modelo de bola y el palo de isopentano (nombre común) o 2-metil-butano (IUPAC nombre sistemático)

Alcanos ramificados simples a menudo tienen un nombre común usando un prefijo para distinguirlos de los alcanos lineales, por ejemplo n pentano , isopentano , y neopentano .

convenciones de nomenclatura de la IUPAC se pueden utilizar para producir un nombre sistemático.

Los pasos clave en la denominación de los alcanos ramificados más complicados son los siguientes:

  • Identificar la cadena continua más larga de átomos de carbono
  • Nombre esta cadena de raíz más larga usando reglas de nomenclatura estándar
  • Nombre cada cadena lateral cambiando el sufijo del nombre del alcano de "-ano" a "-il"
  • Número de la cadena continua más larga con el fin de dar los números más bajos posibles para las cadenas laterales
  • Número y el nombre de las cadenas laterales antes de que el nombre de la cadena de raíz
  • Si hay múltiples cadenas laterales del mismo tipo, usar prefijos tales como "di-" y "tri-" para indicar que como tal, y el número de cada uno.
  • Añadir nombres de las cadenas laterales en orden alfabético (sin tener en cuenta "di-", etc. prefijos) para delante del nombre de la cadena de raíz
Comparación de las nomenclaturas de tres isómeros de C 5 H 12
Nombre común n pentano isopentano neopentano
nombre de la IUPAC pentano 2-metilbutano 2,2-dimetilpropano
Estructura Pentano-2D-skeletal.svg Isopentano-2D-skeletal.png Neopentano-2D-skeletal.png

hidrocarburos cíclicos saturados

Aunque técnicamente distinto de los alcanos, esta clase de hidrocarburos se conoce por algunos como los "alcanos cíclicos." Como su descripción implica, que contienen uno o más anillos.

Cicloalcanos simples tienen un prefijo "ciclo-" para distinguirlos de los alcanos. Cicloalcanos se nombran como por sus homólogos acíclicos con respecto al número de átomos de carbono en sus cadenas principales, por ejemplo, ciclopentano (C 5 H 10 ) es un cicloalcano con 5 átomos de carbono tal como pentano (C 5 H 12 ), pero que se unen en un anillo de cinco miembros. De una manera similar, propano y ciclopropano , butano y ciclobutano , etc.

Cicloalcanos sustituidos se denominan de manera similar a los alcanos sustituidos - el anillo de cicloalcano se indica, y los sustituyentes están de acuerdo con su posición en el anillo, con la numeración decidido por las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog .

Los nombres vulgares / comunes

El (no trivial sistemática nombre) de alcanos es parafinas . Juntos, los alcanos son conocidos como la serie de parafina . Los nombres triviales para compuestos son por lo general los artefactos históricos. Ellos fueron acuñados antes del desarrollo de los nombres sistemáticos, y se han conservado debido al uso habitual en la industria. Cicloalcanos son también llamados naftenos.

Es casi seguro que el término parafina se deriva de la industria petroquímica . Alcanos de cadena ramificada son llamados isoparafinas . El uso del término "parafina" es un término general y, a menudo no distingue entre los compuestos puros y mezclas de isómeros , es decir, compuestos de la misma fórmula química , por ejemplo, pentano y el isopentano .

Ejemplos

Los siguientes nombres triviales se retienen en el sistema de la IUPAC:

Propiedades físicas

Todos los alcanos son incoloros. Alcanos con los pesos moleculares más bajos son los gases, los de peso molecular intermedio son líquidos, y el más pesado son sólidos céreos.

Tabla de alcanos

alcano Fórmula Punto de ebullición [° C] Punto de fusión [° C] Densidad [g / cm 3 ] (a 20 ° C )
Metano CH 4 -162 -182 0.000656 (gas)
etano C 2 H 6 -89 -183 0,00126 (gas)
Propano C 3 H 8 -42 -188 0,00201 (gas)
Butano C 4 H 10 0 -138 0,00248 (gas)
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)
decano C 10 H 22 174 -30 0,730 (líquido)
undecano C 11 H 24 196 -26 0,740 (líquido)
dodecano C 12 H 26 216 -10 0,749 (líquido)
pentadecano C 15 H 32 270 9.95 0,769 (líquido)
hexadecano 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
pentacontano C 50 H 102 575 91 sólido
Hexacontane C 60 H 122 625 100 sólido

Punto de ebullición

De fusión (azul) y de ebullición (naranja) puntos de los primeros 16 n -alcanos en ° C.

Experiencia alcanos intermoleculares de van der Waals . Fuerzas intermoleculares fuertes de van der Waals dan lugar a mayores puntos de ebullición de los alcanos.

Hay dos factores determinantes para la resistencia de las fuerzas de van der Waals:

  • el número de electrones que rodean la molécula , lo que aumenta con el peso molecular del alcano
  • el área superficial de la molécula

Bajo condiciones estándar , a partir de CH 4 a C 4 H 10 alcanos son gaseosos; de C 5 H 12 a C 17 H 36 son líquidos; y después de C 18 H 38 son sólidos. Como el punto de ebullición alcanos está determinada principalmente por peso, no debe ser una sorpresa que el punto de ebullición tiene casi una relación lineal con el tamaño ( peso molecular ) de la molécula. Como regla general, el punto de ebullición se eleva 20-30 ° C para cada carbono añadido a la cadena; esta regla se aplica a otras series homólogas.

Un alcano de cadena lineal tendrá un punto de ebullición más alto que un alcano de cadena ramificada debido a la mayor área de superficie en contacto, por lo tanto, las fuerzas mayor de van der Waals, entre moléculas adyacentes. Por ejemplo, comparar isobutano (2-metilpropano) y n-butano (butano), que hierven a -12 y 0 ° C, y 2,2-dimetilbutano y 2,3-dimetilbutano que hierven a 50 y 58 ° C, respectivamente . Para el último caso, dos moléculas de 2,3-dimetilbutano puede "bloquear" entre sí mejor que el 2,2-dimetilbutano en forma de cruz, por lo tanto, las fuerzas mayor de van der Waals.

Por otro lado, cicloalcanos tienden a tener puntos de ebullición más altos que sus contrapartes lineales debido a las conformaciones cerradas de las moléculas, que dan un plano de contacto intermolecular.

Puntos de fusión

Los puntos de fusión de los alcanos siguen una tendencia similar a puntos de ebullición por la misma razón como se describe anteriormente. Es decir, (todas las otras cosas son iguales) cuanto mayor es la molécula más alto es el punto de fusión. Hay una diferencia significativa entre los puntos de ebullición y puntos de fusión. Los sólidos tienen una estructura más rígida y fija que los líquidos. Esta estructura rígida requiere energía para romper. Por lo tanto las estructuras sólidas mejor juntas requieren más energía para romper. Para alcanos, esto se puede ver en el gráfico anterior (es decir, la línea azul). Los alcanos de número impar tienen una tendencia más baja en los puntos de fusión de los alcanos de número par. Esto se debe a alcanos de número par paquete bien en la fase sólida, formando una estructura bien organizada, lo que requiere más energía para romper. Los alcanos de número impar paquete menos bien y por lo que el "más flojo" organizado estructura de empaquetamiento sólido requiere menos energía para romperse aparte.

Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser más altos o más bajos que los de los correspondientes alcanos de cadena lineal, de nuevo dependiendo de la capacidad del alcano en cuestión para empacar bien en la fase sólida: Esto es particularmente cierto para los isoalcanos (2 isómeros -metil), que a menudo tienen puntos de fusión más altos que los de los análogos lineales.

Conductividad y solubilidad

Alcanos no conducen la electricidad de ninguna manera, ni son sustancialmente polarizados por un campo eléctrico . Por esta razón, no forman enlaces de hidrógeno y son insolubles en disolventes polares tales como agua. Puesto que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua individuales están alineados de distancia de una molécula de alcano, la coexistencia de un alcano y agua conduce a un aumento en orden molecular (una reducción de la entropía ). Como no hay una unión significativa entre las moléculas de agua y moléculas de alcano, la segunda ley de la termodinámica sugiere que esta reducción de la entropía debe minimizarse al minimizar el contacto entre alcano y agua: alcanos se dice que son hidrófobos en que repelen el agua.

Su solubilidad en disolventes polares es relativamente buena, una propiedad que se llama lipofilia . Alcanos son diferentes, por ejemplo, miscibles en todas las proporciones entre sí.

La densidad de los alcanos generalmente aumenta con el número de átomos de carbono, pero sigue siendo inferior a la del agua. Por lo tanto, alcanos forman la capa superior en una mezcla de alcano-agua.

Geometría molecular

sp 3 -hybridization en metano .

La estructura molecular de los alcanos afecta directamente a sus características físicas y químicas. Se deriva de la configuración electrónica de carbono , que tiene cuatro electrones de valencia . Los átomos de carbono en los alcanos son siempre sp 3 hibridado, es decir que los electrones de valencia se dice que son en cuatro orbitales equivalentes derivados de la combinación de los orbital 2s y los tres orbitales 2p. Estos orbitales, que tienen energías idénticas, están dispuestos espacialmente en la forma de un tetraedro , el ángulo de cos -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 ° entre ellos.

longitudes de enlace y ángulos de enlace

Una molécula de alcano tiene sólo enlaces sencillos C-H y C-C. El anterior resultado de la superposición de un sp 3 orbital de carbono con el orbital 1s de un hidrógeno; la segunda por la superposición de dos sp 3 orbitales en diferentes átomos de carbono. La longitudes de enlace cantidad a 1,09 × 10 -10  m para un enlace C-H y 1,54 × 10 -10  m para un enlace C-C.

La estructura tetraédrica del metano.

La disposición espacial de los enlaces es similar a la de los cuatro sp 3 orbitales-están dispuestos tetraédricamente, con un ángulo de 109,47 ° entre ellos. Las fórmulas estructurales que representan los enlaces como en ángulos rectos entre sí, mientras que tanto común y útil, no se corresponden con la realidad.

Conformación

La fórmula estructural y los ángulos de enlace no son por lo general suficientes para describir completamente la geometría de una molécula. Hay un mayor grado de libertad para cada enlace carbono-carbono: el ángulo de torsión entre los átomos o grupos unidos a los átomos en cada extremo del enlace. La disposición espacial descrita por los ángulos de torsión de la molécula se conoce como su conformación .

Proyecciones de Newman de las dos conformaciones de etano: eclipsados ​​a la izquierda, escalonados a la derecha.
Modelos de bola y el palo de los dos rotámeros de etano

Etano forma el caso más sencillo para el estudio de la conformación de alcanos, ya que sólo hay un enlace C-C. Si uno mira hacia abajo del eje del enlace C-C, uno verá la llamada proyección de Newman . Los átomos de hidrógeno en los átomos de carbono tanto delantera y trasera tienen un ángulo de 120 ° entre ellos, que resulta de la proyección de la base del tetraedro sobre un plano plano. Sin embargo, el ángulo de torsión entre un átomo de hidrógeno dado unido al carbono frontal y un átomo de hidrógeno dado unido al carbono trasero puede variar libremente entre 0 ° y 360 °. Esto es una consecuencia de la rotación libre alrededor de un enlace sencillo carbono-carbono. A pesar de esta aparente libertad, sólo dos conformaciones limitantes son importantes: eclipsado conformación y conformación alternada .

Las dos conformaciones, también conocidos como rotámeros , difieren en energía: La conformación escalonada es 12,6 kJ / mol menor energía (más estable) que la conformación eclipsada (el menos estable).

Esta diferencia de energía entre las dos conformaciones, conocida como la energía de torsión , es baja en comparación con la energía térmica de una molécula de etano a temperatura ambiente. Hay rotación constante alrededor del enlace C-C. El tiempo necesario para una molécula de etano a pasar de una conformación alternada a la siguiente, equivalente a la rotación de uno CH 3 grupo por 120 ° con respecto al otro, es del orden de 10 -11  segundos.

El caso de alcanos superiores es más compleja, pero basado en principios similares, con la conformación antiperiplanar siempre siendo el más favorecido alrededor de cada enlace carbono-carbono. Por esta razón, los alcanos generalmente se muestran en una disposición en zigzag en los diagramas o en modelos. La estructura real siempre será diferir algo de estas formas idealizadas, ya que las diferencias de energía entre las conformaciones son pequeñas en comparación con la energía térmica de las moléculas: las moléculas de alcanos no tienen forma estructural fija, independientemente de los modelos pueden sugerir.

propiedades espectroscópicas

Prácticamente todos los compuestos orgánicos contienen enlaces carbono-carbono, y carbono-hidrógeno, y así muestran algunas de las características de alcanos en sus espectros. Los alcanos son notables por no tener otros grupos, y por lo tanto para la ausencia de otras características característica espectroscópicas de un grupo funcional diferente como -OH , -CHO , -COOH etc.

Espectroscopia infrarroja

El carbono-hidrógeno modo de estiramiento da una fuerte absorción entre 2850 y 2960  cm -1 , mientras que el carbono-carbono modo de estiramiento absorbe entre 800 y 1300 cm -1 . El carbono-hidrógeno modos de flexión depende de la naturaleza del grupo: grupos metilo muestran bandas a 1450 cm -1 y 1375 cm -1 , mientras que los grupos metileno muestran bandas a 1465 cm -1 y 1450 cm -1 . Cadenas de carbono con más de cuatro átomos de carbono muestran una absorción débil en alrededor de 725 cm -1 .

espectroscopía de RMN

Las resonancias de protones de alcanos se encuentran generalmente en δ H = 0,5-1,5. El carbono-13 resonancias dependen de la cantidad de átomos de hidrógeno unidos al carbono: δ C = 8-30 (primaria, metilo, -CH 3 ), 15-55 (secundaria, metileno, -CH 2 -), 20-60 (terciario, metino, C-H) y cuaternaria. La resonancia de carbono-13 de átomos de carbono cuaternario es característicamente débil, debido a la falta de efecto Overhauser nuclear y el largo tiempo de relajación , y se puede perder en muestras débiles, o muestras que no han sido dirigidos por un tiempo suficientemente largo.

Espectrometría de masas

Los alcanos tienen una alta energía de ionización , y el ion molecular es generalmente débil. El patrón de fragmentación puede ser difícil de interpretar, pero, en el caso de alcanos de cadena ramificada, la cadena de carbono se escinde preferentemente en los carbonos terciarios o cuaternarios debido a la estabilidad relativa de los resultantes radicales libres . El fragmento resultante de la pérdida de un solo grupo metilo ( M  - 15) es a menudo ausente, y otros fragmentos son a menudo espaciados por intervalos de catorce unidades de masa, correspondiente a la pérdida secuencial de CH 2 grupos.

Propiedades químicas

Los alcanos son sólo débilmente reactivo con sustancias polares iónicos y otros. La constante de disociación ácida (pKa un valores de todos los alcanos) están por encima de 60, por lo que son prácticamente inertes a los ácidos y bases (véase: ácidos de carbono ). Esta inercia es la fuente del término parafinas (con el significado aquí de "falta de afinidad"). En crudo las moléculas de alcanos se han mantenido sin cambios químicos durante millones de años.

Sin embargo las reacciones redox de alcanos, en particular con oxígeno y los halógenos, son posibles como los átomos de carbono están en una condición fuertemente reducida; en el caso del metano, el estado de oxidación más bajo posible para el carbono (-4) se alcanza. La reacción con oxígeno ( si presente en cantidad suficiente para satisfacer la reacción estequiometría ) conduce a la combustión sin humo, la producción de dióxido de carbono y agua. Halogenación de radicales libres reacciones se producen con halógenos, lo que lleva a la producción de haloalcanos . Además, los alcanos se han demostrado interactuar con, y unirse a, ciertos complejos de metales de transición en la activación de enlace C-H .

Los radicales libres , moléculas con electrones desapareados, juegan un papel importante en la mayoría de las reacciones de alcanos, tales como el craqueo y la reforma donde alcanos de cadena larga se convierten en alcanos de cadena más corta y alcanos de cadena lineal en los isómeros de cadena ramificada.

En alcanos altamente ramificados, el ángulo de enlace puede diferir significativamente del valor óptimo (109,5 °) con el fin de permitir que los diferentes grupos de espacio suficiente. Esto provoca una tensión en la molécula, conocida como el impedimento estérico , y puede aumentar sustancialmente la reactividad.

Las reacciones con oxígeno (reacción de combustión)

Todos los alcanos reaccionan con oxígeno en una combustión de reacción, a pesar de que se vuelven cada vez más difícil de encender como el número de átomos de carbono aumenta. La ecuación general para la combustión completa es:

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

En ausencia de suficiente oxígeno, monóxido de carbono o incluso de hollín se pueden formar, como se muestra a continuación:

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 ejemplo, el metano :

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

Ver el calor alcano de la mesa de formación para los datos detallados. El cambio de entalpía estándar de combustión , Δ c H , por alcanos aumenta en alrededor de 650 kJ / mol por CH 2 grupo. Alcanos de cadena ramificada tienen valores más bajos de Δ c H de alcanos de cadena lineal del mismo número de átomos de carbono, y así se pueden ver a ser algo más estable.

Reacciones con halógenos

Los alcanos reaccionan con halógenos en un denominado halogenación de radicales libres de reacción. Los átomos de hidrógeno del alcano se sustituyen progresivamente por átomos de halógeno. Los radicales libres son las especies reactivas que participan en la reacción, que generalmente conduce a una mezcla de productos. La reacción es altamente exotérmica , y puede conducir a una explosión.

Estas reacciones son una importante ruta industrial a los hidrocarburos halogenados. Hay tres pasos:

  • Iniciación el halógeno radicales forman por homólisis . Por lo general, se requiere energía en forma de calor o la luz.
  • Reacción en cadena o de propagación tiene lugar entonces-el halógeno resúmenes un radical hidrógeno del alcano para dar un radical alquilo. Este reacciona más.
  • Terminación de la cadena , donde los radicales se recombinan.

Los experimentos han mostrado que todos halogenación produce una mezcla de todos los isómeros posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles a la reacción. La mezcla producida, sin embargo, no es una mezcla estadística: átomos de hidrógeno secundarias y terciarias son reemplazados preferentemente debido a la mayor estabilidad de los radicales libres secundarios y terciarios. Un ejemplo puede verse en la monobromación de propano:

Monobromación de propano

Agrietamiento

Cracking rompe moléculas más grandes en otros más pequeños. Esto se puede hacer con un método térmico o catalítico. El proceso de craqueo térmico sigue un homolítica mecanismo con la formación de radicales libres . El proceso de craqueo catalítico implica la presencia de ácidos catalizadores (ácidos generalmente sólidos tales como sílice-alúmina y zeolitas ), que promueven una heterolítica rotura (asimétrica) de bonos que producen pares de iones de cargas opuestas, por lo general un carbocatión y el muy inestable hidruro anión . Radicales libres y cationes de carbono-localizada son altamente inestables y procesos de reordenamiento de la cadena, C-C escisión en la posición someten beta (es decir, formación de grietas) y intra- y intermolecular de transferencia de hidrógeno o hidruro de transferencia. En ambos tipos de procesos, los correspondientes intermediarios reactivos (radicales, iones) se regeneran de forma permanente, y por lo tanto se procede por un mecanismo de cadena de autopropagación. La cadena de reacciones es finalmente terminada por recombinación radical o iónico.

La isomerización y reformación

Dragan y su colega fueron los primeros en informar acerca de isomerización de alcanos. La isomerización y reformación son procesos en los que los alcanos de cadena lineal se calientan en presencia de un platino catalizador. En la isomerización, los alcanos se convierten en isómeros de cadena ramificada. En otras palabras, no pierde ningún carbonos o hidrógenos, manteniendo el mismo peso molecular. En la reforma, los alcanos se convierten cicloalcanos o hidrocarburos aromáticos , desprendiendo hidrógeno como un subproducto. Ambos procesos elevar el índice de octano de la sustancia. El butano es el alcano más común que se puso bajo el proceso de isomerización, ya que hace que muchos alcanos ramificados con un número de alto octanaje.

otras reacciones

Los alcanos reaccionan con vapor en presencia de un níquel catalizador para dar hidrógeno . Alcanos pueden ser clorosulfonado y nitrados , aunque ambas reacciones requieren condiciones especiales. La fermentación de alcanos a ácidos carboxílicos es de alguna importancia técnica. En la reacción Reed , dióxido de azufre , cloro y luz convierten hidrocarburos a cloruros de sulfonilo . Nucleofílica abstracción se puede utilizar para separar un alcano de un metal. Los grupos alquilo pueden ser transferidos de un compuesto a otro por transmetalación reacciones.

Ocurrencia

Ocurrencia de alcanos en el Universo

El metano y el etano constituyen una pequeña proporción de Júpiter atmósfera 's
La extracción de aceite, que contiene muchos diferentes hidrocarburos incluyendo alcanos

Alcanos forman una pequeña parte de las atmósferas de los planetas de gas exteriores tales como Jupiter (0,1% de metano, 2  ppm etano), Saturno (0,2% de metano, 5 ppm etano), Urano (1,99% de metano, 2,5 ppm etano) y Neptuno ( 1,5% de metano, 1,5 ppm etano). Titan (1,6% de metano), un satélite de Saturno, fue examinado por el Huygens sonda , lo que indica que la atmósfera de Titan llueve periódicamente metano líquido sobre la superficie de la luna. También en Titán la misión Cassini ha fotografiado estacionales lagos de metano / etano cerca de las regiones polares de Titán. El metano y el etano también se han detectado en la cola del cometa Hyakutake . El análisis químico mostró que las abundancias de etano y metano eran más o menos igual, que se piensa dar a entender que sus hielos formados en el espacio interestelar, lejos del Sol, lo que habría evaporado estas moléculas volátiles. Alcanos también se han detectado en meteoritos como condritas carbonáceas .

Ocurrencia de alcanos en la Tierra

Las huellas de gas metano (aproximadamente 0,0002% o 1,745 ppb) se producen en la atmósfera de la Tierra, producida principalmente por metanogénicas microorganismos, tales como Archaea en el intestino de los rumiantes.

Las fuentes comerciales más importantes para los alcanos son el gas natural y el petróleo . El gas natural contiene principalmente metano y etano, con algo de propano y butano : aceite es una mezcla de alcanos líquidos y otros hidrocarburos . Se formaron Estos hidrocarburos cuando los animales y plantas marinas (zooplancton y fitoplancton) murieron y se hundieron hasta el fondo de los antiguos mares y se cubrieron con sedimentos en un anóxica ambiente y se convierten durante muchos millones de años a altas temperaturas y alta presión a su forma actual. El gas natural dio como resultado de ese modo por ejemplo, de la siguiente reacción:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Estos depósitos de hidrocarburos, recogidos en las rocas porosas atrapadas debajo de rocas capa impermeable, comprenden comerciales campos de petróleo . Ellos han formado durante millones de años y una vez agotado no puede ser reemplazado fácilmente. El agotamiento de estas reservas de hidrocarburos es la base de lo que se conoce como la crisis energética .

El metano también está presente en lo que se llama biogás , producidos por animales y materia en descomposición, que es una posible fuente de energía renovable .

Los alcanos tienen una baja solubilidad en agua, por lo que el contenido en los océanos es despreciable; sin embargo, a altas presiones y bajas temperaturas (tales como en el fondo de los océanos), el metano puede co-cristalizar con agua para formar un sólido hidrato de metano (metano hidrato). Aunque esto no puede ser explotado comercialmente en el momento actual, la cantidad de energía combustible de los campos metano clatrato conocidos excede el contenido de energía de todos los depósitos de gas y petróleo naturales juntos. El metano extraído de hidrato de metano es, por lo tanto, un candidato para combustibles futuros.

ocurrencia Biológica

alcanos acíclicos se producen en la naturaleza en diversas formas.

Las bacterias y arqueas
Metanogénicas arqueas en el intestino de esta vaca son responsables de algunas de las de metano en la atmósfera de la Tierra.

Ciertos tipos de bacterias pueden metabolizar alcanos: prefieren cadenas de carbono de número par, ya que son más fáciles de degradar que las cadenas impares.

Por otra parte, cierto arqueas , los metanógenos , producen grandes cantidades de metano por el metabolismo de dióxido de carbono u otros oxidados los compuestos orgánicos. La energía se libera por la oxidación de hidrógeno :

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Los metanógenos son también los productores de gas de los pantanos de los humedales , y liberan aproximadamente dos mil millones de toneladas de metano al año, el contenido atmosférica de este gas se produce casi exclusivamente por ellos. La salida de metano del ganado y otros herbívoros , que puede liberar 30 a 50 galones por día, y de las termitas , se debe también a los metanógenos. También producen este simple de todos los alcanos en los intestinos de los seres humanos. Arqueas metanogénicas son, por lo tanto, al final de la ciclo del carbono , con de carbono que se libera de nuevo a la atmósfera después de haber sido fijado por la fotosíntesis . Es probable que se formaron los depósitos actuales de gas natural de una manera similar.

Los hongos y las plantas

Alcanos también desempeñan un papel, si un papel de menor importancia, en la biología de los tres eucariotas grupos de organismos: hongos , plantas y animales. Algunas levaduras especializados, por ejemplo, Candida tropicale , Pichia sp., Rhodotorula sp., Pueden utilizar alcanos como fuente de carbono o la energía. El hongo Amorphotheca resinae prefiere los alcanos de cadena larga en el combustible de aviación , y puede causar serios problemas a los aviones en las regiones tropicales.

En las plantas, los sólidos alcanos de cadena larga se encuentran en la cutícula de la planta y de la cera epicuticular de muchas especies, pero son sólo en raras ocasiones los constituyentes principales. Protegen la planta frente a la pérdida de agua, evitar la lixiviación de minerales importantes por la lluvia, y proteger contra las bacterias, los hongos y los insectos nocivos. Las cadenas de carbono en alcanos de plantas son generalmente impares, entre 27 y 33 átomos de carbono en longitud y están hechos por las plantas por descarboxilación de número par ácidos grasos . La composición exacta de la capa de cera no sólo es dependiente de especie sino también los cambios con la temporada y tales factores ambientales como las condiciones de iluminación, temperatura o humedad.

Alcanos de cadena corta más volátiles también se producen por y se encuentran en los tejidos vegetales. El pino Jeffrey se caracteriza por la producción de niveles excepcionalmente altos de n - heptano en su resina, por lo que su destilado fue designado como el punto cero para un número de octano . Los aromas florales también han sido durante mucho tiempo se sabe que contienen componentes de alcanos volátiles, y n - nonano es un componente significativo en el olor de algunos rosas . Emisión de alcanos gaseosos y volátiles, tales como etano , pentano , y hexano por las plantas también se ha documentado en niveles bajos, a pesar de que generalmente no se consideran para ser un componente importante de la contaminación del aire biogénico.

Aceites vegetales comestibles contienen también típicamente pequeñas fracciones de alcanos biogénicos con un amplio espectro de números de carbono, principalmente 8 a 35, por lo general un máximo en el punto bajo a 20s superiores, con concentraciones de hasta de miligramos por kilogramo docenas (partes por millón en peso) y a veces más de un centenar para la fracción alcano total.

animales

Los alcanos se encuentran en productos de origen animal, a pesar de que son menos importantes que los hidrocarburos insaturados. Un ejemplo es el aceite de hígado de tiburón, que es aproximadamente 14% pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C 19 H 40 ). Son importantes como feromonas , materiales mensajero químico, en el que los insectos dependen para la comunicación. En algunas especies, por ejemplo, el escarabajo de apoyo Xylotrechus Colona , pentacosano (C 25 H 52 ), 3-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) y 9-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) son transferidos por el contacto del cuerpo. Con otras como la mosca tsetsé Glossina morsitans morsitans , la feromona contiene los cuatro alcanos 2-methylheptadecane (C 18 H 38 ), 17,21-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ), 15,19-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ) y 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C 40 H 82 ), y actúa por el olor en distancias más largas. Menear-baile abejas producen y liberan dos alcanos, tricosano y pentacosano.

relaciones ecológicas

Orquídea araña anticipada ( sphegodes Ophrys )

Un ejemplo, en el que ambos alcanos de plantas y animales juegan un papel, es la relación ecológica entre la abeja arena ( Andrena nigroaenea ) y la orquídea temprano araña ( sphegodes Ophrys ); el último es dependiente para la polinización en el primero. Abejas utilizan feromonas de arena con el fin de identificar a un compañero; en el caso de A. nigroaenea , las hembras emiten una mezcla de tricosano (C 23 H 48 ), pentacosano (C 25 H 52 ) y heptacosano (C 27 H 56 ) en la relación 3: 3: 1, y los machos son atraídos por este olor particular. La orquídea se aprovecha de esta disposición de acoplamiento para obtener la abeja macho para reunir y difundir su polen; partes de su flor no sólo se parecen a la aparición de las abejas de arena, pero también producen grandes cantidades de los tres alcanos en la misma proporción que las abejas de arena femeninos. Como resultado, numerosos machos son atraídos a las flores e intentan copular con su pareja imaginaria: a pesar de este esfuerzo no es coronado por el éxito de la abeja, que permite la orquídea para transferir su polen, que se dispersa después de la salida de la masculino frustrado a diferentes floraciones.

Producción

refinación del petróleo

Como se dijo anteriormente, la fuente más importante de alcanos es el gas natural y el petróleo crudo . Los alcanos son separados en una refinería de petróleo por destilación fraccionada y se procesan en muchos productos diferentes.

Fischer-Tropsch

El proceso de Fischer-Tropsch es un método para sintetizar hidrocarburos líquidos, incluyendo alcanos, de monóxido de carbono e hidrógeno. Este método se utiliza para producir sustitutos de destilados de petróleo .

preparación de laboratorio

Normalmente hay poca necesidad de alcanos a ser sintetizados en el laboratorio, ya que suelen estar disponibles comercialmente. Además, los alcanos son generalmente no reactivos química o biológicamente, y no se someten a interconversiones de grupos funcionales limpiamente. Cuando alcanos se producen en el laboratorio, a menudo es un producto secundario de una reacción. Por ejemplo, el uso de n -butil-litio como un fuerte de base da el ácido conjugado, n -butano como un producto secundario:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Sin embargo, a veces puede ser deseable para hacer una sección de una molécula en un (funcionalidad alcano-como alquilo grupo) utilizando los métodos anteriores o similares. Por ejemplo, un grupo etilo es un grupo alquilo; cuando este está unido a un hidroxi grupo, da etanol , que no es un alcano. Para ello, los métodos más conocidos son la hidrogenación de alquenos :

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

Alcanos o grupos alquilo también se pueden preparar directamente a partir de haluros de alquilo en la reacción de Corey-House-Posner-Whitesides . La desoxigenación Barton-McCombie elimina grupos hidroxilo de alcoholes, por ejemplo

esquema de desoxigenación de Barton-McCombie

y la reducción de Clemmensen elimina grupos carbonilo a partir de aldehídos y cetonas para formar alcanos o compuestos sustituidos con alquilo, por ejemplo:

Reducción de Clemmensen

aplicaciones

Las aplicaciones de alcanos dependen del número de átomos de carbono. Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente para fines de calentamiento y de cocción, y en algunos países para la generación de electricidad. El metano y etano son los principales componentes del gas natural; se almacenan normalmente en forma de gases bajo presión. Es, sin embargo, más fácil de transportar ellos como líquidos: Esto requiere tanto la compresión y enfriamiento del gas.

Propano y butano son gases a la presión atmosférica que puede ser licuado a presiones relativamente bajas y se conoce comúnmente como gas de petróleo licuado (LPG). El propano se utiliza en quemadores de gas propano y como combustible para vehículos de carretera, butano en calentadores y encendedores desechables. Ambos se utilizan como propelentes en aerosoles .

De pentano a octano los alcanos son líquidos altamente volátiles. Se utilizan como combustibles en motores de combustión interna , ya que se vaporizan fácilmente en la entrada en la cámara de combustión sin formar gotitas, lo que perjudiquen la uniformidad de la combustión. Alcanos de cadena ramificada se prefieren ya que son mucho menos propensas a la ignición prematura, que causa golpeando , que sus homólogos de cadena lineal. Esta propensión a la ignición prematura se mide por el índice de octano del combustible, donde el 2,2,4-trimetilpentano ( isooctano ) tiene un valor arbitrario de 100, y heptano tiene un valor de cero. Aparte de su uso como combustibles, los alcanos medias son también buenos disolventes para las sustancias no polares.

Los alcanos de nonano a, por ejemplo, hexadecano (un alcano con dieciséis átomos de carbono) son líquidos de mayor viscosidad , menos y menos adecuados para su uso en la gasolina. Forman lugar la mayor parte de diésel y combustible de aviación . Los combustibles diesel se caracterizan por su número de cetano , de cetano ser un nombre antiguo para hexadecano. Sin embargo, los puntos de fusión más altos de estos alcanos pueden causar problemas a bajas temperaturas y en las regiones polares, donde el combustible se vuelve demasiado espesa para fluir correctamente.

Los alcanos de hexadecano hacia arriba forman los componentes más importantes de aceite combustible y aceite lubricante . En esta última función, que trabajan al mismo tiempo como agentes anti-corrosivos, ya que su naturaleza hidrófoba significa que el agua no puede llegar a la superficie metálica. Muchos alcanos sólidos encuentran uso como cera de parafina , por ejemplo, en las velas . Esto no debería ser sin embargo confundido con la verdadera cera , que se compone principalmente de ésteres .

Alcanos con una longitud de cadena de aproximadamente 35 o más átomos de carbono se encuentran en el betún , que se utiliza, por ejemplo, en la pavimentación de carreteras. Sin embargo, los alcanos superiores tienen poco valor y por lo general se dividen en alcanos inferiores por craqueo .

Algunos sintéticos polímeros tales como polietileno y polipropileno son alcanos con cadenas que contienen cientos de miles de átomos de carbono. Estos materiales se utilizan en innumerables aplicaciones, y mil millones de kilogramos de estos materiales se hacen y se utilizan cada año.

transformaciones ambientales

Los alcanos son químicamente moléculas apolares muy inertes que no son muy reactivos como compuestos orgánicos. Esta inercia produce graves problemas ecológicos si se liberan en el medio ambiente. Debido a su falta de grupos funcionales y baja solubilidad en agua, alcanos muestran pobre biodisponibilidad para los microorganismos.

Hay, sin embargo, algunos microorganismos que poseen la capacidad metabólica para utilizar n-alcanos como ambas fuentes de carbono y energía. Algunas especies bacterianas están altamente especializados en la degradación de alcanos; éstos se refieren a las bacterias como hidrocarbonoclásticas.

Peligros

El metano es inflamable, explosivo y peligroso para inhalar, debido a que es un gas incoloro, inodoro, debe tener especial cuidado tomado alrededor de metano. Etano también es extremadamente inflamable y peligroso para inhalar y explosivo. Ambos de estos pueden causar asfixia. Del mismo modo, el propano es inflamable y explosivo. Puede provocar somnolencia o inconsciencia si se inhala. El butano tiene los mismos peligros a tener en cuenta como propano.

Alcanos también suponen una amenaza para el medio ambiente. alcanos ramificados tienen una biodegradabilidad más baja que los alcanos no ramificados. Sin embargo, el metano es clasificado como el gas de efecto invernadero más peligrosos. Aunque la cantidad de metano en la atmósfera es baja, lo hace suponer una amenaza para el medio ambiente.

Ver también

referencias

Otras lecturas