ALCANI

1. ALCANI CHIMIE ORGANICĂ – Curs Anul I - IPA Titular curs: Conf. dr. Zoiţa BERINDE

2. Definiţie: Alcanii sunt hidrocarburi saturate care conţin atomi de carbon legaţi prin legăturiσ, formând catene lineare sau ramificate.

3. 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.

4. H 109o28’ C H H H

5. H H C C H H H H Modelele spaţiale ale moleculelor de CH4 şi C2H6

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.

7. 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.

8. 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.

9. carbon terţiar carboni secundari CH3 – CH2 – CH2 – CH3 carboni primari CH3 – CH – CH3 CH3 carbon cuaternar CH3 H3C – C – CH3 CH3

10. 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.

11. Nomenclatura: După tipul catenei, alcanii sunt: • Normal alcani (parafine) – cu catenă liniară (n-alcani); • Izoalcani (izoparafine) cu catenă ramificată (i-alcani).

12. 1. Normal alcani

15. 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.

16. CH3 CH3

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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 “-”.

21. 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.

22. 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.

23. 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

24. c) Din oxid de carbon şi hidrogen gaz de apă

25. d) Reacţii de hidroliză • compuşi organometalici iodură de metilmagneziu iodură bazică de magneziu dietilzinc

26. carburi metalice e) Din hidrocarburi nesaturate prin hidrogenare catalitică

27. f) Metoda Wurtz: combinaţiile halogene se transformă în alcani în urma reacţiei cu sodiu – catalitic. g) Sinteza anodică (Kolbe) . . . . .

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

29. i) Din compuşi carbonilici prin reducere (Metoda Clemmensen)

30. j) Din sărurile acizilor carboxilici prin încălzire

31. 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

32. l) Metoda cu ester malonic  

33. 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.

34. 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.

35. 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.

37. 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.

38. I. Reacţii cu mecanism homolitic A. Descompunerea termică a alcanilor Reacţii chimice: - reacţia de dehidrogenare - reacţia de cracare

39. ex. negru de fum

40. B. Reacţii de substituţie (halogenare) ex.

41. ex. ex.

42. C. Arderea sau combustia, oxidarea Oxidare: ex.

44. Ardere incompletă: Ardere completă:

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

46. . .

47. II. Reacţii cu mecanism heterolitic Izomerizarea hidrocarburilor saturate ex. n–butan 18,3 % izobutan 81,7 %

48. 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;