Os alcanos

Os hidrocarbonetos que não possuem ligações $\pi$ são chamados de hidrocarbonetos saturados ou alcanos. Quando acíclicos, os alcanos apresentam a fórmula geral $\ce{C_nH_{2n+2}},$ em que $n$ representa o número de átomos de carbono.

Alcanos são compostos amplamente encontrados na natureza. O metano, por exemplo, é produto da decomposição anaeróbica de vegetais causada por bactérias. As maiores fontes de alcanos são o gás natural e o petróleo, que são largamente utilizados para suprir grande parte da demanda de energia mundial.

Os átomos de carbono em um alcano possuem hibridização $\mathrm{sp^3}$ e, portanto, geometria tetraédrica.

A nomenclatura dos alcanos

Atualmente, os químicos usam uma nomenclatura sistemática desenvolvida e atualizada pela União Internacional de Química Pura e Aplicada, a IUPAC. O princípio fundamental do sistema IUPAC é: cada composto diferente deve ter um nome diferente e inequívoco.

A seleção da cadeia principal

A primeira etapa para dar o nome de um alcano é identificar a cadeia mais longa, denominada cadeia principal:

Neste exemplo, a cadeia principal tem 9 átomos de carbono. Ao nomear a cadeia principal de uma substância, usamos os nomes da Tab. 4C.1.1. Esses nomes serão usados com muita frequência. Cadeias principais com mais de 10 átomos de carbono serão menos comuns, por isso é essencial memorizar pelo menos as 10 primeiras cadeias principais apresentadas na Tab. 4C.1.1.

termo ciclo é utilizado para indicar a presença de um anel na estrutura de um alcano. Por exemplo, essas substâncias são chamadas de cicloalcanos:

Os substituintes são os grupos ligados à cadeia principal. Se existe uma competição entre duas cadeias de comprimento igual, escolhemos a cadeia com o maior número de substituintes.

Uma vez que a cadeia principal tenha sido identificada, a próxima etapa é listar todos os substituintes.

A nomenclatura dos substituintes

Os substituintes são nomeados com o mesmo radical usado para dar o nome da cadeia principal, utilizando o sufixo -ila. Por exemplo, um substituinte com dois átomos de carbono é chamado um grupo etila. Esses grupos são chamados genericamente de grupos alquila.

No exemplo mostrado anteriormente, os substituintes teriam os seguintes nomes:

Quando um grupo alquila está ligado a um anel, o anel é geralmente considerado como a cadeia principal:

Entretanto, isto só é verdade quando o anel é constituído por mais átomos de carbono que o grupo alquila. No exemplo anterior, o anel é constituído por seis átomos de carbono, enquanto o grupo alquila tem apenas três átomos de carbono. Em contraste, considere o exemplo seguinte, no qual o grupo alquila tem mais átomos de carbono do que o anel. Neste caso, o anel é denominado como um substituinte e é chamado de grupo ciclopropila:

A nomenclatura dos substituintes complexos

Nomear substituintes alquila ramificados é mais complexo do que nomear substituintes de cadeia linear. Por exemplo, considere o seguinte substituinte:

Esse substituinte possui cinco átomos de carbono, mas não pode ser chamado de grupo pentila porque ele não é um grupo alquila de cadeia linear. Em situações como esta, começamos colocando números no substituinte a partir da cadeia principal:

Colocamos os números da cadeia linear mais longa presente no substituinte, e, neste caso, há quatro átomos de carbono. Este grupo é, portanto, considerado um grupo butila que tem um grupo metila ligado a ele na posição 2. Desse modo, este grupo é denominado grupo (2-metilbutila). Em essência, tratamos o substituinte complexo como uma cadeia com os seus próprios substituintes. Ao nomear um substituinte complexo, colocamos o nome do substituinte entre parênteses.

Um grupo alquila tendo três átomos de carbono só pode ser ramificado de uma única maneira e é chamado de grupo isopropila:

Os grupos alquila possuindo quatro átomos de carbono podem ser ramificados de três maneiras diferentes:

Os grupos alquila que tém cinco átomos de carbono podem ser ramificados de muitas maneiras. Aqui estão duas maneiras comuns:

A construção do nome sistemático de um alcano

De modo a construir o nome sistemático de um alcano, numeramos os átomos de carbono da cadeia principal, e esses números são usados para identificar a localização de cada um dos substituintes. Como exemplo, considere as duas substâncias vistas a seguir:

Em cada caso, a localização do grupo metila está claramente identificada com um número, denominado localizador. De modo a atribuir um localizador correto. temos que numerar a cadeia principal adequadamente. o qual pode ser feito seguindo apenas algumas poucas regras:

• Se um substituinte estiver presente, a ele deve ser atribuído o menor número possível. No exemplo, colocam-se os números de modo a que o grupo metila possui localizador $2$, em vez de $6$:

• Quando vários substituintes estão presentes, os números são atribuídos de modo a que o primeiro substituinte receba o menor número. No caso visto a seguir, numeramos a cadeia principal de modo que os substituintes são $2,5,5$ em vez de $3,3,6$, porque queremos que o primeiro localizador seja o menor número possível

• Se houver um empate, então o segundo localizador deve ser tão baixo quanto possível

• Se a regra anterior não desfizer o empate, como no caso visto a seguir, então, o menor número deve ser atribuído alfabeticamente:

• Ao lidar com cicloalcanos, todas as mesmas regras se aplicam, por exemplo:

• Quando um substituinte aparece mais do que uma vez em uma substância, um prefixo é usado para identificar o número de vezes que o substituinte aparece na substância (di, tri, tetra, penta, hexa). Observamos que um hífen é usado para separar os números das letras, enquanto virgulas são usadas para separar dois números entre si.

• Uma vez que todos os substituintes foram identificados e atribuídos aos localizadores adequados, eles são colocados em ordem alfabética. Prefixos (di, tri, tetra, penta, hexa) não são incluídos como parte do esquema de alfabetização. Em outras palavras, dimetil é classificado como se fosse iniciado com a letra m em vez de d. Da mesma forma, sec e terc também são ignorados para fins de alfabetização, no entanto, iso não é ignorado. Em outras palavras, sec-butila é classificado alfabeticamente como um b, enquanto isobutila é classificado alfabeticamente como um i.

Exemplo 4C.1.1

Nomeação sistemática de um alcano

Nomeie a substância:

Etapa 2. Identifique a cadeia principal.

Escolhemos a cadeia mais longa. Para duas cadeias de mesmo comprimento, a cadeia principal deve ser a cadeia com o maior número de substituintes.

Etapa 3. Identifique e nomeie os substituintes.

Etapa 4. Numere a cadeia principal e atribua um localizador para cada substituinte.

Atribua ao primeiro substituinte o menor número possível. Se houver um empate, escolha a cadeia em que o segundo substituinte tem o número mais baixo.

Etapa 5. Distribua os substituintes em ordem alfabética.

Coloque localizadores na frente de cada um dos substituintes. Para substituintes idênticos, usamos di, tri, ou tetra, que são ignorados quando colocados em ordem alfabética.

As propriedades físico-químicas dos alcanos

Os alcanos não ramificados diferem por unidades $\ce{CH2}$. O butano, por exemplo, é $\ce{CH3(CH2)2CH3}$ e o pentano é $\ce{CH3(CH2)3CH3}$. Compostos que apresentam essa regularidade, com diferença de uma unidade constante entre seus membros, constituem uma série homóloga.

Em temperatura ambiente, $\pu{25 \degree C},$ e na pressão de $\pu{1 atm}$, os primeiros quatro membros da série homóloga dos alcanos não ramificados são gases, os alcanos não ramificados $\ce{C5}$–$\ce{C17}$ (do pentano ao heptadecano) são líquidos e os alcanos não ramificados com 18 ou mais átomos de carbono são sólidos.

A densidade dos alcanos

A densidade dos alcanos aumenta com o número de átomos de carbono, alcançando o valor máximo de $\pu{965 kg.m-3},$ no caso do plástico polietileno. Entre os compostos orgânicos, os alcanos e cicloalcanos se destacam por serem os menos densos. Essa característica explica a flutuabilidade do petróleo, uma mistura de hidrocarbonetos rica em alcanos, na água.

A temperatura de ebulição e fusão de alcanos

Os alcanos são compostos pouco polares, e as forças de atração que atuam entre suas moléculas são do tipo dipolo induzido-dipolo induzido. A magnitude dessa força é proporcional à área de contato entre as moléculas; consequentemente, em alcanos lineares, observa-se o aumenta na temperatura de ebulição com o aumento do número de carbonos (Fig. 4C.1.1).

Figura 4C.1.1

Em alcanos de mesmo número de átomos de carbono, a temperatura de ebulição diminui com o aumento do número de ramificações . A ramificação da cadeia faz com que uma molécula fique mais compacta, reduzindo a sua área superficial e a intensidade das forças de dispersão entre ela e as moléculas adjacentes. Isso tem o efeito de diminuir o ponto de ebulição dessas moléculas.

A variação temperatura de fusão não é tão regular como a observada na temperatura de ebulição, por exemplo, a temperatura de fusão do etano é maior que a do propano. Estudos de difração de raios x, que fornecem informações sobre a estrutura molecular, revelaram a razão para essa aparente anomalia. As cadeias dos alcanos com um número par de átomos de carbono empacotam mais densamente no estado cristalino. Como resultado, as forças de atração entre as cadeias individuais são maiores e os pontos de fusão mais elevados. Cicloalcanos também apresentam pontos de fusão muito superiores aos dos alcanos correspondentes de cadeia aberta.

A solubilidade dos alcanos

A solubilidade de alcanos em diversos solventes está diretamente relacionada à sua baixa polaridade. Desse modo, os alcanos são totalmente insolúveis em água e solúveis em solventes pouco polares, como éter dietílico, clorofórmio, benzeno e outros hidrocarbonetos.

A obtenção dos alcanos

A principal fonte de alcanos é o petróleo. O petróleo é uma mistura complexa de compostos orgânicos, muitos dos quais são alcanos e hidrocarbonetos aromáticos. Ele também contém pequenas quantidades de compostos contendo oxigênio, nitrogênio e enxofre.

Algumas das moléculas no petróleo são claramente de origem biológica. A maioria dos cientistas acredita que o petróleo se originou a partir do acúmulo de microrganismos mortos que se localizaram no fundo do mar e que foram soterrados em rochas sedimentares. Esses restos microbianos foram eventualmente transformados em petróleo pelo calor irradiado a partir do centro da Terra.

Nas refinarias de petróleo, os componentes do óleo bruto são separados em frações, pelo processo de destilação fracionada. Os componentes de mais baixa temperatura de ebulição são coletados no topo da coluna de destilação, e os componentes de maior temperatura de ebulição são separados e coletados em vários mais baixos na coluna.

A hidrogenação de alquenos e alquinos

Alcanos podem ser produzidos pela reação de alquenos ou de alquinos com hidrogênio na presença de catalisadores metálicos tais como níquel, paládio e platina:

É necessário um equivalente molar de hidrogênio para reduzir um alqueno a um alcano. São necessários dois equivalentes molares para reduzir um alquino:

A reação geral é aquela na qual os átomos da molécula de hidrogênio são adicionados a cada átomo da ligação dupla ou tripla carbono-carbono do alqueno ou alquino. Isto converte o alqueno ou alquino em um alcano. Por exemplo:

A reação é normalmente realizada pela dissolução do alqueno ou alquino em um solvente, como o etanol. Adiciona-se o catalisador metálico e, então, a mistura é exposta ao gás hidrogênio sob pressão em um aparelho especial. Essa reação será discutida em detalhes no Tópico 4D.