Alcani
Gli alcani sono composti organici costituiti solamente da carbonio e idrogeno (e per questo appartenenti alla più ampia classe degli idrocarburi) aventi formula bruta CnH(2n + 2). Noti anche come "paraffine" (dal latino parum affinis) a causa della loro scarsa reattività in condizioni normali.
right|thumb|150px|modello della molecola del metano
A temperatura e pressione ambiente i più leggeri tra loro (fino a 4 atomi di carbonio) sono gassosi, sono liquidi incolori quelli aventi da 5 a 16 atomi di carbonio, sono solidi cerosi quelli più pesanti.
Gli alcani, soprattutto i più leggeri, vengono largamente impiegati come carburanti per via dell'elevata entalpia di combustione per unità di massa, della notevole inerzia chimica e dell'abbondante - ma non illimitata - disponibilità sulla Terra.
Il più semplice alcano esistente è il metano, avente formula CH4, quello immediatamente successivo è l'etano, avente formula CH3-CH3.
Un esempio comune di miscela complessa di alcani è la benzina, che è costituita da diversi alcani contenenti generalmente 7-8-9 atomi di carbonio, ottenuta soprattutto dalla distillazione frazionata del petrolio, ma anche dal cracking catalitico. Un'altra via per l'ottenimento della benzina sono le reazioni di Fischer-Tropsch, che impiegano come reagenti di partenza il carbone e l'acqua. Questo metodo è stato impiegato saltuariamente in passato, soprattutto come conseguenza di embarghi petroliferi, non si esclude che potrà tronar in uso in futuro in virtù di aumenti considerevoli del prezzo del petrolio.
Negli alcani, gli atomi carbonio sono uniti tra loro attraverso legami covalenti semplici a formare una catena aperta, lineare o ramificata, mentre gli idrogeni vanno a legarsi ad ognuno dei siti di legame degli atomi di carbonio rimasti liberi. Ogni atomo di carbonio risulta al centro di un tetraedro i cui vertici sono occupati dagli atomi cui esso è legato; tale geometria è quella tipica degli orbitali ibridi sp3, con gli angoli solidi di 109.5° tra i legami.
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Nomenclatura IUPAC
La nomenclatura IUPAC stabilisce le seguenti regole per la denominazione di un alcano:
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200px|Nomenclatura IUPAC alcani | |
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200px|Nomenclatura IUPAC alcani
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Fonti industriali
La principale fonte di approvvigionamento degli alcani più leggeri è la distillazione frazionata del petrolio grezzo e del gas naturale.
Tuttavia, al crescere del numero di atomi di carbonio, il numero di isomeri aventi proprietà fisiche simili diventa talmente elevato dal rendere pressoché impossibile isolare un particolare isomero con una purezza elevata da una miscela di alcani simili.
In tali casi, una reazione che ha relativamente ampia applicazione è l'idrogenazione degli alcheni
RR'C=CHR" + H2 → RR'CH-CH2R"
(R rappresenta convenzionalmente un qualsiasi alchile)
La reazione avviene in condizioni relativamente blande in presenza di catalizzatori metallici quali platino, palladio o nichel.
Un'altra reazione di utilità industriale è il cracking (o pirolisi), in cui l'alcano, scaldato ad alta temperatura in assenza d'aria ed in presenza di catalizzatori, subisce decomposizione in idrogeno, alcheni ed alcani più leggeri (es.: benzina dal cracking dei bitumi).
Preparazioni per sintesi
In laboratorio, gli alcani possono essere preparati per
RR'C=CHR" + H2 → RR'CH-CH2R"
- riduzione degli alogenuri alchilici per reazione con zinco e acidi
R-X + Zn + H+ → R-H
- idrolisi dei reattivi di Grignard
1. R-X + Mg → R-Mg-X
2. R-Mg-X + H2O → R-H
1. R-X + Li → R-Li (alchil-litio)
2. R-Li + CuI → R2CuLi (litio dialchilrame)
3. R2CuLi + R'-X → R-R' (R' deve essere un alchile primario)
- l'uso del sodio in sostituzione del litio produce dei composti di alchil-sodio troppo reattivi che reagiscono immediatamente con il rimanente alogenuro alchilico (sintesi di Wurtz degli alcani simmetrici)
R-X + Na → R-Na
R-Na + R-X → R-R
- ne esistono due varianti, la riduzione di Wolff-Kishner, che consiste nella decomposizione termica in ambiente alcalino dell'idrazone ottenuto per reazione tra l'idrazina e l'aldeide o il chetone
1. R-C=O + H2N-NH2 → R-C=N-NH2 (idrazone)
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R' R'
2. R-C=N-NH2 + KOH, calore → R-CH2-R'
|
R'
- e la riduzione di Clemmensen, che prevede il trattamento dell'aldeide o del chetone con un amalgama zinco-mercurio ed acido cloridrico
R-C=O + Zn(Hg) + HCl → R-CH2-R' | R'
- la riduzione di Wolff-Kishner avviene in ambiente fortemente basico, la riduzione di Clemmensen avviene in ambiente fortemente acido; verrà scelto il metodo nelle cui condizioni gli altri gruppi funzionali dell'aldeide o del chetone di partenza sono stabili e non subiscono reazioni indesiderate.
- decarbossilazione dei sali degli acidi carbossilici
R-COO- → RH + CO2 pirolisi
2 R-COO- → R-R + 2 CO2 reazione di Kolbe
- l'eliminazione di anidride carbonica avviene o per riscaldamento in ambiente alcalino (pirolisi) o per elettrolisi in soluzione acquosa (reazione di Kolbe).
Reazioni tipiche
La reattività degli alcani è basata sulla formazione di radicali, innescata dalla luce o dal calore. L'esempio più noto è la combustione, una reazione a catena - a volte esplosiva - in cui il calore sviluppato produce ulteriori radicali che proseguono ed amplificano la reazione stessa.
- combustione
R-H + O2 → CO2 + H2O + calore
- alogenazione radicalica
R-H + X2 → R-X + HX
- viene catalizzata dalla luce o dal riscaldamento a temperature elevate; produce generalmente una miscela di isomeri in quantità proporzionali alla stabilità dei diversi radicali ottenuti dalla rimozione dei diversi atomi di idrogeno
vedi anche sistematica organica, cicloalcani, radicale
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