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Estructura química del metano , el alcano más simple

En química orgánica , un alcano o parafina (un nombre histórico trivial que también tiene otros significados ) es un hidrocarburo saturado acíclico . En otras palabras, un alcano consta de átomos de hidrógeno y carbono dispuestos en una estructura de árbol en la que todos los enlaces carbono-carbono son simples . [1] Los alcanos tienen la fórmula química general C n H 2 n +2 . Los alcanos varían en complejidad desde el caso más simple de metano (CH 4 ), donde n  = 1 (a veces llamada molécula madre), a moléculas arbitrariamente grandes y complejas, como pentacontano (C 50 H 102 ) o 6-etil-2-metil-5- (1-metiletil) octano, un isómero de tetradecano (C 14 H 30 ).

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define los alcanos como "hidrocarburos acíclicos ramificados o no ramificados que tienen la fórmula general C n H 2 n + 2 y, por lo tanto, están compuestos enteramente por átomos de hidrógeno y átomos de carbono saturados". Sin embargo, algunas fuentes usan el término para indicar cualquier hidrocarburo saturado, incluidos los que son monocíclicos (es decir, los cicloalcanos ) o policíclicos, [2] a pesar de tener una fórmula general distinta (es decir, los cicloalcanos son C n H 2 n ).

En un alcano, cada átomo de carbono se hibrida sp 3 con 4 enlaces sigma (ya sea C – C o C – H ), y cada átomo de hidrógeno está unido a uno de los átomos de carbono (en un enlace C – H). La serie más larga de átomos de carbono enlazados en una molécula se conoce como su esqueleto de carbono o esqueleto de carbono. El número de átomos de carbono puede considerarse como el tamaño del alcano.

Un grupo de los alcanos superiores son las ceras , sólidos a temperatura y presión ambiente estándar (SATP), para los cuales el número de átomos de carbono en la cadena principal de carbono es superior a aproximadamente 17. Con sus unidades repetidas de –CH 2 , los alcanos constituyen un homólogo serie de compuestos orgánicos en los que los miembros difieren en masa molecular en múltiplos de 14.03  u (la masa total de cada unidad de puente de metileno , que comprende un solo átomo de carbono de 12.01 uy dos átomos de hidrógeno de ~ 1.01 u cada uno) .

El metano es producido por bacterias metanogénicas y algunos alcanos de cadena larga funcionan como feromonas en ciertas especies animales o como ceras protectoras en plantas y hongos. Sin embargo, la mayoría de los alcanos no tienen mucha actividad biológica . Pueden verse como árboles moleculares sobre los que se pueden colgar los grupos funcionales más activos / reactivos de moléculas biológicas.

Los alcanos tienen dos fuentes comerciales principales: petróleo (petróleo crudo) y gas natural .

Un grupo alquilo es un fragmento molecular a base de alcano que tiene una valencia abierta para la unión. Generalmente se abrevian con el símbolo de cualquier grupo organilo, R, aunque a veces se usa Alk para simbolizar específicamente un grupo alquilo (en oposición a un grupo alquenilo o grupo arilo).

Estructura y clasificación

Normalmente, la distancia del enlace simple CC es 1,53 Å. [3] Los hidrocarburos saturados pueden ser lineales, ramificados o cíclicos . El tercer grupo a veces se llama cicloalcanos . [1] Es posible realizar estructuras muy complicadas combinando alcanos lineales, ramificados y cíclicos.

Isomería

Alcanos y cicloalcanos C 4 (de izquierda a derecha): n -butano e isobutano son los dos isómeros C 4 H 10 ; ciclobutano y metilciclopropano son los dos isómeros de alcano C 4 H 8 .
El biciclo [1.1.0] butano es el único alcano C 4 H 6 y no tiene isómero alcano; tetrahedrano (abajo) es el único alcano C 4 H 4 y por lo tanto no tiene isómero alcano.
Tetrahedrano

Los alcanos con más de tres átomos de carbono se pueden organizar de varias formas, formando isómeros estructurales . El isómero más simple de un alcano es aquel en el que los átomos de carbono están dispuestos en una sola cadena sin ramificaciones. Este isómero a veces se denomina isómero n ( n para "normal", aunque no es necesariamente el más común). Sin embargo, la cadena de átomos de carbono también puede estar ramificada en uno o más puntos. El número de posibles isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono. Por ejemplo, para alcanos acíclicos: [4]

  • C 1 : solo metano
  • C 2 : solo etano
  • C 3 : solo propano
  • Isómeros C 4 : 2: butano e isobutano
  • Isómeros C 5 : 3: pentano , isopentano y neopentano
  • Isómeros C 6 : 5: hexano , 2-metilpentano , 3-metilpentano , 2,2-dimetilbutano y 2,3-dimetilbutano
  • Isómeros C 7 : 9: heptano , metilhexano (2 isómeros), dimetilpentano (4 isómeros), 3-etilpentano , 2,2,3-trimetilbutano
  • C 8 : 18 isómeros: octano , 2-metilheptano , 3-metilheptano , 2,3-dimetilhexano , 3,4-dimetilhexano , 2,3,4-trimetilpentano , 3,3-dimetilhexano , 2,2-trimetilpentano , 2, 4-dimetilhexano , 2,2,4-trimetilpentano , 2,3,3-trimetilpentano , 3,3,4-trimetilpentano , 3,4,4-trimetilpentano , 2,4,4-trimetilpentano , (5 isómeros)
  • C 9 : 35 isómeros
  • C 10 : 75 isómeros
  • C 12 : 355 isómeros
  • C 32 : 27,711,253,769 isómeros
  • C 60 : 22,158,734,535,770,411,074,184 isómeros, muchos de los cuales no son estables.

Los alcanos ramificados pueden ser quirales . Por ejemplo, el 3-metilhexano y sus homólogos superiores son quirales debido a su centro estereogénico en el átomo de carbono número 3. La lista anterior solo incluye diferencias de conectividad, no estereoquímica. Además de los isómeros de alcano, la cadena de átomos de carbono puede formar uno o más anillos. Dichos compuestos se denominan cicloalcanos y también se excluyen de la lista anterior porque cambiar el número de anillos cambia la fórmula molecular . El ciclobutano y el metilciclopropano son isómeros entre sí, pero no son isómeros del butano. [ cita requerida ]

Nomenclatura

La nomenclatura de la IUPAC (forma sistemática de denominar compuestos) para los alcanos se basa en la identificación de cadenas de hidrocarburos. Las cadenas de hidrocarburos saturados no ramificados se nombran sistemáticamente con un prefijo numérico griego que indica el número de carbonos y el sufijo "-ane". [5]

En 1866, August Wilhelm von Hofmann sugirió sistematizar la nomenclatura utilizando toda la secuencia de vocales a, e, i, o y u para crear los sufijos -ane, -ene, -ine (o -yne), -one, -une, para los hidrocarburos C n H 2 n +2 , C n H 2 n , C n H 2 n −2 , C n H 2 n −4 , C n H 2 n −6 . [6] Ahora, los tres primeros nombres de hidrocarburos con enlaces simples, dobles y triples; [7] "-one" representa uncetona ; "-ol" representa un alcohol o un grupo OH; "-oxi-" significa un éter y se refiere a oxígeno entre dos carbonos, de modo que metoximetano es el nombre IUPAC para dimetiléter . [8]

Es difícil o imposible encontrar compuestos con más de un nombre IUPAC . Esto se debe a que las cadenas más cortas unidas a cadenas más largas son prefijos y la convención incluye corchetes. Los números en el nombre, que se refieren al carbono al que está unido un grupo, deben ser lo más bajos posible para que se implique 1 y generalmente se omita en los nombres de compuestos orgánicos con un solo grupo lateral. Los compuestos simétricos tendrán dos formas de llegar al mismo nombre. [ cita requerida ]

Alcanos lineales

Los alcanos de cadena lineal a veces se indican con el prefijo "n-" o " n -" (para "normal") cuando existe un isómero no lineal . Aunque esto no es estrictamente necesario, el uso es todavía común en los casos en que hay una importante diferencia en las propiedades entre la de cadena lineal y los isómeros de cadena ramificada, por ejemplo, " n -butano " en lugar de simplemente "butano", para distinguirla de isobutano . Los nombres alternativos para este grupo son: parafinas lineales o n- parafinas . [ cita requerida ]

Los primeros seis miembros de la serie (en términos de número de átomos de carbono) se nombran de la siguiente manera:

metano
CH 4 - un carbono y 4 hidrógeno
etano
C 2 H 6 - dos carbonos y 6 de hidrógeno
propano
C 3 H 8 - tres carbonos y 8 de hidrógeno
butano
C 4 H 10 - cuatro carbonos y 10 de hidrógeno
pentano
C 5 H 12 - cinco de carbono y 12 de hidrógeno
hexano
C 6 H 14 - seis de carbono y 14 de hidrógeno

Los primeros cuatro nombres se derivaron de metanol , éter , ácido propiónico y ácido butírico . Los alcanos con cinco o más átomos de carbono se nombran agregando el sufijo -ane al prefijo del multiplicador numérico apropiado [9] con elisión de cualquier vocal terminal ( -a o -o ) del término numérico básico. Por tanto, pentano , C 5 H 12 ; hexano , C _ { 6} H _ { 14} ; heptano , C 7 H16 ; octano , C _ { 8} H _ { 18} ; etc. El prefijo numérico es generalmente griego, sin embargo, los alcanos con un número de átomos de carbono que termina en nueve, por ejemplo nonano , usan el prefijo latino non- . Para obtener una lista más completa, consulte la lista de alcanos de cadena lineal .

Alcanos ramificados

Modelo de bola y palo de isopentano (nombre común) o 2-metilbutano (nombre sistemático IUPAC)

Los alcanos ramificados simples a menudo tienen un nombre común que usa un prefijo para distinguirlos de los alcanos lineales, por ejemplo, n -pentano , isopentano y neopentano .

Las convenciones de nomenclatura de la IUPAC se pueden utilizar para producir un nombre sistemático.

Los pasos clave en la denominación de alcanos ramificados más complicados son los siguientes: [10]

  • Identificar la cadena continua más larga de átomos de carbono.
  • Nombra esta cadena raíz más larga usando reglas de nomenclatura estándar
  • Nombra cada cadena lateral cambiando el sufijo del nombre del alcano de "-ane" a "-yl"
  • Numere la cadena continua más larga para dar el menor número posible de cadenas laterales [11]
  • Numere y nombre las cadenas laterales antes del nombre de la cadena raíz
  • Si hay varias cadenas laterales del mismo tipo, use prefijos como "di-" y "tri-" para indicarlo como tal, y numere cada uno.
  • Agregue los nombres de las cadenas laterales en orden alfabético (sin tener en cuenta los prefijos "di-", etc.) delante del nombre de la cadena raíz
Comparación de nomenclaturas para tres isómeros de C 5 H 12
Nombre comúnn -pentanoisopentanoneopentano
Nombre IUPACpentano2-metilbutano2,2-dimetilpropano
EstructuraPentane-2D-Skeletal.svgIsopentane-2D-skeletal.pngNeopentane-2D-skeletal.png

Hidrocarburos cíclicos saturados

Aunque técnicamente es distinto de los alcanos, algunos se refieren a esta clase de hidrocarburos como los "alcanos cíclicos". Como implica su descripción, contienen uno o más anillos. [ cita requerida ]

Los cicloalcanos simples tienen un prefijo "ciclo-" para distinguirlos de los alcanos. Los cicloalcanos se nombran según sus contrapartes acíclicas con respecto al número de átomos de carbono en sus cadenas principales, por ejemplo, el ciclopentano (C 5 H 10 ) es un cicloalcano con 5 átomos de carbono al igual que el pentano (C 5 H 12 ), pero están unidos en un anillo de cinco miembros. De manera similar, propano y ciclopropano , butano y ciclobutano , etc. [ cita requerida ]

Los cicloalcanos sustituidos se denominan de forma similar a los alcanos sustituidos: se indica el anillo de cicloalcano y los sustituyentes están de acuerdo con su posición en el anillo, con la numeración decidida por las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog . [9]

Nombres triviales / comunes

El nombre trivial (no sistemático ) de los alcanos es 'parafinas'. Juntos, los alcanos se conocen como la "serie de la parafina". Los nombres triviales de los compuestos suelen ser artefactos históricos. Se acuñaron antes del desarrollo de nombres sistemáticos y se han conservado debido al uso familiar en la industria. Los cicloalcanos también se denominan naftenos. [12] [13]

Es casi seguro que el término 'parafina' proviene de la industria petroquímica . Los alcanos de cadena ramificada se denominan isoparafinas . El uso del término "parafina" es un término general y, a menudo, no distingue entre compuestos puros y mezclas de isómeros , es decir, compuestos de la misma fórmula química , por ejemplo, pentano e isopentano . [ cita requerida ]

En IUPAC

Los siguientes nombres triviales se conservan en el sistema IUPAC:

  • isobutano para 2-metilpropano
  • isopentano para 2-metilbutano
  • neopentano por 2,2-dimetilpropano.
No IUPAC

En ocasiones se utilizan algunos nombres triviales que no pertenecen a la IUPAC:

  • cetano, para hexadecano
  • cerano, para hexacosano [14]

Propiedades físicas

Todos los alcanos son incoloros. [15] [16] Los alcanos con los pesos moleculares más bajos son los gases, los de peso molecular intermedio son los líquidos y los más pesados ​​son los sólidos cerosos. [ cita requerida ] [17]

Tabla de alcanos

AlcanoFórmulaPunto de ebullición [° C]Punto de fusión [° C]Densidad [kg / m 3 ] (a 20 ° C )Isómeros
MetanoCH 4-162−1820,656 (gas)1
EtanoC 2 H 6−89−1831,26 (gas)1
PropanoC 3 H 8−42−1882,01 (gas)1
ButanoC 4 H 100−1382,48 (gas)2
PentanoC 5 H 1236−130626 (líquido)3
HexanoC 6 H 1469−95659 (líquido)5
HeptanoC 7 H 1698−91684 (líquido)9
OctanoC 8 H 18126−57703 (líquido)18
NonanoC 9 H 20151−54718 (líquido)35
DecanoC 10 H 22174−30730 (líquido)75
UndecanoC 11 H 24196−26740 (líquido)159
DodecanoC 12 H 26216−10749 (líquido)355
TridecanoC 13 H 28235-5,4756 (líquido)802
TetradecanoC 14 H 302535.9763 (líquido)1858
PentadecanoC 15 H 3227010769 (líquido)
HexadecanoC 16 H 3428718773 (líquido)
HeptadecanoC 17 H 3630322777 (sólido)
OctadecanoC 18 H 3831728781 (sólido)
NonadecanoC 19 H 4033032785 (sólido)
IcosaneC 20 H 4234337789 (sólido)
TriacontanoC 30 H 6245066810 (sólido)
TetracontanoC 40 H 8252582817 (sólido)
PentacontanoC 50 H 10257591824 (sólido)
HexacontanoC 60 H 122625100829 (sólido)
HeptacontanoC 70 H 142653109869 (sólido)

Punto de ebullición

Puntos de fusión (azul) y de ebullición (naranja) de los primeros 16 n- alcanos en ° C.

Los alcanos experimentan fuerzas intermoleculares de van der Waals . Las fuerzas intermoleculares de van der Waals más fuertes dan lugar a mayores puntos de ebullición de los alcanos. [18]

Hay dos determinantes para la fuerza de las fuerzas de van der Waals:

  • el número de electrones que rodean la molécula , que aumenta con el peso molecular del alcano
  • el área de superficie de la molécula

En condiciones estándar , los alcanos de CH 4 a C 4 H 10 son gaseosos; de C 5 H 12 a C 17 H 36 son líquidos; y después de C 18 H 38 son sólidos. Como el punto de ebullición de los alcanos se determina principalmente por el peso, no debería sorprender que el punto de ebullición tenga una relación casi lineal con el tamaño ( peso molecular ) de la molécula. Como regla general, el punto de ebullición aumenta entre 20 y 30 ° C por cada carbono agregado a la cadena; esta regla se aplica a otras series homólogas. [18]

Un alcano de cadena lineal tendrá un punto de ebullición más alto que un alcano de cadena ramificada debido a la mayor área de superficie en contacto, por lo tanto, las mayores fuerzas de van der Waals, entre moléculas adyacentes. Por ejemplo, compare isobutano (2-metilpropano) y n-butano (butano), que hierven a -12 y 0 ° C, y 2,2-dimetilbutano y 2,3-dimetilbutano que hierven a 50 y 58 ° C, respectivamente. . [18] Para el último caso, dos moléculas de 2,3-dimetilbutano pueden "bloquearse" entre sí mejor que el 2,2-dimetilbutano en forma de cruz, de ahí las mayores fuerzas de van der Waals. [ cita requerida ]

Por otro lado, los cicloalcanos tienden a tener puntos de ebullición más altos que sus contrapartes lineales debido a las conformaciones bloqueadas de las moléculas, que dan un plano de contacto intermolecular. [19]

Puntos de fusión

Los puntos de fusión de los alcanos siguen una tendencia similar a los puntos de ebullición.por la misma razón descrita anteriormente. Es decir, (en igualdad de condiciones) cuanto más grande es la molécula, mayor es el punto de fusión. Existe una diferencia significativa entre los puntos de ebullición y los puntos de fusión. Los sólidos tienen una estructura más rígida y fija que los líquidos. Esta estructura rígida requiere energía para romperse. Por lo tanto, las estructuras sólidas mejor ensambladas requerirán más energía para romperse. Para los alcanos, esto se puede ver en el gráfico anterior (es decir, la línea azul). Los alcanos impares tienen una tendencia más baja en los puntos de fusión que los alcanos pares. Esto se debe a que los alcanos pares se empaquetan bien en la fase sólida, formando una estructura bien organizada, que requiere más energía para separarse. Los alcanos impares se empaquetan peor y, por lo tanto, la estructura de empaquetamiento sólida organizada "más suelta" requiere menos energía para romperse.[20] Para una visualización de las estructuras cristalinas, ver. [21]

Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser más altos o más bajos que los de los alcanos de cadena lineal correspondientes, de nuevo dependiendo de la capacidad del alcano en cuestión para empaquetarse bien en la fase sólida: esto es particularmente cierto para los isoalcanos (2 -isómeros de metilo), que a menudo tienen puntos de fusión más altos que los de los análogos lineales. [ cita requerida ]

Conductividad y solubilidad

Los alcanos no conducen electricidad de ninguna manera, ni están sustancialmente polarizados por un campo eléctrico . Por esta razón, no forman enlaces de hidrógeno y son insolubles en disolventes polares como el agua. Dado que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua individuales se alejan de una molécula de alcano, la coexistencia de un alcano y agua conduce a un aumento en el orden molecular (una reducción de la entropía ). Como no existe un enlace significativo entre las moléculas de agua y las moléculas de alcanos, la segunda ley de la termodinámica sugiere que esta reducción en la entropía debe minimizarse minimizando el contacto entre el alcano y el agua: se dice que los alcanos son hidrófobosya que repelen el agua. [ cita requerida ]

Su solubilidad en disolventes apolares es relativamente alta, una propiedad que se llama lipofilia . Los alcanos son, por ejemplo, miscibles en todas las proporciones entre sí. [ cita requerida ]

La densidad de los alcanos suele aumentar con el número de átomos de carbono, pero sigue siendo menor que la del agua. Por lo tanto, los alcanos forman la capa superior en una mezcla de alcano-agua. [22]

Geometría molecular

sp 3 - hibridación en metano .

La estructura molecular de los alcanos afecta directamente a sus características físicas y químicas. Se deriva de la configuración electrónica del carbono , que tiene cuatro electrones de valencia . Los átomos de carbono en los alcanos siempre tienen hibridación sp 3 , es decir, se dice que los electrones de valencia están en cuatro orbitales equivalentes derivados de la combinación del orbital 2s y los tres orbitales 2p. Estos orbitales, que tienen energías idénticas, están dispuestos espacialmente en forma de tetraedro , el ángulo de cos −1 (-1/3) ≈ 109,47 ° entre ellos. [ cita requerida ]

Longitudes de enlace y ángulos de enlace

Un alcano tiene solo enlaces simples C – H y C – C. El primero es el resultado de la superposición de un orbital sp 3 de carbono con el orbital 1s de un hidrógeno; el último por la superposición de dos orbitales sp 3 en átomos de carbono adyacentes. Las longitudes de los enlaces ascienden a 1,09 × 10 −10  m para un enlace C – H y 1,54 × 10 –10  m para un enlace C – C. [ cita requerida ]

La estructura tetraédrica del metano.

La disposición espacial de los enlaces es similar a la de los cuatro orbitales sp 3 : están dispuestos tetraédricamente, con un ángulo de 109,47 ° entre ellos. Las fórmulas estructurales que representan los enlaces en ángulos rectos entre sí, aunque son comunes y útiles, no se corresponden con la realidad. [ cita requerida ]

Conformación

La fórmula estructural y los ángulos de enlace no suelen ser suficientes para describir completamente la geometría de una molécula. Hay un grado adicional de libertad para cada enlace carbono-carbono: el ángulo de torsión entre los átomos o grupos unidos a los átomos en cada extremo del enlace. La disposición espacial descrita por los ángulos de torsión de la molécula se conoce como su conformación .

Proyecciones de Newman de las dos conformaciones de etano: eclipsadas a la izquierda, escalonadas a la derecha.
Modelos de bola y palo de los dos rotámeros de etano

El etano constituye el caso más simple para estudiar la conformación de los alcanos, ya que solo hay un enlace C – C. Si uno mira hacia abajo del eje del enlace C – C, verá la llamada proyección de Newman . Los átomos de hidrógeno en los átomos de carbono delanteros y traseros tienen un ángulo de 120 ° entre ellos, como resultado de la proyección de la base del tetraedro sobre un plano plano. Sin embargo, el ángulo de torsión entre un átomo de hidrógeno dado unido al carbono delantero y un átomo de hidrógeno dado unido al carbono trasero puede variar libremente entre 0 ° y 360 °. Ésta es una consecuencia de la rotación libre alrededor de un enlace sencillo carbono-carbono. A pesar de esta aparente libertad, solo dos conformaciones limitantes son importantes: la conformación eclipsada y la conformación escalonada .

Las dos conformaciones difieren en energía: la conformación escalonada es 12,6 kJ / mol menor en energía (más estable) que la conformación eclipsada (la menos estable).

Esta diferencia de energía entre las dos conformaciones, conocida como energía de torsión , es baja en comparación con la energía térmica de una molécula de etano a temperatura ambiente. Existe una rotación constante alrededor del enlace C – C. El tiempo que tarda una molécula de etano en pasar de una conformación escalonada a la siguiente, equivalente a la rotación de un grupo CH 3 en 120 ° con respecto al otro, es del orden de 10-11  segundos.

El caso de los alcanos superiores es más complejo pero se basa en principios similares, siendo siempre la conformación antiperiplanar la más favorecida alrededor de cada enlace carbono-carbono. Por esta razón, los alcanos generalmente se muestran en zigzag en diagramas o modelos. La estructura real siempre diferirá algo de estas formas idealizadas, ya que las diferencias de energía entre las conformaciones son pequeñas en comparación con la energía térmica de las moléculas: las moléculas de alcanos no tienen una forma estructural fija, independientemente de lo que sugieran los modelos.

Propiedades espectroscópicas

Prácticamente todos los compuestos orgánicos contienen enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno, por lo que muestran algunas de las características de los alcanos en sus espectros. Los alcanos se caracterizan por no tener otros grupos y, por tanto, por la ausencia de otros rasgos espectroscópicos característicos de un grupo funcional como –OH , –CHO , –COOH , etc.

Espectroscopia infrarroja

El modo de estiramiento carbono-hidrógeno proporciona una fuerte absorción entre 2850 y 2960  cm -1 , mientras que el modo de estiramiento carbono-carbono absorbe entre 800 y 1300 cm -1 . Los modos de flexión carbono-hidrógeno dependen de la naturaleza del grupo: los grupos metilo muestran bandas a 1450 cm -1 y 1375 cm -1 , mientras que los grupos metileno muestran bandas a 1465 cm -1 y 1450 cm -1 . Las cadenas de carbono con más de cuatro átomos de carbono muestran una absorción débil alrededor de 725 cm -1 .

Espectroscopia de RMN

Las resonancias de protones de los alcanos generalmente se encuentran en δ H = 0.5–1.5. Las resonancias del carbono 13 dependen del número de átomos de hidrógeno unidos al carbono: δ C = 8–30 (primario, metilo, –CH 3 ), 15–55 (secundario, metileno, –CH 2 -), 20–60 (terciario, metino, C – H) y cuaternario. La resonancia del carbono 13 de los átomos de carbono cuaternarios es característicamente débil, debido a la falta de efecto nuclear Overhauser y al largo tiempo de relajación , y puede perderse en muestras débiles o muestras que no se han analizado durante un tiempo suficientemente largo.

Espectrometría de masas

Los alcanos tienen una alta energía de ionización y el ion molecular suele ser débil. El patrón de fragmentación puede ser difícil de interpretar, pero, en el caso de alcanos de cadena ramificada, la cadena de carbono se escinde preferentemente en los carbonos terciarios o cuaternarios debido a la relativa estabilidad de los radicales libres resultantes . El fragmento resultante de la pérdida de un solo grupo metilo ( M  -15) a menudo está ausente, y otros fragmentos a menudo están espaciados por intervalos de catorce unidades de masa, lo que corresponde a la pérdida secuencial de grupos CH 2 .

Propiedades químicas

Los alcanos son solo débilmente reactivos con la mayoría de los compuestos químicos. Los valores de la constante de disociación ácida (p K a ) de todos los alcanos se estiman en un rango de 50 a 70, dependiendo del método de extrapolación, por lo que son ácidos extremadamente débiles que son prácticamente inertes a las bases (ver: ácidos de carbono ). También son bases extremadamente débiles, que no experimentan protonación observable en ácido sulfúrico puro ( H 0 ~ –12), aunque se sabe que los superácidos que son al menos millones de veces más fuertes los protonan para dar iones alcanio hipercoordinados (ver: ion metanio ) . De manera similar, solo muestran reactividad con los reactivos electrofílicos más fuertes (p. Ej.,dioxiranos y sales que contienen el catión NF 4 + ). En virtud de sus fuertes enlaces C – H (~ 100 kcal / mol) y enlaces C – C (~ 90 kcal / mol, pero generalmente menos accesibles estéricamente), también son relativamente poco reactivos con los radicales libres, aunque muchos radicales deficientes en electrones reaccionará con alcanos en ausencia de otros enlaces ricos en electrones (ver más abajo). Esta inercia es la fuente del término parafinas (con el significado aquí de "falta de afinidad"). En el petróleo crudo, las moléculas de alcanos se han mantenido químicamente sin cambios durante millones de años. [ cita requerida ]

Los radicales libres , moléculas con electrones desapareados, juegan un papel importante en la mayoría de las reacciones de los alcanos, como el craqueo y la reformación, donde los alcanos de cadena larga se convierten en alcanos de cadena más corta y los alcanos de cadena lineal en isómeros de cadena ramificada. Además, son posibles reacciones redox de alcanos que implican radicales libres intermedios, en particular con oxígeno y los halógenos, ya que los átomos de carbono se encuentran en un estado fuertemente reducido; en el caso del metano, el carbono se encuentra en su estado de oxidación más bajo posible (-4). La reacción con oxígeno ( si está presente en cantidad suficiente para satisfacer la estequiometría de la reacción ) conduce a la combustión sin humo, produciendo dióxido de carbono y agua. Halogenación de radicales libreslas reacciones ocurren con halógenos, lo que lleva a la producción de haloalcanos . Además, se ha demostrado que los alcanos interactúan y se unen a ciertos complejos de metales de transición en las reacciones de activación de enlaces C-H . [ cita requerida ]

En alcanos muy ramificados, el ángulo de enlace puede diferir significativamente del valor óptimo (109,5 °) para adaptarse a grupos voluminosos. Tales distorsiones introducen una tensión en la molécula, conocida como obstáculo o tensión estérica . La deformación aumenta sustancialmente la reactividad.

Sin embargo, en general y quizás sorprendentemente, cuando la ramificación no es lo suficientemente extensa como para producir interacciones 1,2- y 1,3-alquil-alquil-estéricas altamente desfavorables (por valor de ~ 3,1 kcal / mol y ~ 3,7 kcal / mol en el caso del eclipsando las conformaciones de butano y pentano, respectivamente) inevitable, los alcanos ramificados son en realidad más termodinámicamente estables que sus isómeros lineales (o menos ramificados). Por ejemplo, el 2,2,3,3-tetrametilbutano altamente ramificado es aproximadamente 1,9 kcal / mol más estable que su isómero lineal, n- octano. [23] Debido a la sutileza de este efecto, las razones exactas de esta regla se han debatido enérgicamente en la literatura química y aún no se han establecido. Varias explicaciones, incluida la estabilización de alcanos ramificados por correlación de electrones, [24]la desestabilización de alcanos lineales por repulsión estérica, [25] estabilización por hiperconjugación neutra, [26] [23] y / o efectos electrostáticos [27] se han propuesto como posibilidades. La controversia está relacionada con la cuestión de si la explicación tradicional de la hiperconjugación es el factor principal que gobierna la estabilidad de los radicales alquilo. [28] [25]

Reacciones con oxígeno (reacción de combustión)

Todos los alcanos reaccionan con el oxígeno en una reacción de combustión , aunque se vuelven cada vez más difíciles de encender a medida que aumenta el número de átomos de carbono. La ecuación general para la combustión completa es:

C n H 2 n +2 + (3/2n  + 1/2) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2
o C n H 2 n +2 + (3 n + 1/2) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2

En ausencia de suficiente oxígeno, se puede formar monóxido de carbono o incluso hollín , como se muestra a continuación:

C n H 2 n +2 + ( n  + 1/2)  O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO
C n H 2 n +2 + (1/2n  + 1/2)  O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  C

Por ejemplo, metano :

2 CH 4 + 3 O 2 → 4 H 2 O + 2 CO
CH 4 + O 2 → 2 H 2 O + C

Consulte la tabla de calor de formación de alcanos para obtener datos detallados. El cambio de entalpía estándar de combustión , Δ c H ⊖ , para los alcanos aumenta en aproximadamente 650 kJ / mol por grupo CH 2 . Los alcanos de cadena ramificada tienen valores más bajos de Δ c H ⊖ que los alcanos de cadena lineal del mismo número de átomos de carbono, por lo que se puede ver que son algo más estables.

Reacciones con halógenos

Los alcanos reaccionan con halógenos en la llamada reacción de halogenación de radicales libres . Los átomos de hidrógeno del alcano son reemplazados progresivamente por átomos de halógeno. Los radicales libres son las especies reactivas que participan en la reacción, que generalmente conduce a una mezcla de productos. La reacción es muy exotérmica con flúor halógeno y puede provocar una explosión. [29]

Estas reacciones son una ruta industrial importante para los hidrocarburos halogenados. Hay tres pasos:

  • Iniciación los radicales halógenos se forman por homólisis . Por lo general, se requiere energía en forma de calor o luz.
  • Entonces tiene lugar la reacción en cadena o propagación : el radical halógeno extrae un hidrógeno del alcano para dar un radical alquilo. Esto reacciona más.
  • Terminación de la cadena donde los radicales se recombinan.

Los experimentos han demostrado que toda halogenación produce una mezcla de todos los isómeros posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles de reacción. Sin embargo, la mezcla producida no es una mezcla estadística: los átomos de hidrógeno secundarios y terciarios se reemplazan preferentemente debido a la mayor estabilidad de los radicales libres secundarios y terciarios. Un ejemplo puede verse en la monobromación de propano: [18]

Monobromación de propano

Cracking

El agrietamiento rompe las moléculas más grandes en otras más pequeñas. Esto se puede hacer con un método térmico o catalítico. El proceso de craqueo térmico sigue un mecanismo homolítico con formación de radicales libres . El proceso de craqueo catalítico implica la presencia de catalizadores ácidos (generalmente ácidos sólidos como sílice-alúmina y zeolitas ), que promueven una rotura heterolítica (asimétrica) de enlaces produciendo pares de iones de cargas opuestas, generalmente un carbocatión y el anión hidruro muy inestable. . Los radicales libres y cationes localizados en carbono son muy inestables y experimentan procesos de reordenamiento de la cadena, escisión de C-C en la posición beta (es decir, agrietamiento) y transferencia de hidrógeno intra e intermolecular o transferencia de hidruro . En ambos tipos de procesos, los intermedios reactivos correspondientes (radicales, iones) se regeneran permanentemente y, por lo tanto, proceden mediante un mecanismo de cadena de autopropagación. La cadena de reacciones termina finalmente por recombinación de radicales o iones. [ cita requerida ]

Isomerización y reformación

Dragan y su colega fueron los primeros en informar sobre la isomerización en alcanos. [30] La isomerización y reformación son procesos en los que los alcanos de cadena lineal se calientan en presencia de un catalizador de platino . En la isomerización, los alcanos se convierten en isómeros de cadena ramificada. Es decir, no pierde carbonos ni hidrógenos, manteniendo el mismo peso molecular. [30] En la reformación, los alcanos se convierten en cicloalcanos o hidrocarburos aromáticos , que desprenden hidrógeno como subproducto. Ambos procesos aumentan el índice de octano de la sustancia. El butano es el alcano más común que se somete al proceso de isomerización, ya que produce muchos alcanos ramificados con altos índices de octanaje.[30]

Otras reacciones

Los alcanos reaccionarán con el vapor en presencia de un catalizador de níquel para dar hidrógeno . Los alcanos pueden ser clorosulfonados y nitrados , aunque ambas reacciones requieren condiciones especiales. La fermentación de alcanos a ácidos carboxílicos tiene cierta importancia técnica. En la reacción de Reed , el dióxido de azufre , el cloro y la luz convierten los hidrocarburos en cloruros de sulfonilo . Abstracción nucleofílicase puede utilizar para separar un alcano de un metal. Los grupos alquilo se pueden transferir de un compuesto a otro mediante reacciones de transmetalación . Una mezcla de pentafluoruro de antimonio (SbF 5 ) y ácido fluorosulfónico (HSO 3 F), llamado ácido mágico , puede protonar alcanos. [31]

Ocurrencia

Aparición de alcanos en el Universo

El metano y el etano constituyen una pequeña proporción de la atmósfera de Júpiter .
Extracción de petróleo, que contiene muchos hidrocarburos distintos , incluidos los alcanos.

Los alcanos forman una pequeña porción de las atmósferas de los planetas gaseosos exteriores como Júpiter (0,1% de metano, 2  ppm de etano), Saturno (0,2% de metano, 5 ppm de etano), Urano (1,99% de metano, 2,5 ppm de etano) y Neptuno ( 1,5% de metano, 1,5 ppm de etano). Titán (1,6% de metano), un satélite de Saturno, fue examinado por la sonda Huygens , que indicó que la atmósfera de Titán llueve periódicamente metano líquido sobre la superficie de la luna. [32] También en Titán, la misión Cassini ha captado imágenes de lagos estacionales de metano / etano cerca de las regiones polares de Titán. Metano y etanoTambién se han detectado en la cola del cometa Hyakutake . El análisis químico mostró que las abundancias de etano y metano eran aproximadamente iguales, lo que se cree que implica que sus hielos se formaron en el espacio interestelar, lejos del Sol, lo que habría evaporado estas moléculas volátiles. [33] También se han detectado alcanos en meteoritos como las condritas carbonáceas .

Aparición de alcanos en la Tierra

Las trazas de gas metano (aproximadamente 0,0002% o 1745 ppb) se encuentran en la atmósfera de la Tierra, producidas principalmente por microorganismos metanogénicos , como Archaea, en el intestino de los rumiantes. [34]

Las fuentes comerciales más importantes de alcanos son el gas natural y el petróleo . [18] El gas natural contiene principalmente metano y etano, con algo de propano y butano : el aceite es una mezcla de alcanos líquidos y otros hidrocarburos . Estos hidrocarburos se formaron cuando los animales y plantas marinos (zooplancton y fitoplancton) murieron y se hundieron hasta el fondo de mares antiguos y se cubrieron de sedimentos en un ambiente anóxico y se convirtieron durante muchos millones de años a altas temperaturas y alta presión a su forma actual. De este modo, el gas natural resultó, por ejemplo, de la siguiente reacción:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Estos depósitos de hidrocarburos, recolectados en rocas porosas atrapadas debajo de rocas impermeables, comprenden campos petrolíferos comerciales . Se han formado durante millones de años y, una vez agotados, no se pueden reemplazar fácilmente. El agotamiento de estas reservas de hidrocarburos es la base de lo que se conoce como crisis energética .

El metano también está presente en lo que se llama biogás , producido por animales y materia en descomposición, que es una posible fuente de energía renovable .

Los alcanos tienen una baja solubilidad en agua, por lo que el contenido en los océanos es insignificante; sin embargo, a altas presiones y bajas temperaturas (como en el fondo de los océanos), el metano puede cocristalizar con agua para formar un clatrato de metano sólido (hidrato de metano). Aunque esto no se puede explotar comercialmente en la actualidad, la cantidad de energía combustible de los campos de clatrato de metano conocidos excede el contenido de energía de todos los depósitos de gas natural y petróleo juntos. El metano extraído del clatrato de metano es, por tanto, un candidato para futuros combustibles.

Ocurrencia biológica

Los alcanos acíclicos ocurren en la naturaleza de varias formas.

Bacterias y arqueas
Las arqueas metanogénicas en el intestino de esta vaca son responsables de parte del metano en la atmósfera de la Tierra.

Ciertos tipos de bacterias pueden metabolizar alcanos: prefieren cadenas de carbono pares, ya que son más fáciles de degradar que las cadenas impares. [35]

Por otro lado, ciertas arqueas , los metanógenos , producen grandes cantidades de metano mediante el metabolismo del dióxido de carbono u otros compuestos orgánicos oxidados . La energía se libera por oxidación del hidrógeno :

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Los metanógenos también son productores de gas de marisma en los humedales . La producción de metano del ganado y otros herbívoros , que pueden liberar de 30 a 50 galones por día, [36] y de las termitas , [37] también se debe a los metanógenos. También producen este alcanos, el más simple de todos, en los intestinos de los humanos. Las arqueas metanogénicas están, por lo tanto, al final del ciclo del carbono , y el carbono se libera nuevamente a la atmósfera después de haber sido fijado por fotosíntesis . Es probable que nuestros depósitos actuales de gas natural se hayan formado de manera similar. [38]

Hongos y plantas

Los alcanos también juegan un papel, aunque menor, en la biología de los tres grupos eucariotas de organismos: hongos , plantas y animales. Algunas levaduras especializadas, por ejemplo, Candida tropicale , Pichia sp., Rhodotorula sp., Pueden utilizar alcanos como fuente de carbono o energía. El hongo Amorphotheca resinae prefiere los alcanos de cadena más larga en el combustible de aviación y puede causar serios problemas a las aeronaves en las regiones tropicales. [39]

En las plantas, los alcanos sólidos de cadena larga se encuentran en la cutícula de la planta y en la cera epicuticular de muchas especies, pero rara vez son constituyentes importantes. [40] Protegen la planta contra la pérdida de agua, previenen la lixiviación de minerales importantes por la lluvia y protegen contra bacterias, hongos e insectos dañinos. Las cadenas de carbono en los alcanos de las plantas suelen ser de número impar, de entre 27 y 33 átomos de carbono de longitud [40] y están formadas por las plantas mediante la descarboxilación de ácidos grasos de número par.. La composición exacta de la capa de cera no solo depende de la especie, sino que también cambia con la estación y factores ambientales como las condiciones de iluminación, la temperatura o la humedad. [40]

Los alcanos de cadena corta más volátiles también se producen y se encuentran en los tejidos vegetales. El pino de Jeffrey se caracteriza por producir niveles excepcionalmente altos de n - heptano en su resina, por lo que su destilado fue designado como el punto cero para un octanaje . También se sabe desde hace mucho tiempo que los aromas florales contienen componentes de alcanos volátiles, y el n - nonano es un componente importante en el aroma de algunas rosas . [41] Emisión de alcanos volátiles y gaseosos como etano , pentano y hexanopor plantas también se ha documentado en niveles bajos, aunque generalmente no se considera que sean un componente importante de la contaminación biogénica del aire. [42]

Los aceites vegetales comestibles también suelen contener pequeñas fracciones de alcanos biogénicos con un amplio espectro de números de carbonos, principalmente de 8 a 35, por lo general alcanzando su punto máximo en los 20 inferiores a superiores, con concentraciones de hasta docenas de miligramos por kilogramo (partes por millón en peso) y a veces más de cien para la fracción total de alcanos. [43]

Animales

Los alcanos se encuentran en productos animales, aunque son menos importantes que los hidrocarburos insaturados. Un ejemplo es el aceite de hígado de tiburón, que contiene aproximadamente un 14% de pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C 19 H 40 ). Son importantes como feromonas , materiales mensajeros químicos, de los que dependen los insectos para comunicarse. En algunas especies, por ejemplo, el escarabajo de soporte Xylotrechus colonus , el pentacosano (C 25 H 52 ), el 3-metilpentaicosano (C 26 H 54 ) y el 9-metilpentaicosano (C 26 H 54 ) se transfieren por contacto corporal. Con otros como elmosca tsetsé Glossina morsitans morsitans , la feromona contiene los cuatro alcanos 2-metilheptadecano (C 18 H 38 ), 17,21-dimetilheptatriacontano (C 39 H 80 ), 15,19-dimetilheptatriacontano (C 39 H 80 ) y 15,19, 23-trimetilheptatriacontano (C 40 H 82 ), y actúa por el olfato en distancias más largas. Las abejas melíferas danzarinas producen y liberan dos alcanos, tricosano y pentacosano. [44]

Relaciones ecológicas

Orquídea araña temprana ( Ophrys sphegodes )

Un ejemplo, en el que juegan un papel tanto los alcanos vegetales como los animales, es la relación ecológica entre la abeja de arena ( Andrena nigroaenea ) y la orquídea araña temprana ( Ophrys sphegodes ); la última depende de la polinización de la primera. Las abejas de arena usan feromonas para identificar a una pareja; En el caso de A. nigroaenea , las hembras emiten una mezcla de tricosano (C 23 H 48 ), pentacosano (C 25 H 52 ) y heptacosano (C 27 H 56) en la proporción 3: 3: 1, y los machos se sienten atraídos específicamente por este olor. La orquídea aprovecha este arreglo de apareamiento para que la abeja macho recolecte y disemine su polen; partes de su flor no solo se asemejan a la apariencia de las abejas de arena, sino que también producen grandes cantidades de los tres alcanos en la misma proporción que las abejas de arena hembras. Como resultado, numerosos machos son atraídos a las flores e intentan copular con su pareja imaginaria: aunque este esfuerzo no se ve coronado por el éxito de la abeja, permite que la orquídea transfiera su polen, que se dispersará después de la partida de la abeja. macho frustrado a otras flores.

Producción

Refinación de petróleo

Una refinería de petróleo en Martinez, California .

Como se dijo anteriormente, la fuente más importante de alcanos es el gas natural y el petróleo crudo . [18] Los alcanos se separan en una refinería de petróleo mediante destilación fraccionada y se procesan en muchos productos.

Fischer – Tropsch

El proceso Fischer-Tropsch es un método para sintetizar hidrocarburos líquidos, incluidos alcanos, a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Este método se utiliza para producir sustitutos de los destilados de petróleo .

Preparación de laboratorio

Por lo general, hay poca necesidad de sintetizar alcanos en el laboratorio, ya que generalmente están disponibles comercialmente. Además, los alcanos generalmente no son reactivos química o biológicamente, y no sufren interconversiones de grupos funcionales limpiamente. Cuando se producen alcanos en el laboratorio, a menudo es un subproducto de una reacción. Por ejemplo, el uso de n- butil-litio como base fuerte da el ácido conjugado, n- butano como subproducto:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Sin embargo, a veces puede ser deseable convertir una sección de una molécula en una funcionalidad de tipo alcano ( grupo alquilo ) usando los métodos anteriores o similares. Por ejemplo, un grupo etilo es un grupo alquilo; cuando está unido a un grupo hidroxi , da etanol , que no es un alcano. Para ello, los métodos más conocidos son la hidrogenación de alquenos :

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

Los alcanos o grupos alquilo también se pueden preparar directamente a partir de haluros de alquilo en la reacción de Corey-House-Posner-Whitesides . La desoxigenación de Barton-McCombie [45] [46] elimina los grupos hidroxilo de los alcoholes, p. Ej.

Esquema de desoxigenación de Barton-McCombie

y la reducción de Clemmensen [47] [48] [49] [50] elimina los grupos carbonilo de los aldehídos y cetonas para formar alcanos o compuestos sustituidos con alquilo, por ejemplo:

Reducción de Clemmensen

Preparación de alcanos a partir de otros compuestos orgánicos

Los alcanos se pueden preparar a partir de una variedad de compuestos orgánicos. Estos incluyen alquenos, alquinos, haloalcanos, alcoholes, aldehídos y cetonas y ácidos carboxílicos.

De alquenos y alquinos

Cuando los alquenos y alquinos se someten a una reacción de hidrogenación tratándolos con hidrógeno en presencia de catalizador de paladio o platino o níquel, producen alcanos. En esta reacción, se prefiere el catalizador en polvo para aumentar el área superficial de modo que aumente la adsorción de hidrógeno en el catalizador. En esta reacción, el hidrógeno se une al catalizador para formar un enlace hidrógeno-catalizador que conduce al debilitamiento del enlace HH, lo que conduce a la adición de hidrógeno en alquenos y alquinos. La reacción es exotérmica porque el producto alcano es estable ya que tiene más enlaces sigma que los alquenos y alquinos reactivos debido a la conversión del enlace pi en enlaces sigma. [51]

De haloalcanos

Los alcanos se pueden producir a partir de haloalcanos utilizando diferentes métodos.

Reacción de Wurtz

Cuando el haloalcano se trata con sodio en éter seco, se obtiene un alcano con el doble de átomos de carbono. Esta reacción procede a través de radicales libres intermedios y tiene la posibilidad de formación de alquenos en el caso de haloalcanos terciarios y dihaluros vecinales.

Síntesis de la casa de Corey

Cuando el haloalcano se trata con cuprita de dialquil litio, que también se conoce como reactivo de Gilman, se obtiene cualquier alcano superior.

Reacción con hidruro metálico

Cuando los haloalcanos se tratan con hidruro metálico, por ejemplo, hidruro de sodio e hidruro de litio y aluminio.

Reacción de Frankland

Cuando el haloalcano se trata con zinc en éster, se obtiene un alcano.

Reacción de Fittig

Cuando el haluro de arilo se trata con sodio en éter seco, forma bifenilo.

Síntesis de biarilo de Ullmann

Cuando el haluro de arilo se trata con cobre, forma bifenilo.

Reacción de Wurtz-Fittig

Cuando el haluro de arilo se trata con haloalcano, obtenemos alquilbenceno.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los alcanos dependen del número de átomos de carbono. Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente para calentar y cocinar y, en algunos países, para generar electricidad. El metano y el etano son los componentes principales del gas natural; normalmente se almacenan como gases a presión. Sin embargo, es más fácil transportarlos como líquidos: esto requiere tanto la compresión como el enfriamiento del gas.

El propano y el butano son gases a presión atmosférica que pueden licuarse a presiones bastante bajas y se conocen comúnmente como gas licuado de petróleo (GLP). El propano se utiliza en quemadores de gas propano y como combustible para vehículos de carretera, [52] el butano en calentadores portátiles y encendedores de cigarrillos desechables. Ambos se utilizan como propulsores en aerosoles .

Desde el pentano hasta el octano, los alcanos son líquidos muy volátiles. Se utilizan como combustibles en motores de combustión interna , ya que se vaporizan fácilmente al entrar en la cámara de combustión sin formar gotitas, lo que perjudicaría la uniformidad de la combustión. Se prefieren los alcanos de cadena ramificada, ya que son mucho menos propensos a la ignición prematura, que provoca detonaciones , que sus homólogos de cadena lineal. Esta propensión a la ignición prematura se mide por el índice de octano del combustible, donde el 2,2,4-trimetilpentano ( isooctano ) tiene un valor arbitrario de 100, y el heptanotiene un valor de cero. Aparte de su uso como combustibles, los alcanos medios también son buenos disolventes para sustancias apolares.

Los alcanos desde nonano hasta, por ejemplo, hexadecano (un alcano con dieciséis átomos de carbono) son líquidos de mayor viscosidad , cada vez menos adecuados para su uso en gasolina. En cambio, forman la mayor parte del combustible diesel y de aviación . Los combustibles diesel se caracterizan por su número de cetano, siendo cetano un nombre antiguo para el hexadecano. Sin embargo, los puntos de fusión más altos de estos alcanos pueden causar problemas a bajas temperaturas y en regiones polares, donde el combustible se vuelve demasiado espeso para fluir correctamente.

Los alcanos desde el hexadecano hacia arriba forman los componentes más importantes del fueloil y el aceite lubricante . En esta última función, actúan al mismo tiempo que los agentes anticorrosivos, ya que su naturaleza hidrófoba hace que el agua no llegue a la superficie del metal. Muchos alcanos sólidos se utilizan como cera de parafina , por ejemplo, en velas . Sin embargo, esto no debe confundirse con la cera verdadera , que se compone principalmente de ésteres .

En el betún se encuentran alcanos con una longitud de cadena de aproximadamente 35 o más átomos de carbono , que se utilizan, por ejemplo, en el pavimento de carreteras. Sin embargo, los alcanos superiores tienen poco valor y normalmente se dividen en alcanos inferiores por craqueo .

Algunos polímeros sintéticos como el polietileno y el polipropileno son alcanos con cadenas que contienen cientos o miles de átomos de carbono. Estos materiales se utilizan en innumerables aplicaciones, y cada año se fabrican y utilizan miles de millones de kilogramos de estos materiales.

Transformaciones ambientales

Los alcanos son moléculas apolares químicamente muy inertes que no son muy reactivas como compuestos orgánicos. Esta inercia produce graves problemas ecológicos si se liberan al medio ambiente. Debido a su falta de grupos funcionales y baja solubilidad en agua, los alcanos muestran poca biodisponibilidad para los microorganismos. [53]

Sin embargo, hay algunos microorganismos que poseen la capacidad metabólica de utilizar n- alcanos como fuentes de carbono y de energía. [54] Algunas especies bacterianas están altamente especializadas en la degradación de alcanos; estos se conocen como bacterias hidrocarbonoclasticas. [55]

Peligros

El metano es inflamable, explosivo y peligroso de inhalar; Debido a que es un gas incoloro e inodoro, se debe tener especial cuidado con el metano. [56] El etano también es extremadamente inflamable, explosivo y peligroso de inhalar. [57] Ambos pueden causar asfixia. [56] [57] El propano también es inflamable y explosivo, [58] y puede causar somnolencia o pérdida del conocimiento si se inhala. [58] El butano presenta los mismos peligros que el propano. [59]

Los alcanos también representan una amenaza para el medio ambiente. Los alcanos ramificados tienen una biodegradabilidad menor que los alcanos no ramificados. [60] Se considera que el metano es el gas de efecto invernadero más peligroso para el medio ambiente, [61] aunque la cantidad de metano en la atmósfera es relativamente baja. [61]

Ver también

  • Alqueno
  • Alquino
  • Cicloalcano
  • Alcanos superiores

Referencias

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Lectura adicional

  • Libro de texto virtual de química orgánica
  • Una visualización de las estructuras cristalinas de los alcanos hasta nonan