알케인
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1. 개요
알케인은 탄소와 수소로만 구성된 포화 탄화수소로, 직선형, 가지형, 고리형 구조로 분류되며, IUPAC 명명법에 따라 명명된다. 탄소 수에 따라 메테인, 에테인, 프로페인, 뷰테인 등이 있으며, 탄소 수가 증가함에 따라 이성질체의 수가 급격히 증가한다. 알케인은 무색 무취이며, 끓는점과 녹는점은 분자량에 비례하며, 전기 전도성이 없고 소수성이다. 알케인은 산소와 반응하여 연소하며, 할로젠과의 치환 반응, 크래킹, 이성질체화 등의 화학 반응을 보인다. 알케인은 연료, 용매, 윤활유, 고분자 재료 등으로 사용되며, 가연성과 신경독성 등의 위험성을 가진다.
포화 탄화 수소는 크게 직선형, 가지형, 고리형의 세 가지 구조로 분류할 수 있다. IUPAC의 정의에 따르면 알케인은 직선형 및 가지형만을 포함하며, 고리형은 별도로 사이클로알케인이라 부른다.[65] 또, 포화 탄화 수소는 세 가지 구조가 조합된 형태로도 존재할 수 있는데, 모든 공유 결합이 단일 결합이라는 조건만 만족하면 이들 또한 알케인의 이성질체로 인정된다.
탄소 수 4개 이상의 알케인은 탄소 원자들이 다양한 구조로 배열될 수 있는데, 이를 구조 이성질체라고 한다. 가장 간단한 알케인 이성질체는 가지 없이 오직 사슬형으로만 배열된 구조로, ''n-''(노말-)이라는 접두사가 붙는다. 탄소 원자들의 배열에 따라 여러 지점에서 가지가 달린 이성질체가 존재하며, 탄소 원자의 개수가 증가함에 따라 이성질체의 숫자가 급격하게 증가한다.[66]
IUPAC 명명법에서는 탄화 수소 사슬에 따라 알케인을 분류한다. 가지가 없는 포화 탄화 수소 사슬은 탄소 개수에 따라 주로 그리스어에서 유래한 숫자 접두사를 붙이며, 접미사로는 '-에인(-ane)'을 붙인다.[67][68] 가지가 있는 탄화수소의 경우, 치환체에 접두사를 붙인 뒤에 가지의 이름을 붙이는 방식으로 명명한다.[67][69]
2. 구조에 따른 분류
3. 이성질체
탄소 수 이성질체 수 이성질체 종류 C1 1 메테인 C2 1 에테인 C3 1 프로페인 C4 2 n-뷰테인, iso-뷰테인 C5 3 펜테인, iso-펜테인, neo-펜테인 C6 5 헥세인, 2-메틸펜테인, 3-메틸펜테인, 2,2-다이메틸뷰테인, 2,3-다이메틸뷰테인 C7 9 헵테인, 2-메틸헥세인, 3-메틸헥세인, 2,2-다이메틸펜테인, 2,3-다이메틸펜테인, 2,4-다이메틸펜테인, 3,3-다이메틸펜테인, 3-에틸펜테인, 2,2,3-트라이메틸뷰테인 C8 18 옥테인, 2-메틸헵테인, 3-메틸헵테인, 4-메틸헵테인, 2,2-다이메틸헥세인, 2,3-다이메틸헥세인, 2,4-다이메틸헥세인, 2,5-다이메틸헥세인, 3,3-다이메틸헥세인, 3,4-다이메틸헥세인, 3-에틸헥세인, 2,2,3-트라이메틸펜테인, 2,2,4-트라이메틸펜테인, 2,3,3-트라이메틸펜테인, 2,3,4-트라이메틸펜테인, 3-에틸-2-메틸펜테인, 3-에틸-3-메틸펜테인, 2,2,3,3-테트라메틸뷰테인 C9 35 35개의 이성질체 C10 75 75개의 이성질체 C12 355 355개의 이성질체 C32 27,711,253,769 27,711,253,769개의 이성질체 C60 22,158,734,535,770,411,074,184 22,158,734,535,770,411,074,184개의 이성질체 (대부분 불안정)
가지 달린 알케인은 손대칭성 화합물을 가질 수 있다. 예를 들어 3-메틸헥세인과 그 이상의 동족체는 탄소 원자 3번에서 입체 중심을 갖기 때문에 키랄성을 띤다. 또, 이러한 이성질체 이외에 고리형의 사이클로알케인을 형성할 수도 있다. 분지된 알케인은 선형(또는 덜 분지된) 이성질체보다 열역학적으로 더 안정하다. 예를 들어, 고도로 분지된 2,2,3,3-테트라메틸뷰테인은 선형 이성질체인 ''n''-옥테인보다 약 1.9kcal/mol 더 안정하다.
4. 명명법
빌헬름 호프만은 1866년에 탄화수소 명명법을 체계화하자고 제안하였다. 그는 모음 a, e, i, o, u를 이용하여 접미사 -ane, -ene, -ine(혹은 -yne), -one, -une 등을 각각 CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2, CnH2n-4, CnH2n-6의 일반식을 갖는 탄화수소 화합물에 이름을 붙이자고 제안하였다.[70] 이들 중 -ane, -ene, -yne는 각각 알케인(alkane), 알켄(alkene, 분자 내에 이중 결합이 존재한다), 알카인(alkyne, 분자 내에 삼중 결합이 존재한다)에 사용되었으며, -one는 케톤을 총칭하는 말로 쓰이고 있다.
고리형 알케인은 접두사 'cyclo-'가 붙어 다른 알케인과 구분된다. 알케인의 관용명은 파라핀(paraffins영어)이다.
탄소 수 4개 이상의 알케인은 탄소 원자들이 다양한 구조로 배열될 수 있는데, 이를 구조 이성질체라고 한다. 가장 간단한 알케인 이성질체는 가지 없이 오직 사슬형으로만 배열된 구조이다. 이는 보통 ''n-''(노말-)이라는 접두사가 붙는다. 탄소 원자들의 배열에 따라 여러 지점에서 가지가 달린 이성질체가 수없이 많이 존재하며, 탄소 원자의 개수가 증가함에 따라 이성질체의 숫자가 급격하게 증가한다.
다음은 탄소 수에 따른 이성질체의 개수이다.[66]탄소 수 이성질체 수 C1 메테인 (1개) C2 에테인 (1개) C3 프로페인 (1개) C4 n-뷰테인, iso-뷰테인 (2개) C5 펜테인, iso-펜테인, neo-펜테인 (3개) C6 헥세인, 2-메틸펜테인, 3-메틸펜테인, 2,2-다이메틸뷰테인, 2,3-다이메틸뷰테인 (5개) C12 355개 C32 27,711,253,769개 C60 22,158,734,535,770,411,074,184개 (대부분 불안정)
4. 1. 사슬형 알케인
곧은 직선으로 이어진 사슬형 알케인은 가지가 달린 이성질체가 존재할 경우 접두사 'n-'(노말-)을 사용하여 이름을 붙인다. 이는 필수 사항은 아니며 보통 접두사가 없을 경우 n-알케인으로 보지만, 이성질체의 성질이 크게 차이가 나면 여전히 중요하게 쓰인다.[71]
탄소 수에 따른 사슬형 알케인의 이름은 다음과 같다.화학식 이름 CH4 메테인 C2H6 에테인 C3H8 프로페인 C4H10 뷰테인 C5H12 펜테인 C6H14 헥세인 C7H16 헵테인 C8H18 옥테인 C9H20 노네인 C10H22 데케인 C11H24 운데케인 C12H26 도데케인 C13H28 트라이데케인 C14H30 테트라데케인 C15H32 펜타데케인 C16H34 헥사데케인
탄소 수가 5개 이상인 알케인은 -ane 접미사와 배수 음절을 나타내는 접두사를 붙여서 사용한다.[67][72] 이때 사용되는 숫자 접두사는 주로 그리스어이다. 그러나 탄소 원자 수가 9개인 알케인은 라틴어 접두사 '''non-'''을 사용한다. 처음 네 개의 이름은 메탄올, 에테르, 프로피온산 및 뷰티르산에서 유래된 역성어이다.
4. 2. 가지 달린 알케인
간단한 가지 달린 알케인은 보통 사슬형 알케인과 구분하기 위한 접두사를 사용한다. 예를 들어 펜테인의 세 가지 이성질체는 n-펜테인, 아이소펜테인, 네오펜테인으로 구분된다.[64][67][73]
일반적으로 복잡한 가지 달린 알케인은 IUPAC 명명법을 사용하여 체계적인 이름을 붙인다. 그 방법은 다음과 같다.
아래는 펜테인의 이성질체를 이름 붙인 것이다.
| 일반명 | n-펜테인 | 아이소펜테인 | 네오펜테인 |
|---|---|---|---|
| IUPAC 이름 | 펜테인 | 2-메틸뷰테인 | 2,2-다이메틸프로페인 |
| 구조 |  |  |  |
알케인의 명명법은 IUPAC 명명법을 따른다. 가지가 있는 알케인은 가장 긴 직쇄를 주간(主幹)으로 하는 알케인에 알킬기가 치환된 것처럼 명명한다.
알케인의 관용명에는 '''iso-'''('''아이소'''), '''neo-'''('''네오''')를 접두사로 하여 직쇄 알킬에 붙여 이성체의 관용명으로 하는 것이 있다. 단, 모든 직쇄 알킬에 적용할 수 있는 명명 규칙은 아니며, IUPAC 명명법에서는 다음 분지 알킬 또는 분지 알킬을 기반으로 한 치환기의 명칭에 iso- 등에서 유도되는 관용명의 사용을 인정하고 있다. 또한, 치환기에 한해서 ''tert''-, ''sec''- 등의 접두사를 붙여 이성체의 분지 알킬기의 관용명 사용을 인정하고 있다.
- '''관용명 사용이 인정되는 분지 알킬'''(하단은 IUPAC 조직명)
| 기가 탄소 사슬 | 치환기 |
|---|---|
| (사용 불가) | --Isopropyl- 2-Propyl- or Prop-2-yl- |
| --Isobutane 2-Methylpropane | --Isobutyl- 2-Methylpropyl- |
| (사용 불가) | --sec-Butyl- 2-Butyl- or But-2-yl- |
| (사용 불가) | --tert-Butyl- 1,1-Dimetylethyl- |
 2-Metylbutane | --Isopentyl- 3-Methylbutyl- |
| --Neopentane 2,2-Dimethylpropane | --Neopentyl- 2,2-Dimethylpropyl- |
| (사용 불가) | -- tert-Pentyl- 1,1-Dimethylpropyl- |
| --Isohexane 2-Metylpentane | --Isohexyl- 4-Metylpentyl- |
4. 3. 고리형 알케인
고리형 알케인은 알케인으로 분류되지 않고 사이클로알케인으로 분류된다. 이들은 다른 알케인과는 달리 분자 구조가 고리형이다. 간단한 사이클로알케인은 접두사 'cyclo-'가 붙어 다른 알케인과 구분된다. 이들은 고리형이 아닌 다른 알케인처럼 탄소 수에 따라 이름이 붙여지지만 고리형의 구조 때문에 수소 원자의 개수가 더 작다. 예를 들어 사이클로펜테인(C5H10)은 n-펜테인처럼 탄소 수가 5이지만 고리 모양을 이루고 있으므로 사이클로펜테인으로 구별된다.치환된 사이클로알케인은 치환된 알케인과 비슷하게 고리 내의 탄소 번호에 따라 명명한다. 이러한 탄소 번호는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 결정된다.[72]
5. 물리적 성질
알케인은 분자 간 반 데르 발스 힘을 받는다. 분자간 힘이 클수록 끓는점이 높아지며[76], 분자량이 클수록, 분자의 표면적이 넓을수록 끓는점이 높아진다. 알케인의 녹는점은 끓는점과 비슷한 경향을 보인다. 탄소 수 18 이상의 고체 알케인은 더 단단한 구조를 가지므로 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 고체 구조가 잘 밀집되어 있을수록 녹는점도 증가한다. 탄소 수가 홀수인 알케인은 짝수인 알케인에 비해 녹는점이 낮은 경향이 있는데, 이는 탄소 수가 짝수인 알케인이 고체 상태일 때 더 밀집한 구조를 가지기 때문이다.[77]
표준 상태에서 탄소 수 4개까지의 알케인은 기체, 탄소 수 5개에서 17개까지의 알케인은 액체, 탄소 수 18개 이상부터는 고체로 존재한다.[64]
모든 알케인은 무색이다.[14][15] 분자량이 가장 작은 알케인은 기체이고, 중간 분자량의 알케인은 액체이며, 가장 무거운 알케인은 왁스 모양의 고체이다.[16][17]
알케인은 수소 결합을 형성하지 않으며 물과 같은 극성 용매에 녹지 않는다. 물에 녹지 않기 때문에 소수성이라고 한다. 비극성 용매에는 잘 녹으며, 이러한 특성을 친유성이라고 한다. 알케인들은 서로 모든 비율로 혼합될 수 있다.
알케인의 밀도는 일반적으로 탄소 원자 수가 증가함에 따라 증가하지만 물의 밀도보다 낮다. 따라서 알케인은 알케인-물 혼합물에서 상층을 형성한다.[23]
5. 1. 끓는점
알케인은 분자 간 반 데르 발스 힘을 겪는다. 이러한 분자간 힘의 누적 효과는 알케인의 끓는점을 높이는 결과를 낳는다.[20]반 데르 발스 힘의 세기에 영향을 미치는 두 가지 요소는 다음과 같다.
- 분자를 둘러싼 전자의 수. 이는 알케인의 분자량과 함께 증가한다.
- 분자의 표면적
표준 상태에서 CH4부터 C4H10까지의 알케인은 기체이고, C5H12부터 C17H36까지는 액체이며, C18H38 이후는 고체이다. 알케인의 끓는점은 주로 무게에 의해 결정되므로, 끓는점이 분자 크기(분자량)와 거의 선형적인 관계를 갖는다는 것은 놀라운 일이 아니다. 일반적으로, 사슬에 탄소가 하나씩 추가될 때마다 끓는점은 20~30 °C씩 상승하며, 이 규칙은 다른 동족체에도 적용된다.[1]
직쇄 알케인은 인접한 분자 사이의 더 큰 표면적 접촉으로 인해 분지쇄 알케인보다 더 높은 끓는점을 갖게 되며, 따라서 더 큰 반 데르 발스 힘을 갖는다. 예를 들어, 아이소뷰테인(2-메틸프로페인)과 n-부테인(부테인)을 비교하면, 각각 −12 °C와 0 °C에서 끓고, 2,2-다이메틸부테인과 2,3-다이메틸부테인은 각각 50 °C와 58 °C에서 끓는다.[1]
반면에, 사이클로알케인은 분자의 고정된 형태 때문에 선형 알케인보다 더 높은 끓는점을 갖는 경향이 있는데, 이는 분자간 접촉의 평면을 제공한다.
분자 구조, 특히 표면적에 의해 끓는점이 결정된다. 분자의 표면적이 작을수록 분자 간에 작용하는 분산력이 작아지므로 끓는점도 낮아진다. 가지 달린 구조를 가지면 표면적은 작아진다. 즉, 탄소수가 큰 알케인일수록 일반적으로 높은 끓는점을 가지며[54], 가지 달린 알케인은 직쇄상 알케인에 비해 낮은 끓는점을 갖는다. 표준 상태에서 부터 까지의 알케인은 기체, 부터 까지는 액체, 이상은 고체이다. 메틸렌 사슬 (−−) 1개당 끓는점은 약 20~30 °C 상승한다. 자세한 내용은 데이터 페이지를 참조하십시오.
5. 2. 녹는점
알케인의 녹는점은 끓는점과 비슷한 경향을 보인다. 즉, 다른 모든 조건이 동일하다면 분자가 클수록 녹는점이 더 높다. 끓는점과 녹는점 사이의 중요한 차이점은 고체가 액체보다 더 경직되고 고정된 구조를 가진다는 것이다. 이러한 경직된 구조는 분해하는 데 에너지가 필요하다. 따라서 더 잘 구성된 고체 구조는 분해하는 데 더 많은 에너지를 필요로 한다.탄소 수가 홀수인 알케인은 짝수인 알케인보다 녹는점 경향이 낮다. 이는 짝수 알케인이 고체 상태에서 잘 쌓여 잘 정돈된 구조를 형성하고, 이를 분해하는 데 더 많은 에너지를 필요로 하기 때문이다. 홀수 알케인은 덜 잘 쌓이므로 "더 느슨하게" 정돈된 고체 포장 구조는 분해하는 데 더 적은 에너지를 필요로 한다.[21]
가지 달린 알케인의 녹는점은 해당 곧은 사슬 알케인보다 높거나 낮을 수 있으며, 이는 해당 알케인이 고체 상태에서 얼마나 잘 밀집되는지에 따라 달라진다.
5. 3. 전기 전도성 및 용해도
알케인은 전기 전도도가 없으며, 전기장에서 비유전율도 매우 낮다. 따라서 이들은 수소 결합을 형성하지 않으며, 물과 같은 극성 용매에 녹지 않는다. 물 분자 간에 작용하는 수소 결합은 알케인 분자를 피해서 형성되므로 알케인과 물을 섞어놓으면 서로의 접촉 면적을 최소화하려는 경향을 나타낸다. 따라서, 알케인은 소수성이며, 방수에 사용할 수 있다. 이와는 반대로 알케인은 무극성 용매에 잘 용해된다.[74][75]5. 4. 분자 구조
알케인의 분자 구조는 물리적 및 화학적 특성에 직접적인 영향을 미친다.[14][15] 이는 4개의 원자가 전자를 가진 탄소의 전자 배치에서 유래된다. 알케인의 탄소 원자는 sp3 혼성 오비탈을 이루는데, 원자가 전자는 2s 오비탈과 세 개의 2p 오비탈의 조합에서 파생된 정사면체의 꼭짓점을 향하는 오비탈에 있다. 기하학적으로 결합 사이의 각도는 cos−1(−) ≈ 109.47°이다.[16][17]
알케인은 C-H 및 C-C 단일 결합만을 갖는다. C-H 결합은 탄소의 sp3 오비탈과 수소의 1s 오비탈이 중첩되어 생성되며, C-C 결합은 인접한 탄소 원자 상의 두 개의 sp3 오비탈이 중첩되어 생성된다. 결합 길이는 C-H 결합의 경우 1.09 × 10−10 m이고 C-C 결합의 경우 1.54 × 10−10 m이다.
결합의 공간 배치는 네 개의 sp3 오비탈의 배열과 유사하며, 109.47°의 각도로 사면체 형태로 배열된다.
분자의 비틀림 각도로 설명되는 C-C 및 C-H 결합의 공간적 배치를 배치라고 한다. 알케인의 배치를 연구하는 가장 간단한 경우인 에테인에서 탄소-탄소 단일 결합을 중심으로 거의 자유로운 회전이 가능하다. 엇갈린 형태는 가려진 형태(가장 불안정)보다 12.6 kJ/mol (3.0 kcal/mol) 더 낮은 에너지(더 안정)를 갖는다.[24]
5. 5. 분광학적 특성
사실상 모든 유기 화합물은 탄소-탄소 결합이나 탄소-수소 결합을 포함하고 있으며, 분광기를 이용해 조사해보면 보통 알케인의 특성이 일부 나타난다. 알케인은 다른 작용기가 거의 없기 때문에, 알케인에서만 나타나는 특징은 적다.NMR 스펙트럼에서 알케인에 국한되지 않고 메틸기의 프로톤은 δ영어 0.7–1.3, 포화 2급 탄소의 프로톤은 δ영어 1.2–1.6, 포화 3급 탄소의 프로톤은 δ영어 1.4–1.8에서 피크를 나타낸다.[58] 탄소-13 공명은 탄소에 결합된 수소 원자의 수에 따라 다르며, 메틸은 δ영어 0–30, 메틸렌은 δ영어 15–55, 메틴은 δ영어 25–55이다.[59] 4차 탄소는 오버하우저 효과의 영향을 거의 받지 않으므로 프로톤을 디커플링한 13C NMR 스펙트럼에서는 특히 피크가 작아진다. 일반적인 측정 조건에서는 피크를 찾을 수 없는 경우도 있다.
5. 5. 1. 적외선 분광법
탄소-수소 결합은 약 2850cm-1~2960cm-1 범위의 진동수에서 강한 흡수 스펙트럼을 나타내며, 탄소-탄소 결합은 약 800cm-1~1300cm-1 범위의 진동수를 가지는 빛을 흡수한다.[25] 탄소-수소 굽힘 모드는 그룹의 특성에 따라 달라진다. 메틸기는 1450cm-1와 1375cm-1에서 밴드를 나타내고, 메틸렌기는 1465cm-1와 1450cm-1에서 밴드를 나타낸다.[26] 탄소 수가 4개 이상인 탄소 사슬은 약 725cm-1 부근에서 약한 흡수를 보인다.5. 5. 2. 질량 분석
알케인은 높은 이온화 에너지를 가지고 있어, 전자 이온화 질량 스펙트럼에서 분자 이온에 대한 약한 전류를 나타낸다.[27] 가지 달린 알케인의 경우, 생성된 자유 라디칼의 상대적 안정성으로 인해 탄소 사슬이 3차 또는 4차 탄소에서 우선적으로 절단된다.[27] 직쇄 알케인의 질량 스펙트럼은 도데칸의 스펙트럼으로 설명된다. 단일 메틸 그룹의 손실(''M'' − 15)로 인한 조각은 존재하지 않으며, 조각은 분자 이온보다 더 강하고 14 질량 단위 간격으로 떨어져 있는데, 이는 CH2 그룹의 손실에 해당한다.[27]6. 화학적 성질
알케인은 강한 C-H 결합과 C-C 결합으로 인해 대부분의 화학 화합물에 대해 반응성이 낮다. 이러한 비활성 때문에 '파라핀'(라틴어로 '친화력이 없다'는 뜻)이라는 이름이 붙었다.[64] 원유 속 알케인은 수백만 년 동안 화학적 변화 없이 존재해왔다.
알케인의 산 해리 상수(p''K''a)는 50~70 사이로 매우 약한 산이며, 염기에도 거의 반응하지 않는다. 또한 매우 약한 염기이므로, 순수한 황산에서는 양성자화가 거의 일어나지 않지만, 매직산과 같은 초강산은 알케인을 양성자화하여 알케인늄 이온을 생성할 수 있다.[28]
알케인은 구성 원소가 흩어져 있는 상태보다 안정하며, 음의 생성열을 갖는다. 직쇄상 알케인은 메틸렌 사슬 1개당 약 -21 kJ/mol의 생성열을 얻는다. 가지 달린 알케인은 직쇄상 알케인보다 약간 더 안정하다. 예를 들어, ''n''-펜테인보다 2-메틸뷰테인이 약 7.5 kJ/mol, 2,2-다이메틸프로페인이 약 21 kJ/mol 더 낮은 생성열을 갖는다.
알케인 내 원자 간 결합 에너지는 C-C 결합의 경우 355±20 kJ/mol, C-H 결합의 경우 400±20 kJ/mol이다.[56]
6. 1. 산소와의 반응 (연소 반응)
모든 알케인은 연소를 통해 산소와 반응한다. 알케인은 산소가 충분히 주어질 때 거의 완전연소하여 물과 이산화 탄소를 발생시킨다. 일반적인 완전 연소 반응식은 다음과 같다.:C''n''H2''n''+2 + (3''n'' + 1)/2 O2 → (''n'' + 1)H2O + ''n''CO2
알케인은 연소될 때 다량의 열을 발생시키므로 연료로 사용된다.
산소가 불충분한 조건에서는 일산화 탄소나 그을음이 생기기도 한다.
:C''n''H2''n''+2 + (''n'' + 1/2)O2 → (''n'' + 1)H2O + ''n''CO
:C''n''H2''n''+2 + (''n'' + 1/2)/2 O2 → (''n'' + 1)H2O + ''n''C
예를 들어, 메테인의 경우 다음과 같다.
:2CH4 + 3O2 → 4H2O + 2CO
:CH4 + O2 → 2H2O + C
알케인의 표준 연소 엔탈피 변화는 CH2 그룹당 약 650 kJ/mol씩 증가한다. 가지 달린 알케인은 동일한 탄소 원자 수의 직쇄 알케인보다 표준 연소 엔탈피 변화 값이 낮으므로 다소 더 안정적이다.
일반적으로 알케인은 밝지 않은 불꽃을 동반하며 연소하고, 그을음은 거의 생성되지 않는다.
6. 2. 할로젠과의 반응
알케인은 할로젠과 반응하여 분자 내의 수소 원자가 할로젠 원자로 치환되는 치환 반응이 일어날 수 있다. 이 반응은 프리 라디칼 할로젠화 반응이라고 불리며, 빛 조사나 가열에 의해 일어난다.[31] 라디칼은 이 반응에서 중요한 역할을 하며, 라디칼이 관여하면 생성물은 이성질체의 혼합물이 되기 쉽다. 반응은 매우 발열적이며, 폭발할 수도 있다.[1]반응은 다음과 같은 세 단계로 진행된다.[31]
# '''개시''': 균일 분해에 의해 할로젠 라디칼이 생성된다. 일반적으로 열이나 빛 형태의 에너지가 필요하다.
# '''연쇄 반응''' (전파): 할로젠 라디칼이 알케인에서 수소를 추출하여 알킬 라디칼을 생성한다. 이것은 추가적으로 반응한다.
# '''연쇄 종결''': 라디칼이 재결합한다.
실험 결과, 모든 할로젠화 반응은 모든 가능한 이성질체의 혼합물을 생성하여 모든 수소 원자가 반응에 취약하다는 것을 나타낸다. 그러나 생성된 혼합물은 통계적이지 않다. 2차 및 3차 수소 원자는 2차 및 3차 라디칼의 더 큰 안정성으로 인해 우선적으로 대체된다.
6. 3. 크래킹
크래킹은 큰 분자를 더 작은 분자로 분해하는 반응이다. 이 반응에는 열이나 촉매가 필요하다. 열 크래킹 과정은 호몰리틱 메커니즘을 따르며 자유 라디칼을 형성한다. 촉매 크래킹 과정은 실리카-알루미나 및 제올라이트와 같은 고체 산 촉매가 사용되며, 이는 헤테롤리틱 (비대칭) 결합 절단을 촉진하여 일반적으로 카보 양이온과 같은 반대 전하를 띤 이온 쌍을 생성한다. 탄소 국소화된 자유 라디칼과 양이온은 모두 매우 불안정하며 사슬 재배열, 베타 위치에서의 C–C 절단 (즉, 크래킹) 및 분자 내 및 분자 간 수소 이동 또는 수소화물 이동 과정을 거친다. 두 가지 유형의 과정 모두에서 해당 반응 중간체 (라디칼, 이온)가 영구적으로 재생되므로 자체 전파 사슬 메커니즘으로 진행된다. 반응 사슬은 결국 라디칼 또는 이온 재결합에 의해 종료된다.부탄 (
- 가장 빈번하게 일어나는 반응 (48%):
CH3-CH 2 결합의 분열 —CH3{\bullet} + {\bullet}CH2-CH2-CH3 이 생성되고, 여러 단계의 반응 후 알케인과 알켄CH4 + CH2=CH-CH3 이 얻어진다. - 두 번째로 빈번하게 일어나는 반응 (38%):
CH2-CH2 결합의 분열 —CH3-CH2{\bullet} + {\bullet}CH2-CH3 이 생성되고, 여러 단계의 반응 후, 위와 다른 알칸과 알켄CH3-CH3 + CH2=CH2 이 얻어진다. - 세 번째로 빈번하게 일어나는 반응 (14%):
C-H 결합의 분열 — 여러 단계의 반응 후 알켄과 수소 기체CH2=CH-CH2-CH3 + H2 가 얻어진다.
6. 4. 이성질체화 및 개질
이성질화 및 개질은 곧은 사슬형 알케인을 백금 촉매 존재 하에 가열하는 과정이다. 이성질화 과정에서 알케인은 가지 달린 이성질체로 변환된다. 이때 탄소나 수소는 잃지 않아 분자량은 동일하게 유지된다.[33] 개질 과정에서 알케인은 사이클로알케인이나 방향족 탄화수소가 되며, 부산물로 수소를 내놓는다. 이 두 과정 모두 물질의 옥탄가를 높인다. 부탄은 이성질화 과정을 거치는 가장 일반적인 알케인으로, 높은 옥탄가를 가진 많은 가지 달린 알케인을 생성하는 데 쓰인다.[33]6. 5. 기타 반응
니켈 촉매 존재 하에서 알케인은 수증기와 반응하여 수소를 생성한다.[29][30] 일부 세균은 알케인 분자 내의 탄소 원자를 산화시켜 비교적 가볍고 곧은 사슬 모양의 알케인을 대사 과정에서 처리할 수 있는데, 이를 발효라고 한다.7. 존재
알케인은 목성형 행성과 그 위성, 운석 등에 미량 포함되어 있다. 지구에서는 천연 가스와 석유를 통해 주로 생산되며, 해저에서는 메테인 하이드레이트 형태로 존재한다.[79][80][81][76][64]
탄화수소 화합물은 매우 오랜 시간에 걸쳐 형성되므로, 고갈될 경우 대체하기 어렵다. 이에 대한 대안으로 메테인을 대체 에너지원으로 사용하는 연구가 진행되고 있다.
해저의 저온 고압 환경에서는 메테인이 물과 결정을 이루어 메테인 하이드레이트(일명 '불타는 얼음')를 형성한다. 지구 온난화를 가속화할 수 있다는 위험성 때문에 현재 개발은 금지되어 있으나, 천연 가스와 석유보다 더 풍부한 양이 존재하므로 미래의 에너지원으로서 가능성이 매우 높다. 대한민국과 일본 사이의 독도 인근 해역에 상당량 매장되어 있는 것으로 알려져 있다.
7. 1. 우주에서의 존재
알케인은 목성형 행성 및 그 위성에 미량 포함되어 있다. 목성(메테인 0.1%, 에테인 2ppm), 토성(메테인 0.2%, 에테인 5ppm), 천왕성(메테인 1.99%, 에테인 2.5ppm), 해왕성(메테인 1.5%, 에테인 1.5ppm)과 같은 외부 가스 행성의 대기에서 작은 부분을 형성한다.[34] 토성의 위성인 타이탄(메테인 1.6%)은 호이겐스 탐사선에 의해 조사되었으며, 타이탄 대기에는 액체 메테인이 주기적으로 위성 표면에 비가 내린다는 것이 밝혀졌다.[34] 또한 카시니 임무는 타이탄의 극지방 근처에서 계절에 따라 메테인/에테인 호수를 촬영했다.
햐쿠타케 혜성의 꼬리에서도 메테인과 에테인이 검출되었다. 화학 분석 결과 에테인과 메테인의 비율이 거의 같았으며, 이는 태양으로부터 멀리 떨어진 성간 공간에서 얼음이 형성되었고, 이 얼음이 휘발성 분자를 증발시켰음을 시사한다.[35] 알케인은 탄소질 콘드라이트와 같은 운석에서도 검출되었다.
7. 2. 지구에서의 존재
대기 중에는 극미량의 메테인 기체(약 0.0002% 또는 1745ppb)가 존재하며, 이는 주로 반추동물의 위장에 서식하는 고균과 같은 메탄 생성 미생물에 의해 생성된다.[36] 알케인의 가장 중요한 상업적 공급원은 천연 가스와 석유이다.[20] 천연 가스는 주로 메테인과 에테인을 포함하며, 소량의 프로페인과 뷰테인이 포함된다. 석유는 액체 알케인과 다른 탄화수소의 혼합물이다. 해저와 같이 저온 고압인 환경에서는 메테인이 물과 결정을 이루어 고체 메테인 하이드레이트(메테인 클라트레이트)를 형성한다.7. 3. 생물학적 존재
고리형이 아닌 알케인은 자연에 다양한 형태로 존재한다.일부 세균은 알케인을 대사 작용을 할 수 있다. 이들은 알케인 분자 내의 탄소 원자를 산화시켜 알케인을 알코올로 전환시키고, 이는 다시 알데하이드를 거쳐 카르복시산으로 분해된다.[29][30]
이와 반대로, 일부 메탄 생성 고세균은 이산화 탄소와 기타 산화된 유기 화합물을 이용하여 메테인을 만든다. 이들은 다음 반응식과 같이 수소를 산화시켜 에너지를 얻는다.[39]
:CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
메탄 생성 고세균은 습지에서 발생하는 "늪 기체"의 원인이며, 매년 약 2억 톤의 메테인을 생성한다. 이들은 소와 같은 반추동물의 체내에도 존재하여 식물의 셀룰로스를 분해하고, 하루에 150리터의 메테인을 트림으로 배출한다. 흰개미 또한 섭취한 목질을 체내의 메탄 생성 고세균이 분해하여 메탄을 생산한다.[37][38]
알케인은 진핵생물의 세 가지 부류인 균계, 식물, 동물에서 각각 생물학적인 역할을 수행한다.
- 균계: 일부 효모(예: ''Candida tropicale'', ''Pichia'' sp., ''Rhodotorula'' sp.)는 알케인을 탄소원 또는 에너지원으로 사용할 수 있다.[41] 곰팡이 ''Amorphotheca resinae''는 항공 연료의 긴 사슬 알케인을 선호하여 열대 지역 항공기에 문제를 일으킬 수 있다.
- 식물: 고체 긴 사슬 알케인은 많은 종의 식물 큐티클과 표피 왁스에서 발견된다.[42] 이들은 식물을 물 손실, 무기물 침출, 박테리아, 곰팡이, 곤충으로부터 보호한다. 식물 알케인의 탄소 사슬은 일반적으로 27개에서 33개의 탄소 원자를 가진 홀수이다.
- 동물: 알케인은 동물성 제품에서도 발견되지만, 불포화 탄화수소보다는 중요성이 덜하다. 상어 간유에는 약 14%의 프리스탄이 포함되어 있다. 알케인은 곤충이 통신에 사용하는 페로몬의 중요한 성분이다. 예를 들어, 딱정벌레 ''Xylotrechus colonus''는 펜타코산, 3-메틸펜타이코산, 9-메틸펜타이코산을 사용하고, 체체파리 ''Glossina morsitans morsitans''는 2-메틸헵타데칸, 17,21-디메틸헵타트리아콘탄, 15,19-디메틸헵타트리아콘탄, 15,19,23-트리메틸헵타트리아콘탄을 사용한다.
모래벌(''Andrena nigroaenea'')과 이른 거미 난초(''Ophrys sphegodes'')의 생태적 관계에서 알케인은 중요한 역할을 한다. 난초는 수분을 위해 모래벌을 유인하는데, 암컷 모래벌이 방출하는 트리코산, 펜타코산, 헵타코산의 혼합물과 동일한 냄새를 난초가 생성하여 수컷 모래벌을 유인한다.
8. 생산
알케인의 주요 공급원은 천연 가스와 석유이다.[64][76] 알케인은 끓는점 차이를 이용한 분별 증류를 통해 석유 정제 과정에서 분리되며, 탄소 수에 따라 다양한 물질로 나뉜다. 피셔-트롭슈 공정은 일산화 탄소와 수소를 합성하여 알케인을 포함하는 액체 탄화수소를 생산하는 공정으로, 석유를 분별 증류하여 알케인을 얻는 방법을 대체할 수 있다.
알케인은 탄소 수에 따라 그 용도가 다양하다.
| 탄소 수 | 화합물 | 용도 |
|---|---|---|
| 1~4 | 메테인, 에테인, 프로페인, 뷰테인 | 가정용 연료, 화력 발전 (일부 국가), 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 자동차 연료, 휴대용 화로, 라이터, 야외용 연료, 에어로졸 스프레이 압축 가스 |
| 5~8 | 펜테인, 헥세인, 헵테인, 옥테인 | 내연 기관 연료, 용매 |
| 9~16 | 노네인~헥사데케인 | 디젤 기관 및 항공 연료 (녹는점이 높고 저온에서 점성이 커지는 문제점 존재) |
| 16 이상 | 중유, 윤활유, 양초 (파라핀), 아스팔트 (탄소 수 35 이상) |
폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등 일부 중합체는 수백 개에서 수천 개까지의 탄소 원자로 이루어진 알케인 사슬을 가진 고분자 화합물이다. 이러한 물질은 수많은 곳에 사용되며, 매년 수십억 킬로그램이 생산되어 다양한 분야에 사용된다.
8. 1. 석유 정제
알케인의 주요 공급원은 천연 가스와 석유이다.[20] 알케인은 끓는점 차이를 이용한 분별 증류를 통해 석유 정제 과정에서 분리된다.[20] 정유 공장에서는 원유를 증류하여 끓는점에 따라 다양한 성분으로 분리한다.
8. 2. 실험실에서의 합성
알케인은 일반적으로 상업적으로 구할 수 있으며, 거의 모든 전구체보다 가치가 낮기 때문에 실험실에서 알케인을 합성하는 경우는 드물다. 알케인은 보통 어떤 반응의 부산물로 생성되는 경우가 많다.가장 잘 알려진 알케인 합성 방법은 알켄의 수소 첨가 반응이다.[48] 수소화 알루미늄 리튬, 클레멘슨 환원 등 특수 경로를 통해 C-X 결합을 C-H 결합으로 변환할 수도 있다. 그리냐르 시약(알킬 그리냐르 시약)이나 유기 리튬 화합물(알킬 리튬 화합물)의 가수 분해를 통해서도 알케인을 생성할 수 있다.[49]
할로젠화 알킬과 코리-하우스 반응을 이용하거나, 알코올에서 하이드록시기를 제거하는 Barton-McCombie deoxygenation|바튼-맥콤비 탈산소화 반응영어, 알데히드나 케톤의 카보닐기를 제거하는 뷔르츠-키시너 환원 및 클레멘젠 환원 등을 통해서도 알케인을 합성할 수 있다.
9. 용도
알케인은 탄소 수에 따라 그 용도가 다양하다. 탄소 수 1~4까지, 즉 메테인부터 뷰테인은 주로 가정용 난방과 요리에 사용되며, 일부 국가에서는 화력 발전에도 사용된다.[50] 프로페인과 뷰테인은 낮은 압력에서 액체로 만들 수 있어 액화석유가스(LPG)로 알려져 있으며, 프로페인은 프로페인 가스 버너, 뷰테인은 일회용 담배용 라이터 등에 사용된다. 이들은 스프레이에도 사용된다.[50]
탄소 수 5~8까지의 알케인(펜테인에서 옥테인까지)은 휘발성이 높은 액체로, 내연 기관의 연료로 사용된다. 가지가 뻗은 구조를 가진 알케인은 노킹을 덜 일으키기 때문에 선호되며, 이러한 경향은 옥탄가로 측정된다.[50] 연료 외에도 이들은 비극성 물질의 용매로도 사용된다.[50]
탄소 수 9~16까지의 알케인은 점성이 높아 경유와 항공 연료의 주요 성분을 이룬다. 경유는 세탄가로 특징지어지는데, 이는 헥사데케인의 옛 이름이다. 그러나 이들은 높은 융점 때문에 저온에서 문제를 일으킬 수 있다.[50]
탄소 수가 16개를 넘는 알케인은 연료유와 윤활유의 주성분이다. 이들은 소수성을 가져 부식 방지제로도 이용되며, 고체 알케인은 파라핀 왁스로 양초 등에 사용된다.
탄소 수가 35개를 넘어가는 알케인은 역청이나 아스팔트의 성분으로 도로 포장 등에 쓰인다. 그러나 장쇄 알케인은 접촉 분해(크래킹)를 통해 단쇄 알케인으로 변환되기도 한다.
10. 위험성
알케인은 인화성이 높지만 독성은 낮다. 메테인은 "독성학적으로 사실상 비활성"이다.[47] 알케인은 질식제 및 마취제일 수 있다.[47]
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