алканы - Alkane


Из Википедии, свободной энциклопедии
Химический состав метана , самый простой алкана

В области органической химии , в алкане , или парафине (историческое название , который также имеет другие значения ), представляет собой ациклический насыщенные углеводородный . Другими словами, алкан , состоит из водорода и углерода атомов , расположенных в виде древовидной структуры , в которой все углерод-углеродные связи являются сингл . Алканы имеют общую химическую формулу C п H 2 п + 2 . Алканы в диапазоне от сложности простейшем случае метана (СН 4 ), где п  = 1 (иногда называется исходной молекулы), в сколь угодно большие и сложные молекулы, такие как pentacontane (C 50 H 102 ) или 6-этил-2- метил-5- (1-метилэтил) октан, изомер из тетрадекан14 Н 30 ).

ИЮПАК определяет алкан , как «ациклические разветвленные или неразветвленные углеводороды , имеющие общий формулу C п H 2 п + 2 , и , следовательно , состоящее исключительно из атомов водорода и насыщенных атомов углерода». Тем не менее, некоторые источники используют термин для обозначения любого насыщенного углеводорода, в том числе тех , которые являются либо моноциклическим (т.е. циклоалканов ) или полициклическим, несмотря на их имеющие другую общую формулу (т.е. циклоалканы является С п Н 2 н ).

В алкане, каждый атом углерода зр 3 -hybridized с 4 сигмы - связями (либо С-С или С-Н ), и каждый атом водорода присоединен к одному из атомов углерода (в С-Н - связи). Длинная серия связанных атомов углерода в молекуле , как известно , его углеродного скелета или углеродной цепи. Число атомов углерода , могут быть рассмотрены как размер алкана.

Одна группа из высших алканов являются воски , твердые при нормальной температуре и давлении окружающей среды (SATP), для которых число атомов углерода в углеродной цепи больше , чем приблизительно 17. С их повторных -СН 2 единиц, алканы представляют собой гомологичные серия органических соединений , в которых члены отличаются по молекулярной массе , кратных 14.03  ¯u (общая масса каждого такого метилена-мостовой блок, который содержит один атом углерода массового 12.01 и и два атома водорода с массой ~ 1,01 у каждого) ,

Алканы не очень реактивные и имеют мало биологическую активность . Их можно рассматривать как молекулярные деревья , на которых может быть подвешиваются более активной / реактивной функциональных групп биологических молекул.

В алканы имеют два основных коммерческих источников: нефть (сырая нефть) и природный газ .

Алкильную группу , как правило , сокращенно с символом R, представляет собой функциональную группу , которая, как алкан, состоит только из одиночных связанных атомов углерода и водорода , соединенных ациклически-например, метил или этил .

содержание

классификация Структура

Насыщенные углеводороды являются углеводороды , имеющие только отдельные ковалентные связи между их атомами углерода. Они могут быть:

  • линейный (общая формула C
    п
    Н
    2 п + 2
    )котором атомы углерода соединены в змеиной-подобной структуре
  • разветвленные (общая формула C
    п
    Н
    2 п + 2
    ,п > 2)где основной углеродной цепи отщепляется в одном или нескольких направлениях
  • циклическая (общая формула C
    п
    Н
    2 п
    ,п > 3)где основная углеродная цепь связанатем, чтобы сформировать петлю.

В соответствии с определением по ИЮПАК , первые два являются алканы, в то время как третья группа называется циклоалканы . Насыщенные углеводороды могут также комбинировать любые из линейных, циклических (например, полициклических) и разветвления структур; общая формула является С
п
Н
2 п -2 к + 2
, гдекесть число независимых контуров. Алканы являютсяациклические(loopless) те,соответствуетK = 0.

Изомерия

Различные C 4 алканы и циклоалканы (слева направо): п изобутан и изобутан являются двумя С 4 Н 10 изомеров; циклобутан и метилциклопропан являются двумя С 4 Н 8 алканов изомеров.
Бицикнул [1.1.0] бутан является единственным С 4 Н 6 алканом и не имеет алканов изомера; тетраэдрано (ниже) является единственным С 4 Н 4 алканом и поэтому не имеет никаких алканов изомера.

Алканов с более чем трех углеродных атомов могут быть расположены различными способами, образуя структурные изомеры . Простейший изомер алкана является тот , в котором атомы углерода расположены в одной цепи без каких - либо ветвей. Этот изомер иногда называют п - изомер ( п для «нормального», хотя это не обязательно является наиболее распространенным). Однако цепь атомов углерода , также могут быть разветвленными в одной или нескольких точках. Число возможных изомеров быстро возрастает с увеличением числа атомов углерода. Например, для ациклических алканов:

Разветвленные алканы могут быть хиральными . Так , например, 3-метилгексан и его высшие гомологи являются хиральными благодаря их стереогенному центру на атом углерод номер 3. В дополнении к алкановым изомеров, цепь атомов углерода , может образовывать одну или более петель. Такие соединения называются циклоалканы . Стереоизомеры и циклические соединения исключаются при расчете количества изомеров выше.

Номенклатура

Номенклатура ИЮПАК (систематический способ именования соединений) для алканов основан на идентификации углеводородных цепей. Неразветвленные, насыщенные углеводородные цепи названы систематически с греческим числовым префиксом , обозначающего числом атомов углерода и суффикс «-ane».

В 1866 году, Август Вильгельм фон Гофман предложил систематизацию номенклатуры с использованием всей последовательности гласных а, е, я, о , а и создавать суффиксы -ane, -ы, -ine (или -yne), -он, -une, для углеводороды С п Н 2 п + 2 , С п Н 2 п , С п Н 2 п -2 , С п Н 2 н -4 , С п Н 2 п -6 . Теперь, первые три названия углеводородов с одно-, двойными и тройными связями; «-он» представляет собой кетон ; «-ол» представляет собой спирт или ОН - группу; «-oxy-» означает эфир , и относится к кислороду между двумя атомами углерода, так что метоксиметанфосфонат это имя ИЮПАК для диметилового эфира .

Это трудно или невозможно найти соединение с более чем одним IUPAC имени. Это происходит потому , что более короткие цепи , прикрепленные к длинным цепям префиксы и соглашение включает в себя скобку. Числа в названии, ссылаясь на котором углерод группа присоединена к, должно быть настолько низким , насколько это возможно , так что 1- подразумевается , и , как правило , исключены из названий органических соединений только с одной боковой группой. Симметричные соединения будут иметь два способа прибытия в том же имя.

Линейные алканы

С прямой цепью алканы иногда обозначены приставкой « н -» (для нормального ) , где нелинейный изомер существует. Хотя это не является строго необходимым, использование все еще широко распространено в тех случаях , когда есть важное различие в свойствах между прямой цепью и разветвленной цепью изомерами, например, н - гексан или 2- или 3-метилпентаном. Альтернативные названия для этой группы являются: линейные парафины или п -paraffins .

Члены ряда (с точки зрения числа атомов углерода) названы следующим образом:

метан
СН 4 - один из атомов углерода и водорода 4
этан 
С 2 Н 6 - два атома углерода и 6 водорода
пропан
С 3 Н 8 - три углерода и водород-
бутан 
С 4 Н 10 - четыре углерода и водорода 10
пентан
С 5 Н 12 - пять углерода и водорода 12
гексан 
С 6 Н 14 - шесть углерода и водорода 14

Первые четыре названий были получены из метанола , эфира , пропионовой кислоты и масляной кислоты , соответственно ( гексадеканно также иногда называют цетановой). Алкан с пятью или более атомами углерода, называют, добавляя суффикс -ane к соответствующему численному множителю префиксу с элизией любого терминала гласной ( -a или -o ) из основного числового термина. Следовательно, пентан , С 5 Н 12 ; гексан , С 6 Н 14 ; гептан , С 7 Н 16 ; октана , С 8 Н 18 ; и т.д. , как правило , префикс греческий, однако алканы с числом атомов углерода , заканчивающимся в девять, например , нонано , использовать латинский префикс не- . Для более полного списка, см Список алканов .

Разветвленные алканы

Бал-и-палка модель из изопентана (общее название) или 2-метилбутана (IUPAC систематического название)

Простые разветвленные алканы часто имеют общее имя с помощью префикса , чтобы отличить их от линейных алканов, например н пентан , изопентан , и неопентан .

IUPAC соглашение об именах может быть использовано для получения систематического имени.

Основные шаги в наименовании более сложных разветвленных алканов заключаются в следующем:

  • Определить самую длинную непрерывную цепь атомов углерода
  • Назовите самую длинную корневую цепочку, используя стандартные правила именования
  • Название каждой боковой цепи, изменив суффикс имени алкана от «-ane» на «-ил»
  • Число самая длинная непрерывная цепь, чтобы дать самые низкие цифры для боковых цепей
  • Номер и название боковых цепей перед именем корневой цепи
  • Если есть несколько боковых цепей одного и того же типа, используют префиксы, такие как «ди» и «три-», чтобы указать его в качестве такового, и количества каждого из них.
  • Добавление имен в боковой цепи в алфавитном порядке (без учета «ди-» и т.п. префиксы) порядок перед именем корневой цепи
Сравнение номенклатур в течение трех изомеров C 5 H 12
Распространенное имя п пентан изопентан неопентан
название IUPAC пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан
Состав Пентан-2D-Skeletal.svg Изопентан-2D-skeletal.png Неопентан-2D-skeletal.png

Насыщенные циклические углеводороды

Хотя технически отличие от алканов, этот класс углеводородов называются некоторыми как «циклическими алканы.» Как их описание подразумевает, что они содержат один или несколько колец.

Простые циклоалканов имеют префикс «цикло-» , чтобы отличить их от алканов. Циклоалкано названы в соответствии с их ациклическими аналогами по отношению к числу атомов углерода в своих основных цепях, например, циклопентан5 Н 10 ) являются циклоалканами с атомами 5 углерода так же , как пентан5 Н 12 ), но они соединены в пятичленном кольце. Аналогичным образом, пропан и циклопропан , бутан и циклобутан и т.д.

Замещенные циклоалканы названы аналогично замещенных алканов - циклоалканова кольцо указано, и заместители в соответствии с их положением на кольце, с нумерацией решается правилами приоритета Кана-Ингольда-Прелога .

Тривиальные / общие имена

Нулевое (не систематическое ) название для алканов «парафины». Вместе алканы известны как «парафиновая серия». Тривиальные названия соединений , как правило , являются историческими артефактами. Они были придуманы до развития систематических названий, и были сохранены благодаря знакомому использованию в промышленности. Циклоалканы также называют нафтены.

Он почти уверен , что термин «парафин» происходит от нефтехимической промышленности . Разветвленные цепи алканов называются изопарафины . Использование термина «парафин» является общим термином , и часто не различает чистые соединения и смеси изомеров , то есть, соединения одного и ту же химическую формулу , например, пентан и изопентан .

Примеры

Следующие тривиальные названия сохраняются в системе IUPAC:

Физические свойства

Все алканы являются бесцветными. Алканы с самыми низкими молекулярными массами являются газами, те из промежуточной молекулярной массы представляет собой жидкости, а тяжелые являются воскообразными твердыми веществами.

Таблица алканов

алкан формула Точка кипения [° C] Температура плавления [° C] Плотность [кг / м 3 ] (при 20 ° C )
метан СН 4 -162 -182 0,656 (газ)
Этан С 2 Н 6 -89 -183 1,26 (газ)
Пропан С 3 Н 8 -42 -188 2,01 (газ)
Бутан С 4 Н 10 0 -138 2,48 (газ)
пентан С 5 Н 12 36 -130 626 (жидкость)
гексан С 6 Н 14 69 -95 659 (жидкость)
Гептан С 7 Н 16 98 -91 684 (жидкость)
октан С 8 Н 18 126 -57 703 (жидкость)
нонан С 9 Н 20 151 -54 718 (жидкость)
декан С 10 Н 22 174 -30 730 (жидкость)
Ундекан С 11 Н 24 196 -26 740 (жидкость)
додекана С 12 Н 26 216 -10 749 (жидкость)
пентадекан С 15 Н 32 270 10 769 (жидкость)
гексадекану С 16 Н 34 287 18 773 (жидкость)
гептадекан С 17 Н 36 303 22 777 (твердое вещество)
эйкозан С 20 Н 42 343 37 789 (твердое вещество)
Triacontane С 30 Н 62 450 66 810 (твердое вещество)
Tetracontane С 40 Н 82 525 82 817 (твердое вещество)
Pentacontane С 50 Н 102 575 91 824 (твердое вещество)
Hexacontane С 60 Н 122 625 100 829 (твердое вещество)

Точка кипения

Плавление (синий) и кипение (оранжевые) точек первых 16 п алканов в ° С.

Алканов опыт межмолекулярных ван - дер - Ваальса . Более сильные межмолекулярные ван - дер - ваальсовы силы приводят к большим точек кипения алканов.

Есть два определители для силы Ван-дер-Ваальса:

  • число электронов , окружающих молекулу , которая увеличивается с молекулярной массой алкана в
  • площадь поверхности молекулы

Под стандартных условиях , из СН 4 до С 4 Н 10 алканы являются газообразными; от С 5 Н 12 до С 17 Н 36 они представляют собой жидкости; и после того, как C 18 H 38 они являются твердыми веществами. По мере того как температура кипения алканов в первую очередь определяются по весу, она не должна быть неожиданностью , что точка кипения имеет почти линейную зависимость с размером ( молекулярная масса ) молекулы. Как правило, температура кипения повышается на 20-30 ° С для каждого углерода добавляет к цепи; Это правило относится и к другим гомологическим рядам.

Прямоцепочечный алкан , будет иметь температуру кипения выше , чем с разветвленной цепью алкана за счет большей площади поверхности в контакте, таким образом, больше ван - дер - ваальсовых сил, между соседними молекулами. Например, сравните изобутан (2-метилпропан) и н-бутан (бутан), которые кипят при -12 и 0 ° C, и 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан , которые кипят при 50 и 58 ° C, соответственно , , В последнем случае, две молекулы 2,3-диметилбутан может «запереть» друг в друга лучше , чем крестообразный 2,2-диметилбутана, следовательно , тем больше ван - дер - ваальсовых сил.

С другой стороны, циклоалкано, как правило, имеют более высокие точки кипения, чем их линейные аналоги из-за запертых конформации молекул, которые дают плоскость межмолекулярного контакта.

точки плавления

В точках плавления алканов следуют аналогичной тенденции к точкам кипения по той же причине , как описано выше. То есть, ( при прочих равных условиях ) тем больше молекуле , тем выше температура плавления. Существует одна существенная разница между точками кипения и точкой плавления. Твердые вещества имеют более жесткую и фиксированную структуру , чем жидкости. Эта жесткая конструкция требует энергии , чтобы сломать. Таким образом, лучше положить вместе твердые структуры потребует больше энергии , чтобы распадаться. Для получения алканов, это может быть видно из графика выше (то есть, синяя линия). Нечетные алканы имеют более низкую тенденцию точки плавления , чем четные алканы. Это потому , что даже пронумерованные алканы пакет также в твердой фазе, образуя хорошо организованную структуру, которая требует больше энергии , чтобы разбить на части. Нечетные алканы пакет менее хорошо и поэтому более «рыхлый» организован твердая структура упаковки требует меньше энергии , чтобы разбить на части.

Точки плавления с разветвленной цепью алканов может быть выше или ниже , чем у соответствующих неразветвленных алканов, опять же в зависимости от способности алкана в вопросе хорошо упаковать в твердой фазе: Это особенно верно для изоалканов (2 метил изомеры), которые часто имеют температуру плавления выше , чем у линейных аналогов.

Проводимость и растворимость

Алканы не проводят электричество в любом случае, ни они , по существу , поляризованный с помощью электрического поля . По этой причине, они не образуют водородные связи и нерастворимы в полярных растворителях , таких как вода. Так как водородные связи между отдельными молекулами воды выровнены от молекулы алкана, сосуществование алкана и воды приводит к увеличению молекулярного порядка (уменьшение энтропии ). Поскольку не существует никакого существенного связь между молекулами воды и молекулами алканов, то второй закон термодинамики предполагает , что это уменьшение энтропии должно быть сведено к минимуму за счет минимизации контакта между алкана и воды: алканы, называются гидрофобными в том , что они отталкивать воду.

Их растворимость в неполярных растворителях является относительно хорошей, свойством , которое называется липофильностью . Различные алканы, например, смешивается во всех соотношениях между собой.

Плотность алканов обычно возрастает с числом атомов углерода, но остается меньше, чем у воды. Следовательно, алканы образуют верхний слой в качестве алкана-водной смеси.

Молекулярная геометрия

зр 3 -гибридизации в метан .

Молекулярная структура алканов непосредственно влияет на их физические и химические характеристики. Это происходит от электронной конфигурации из углерода , который имеет четыре валентных электронов . Атомы углерода в алканов всегда зр 3 -hybridized, то есть сказать , что валентные электроны , как говорят, в четырех эквивалентных орбиталей , полученных из комбинации 2s орбитальных и трех 2р - орбиталей. Эти орбитали, которые имеют одинаковую энергию, расположены в пространстве в виде тетраэдра , угол соз -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 ° между ними.

Длины связей и валентные углы

Алкана молекула имеет только С-Н и С-С одинарные связи. Бывший результат от перекрытия с зром 3 орбитали углерода с 1s орбитали водорода; последнее перекрытие двух зр 3 орбиталей на различных атомах углерода. Длины связей количество 1,09 × 10 -10  м для С-Н - связи и 1,54 × 10 -10  м для связи С-С.

Тетраэдрическая структура метана.

Пространственное расположение облигаций аналогично из четыре зра 3 орбитали-тетраэдрически они расположены, с углом 109.47 ° между ними. Структурные формулы , которые представляют собой облигацию как под прямым углом друг к другу, в то время как и общие и полезные, не соответствуют действительности.

форма

Структурная формула и валентные углы как правило , не достаточно , чтобы полностью описать геометрию молекулы. Существует еще одна степень свободы для каждого углерод-углеродной связи: торсионный угол между атомами или группами , связанными с атомами на каждом конце связи. Пространственное расположение описывается торсионными углами молекулы , как известно , как его конформация .

Newman проекции двух конформаций этана: затмил на левой стороне, в шахматном порядке справа.
Бал-и-палки модели двух ротамеров этана

Этан образует простейший случай для изучения конформации алканов, так как существует только один C-C связи. Если один смотрит вниз ось связи С-С, один будет видеть так называемую проекцию Ньюмана . Атомы водорода на обоих передних и задних атомов углерода имеют угол 120 ° между ними, в результате проекции основания тетраэдра на плоскость. Тем не менее, торсионный угол между данным атомом водорода , прикрепленным к переднему углероду и данный атомом водорода присоединен к заднему углероду может свободно изменяться в диапазоне от 0 ° до 360 °. Это является следствием свободного вращения вокруг углерод-углеродной простой св зи. Несмотря на кажущуюся свободу, только два предельных конформации имеют важное значение: затмила конформации и шахматном конформации .

Два конформации, также известные как ротамеры , различаются по энергии: шахматная конформация составляет 12,6 кДж / моль ниже по энергии (более стабильной) , чем затмеваемая конформация (наименее стабильная).

Эта разница в энергии между двумя конформациями, известная как энергия кручения , мала по сравнению с тепловой энергией молекулы этана при температуре окружающей среды. Существует постоянная вращения вокруг связи С-С. Время , необходимое для молекулы этана , чтобы пройти от одной шахматной конформации к другим, что эквивалентно вращению один CH 3 группы по 120 ° по отношению к другой, составляет порядка 10 -11  секунд.

Случай высших алканов является более сложным , но на основе аналогичных принципов, с antiperiplanar конформации всегда является наиболее благоприятствованиями вокруг каждого углерод-углеродной связи. По этой причине, как правило , алканы показано на зигзагообразное расположение на диаграммах или в моделях. Фактическая структура будет всегда несколько отличается от этих идеализированных форм, как различия в энергии между конформации, малы по сравнению с тепловой энергией молекул: алканы молекула не имеет фиксированную структурную формы, независимо от модели может предложить.

свойства спектроскопические

Практически все органические соединения содержат углерод-углеродные и углерод-водородные связи, и так показывают некоторые из особенностей алканов в их спектрах. Алканы отличаются не имеющие других групп, и , следовательно , за отсутствием других спектроскопических характерной особенности другой функциональной группы , как -OH , -CHO , -COOH и т.д.

ИК-спектроскопия

Углерод-водород , режим растяжения дает сильное поглощение между 2850 и 2960  см -1 , в то время как углерод-углеродный режимом растяжения поглощает между 800 и 1300 см -1 . Углерод-водород , режимы изгиба зависит от природы группы: метильные группы показывают полосы при 1450 см -1 и 1375 см -1 , в то время как метиленовые группы показывают полосы при 1465 см -1 и 1450 см -1 . Углеродные цепи с более четырех атомов углерода , показывают слабое поглощение при 725 см около -1 .

ЯМР-спектроскопия

В протонные резонансы алканов обычно находятся в & delta ; H = 0,5-1,5. Углерод-13 резонансы зависят от числа атомов водорода , присоединенных к углероду: & delta ; C = 8-30 (первичная, метила, -CH 3 ), 15-55 (вторичный, метилен, -CH 2 -), 20-60 (третичный, methyne, С-Н) и четвертичные. Углерод-13 резонанс четвертичных атомов углерода характерно слабое, из - за отсутствия ядерного эффекта Оверхаузера и длительного времени релаксации , и могут быть пропущены в слабых образцах или образцах, которые не были работать в течение достаточно длительного времени.

Масс-спектрометрии

Алканы имеют высокую энергию ионизации , и молекулярный ион, как правило , слаб. Картина фрагментации может быть трудно интерпретировать, но, в случае разветвленных цепных алканы, углеродная цепь предпочтительно расщепляется в третичных или четвертичных атомов углерода из - за относительной стабильности образующихся свободных радикалов . Фрагмент в результате потери одной метильной группы ( М  - 15) часто отсутствует, и другие фрагменты часто отделены друг от друга интервалом в четырнадцать единиц массы, что соответствует последовательной потере СН 2 групп.

Химические свойства

Алканы лишь слабо реагируют с ионными и другими полярными веществами. Кислоты константа диссоциации (рК ) значения всех алканов выше 60, поэтому они практически инертны по отношению к кислотам и щелочам (см: углеродные кислоты ). Это инертность является источником термина парафины (со значением здесь «не хватает сродства»). В сырой нефти алкана молекулы оставался химически неизменным в течение миллионов лет.

Однако окислительно - восстановительные реакции алканов, в частности , с кислородом и галогенами, возможно , как атомы углерода находятся в сильно пониженном состоянии; в случае метана, минимально возможной степени окисления для углерода (-4) достигается. Реакция с кислородом ( если присутствует в количестве , достаточном для удовлетворения реакции стехиометрии ) приводит к горению без какого - либо дыма, производя углекислый газ и воду. Свободные радикалы галогенирование реакция протекает с галогенами, что приводит к получению галогеналканов . Кроме того, алканы , как было показано , чтобы взаимодействовать с, и связываются с, некоторые комплексы переходных металлов в активации С-Н связи .

Свободные радикалы , молекулы с неспаренными электронами, играют большую роль в большинстве реакций алканов, таких как растрескивание и преобразование , где длинноцепочечные алканы превращаются в более короткой цепью алканов и неразветвленных алканов в разветвленной цепью изомеров.

В сильно разветвленных алканах, угол связи может существенно отличаться от оптимального значения (109,5 °), для того , чтобы позволить различным группам достаточного пространства. Это вызывает напряжение в молекуле, известное как стерические затруднения , и может существенно повысить реакционную способность .

Реакции с кислородом (реакция горения)

Все алканы реагируют с кислородом в сгорания реакции, хотя они становятся все более и более трудно зажечь как число атомов углерода возрастает. Общее уравнение для полного сгорания является:

С п Н 2 п + 2 + ( 3 / 2 п  +  1 / 2 ) O 2 → ( п  + 1) , Н 2 О + п  СО 2
или С п Н 2 п + 2 + ( 3 п + 1 / 2 ) O 2 → ( п  + 1) , Н 2 О + п  СО 2

В отсутствии достаточного количества кислорода, окись углерода или даже сажи может быть сформирована, как показано ниже:

С п Н 2 п + 2 + ( п  +  1 / 2O 2 → ( п  + 1) , Н 2 О + п  СО
С п Н 2 п + 2 + ( 1 / 2 п  +  1 / 2O 2 → ( п  + 1) , Н 2 О + п  С

Так , например, метан :

2 СН 4 + 3 O 2 → 2 СО + 4 H 2 O
СН 4 + 3 / 2  O 2 → СО + 2 Н 2 О

См алканов тепла таблицы формирования подробных данных. Стандартное изменение энтальпии сгорания , Δ с Н , для алканов увеличивается примерно на 650 кДж / моль на СН 2 группу. Разветвленные цепи алканов имеют более низкие значения Д гр Н чем с прямой цепью алканов с одинаковым числом атомов углерода, и поэтому можно видеть несколько более стабильной.

Реакции с галогенами

Алканы реагируют с галогенами в так называемой свободной радикальной галогенировании реакции. Атомы водорода алкана постепенно замещены атомами галогена. Свободные радикалы являются активными формами , которые участвуют в реакции, которая обычно приводит к смеси продуктов. Реакция является сильно экзотермической , и может привести к взрыву.

Эти реакции являются важным промышленным путем к галогенированным углеводородам. Есть три шага:

  • Инициирование галогена радикалы образуют с помощью гомолиза . Как правило, энергия в виде тепла или света требуется.
  • Цепная реакция или распространения , то имеет место-галогеновой радикальным абстрагирует водорода от алкана с получением алкильный радикал. Это реагирует дальше.
  • Обрыв цепи , где радикалы рекомбинируют.

Эксперименты показали, что все галогенирование производит смесь всех возможных изомеров, указывая, что все атомы водорода являются чувствительными к реакции. Смесь, полученная, однако, не является статистической смесь: Вторичные и третичные атомы водорода заменены преимущественно из-за большую устойчивость вторичных и третичных свободных радикалов. Пример можно увидеть в monobromination пропана:

Monobromination пропана

растрескивание

Крекинг перерывы более крупные молекулы на более мелкие. Это может быть сделано с помощью термического или каталитического способа. Процесс термического крекинга следует гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов . Процесс каталитического крекинга включает присутствие кислотных катализаторов (обычно твердые кислоты , такие как диоксид кремния-оксид алюминий и цеолиты ), которые содействуют гетеролитическое (асимметричное) разрушению связей , дающих пары ионов противоположных зарядов, обычно карбокатиона и очень неустойчивого гидрид - анион , Углерод-локализовано свободные радикалы и катионы являются крайне нестабильными и подвергаются процессам цепи перегруппировки, С-С расщеплением в положении беты (т.е. растрескивание) и внутри- и межмолекулярного перенос водорода или гидрид передачи. В обоих типов процессов, соответствующие реакционноспособные промежуточные продукты (радикалы, ионы) постоянно регенерируется, и , таким образом , они протекают с помощью самораспространяющегося цепного механизма. Цепь реакций, в конечном счете прекращается путем радикальной или ионной рекомбинации.

Изомеризация и реформация

Драган и его коллеги были первыми , чтобы сообщить о изомеризации алканов. Изомеризация и преобразование представляет собой процессы , в которых с прямой цепью алканы нагревают в присутствии платинового катализатора. В изомеризации, алканы стали с разветвленной цепью изомеров. Другими словами, он не теряет каких - либо углеродных атомов , или атомы водорода, сохраняя тот же молекулярный вес. В реформировании, алканы стали циклоалканы или ароматическими углеводородами , испуская водород в качестве побочного продукта. Оба эти процессы повышают октановое число вещества. Бутан является наиболее распространенным алкан , который помещают под процесс изомеризации, как это делает много разветвленных алканов с числами с высоким октановым числом.

Другие реакции

Алканы будут вступать в реакцию с паром в присутствии никелевого катализатора , с получением водорода . Алканы могут быть хлорсульфонируют и нитрованные , хотя обе реакции требуют особых условий. Ферментации алканов до карбоновых кислот имеют определенное техническое значение. В реакции Рид , диоксид серы , хлор и свет преобразуют углеводороды в сульфонилхлориды . Нуклеофильная абстракция может быть использована для разделения алкана из металла. Алкильные группы могут быть переданы от одного соединения к другому с помощью transmetalation реакций.

Вхождение

Появление алканов во Вселенной

Метан и этан составляют незначительную часть Юпитера атмосферы «s
Добыча нефти, которая содержит множество различных углеводородов , в том числе алканов

Алканы образуют небольшую часть атмосфер наружных газовых планет , таких как Юпитер (0,1% метана, 2  частей на миллион этана), Сатурн (0,2% метана, 5 частей на миллион этана), Уран (1,99% метана, 2,5 частей на миллион этан) и Нептуна ( 1,5% метана, 1,5 м.д. этана). Титан (1,6% метан), спутник Сатурна, был рассмотрен Гюйгенс зонд , который показал , что атмосфера Титана периодически идет дождь жидкого метана на поверхность Луны. Кроме того, на Титане миссии Кассини изображаются сезонный метан / этан озеры вблизи полярных областей Титана. Метан и этан были также обнаружены в хвосте кометы Хиякутака . Химический анализ показал , что распространенность этана и метана были примерно равны, что , как полагают, означает , что его льды образуются в межзвездном пространстве, вдали от Солнца, которое бы испаренной эти летучие молекулы. Алканы также были обнаружены в метеоритах , таких как углистых хондритов .

Появление алканов на Земле

Следы метана (около 0,0002% или +1745 частей на миллиард) происходят в атмосфере Земли, производится в первую очередь метаногенных микроорганизмов, таких как Archaea в кишечнике жвачных животных.

Наиболее важные коммерческие источники алканов являются природным газом и нефтью . Природный газ содержит главным образом метан и этан, с некоторым пропаном и бутаном : масло представляет собой смесь жидких алканов и других углеводородов . Эти углеводороды были сформированы , когда морские животные и растения (зоопланктон и фитопланктон) умер и опускались на дно древних морей и были покрыты отложениями в бескислородной среде и преобразуется в течение многих миллионов лет , при высоких температурах и высоком давлении в их нынешнем виде. Природный газ , таким образом , в результате, например , из следующей реакции:

С 6 Н 12 О 6 → 3 СН 4 + 3 СО 2

Эти месторождения углеводородов, собранные в пористых породах запертых под непроницаемой крышкой пород, включают в себя коммерческие нефтяные месторождения . Они сформировали в течение миллионов лет , и когда исчерпаны не могут быть легко заменены. Истощение этих запасов углеводородов является основой для того, что известно как энергетического кризиса .

Метан также присутствует в том, что называется биогаз , издаваемые животными и гниющей материи, которая является возможным источником возобновляемой энергии .

Алканы имеют низкую растворимость в воде, поэтому содержание в океане незначительно; Однако, при высоких давлениях и низких температурах (например, на дне океана), метан может совместно кристаллизуется с водой с образованием твердого клатрата метана (гидрат метана). Несмотря на то, что это не может быть коммерческой эксплуатации в настоящее время, количество горючей энергии известного полого гидрата метана превышает содержание энергии всех нефтяные и газовые месторождения природных, вместе взятыми. Метан извлекается из клатрата метана, следовательно, кандидат на будущих топливо.

Биологическое появление

Ациклические алканы встречаются в природе в различных направлениях.

Бактерии и археи
Метаногенные археи в кишечнике этой коровы ответственны за некоторые из метана в атмосфере Земли.

Некоторые виды бактерий могут метаболизировать алкан: они предпочитают четные углеродные цепи, поскольку они легче деградировать, чем нечетные цепи.

С другой стороны, некоторые археи , то метаногены , образуется большое количество метана при метаболизме двуокиси углерода или других окисленных органических соединений. Энергия выделяется при окислении водорода :

СО 2 + 4 Н 2 → СН 4 + 2 Н 2 О

Метаногены также производители болотного газа в водно - болотных угодьях , а также выпустить около двух миллиардов тонн метана в год-содержание в атмосфере этого газа производятся почти исключительно ими. Выход метана из крупного рогатого скота и других травоядных , который может выпустить от 30 до 50 галлонов в день, а также от термитов , также из - за метаногенами. Они также производят этот простейший из всех алканов в кишечнике человека. Метаногенных археи являются, следовательно, в конце цикла углерода , с углеродом выпускаются обратно в атмосферу после того , как был зафиксирован фотосинтезом . Вполне вероятно , что наши нынешние запасы природного газа были сформированы аналогичным образом.

Грибы и растения

Алканы также играют определенную роль, если второстепенную роль в биологии трех эукариотических групп организмов: грибов , растений и животных. Некоторые специализированные дрожжи, например, Candida Tropicale , Pichia зр., Rhodotorula зр., Можно использовать алканы в качестве источника углерода и энергии. Гриб Amorphotheca resinae предпочитает более цепные алканы в авиационном топливе , и может вызвать серьезные проблемы для самолетов в тропических регионах.

У растений, твердые длинноцепочечные алканы встречаются в кутикулу растения и epicuticular воск многих видов, но лишь в редких случаях основные составляющие. Они защищают растение от потери воды, предотвратить вымывание важных минералов дождя и защиты от бактерий, грибков и вредных насекомых. Углеродные цепи в растительных алканов, как правило , с нечетным номером, между 27 и 33 атомов углерода в длину и сделаны растений путем декарбоксилирования из четных жирных кислот . Точный состав слоя воска не только зависит от вида , но также изменения в зависимости от сезона и таких факторов окружающей среды , как условия освещения, температура или влажность.

Более летучие короткоцепочечные алканы также производятся и находятся в тканях растений. Джеффри сосны известен производить исключительно высокие уровни п - гептан в его смоле, и по этой причине его дистиллят был определен в качестве нулевой точки на одну октановое число . Цветочные ароматы также давно известны, содержит летучие компоненты алканов и н - нонана является важным компонентом в запахе некоторых роз . Выбросы газообразных и летучих алканы , такие как этан , пентан и гексан растения также были зарегистрированы на низком уровне, хотя они обычно не считается одним из основных компонентов загрязнения воздуха биогенного.

Съедобные растительные масла, как правило, также содержат небольшие фракции биогенных алканов с широким спектром числом атомов углерода, главным образом, от 8 до 35, как правило, достигая максимума на низких и верхних 20-х годов, с концентрацией до десятков миллиграммов на килограмм (частей на миллион по весу) и иногда более ста на общую алканов фракции.

животные

Алканы обнаружены в продуктах животного происхождения , хотя они менее важны , чем ненасыщенные углеводороды. Одним из примеров является масло печени акулы, что примерно 14% пристан (2,6,10,14-tetramethylpentadecane, С 19 Н 40 ). Они имеют важное значение , как феромоны , химические мессенджеров материалов, на которых насекомые зависят для связи. У некоторых видов, например, жук поддержки Xylotrechus Колоне , pentacosane25 Н 52 ), 3-methylpentaicosane (С 26 Н 54 ) и 9-methylpentaicosane (С 26 Н 54 ) передаются путем контакта тела. С другими , как мухи цеце Glossina тогзИапз тогзИапз , феромон содержит четыре алканов 2-methylheptadecane (С 18 Н 38 ), 17,21-dimethylheptatriacontane (С 39 Н 80 ), 15,19-dimethylheptatriacontane (С 39 Н 80 ) и 15,19,23-trimethylheptatriacontane (С 40 Н 82 ), и действует по запаху на большие расстояния. Покачивать-танцующие пчелы производят и выпускают два алканы, трикосана и pentacosane.

Экологические отношения

Ранний паук орхидеи ( Ophrys sphegodes )

Один из примеров, в которых оба растительных и животных алканы играют роль, экологическая взаимосвязь между песчаной пчелой ( Andrena nigroaenea ) и ранним пауком орхидеей ( Ophrys sphegodes ); последняя зависит для опыления на первом. Песок пчелы используют феромоны, чтобы идентифицировать партнера; в случае А. nigroaenea , самки выделяют смесь трикосана23 Н 48 ), pentacosane25 Н 52 ) и heptacosane27 Н 56 ) в соотношении 3: 3: 1, а самцы привлекают Конкретный этот запах. Орхидеи имеют преимущество этого механизма спаривания , чтобы получить мужской пчел собирать и распространять пыльцу; части его цветка не только напоминают появление песка пчел , но и производить большое количество трех алканов в том же соотношении , как женщин песка пчел. В результате, многие мужчины заманили в цветении и пытаются спариваться с их воображаемым партнером: хотя эта попытка не увенчалась успехом для пчел, что позволяет орхидею перенести пыльцу, которая будет диспергированной после ухода из разочарование мужчина в различные цветы.

производство

нефтепереработка

Как указывалось ранее, наиболее важным источником алканов является природный газ и сырую нефть . Алканы разделены в нефтеперерабатывающей нефти путем фракционной перегонки и перерабатывают в различные продукты.

Фишера-Тропша

Процесс Фишера-Тропша представляет собой способ для синтеза жидких углеводородов, в том числе алканы, из окиси углерода и водорода. Этот метод используется для производства заменителей нефтяных дистиллятов .

подготовка Laboratory

Существует, как правило мало нужно для алканов быть синтезированы в лаборатории, так как они, как правило , имеются в продаже. Кроме того , алканы , как правило , инертны химически или биологически, и не претерпевают функциональные группы взаимопревращения чисто. Когда алканы производятся в лаборатории, он часто является побочным продуктом реакции. Так , например, использование н - бутиллити в качестве сильного основания дает сопряженную кислоту, п бутан в качестве побочного продукта:

С 4 Н 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Однако иногда может быть желательным , чтобы сделать разрез в молекуле алкана-подобные функциональные возможности ( алкильной группой) , с использованием указанных выше , или аналогичные методы. Например, этильная группа представляет собой алкильную группу; когда это присоединено к гидроксильной группе, это дает этанол , который не является алкан. Чтобы сделать это, наиболее известные методы гидрогенизации из алкенов :

RCH = СН 2 + Н 2 → RCH 2 СН 3      (R = алкил )

Алканы или алкильные группы могут быть также получены непосредственно из алкилгалогенидов в реакции Кори-Хаус-Познер-Уайтсайдс . Дезоксигенирование Бартон-McCombie удаляет гидроксильные группы , например , из спиртов

Схема дезоксигенирование Barton-McCombie

и уменьшение Клемменсно удаляет карбонильные группы из альдегидов и кетонов с образованием алканов или алкилзамещенными соединений например:

Снижение Клемменсно

Приложения

Применения алканов зависят от числа атомов углерода. Первые четыре алканов используются в основном для обогрева и приготовления пищи, а также в некоторых странах для выработки электроэнергии. Метан и этан являются основными компонентами природного газа; они обычно хранятся в виде газов под давлением. Это, однако, легче транспортировать их в качестве жидкостей: Это требует как сжатия и охлаждения газа.

Пропан и бутан являются газами при атмосферном давлении , которое может быть сжиженным при достаточно низких давлениях и обычно известный как сжиженный нефтяной газ (LPG). Пропан используется в горелках пропана и в качестве топлива для дорожных транспортных средств, бутана в обогревателей и одноразовых зажигалок. Они используются в качестве пропеллентов в аэрозольных спреев .

Из пентана до октана алканов являются очень летучими жидкостями. Они используются в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания , так как они легко испаряются при входе в камеру сгорания без образования капель, которые бы ухудшить однородность горения. Разветвленные цепи алканов , являются предпочтительными , поскольку они гораздо менее склонны к преждевременному зажигания, что приводит к детонации , чем их прямой цепью гомологов. Эта склонность к преждевременному зажигания измеряется октановым числом топлива, где 2,2,4-триметилпентан ( изооктан ) имеет произвольное значение 100, а гептан имеет значение , равное нулю. Помимо их использования в качестве топлива, средние алканы также являются хорошими растворителями для неполярных веществ.

Алканов из нонана , чтобы, например, гексадекан (алкан , с шестнадцатью атомами углерода) , представляют собой жидкости , более высокой вязкости , все меньше и меньше подходит для использования в бензине. Они образуют вместо большей части дизельного топлива и авиационного топлива . Дизельные топлива характеризуются цетановым числом , цетановым будучи старым именем для гексадекана. Однако, более высокие температуры плавления этих алканов может вызвать проблемы при низких температурах и в полярных регионах, где топливо становится слишком толстым , чтобы правильно течь.

Алканы из гексадекан вверх образуют наиболее важные компоненты мазута и смазочное масло . В последней функции, они работают в то же время , как антикоррозионные агенты, так как их гидрофобность означает , что вода не может достичь металлической поверхности. Многие твердые алканы находят применение в качестве парафина , например, в свечах . Это не следует путать однако с истинным воском , который состоит в основном из эфиров .

Алканы с длиной цепи от примерно 35 или более атомов углерода находятся в битуме , используемый, например, в дорожных покрытиях. Однако высшие алканы имеют небольшую ценность и, как правило , разделены на низших алканов путем крекинга .

Некоторые синтетические полимеры , такие как полиэтилен и полипропилен являются алканы с цепи , содержащие сотни тысяч атомов углерода. Эти материалы используются в многочисленных приложениях, и миллиарды килограммов этих материалов производятся и используются каждый год.

Экологические преобразования

Алканы химически очень инертные неполярные молекулы, которые не являются очень реактивными в качестве органических соединений. Это инертность дает серьезные экологические проблемы, если они выбрасываются в окружающую среду. Из-за отсутствием функциональных групп и низкой растворимости в воде, алканы демонстрируют плохую биологическую доступность для микроорганизмов.

Есть, однако, некоторые микроорганизмы , обладающие метаболическую способность использовать п алкан в качестве как источников углерода и энергии. Некоторые виды бактерий являются узкоспециализированными в разлагать алканы; они называются hydrocarbonoclastic бактерий.

опасности

Метан является легковоспламеняющимся, взрывчатым и опасно вдыхать, потому что он представляет собой бесцветный газ без запаха, особая осторожность должна быть принята вокруг метана. Этан также чрезвычайно горюч, опасно вдыхать и взрывоопасен. Оба они могут вызвать удушье. Точно так же, пропан огне- и взрывоопасны. Это может вызвать сонливость и потеря сознания при вдыхании. Бутан имеет ту же опасность, чтобы рассмотреть, как пропан.

Алканы также представляют угрозу для окружающей среды. Разветвленные алканы имеют более низкую способность к биологическому разложению, чем неразветвленные алканы. Однако, метан оценивается как наиболее опасный парниковый газ. Хотя количество метана в атмосфере является низким, это действительно представляет угрозу для окружающей среды.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение