Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. Dans leurs molécules, les atomes possèdent des liaisons simples. La structure est déterminée par la formule CnH2n+2. Considérons les alcanes : Propriétés chimiques, types, applications.
Dans la structure du carbone, il existe quatre orbites sur lesquelles tournent les atomes. Les orbitales ont la même forme et la même énergie.
Note! Les angles entre eux sont de 109 degrés et 28 minutes, ils sont dirigés vers les sommets du tétraèdre.
Une seule liaison carbone permet aux molécules d'alcane de tourner librement, ce qui amène les structures à prendre différentes formes, formant des sommets au niveau des atomes de carbone.
Tous les composés alcanes sont divisés en deux groupes principaux :
- Hydrocarbures aliphatiques. De telles structures ont une connexion linéaire. La formule générale ressemble à ceci : CnH2n+2. La valeur de n est égale à ou plus d'un, signifie le nombre d’atomes de carbone.
- Cycloalcanes à structure cyclique. Les propriétés chimiques des alcanes cycliques diffèrent considérablement des propriétés des composés linéaires. La formule des cycloalcanes les rend dans une certaine mesure similaires aux hydrocarbures qui ont une triple liaison atomique, c'est-à-dire les alcynes.
Types d'alcanes
Il existe plusieurs types de composés alcanes, chacun ayant sa propre formule, sa structure, ses propriétés chimiques et son substituant alkyle. Le tableau contient série homologue
Nom des alcanes
La formule générale des hydrocarbures saturés est CnH2n+2. En modifiant la valeur de n, on obtient un composé avec une simple liaison interatomique.
Vidéo utile : alcanes - structure moléculaire, propriétés physiques
Types d'alcanes, options de réaction
Dans des conditions naturelles, les alcanes sont des composés chimiquement inertes. Les hydrocarbures ne réagissent pas au contact du concentré d'acide nitrique et sulfurique, des alcalis et du permanganate de potassium.
Les liaisons moléculaires simples déterminent les réactions caractéristiques des alcanes. Les chaînes alcanes sont caractérisées par des liaisons non polaires et faiblement polarisables. Il est légèrement plus long que S-N.
Formule générale des alcanes
Réaction de substitution
Les substances paraffiniques se caractérisent par une activité chimique insignifiante. Cela s'explique par la résistance accrue de la connexion en chaîne, qui n'est pas facile à rompre. Pour la destruction, un mécanisme homologique est utilisé, auquel participent les radicaux libres.
Pour les alcanes, les réactions de substitution sont plus naturelles. Ils ne réagissent pas aux molécules d'eau et aux ions chargés. Lors de la substitution, les particules d'hydrogène sont remplacées par de l'halogène et d'autres éléments actifs. Parmi ces procédés figurent l'halogénation, la nitruration et la sulfochloration. De telles réactions sont utilisées pour former des dérivés alcanes.
Le remplacement des radicaux libres se déroule en trois étapes principales :
- L'apparition d'une chaîne à partir de laquelle se créent des radicaux libres. La chaleur et la lumière ultraviolette sont utilisées comme catalyseurs.
- Développement d'une chaîne dans la structure de laquelle se produisent des interactions de particules actives et inactives. C’est ainsi que se forment les molécules et les particules radicalaires.
- A la fin, la chaîne se brise. Les éléments actifs créent de nouvelles combinaisons ou disparaissent complètement. La réaction en chaîne prend fin.
Halogénation
Le procédé est réalisé selon le type radical. L'halogénation se produit sous l'influence du rayonnement ultraviolet et du chauffage thermique du mélange d'hydrocarbures et d'halogène.
L'ensemble du processus suit la règle de Markovnikov. Son essence réside dans le fait que l'atome d'hydrogène appartenant au carbone hydrogéné est le premier à subir une halogénation. Le processus commence par un atome tertiaire et se termine par un carbone primaire.
Sulfochloration
Un autre nom est la réaction de Reed. Elle est réalisée par la méthode de substitution radicalaire. Ainsi, les alcanes réagissent à la combinaison de dioxyde de soufre et de chlore sous l'influence du rayonnement ultraviolet.
La réaction commence par l'activation d'un mécanisme en chaîne. A ce moment, deux radicaux sont libérés du chlore. L'action de l'un est dirigée vers l'alcane, entraînant la formation d'une molécule de chlorure d'hydrogène et d'un élément alkyle. Un autre radical se combine au dioxyde de soufre, créant une combinaison complexe. Pour atteindre l’équilibre, un atome de chlore est retiré d’une autre molécule. Le résultat est du chlorure d’alcane sulfonyle. Cette substance est utilisée pour produire des tensioactifs.
Sulfochloration
Nitration
Le processus de nitration implique la combinaison de carbones saturés avec de l'oxyde d'azote tétravalent gazeux et de l'acide nitrique, portés à une solution à 10 %. Pour que la réaction ait lieu, il faudra niveau faible pression et température élevée, environ 104 degrés. À la suite de la nitration, des nitroalcanes sont obtenus.
Se séparer
Les réactions de déshydrogénation sont réalisées en séparant les atomes. La particule moléculaire de méthane se décompose complètement sous l’influence de la température.
Déshydrogénation
Si un atome d'hydrogène est séparé du réseau carboné de la paraffine (sauf le méthane), des composés insaturés se forment. Ces réactions sont réalisées dans des conditions de température importantes (400-600 degrés). Divers catalyseurs métalliques sont également utilisés.
Les alcanes sont obtenus par hydrogénation hydrocarbures saturés.
Processus de décomposition
Sous l'influence des températures lors des réactions alcanes, les liaisons moléculaires peuvent être rompues et des radicaux actifs peuvent être libérés. Ces processus sont connus sous le nom de pyrolyse et de craquage.
Lorsque le composant réactionnel est chauffé à 500 degrés, les molécules commencent à se décomposer et des mélanges complexes de radicaux alkyles se forment à leur place. Les alcanes et alcènes sont ainsi préparés industriellement.
Oxydation
Ce réactions chimiques, basé sur le don d’électrons. Les paraffines sont caractérisées par une auto-oxydation. Le procédé utilise l'oxydation des hydrocarbures saturés par des radicaux libres. Les composés alcanes à l'état liquide sont transformés en hydroperoxyde. Premièrement, la paraffine réagit avec l'oxygène. Des radicaux actifs se forment. Ensuite, l’espèce alkyle réagit avec une deuxième molécule d’oxygène. Un radical peroxyde se forme, qui interagit ensuite avec la molécule d'alcane. À la suite du processus, de l'hydroperoxyde est libéré.
Réaction d'oxydation des alcanes
Applications des alcanes
Les composés carbonés ont large application dans presque tous les domaines majeurs de la vie humaine. Certains types de composés sont indispensables à certaines industries et à l'existence confortable de l'homme moderne.
Les alcanes gazeux constituent la base de combustibles précieux. Le principal composant de la plupart des gaz est le méthane.
Le méthane a la capacité de créer et de libérer de grandes quantités de chaleur. Par conséquent, il est utilisé en quantités importantes dans l’industrie et pour la consommation domestique. En mélangeant du butane et du propane, on obtient un bon combustible domestique.
Le méthane est utilisé dans la fabrication des produits suivants :
- méthanol;
- solvants;
- fréon;
- encre;
- carburant;
- gaz de synthèse;
- acétylène;
- formaldéhyde;
- acide formique;
- Plastique.
Application de méthane
Les hydrocarbures liquides sont destinés à créer du carburant pour les moteurs et les fusées, ainsi que des solvants.
Les hydrocarbures supérieurs, dont le nombre d'atomes de carbone dépasse 20, sont impliqués dans la production de lubrifiants, de peintures et vernis, de savons et de détergents.
L’huile de vaseline est une combinaison d’hydrocarbures gras contenant moins de 15 atomes d’hydrogène. Ce liquide transparent et insipide est utilisé en cosmétique, dans la création de parfums et à des fins médicales.
La vaseline est le résultat d'une combinaison d'alcanes solides et gras comportant moins de 25 atomes de carbone. La substance est impliquée dans la création de pommades médicales.
La paraffine obtenue en combinant des alcanes solides est une masse solide et insipide, blanc et sans arôme. La substance est utilisée pour fabriquer des bougies, une substance d'imprégnation pour le papier d'emballage et les allumettes. La paraffine est également populaire pour les procédures thermiques en cosmétologie et en médecine.
Note! Les mélanges d'alcanes sont également utilisés pour fabriquer des fibres synthétiques, des plastiques, des détergents et du caoutchouc.
Les composés alcanes halogénés fonctionnent comme solvants, réfrigérants et également comme substance principale pour une synthèse ultérieure.
Vidéo utile : alcanes - propriétés chimiques
Conclusion
Les alcanes sont des composés hydrocarbonés acycliques à structure linéaire ou ramifiée. Une liaison unique s’établit entre les atomes, qui ne peut être rompue. Réactions des alcanes basées sur la substitution de molécules caractéristiques de ce type de composés. La série homologue a la formule développée générale CnH2n+2. Les hydrocarbures appartiennent à la classe saturée car ils contiennent le nombre maximum autorisé d'atomes d'hydrogène.
En contact avec
ALCANE (hydrocarbures saturés, paraffines)
- Les alcanes sont des hydrocarbures saturés aliphatiques (acycliques) dans lesquels les atomes de carbone sont liés entre eux par des liaisons simples (simples) en chaînes droites ou ramifiées.
Alcanes– le nom des hydrocarbures saturés selon la nomenclature internationale.
Paraffines– un nom historiquement établi reflétant les propriétés de ces composés (du Lat. parrum affinis– ayant peu d’affinité, faible activité).
Limite, ou saturé, ces hydrocarbures doivent leur nom à la saturation complète de la chaîne carbonée en atomes d'hydrogène.
Les représentants les plus simples des alcanes :
Modèles de molécules :
Lorsque l'on compare ces composés, il est clair qu'ils diffèrent les uns des autres par un groupe -CH2- (méthylène). Ajout d'un autre groupe au propane -CH2-, on obtient du butane C4H10, puis les alcanes C 5 H 12, C 6 H 14 etc.
Nous pouvons maintenant dériver la formule générale des alcanes. Le nombre d’atomes de carbone dans la série des alcanes est considéré comme étant n
, alors le nombre d'atomes d'hydrogène sera 2n+2
. Par conséquent, la composition des alcanes correspond à la formule générale C n H 2n+2.
C’est pourquoi la définition suivante est souvent utilisée :
Alcanes- les hydrocarbures dont la composition est exprimée par la formule générale C n H 2n+2, Où n – nombre d'atomes de carbone.
Structure des alcanes
Structure chimique(l'ordre de connexion des atomes dans les molécules) des alcanes les plus simples - méthane, éthane et propane - sont représentés par leurs formules développées données dans la section 2. À partir de ces formules, il est clair qu'il existe deux types d'alcanes liaisons chimiques:
SS-S Et S–H.
La liaison C – C est covalente non polaire. La liaison C – H est covalente, faiblement polaire, car le carbone et l'hydrogène sont proches en électronégativité (2,5 pour le carbone et 2,1 pour l'hydrogène). La formation de liaisons covalentes dans les alcanes en raison de paires électroniques partagées d'atomes de carbone et d'hydrogène peut être démontrée à l'aide de formules électroniques :
Les formules électroniques et structurelles reflètent structure chimique, mais ne donne pas d'idée sur structure spatiale des molécules, ce qui affecte considérablement les propriétés de la substance.
Structure spatiale, c'est à dire. arrangement mutuel Les atomes d'une molécule dans l'espace dépendent de l'orientation des orbitales atomiques (AO) de ces atomes. Dans les hydrocarbures Le rôle principal L'orientation spatiale des orbitales atomiques du carbone joue un rôle, puisque la 1s-AO sphérique de l'atome d'hydrogène n'a pas d'orientation spécifique.
Aménagement d'espace L’AO du carbone, quant à elle, dépend du type de son hybridation (Partie I, Section 4.3). L’atome de carbone saturé des alcanes est lié à quatre autres atomes. Son état correspond donc à l’hybridation sp 3 (Partie I, section 4.3.1). Dans ce cas, chacun des quatre AO de carbone hybride sp 3 participe au chevauchement axial (σ-) avec le s-AO de l'hydrogène ou avec le sp 3 -AO d'un autre atome de carbone, formant σ -Connexions CH ou S-S.
Les quatre liaisons σ du carbone sont dirigées dans l'espace selon un angle de 109 environ 28", ce qui correspond à la moindre répulsion des électrons. Par conséquent, la molécule du représentant le plus simple des alcanes - le méthane CH4 - a la forme d'un tétraèdre, au centre duquel se trouve un atome de carbone, et aux sommets se trouvent des atomes d'hydrogène :
Angle de liaison N-C-H est égal 109 o 28". La structure spatiale du méthane peut être représentée à l'aide de modèles volumétriques (à l'échelle) et en forme de boule et de bâton.
Pour l'enregistrement, il est pratique d'utiliser une formule spatiale (stéréochimique).
Dans la molécule du prochain homologue - l'éthane C 2 H 6 - deux tétraédriques sp 3 atomes de carbone forment une structure spatiale plus complexe :
Les molécules d'alcane contenant plus de 2 atomes de carbone sont caractérisées par des formes courbes. Cela peut être montré avec un exemple n-butane (modèle VRML) ou n-pentane :
Isomérie des alcanes
- L'isomérie est le phénomène d'existence de composés qui ont la même composition (même formule moléculaire), mais de structure différente. De telles connexions sont appelées isomères.
Les différences dans l'ordre dans lequel les atomes sont combinés dans les molécules (c'est-à-dire la structure chimique) conduisent à isomérie structurelle. La structure des isomères structuraux est reflétée par les formules développées. Dans la série des alcanes isomérie structurelle se manifeste lorsque la chaîne contient 4 atomes de carbone ou plus, c'est-à-dire en commençant par le butane C 4 H 10.
Si dans les molécules même composition et la même structure chimique, différentes positions relatives des atomes dans l'espace sont possibles, alors on observe isomérie spatiale (stéréoisomérie). Dans ce cas, l'utilisation de formules développées ne suffit pas et il convient d'utiliser des modèles moléculaires ou des formules spéciales - stéréochimiques (spatiales) ou de projection.
Les alcanes, à commencer par l'éthane H 3 C–CH 3, existent sous diverses formes spatiales ( conformation), provoquée par la rotation intramoléculaire le long des liaisons C – C σ, et présente ce qu'on appelle isomérie rotationnelle (conformationnelle).
De plus, si une molécule contient un atome de carbone lié à 4 substituants différents, un autre type d'isomérie spatiale est possible, lorsque deux stéréoisomères sont liés l'un à l'autre comme un objet et son image miroir (de la même manière que main gauche fait référence à celui de droite). De telles différences dans la structure des molécules sont appelées isomérie optique.
Isomérie structurale des alcanes
- Les isomères structuraux sont des composés de même composition qui diffèrent par l'ordre de liaison des atomes, c'est-à-dire structure chimique molécules.
La raison de la manifestation de l'isomérie structurale dans la série des alcanes est la capacité des atomes de carbone à former des chaînes de structures différentes. Ce type d'isomérie structurale est appelé isomérie du squelette carboné.
Par exemple, un alcane de composition C 4 H 10 peut exister sous la forme deux isomères structurels :
et alcane C 5 H 12 - sous la forme trois isomères structuraux, différant par la structure de la chaîne carbonée :
Avec une augmentation du nombre d'atomes de carbone dans les molécules, les possibilités de ramification des chaînes augmentent, c'est-à-dire le nombre d'isomères augmente avec le nombre d'atomes de carbone.
Les isomères structurels diffèrent propriétés physiques. Les alcanes à structure ramifiée, en raison de l'accumulation de molécules moins dense et, par conséquent, d'interactions intermoléculaires plus petites, bout à une température plus basse que leurs isomères non ramifiés.
Lors de la dérivation des formules développées des isomères, les techniques suivantes sont utilisées.
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés dans les molécules dont tous les atomes de carbone sont occupés par des liaisons simples par des atomes d'hydrogène. Par conséquent, les homologues de la série des méthanes sont caractérisés par une isomérie structurelle des alcanes.
Isomérie du squelette carboné
Les homologues comportant quatre atomes de carbone ou plus sont caractérisés par une isomérie structurelle due à des modifications du squelette carboné. Les groupes méthyle -CH 2 peuvent s'attacher à n'importe quel carbone de la chaîne, formant de nouvelles substances. Plus il y a d’atomes de carbone dans la chaîne, plus d’homologues d’isomères peuvent se former. Le nombre théorique d'homologues est calculé mathématiquement.
Riz. 1. Nombre approximatif d'isomères d'homologues du méthane.
En plus des groupes méthyle, de longues chaînes carbonées peuvent être attachées aux atomes de carbone, formant des substances ramifiées complexes.
Exemples d'isomérie d'alcanes :
- le butane normal ou le n-butane (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3) et le 2-méthylpropane (CH 3 -CH(CH 3)-CH 3) ;
- n-pentane (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-méthylbutane (CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 3), 2,2-diméthylpropane (CH 3 -C (CH 3) 2 -CH 3);
- n-hexane (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-méthylpentane (CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 2 -CH 3), 3-méthylpentane ( CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3), 2,3-diméthylbutane (CH 3 -CH(CH 3)-CH(CH 3)-CH 3), 2,2-diméthylbutane ( CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 2 -CH 3).
Riz. 2. Exemples d'isomères structuraux.
Les isomères ramifiés diffèrent des molécules linéaires par leurs propriétés physiques. Les alcanes ramifiés fondent et bouillent à des températures plus basses que leurs homologues linéaires.
Nomenclature
La nomenclature internationale IUPAC a établi des règles pour nommer les chaînes ramifiées. Pour nommer un isomère structural :
- trouvez la chaîne la plus longue et nommez-la ;
- numéroter les atomes de carbone en commençant par la fin avec le plus de substituants ;
- indiquer le nombre de substituants identiques à l'aide de préfixes numériques ;
- donner des noms aux remplaçants.
Le nom se compose de quatre parties qui se succèdent :
- des nombres indiquant les atomes de la chaîne qui ont des substituants ;
- préfixes numériques ;
- nom du député;
- nom du circuit principal.
Par exemple, dans la molécule CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3, la chaîne principale a cinq atomes de carbone. C'est donc du pentane. L’extrémité droite a plus de branches, donc la numérotation des atomes commence à partir d’ici. Dans ce cas, le deuxième atome a deux substituants identiques, ce qui se reflète également dans le nom. Il s'avère que cette substance s'appelle 2,2,4-triméthylpentane.
Les différents substituants (méthyle, éthyle, propyle) sont classés dans le nom par ordre alphabétique : 4,4-diméthyl-3-éthylheptane, 3-méthyl-3-éthyloctane.
Généralement, des préfixes numériques de deux à quatre sont utilisés : di- (deux), tri- (trois), tetra- (quatre).
Qu'avons-nous appris ?
Les alcanes sont caractérisés par une isomérie structurelle. Les isomères structurels sont caractéristiques de tous les homologues, à commencer par le butane. Dans l'isomérie structurelle, les substituants s'attachent aux atomes de carbone de la chaîne carbonée, formant des chaînes ramifiées complexes. Le nom de l'isomère se compose des noms de la chaîne principale, des substituants, d'une désignation verbale du nombre de substituants et d'une désignation numérique des atomes de carbone auxquels les substituants sont attachés.
Les alcanes sont des hydrocarbures acycliques de structure linéaire ou ramifiée contenant uniquement connexions simples et former une série homologue de formule générale C n H 2n+2 (CH 4, C 2 C 6, ...). Les alcanes sont également appelés paraffines. Chaque atome de carbone d'une molécule d'alcane est associé à un nombre maximum d'autres atomes, soit quatre, c'est pourquoi ces hydrocarbures sont appelés saturés.
Connexions
La configuration électronique d'un atome de carbone de numéro atomique 6, 1s 2 2s 2 2p 2, ne peut pas former quatre liaisons, mais seulement deux, donc l'hybridation sp 3 a eu lieu ici, c'est-à-dire la redistribution de quatre électrons de deux différents niveaux d'énergie pour un. Les liaisons électroniques formées entre le carbone (de l'orbitale sp 3) et l'hydrogène (de l'orbitale s) forment une liaison σ très forte. En raison de la force de la liaison, les hydrocarbures saturés ont une faible réactivité.
Géométrie
La présence de quatre orbitales sur un atome de carbone crée la forme d'un tétraèdre régulier et tous les angles entre les orbitales sont de 109°28". La longueur de liaison entre les atomes de carbone et d'hydrogène est de 0,109 nm, entre deux atomes de carbone - 0,154 nm.
Réactions
Les atomes des molécules d’alcane sont reliés par une forte liaison σ. En réaction Connexions CC et C-H sont également susceptibles de se décomposer pour former un nouveau composé, de sorte que la réaction aboutit toujours à un mélange complexe de produits. Dans des conditions normales, les alcanes ne réagissent pas avec les acides, les bases ou les agents oxydants forts.
Lorsqu'une liaison est rompue dans les alcanes, deux scénarios sont possibles : rupture de liaison avec formation de deux radicaux, A : B → A + B. Une telle rupture est dite homolytique (homo - identique). Dans un autre cas, un écart se produit avec la formation d'ions, lorsqu'une paire commune d'électrons va vers l'un des atomes : A : B → A + : B, un tel écart est appelé hétérolytique. Les types de réactions des alcanes sont appelés en conséquence : réactions homolytiques et hétérolytiques.
Sur ce moment Il existe deux types de réactions des alcanes dans lesquelles les liaisons C-C ne sont pas rompues : l'halogénation et la nitruration. Vous trouverez ci-dessous des exemples de réactions du méthane.
Halogénation
La réaction d'halogénation a lieu à une température de 300-400°C ou sous l'influence des rayons ultraviolets. Au cours de la réaction, des alcanes halogénés se forment. Les réactions les plus courantes sont celles avec le chrome et le brome ; les réactions avec le fluor sont dangereuses en raison du risque d'explosion ; les réactions avec l'iode ne se produisent pas.
Le processus d'halogénation comprend trois étapes : l'initiation, la propagation de la chaîne et la terminaison de la chaîne.
1. Initiation - clivage homolytique d'un halogène en deux radicaux :
Cl 2 → 2Cl (exposition à l'énergie lumineuse, hν)
2. Développement d'une chaîne - les radicaux libres interagissent avec les molécules et deux réactions sont possibles :
(1) Cl + CH 4 → HCl + CH 3
(2) Cl + CH 4 → CH 3 Cl + H
L'énergie de l'hydrogène atomique est bien supérieure à celle du radical méthyle CH 3, donc la réaction (2) ne se produit pas.
3. Terminaison de la chaîne - les radicaux réagissent les uns avec les autres et forment des produits :
Cl + Cl → Cl2
CH3 + CH3 → 2CH3
CH 3 + Cl → CH 3 Cl
La combustion
La principale utilisation des alcanes est le carburant, c'est pourquoi la réaction de combustion peut être considérée comme la plus populaire pour les hydrocarbures saturés. Lors de la réaction de combustion, les alcanes sont convertis en eau et gaz carbonique. La réaction de combustion est exothermique et nécessite grande quantitéénergie, comme une étincelle ou un feu. Réaction générale de combustion des alcanes :
R + O 2 → CO 2 + H 2 O + chaleur
2C n H 2n+2 + (3n+1)O 2 → 2nCO 2 + (2n+2)H 2 O + chaleur
Réaction de combustion du méthane
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 212 kcal/mol
Nitration
A une température de 140°C, avec une pression croissante, les alcanes réagissent avec l'acide nitrique, l'atome d'hydrogène est remplacé par le résidu acide nitrique NO 2, les produits de réaction sont appelés composés nitro :
CH 4 + HO-NO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O (140°C, p)
La synthèse
Synthèse de Wurtz
En 1855, Adolf Wurtz découvrit que la réaction du sodium métallique avec un haloalcane produit un sel de sodium :
2CH 3 I + 2Na → 2Na + I - + CH 3 CH 3
Les radicaux libres haloalcanes réagissent les uns avec les autres pour former des composés plus longs. Équation générale la réaction a la forme :
Réduction des haloalkyles
La plupart des haloalkyles réagissent avec les cations zinc et hydrogène (ou l'acide de Brønsted-Lowry) pour former des alcanes. Dans une telle réaction, le zinc est un agent réducteur et permet de remplacer l'halogène par de l'hydrogène :
2C 4 H 9 Br (2-bromobutane) + H + (acide) + Zn → 2C 4 H 10 (butane) + ZnBr 2
Réactifs Grinyard
Les réactifs Grinyard sont des composés organiques qui contiennent une liaison métal-carbone. De tels réactifs sont formés à la suite de la réaction d'un halo d'alkyle avec du magnésium dans une solution d'éther diéthylique :
R-X + Mg → RMgX (dans une solution d'éther diéthylique)
La réaction se produit également avec les chlorures, bromures et iodures d'alkyle. Lors de l'hydrolyse, les réactifs Grinyard sont convertis en alcanes :
CH 3 MgI + H 2 O → CH 4 + HO-Mg-I
C 2 H 5 MgBr + H 2 O → C 2 H 6 + HO-Mg-Br
Réception et utilisation
Les alcanes sont préparés soit par synthèse, soit à partir de sources naturelles(gaz naturel, pétrole, charbon). L'utilisation d'hydrocarbures saturés est très répandue ; les alcanes sont utilisés comme gaz, essence, diesel et carburant pour fusée. La vaseline, les solvants et la paraffine sont aussi le mérite des alcanes.
Propriétés des alcanes
L'hybridation sp 3 fait des alcanes les moins polaires de tous composés organiques, d'où il résulte qu'ils sont peu solubles dans les solutions polaires, de sorte que les points d'ébullition et de fusion ne dépendront principalement que du poids moléculaire ; en moyenne, le point d'ébullition des hydrocarbures saturés augmente de 25 à 30 degrés pour chaque atome de carbone après le pentane . Les alcanes ramifiés ont plus basse température bouillant parce que les molécules plus ramifiées ont moins de surface, donc liaisons intermoléculaires plus faible et bouillir plus tôt.
La viscosité d'une substance dépend de la taille de la molécule, donc plus la molécule contient d'atomes de carbone, plus elle est grosse et plus la probabilité d'interaction entre les molécules est grande et, par conséquent, plus la viscosité est grande. Les alcanes dont le nombre de carbones varie de 20 à 35 sont les principaux composants des lubrifiants.
Nomenclature
Le nom des alcanes se compose de deux parties : le préfixe indique le nombre d'atomes de carbone, et le suffixe -ane y est attaché, ce qui signifie le type de composé, c'est-à-dire hydrocarbure
| Nombre de carbones | Nom | Formule structurelle |
|---|---|---|
| 1 | Méthane | CH4 |
| 2 | Éthane | CH3 -CH3 |
| 3 | Propane | CH3 -CH2 -CH3 |
| 4 | Butane | CH 3 -(CH 2) 2 -CH 3 |
| 5 | Pentane | CH 3 -(CH 2) 3 -CH 3 |
| 6 | Hexane | CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 |
| 7 | Heptane | CH 3 -(CH 2) 5 -CH 3 |
| 8 | Octane | CH 3 -(CH 2) 6 -CH 3 |
| 9 | Nonan | CH 3 -(CH 2) 7 -CH 3 |
| 10 | doyen | CH 3 -(CH 2) 8 -CH 3 |
| 11 | Undékan | CH 3 -(CH 2) 9 -CH 3 |
| 12 | Dodécan | CH 3 -(CH 2) 10 -CH 3 |
| 13 | Tridécan | CH 3 -(CH 2) 11 -CH 3 |
| 14 | Tétradécane | CH 3 -(CH 2) 12 -CH 3 |
| 15 | Pentadécane | CH 3 -(CH 2) 13 -CH 3 |
| 16 | Hexadécane | CH 3 -(CH 2) 14 -CH 3 |
| 17 | Heptadécane | CH 3 -(CH 2) 15 -CH 3 |
| 18 | Octadécane | CH 3 -(CH 2) 16 -CH 3 |
| 19 | Nonadécane | CH 3 -(CH 2) 17 -CH 3 |
| 20 | Eikosan | CH 3 -(CH 2) 18 -CH 3 |
| Tableau 1. Nomenclature des alcanes | ||
Les alcanes ou hydrocarbures aliphatiques saturés sont des composés à chaîne ouverte (non cyclique), dans les molécules dont les atomes de carbone sont reliés les uns aux autres par une liaison σ. L'atome de carbone des alcanes est dans un état d'hybridation sp 3.
Les alcanes forment une série homologue dans laquelle chaque membre diffère par une constante unité structurelle-CH 2 -, que l'on appelle une différence homologique. Le représentant le plus simple est le méthane CH4.
- Formule générale des alcanes : C n H 2n+2
Pour les alcanes, en plus de l'isomérie structurale, il existe l'isomérie conformationnelle et, à commencer par l'heptane, l'énantiomérie :
Nomenclature UICPA Les préfixes sont utilisés dans les noms d'alcanes n-, deuxième-, iso, ter-, néo:
- n- désigne la structure normale (non corrodée) de la chaîne hydrocarbonée ;
- deuxième- s'applique uniquement au butyle recyclé ;
- ter- signifie alkyle de structure tertiaire ;
- iso branches en bout de chaîne ;
- néo utilisé pour alkyle avec un atome de carbone quaternaire.
La nomenclature des alcanes ramifiés repose sur les règles de base suivantes :
- Pour construire un nom, une longue chaîne d'atomes de carbone est sélectionnée et numérotée avec des chiffres arabes (locants), en partant de l'extrémité la plus proche de laquelle se trouve le substituant, par exemple :
- Si le même groupe alkyle apparaît plus d'une fois, des préfixes multiplicateurs sont placés devant lui dans le nom. di-(avant une voyelle di-), trois-, tétra- etc. et désignez chaque alkyle séparément par un numéro, par exemple :
Il convient de noter que pour les résidus (groupes) complexes, multiplier les préfixes comme bis-, tris-, tétrakis- autre.
- Si les branches latérales de la chaîne principale contiennent divers substituants alkyle, elles sont alors réorganisées par ordre alphabétique (avec des préfixes multiplicateurs di-, tétra- etc., ainsi que les préfixes n-, deuxième-, ter- ne sont pas pris en compte), par exemple :
- Si deux options ou plus pour la chaîne la plus longue sont possibles, choisissez celle qui a le nombre maximum de branches latérales.
- Les noms de groupes alkyles complexes sont construits selon les mêmes principes que les noms d'alcanes, mais la numérotation de la chaîne alkyle est toujours autonome et commence par l'atome de carbone ayant une valence libre, par exemple :
- Lorsqu'il est utilisé au nom d'un tel groupe, il est placé entre parenthèses et entre ordre alphabétique La première lettre du nom complet est prise en compte :
Méthodes d'extraction industrielles 1. Extraction des gaz alcanes. Le gaz naturel se compose principalement de méthane et de petits mélanges d'éthane, de propane et de butane. Le gaz sous pression à basse température est divisé en fractions appropriées.
2. Extraction des alcanes du pétrole. Le pétrole brut est purifié et traité (distillation, fractionnement, craquage). Des mélanges ou des composés individuels sont obtenus à partir de produits transformés.
3. Hydrogénation du charbon (méthode de F. Bergius, 1925). Le lignite ou le lignite dans des autoclaves à 30 MPa en présence de catalyseurs (oxydes et sulfures de Fe, Mo, W, Ni) dans un environnement d'hydrocarbures sont hydrogénés et transformés en alcanes, ce qu'on appelle le carburant moteur :
nC + (n+1)H 2 = C n H 2n+2
4. Oxosynthèse d'alcanes (méthode de F. Fischer - G. Tropsch, 1922). Grâce à la méthode Fischer-Tropsch, les alcanes sont obtenus à partir du gaz de synthèse. Le gaz de synthèse est un mélange de CO et de H 2 avec des proportions différentes. Il est obtenu à partir du méthane par l'une des réactions qui se produisent à 800-900°C en présence d'oxyde de nickel NiO supporté sur Al 2 O 3 :
CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2
CH 4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2
2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
Les alcanes sont obtenus par la réaction (température environ 300°C, catalyseur Fe-Co) :
nCO + (2n+1)H 2 → CnH 2n+2 + nH 2 O
Le mélange d'hydrocarbures résultant, constitué principalement d'alcanes de structure (n = 12-18), est appelé « syntine ».
5. Distillation sèche. Les alcanes sont obtenus en quantités relativement faibles par distillation sèche ou chauffage du charbon, du schiste, du bois et de la tourbe sans accès à l'air. La composition approximative du mélange résultant est de 60 % d’hydrogène, 25 % de méthane et 3 à 5 % d’éthylène.
Méthodes d'extraction en laboratoire 1. Préparation à partir d'haloalkyles
1.1. Réaction avec le sodium métallique (Wurz, 1855). La réaction consiste en l'interaction d'un métal alcalin avec un haloalkyle et est utilisée pour la synthèse d'alcanes symétriques supérieurs :
2CH 3 -I + 2Na ⇄ CH 3 -CH 3 + 2NaI
Si deux haloalkyles différents participent à la réaction, un mélange d'alcanes se forme :
3CH 3 -I + 3CH 3 CH 2 -I + 6Na → CH 3 -CH 3 + CH 3 CH 2 CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 6NaI
1.2 Interaction avec les cuprates de dialkyle lithium. La méthode (parfois appelée réaction E. Core - H. House) implique l'interaction de cuprates de dialkyle de lithium réactifs R 2 CuLi avec des haloalkyles. Premièrement, le lithium métallique réagit avec un haloalcane dans un environnement éther. Ensuite, l'alkyllithium correspondant réagit avec l'halogénure de cuivre (I) pour former un dialkylcuprate de lithium soluble :
CH 3 Cl + 2Li → CH 3 Li + LiCl
2CH 3 Li + CuI → (CH 3 ) 2 CuLi + LiI
Lorsqu'un tel dialkylcuprate de lithium réagit avec l'haloalkyle correspondant, le composé final se forme :
(CH 3 ) 2 CuLi + 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -I → 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -CH 3 + LiI + CuI
Le procédé permet d'atteindre un rendement en alcanes de près de 100 % lors de l'utilisation d'haloalkyles primaires. Avec leur structure secondaire ou tertiaire, le rendement est de 30 à 55 %. La nature du composant alkyle dans le cuprate de dialkyle de lithium a peu d'effet sur le rendement en alcane.
1.3 Réduction des haloalkyles. Il est possible de réduire les haloalkyles avec de l'hydrogène moléculaire excité catalytiquement, de l'hydrogène atomique, de l'iode, etc. :
CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (catalyseur Pd)
CH 3 CH 2 I + 2H → CH 3 CH 3 + HI
CH 3 I + HI → CH 4 + I 2
La méthode n'a aucune valeur préparative, un agent réducteur puissant est souvent utilisé - l'iode.
2. Préparation à partir de sels acides carboxyliques.
2.1 Électrolyse des sels (Kolbe, 1849). La réaction de Kolbe implique l'électrolyse solutions aqueuses sels d'acides carboxyliques :
R-COONa ⇄ R-COO - + Na +
A l'anode, l'anion acide carboxylique est oxydé, formant un radical libre, et est facilement décarboxylé ou éliminé par le CO 2 . Les radicaux alkyles sont ensuite convertis en alcanes par recombinaison :
R-COO - → R-COO . + e -
R-COO. →R. +CO2
R. +R. → R-R
La méthode de préparation de Kolbe est considérée comme efficace en présence des acides carboxyliques correspondants et de l'impossibilité d'utiliser d'autres méthodes de synthèse.
2.2 Fusion de sels d'acides carboxyliques avec des alcalis. Sels métaux alcalins Lorsque les acides carboxyliques se combinent avec des alcalis, ils forment des alcanes :
CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3
3. Réduction des composés contenant de l'oxygène(alcools, cétones, acides carboxyliques) . Les agents réducteurs sont les composés mentionnés ci-dessus. Le plus souvent, on utilise de l'eau iodée, capable de réduire même les cétones : Les quatre premiers représentants des alcanes du méthane au butane (C 1 -C 4) sont des gaz, du pentane au pentadécane (C 5 -C 15 - liquides, de hexadécane (C 16) - solides. Les augmenter poids moléculaires conduit à une augmentation des points d’ébullition et de fusion, les alcanes à chaîne ramifiée bouillant à une température plus basse que les alcanes normaux. Ceci s'explique par l'interaction de Van der Waals plus faible entre les molécules d'hydrocarbures ramifiés à l'état liquide. La température de fusion des homologues pairs est respectivement plus élevée que celle des homologues impairs.
Les alcanes sont beaucoup plus légers que l'eau, non polaires et difficiles à polariser, mais ils sont solubles dans la plupart des solvants non polaires, grâce à quoi ils peuvent eux-mêmes être un solvant pour de nombreux composés organiques.
