Alcani

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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). Essi sono noti anche come paraffine (dal latino parum affinis) a causa della loro scarsa reattività in condizioni normali. Gli alcani sono detti idrocarburi saturi perché posseggono il massimo numero di idrogeni possibile (mancando in essi i doppi e tripli legami che caratterizzano alcheni e alchini, detti insaturi).

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. Il cracking catalitico è utile inoltre per ottenere benzine ad alto numero di ottano. Un'altra via per l'ottenimento della benzina è il processo Fischer-Tropsch, a partire da miscele gassose di monossido di carbonio e idrogeno in presenza di catalizzatore. Questo metodo è stato impiegato saltuariamente in passato, soprattutto come conseguenza di embarghi petroliferi, e non si esclude che possa tornare in uso nel caso di aumento del prezzo del petrolio.

Negli alcani, gli atomi di 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 di 109.5° tra i legami. Le proiezioni di Newman sono rappresentazioni grafiche della struttura molecolare molto utilizzate per evidenziare i conformeri di un alcano.


Indice

[modifica] Nomenclatura IUPAC

La nomenclatura IUPAC stabilisce le seguenti regole per la denominazione di un alcano:

esempio

Nomenclatura IUPAC alcani
  • individuare la più lunga catena di atomi di carbonio nella struttura; tale catena costituirà la base del nome in funzione del numero di atomi di carbonio che possiede (3: propano, 4: butano, 5: pentano, 6: esano, 7: eptano, 8: ottano, 9: nonano, 10: decano, 11: undecano, etc...)

Nomenclatura IUPAC alcani
5 atomi: pentano
  • numerare gli atomi della catena sequenzialmente partendo da una delle estremità; verrà scelta l'estremità facente sì che gli atomi che recano ramificazioni (uno o più legami con altri atomi di carbonio) abbiano i numeri più bassi possibile

Nomenclatura IUPAC alcani
da sinistra a destra: 2,2,4 --> ok
da destra a sinistra: 2,4,4 --> no
  • nominare le ramificazioni in modo analogo alla catena principale, sostituendo però il suffisso -ano con il suffisso -il (pertanto 1: metil, 2:etil, 3: propil, etc...)
  • raggruppare le ramificazioni in ordine alfabetico e, qualora ne compaia più di una di un tipo nella formula, indicarne la molteplicità tramite l'opportuno prefisso (di-, tri-, tetra-, etc...)

Nomenclatura IUPAC alcani
3 gruppi CH3: tri-metil-
  • il nome è costituito dall'elenco delle ramificazioni precedute dal numero di ogni atomo della catena principale che le ospita, seguito dal nome della catena principale
 Nomenclatura IUPAC alcani


2,2,4-trimetilpentano

[modifica] Preparazione industriale

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"

in cui 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 (ad esempio: benzina dal cracking dei bitumi).

[modifica] Preparazioni per sintesi

In laboratorio, gli alcani possono essere preparati per

RR'C=CHR" + H2 → RR'CH-CH2R"

R-X + Zn + H+ → R-H

1. R-X + Mg → R-Mg-X
2. R-Mg-X + H2O → R-H
  • accoppiamento di alogenuri alchilici via composti di litio dilachilrame
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)
     |                   |
     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.
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).

[modifica] 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
  • cracking

Gli alcani sono la principale fonte industriale di alcheni utilizzati per produzioni di massa. Nelle raffinerie si opera la trasformazione degli alcani in alcheni a temperature di 400 °C in presenza di catalizzatori metallici.

  • reazioni di scambio

Un alcano si trasforma in un alchene per irraggiamento con luce ultravioletta ed in presenza di un accettore di idrogeno, come ad esempio un altro alchene che si riduce a sua volta in alcano.

  • reazioni catalizzate

Grazie alla scoperta di nuovi catalizzatori è possibile trovare trasformazioni degli alcani, anche se non sempre risultano convenienti su scala industriale. Un esmpio è la trasformazione di alcani in alcheni per mezzo di un catalizzatore metallo-organico di Iridio. La trasformazione avviene a soli 200 °C anche in assenza di accettori; lo svantaggio di questo catalizzatore è che si inquina quando l'alchene comincia a concentrarsi, per cui i prodotti devono essere allontanati a mano a mano che si formano[1].

[modifica] Note

  1. ^ C.M. Jensen et Al., Chem. Commun., 1997, 2273

[modifica] Voci correlate

[modifica] Altri progetti

  • chimica Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia

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