Transcript ALCANI CHIMIE ORGANICĂ – Curs Anul I - IPA Titular curs: Conf. dr.

ALCANI
CHIMIE ORGANICĂ – Curs
Anul I - IPA
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 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.
H
109o28’
C
H
H
H
H
H
C
H
C
H
H
H
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.
carbon terţiar
carboni secundari
CH3 – CH2 – CH2 – CH3
CH3 – CH – CH3
CH3
carboni primari
CH3
H3C – C – 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 plană
Denumirea
alcanului
1.
CH4
CH4
metan
2.
C 2 H6
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 plană
Denumirea
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 plană
Denumirea
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
H3C–CH–CH2-
propil
H3C–CH–CH3
sec-propil
(izopropil)
H3C–CH2–CH2–CH-
n-butil
propan
butan
H3C – CH2 – CH3
H3C–CH2–CH2–CH3
H3C–CH–CH2–CH3
H3C–CH–CH2-
izobutan
secbutil
izobutil
H3C – CH – CH3
CH3
H3C – C – CH2
CH3
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.: CH4 – metan
C2H6 – etan
- CH2 - metilen
- CH2 – CH2 - etilen
CH3 – CH
C3H8 – propan
etiliden
- 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
C2H6 – 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 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.
g/cm3
Entalpia
de
combustie
(kJ/mol)
Denumire
Formulă
Stare de
agregare
Punct de
topire
Punct de
fierbere
Densitate
Metan
CH4
gaz
-183
-162
0,424
-890
Etan
C2H6
gaz
-172
-89
0,546
-1560
Propan
C 3 H8
gaz
-188
-42
0,582
-2220
Butan
C 4 H8
gaz
-138
- 0,5
0,579
-2870
Pentan
C5H12
lichid
-130
36
0,626
-3509
Hexan
C6H14
lichid
-95
69
0,659
-4195
Heptan
C7H16
lichid
-91
98
0,684
-4853
Octan
C8H18
lichid
-57
126
0,703
-5512
Nonan
C9H20
lichid
-54
151
0,718
-6124
Decan
C10H22
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.
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;