alkan - Alkane

En basit alkan olan metanın kimyasal yapısı

Olarak organik kimya , bir alkan ya da parafin (tarihsel klasik adı da yer alır , diğer anlamları ), bir bir asiklik doymuş hidrokarbon . Diğer bir deyişle, bir alkan oluşur hidrojen ve karbon bir düzenlenmiş atomu ağaç tüm ettiği yapı karbon-karbon bağları olan tek . Alkanların genel kimyasal formülü C _n H _{2 n + 2'dir} . Alkanlar en basit durumda karmaşıklığı arasında değişen metan (CH ₄ ), n için büyük ve karmaşık benzeri moleküller, = 1 (bazen ana molekül olarak adlandırılır) pentacontane (Cı- ₅₀ , H ₁₀₂ ) ya da 6-etil-2- metil-5- (1-metiletil) oktan, bir izomer ve tetradekan (Cı- ₁₄ , H ₃₀ ).

Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tanımlar alkanlar "terimleri, dallı veya aşağıdaki genel formüle sahip dalsız hidrokarbonlar olarak C _{, N} , H _{2 , n + 2} , ve bu nedenle, hidrojen atomu ve doymuş karbon atomu tamamen oluşan". Bununla birlikte, bazı kaynaklar göstermek için terimi kullanmak herhangi bir ya da monosiklik (yani olanlar da dahil olmak üzere, doymuş bir hidrokarbon, sikloalkanlar kendi ayrı bir genel formüle sahip olmasına rağmen) ya da polisiklik (yani sikloalkanlar C'dir _{, n} , H _{2 , n} ).

Bir alkan, her bir karbon atomu, sp ³ -hybridized 4 Sigma bağları (Cı-C ya da ya da C-H ), ve her biri hidrojen atomu, (C-H-bağı olarak) karbon atomu bir birleştirilmektedir. Bir moleküldeki en uzun bağlı karbon atomu serisi, onun karbon iskeleti veya karbon omurgası olarak bilinir . Karbon atomlarının sayısı alkanın boyutu olarak kabul edilebilir.

Bir grup daha yüksek alkanların olan mumlar , katı madde normal ortam sıcaklık ve basınç , karbon omurgasmdaki karbon atomlarının sayısı tekrarlanan -CH ile 17. den daha büyük olan (SATP), ₂ birim, alkanlar bir teşkil homolog Üyelerinin moleküler kütle bakımından 14.03 u'nun katları kadar farklılık gösterdiği organik bileşikler dizisi ( 12.01 u kütleli tek bir karbon atomu ve her biri ~1.01 u kütleli iki hidrojen atomu içeren bu tür metilen-köprü birimlerinin her birinin toplam kütlesi ) .

Metan, metanojenik bakteriler tarafından üretilir ve bazı uzun zincirli alkanlar, belirli hayvan türlerinde feromon veya bitkilerde ve mantarlarda koruyucu mumlar olarak işlev görür. Bununla birlikte, çoğu alkan çok fazla biyolojik aktiviteye sahip değildir . Biyolojik moleküllerin daha aktif/reaktif fonksiyonel gruplarının üzerine asılabileceği moleküler ağaçlar olarak görülebilirler .

Alkanların iki ana ticari kaynağı vardır: petrol (ham petrol) ve doğal gaz .

Bir alkil grubu, bağlanma için bir açık değerlik taşıyan alkan bazlı bir moleküler parçadır. Alk bazen bir alkil grubunu (bir alkenil grubu veya aril grubunun aksine) özel olarak sembolize etmek için kullanılsa da, genellikle herhangi bir organil grubu R sembolü ile kısaltılırlar.

Yapı ve sınıflandırma

Normalde CC tekli bağ mesafesi 1.53 A'dır. Doymuş hidrokarbonlar lineer, dallanmış veya siklik olabilir . Üçüncü gruba bazen sikloalkanlar denir . Lineer, dallı, siklik alkanların birleştirilmesiyle çok karmaşık yapılar mümkündür.

izomerizm

Cı- ₄ : alkanlar ve sikloalkanlar (soldan sağa doğru) n- butan ve izobutan iki C olan ₄ H ₁₀ izomerleri; siklobütan ve metilsiklopropan iki C olan ₄ H ₈ alkan izomerlerin.
Bisiklo [1.1.0] butan sadece Cı ₄ H ₆ alkan ve bir alkan izomeri yer alır; tetrahedrane (aşağıda) sadece C ₄ H ₄ alkan ve böylece sahip bir alkan izomer.

tetrahedran

Üçten fazla karbon atomuna sahip alkanlar , yapısal izomerler oluşturarak çeşitli şekillerde düzenlenebilir . Bir alkanın en basit izomeri, karbon atomlarının dalsız tek bir zincir halinde düzenlendiği izomerdir. Bu izomere bazen n- izomeri denir ( "normal" için n , ancak en yaygın olanı olmasa da). Bununla birlikte, karbon atomları zinciri ayrıca bir veya daha fazla noktada dallanmış olabilir. Olası izomerlerin sayısı, karbon atomlarının sayısı ile hızla artar. Örneğin, asiklik alkanlar için:

C ₁ : sadece metan
C ₂ : sadece etan
C ₃ : sadece propan
C ₄ : 2 izomer: bütan ve izobütan
C ₅ : 3 izomer: pentan , izopentan ve neopentan
Cı ₆ : 5 izomerleri: heksan , 2-metilpentan , 3-metilpentan , 2,2-dimetilbütan ve 2,3-dimetilbütan
Cı- ₇ : 9 izomerleri: heptan , metılhekzan (2 izomer), dimetilpentan (4 izomer), 3-ethylpentane , 2,2,3-trimethylbutane
Cı- ₈ : 18 izomerler: oktan , 2-methylheptane , 3-methylheptane , 2,3-dimetilheksan , 3,4-dimetilheksan , 2,3,4-trimetilpentan , 3,3-dimetilheksan , 2,2-trimetilpentan , 2, 4-dimetilheksan , 2,2,4-trimetilpentan , 2,3,3-Trimetilpentan , 3,3,4-trimetil-pentan , 3,4,4-trimetilpentan , 2,4,4-trimetilpentan , (5 izomer)
C ₉ : 35 izomer
C ₁₀ : 75 izomer
C ₁₂ : 355 izomer
Cı- ₃₂ : 27711253769 izomerleri
C ₆₀ : çoğu stabil olmayan 22,158,734,535,770,411,074,184 izomer.

Dallanmış alkanlar kiral olabilir . Örneğin, 3-metilheksan ve onun yüksek homologları , 3 numaralı karbon atomundaki stereojenik merkezleri nedeniyle kiraldir . Yukarıdaki liste, stereokimyayı değil, yalnızca bağlantı farklılıklarını içerir. Alkan izomerlerine ek olarak, karbon atomları zinciri bir veya daha fazla halka oluşturabilir. Bu tür bileşiklere sikloalkanlar denir ve halka sayısının değiştirilmesi moleküler formülü değiştirdiği için yukarıdaki listenin dışında tutulur . Örneğin, siklobütan ve metilsiklopropan (Cı birbirinden izomerleridir ₄ H ₈ ), ancak bütan (C izomerler değildir ₄ H ₁₀ ).

isimlendirme

IUPAC isimlendirme alkanlar (adlandırma bileşikler sistematik şekilde) hidrokarbon zincirleri belirlenmesi üzerine dayanmaktadır. Dallanmamış, doymuş hidrokarbon zincirleri, karbon sayısını gösteren bir Yunan sayısal öneki ve "-an" son ekiyle sistematik olarak adlandırılır.

1866'da August Wilhelm von Hofmann , -ane, -ene, -ine (veya -yne), -one, -une, için -ane, -ene, -ine (veya -yne), -one, -une, soneklerini oluşturmak için a, e, i, o ve u ünlülerinin tüm dizisini kullanarak isimlendirmeyi sistemleştirmeyi önerdi. hidrokarbonlar Cı _n , H _{2 , n + 2} , Cı- _n- H _{2 , n} , Cı- _n- H _{2 n -2} , Cı- _n- H _{2 , n -4} , Cı- _n- H _{2 n -6} . Modern terminolojide, ilk üç özellikle tek, çift ve üçlü bağları olan hidrokarbonları adlandırır; "-one" artık bir ketonu temsil ediyor .

Doğrusal alkanlar

Düz zincirli alkanlar bazen lineer olmayan bir izomerin bulunduğu durumlarda "n-" veya " n -" ("normal" için) öneki ile gösterilir . Bu kesinlikle gerekli olmamasına ve IUPAC adlandırma sisteminin bir parçası olmamasına rağmen, düz zincirli ve dallı zincirli izomerleri vurgulamak veya ayırt etmek istendiğinde, örneğin " n- bütan " yerine , kullanım hala yaygındır. izobütandan ayırt etmek için basitçe "bütan" . Petrol endüstrisinde kullanılan bu grup için alternatif isimler lineer parafinler veya n- parafinlerdir .

Serinin ilk altı üyesi (karbon atomu sayısı bakımından) aşağıdaki gibi adlandırılır:

metan: CH ₄ – bir karbon ve 4 hidrojen
etan: Cı ₂ H ₆ - iki karbon ve R6 hidrojen
propan: Cı- ₃ , H ₈ - üç karbon ve R8 hidrojendir
bütan: C ₄ H ₁₀ – dört karbon ve 10 hidrojen
pentan: C ₅ H ₁₂ – beş karbon ve 12 hidrojen
heksan: C ₆ H ₁₄ – altı karbon ve 14 hidrojen

İlk dört isim edildi türetilmiş gelen metanol , eter , propiyonik asit ve bütirik asit . Beş veya daha fazla karbon atomuna sahip alkanlar ilave adlandırılır eki -ane uygun için sayısal çarpan önek ile elision herhangi bir terminal sesli harf (arasında -a veya -o temel sayısal teriminden). Bu nedenle, pentan , Cı- ₅ , H ₁₂ ; heksan , Cı ₆ H ₁₄ ; heptan , Cı- ₇ , H ₁₆ ; oktan , Cı- ₈ , H ₁₈ ; vb. Rakam öneki genellikle Yunancadır, ancak karbon atomu sayısı dokuzla biten alkanlar, örneğin nonan , Latince non- ön ekini kullanır . Daha eksiksiz bir liste için düz zincirli alkanların listesine bakın .

dallanmış alkanlar

Topu ve sopa modeli arasında izopentan (bilinen isim) ya da 2-metilbütan (IUPAC sistematik ad)

Basit dallı alkanlar genellikle onları lineer alkanlardan ayırmak için bir önek kullanan ortak bir ada sahiptir, örneğin n -pentan , izopentan ve neopentan .

IUPAC adlandırma kuralları, sistematik bir ad üretmek için kullanılabilir.

Daha karmaşık dallı alkanların isimlendirilmesindeki temel adımlar aşağıdaki gibidir:

En uzun sürekli karbon atomu zincirini tanımlayın
Standart adlandırma kurallarını kullanarak bu en uzun kök zinciri adlandırın
Alkanın adının son ekini "-ane"den "-yl"e değiştirerek her bir yan zinciri adlandırın.
Yan zincirler için mümkün olan en düşük sayıları vermek üzere en uzun sürekli zinciri numaralandırın
Kök zincirin adından önce yan zincirleri numaralandırın ve adlandırın
Aynı türden birden fazla yan zincir varsa, bunu belirtmek için "di-" ve "tri-" gibi önekler kullanın ve her birini numaralandırın.
Kök zincir adının önüne alfabetik olarak ("di-" vb. önekleri dikkate alınmadan) yan zincir adlarını ekleyin

C ₅ H _12'nin üç izomeri için isimlendirmelerin karşılaştırılması
Yaygın isim	n -pentan	izopentan	neopentan
IUPAC adı	pentan	2-metilbütan	2,2-dimetilpropan
Yapı

Doymuş siklik hidrokarbonlar

Teknik olarak alkanlardan farklı olmasına rağmen, bu hidrokarbon sınıfına bazıları tarafından "siklik alkanlar" denir. Açıklamalarından da anlaşılacağı gibi, bir veya daha fazla halka içerirler.

Basit sikloalkanlar, onları alkanlardan ayırt etmek için "siklo-" ön ekine sahiptir. Sikloalkanlar omurgalarında karbon atomu sayısı, örneğin, ile ilgili olarak bunların asiklik meslektaşları göre adlandırılır siklopentan (Cı- ₅ , H ₁₀ ) gibi 5 karbon atomu içeren bir aromatik heterosiklik bir pentan (Cı- ₅ , H ₁₂ ), ancak bunlar birleştirilir beş üyeli bir halkada. Benzer şekilde propan ve siklopropan , bütan ve siklobütan vb.

İkame edilmiş sikloalkanlar, ikame edilmiş alkanlara benzer şekilde adlandırılır - sikloalkan halkası belirtilir ve ikameler, Cahn-Ingold-Prelog öncelik kuralları tarafından kararlaştırılan numaralandırma ile halka üzerindeki konumlarına göredir .

Önemsiz/ortak isimler

Alkanların önemsiz ( sistematik olmayan ) adı 'parafinler'dir. Alkanlar birlikte 'parafin serisi' olarak bilinir. Bileşikler için önemsiz isimler genellikle tarihi eserlerdir. Sistematik isimlerin geliştirilmesinden önce icat edildiler ve endüstride tanıdık kullanım nedeniyle korundular. Sikloalkanlara naftenler de denir.

Dallanmış zincirli alkanlara izoparafinler denir . "Parafin" genel bir terimdir ve genellikle saf bileşikler ile izomer karışımları , yani aynı kimyasal formüle sahip bileşikler , örneğin pentan ve izopentan arasında ayrım yapmaz .

IUPAC'ta

Aşağıdaki önemsiz adlar IUPAC sisteminde tutulur:

2-metilpropan için izobütan
2-metilbütan için izopentan
2,2-dimetilpropan için neopentan .

IUPAC dışı

IUPAC olmayan bazı önemsiz adlar bazen kullanılır:

setan, heksadekan için
seran, heksakosan için

Fiziki ozellikleri

Tüm alkanlar renksizdir. Molekül ağırlığı en düşük olan alkanlar gazlar, ara molekül ağırlığına sahip olanlar sıvı ve en ağırları mumsu katılardır.

alkan tablosu

alkan	formül	Kaynama noktası [°C]	Erime noktası [°C]	Yoğunluk [kg/m ³ ] (20 °C'de )	izomerler
Metan	CH ₄	-162	-182	0.656 (gaz)	1
Etan	Cı ₂ H ₆	-89	-183	1.26 (gaz)	1
Propan	Cı- ₃ 'H ₈	-42	-188	2.01 (gaz)	1
Bütan	Cı- ₄ , H ₁₀	0	-138	2.48 (gaz)	2
pentan	Cı- ₅ , H ₁₂	36	-130	626 (sıvı)	3
heksan	Cı ₆ H ₁₄	69	-95	659 (sıvı)	5
heptan	Cı- ₇ , H ₁₆	98	-91	684 (sıvı)	9
Oktan	Cı- ₈ , H ₁₈	126	-57	703 (sıvı)	18
nonan	Cı- ₉ H ₂₀	151	-54	718 (sıvı)	35
Decane	C ₁₀ H ₂₂	174	-30	730 (sıvı)	75
undekan	C ₁₁ H ₂₄	196	-26	740 (sıvı)	159
dodekan	Cı- ₁₂ , H ₂₆	216	-10	749 (sıvı)	355
tridekan	Cı- ₁₃ , H ₂₈	235	-5.4	756 (sıvı)	802
tetradekan	Cı- ₁₄ , H ₃₀	253	5.9	763 (sıvı)	1858
Pentadekan	C ₁₅ H ₃₂	270	10	769 (sıvı)
heksadekan	Cı- ₁₆ , H ₃₄	287	18	773 (sıvı)
heptadekan	C ₁₇ H ₃₆	303	22	777 (katı)
oktadekan	Cı- ₁₈ , H ₃₈	317	28	781 (katı)
nonadekan	Cı- ₁₉ , H ₄₀	330	32	785 (katı)
ikozan	Cı- ₂₀ , H ₄₂	343	37	789 (katı)
triakontan	Cı- ₃₀ , H ₆₂	450	66	810 (katı)
tetrakontan	C ₄₀ H ₈₂	525	82	817 (katı)
pentakontan	Cı- ₅₀ , H ₁₀₂	575	91	824 (katı)
heksakontan	Cı- ₆₀ , H ₁₂₂	625	100	829 (katı)
heptakontan	Cı- ₇₀ , H ₁₄₂	653	109	869 (katı)

Kaynama noktası

°C cinsinden ilk 16 n -alkanın erime (mavi) ve kaynama (turuncu) noktaları .

Alkanlar moleküller arası van der Waals kuvvetleri yaşarlar . Daha güçlü moleküller arası van der Waals kuvvetleri, alkanların daha yüksek kaynama noktalarına yol açar.

Van der Waals kuvvetlerinin gücü için iki belirleyici vardır:

Alkanın moleküler ağırlığı ile artan molekülü çevreleyen elektron sayısı
molekülün yüzey alanı

Altında , standart koşullar , CH ₄ ° C'ye ₄ H ₁₀ alkanlar gaz halinde olan; C ₅ H ₁₂ ° C'ye ₁₇ , H ₃₆ da sıvılardır; ve C sonra ₁₈ H ₃₈ de katılardır. Alkanların kaynama noktası esas olarak ağırlık tarafından belirlendiğinden, kaynama noktasının molekülün boyutu ( molekül ağırlığı ) ile neredeyse doğrusal bir ilişkiye sahip olması şaşırtıcı olmamalıdır . Genel bir kural olarak, zincire eklenen her karbon için kaynama noktası 20–30 °C yükselir; bu kural diğer homolog seriler için geçerlidir.

Düz zincirli bir alkan, temas halindeki daha büyük yüzey alanı nedeniyle dallı zincirli bir alkandan daha yüksek bir kaynama noktasına sahip olacaktır, dolayısıyla bitişik moleküller arasında daha büyük van der Waals kuvvetleri olacaktır. Örneğin, sırasıyla -12 ve 0 °C'de kaynayan izobütan (2-metilpropan) ve n-bütan (bütan) ile 50 ve 58 °C'de kaynayan 2,2-dimetilbütan ve 2,3-dimetilbütanı karşılaştırın. .

Öte yandan, sikloalkanlar, moleküller arası temas düzlemi veren moleküllerin kilitli konformasyonları nedeniyle lineer muadillerinden daha yüksek kaynama noktalarına sahip olma eğilimindedir.

Erime noktaları

Erime noktaları alkanların benzer trendi takip kaynama noktaları yukarıda belirtildiği gibi aynı nedenle. Yani (diğer her şey eşit olduğunda) molekül ne kadar büyükse erime noktası o kadar yüksek olur. Kaynama noktaları ile erime noktaları arasında önemli bir fark vardır. Katılar, sıvılara göre daha katı ve sabit bir yapıya sahiptir. Bu katı yapının parçalanması için enerji gerekir. Bu nedenle, daha iyi bir araya getirilen katı yapılar, parçalanmak için daha fazla enerji gerektirecektir. Alkanlar için bu, yukarıdaki grafikten görülebilir (yani mavi çizgi). Tek sayılı alkanların erime noktalarında çift sayılı alkanlardan daha düşük bir eğilim vardır. Bunun nedeni, hatta numaralı alkanların katı fazda iyi bir şekilde paketlenmesi ve parçalanması için daha fazla enerji gerektiren iyi organize edilmiş bir yapı oluşturmasıdır. Tek sayılı alkanlar daha az iyi paketlenir ve bu nedenle "gevşek" organize katı paketleme yapısı parçalanmak için daha az enerji gerektirir. Kristal yapıların görselleştirilmesi için bkz.

Dallı zincirli alkanların erime noktaları, yine söz konusu alkanın katı fazda iyi bir şekilde paketlenme yeteneğine bağlı olarak, karşılık gelen düz zincirli alkanların erime noktalarından daha yüksek veya daha düşük olabilir.

İletkenlik ve çözünürlük

Alkanlar hiçbir şekilde elektriği iletmezler ve bir elektrik alanı tarafından büyük ölçüde polarize olmazlar . Bu nedenle hidrojen bağı oluşturmazlar ve su gibi polar çözücülerde çözünmezler. Tek tek su molekülleri arasındaki hidrojen bağları bir alkan molekülünden uzakta hizalandığından, bir alkan ve suyun bir arada bulunması moleküler düzende bir artışa ( entropide bir azalma ) yol açar . Su molekülleri ve alkan molekülleri arasında önemli bir bağ olmadığından , termodinamiğin ikinci yasası, entropideki bu azalmanın, alkan ve su arasındaki teması en aza indirerek en aza indirilmesi gerektiğini öne sürer: Alkanlar , suda çözünmedikleri için hidrofobik olarak adlandırılır.

Polar olmayan çözücülerdeki çözünürlükleri nispeten yüksektir, buna lipofiliklik adı verilir . Alkanlar, örneğin, kendi aralarında her oranda karışabilir.

Alkanların yoğunluğu genellikle karbon atomlarının sayısı ile artar, ancak suyunkinden daha az kalır. Bu nedenle, alkanlar, bir alkan-su karışımında üst tabakayı oluşturur.

Moleküler geometri

metan içinde sp ^3- hibridizasyon .

Alkanların moleküler yapısı, fiziksel ve kimyasal özelliklerini doğrudan etkiler. Dört değerlik elektronuna sahip olan karbonun elektron konfigürasyonundan türetilmiştir . Alkan karbon atomuna sp olarak tanımlanmaktadır ³ iyi bir ayarlamayla, yani melezler, valans elektronları yörünge 2s kombinasyonunun üç 2p türetilen bir tetrahedron köşelerine yöneliktir orbitalleri olan yörüngeler. Geometrik olarak, bağlar arasındaki açı cos ^-1'dir (-1/3) ≈ 109.47°. Bu, metan için kesindir, C–H ve C–C bağlarının bir kombinasyonunu içeren daha büyük alkanlar genellikle bu idealleştirilmiş değerin birkaç derecesi içinde olan bağlara sahiptir.

Bağ uzunlukları ve bağ açıları

Bir alkanın sadece C–H ve C–C tekli bağları vardır. Bir sp üst üste önceki sonuç ³ bir hidrojen yörünge 1s karbon yörüngesel; İki sp çakışması ile ikinci ³ bitişik karbon atomları üzerindeki orbitalleri. Bağ uzunlukları 1.09 x 10 tutar, ^-10 , bir C-H bağı için m ve 1.54 x 10 ^-10 C-C bağı için m.

Metanın tetrahedral yapısı.

Bağların uzamsal düzeni, dört sp ³ orbitalininkine benzer - bunlar, aralarında 109.47°'lik bir açıyla dörtyüzlü olarak düzenlenmiştir. Bağları birbirine dik açılarda temsil eden yapısal formüller, hem yaygın hem de kullanışlı olsa da, geometriyi doğru bir şekilde tasvir etmez.

konfor

Yapısal formül ve bağ açıları genellikle bir molekülün geometrisini tam olarak tanımlamak için yeterli değildir. Her karbon-karbon bağı için başka bir serbestlik derecesi vardır : bağın her iki ucundaki atomlara bağlı atomlar veya gruplar arasındaki burulma açısı . Molekülün burulma açılarıyla tanımlanan uzaysal düzenleme, onun konformasyonu olarak bilinir .

Etanın iki biçiminin Newman projeksiyonları: solda tutulmuş, sağda sendeleyerek.

İki etan rotamerinin top ve çubuk modelleri

Sadece bir C-C bağı olduğu için etan , alkanların konformasyonunu incelemek için en basit durumu oluşturur. Eğer C-C bağının eksenine aşağı bakarsa, Newman izdüşümünü görürüz . Hem ön hem de arka karbon atomlarındaki hidrojen atomları, tetrahedron tabanının düz bir düzlem üzerine izdüşümünden kaynaklanan, aralarında 120°'lik bir açıya sahiptir. Bununla birlikte, ön karbona bağlı belirli bir hidrojen atomu ile arka karbona bağlı belirli bir hidrojen atomu arasındaki burulma açısı, 0° ile 360° arasında serbestçe değişebilir. Bu, bir karbon-karbon tekli bağı etrafındaki serbest dönüşün bir sonucudur. Bu belirgin özgürlüğe rağmen, sadece iki sınırlayıcı konformasyon önemlidir: gölgede kalan konformasyon ve kademeli konformasyon .

İki konformasyon enerji bakımından farklılık gösterir: kademeli konformasyonun enerjisi, gölgelenen konformasyondan (en az stabil) 12.6 kJ/mol (3.0 kcal/mol) daha düşüktür (daha kararlı).

Burulma enerjisi olarak bilinen iki yapı arasındaki bu enerji farkı, bir etan molekülünün ortam sıcaklığındaki termal enerjisine kıyasla düşüktür. C–C bağı etrafında sürekli bir dönüş vardır. Bir etan molekül için geçen süre, bir kademeli yapıdan bir CH dönüşüne denk gelecek geçmek için ₃ 120 ° diğerine göre grup tarafından, 10 mertebesindedir ^-11 saniye.

Daha yüksek alkanların durumu daha karmaşıktır ancak benzer ilkelere dayanmaktadır, her bir karbon-karbon bağı çevresinde her zaman en çok tercih edilen antiperiplanar konformasyondur. Bu nedenle alkanlar genellikle diyagramlarda veya modellerde zikzak düzeninde gösterilir. Konformasyonlar arasındaki enerji farkları moleküllerin termal enerjisine kıyasla küçük olduğundan, gerçek yapı her zaman bu idealize edilmiş formlardan biraz farklı olacaktır: Modeller ne olursa olsun, alkan moleküllerinin sabit bir yapısal formu yoktur.

spektroskopik özellikler

Hemen hemen tüm organik bileşikler karbon-karbon ve karbon-hidrojen bağları içerir ve bu nedenle spektrumlarında alkanların bazı özelliklerini gösterir. Alkanlar, başka gruplara sahip olmadıkları ve dolayısıyla –OH , –CHO , –COOH vb. gibi bir fonksiyonel grubun diğer karakteristik spektroskopik özelliklerinin bulunmadığı için dikkate değerdir .

Kızılötesi spektroskopi

Modu germe karbon-hidrojen 2850 ve 2960 arasında güçlü bir emilim sağladığı cm ^-1 karbon-karbon 800 ile 1300 cm arasında modu emer germe sırasında, ^-1 . Modları bükme karbon-hidrojen grubunun doğasına bağlıdır: metil grupları 1450 cm '' 'de bantlar göstermektedir ^-1 ve 1375 cm ^-1 metilen grubunu 1465 cm' 'de bantlar gösterirken, ^-1 1450 cm ^-1 . Dörtten fazla karbon atomlu karbon zincirleri 725 cm- ¹ civarında zayıf bir absorpsiyon gösterir .

NMR spektroskopisi

Alkanların proton rezonansları genellikle δ _H = 0.5–1.5'te bulunur. Karbon-13 rezonansları, karbona bağlı hidrojen atomlarının sayısına bağlıdır: δ _C = 8–30 (birincil, metil, –CH ₃ ), 15–55 (ikincil, metilen, –CH ₂ –), 20–60 (üçüncül, metin, C–H) ve kuaterner. Kuaterner karbon atomlarının karbon-13 rezonansı, nükleer Overhauser etkisinin olmaması ve uzun gevşeme süresi nedeniyle karakteristik olarak zayıftır ve zayıf numunelerde veya yeterince uzun süre çalıştırılmamış numunelerde gözden kaçabilir .

Kütle spektrometrisi

Alkanların iyonlaşma enerjisi yüksektir ve moleküler iyon genellikle zayıftır. Parçalanma modelinin yorumlanması zor olabilir, ancak dallı zincirli alkanlar durumunda, karbon zinciri, elde edilen serbest radikallerin göreli stabilitesinden dolayı tercihen üçüncül veya dördüncül karbonlarda bölünür . Tek bir metil grubu (kaybından kaynaklanan fragmanı E - 15), çoğu zaman, mevcut değildir, ve diğer fragmanlar genellikle CH sıralı kaybına tekabül eden, on dört kütle birimi aralıkları ile aralanmıştır ₂ grup.

Kimyasal özellikler

Alkanlar, çoğu kimyasal bileşikle yalnızca zayıf reaktiftir. Asit ayrışma sabiti (s K _bir bütün alkanlar) değerleri bu nedenle pratik olarak bazlar (: görmek için etkisiz olan, son derece zayıf asitler, ekstrapolasyon yöntemine bağlı olarak, 50 ila 70 aralığında olduğu tahmin edilmektedir karbon asitleri ). Ayrıca son derece zayıf bazlardır, saf sülfürik asitte ( H ₀ ~ –12) gözlemlenebilir protonasyona uğramazlar , ancak en az milyonlarca kat daha güçlü olan süperasitlerin onları protonlayarak hiperkoordinat alkanyum iyonları verdiği bilinmektedir (bakınız: metanyum iyonu ) . Benzer şekilde, yalnızca en güçlü elektrofilik reaktiflerle (örneğin, dioksiranlar ve NF ₄⁺ katyonunu içeren tuzlar) reaktivite gösterirler . Güçlü C–H bağları (~100 kcal/mol) ve C–C bağları (~90 kcal/mol, ancak genellikle sterik olarak daha az erişilebilir) sayesinde, birçok elektron eksikliği olan radikallere rağmen serbest radikallere karşı nispeten reaktif değildirler. diğer elektronca zengin bağların yokluğunda alkanlarla reaksiyona girer (aşağıya bakınız). Bu durağanlık, parafin teriminin kaynağıdır (burada "afinite eksikliği" anlamındadır). Gelen ham petrol alkan molekülü yıl milyonlarca kimyasal değişmemiştir.

Serbest radikaller , eşleşmemiş elektronlara sahip moleküller, uzun zincirli alkanların daha kısa zincirli alkanlara ve düz zincirli alkanların dallı zincirli izomerlere dönüştürüldüğü çatlama ve reformasyon gibi çoğu alkan reaksiyonunda büyük rol oynar. Ayrıca, karbon atomları kuvvetli bir şekilde indirgenmiş durumda olduğu için, serbest radikal ara maddeleri içeren alkanların, özellikle oksijen ve halojenlerle redoks reaksiyonları mümkündür; metan durumunda, karbon mümkün olan en düşük oksidasyon durumundadır (-4). Oksijenle reaksiyon ( eğer reaksiyon stokiyometrisini karşılayacak yeterli miktarda mevcutsa ), karbon dioksit ve su üreterek dumansız yanmaya yol açar . Halojenlerle serbest radikal halojenasyon reaksiyonları meydana gelir ve haloalkanların üretimine yol açar . Ek olarak, alkanların, C-H bağ aktivasyon reaksiyonlarında belirli geçiş metal kompleksleri ile etkileşime girdiği ve bunlara bağlandığı gösterilmiştir .

Çok dallı alkanlarda, bağ açısı, hacimli grupları barındırmak için optimal değerden (109.5 °) önemli ölçüde farklı olabilir. Bu tür bozulmalar, molekülde sterik engel veya zorlanma olarak bilinen bir gerilime neden olur. Gerilme, reaktiviteyi önemli ölçüde artırır.

Bununla birlikte, genel olarak ve belki de şaşırtıcı bir şekilde, dallanma son derece elverişsiz 1,2- ve 1,3-alkil-alkil sterik etkileşimler yapacak kadar geniş olmadığında (~3.1 kcal/mol ve ~3.7 kcal/mol değerindedir). sırasıyla bütan ve pentanın örten konformasyonları) kaçınılmazdır, dallı alkanlar aslında lineer (veya daha az dallı) izomerlerinden termodinamik olarak daha kararlıdır. Örneğin, yüksek düzeyde dallanmış 2,2,3,3-tetrametilbütan, lineer izomeri n- oktandan yaklaşık 1.9 kcal/mol daha stabildir . Bu etkinin inceliği nedeniyle, bu kuralın kesin nedenleri kimya literatüründe şiddetle tartışılmıştır ve henüz karara bağlanmamıştır. Elektron korelasyonu ile dallanmış alkanların stabilizasyonu, lineer alkanların sterik itme ile kararsızlaştırılması, nötr hiperkonjugasyon ile stabilizasyon ve/veya elektrostatik etkiler gibi çeşitli açıklamalar olasılıklar olarak ileri sürülmüştür. Tartışma, hiperkonjugasyonun geleneksel açıklamasının alkil radikallerinin stabilitesini yöneten birincil faktör olup olmadığı sorusuyla ilgilidir.

Oksijen ile reaksiyonlar (yanma reaksiyonu)

Tüm alkanlar , karbon atomlarının sayısı arttıkça tutuşmaları giderek zorlaşsa da, bir yanma reaksiyonunda oksijen ile reaksiyona girer . Tam yanma için genel denklem:

C _n H _{2 n +2} + (32n + 12) O ₂ → ( n + 1) H ₂ O + n CO ₂

veya C _n H _{2 n +2} + (3 n + 12) O ₂ → ( n + 1) H ₂ O + n CO ₂

Yeterli oksijenin yokluğunda, aşağıda gösterildiği gibi karbon monoksit ve hatta kurum oluşabilir:

C _n H _{2 n +2} + ( n + 12) O ₂ → ( n + 1) H ₂ O + n CO

C _n H _{2 n +2} + (12n + 12) O ₂ → ( n + 1) H ₂ O + n C

Örneğin metan :

2 CH ₄ + 3 O ₂ → 4 H ₂ O + 2 CO

CH ₄ + O ₂ → 2 H ₂ O + C

Bkz oluşumu tablonun alkan ısı ayrıntılı veriler için. Yanma standart entalpi değişimi , Δ _C, H ^⊖ , CH başına yaklaşık 650 kJ / mol alkanlar artar ₂ grup. Dallanmış zincirli alkanlar , aynı sayıda karbon atomuna sahip düz zincirli alkanlardan daha düşük Δ _cH ^⊖ değerlerine sahiptir ve bu nedenle bir şekilde daha kararlı oldukları görülebilir.

Halojenlerle reaksiyonlar

Alkanlar ile reaksiyona giren halojen , bir sözde serbest kök halojenasyon reaksiyonu. Alkanın hidrojen atomları aşamalı olarak halojen atomları ile değiştirilir. Serbest radikaller , genellikle bir ürün karışımına yol açan reaksiyona katılan reaktif türlerdir. Reaksiyon halojen flor ile oldukça ekzotermiktir ve bir patlamaya neden olabilir.

Bu reaksiyonlar, halojenli hidrokarbonlar için önemli bir endüstriyel yoldur. Üç adım vardır:

Başlangıç , halojen radikallerinin homoliz ile oluşmasıdır . Genellikle, ısı veya ışık şeklinde enerji gereklidir.
Zincirleme reaksiyon veya Yayılma daha sonra gerçekleşir - halojen radikali, bir alkil radikali vermek için alkandan bir hidrojeni soyutlar. Bu daha fazla tepki verir.
Radikallerin yeniden birleştiği zincir sonlandırma .

Deneyler, tüm halojenasyonun, tüm hidrojen atomlarının reaksiyona duyarlı olduğunu gösteren tüm olası izomerlerin bir karışımını ürettiğini göstermiştir. Ancak üretilen karışım istatistiksel bir karışım değildir: İkincil ve üçüncül hidrojen atomları, ikincil ve üçüncül serbest radikallerin daha yüksek stabilitesi nedeniyle tercihen değiştirilir. Propanın monobrominasyonunda bir örnek görülebilir:

Çatlama

Çatlama, daha büyük molekülleri daha küçük olanlara ayırır. Bu, termal veya katalitik bir yöntemle yapılabilir. Termal parçalama işlemi , serbest radikallerin oluşumu ile homolitik bir mekanizmayı takip eder . Katalitik parçalama işlemi , genellikle bir karbokasyon ve çok kararsız hidrit anyonu olmak üzere zıt yüklü iyon çiftleri veren bağların heterolitik (asimetrik) kırılmasını destekleyen asit katalizörlerinin (genellikle silika-alümina ve zeolitler gibi katı asitler) varlığını içerir. . Karbon-lokalize serbest radikaller ve katyonlar hem oldukça kararsızdır hem de zincir yeniden düzenleme, beta pozisyonunda C-C kesilmesi (yani, kraking) ve molekül içi ve moleküller arası hidrojen transferi veya hidrit transferi süreçlerinden geçer . Her iki işlem türünde de karşılık gelen reaktif ara maddeler (radikaller, iyonlar) kalıcı olarak yenilenir ve bu nedenle kendi kendine yayılan bir zincir mekanizması ile ilerlerler. Reaksiyon zinciri sonunda radikal veya iyon rekombinasyonu ile sonlandırılır.

İzomerizasyon ve reformasyon

Dragan ve meslektaşı, alkanlarda izomerizasyon hakkında rapor veren ilk kişilerdi. İzomerizasyon ve reformasyon, düz zincirli alkanların bir platin katalizör varlığında ısıtıldığı işlemlerdir . İzomerizasyonda, alkanlar dallı zincirli izomerler haline gelir. Başka bir deyişle, aynı moleküler ağırlığı koruyarak herhangi bir karbon veya hidrojen kaybetmez. Reformasyonda, alkanlar sikloalkanlar veya aromatik hidrokarbonlar haline gelir ve yan ürün olarak hidrojen verir. Bu işlemlerin her ikisi de maddenin oktan sayısını yükseltir . Bütan, yüksek oktan sayılarına sahip birçok dallı alkan oluşturduğundan, izomerizasyon işlemine tabi tutulan en yaygın alkandır.

Diğer reaksiyonlar

Alkanlar, hidrojen vermek için bir nikel katalizörü varlığında buharla reaksiyona girer . Alkanlar klorosülfonatlanabilir ve nitratlanabilir , ancak her iki reaksiyon da özel koşullar gerektirir. Fermentasyon için alkanların karboksilik asitlerin bazı teknik öneme sahiptir. Olarak Reed Reaksiyon , kükürt dioksit , klor ve ışık için dönüştürmek hidrokarbonların sülfonil klorürler . Nükleofilik Soyutlama , bir alkanı bir metalden ayırmak için kullanılabilir. Alkil grupları, transmetalasyon reaksiyonları ile bir bileşikten diğerine transfer edilebilir . Bir karışımı, antimon pentaflorür (SbF ₅ ) ve fluorosülfonik asit (HSO ₃ olarak adlandırılan F) sihirli asit , alkanlar protonlayabilir.

oluşum

Alkanların Evrende Oluşumu

Metan ve etan Jüpiter'in atmosferinin çok küçük bir bölümünü oluşturuyor

Alkanlar da dahil olmak üzere birçok farklı hidrokarbon içeren yağın çıkarılması

Alkanlar küçük bir kısmı oluşturan atmosfer dış gaz gibi gezegen Jüpiter (% 0.1 metan, 2 ppm etan), Satürn (% 0.2 metan, 5 ppm etan), Uranüs (1.99% metan, 2,5 ppm etan) ve Neptün ( %1,5 metan, 1,5 ppm etan). Satürn'ün bir uydusu olan Titan (% 1,6 metan), Titan atmosferinin periyodik olarak ayın yüzeyine sıvı metan yağdığını gösteren Huygens sondası tarafından incelendi . Ayrıca Titan'da Cassini görevi, Titan'ın kutup bölgelerine yakın mevsimlik metan/etan göllerini görüntüledi. Hyakutake kuyruklu yıldızının kuyruğunda da metan ve etan tespit edildi . Kimyasal analizler, etan ve metan bolluğunun kabaca eşit olduğunu gösterdi; bu, buzlarının, bu uçucu molekülleri buharlaştıracak olan Güneş'ten uzakta, yıldızlararası uzayda oluştuğunu ima ettiği düşünülür. Alkanlar ayrıca karbonlu kondritler gibi meteorlarda da tespit edilmiştir .

Alkanların Dünya'da Oluşumu

Metan gazı izleri (yaklaşık %0.0002 veya 1745 ppb) Dünya atmosferinde meydana gelir ve esas olarak geviş getiren hayvanların bağırsaklarındaki Archaea gibi metanojenik mikroorganizmalar tarafından üretilir .

Alkanlar için en önemli ticari kaynaklar doğal gaz ve petroldür . Doğal gaz, bir miktar propan ve bütan ile birlikte öncelikle metan ve etan içerir : yağ, sıvı alkanlar ve diğer hidrokarbonların bir karışımıdır . Bu hidrokarbonlar, deniz hayvanları ve bitkileri (zooplankton ve fitoplankton) ölüp eski denizlerin dibine battığında oluşmuş, oksijensiz bir ortamda tortullarla kaplanmış ve milyonlarca yıl boyunca yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta bugünkü hallerine dönüşmüştür. Doğal gaz bu şekilde örneğin aşağıdaki reaksiyondan elde edilmiştir:

Cı ₆ H ₁₂ O ₆ → 3 CH ₄ + 3 CO ₂

Geçirimsiz örtü kayalarının altında sıkışmış gözenekli kayalarda toplanan bu hidrokarbon yatakları, ticari petrol sahalarını oluşturur . Milyonlarca yılda oluşmuşlardır ve bir kez tükendiklerinde kolayca değiştirilemezler. Bu hidrokarbon rezervlerinin tükenmesi, enerji krizi olarak bilinen şeyin temelidir .

Metan ayrıca , olası bir yenilenebilir enerji kaynağı olan hayvanlar ve çürüyen maddeler tarafından üretilen biyogaz olarak adlandırılan şeyde de mevcuttur .

Alkanlar suda düşük çözünürlüğe sahiptir, bu nedenle okyanuslardaki içerik ihmal edilebilir; bununla birlikte, yüksek basınçlarda ve düşük sıcaklıklarda (okyanusların dibinde olduğu gibi), metan, katı bir metan klatratı (metan hidrat) oluşturmak için su ile birlikte kristalleşebilir . Bu şu anda ticari olarak kullanılamamakla birlikte, bilinen metan klatrat alanlarının yanıcı enerji miktarı, bir araya getirilen tüm doğal gaz ve petrol yataklarının enerji içeriğini aşmaktadır. Metan klatrattan çıkarılan metan bu nedenle gelecekteki yakıtlar için bir adaydır.

biyolojik oluşum

Asiklik alkanlar doğada çeşitli şekillerde bulunur.

Bakteriler ve arkeler

Bu ineğin bağırsaklarındaki metanojenik arke , Dünya atmosferindeki metanın bir kısmından sorumludur .

Bazı bakteri türleri alkanları metabolize edebilir: tek sayılı zincirlerden daha kolay parçalandıkları için çift sayılı karbon zincirlerini tercih ederler.

Öte yandan, belirli arkeler , metanojenler , karbondioksit veya diğer oksitlenmiş organik bileşiklerin metabolizmasıyla büyük miktarlarda metan üretir . Hidrojenin oksidasyonu ile açığa çıkan enerji :

CO ₂ + 4 H ₂ → CH ₄ + 2 H ₂ O

Metanojenler da üreticisi olan bataklık gazı içinde sulak . Günde 30 ila 50 galon salabilen sığır ve diğer otoburların ve termitlerin metan çıkışı da metanojenlerden kaynaklanmaktadır. Ayrıca , insanların bağırsaklarında tüm alkanların bu en basitini üretirler . Metanojenik arkeler, bu nedenle, karbon döngüsünün sonunda, karbon fotosentez ile sabitlendikten sonra atmosfere geri salınır . Mevcut doğal gaz yataklarımızın da benzer şekilde oluşmuş olması muhtemeldir.

Mantarlar ve bitkiler

Alkanlar ayrıca üç ökaryotik organizma grubunun biyolojisinde küçük bir rol oynar : mantarlar , bitkiler ve hayvanlar. Bazı özel mayalar, örneğin Candida tropikale , Pichia sp., Rhodotorula sp., karbon veya enerji kaynağı olarak alkanları kullanabilir. Amorphotheca resinae mantarı , havacılık yakıtında daha uzun zincirli alkanları tercih eder ve tropikal bölgelerde uçaklar için ciddi sorunlara neden olabilir.

Bitkilerde, katı uzun zincirli alkanlar, birçok türün bitki kütikülünde ve epikütiküler mumunda bulunur, ancak nadiren ana bileşenlerdir. Bitkiyi su kaybına karşı korur, önemli minerallerin yağmurla sızmasını önler, bakteri, mantar ve zararlı böceklere karşı korur. Bitki alkanlarındaki karbon zincirleri genellikle tek sayılıdır, uzunlukları 27 ila 33 karbon atomu arasındadır ve bitkiler tarafından çift sayılı yağ asitlerinin dekarboksilasyonu ile yapılır . Balmumu tabakasının tam bileşimi sadece türe bağlı değildir, aynı zamanda mevsime ve aydınlatma koşulları, sıcaklık veya nem gibi çevresel faktörlere göre de değişir.

Daha uçucu kısa zincirli alkanlar da bitki dokularında üretilir ve bulunur. Jeffrey çam derece yüksek seviyelerini üretmek için not edilir , n - heptan onun distilat bir sıfır noktası olarak belirlenmiştir ve bu nedenle de reçinede, oktan . Çiçek kokularının da uçucu alkan bileşenleri içerdiği uzun zamandır bilinmektedir ve n - nonan bazı güllerin kokusunda önemli bir bileşendir . Bitkiler tarafından etan , pentan ve heksan gibi gaz halindeki ve uçucu alkanların emisyonu da düşük seviyelerde belgelenmiştir, ancak bunlar genellikle biyojenik hava kirliliğinin önemli bir bileşeni olarak kabul edilmemektedir.

Yenilebilir bitkisel yağlar ayrıca tipik olarak, çoğunlukla 8 ila 35 olmak üzere geniş bir karbon sayısı yelpazesine sahip küçük biyojenik alkan fraksiyonları içerir, genellikle düşük ila üst 20'lerde doruğa ulaşır, konsantrasyonları kilogram başına düzinelerce miligrama kadar (ağırlıkça milyonda parça) ve bazen toplam alkan fraksiyonu için yüzden fazla.

Hayvanlar

Alkanlar, doymamış hidrokarbonlardan daha az önemli olmalarına rağmen, hayvansal ürünlerde bulunur. Bunun bir örneği, yaklaşık 14% olduğu köpek balığı karaciğeri yağı, bir pristan (2,6,10,14-tetramethyl, Cı- ₁₉ , H ₄₀ ). Böceklerin iletişim için bağımlı olduğu feromonlar , kimyasal haberciler olarak önemlidirler . Bazı türlerde, örneğin, böcek destek Xylotrechus colonus , pentacosane (Cı- ₂₅ , H ₅₂ ), 3-methylpentaicosane (Cı- ₂₆ , H ₅₄ ) ve 9-methylpentaicosane (Cı- ₂₆ , H ₅₄ ), vücut teması ile aktarılır. Gibi diğerleriyle sinek çeçe Glossina morsitans morsitans , feromon dört alkanlar 2-methylheptadecane (Cı içeren ₁₈ , H ₃₈ ), 17,21-dimethylheptatriacontane (Cı- ₃₉ , H ₈₀ ), 15,19-dimethylheptatriacontane (Cı- ₃₉ , H ₈₀ ) ve 15,19,23-trimetilheptatriyakontan (C ₄₀ H ₈₂ ) ve daha uzun mesafelerde koku ile etki eder. Sallanarak dans eden bal arıları , iki alkan, trikozan ve pentakozan üretir ve serbest bırakır.

Ekolojik ilişkiler

Erken örümcek orkide ( Ophrys sphegodes )

Hem bitki hem de hayvan alkanlarının rol oynadığı bir örnek, kum arısı ( Andrena nigroaenea ) ile erken örümcek orkidesi ( Ophrys sphegodes ) arasındaki ekolojik ilişkidir ; ikincisi, tozlaşma için birincisine bağımlıdır . Kum arıları bir eş belirlemek için feromonlar kullanır; A. nigroaenea durumunda , dişiler 3:3:1 oranında trikosan (C ₂₃ H ₄₈ ), pentakozan (C ₂₅ H ₅₂ ) ve heptakozan (C ₂₇ H ₅₆ ) karışımı yayar ve erkekler çekilir özellikle bu koku ile. Orkide, erkek arının polenlerini toplamasını ve yaymasını sağlamak için bu çiftleşme düzenlemesinden yararlanır; çiçeğinin bazı kısımları sadece kum arılarının görünümüne benzemekle kalmaz, aynı zamanda dişi kum arılarıyla aynı oranda büyük miktarlarda üç alkan üretir. Sonuç olarak, çok sayıda erkek çiçeklere çekilir ve hayali partnerleriyle çiftleşmeye çalışır: Bu çaba arı için başarı ile taçlandırılmasa da, orkidenin, ayrıldıktan sonra dağılacak olan polenlerini transfer etmesine izin verir. sinirli erkek diğer çiçeklere.

Üretme

Petrol arıtma

Bir petrol rafinerisi de Martinez, California .

Daha önce de belirtildiği gibi, alkanların en önemli kaynağı doğal gaz ve ham petroldür . Alkanlar bir ayrılır petrol rafinerisi tarafından fraksiyonel damıtma çok ürün halinde ve işlenmiş.

Fischer-Tropsch

Fischer-Tropsch işlemi ile ilgili alkanlar da dahil olmak üzere sıvı hidrokarbonların, sentez için bir yöntemdir , karbon monoksit ve hidrojen. Bu yöntem, petrol distilatlarının ikamelerini üretmek için kullanılır .

Laboratuvar hazırlığı

Alkanların laboratuvarda sentezlenmesine genellikle çok az ihtiyaç vardır, çünkü bunlar genellikle ticari olarak mevcuttur. Ayrıca alkanlar genellikle kimyasal veya biyolojik olarak reaktif değildir ve fonksiyonel grup dönüşümlerine temiz bir şekilde girmezler. Alkanlar laboratuvarda üretildiğinde, genellikle bir reaksiyonun yan ürünüdür. Örneğin, kullanımı , n -butillityum , güçlü bir şekilde bir baz konjugat asidi verir, n, bir yan ürün olarak -bütan:

C ₄ H ₉ Li + H ₂ O → C ₄ H ₁₀ + LiOH

Bununla birlikte, zaman zaman , yukarıdaki veya benzer yöntemler kullanılarak bir molekülün bir bölümünün alkan benzeri bir işlevsellik ( alkil grubu) halinde yapılması istenebilir . Örneğin, bir etil grubu , bir alkil grubudur; bu bir hidroksi grubuna eklendiğinde , bir alkan olmayan etanol verir . Bunu yapmak için, en iyi bilinen yöntemlerdir hidrojenasyon ait alkenler :

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

Alkanlar veya alkil grupları , Corey–House–Posner–Whitesides reaksiyonunda doğrudan alkil halojenürlerden de hazırlanabilir . , Barton-McCombie deoksijenasyon alkoller, örneğin hidroksil gruplarını çıkarır

ve Clemmensen indirgemesi, karbonil gruplarını aldehitlerden ve ketonlardan uzaklaştırarak alkanlar veya alkil ikameli bileşikler oluşturur, örneğin:

Diğer organik bileşiklerden alkanların hazırlanması

Alkanlar çeşitli organik bileşiklerden hazırlanabilir. Bunlara alkenler, alkinler, haloalkanlar, alkoller, aldehitler ve ketonlar ve karboksilik asitler dahildir.

Alkenler ve alkinlerden

Alkenler ve alkinler, paladyum veya platin veya nikel katalizör varlığında hidrojen ile işlenerek hidrojenasyon reaksiyonuna tabi tutulduklarında alkanlar üretirler. Bu reaksiyonda, katalizör üzerinde hidrojen adsorpsiyonunun artması için yüzey alanını arttırmak için toz halindeki katalizör tercih edilir. Bu reaksiyonda hidrojen, HH bağının zayıflamasına yol açan bir hidrojen-katalizör bağı oluşturmak için katalizöre bağlanır ve böylece alkenler ve alkinler üzerine hidrojen eklenmesine yol açar. Reaksiyon ekzotermiktir, çünkü ürün alkan, pi bağının sigma bağlarına dönüştürülmesinden dolayı reaktan alkenlerden ve alkinlerden daha fazla sigma bağına sahip olduğundan kararlıdır.

haloalkanlardan

Alkanlar, haloalkanlardan farklı yöntemler kullanılarak üretilebilir.

Wurtz reaksiyonu

Haloalkan kuru eter içinde sodyum ile işlendiğinde, karbon atomu sayısının iki katı olan alkan elde edilir. Bu reaksiyon, serbest radikal ara ürünü ile ilerler ve üçüncül haloalkanlar ve komşu dihalojenürler durumunda alken oluşumu olasılığına sahiptir.

2 R−X + 2 Na → R−R + 2 Na+X.(kuru eter varlığında

Corey-House-Sentezi

Haloalkan, aksi takdirde Gilman reaktifi olarak bilinen dialkil lityum kupritle işlendiğinde, daha yüksek herhangi bir alkan elde edilir.

Li+[R–Cu–R]– + R'–X → R–R' + "RCu" + Li+X

Metal hidrit ile reaksiyon

Haloalkanlar metal hidrit, örneğin sodyum hidrit ve lityum alüminyum hidrit ile işlendiğinde.

Frankland reaksiyonu

Haloalkan, ester içinde çinko ile işlendiğinde alkan elde edilir.

Fittig reaksiyonu

Aril halojenür kuru eter içinde sodyum ile işlendiğinde bifenil oluşturur.

Ullmann biaril sentezi

Aril halojenür bakır ile işlendiğinde bifenil oluşturur.

Wurtz-Fittig reaksiyonu

Aril halojenür haloalkan ile işlendiğinde alkil benzen elde ederiz.

Uygulamalar

Alkanların uygulamaları karbon atomlarının sayısına bağlıdır. İlk dört alkan, esas olarak ısıtma ve pişirme amacıyla ve bazı ülkelerde elektrik üretimi için kullanılır. Metan ve etan , doğal gazın ana bileşenleridir; normalde basınç altında gazlar olarak depolanırlar. Ancak bunları sıvı olarak taşımak daha kolaydır: Bu, gazın hem sıkıştırılmasını hem de soğutulmasını gerektirir.

Propan ve bütan , oldukça düşük basınçlarda sıvılaştırılabilen ve genellikle sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) olarak bilinen atmosferik basınçtaki gazlardır . Propan, propan gazı brülörlerinde ve karayolu taşıtları için yakıt olarak, bütan ısıtıcılarda ve tek kullanımlık çakmaklarda kullanılır. Her ikisi de aerosol spreylerde itici gaz olarak kullanılır .

Kaynaktan pentan için oktan alkanlar çok uçucu sıvılardır. İçten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılırlar , çünkü yanma odasına girdiklerinde yanmanın homojenliğini bozacak damlacıklar oluşturmadan kolayca buharlaşırlar. Dallı zincirli alkanlar, düz zincirli homologlarına göre vuruntuya neden olan erken tutuşmaya çok daha az eğilimli oldukları için tercih edilir . Bu erken tutuşma eğilimi , 2,2,4-trimetilpentanın ( izoktan ) keyfi bir 100 değerine ve heptanın sıfır değerine sahip olduğu, yakıtın oktan derecesi ile ölçülür . Yakıt olarak kullanımlarının yanı sıra orta alkanlar, polar olmayan maddeler için de iyi çözücülerdir .

Alkanlar nonan için, örneğin, heksadekan (on altı karbon atomuna sahip bir alkan) daha yüksek sıvılardır viskozitesi daha az ve benzin kullanımı için daha az uygundur. Bunun yerine dizel ve havacılık yakıtının büyük bölümünü oluştururlar . Dizel yakıtlar, setan sayıları ile karakterize edilir; setan , heksadekan için eski bir isimdir. Bununla birlikte, bu alkanların daha yüksek erime noktaları, düşük sıcaklıklarda ve yakıtın doğru şekilde akamayacak kadar kalınlaştığı kutup bölgelerinde sorunlara neden olabilir.

Heksadekandan yukarıya doğru olan alkanlar, akaryakıt ve yağlama yağının en önemli bileşenlerini oluşturur . İkinci işlevde, hidrofobik yapıları suyun metal yüzeye ulaşamayacağı anlamına geldiğinden, aynı zamanda korozyon önleyici maddeler olarak da çalışırlar. Birçok katı alkanlar olarak kullanılacaktır parafin mumu , örneğin, mumlar . Ancak bu, esas olarak esterlerden oluşan gerçek mum ile karıştırılmamalıdır .

Yaklaşık 35 veya daha fazla karbon atomlu zincir uzunluğuna sahip alkanlar , örneğin yol kaplamasında kullanılan bitümde bulunur. Bununla birlikte, yüksek alkanlar çok az değere sahiptir ve genellikle çatlama yoluyla düşük alkanlara ayrılır .

Polietilen ve polipropilen gibi bazı sentetik polimerler , yüzlerce veya binlerce karbon atomu içeren zincirlere sahip alkanlardır. Bu malzemeler sayısız uygulamada kullanılmaktadır ve bu malzemelerden her yıl milyarlarca kilogram üretilip kullanılmaktadır.

Çevresel dönüşümler

Alkanlar, organik bileşikler olarak çok reaktif olmayan kimyasal olarak çok inert apolar moleküllerdir. Bu atıllık, çevreye salınmaları halinde ciddi ekolojik sorunlara yol açar. Alkanlar, fonksiyonel grupların eksikliği ve suda düşük çözünürlükleri nedeniyle mikroorganizmalar için zayıf biyoyararlanım gösterirler.

Bununla birlikte, hem karbon hem de enerji kaynağı olarak n- alkanları kullanma metabolik kapasitesine sahip bazı mikroorganizmalar vardır . Bazı bakteri türleri, alkanları parçalama konusunda oldukça uzmanlaşmıştır; Bunlara hidrokarbonoklastik bakteriler denir.

Tehlikeler

Metan yanıcı, patlayıcı ve solunması tehlikelidir; renksiz, kokusuz bir gaz olduğu için metan çevresinde özel dikkat gösterilmelidir. Etan ayrıca son derece yanıcı, patlayıcı ve solunması tehlikelidir. Her ikisi de boğulmaya neden olabilir. Propan da yanıcı ve patlayıcıdır ve solunması halinde uyuşukluğa veya bilinç kaybına neden olabilir. Bütan, propan ile aynı tehlikeleri sunar.

Alkanlar ayrıca çevre için bir tehdit oluşturur. Dallı alkanlar, dalsız alkanlardan daha düşük biyolojik parçalanabilirliğe sahiptir. Atmosferdeki metan miktarı nispeten düşük olmasına rağmen, metan çevre için en tehlikeli sera gazı olarak kabul edilir.

Languages

In other projects