Alkane - Alkane


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Structure chimique du méthane , le plus simple alcane

En chimie organique , un alcane , ou de la paraffine (un nom historique qui a également d' autres significations ), est un acyclique saturé hydrocarbure . En d' autres termes, un alcane se compose d' hydrogène et de carbone des atomes disposés dans un arbre structure dans laquelle toutes les liaisons carbone-carbone sont unique . Les alcanes ont la formule chimique générale C n H 2 n 2 . Les alcanes varient en complexité du cas le plus simple de méthane (CH 4 ), où n = 1 (parfois appelée la molécule-mère), de façon arbitraire et grandes molécules complexes, comme pentacontane (C 50 H 102 ) ou 6-éthyl-2-méthyl-5- (1-méthyléthyl) octane, un isomère de tétradécane (C 14 H 30 )

IUPAC définit alcanes comme « acyclique ramifié ou non ramifiés ayant la formule générale C n H 2 n 2 , et consistant donc entièrement d'atomes d'hydrogène et des atomes de carbone saturés ». Cependant, certaines sources utilisent le terme pour désigner tout hydrocarbure saturé, y compris ceux qui sont soit monocycliques ( à savoir les cycloalcanes ) ou polycyclique, en dépit de leur différente ayant une formule générale (c. -à- cycloalcanes sont C n H 2 n ).

Dans un alcane, chaque atome de carbone est sp 3 hybridé avec 4 liaisons sigma (soit C-C ou C-H ), et chaque atome d'hydrogène est relié à l' un des atomes de carbone (dans une liaison C-H). La plus longue série d'atomes de carbone liés à une molécule est connue sous le nom de son squelette carboné ou squelette de carbone. Le nombre d'atomes de carbone peut être considéré comme la taille de l'alcane.

Un groupe des alcanes supérieurs sont les cires , solides à température ambiante et pression normales (TPN), pour lequel le nombre d'atomes de carbone dans le squelette de carbone est supérieur à environ 17. Avec leurs répétés -CH 2 unités, les alcanes constituent une série homologue de composés organiques dans lesquels les membres diffèrent en masse moléculaire par des multiples de 14,03  u (la masse totale de chacun de ces méthylène-pont unité, qui comporte un seul atome de carbone de masse 12,01 u et de deux atomes d'hydrogène de masse ~ 1,01 u chacun).

Alcanes ne sont pas très réactif et ont peu de l' activité biologique . Ils peuvent être considérés comme des arbres moléculaires sur laquelle peuvent être suspendus les plus actifs réactifs / groupes fonctionnels de molécules biologiques.

Les alcanes ont deux principales sources commerciales: le pétrole (pétrole brut) et le gaz naturel .

Un groupe alkyle en groupe , généralement abrégé par le symbole R, est un groupe fonctionnel qui, comme un alcane, constitué uniquement d'atomes de carbone et d' hydrogène unique lié connectés acyclique, par exemple, un groupe méthyle ou un groupe éthyle .

classification de la structure

Les hydrocarbures saturés sont des hydrocarbures ayant uniquement des liaisons covalentes simples entre les atomes de carbone. Ils peuvent être:

  • linéaire (formule générale C
    n
    H
    2 n 2
    ) dans lequel les atomes de carbone sont réunis dans une structure en formeserpent
  • ramifié (formule générale C
    n
    H
    2 n 2
    ,n > 2) dans lequel le squelette de carbone se sépare en une ou plusieurs directions
  • cyclique (formule générale C
    n
    H
    2 n
    ,n > 3)dans lequel l'épine dorsale de carbone est liémanière à former une boucle.

Selon la définition de l' UICPA , les deux premiers sont alcanes, tandis que le troisième groupe est appelé cycloalcanes . Les hydrocarbures saturés peuvent également combiner l' une des linéaire, cyclique (par exemple, polycycliques) et des structures de ramification; la formule générale est C
n
H
2 n -2 k 2
, oùkest le nombre de boucles indépendantes. Les alcanes sont lesacycliques(Loopless) ceux, correspondant àk = 0.

Isomerism

Différents C 4 alcanes et les cycloalcanes ( de gauche à droite): n -butane et isobutane sont les deux C 4 H 10 isomères; cyclobutane et méthylcyclopropane sont les deux C 4 H 8 isomères d' alcane.
Butane bicyclo [1.1.0] est le seul C 4 H 6 alcane et n'a pas d' isomère alcane; tétraédrane (ci - dessous) est le seul C 4 H 4 alcane et n'a donc pas isomère alcane.

Alcanes ayant plus de trois carbones atomes peuvent être disposés de différentes manières, formant des isomères de structure . L'isomère le plus simple d'un alcane est celui dans lequel les atomes de carbone sont disposés dans une seule chaîne sans branches. Cet isomère est parfois appelé le n Isomère ( n pour « normal », bien qu'il ne soit pas nécessairement le plus courant). Cependant , la chaîne d'atomes de carbone peut également être ramifié en un ou plusieurs points. Le nombre d'isomères possibles augmente rapidement avec le nombre d'atomes de carbone. Par exemple, pour les alcanes acycliques:

Alcanes ramifiés peuvent être chirale . Par exemple, 3-méthylhexane et ses supérieurs homologues sont chiraux en raison de leur centre stéréogène au nombre d'atomes de carbone 3. En plus des isomères d' alcane, la chaîne d'atomes de carbone peut former une ou plusieurs boucles. De tels composés sont appelés cycloalcanes . Stéréo - isomères et les composés cycliques sont exclues lors du calcul du nombre d'isomères ci - dessus.

Nomenclature

La nomenclature UICPA (de manière systématique de composés de nommage) pour alcanes est basée sur l' identification des chaînes hydrocarbonées. Non ramifiés, les chaînes d'hydrocarbures saturés sont nommés systématiquement par un préfixe numérique grec désignant le nombre de carbones et le suffixe « -ane ».

En 1866, Août Wilhelm von Hofmann nomenclature suggéré systématiser en utilisant toute la séquence de voyelles a, e, i, o et u pour créer suffixes -ane, -ène, -ine (ou triple liaison) -one, -une, pour les hydrocarbures 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 . Maintenant, les trois premiers hydrocarbures nom avec des liaisons simples, doubles et triples; « one » représente une cétone ; « -ol » représente un groupe alcool ou un groupe OH; « -oxy- » désigne un éther et se réfère à l' oxygène entre deux atomes de carbone, de sorte que méthoxyméthane est le nom IUPAC de l' éther diméthylique .

Il est difficile , voire impossible , de trouver des composés avec plus d'un IUPAC nom. En effet , des chaînes plus courtes attachées à des chaînes plus longues sont des préfixes et la convention comprend entre parenthèses. Les nombres dans le nom, faisant référence à un groupe dont le carbone est attaché à, doit être aussi faible que possible afin que la 1- est implicite et habituellement omis dans les noms des composés organiques avec seulement un groupe latéral. Composés Symmetric auront deux façons d'arriver au même nom.

alcanes linéaires

Alcanes à chaîne droite sont parfois indiquées par le préfixe « n - » (pour la normale ) où un non-linéaire isomère existe. Bien que cela ne soit pas strictement nécessaire, l'utilisation est encore fréquent dans les cas où il existe une différence importante dans les propriétés entre la chaîne droite et les isomères à chaîne ramifiée, par exemple n - hexane ou 2- ou 3-méthylpentane. D' autres noms pour ce groupe sont: paraffines linéaires ou n -paraffines .

Les membres de la série (en termes de nombre d'atomes de carbone) sont nommés comme suit:

méthane
CH 4 - un atome de carbone et quatre hydrogène
éthane 
C 2 H 6 - carbone et deux à six atome d' hydrogène
propane
C 3 H 8 - trois carbone et un atome d' hydrogène 8
butane 
C 4 H 10 - quatre carbone et 10 hydrogène
pentane
C 5 H 12 - cinq carbone et 12 hydrogène
hexane 
C 6 H 14 - six carbone et 14 hydrogène

Les quatre premiers noms ont été dérivés à partir du methanol , de l' éther , l' acide propionique et l' acide butyrique , respectivement ( hexadécane est également parfois appelé cétane). Des alcanes avec cinq ou plusieurs atomes de carbone sont nommés en ajoutant le suffixe -ane au lieu multiplicateur numérique préfixe avec elision quelle voyelle terminale ( -a ou -o ) à partir de l'expression numérique de base. Par conséquent, le pentane , C 5 H 12 ; hexane , C 6 H 14 ; heptane , C 7 H 16 ; octane , C 8 H 18 ; etc. Le préfixe est généralement grec, alcanes mais avec un nombre d'atomes de carbone se terminant par neuf, par exemple nonane , utilisez le latin préfixe non . Pour une liste plus complète, voir la liste des alcanes .

alcanes ramifiés

Modèle de boule et bâton de isopentane (nom commun) ou 2-méthylbutane (IUPAC nom systématique)

Alcanes ramifiés simples ont souvent un nom commun en utilisant un préfixe pour les distinguer des alcanes linéaires, par exemple n - pentane , isopentane et le néopentane .

conventions de nommage IUPAC peuvent être utilisées pour produire un nom systématique.

Les principales étapes de la dénomination des alcanes ramifiés plus complexes sont les suivants:

  • Identifier la plus longue chaîne continue d'atomes de carbone
  • Nommez cette chaîne la plus longue racine en utilisant les règles de nommage standard
  • Nommez chaque chaîne latérale en changeant le suffixe du nom de l'alcane de « -ane » à « -yl »
  • Nombre la plus longue chaîne continue afin de donner les plus petits numéros possibles pour les chaînes latérales
  • Numéro et le nom des chaînes latérales avant le nom de la chaîne racine
  • S'il y a des chaînes latérales multiples du même type, utilisez les préfixes tels que « di- » et « tri » pour indiquer en tant que tel, et le numéro chacun.
  • Ajouter les noms de chaîne latérale par ordre alphabétique (sans tenir compte « di- » etc. préfixes) pour en face du nom de la chaîne racine
Comparaison des nomenclatures pour trois isomères de C 5 H 12
Nom commun n -pentane isopentane néopentane
nom IUPAC pentane 2-méthylbutane 2,2-diméthylpropane
Structure Pentane-2D-Skeletal.svg Isopentane-2D-skeletal.png Néopentane-2D-skeletal.png

des hydrocarbures cycliques saturés

Bien que techniquement distinct des alcanes, cette classe d'hydrocarbures est appelée par certains comme les « alcanes cycliques. » Comme leur description l'indique, ils contiennent un ou plusieurs anneaux.

Simples cycloalcanes ont un préfixe « cyclo- » pour les distinguer des alcanes. Cycloalcanes sont nommés en fonction de leurs homologues acycliques par rapport au nombre d'atomes de carbone dans leur squelette, par exemple, le cyclopentane (C 5 H 10 ) est un cycloalcane à 5 atomes de carbone comme le pentane (C 5 H de 12 ), mais ils sont réunis dans un cycle à cinq chaînons. De la même manière, le propane et le cyclopropane , le butane et le cyclobutane , etc.

Cycloalcanes substitués sont nommés de manière similaire à alcanes substitués - le cycle cycloalcane est indiqué, et les substituants sont en fonction de leur position sur l'anneau, avec la numérotation décidée par les règles de priorité de Cahn-Ingold-Prelog .

noms triviaux / communs

Le trivial (non systématique nom) pour alcanes est paraffines . Ensemble, les alcanes sont connus comme la série de paraffine . Des noms triviaux pour les composés sont généralement des artefacts historiques. Ils ont été inventé avant le développement des noms systématiques et ont été retenus en raison de l' utilisation familière dans l' industrie. Cycloalcanes sont également appelés naphtènes.

Il est presque certain que le terme paraffine provient de l' industrie pétrochimique . Alcanes à chaîne ramifiée sont appelés isoparaffines . L'utilisation du terme « paraffine » est un terme général et , souvent , ne fait pas de distinction entre les composés purs et les mélanges d' isomères , à savoir, les composés de la même formule chimique , par exemple, le pentane et l' isopentane .

Exemples

Les noms communs suivants sont conservés dans le système IUPAC:

Propriétés physiques

Tous les alcanes sont sans couleur. Alcanes ayant les poids moléculaires les plus faibles, les gaz, ceux de poids moléculaire intermédiaire sont des liquides, et les plus lourds sont des solides cireux.

Table des alcanes

Alkane Formule Point d'ébullition [° C] Point de fusion [° C] Densité [g / cm 3 ] (à 20 ° C )
Méthane CH 4 -162 -182 0.000656 (gaz)
Éthane C 2 H 6 -89 -183 0,00126 (gaz)
Propane C 3 H 8 -42 -188 0,00201 (gaz)
Butane C 4 H 10 0 -138 0,00248 (gaz)
pentane C 5 H 12 36 -130 0,626 (liquide)
hexane C 6 H 14 69 -95 0,659 (liquide)
heptane C 7 H 16 98 -91 0,684 (liquide)
Octane C 8 H 18 126 -57 0,703 (liquide)
nonane C 9 H 20 151 -54 0,718 (liquide)
décane C 10 H 22 174 -30 0,730 (liquide)
undécane C 11 H 24 196 -26 0,740 (liquide)
dodécane C 12 H 26 216 -10 0,749 (liquide)
pentadécane C 15 H 32 270 9.95 0,769 (liquide)
hexadécane C 16 H 34 287 18 0,773 (liquide)
héptadécane C 17 H 36 303 21,97 0,777 (liquide)
eicosane C 20 H 42 343 37 solide
triacontane C 30 H 62 450 66 solide
tétracontane C 40 H 82 525 82 solide
Pentacontane C 50 H 102 575 91 solide
Hexacontane C 60 H 122 625 100 solide

Point d'ébullition

Les points de fusion (bleu) et d' ébullition (orange) de la première 16 n alcanes en ° C.

Expérience Alcanes intermoléculaires forces de van der Waals . Van plus fort intermoléculaires der Waals donnent lieu à des points d'ébullition plus d'alcanes.

Il y a deux facteurs déterminants pour la force des forces de van der Waals:

  • le nombre d'électrons entourant la molécule , qui augmente avec le poids moléculaire de l'alcane
  • la zone de surface de la molécule

Sous des conditions standard , à partir de CH 4 à C 4 H 10 alcanes sont gazeux; à partir de C 5 H 12 à C 17 H 36 ce sont des liquides; et après C 18 H 38 ils sont solides. Comme le point d'ébullition d'alcanes est principalement déterminée par le poids, il ne devrait pas être une surprise que le point d'ébullition a presque une relation linéaire avec la taille ( poids moléculaire ) de la molécule. En règle générale, le point d'ébullition monte de 20 à 30 ° C pour chaque atome de carbone ajouté à la chaîne; cette règle s'applique à d' autres séries homologues.

Un alcane à chaîne droite aura un point supérieur à un alcane à chaîne ramifiée ébullition en raison de la plus grande surface en contact, donc les plus van der Waals entre les molécules voisines. Par exemple, comparer isobutane (2-méthylpropane) et du n-butane (butane), qui bouillent à -12 et 0 ° C, et le 2,2-diméthylbutane et le 2,3-diméthylbutane qui bouillent à 50 et 58 ° C, respectivement . Pour ce dernier cas, deux molécules de 2,3-diméthylbutane peut « verrouiller » dans l'autre mieux que le 2,2-diméthylbutane en forme de croix, d' où la plus grande forces de van der Waals.

D'autre part, les cycloalcanes ont tendance à avoir des points d'ébullition plus élevés que leurs homologues linéaires en raison des conformations verrouillées des molécules, qui donnent un plan de contact intermoléculaires.

Point de fusion

Les points de fusion des alcanes suivent une tendance similaire à des points d' ébullition pour la même raison , comme indiqué ci - dessus. Autrement dit, (toutes choses étant égales par ailleurs) plus la molécule plus le point de fusion. Il y a une différence significative entre les points d'ébullition et les points de fusion. Les solides ont une structure plus rigide et fixe de liquides. Cette structure rigide a besoin d' énergie pour se décomposer. Ainsi , les mieux mettre ensemble des structures solides , il faudra plus d' énergie pour briser. Pour alcanes, cela peut être vu à partir du graphique ci - dessus (la ligne bleue). Les alcanes impairs ont une tendance à la baisse dans les points de fusion que les alcanes paires. En effet , emballent alcanes paires bien dans la phase solide, la formation d' une structure bien organisée, ce qui nécessite plus d' énergie pour briser. Les alcanes impairs emballent moins bien et donc le « looser » organisé la structure d'emballage solide nécessite moins d' énergie pour briser.

Les points de fusion des alcanes à chaîne ramifiée peuvent être soit supérieure ou inférieure à celles des alcanes à chaîne droite correspondant, à nouveau en fonction de la capacité de l'alcane en question pour emballer bien dans la phase solide: Ceci est particulièrement vrai pour les isoalcanes (2 isomères -méthyl), qui ont souvent des points de fusion plus élevés que ceux des analogues linéaires.

La conductivité et la solubilité

Ne conduisent pas Alcanes l' électricité en aucune façon, ils ne sont pas essentiellement polarisé par un champ électrique . Pour cette raison, ils ne forment pas des liaisons hydrogène et sont insolubles dans les solvants polaires tels que l' eau. Etant donné que les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau individuels sont alignés à une distance à partir d' une molécule d' alcane, la coexistence d'un alcane et de l' eau conduit à une augmentation de l'ordre moléculaire (une diminution de l' entropie ). Comme il n'y a pas de liaison significative entre les molécules d'eau et les molécules d' alcanes, la seconde loi de la thermodynamique suggère que cette réduction de l'entropie devrait être réduite au minimum en réduisant au minimum le contact entre l' eau et alcanes: Alcanes sont dits hydrophobes en ce sens qu'ils repoussent l' eau.

Leur solubilité dans les solvants non polaires est relativement bonne, une propriété qui est appelé lipophilie . Alcanes sont, par exemple, miscible en toutes proportions entre eux.

La densité des alcanes augmente en général avec le nombre d'atomes de carbone, mais reste inférieure à celle de l'eau. Par conséquent, les alcanes forment la couche supérieure dans un mélange alcane-eau.

géométrie moléculaire

sp 3 -hybridization en méthane .

La structure moléculaire des alcanes affecte directement leurs caractéristiques physiques et chimiques. Il est dérivé de la configuration électronique de carbone , qui comporte quatre électrons de valence . Les atomes de carbone dans les alcanes sont toujours sp 3 hybridé, qui est - à - dire que les électrons de valence sont dits être dans quatre orbitales équivalentes dérivées de la combinaison des orbitales 2s et les trois orbitales 2p. Ces orbitales, qui ont des énergies identiques, sont disposés dans l' espace sous la forme d'un tétraèdre , l'angle de cos -1 (- une / 3 ) ≈ 109,47 ° entre eux.

les longueurs de liaison et les angles de liaison

Une molécule alcane a seulement simples liaisons C-H et C-C. Le premier résultat de la superposition d'un sp 3 orbital de carbone avec les orbitales 1s d'un atome d' hydrogène; celle - ci par le chevauchement de deux sp 3 orbitales sur différents atomes de carbone. Les longueurs de liaison quantité de 1,09 × 10 -10  m pour une liaison C-H et 1,54 × 10 -10  m pour une liaison C-C.

La structure tétraédrique du méthane.

La disposition spatiale des liaisons est similaire à celle des quatre sp 3 orbitales sont-ils disposés tétraédrique, avec un angle de 109.47 ° entre eux. Formules structurelles qui représentent les obligations comme étant à angle droit par rapport à l'autre, alors que les deux communes et utiles, ne correspondent pas à la réalité.

Conformation

La formule développée et les angles de liaison ne sont généralement pas suffisante pour décrire complètement la géométrie d'une molécule. Il existe un autre degré de liberté pour chaque liaison carbone-carbone: l' angle de torsion entre les atomes ou les groupes liés aux atomes à chaque extrémité de la liaison. L'arrangement spatial décrite par les angles de torsion de la molécule est connue sous sa conformation .

Newman projections des deux conformations de l'éthane: éclipsés à gauche, décalées sur la droite.
Modèles boule et bâton des deux rotamères d'éthane

Ethane constitue le cas le plus simple pour étudier la conformation des alcanes, car il n'y a qu'une seule liaison C-C. Si l' on regarde vers le bas l'axe de la liaison C-C, on verra la soi-disant projection de Newman . Les atomes d'hydrogène sur les deux atomes de carbone avant et arrière ont un angle de 120 ° entre eux, résultant de la projection de la base du tétraèdre sur un plan plat. Toutefois, l'angle de torsion entre un atome d'hydrogène donnée attaché au carbone avant et un atome d'hydrogène donnée attaché au carbone arrière peut varier librement entre 0 ° et 360 °. Ceci est une conséquence de la rotation libre autour d' une liaison simple carbone-carbone. En dépit de cette apparente liberté, seulement deux conformations limites sont importantes: éclipsée conformation et conformation décalée .

Les deux conformations, aussi connu comme rotamères , diffèrent en énergie: La conformation décalée est inférieure à l' énergie de 12,6 kJ / mol (plus stable) que la conformation éclipsée (les moins stables).

Cette différence d'énergie entre les deux conformations, connu sous le nom d' énergie de torsion , est faible par rapport à l'énergie thermique d'une molécule d'éthane à température ambiante. Il y a une rotation constante autour de la liaison C-C. Le temps pris pour une molécule d'éthane pour passer d'une conformation en quinconce à l'autre, ce qui correspond à la rotation d'un CH 3 groupe de 120 ° par rapport à l'autre, est de l'ordre de 10 -11  secondes.

Le cas d' alcanes supérieurs est plus complexe , mais fondée sur des principes similaires, avec la conformation antipériplanaire étant toujours la plus favorisée autour de chaque liaison carbone-carbone. Pour cette raison, les alcanes sont généralement représentés dans un arrangement en zigzag dans des schémas ou modèles. La structure réelle diffère toujours un peu de ces formes idéalisées, les différences en matière d' énergie entre les conformations sont faibles par rapport à l'énergie thermique des molécules: les molécules Alkane ont aucune forme de structure fixe, quels que soient les modèles peuvent suggérer.

propriétés spectroscopiques

Pratiquement tous les composés organiques contiennent des liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène, et ainsi montrent quelques - unes des caractéristiques des alcanes dans leurs spectres. Les alcanes sont remarquables pour ne comportant pas d' autres groupes, et donc pour l' absence d'autres caractéristiques spectroscopiques caractéristique d'un groupe fonctionnel différent , comme -OH , -CHO , -COOH , etc.

Spectroscopie infrarouge

Le mode d' étirement carbone-hydrogène donne une forte absorption entre 2850 et 2960  cm -1 , alors que le mode d' étirement carbone-carbone absorbe entre 800 et 1300 cm -1 . Les modes de flexion carbone-hydrogène dépendent de la nature du groupe: les groupes méthyle montrent des bandes à 1450 cm -1 et 1375 cm -1 , tandis que les groupes méthylène montrent des bandes à 1465 cm -1 et 1450 cm -1 . Des chaînes carbonées ayant plus de quatre atomes de carbone présentent une faible absorption à environ 725 cm -1 .

spectroscopie RMN

Les résonances des protons d'alcanes se trouvent généralement à δ H = 0,5 à 1,5. Les résonances du carbone-13 dépendent du nombre d'atomes d'hydrogène liés à l'atome de carbone: δ C = 8-30 (primaire, un groupe méthyle, un groupe -CH 3 ), 15-55 (secondaire, un groupe méthylène, un groupe -CH 2 -), 20-60 (tertiaire, méthyne, C-H) et quaternaire. La résonance carbone-13 d'atomes de carbone quaternaire est caractéristique faible, en raison de l'absence d' effet Overhauser nucléaire et long temps de relaxation , et peut manquer dans les échantillons faibles, ou des échantillons qui ne sont pas disponibles pour un temps suffisamment long.

Spectrométrie de masse

Alcanes ont une haute énergie d'ionisation , et l'ion moléculaire est généralement faible. Le motif de fragmentation peut être difficile à interpréter, mais, dans le cas des alcanes à chaîne ramifiée, la chaîne de carbone est de préférence clivé au niveau des carbones tertiaires ou quaternaires en raison de la stabilité relative des résultantes des radicaux libres . Le fragment résultant de la perte d'un seul groupe méthyle ( M  - 15) est souvent absent, et d' autres fragments sont souvent espacées par des intervalles de quatorze unités de masse, correspondant à la perte successive de CH 2 groupes.

Propriétés chimiques

Les alcanes sont que faiblement réactif avec les substances polaires ioniques et d' autres. La constante de dissociation d' acide (pK a des valeurs) de tous les alcanes sont au- dessus de 60, d' où ils sont pratiquement inertes aux acides et aux bases (voir aussi les acides de carbone ). Cette Inertie est la source du terme paraffines (avec le sens ici de « manque d' affinité »). Dans le pétrole brut les molécules d' alcanes sont restées chimiquement inchangées depuis des millions d'années.

Cependant redox réactions des alcanes, en particulier avec l' oxygène et les halogènes, sont possibles comme les atomes de carbone sont dans un état fortement réduite; dans le cas du méthane, la plus faible degré d'oxydation possible pour le carbone (-4) est atteinte. La réaction avec l' oxygène ( si présent en quantité suffisante pour satisfaire la réaction stoechiométrie ) conduit à une combustion sans fumée, produisant du dioxyde de carbone et de l' eau. Halogénation radicaux libres réactions se produisent avec les halogènes, conduisant à la production de halogénoalcanes . En outre, les alcanes se sont révélés interagir avec et se lier à, certains complexes de métaux de transition dans l' activation de la liaison C-H .

Les radicaux libres , des molécules avec des électrons non appariés, jouent un rôle important dans la plupart des réactions des alcanes, tels que le craquage et reformage où les alcanes à longue chaîne sont convertis en alcanes à chaîne plus courte et des alcanes à chaîne droite en isomères à chaîne ramifiée.

Dans les alcanes très ramifiés, l'angle de liaison peut différer de manière significative de la valeur optimale (109,5 ° C) afin de permettre les différents groupes suffisamment d' espace. Cela provoque une tension dans la molécule, connue sous le nom empêchement stérique , et peut augmenter sensiblement la réactivité.

Les réactions avec l'oxygène (réaction de combustion)

Tous les alcanes réagissent avec l' oxygène dans une combustion réaction, bien qu'ils deviennent de plus en plus difficiles à enflammer que le nombre d'augmentations atomes de carbone. L'équation générale pour la combustion complète est:

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

En l'absence de suffisamment d' oxygène, le monoxyde de carbone ou encore de la suie peuvent être formées, comme indiqué ci - dessous:

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

Par exemple, le méthane :

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

Voir la chaleur alcane de table de formation pour les données détaillées. Le changement d'enthalpie standard de combustion , Δ c H , pour les alcanes augmente d'environ 650 kJ / mol par CH 2 groupe. Les alcanes à chaîne ramifiée ont des valeurs plus faibles de Δ c H que les alcanes à chaîne linéaire de même nombre d'atomes de carbone, et peuvent donc être considérés comme étant quelque peu plus stable.

Les réactions avec les halogènes

Réagissent avec alcanes halogènes dans un soi-disant halogénation radicaux libres réaction. Les atomes d'hydrogène de l'alcane sont progressivement remplacés par des atomes d'halogène. Les radicaux libres sont des espèces réactives qui participent à la réaction, ce qui conduit généralement à un mélange de produits. La réaction est très exothermique , et peut conduire à une explosion.

Ces réactions sont une voie industrielle importante aux hydrocarbures halogénés. Il y a trois étapes:

  • Initiation des radicaux halogène forment par homolyse . Habituellement, l' énergie sous forme de chaleur ou de lumière est nécessaire.
  • Réaction en chaîne ou de propagation puis a lieu, les résumés des radicaux d'halogène un atome d' hydrogène de l'alcane pour obtenir un radical alkyle. Celui - ci réagit plus.
  • La terminaison de chaîne dans laquelle les radicaux se recombinent.

Des expériences ont montré que tous les halogénation produit un mélange de tous les isomères possibles, ce qui indique que tous les atomes d'hydrogène sont sensibles à la réaction. Le mélange produit, cependant, ne sont pas un mélange statistique: des atomes d'hydrogène secondaires et tertiaires sont de préférence remplacés en raison de la plus grande stabilité des radicaux libres secondaires et tertiaires. Un exemple peut être vu dans le monobromation du propane:

Monobromation du propane

Cracking

Pauses Cracking plus grandes molécules en plus petites. Cela peut être fait avec une méthode thermique ou catalytique. Le procédé de craquage thermique suit un homolytique mécanisme de formation de radicaux libres . Le procédé de craquage catalytique implique la présence d' acides catalyseurs (acides habituellement solides tels que la silice-alumine et des zéolites ), qui favorisent une hétérolytique rupture (asymétrique) de liaisons produisant des paires d'ions de charges opposées, généralement un carbocation et très instable hydrure anion . Radicaux libres localisées carbone et les cations sont à la fois très instables et subissent des processus de réarrangement de chaîne, scission C-C en position bêta ( par exemple, le craquage) et intra- et intermoléculaire transfert d'hydrogène ou d' hydrure de transfert. Dans les deux types de procédés, les correspondants intermédiaires réactifs (radicaux, ions) sont en permanence régénéré, et on procède donc par un mécanisme en chaîne auto-propagation. La chaîne de réactions est finalement terminée par recombinaison radicalaire ou ionique.

Réforme et Isomérisation

Dragan et son collègue ont été les premiers à signaler à propos isomérisation en alcanes. Isomérisation et reformage sont des procédés dans lesquels les alcanes à chaîne droite sont chauffés en présence d'une platine catalyseur. Dans l' isomérisation, les alcanes deviennent isomères à chaîne ramifiée. En d' autres termes, il ne perd pas de carbone ou hydrogènes, en gardant le même poids moléculaire. Dans reformation, les alcanes deviennent des cycloalcanes ou des hydrocarbures aromatiques , en dégageant de l' hydrogène comme sous-produit. Ces deux procédés augmentent le nombre d'octane de la substance. Butane est l'alcane le plus courant qui est mis sous le processus d'isomérisation, car il fait de nombreux alcanes ramifiés avec un nombre élevé d'octane.

autres réactions

Alcanes vont réagir avec la vapeur en présence d'un nickel catalyseur pour donner un atome d' hydrogène . Alcanes peuvent être chlorosulfonés et nitré , bien que les deux réactions nécessitent des conditions particulières. La fermentation des alcanes à des acides carboxyliques est d' une certaine importance technique. Dans la réaction Reed , le dioxyde de soufre , du chlore et de lumière convertissent des hydrocarbures à des chlorures de sulfonyle . Abstraction nucléophile peut être utilisé pour séparer un alcane à partir d' un métal. Les groupes alkyle peuvent être transférés d'un composé à l' autre par transmétallation réactions.

Occurrence

Présence d'alcanes dans l'Univers

Le méthane et l' éthane représentent une infime proportion de Jupiter atmosphère d »
L' extraction de l' huile, qui contient de nombreux hydrocarbures dont alcanes

Les alcanes constituent une petite partie des atmosphères des planètes de gaz extérieurs , tels que Jupiter (0,1% de méthane, 2  ppm d' éthane), Saturne (0,2% de méthane, 5 ppm d' éthane), Uranus (1,99% de méthane, 2,5 ppm d' éthane) et Neptune ( 1,5% de méthane, 1,5 ppm d' éthane). Titan (1,6% de méthane), un satellite de Saturne, a été examiné par la Huygens sonde , ce qui indiquait que l'atmosphère de Titan pleut périodiquement le méthane liquide sur la surface de la Lune. Également sur Titan la mission Cassini a imagé des lacs de méthane / éthane saisonniers près des régions polaires de Titan. Le méthane et l' éthane ont également été détectés dans la queue de la comète Hyakutake . L' analyse chimique a montré que les abondances d'éthane et de méthane étaient à peu près égaux, que l' on croit entendre que ses glaces formées dans l' espace interstellaire, loin du Soleil, qui aurait évaporé ces molécules volatiles. Alcanes ont également été détectés dans des météorites tels que chondrites carbonées .

Présence d'alcanes sur Terre

Des traces de gaz méthane (environ 0,0002% ou 1745 ppb) se produisent dans l'atmosphère de la terre, produit principalement par les méthanogènes micro - organismes, tels que les Archaea dans l'intestin des ruminants.

Les sources commerciales les plus importantes pour les alcanes sont le gaz naturel et le pétrole . Le gaz naturel contient principalement du méthane et de l' éthane, avec un peu de propane et de butane : l' huile est un mélange d'alcanes liquides et d' autres hydrocarbures . Ces hydrocarbures ont été formés lorsque les animaux et les plantes marines (zooplancton et phytoplancton) sont mortes et ont coulé au fond des mers anciennes et ont été recouverts de sédiments dans un anoxique environnement et converti sur plusieurs millions d'années à des températures élevées et une pression élevée pour leur forme actuelle. Le gaz naturel a entraîné ainsi par exemple à partir de la réaction suivante:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Ces gisements d'hydrocarbures, dans des roches poreuses piégées sous roches imperméables chapeau, comprennent commercial des champs de pétrole . Ils ont formé des millions d'années et une fois épuisés ne peuvent pas être facilement remplacé. L'épuisement de ces réserves d'hydrocarbures est la base de ce qu'on appelle la crise énergétique .

Le méthane est également présent dans ce qu'on appelle le biogaz , produit par les animaux et les matières en décomposition, ce qui est une possible source d'énergie renouvelable .

Alcanes ont une faible solubilité dans l' eau, de sorte que le contenu dans les océans est négligeable; cependant, à des pressions élevées et des températures basses ( par exemple au fond des océans), le méthane peut co-cristalliser avec de l' eau pour former un solide clathrate de méthane (hydrate de méthane). Bien que cela ne peut pas être exploité commercialement à l'heure actuelle, la quantité d'énergie combustible des champs de type clathrate de méthane connus dépasse la teneur en énergie de tous les gisements de gaz naturel et de pétrole mis ensemble. Le méthane extrait de clathrate de méthane est donc un candidat pour les combustibles futurs.

occurrence biologique

alcanes acyclique existent dans la nature de diverses manières.

Les bactéries et les archées
Méthanogène archées dans l'intestin de cette vache sont responsables d' une partie du méthane dans l'atmosphère de la Terre.

Certains types de bactéries peuvent métaboliser alcanes: ils préfèrent les chaînes de carbone paires car ils sont plus faciles à dégrader que les chaînes impaires.

D'autre part, certaines archéobactéries , les méthanogènes , produisent de grandes quantités de méthane par le métabolisme du dioxyde de carbone ou d' autres oxydés les composés organiques. L'énergie est libérée par l'oxydation de l' hydrogène :

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Méthanogènes sont également les producteurs de gaz des marais dans les zones humides , et libèrent deux milliards de tonnes de méthane par an, la teneur atmosphérique de ce gaz est produit presque exclusivement par eux. La sortie du méthane de bovins et d' autres herbivores , ce qui peut libérer de 30 à 50 litres par jour, et de termites , est également due à méthanogènes. Ils produisent également ce plus simple de tous les alcanes dans les intestins des humains. Archéobactéries méthanogènes sont, par conséquent, à la fin du cycle du carbone , le carbone étant libéré dans l'atmosphère après avoir été fixée par photosynthèse . Il est probable que nos dépôts actuels de gaz naturel ont été formés de la même manière.

Les champignons et les plantes

Alcanes jouent également un rôle, si un rôle mineur dans la biologie des trois eucaryotes groupes d'organismes: les champignons , les plantes et les animaux. Certaines levures spécialisées, par exemple, Tropicale Candida , Pichia sp., Rhodotorula sp., Peuvent utiliser alcanes comme source de carbone ou de l' énergie. Le champignon Amorphotheca resinae préfère les alcanes à longue chaîne en carburant aviation , et peut causer de graves problèmes pour les avions dans les régions tropicales.

Chez les plantes, les solides alcanes à longue chaîne se trouvent dans la cuticule des plantes et glaucescence de nombreuses espèces, mais ne sont que rarement des constituants majeurs. Ils protègent la plante contre la perte d'eau, éviter le lessivage des minéraux importants par la pluie, et protéger contre les bactéries, les champignons et les insectes nuisibles. Les chaînes de carbone dans les alcanes de plantes sont généralement impaire, entre 27 et 33 atomes de carbone en longueur et sont fabriqués par les plantes par decarboxylation de numéros pairs acides gras . La composition exacte de la couche de cire est non seulement dépendant de l' espèce mais aussi des changements avec la saison et les facteurs environnementaux comme les conditions d'éclairage, la température ou l' humidité.

Plus volatils alcanes à chaîne courte sont également produites par et trouvé dans les tissus végétaux. Le pin Jeffrey est connu pour produire des niveaux exceptionnellement élevés de n - heptane dans sa résine, raison pour laquelle le distillat a été désigné comme le point zéro pour un indice d'octane . Parfums floraux ont été longtemps connus pour contenir des composants volatils alcanes et n - nonane est un élément important dans l'odeur de quelques roses . Emission d'alcanes gazeux et volatils tels que l' éthane , le pentane et l' hexane par les plantes a également été documentée à des niveaux bas, mais ils ne sont pas généralement considérés comme une composante majeure de la pollution de l' air biogénique.

les huiles végétales comestibles contiennent également typiquement de petites fractions d'alcanes biogènes avec une large gamme de nombres de carbones, notamment 8 à 35, avec un pic généralement dans le bas à 20s supérieures, avec des concentrations allant jusqu'à des dizaines de milligrammes par kilogramme (parties par million en poids) et parfois plus d'une centaine de la fraction totale alcane.

Animaux

Alcanes se trouvent dans les produits animaux, bien qu'ils soient moins importants que les hydrocarbures insaturés. Un exemple est l'huile de foie de requin, qui est d' environ 14% pristane (2,6,10,14-tétraméthylpentadécane, C 19 H 40 ). Ils sont importants comme les phéromones , les matériaux de messager chimique, sur lequel les insectes dépendent de la communication. Chez certaines espèces, par exemple , le coléoptère de support Xylotrechus colonus , pentacosane (C 25 H 52 ), le 3-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) et 9-methylpentaicosane (C 26 H 54 ) sont transférés par contact avec le corps. Avec d' autres , comme la mouche tsé - tsé Glossina morsitans morsitans , la phéromone contient les quatre alcanes 2-methylheptadecane (C 18 H 38 ), 17,21-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ), 15,19-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80 ) et 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C 40 H 82 ), et agit par l' odorat sur des distances plus longues. Frétillante-danse abeilles produisent et libèrent deux alcanes, tricosane et pentacosane.

relations écologiques

Début orchidée araignée ( sphegodes Ophrys )

Un exemple, dans lequel les deux alcanes végétales et animales jouent un rôle, est la relation écologique entre l' abeille de sable ( Andrena de nigroaenea ) et le début de l' orchidée araignée ( Ophrys de sphegodes ); ce dernier dépend de la pollinisation sur l'ancien. Abeilles de sable utilisent les phéromones afin d'identifier un partenaire; dans le cas de A. nigroaenea , les femelles émettent un mélange de tricosane (C 23 H 48 ), pentacosane (C 25 H 52 ) et heptacosane (C 27 H 56 ) dans le rapport 3: 3: 1, et les mâles sont attirés en particulier cette odeur. L'orchidée profite de cet arrangement d'accouplement pour obtenir l'abeille mâle pour recueillir et diffuser son pollen; une partie de sa fleur ressemblent non seulement l'apparition d'abeilles de sable , mais produisent aussi de grandes quantités des trois alcanes dans le même rapport que les abeilles de sable femelles. En conséquence, de nombreux hommes sont attirés aux fleurs et tentent de copuler avec leur partenaire imaginaire: bien que cette entreprise ne soit pas couronnée de succès pour l'abeille, elle permet l'orchidée de transférer son pollen, qui sera dispersé après le départ du mâle frustré de différentes fleurs.

Production

raffinement pétrolier

Comme indiqué précédemment, la source la plus importante des alcanes est le gaz naturel et le pétrole brut . Les alcanes sont séparés dans une raffinerie de pétrole par distillation fractionnée et transformés en différents produits.

Fischer-Tropsch

Le procédé de Fischer-Tropsch est un procédé pour synthétiser des hydrocarbures liquides, y compris des alcanes, du monoxyde de carbone et de l' hydrogène. Cette méthode est utilisée pour produire des substituts pour les distillats de pétrole .

Préparation de laboratoire

Il y a généralement peu besoin d'alcanes à synthétiser en laboratoire, car ils sont généralement disponibles dans le commerce. En outre, les alcanes sont généralement non réactif chimiquement ou biologiquement, et ne subissent pas fonctionnels interconversions de groupe proprement. Lorsque alcanes sont produits dans le laboratoire, il est souvent un sous -produit d'une réaction. Par exemple, l'utilisation de n - butyllithium en tant que solide de base donne l'acide conjugué, n - butane en tant que produit secondaire:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Cependant, parfois , il peut être souhaitable de faire une section d'une molécule en une fonctionnalité de type alcane ( alkyle en groupe) en utilisant les procédés ci - dessus ou similaires. Par exemple, un groupe éthyle est un groupe alkyle; lorsque cela est attaché à un groupe hydroxy groupe, il donne de l' éthanol , ce qui est un alcane. Pour ce faire, les méthodes les plus connues sont l' hydrogénation des alcènes :

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

Les alcanes ou les groupes alkyle peuvent également être préparés directement à partir des halogénures d'alkyle de la réaction de Corey-Maison-Posner-Whitesides . La désoxygénation Barton-McCombie élimine les groupes hydroxyle d'alcools , par exemple

Barton-McCombie système de désoxygénation

et la réduction de Clemmensen élimine les groupes carbonyle des aldéhydes et des cétones pour former des alcanes ou des composés alkyl-substitués , par exemple:

Clemmensen réduction

Applications

Les applications d'alcanes dépendent du nombre d'atomes de carbone. Les quatre premiers alcanes sont utilisés principalement à des fins de chauffage et de cuisson, et dans certains pays pour la production d'électricité. Le méthane et l' éthane sont les principaux composants du gaz naturel; ils sont normalement stockés sous forme de gaz sous pression. Il est cependant plus facile de les transporter sous forme liquide: Cela nécessite à la fois la compression et le refroidissement du gaz.

Le propane et le butane sont des gaz à la pression atmosphérique qui peut être liquéfié à des pressions assez basses et sont communément appelé gaz de pétrole liquéfié (GPL). Le propane est utilisé dans des brûleurs à gaz propane et comme carburant pour les véhicules routiers, du butane dans des appareils de chauffage et les briquets jetables. Les deux sont utilisés comme agents propulseurs dans les bombes aérosols .

De pentane à octane les alcanes sont liquides très volatils. Ils sont utilisés comme carburants dans des moteurs à combustion interne , car ils se vaporisent facilement à l' entrée dans la chambre de combustion sans formation de gouttelettes, qui porteraient atteinte à l'uniformité de la combustion. Alcanes à chaîne ramifiée sont préférés car ils sont beaucoup moins sujettes à l' inflammation prématurée, ce qui provoque frapper , que leurs homologues à chaîne droite. Cette propension à l' inflammation prématurée est mesurée par l' indice d'octane du carburant, où le 2,2,4-triméthylpentane ( isooctane ) présente une valeur arbitraire de 100, et l' heptane a une valeur de zéro. En dehors de leur utilisation comme combustibles, les alcanes intermédiaires sont également de bons solvants pour les substances non polaires.

Alcanes de nonane , par exemple, l' hexadécane (un alcane à seize atomes de carbone) sont des liquides de plus haut viscosité , de moins en moins appropriée pour une utilisation dans l' essence. Elles forment plutôt la majeure partie du diesel et le carburant d'aviation . Les carburants diesel sont caractérisés par leur indice de cétane , cétane étant un ancien nom pour hexadécane. Cependant, les points de fusion plus élevés de ces alcanes peuvent causer des problèmes à basses températures et dans les régions polaires, où le carburant devient trop épais pour circuler correctement.

Alcanes à partir de l' hexadécane forment vers le haut les composants les plus importants du fuel - oil et l' huile de lubrification . Dans cette dernière fonction, ils fonctionnent à la fois comme agents anti-corrosifs, comme leur nature hydrophobe signifie que l' eau ne peut pas atteindre la surface du métal. De nombreux alcanes solides trouvent utilisation comme la cire de paraffine , par exemple, dans des bougies . Cela ne devrait pas être confondu avec la vraie mais la cire , qui se compose principalement d' esters .

Les alcanes avec une longueur de chaîne d'environ 35 ou plus atomes de carbone sont présents dans le bitume , utilisé, par exemple, dans le revêtement des routes. Cependant, les alcanes supérieurs ont peu de valeur et sont généralement divisés en alcanes inférieurs par fissuration .

Certains de synthèse des polymères tels que le polyethylene et le polypropylene sont des alcanes à chaînes contenant des centaines de milliers d'atomes de carbone. Ces matériaux sont utilisés dans d' innombrables applications, et des milliards de kilogrammes de ces matériaux sont fabriqués et utilisés chaque année.

transformations environnementales

Les alcanes sont des molécules chimiquement très inertes non polaires qui ne sont pas très réactifs sous forme de composés organiques. Ce Inertie donne de graves problèmes écologiques si elles sont libérées dans l'environnement. En raison de leur manque de groupes fonctionnels et une faible solubilité dans l'eau, les alcanes montrent une faible biodisponibilité des micro-organismes.

Il y a, cependant, certains micro-organismes possédant la capacité métabolique d'utiliser n-alcanes comme les deux sources de carbone et de l'énergie. Certaines espèces bactériennes sont hautement spécialisés dans les alcanes dégradant; ceux-ci sont appelés bactéries hydrocarbonoclastic.

Dangers

Le méthane est inflammable, explosif et dangereux de respirer, car il est un gaz incolore et inodore, des précautions particulières doivent être prises autour de méthane. Ethane est extrêmement inflammable, dangereux à inhaler et explosif. Ces deux peuvent provoquer l'asphyxie. De même, le propane est inflammable et explosif. Il peut provoquer une somnolence ou une perte de conscience en cas d'inhalation. Butane a les mêmes risques à considérer que le propane.

Alcanes posent également une menace pour l'environnement. alcanes ramifiés ont une biodégradabilité inférieure à celle des alcanes ramifiés. Cependant, le méthane est classé comme gaz à effet de serre le plus dangereux. Bien que la quantité de méthane dans l'atmosphère est faible, elle pose une menace pour l'environnement.

Voir également

Références

Pour en savoir plus