Alkane

La structure chimique du méthane , l'alcane simple

Les alcanes, également connu sous le nom paraffines, sont des composés chimiques qui se composent seulement des éléments de carbone (C) et hydrogène (H) (ce est à dire, des hydrocarbures), dans lequel ces atomes sont liés entre eux exclusivement par des liaisons simples (ce est à dire, ils sont composés saturés) sans structure cyclique (c.-à boucles). Alcanes appartiennent à une série homologue de composés organiques dans lesquels les membres diffèrent par une masse atomique relative constante de 14.

Chaque atome de carbone doit avoir quatre obligations (soit liaisons CH ou CC), et chaque atome d'hydrogène doit être relié à un atome de carbone (obligations HC). Une série d'atomes de carbone liés est connu comme le squelette de carbone ou squelette de carbone. En général, le nombre d'atomes de carbone est souvent utilisée pour définir la taille de l'alcane (par exemple, C ₂ alcane).

Un groupe alkyle est un groupe ou un groupe fonctionnel de chaîne latérale qui, comme un alcane, est constitué uniquement de liaisons simples, liés atomes de carbone et d'hydrogène, par exemple un méthyle ou un groupe éthyle.

Les hydrocarbures saturés peuvent être linéaires (formule générale C _n H _{2 n 2),} dans lequel les atomes de carbone sont joints en une structure en forme de serpent, ramifié (formule générale C _n H _{2 n 2,} n> 3) dans lequel le squelette de carbone se sépare en une ou plusieurs directions, ou cyclique (formule générale C _n H _{2 n,} n> 2) dans lequel le squelette de carbone est lié de manière à former une boucle. Selon la définition par IUPAC, les deux premiers sont des alcanes, tandis que le troisième groupe est appelé cycloalcanes. En d'autres termes, les hydrocarbures saturés sont divisés en des alcanes et des cycloalcanes, en fonction de si oui ou non ils ont des structures cycliques, et, dans le sens technique, les cycloalcanes sont pas alcanes. Cependant, cycloalcanes sont parfois appelés alcanes cycliques, ce qui peut être source de confusion lorsque alcanes «réels» sont appelés alcanes acycliques. Les hydrocarbures saturés peuvent aussi combiner l'une quelconque des linéaire, cyclique (par exemple, polycyclique) et les structures de ramification, et ils sont encore alcanes (pas formule générale) aussi longtemps qu'ils sont acyclique (ie, ne ayant pas de boucles).

La plus simple possible alcane (la molécule mère) est du méthane , CH _4. Il n'y a pas de limite au nombre d'atomes de carbone qui peuvent être reliés entre eux, la seule limitation étant que la molécule est acyclique, est saturé, et est un hydrocarbure. Saturé huiles et les cires sont des exemples de grandes alcanes dont le nombre d'atomes de carbone dans le squelette de carbone tend à être supérieur à 10.

Alcanes ne sont pas très réactifs et ont peu activité biologique. Alcanes peuvent être considérés comme une masse moléculaire échafaudage sur lequel peut se accrocher les portions biologiquement actives / réactives intéressantes ( des groupes fonctionnels de la molécule).

Isomerism

Différents C ₄ alcanes et -cycloalkanes (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; bicyclo [1.1.0] butane est le seul ₄ H ₆ de l'isomère C; Tétraédrane (non représenté) est le seul C ₄ H ₄ isomère.

Les alcanes ayant plus de trois atomes de carbone peuvent être disposés en un nombre multiple de moyens formant différent isomères structuraux. Un isomère est comme un produit chimique anagramme, dans lequel les atomes d'un composé chimique ou joints sont disposés ensemble dans un ordre différent. 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", même si elle ne est pas nécessairement le plus commun). Toutefois, 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 (séquence A000602 dans OEIS ). Par exemple:

• C _1: 1 d'isomères - méthane
• C _2: 1 d'isomères - éthane
• C _3: 1 isomère - propane
• C _4: 2 isomères - n butane, isobutane
• C _12: 355 isomères
• C _32: 27711253769 isomères
• C _60: 22.158.734.535.770.411.074.184 isomères

En plus de ces isomères, la chaîne d'atomes de carbone peut former une ou plusieurs boucles. De tels composés sont appelés cycloalcanes.

Nomenclature

Le Nomenclature IUPAC (de manière systématique de nommer les composés) pour alcanes est basée sur l'identification des chaînes hydrocarbonées. , Chaînes hydrocarbonées saturés non ramifiés sont nommés systématiquement avec un préfixe numérique grec désignant le nombre d'atomes de carbone et le suffixe "-ane".

Août Wilhelm von Hofmann suggère systématiser nomenclature en utilisant toute la séquence des voyelles a, e, i, o et u Pour créer suffixes -ane, -ène, -ine (ou triple liaison), -one, Muin, pour les hydrocarbures. Les trois premiers hydrocarbures de nom avec des liaisons simples, doubles et triples; "One" représente une cétone ; "Ol" représente un alcool ou un groupe OH; "-oxy-" Désigne un éther et fait référence à l'oxygène entre deux atomes de carbone, de sorte que le méthoxy-méthane est le nom IUPAC de l'éther diméthylique.

Il est difficile, voire impossible, de trouver des composés avec plus d'un nom IUPAC. Ce est parce que des chaînes plus courtes attachées à des chaînes plus longues sont les préfixes et la convention comprend des supports. Les chiffres entre le nom, se référant à un groupe dont le carbone est fixé à, devraient être aussi faibles que possible, de sorte que 1- est implicite et généralement omis des noms de composés organiques avec un seul côté-groupe; "1-" est impliqué dans Nitro-octane. Composés symétriques auront deux façons d'arriver au même nom.

Les alcanes linéaires

Alcanes à chaîne droite sont parfois indiqués par le n- préfixe (pour normal) où un non-linéaire isomère existe. Bien que ce ne est pas strictement nécessaire, l'utilisation est encore courante dans les cas où il ya une différence importante dans les propriétés entre le linéaire et des isomères à chaîne ramifiée, par exemple, n-hexane ou 2- ou 3-méthylpentane.

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

méthane , CH ₄

éthane , C ₂ H ₆

propane , C ₃ H ₈

butane, C ₄ H ₁₀

Les alcanes ayant au moins cinq atomes de carbone sont désignés par adjonction, suffixe -ane au préfixe de langue grecque appropriée multiplicateur numérique avec élision du ne importe quelle voyelle terminal (-a ou -o) du terme numérique de base. De ce fait, pentane, C ₅ H _12; hexane, C ₆ H _14; heptane, C ₇ H _16; octane, C ₈ H _18; etc. Pour une liste plus complète, voir Liste des alcanes.

Alcanes ramifiés

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

Les alcanes ramifiés simples ont souvent un nom commun en utilisant un préfixe de les distinguer des alcanes linéaires, par exemple n pentane, l'isopentane, et néopentane.

UICPA conventions de nommage peuvent être utilisés pour produire un nom systématique.

Les principales étapes de la désignation des alcanes ramifiés plus complexes sont les suivantes:

• Identifier la plus longue chaîne linéaire d'atomes de carbone
• Nommez cette chaîne racine plus longue en utilisant des règles d'appellation standard
• Nommer chaque chaîne latérale en changeant le suffixe du nom de l'alcane de "-ane" à "-yl"
• Nombre la chaîne racine, afin que la somme des numéros attribués à chaque groupe de côté sera aussi faible que possible
• Numéro et le nom des chaînes latérales avant le nom de la chaîne racine
• Se il existe plusieurs chaînes latérales du même type, utiliser des préfixes comme «di» et «tri-» pour indiquer comme tel, et chaque numéro un.

Comparaison des nomenclatures pour les trois isomères de C ₅ H ₁₂

Nom commun	n -pentane	isopentane	néopentane
Nom IUPAC	pentane	2-méthylbutane	2,2-diméthylpropane
Structure

Les alcanes cycliques

Les soi-disant alcanes cycliques sont, au sens technique, pas alcanes, mais cycloalcanes. Ils sont les hydrocarbures comme les alcanes juste, mais contenant un ou plusieurs cycles.

Cycloalcanes simples ont un préfixe "cyclo-" pour les distinguer des alcanes. Les cycloalcanes sont nommés comme par leurs homologues acycliques par rapport au nombre d'atomes de carbone, par exemple, cyclopentane (C ₅ H ₁₀₎ est un cycloalcane à 5 atomes de carbone, tout comme pentane (C ₅ H _12), mais ils sont reliés dans un cycle à cinq chaînons. D'une manière similaire, le propane et cyclopropane, butane et cyclobutane, etc.

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

Noms triviaux

Le (non trivial systématique ) nom pour alcanes est " paraffines. "Ensemble, alcanes sont connus comme la série de paraffine. noms triviaux pour les composés sont généralement des objets historiques. Ils ont été inventé avant le développement de noms systématiques et ont été retenus en raison de l'usage familier dans l'industrie. Cycloalkanes sont aussi 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 distingue pas entre un composés purs et mélanges de isomères avec la même formule chimique (par exemple, comme un produit chimique anagramme), par exemple, le pentane et isopentane.

Exemples

Les noms triviaux suivants sont retenus dans le système IUPAC:

• isobutane pour 2-méthylpropane
• isopentane pour le 2-méthylbutane
• néopentane 2,2-diméthyl pour

Occurrence

Présence d'alcanes dans l'Univers

Méthane et d'éthane constituent une grande proportion de l'atmosphère de Jupiter

Les alcanes constituent une partie importante de la atmosphères des planètes gazeuses externes tels que Jupiter (0,1% de méthane, 0,0002% d'éthane), Saturne (0,2% de méthane, 0,0005% d'éthane), Uranus (1,99% de méthane, 0,00025% 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 sonde Huygens, qui indiquent que l'atmosphère de Titan pleut régulièrement méthane liquide sur la surface de la lune. Aussi sur Titan, un volcan crachant de méthane a été repéré et ce volcanisme est considéré comme une source importante de méthane dans l'atmosphère. Il semble aussi être lacs de méthane / éthane de près les régions polaires nord de Titan, découverte par l'imagerie radar de Cassini. 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 égale, qui est pensé pour laisser entendre que ses glaces formés dans l'espace interstellaire, loin du Soleil, ce qui aurait évaporé ces molécules volatiles. Les alcanes ont également été détectés dans tels que des météorites chondrites carbonées.

Présence d'alcanes sur Terre

Des traces de méthane (environ 0,0001% ou de 1 ppm) se produisent dans l'atmosphère de la terre, produit principalement par les organismes tels que Archaea, a trouvé par exemple dans l'intestin des vaches.

Extraction de l'huile, qui contient de nombreux hydrocarbures différents, y compris des alcanes

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

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CH ₄ + ₂ 3CO

Ces hydrocarbures dans des roches poreuses, situé sous une roche couverture imperméable et ne sont donc piégés. Contrairement méthane, qui est constamment réformé en grandes quantités, la hausse des alcanes (alcanes avec 9 ou plusieurs atomes de carbone) développent rarement dans une mesure considérable dans la nature. Ces dépôts, par exemple, champs de pétrole, ont formé au cours de millions d'années et une fois épuisés ne peuvent pas être facilement remplacé. L'épuisement de ces hydrocarbures est la base de ce qui est connu comme le crise de l'énergie.

Alcanes solides sont connus en tant que goudrons et se forment lorsque des alcanes plus volatiles tels que les gaz et le pétrole évaporer de gisements d'hydrocarbures. Un des plus grands gisements naturels d'alcanes solides est dans le lac d'asphalte connu sous le nom Pitch Lake en Trinité-et-Tobago .

Le méthane est également présent dans ce qu'on appelle biogaz, produit par les animaux et les matières en décomposition, 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 hydrate de méthane. Bien que ce ne peut pas être exploité commercialement à l'heure actuelle, la quantité d'énergie combustible des champs d'hydrates de méthane connus dépasse la teneur en énergie de tous les gisements de gaz naturel et de pétrole mis ensemble; le méthane extrait de l'hydrate de méthane est donc considéré un candidat pour les combustibles futurs .

Occurrence biologique

Bien que les alcanes se produisent dans la nature dans diverses façon, ils ne se classent pas parmi les matériaux biologiquement essentiels. Des cycloalcanes ayant 14 à 18 atomes de carbone se produisent dans musc, extrait de cerfs de la famille Moschidae. Toutes les autres informations se réfère à (acycliques) alcanes.

Les bactéries et les archées

Méthanogène archées dans l'intestin de cette vache sont responsables de certains 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 des chaînes impaires.

D'autre part, certaines archées, le méthanogènes, de produire de grandes quantités de méthane par le métabolisme du dioxyde de carbone ou autre des composés organiques oxydés. L'énergie est libérée par l'oxydation de l' hydrogène :

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

Méthanogènes sont également les producteurs de gaz des marais dans les zones humides, et libèrent d'environ deux milliards de tonnes de méthane par an - la teneur atmosphérique de ce gaz est produit presque exclusivement par eux. La sortie de méthane du bétail et d'autres herbivores , qui peut libérer jusqu'à 150 litres par jour, et des termites , est également due à méthanogènes. Ils produisent également cette simple de tous les alcanes dans le intestins des êtres humains. Archées méthanogènes sont, par conséquent, à la fin de la cycle du carbone, avec du carbone libérée dans l'atmosphère après avoir été fixé par la photosynthèse . Il est probable que nos dépôts actuels de gaz naturel ont été formés de la même manière.

Les champignons et les plantes

formes de gouttelettes d'eau sur une fine pellicule de cire d'alcanes sur la peau de la pomme.

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, Candida tropicale, Pichia sp., Rhodotorula sp., Des alcanes peut utiliser comme source de carbone et / ou d'énergie. Le champignon Amorphotheca resinae préfère les alcanes à longue chaîne dans carburant d'aviation, et peut causer de graves problèmes pour les aéronefs dans les régions tropicales.

Chez les plantes, ce sont les alcanes à longue chaîne solides qui se trouvent; ils forment une couche cabinet de cire, le cuticule, sur les zones de la plante exposée à l'air. Cela protège la plante contre la perte d'eau, tout en empêchant la lessivage des minéraux importants par la pluie. Ce est aussi une protection contre les bactéries, les champignons et les insectes nuisibles - ce dernier évier avec leurs jambes dans la substance cireuse douce et ont des difficultés à bouger. La couche brillante sur les fruits tels que les pommes se compose d'alcanes à longue chaîne. Les chaînes carbonées sont généralement compris entre vingt et trente atomes de carbone de longueur et sont effectués par les plantes à partir des acides gras . La composition exacte de la couche de cire ne est pas seulement selon l'espèce, mais aussi des changements avec la saison et ces facteurs environnementaux comme les conditions d'éclairage, de la température ou de l'humidité.

Animaux

Alcanes se trouvent dans les produits animaux, même se ils sont moins importants que les hydrocarbures insaturés. Un exemple est l'huile de foie de requin, ce qui est environ 14% pristane (2,6,10,14-tétraméthylpentadécane, C ₁₉ H _40). Leur survenue est plus important dans phéromones, des matériaux de messager chimique, à laquelle tous les insectes ci-dessus dépendent de la communication. Avec certains types, comme le dendroctone de soutien Xylotrechus colon, principalement pentacosane (C ₂₅ H _52), 3-methylpentaicosane (C ₂₆ H ₅₄₎ et 9-methylpentaicosane (C ₂₆ H _54), ils sont transférés par contact corporel. Avec d'autres comme la mouche tsé-tsé 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'odeur sur de longues distances, une caractéristique utile pour antiparasitaire.

Relations écologiques

Early araignée orchidée (sphegodes Ophrys)

Un exemple, dans lequel les deux alcanes animales et végétales jouent un rôle, ce est la relation entre la écologique sable abeille ( Andrena nigroaenea) et le araignée début orchidée ( Ophrys araignée); celle-ci est dépendante de la pollinisation sur l'ancien. abeilles de sable utilisent les phéromones afin d'identifier un compagnon; 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 par cette odeur spécifique. L'orchidée tire parti de cette disposition pour obtenir l'accouplement l'abeille mâle pour recueillir et diffuser son pollen; une partie de sa fleur ressemblent pas seulement l'apparition d'abeilles de sable, mais également de produire de grandes quantités d'alcanes les trois dans le même rapport que les abeilles de sable femelles. En conséquence de nombreux mâles sont attirés vers les fleurs et tenter de se accoupler avec leur partenaire imaginaire: même si cet effort ne est pas couronnée de succès pour l'abeille, il permet l'orchidée de transférer son pollen, qui sera dispersée après le départ de la frustration mâle différentes fleurs.

Production

Le raffinage du pétrole

Une raffinerie de pétrole au Martinez, Californie .

Comme indiqué précédemment, la plus importante source d'alcanes est du gaz naturel et de pétrole brut . Alcanes sont séparés dans une raffinerie de pétrole par distillation fractionnée et transformés en de nombreux produits différents

Fischer-Tropsch

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

préparation de laboratoire

Il est généralement peu besoin d'alcanes à être synthétisés dans le laboratoire, car ils sont généralement disponibles dans le commerce. En outre, les alcanes sont généralement non réactif chimique ou biologique, et qu'ils ne subissent interconversions de groupes fonctionnels proprement. Lorsque les alcanes sont produites dans le laboratoire, il est souvent un sous-produit d'une réaction. Par exemple, l'utilisation de n-butyllithium en tant que solide une base donne l'acide conjugué, le 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 d'effectuer une partie d'une molécule dans un alcane comme fonctionnalité ( alkyle en groupe) en utilisant les procédés ci-dessus ou similaires. Par exemple, un un groupe éthyle est un groupe alkyle; lorsque ce est attaché à un un groupe hydroxy, il donne de l'éthanol , ce qui ne est pas 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 de des halogénures d'alkyle dans le Réaction Corey-Maison-Posner-Whitesides. Le Barton-McCombie désoxygénation retire des groupes hydroxyle à partir d'alcools par exemple,

et le Réduction de Clemmensen élimine des groupes carbonyle de cétones et d'aldéhydes pour former des alcanes ou des composés alkyl-substitué, par exemple:

Applications

Les applications d'un certain alcane peut être déterminée très bien en fonction 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 de gaz naturel; ils sont normalement stockés sous forme de gaz sous pression. Il est cependant plus facile de les transporter sous forme de liquides: Ceci nécessite à la fois la compression et le refroidissement du gaz.

Propane et butane peut être liquéfié à assez basses pressions, et sont bien connus comme gaz de pétrole liquéfié (GPL). Propane, par exemple, est utilisé dans le brûleur à gaz propane, butane dans les briquets jetables. Les deux alcanes sont utilisés comme propulseurs dans les aérosols.

À partir de pentane pour Octane les alcanes sont des liquides volatils raisonnable. Ils sont utilisés comme combustibles dans moteurs à combustion interne, car ils se évaporent facilement sur l'entrée dans la chambre de combustion sans formation de gouttelettes, qui porteraient atteinte à la unifomity de la combustion. Les alcanes à chaîne ramifiée sont préférés, car ils sont beaucoup moins sujets à allumage prématuré, ce qui provoque frapper que leur homologue chaîne droite. Cette propension à l'inflammation prématurée est mesurée par la l'indice d'octane du carburant, où 2,2,4-triméthylpentane (isooctane) présente une valeur arbitraire de 100, et heptane a une valeur de zéro. Outre leur utilisation comme combustibles, les alcanes moyennes sont également de bons solvants pour les substances non polaires.

Alcanes nonane, par exemple, hexadécane (un alcane avec des atomes de carbone seize) sont des liquides de plus viscosité, de moins en moins appropriée pour une utilisation dans l'essence. Ils forment à la place la majeure partie des diesel et carburant d'aviation. Les carburants diesel sont caractérisés par leur l'indice de cétane, cétane étant l'ancien nom de l'hexadécane. Toutefois, les points de fusion plus élevés de ces alcanes peuvent poser des problèmes à basse température et dans les régions polaires, où le combustible devient trop visqueux pour se écouler correctement.

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

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

Certains synthétique des polymères tels que polyéthylène et polypropylène sont alcanes avec des 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.

Propriétés physiques

Point d'ébullition

Melting (bleu) et les 14 points de n premiers alcanes en ° C (rose) bouillante.

Alcanes expérience inter-moléculaires forces de van der Waals . Inter-moléculaire forces de van der Waals fortes donnent naissance à des points d'ébullition supérieures d'alcanes.

Il existe deux déterminants de la résistance des forces de van der Waals:

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

Sous conditions standard, 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 des alcanes est principalement déterminé 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 se élève de 20 à 30 ° C pour chaque carbone ajouté à la chaîne; cette règle se applique à d'autres séries homologue.

Un alcane à chaîne droite aura un point d'ébullition supérieur à un alcane à chaîne ramifiée en raison de la plus grande surface en contact, donc les plus van der Waals entre les molécules adjacentes. Par exemple, comparez isobutane et n-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, par conséquent, les plus forces de van der Waals.

D'autre part, les cycloalcanes ont tendance à avoir des points d'ébullition plus élevés que leurs homologues linéaires dues aux conformations des molécules bloquées, ce qui donne un plan de contact intermoléculaire.

Point de fusion

Les points de fusion des alcanes suivent une tendance similaire à points d'ébullition pour la même raison que celle exposée ci-dessus. Autrement dit, (toutes choses étant égales par ailleurs) plus la molécule plus le point de fusion. Il existe une différence significative entre les points d'ébullition et points de fusion. Les solides ont une structure fixe et plus striée de liquides. Cette structure rigide nécessite de l'énergie à se décomposer. Ainsi, les mieux mis ensemble des structures solides forts auront besoin de plus d'énergie pour briser. Pour alcanes, cela peut être vu à partir du graphique ci-dessus (ce est à dire, la ligne bleue). Les alcanes impairs ont une tendance plus faible dans les points de fusion que même numérotés alcanes. Ce est parce que les alcanes paires emballent bien dans la phase solide, formant une structure bien organisée, ce qui nécessite plus d'énergie pour briser. Les alcanes impaires emballent moins bien et donc le "lâche" organisé structure de garnissage 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 linéaires correspondant, à nouveau en fonction de la capacité de l'alcane en question à l'emballage et dans la phase solide: Ce est particulièrement vrai pour les isoalcanes (2 isomères méthyl), qui ont souvent des points de fusion plus élevés que ceux des analogues linéaires.

Conductivité

Alcanes ne conduisent pas l'électricité , ni qu'ils sont sensiblement 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 en dehors d'un alcane molécule, la coexistence d'un alcane et de l'eau conduit à une augmentation de l'ordre moléculaire (une réduction 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 indique que cette réduction de l'entropie devrait être minimisée en minimisant le contact entre l'alcane et de l'eau: Les alcanes sont dits hydrophobe en ce qu'ils repoussent l'eau.

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

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

Géométrie moléculaire

sp ³ -hybridisation en méthane .

La structure moléculaire des alcanes affecte directement leurs caractéristiques physiques et chimiques. Il est dérivé de la configuration électronique de carbone , qui a quatre électrons de valence. Les atomes de carbone dans les alcanes sont toujours sp ³ hybride, ce est-à-dire que les électrons de valence sont dits en quatre orbitales équivalentes dérivés de la combinaison des orbitales 2s et les trois orbitales 2p. Ces orbitales, qui ont énergies identiques, sont disposés dans l'espace sous la forme d'un tétraèdre, l'angle de cos ^-1 (-⅓) ≈ 109,47 ° entre eux.

longueurs de liaison et angles de liaison

Une molécule alcane ne dispose que de C - H et C - C obligations simples. L'ancien résultat du chevauchement d'un sp³-orbital du carbone avec les orbitale 1s d'un hydrogène; celui-ci par le chevauchement de deux orbitales SP³ sur différents atomes de carbone. Le longueurs de liaison montant à 1,09 × 10 ^-10 m pour une liaison C - H et 1,54 × 10 ^-10 m pour une liaison C - C.

La structure tétraédrique de méthane.

La disposition spatiale des liaisons est similaire à celui des quatre SP³ orbitales - elles sont disposées tétraédrique, avec un angle de 109,47 ° entre eux. Formules structurels qui représentent les obligations comme étant à angle droit par rapport à une autre, tout à la fois commune et utile, ne correspondent pas à la réalité.

Conformation

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

Newman projections des deux conformations d'éthane: éclipsés sur la gauche, décalés sur la droite.

Modèles de boule-et-bâton des deux rotamères d'éthane

Éthane forme le cas le plus simple pour l'étude de la conformation des alcanes, car il ya seulement une liaison C - C. Si l'on regarde vers le bas l'axe de la liaison C - C, on verra ce qu'on appelle 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 carbone - carbone unique. Malgré cette apparente liberté, seulement deux conformations limitant sont importants: conformation éclipsée et conformation en quinconce.

Les deux conformations, également appelés rotamères, diffèrent de l'énergie: La conformation décalée est de 12,6 kJ / mol moins d'énergie (plus stable) que la conformation éclipsée (le moins stable).

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

Le cas des 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 habituellement présentés dans un arrangement en zigzag dans les schémas ou dans les modèles. La structure actuelle sera toujours différer quelque peu de ces formes idéalisées, que les différences d'énergie entre les conformations sont petites par rapport à l'énergie thermique des molécules: molécules d'alcanes ont pas de forme structurelle fixe, quels que soient les modèles peuvent suggérer.

propriétés spectroscopiques

Pratiquement tous les composés organiques contiennent du carbone - carbone et - des liaisons hydrogène, et ainsi montrent certaines des caractéristiques d'alcanes en leurs spectres. Alcanes sont remarquables pour ne pas avoir d'autres groupes, et donc pour l'absence d'autres caractéristiques spectroscopiques caractéristiques.

La spectroscopie infrarouge

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

Spectroscopie RMN

Les résonances de protons d'alcanes sont généralement trouvés 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, CH) et quaternaire. Le carbone 13 résonance d'atomes de carbone quaternaire est typiquement faible, en raison de l'absence de Effet Overhauser nucléaire et la longue temps de relaxation, et peut être manqué dans des échantillons faibles, ou de l'échantillon qui ne ont pas été exécutés pour un temps suffisamment long.

Spectrométrie de masse

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

Propriétés chimiques

En général, les alcanes montrent une réactivité relativement faible, parce que leurs liaisons CC sont relativement stables et ne peuvent pas être facilement cassées. Contrairement à la plupart des autres composés organiques, ils ne possèdent pas de groupes fonctionnels.

Ils ne réagissent que très mal avec des substances polaires ioniques ou autres. Le dissociation acide (PK constants _une ) valeurs de tous les alcanes sont au-dessus de 60, d'où ils sont pratiquement inerte aux acides et bases (voir: acides de carbone). Cette inertie est la source de l'expression des paraffines (ici avec la signification de "manque d'affinité"). Dans pétrole brut les molécules d'alcanes sont restées chimiquement inchangées depuis des millions d'années.

Cependant réactions redox d'alcanes, en particulier avec l'oxygène et les atomes d'halogène, sont possibles comme les atomes de carbone sont dans un état ​​fortement réduite; dans le cas du méthane, de l'état le plus bas possible pour l'oxydation du carbone (-4) est atteinte. Réaction avec l'oxygène conduit à combustion sans fumée; avec des halogènes, substitution. En outre, les alcanes se sont révélés interagir avec et se lier à des complexes de métaux de transition certain dans (Voir: activation de liaison carbone-hydrogène).

Les radicaux libres, des molécules avec des électrons non appariés, jouent un rôle important dans la plupart des réactions des alcanes, tels que des fissures et de la réforme où alcanes à longue chaîne sont convertis en alcanes à chaîne courte et des alcanes linéaires en isomères à chaîne ramifiée.

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

Les réactions avec l'oxygène

Tous les alcanes réagissent avec l'oxygène dans un réaction de combustion, mais elles deviennent de plus en plus difficile à enflammer que le nombre d'atomes de carbone augmente. L'équation générale pour une combustion complète est:

C_nH_2n2+ (1,5n0,5) O₂→ (n+ 1) H₂+ OnCO₂

En l'absence de suffisamment d'oxygène,le monoxyde de carboneou encoresuie peuvent être formées, comme indiqué ci-dessous:

C_nH_{(2n + 2)}n + ½O₂→ (n + 1)H₂+ nCO

par exemplele méthane:

2CH₄+ 3O₂→ 2CO + 4H₂O

CH₄+ O₂→ C + 2H₂O

Voir la alcane chaleur de table de formation pour les données détaillées. Le de changement standard enthalpie de combustion, Δ _c H ^o , 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 ^o que les alcanes à chaîne linéaire de même nombre d'atomes de carbone, et peuvent donc être considérés comme étant quelque peu plus stable.

Réactions avec les halogènes

Les alcanes réagissent avec les halogènes dans une dite halogénation radicalaire 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 industriel important pour les hydrocarbures halogénés. Il ya trois étapes:

• Initiation l'halogène radicaux se forment par homolyse. Habituellement, l'énergie sous forme de chaleur ou de lumière est nécessaire.
• Réaction en chaîne se produit alors - les résumés radicaux halogène un d'hydrogène à partir de l'alcane pour donner un radical alkyle. Celui-ci réagit en outre.
• «cessation de la chaîneoù STEP les radicaux se recombinent.

Des expériences ont montré que tous 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, est un mélange non 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 la monobromation de propane:

Cracking

Cracking pauses plus grosses molécules en plus petites. Cela peut être fait avec un procédé thermique ou catalytique. Le procédé de craquage thermique suit un mécanisme homolytique avec formation de radicaux libres. Le procédé de craquage catalytique implique la présence d' acides de catalyseurs (en général des acides solides tels que la silice-alumine et les zeolites), qui favorisent une hétérolytique (asymétrique) rupture des liaisons donnant des paires d' ions de charges opposées, généralement un carbo cation et la très instable hydrure anion . Les radicaux libres et les cations carbone localisée sont à la fois très instable et subissent des processus de réarrangement de la chaîne, CC scission en position bêta (c.-à-fissuration) et intra et transfert d'hydrogène intermoléculaires ou transfert d'hydrure. Dans les deux types de procédés, les correspondants intermédiaires réactifs (radicaux, ions) sont régénérés de façon permanente, et ainsi on procède par un mécanisme en chaîne auto-propagation. La chaîne de réactions est éventuellement interrompue par recombinaison radicalaire ou ionique.

Isomérisation et la réforme

Isomérisation et la réforme sont des processus dans lequel des alcanes linéaires sont chauffés en présence d'une platine catalyseur. Dans l'isomérisation, les alcanes deviennent isomères à chaîne ramifiée. Dans la réforme, les alcanes deviennent cycloalcanes ou les hydrocarbures aromatiques, donnant de l'hydrogène comme sous-produit. Ces deux procédés soulèvent le nombre d'octane de la substance.

Autres réactions

Alcanes réagiront avec la vapeur d'eau en présence d'un nickel catalyseur pour donner un atome d'hydrogène . Les alcanes peuvent par chlorosulfonés et nitré, bien que les deux réactions nécessitent des conditions particulières. Le fermentation d'alcanes en acides carboxyliques est d'une certaine importance technique. Dans le Reed réaction, le dioxyde de soufre, du chlore et des hydrocarbures à convertir la lumière des chlorures de sulfonyle.

Dangers

Le méthane est explosif lorsqu'il est mélangé à l'air (1 - 8% CH ₄ ) et est un fort effet de serre gaz : Autres alcanes inférieurs peuvent également former des mélanges explosifs avec l'air. Les alcanes liquides légers sont très inflammables, bien que ce risque diminue avec la longueur de la chaîne carbonée. Pentane, hexane, octane et sont classés comme dangereux pour l'environnement et nuisibles . L'isomère à chaîne droite d'hexane est une neurotoxine, et donc rarement utilisé commercialement.