Αλκάνια:Τύποι, Δομές και Αντιδράσεις

Βασικές έννοιες

Αλκάνια είναι οι πιο βασικές ενώσεις στην Οργανική Χημεία. Ωστόσο, είναι επίσης πολύ σημαντικά καθώς αποτελούν τη ραχοκοκαλιά πολλών άλλων πολύπλοκων ενώσεων. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε για τη δομή του αλκανίου, την ονοματολογία του και μερικές από τις αντιδράσεις του.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Διαμορφώσεις καρέκλας
• Λειτουργικές ομάδες
• Ονομασία αλκανίων
• Ονομασία Κυκλοαλκανίων
• Προβολές Newman
• Στειρικό εμπόδιο
• Δομικά Ισομερή

Δομή αλκανίων

Τα αλκάνια είναι υδρογονάνθρακες (ενώσεις που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άνθρακες και υδρογόνα) των οποίων οι δεσμοί είναι όλοι δεσμοί σίγμα (σ). Δηλαδή, οι άνθρακες ενός αλκανίου σχηματίζουν απλούς δεσμούς μεταξύ τους και με τα άτομα υδρογόνου. Γι' αυτόν τον λόγο τα αλκάνια ονομάζονται κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, όπου η έλλειψη διπλών ή τριπλών δεσμών επιτρέπει σε κάθε άνθρακα να συνδέεται με τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων υδρογόνου.

Επιπλέον, τα αλκάνια μπορούν να προσκολληθούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν διακλαδισμένα αλκάνια. ή μπορούν να μπουν σε κυκλικό σχηματισμό και να σχηματίσουν κυκλοαλκάνια. Θα συζητήσουμε αυτές τις δομές περισσότερο αργότερα στο άρθρο.

Γρήγορα στοιχεία για τα αλκάνια

• Δομή:Άτομα άνθρακα μονοδεσμευμένα μεταξύ τους και με άτομα υδρογόνου

• Γενικός τύπος:C_n H_2n+2
• pH:Ουδέτερο
• pKa:Πάνω από 30
• Διαλυτότητα:Αδιάλυτο στο νερό αλλά διαλυτό σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες
• Μήκος δεσμού C–C:1,53 Å
• Ισχύς δεσμού C–C:356 kJ mol
• Φασματοσκοπία IR:Ο δεσμός C–H ενός αλκανίου δίνει ένα σήμα περίπου στα 2850 – 3000 cm

Ισομέρεια αλκανίων

Δομικά Ισομερή

Τα αλκάνια με περισσότερους από 4 άνθρακες μπορούν να υπάρχουν ως δομικά ισομερή. Δηλαδή, ο ίδιος μοριακός τύπος μπορεί να αντιπροσωπεύει πολλές ενώσεις με διαφορετικές δομές. Μία από αυτές τις δομές είναι ένα αλκάνιο με ευθεία αλυσίδα (όπου κάθε άνθρακας μπορεί να συνδεθεί μόνο με 2 άλλους άνθρακες το μέγιστο), ενώ οι υπόλοιπες είναι διακλαδισμένα αλκάνια (όπου κάθε άνθρακας μπορεί να συνδεθεί με 4 άλλους άνθρακες το πολύ).

Όσο περισσότερους άνθρακες έχει ένα αλκάνιο, τόσο περισσότερα δομικά ισομερή μπορεί να έχει. Για παράδειγμα, C₅ H₁₂ έχει 3 ισομερή, ενώ το C₉ H₂₀ έχει 35 ισομερή.

Conformers

Δεδομένου ότι τα αλκάνια μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα γύρω από τους δεσμούς C–C, μπορούν να υπάρχουν στον τρισδιάστατο χώρο ως μια ποικιλία σχημάτων (ή «διαμορφώσεων»). Σκεφτείτε το χέρι σας:Μπορείτε να το στρίψετε και να το λυγίσετε με όποιον τρόπο θέλετε, αλλά θα εξακολουθεί να είναι το χέρι σας. Η δομή του χεριού σας δεν αλλάζει, αλλάζει μόνο το σχήμα του. Ορισμένες διαμορφώσεις αλκανίων είναι σταθερές (χαμηλή σε ενέργεια), ενώ κάποιες είναι ασταθείς (με υψηλή ενέργεια).

Προβολή Newman

Έχουμε καλύψει αυτό το θέμα εκτενώς σε αυτό το άρθρο:Προβολές Newman.

Βασικά, σκεφτείτε το Newman Projection ως δύο ανεμιστήρες οροφής που κολλάνε ο ένας πάνω στον άλλο. Όσο πιο μακριά είναι οι λεπίδες η μία από την άλλη, τόσο πιο σταθερή είναι η διαμόρφωση.

Διαμορφώσεις κυκλοεξανίου

Τα κυκλοεξάνια μπορούν να συστραφούν σε πολλά σχήματα, αλλά ίσως το πιο γνωστό είναι οι διαμορφώσεις της καρέκλας τους. Αυτό συμβαίνει επειδή η διαμόρφωση της καρέκλας είναι η πιο σταθερή διαμόρφωση για το κυκλοεξάνιο. Η καρέκλα δεν υφίσταται γωνιακή καταπόνηση, καταπόνηση έκλειψης και μικρή στερική καταπόνηση.

Άλλες δημοφιλείς διαμορφώσεις του κυκλοεξανίου είναι (με φθίνουσα σειρά σταθερότητας):Twist boat, Boat και Half-chair.

Ονοματολογία αλκανίων

Έχουμε καλύψει αυτό το θέμα εκτενώς σε αυτό το άρθρο:Ονομασία αλκανίων, Ονομασία κυκλοαλκανίων. Έτσι, οι παρακάτω πληροφορίες θα είναι απλώς μια ανανέωση.

Ονομασία αλκανίων

• Για να ονομάσουμε ένα αλκάνιο (καθαρό αλκάνιο, χωρίς άλλες λειτουργικές ομάδες), προσδιορίζουμε πρώτα τη μητρική αλυσίδα, η οποία είναι η μεγαλύτερη αλυσίδα (η οποία αποτελείται από τον μεγαλύτερο αριθμό ανθράκων).
• Στη συνέχεια, ονομάζουμε τους υποκαταστάτες (αν υπάρχουν) προσθέτοντας ένα πρόθεμα μπροστά από το "-yl". Αυτά τα προθέματα είναι τα ίδια με τα προθέματα που χρησιμοποιούνται για την ονομασία γονικών αλυσίδων (π.χ. meth, eth, prop, κ.λπ.). Ακολουθούν ορισμένα παραδείγματα:μεθύλιο, αιθύλιο και προπύλιο.
• Στη συνέχεια, εκχωρούμε έναν αριθμό σε κάθε υποκαταστάτη για να υποδείξουμε τις θέσεις τους μέσα στο μόριο. Θα πρέπει να αντιστοιχίσουμε στον πρώτο υποκαταστάτη που συναντάμε τον μικρότερο δυνατό αριθμό. Εάν υπάρχει ισοπαλία, προχωράμε στην εκχώρηση στον δεύτερο υποκαταστάτη που συναντάμε τον μικρότερο δυνατό αριθμό (αλλά και πάλι υψηλότερο από τον πρώτο υποκαταστάτη, φυσικά).
• Επίσης, θυμηθείτε να επισυνάψετε ένα άλλο σύνολο προθεμάτων όπως di, tri, tetra μπροστά από τους υποκαταστάτες για να υποδείξετε πόσα από αυτό το είδος υποκαταστάτη υπάρχει στο μόριο.
• Τέλος, επισυνάπτουμε το επίθημα "ane" στο τέλος του ονόματος του μορίου μας.

Ονομασία Κυκλοαλκανίων

Εάν ο δακτύλιος είναι η μητρική αλυσίδα (δηλαδή έχει το περισσότερο άτομο άνθρακα), τότε προσθέτουμε το πρόθεμα "cyclo" μπροστά από το όνομα της γονικής αλυσίδας.

Εάν ο δακτύλιος είναι απλώς ένας υποκαταστάτης (δηλαδή υπάρχει μεγαλύτερη ανθρακική αλυσίδα από τον δακτύλιο), τότε προσθέτουμε το πρόθεμα "cyclo" μπροστά από το όνομα του εν λόγω υποκαταστάτη δακτυλίου.

Ονομασία δικυκλικών ενώσεων

Δικυκλικές ενώσεις σχηματίζονται όταν δύο δακτύλιοι συγχωνεύονται μεταξύ τους. Οι δύο άνθρακες όπου συντήκονται οι δακτύλιοι ονομάζονται «γεφυρώματα». Η μορφή για την ονομασία μιας δικυκλικής ένωσης είναι η εξής:υποκαταστάτες + bicyclo[a.b.c] + γονικό όνομα.

Αρχικά, καταλαβαίνουμε το γονικό όνομα μετρώντας τον συνολικό αριθμό των ανθράκων που σχηματίζουν τους δύο συντηγμένους δακτυλίους μας. Στη συνέχεια, εξαιρουμένων των προγεφυρώσεων, μετράμε τον αριθμό των ανθράκων ενός δακτυλίου, τον αριθμό των ανθράκων του άλλου δακτυλίου και τον αριθμό των ανθράκων μεταξύ των γεφυριών. Στη συνέχεια, ταξινομούμε αυτούς τους αριθμούς από τον υψηλότερο στο χαμηλότερο, που αντιστοιχεί με την τάξη των a, b και c (το a είναι υψηλότερο, το c είναι το χαμηλότερο).

Αντιδράσεις με αλκάνια

Γενικές τάσεις αντίδρασης

Τα αλκάνια είναι αρκετά αδρανή και δεν υφίστανται πολλές αντιδράσεις. Αυτός είναι ο λόγος που οι χημικοί συχνά παραλείπουν τα αλκάνια όταν απαριθμούν τις λειτουργικές ομάδες. Ωστόσο, η αντίδραση καύσης των αλκανίων είναι μία από τις πιο γνωστές αντιδράσεις στη χημεία και η αλογόνωση των αλκανίων μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμη στη σύνθεση πιο πολύπλοκων μορίων.

Παρασκευή αλκανίων

Από τα Αλκένια

Τα αλκένια μπορούν να υποστούν μια αντίδραση υδρογόνωσης για να μας δώσουν αλκάνια. Σε μια αντίδραση υδρογόνωσης, μοριακό υδρογόνο (H₂ ) προστίθεται κατά μήκος του διπλού δεσμού ενός αλκενίου παρουσία ενός μεταλλικού καταλύτη όπως Pt, Pd ή Ni. Η ίδια αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε αλκίνια για να δώσει το ίδιο αποτέλεσμα, που περιλαμβάνει την προσθήκη δύο H₂ μόρια.

Από καρβονύλια

Υπάρχουν δύο δημοφιλείς μέθοδοι που χρησιμοποιούν οι χημικοί για την αναγωγή των καρβονυλίων (αλδεΰδες και κετόνες) σε αλκάνια.

• Η μείωση του Clemmensen περιλαμβάνει την επεξεργασία του καρβονυλίου με αμάλγαμα ψευδαργύρου (ψευδάργυρος του οποίου η επιφάνεια είναι κράμα ψευδαργύρου και υδραργύρου) υπό όξινες συνθήκες.
• Η αναγωγή Wolff–Kishner περιλαμβάνει πρώτα τον σχηματισμό μιας υδραζόνης με επεξεργασία του καρβονυλίου με υδραζίνη (NH₂ NH₂ ) και στη συνέχεια η αναγωγή της εν λόγω υδραζόνης υπό βασικές συνθήκες.

Αντιδράσεις αλκανίων

Πλήρης καύση

Η πλήρης καύση περιλαμβάνει την καύση αλκανίων με περίσσεια παρουσία οξυγόνου. Πιο συγκεκριμένα, περιλαμβάνει τον συνδυασμό αλκανίων με αέριο οξυγόνο για την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Η αντίδραση είναι εξαιρετικά εξώθερμη, απελευθερώνοντας θερμότητα και φως ως αποτέλεσμα.

Ημιτελής καύση

Μια αντίδραση ατελούς καύσης μοιάζει πολύ με μια αντίδραση πλήρους καύσης. Είναι και τα δύο εξώθερμα, απελευθερώνοντας θερμότητα και φως. Η κύρια διαφορά είναι ότι, σε μια ατελή καύση, τα αλκάνια καίγονται σε περιορισμένη (ανεπαρκή) παροχή αερίου οξυγόνου. Τα προϊόντα που προκύπτουν είναι νερό και είτε μονοξείδιο του άνθρακα (το οποίο είναι αρκετά τοξικό) είτε άνθρακας. Για να καταλάβουμε γιατί, πρέπει να θυμηθούμε ότι σε μια αντίδραση καύσης, όλοι οι δεσμοί ενός αλκανίου σπάνε και τα άτομα υδρογόνου οξειδώνονται πρώτα (σχηματίζοντας νερό). Επειδή η παροχή οξυγόνου είναι περιορισμένη, δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να σχηματίσει ο άνθρακας διοξείδιο του άνθρακα. Επομένως, οι άνθρακες πρέπει να εγκατασταθούν για μονοξείδια του άνθρακα ή απλώς άνθρακες εάν η παροχή οξυγόνου είναι ακόμη πιο περιορισμένη.

Αλογόνωση

Η βρωμίωση και η χλωρίωση των αλκανίων είναι από τις πιο δημοφιλείς αντιδράσεις ελεύθερων ριζών. Σε αυτό το παράδειγμα, επιτυγχάνουμε τη χλωρίωση του μεθανίου με επεξεργασία μεθανίου με Cl₂ παρουσία μιας πηγής ενέργειας όπως θερμότητα ή φως. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα από τα υδρογόνα του μεθανίου να αντικαθίσταται με ένα άτομο χλωρίου, σχηματίζοντας χλωρομεθάνιο (CH₃ Cl). Έτσι, οι χημικοί ταξινομούν αυτή την αντίδραση ως αντίδραση υποκατάστασης. Επιπλέον, ανάλογα με το πόσο υπερβαίνει το Cl₂ δηλαδή, το χλωρομεθάνιο μπορεί να υποστεί περαιτέρω χλωρίωση για να σχηματίσει διχλωρομεθάνιο (CH₂ Cl₂ ), χλωροφόρμιο (CHCl₃ ), ή τετραχλωράνθρακα (CCl₄ ).

Περισσότερες αναγνώσεις

• Λειτουργική ομάδα Amino
• Λειτουργική ομάδα καρβοξυλικού οξέος
• Αντιδραστήρια Grignard
• Το κρίσιμο στοιχείο άνθρακας