TEMA 2. LOS ALCANOS

1

2.1. Definición y clasificación

• Los alcanos o hidrocarburos saturados son los hidrocarburos en los que todos los átomos de carbono tienen hibridación sp3 y los enlaces carbono-carbono son simples.

Alcanos

Acíclicos

Cíclicos (cicloalcanos) CnH2n+2 C4H10

Lineales CnH2n+2 CH3-CH2-CH2-CH3 C4H10

Ramificados CnH2n+2 C4H10

Fórmula molecular Ejemplos

H2C

H2C CH2

CH2

Butano

Isobutano

Ciclobutano

HC CH3H3C

CH3

2

2.2. Nomenclatura

• Los cuatro primeros alcanos de cadena lineal reciben los nombres de metano, etano, propano y butano.

• El resto de alcanos lineales se nombran haciendo uso de un prefijo –penta-(5), hexa-(6), hepta-(7), octa-(8), nona-(9), etc; y la terminación –ano.

• La letra –a final de los prefijos se suprime al añadir la terminación.

Hex ano = Hexano

Seis átomos de carbono

Hidrocarburosaturado

Nombre del hidrocarburo saturado de seis átomos de carbono

3

Alcanos acíclicos ramificados• Los sustituyentes sobre la cadena lineal principal se

denominan radicales.• Si el hidrocarburo que forma la cadena lateral (radical) es un

alcano, el radical resultante se denomina radical alquilo y se nombra sustituyendo la terminación –ano del alcano de procedencia por –ilo.

Alcano AlquiloEjemplos:

Alcano Nombre Radical NombreCH4 Metano (Me) -CH3 MetiloCH3-CH3 Etano (Et) -CH2-CH3 EtiloCH3-CH2-CH3 Propano (Pr) -CH2-CH2-CH3 PropiloCH3-[CH2]2-CH3 Butano (Bu) -CH2-[CH2]2-CH3 Butilo

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Ejemplos:

Estructura Nombre común Nombre sistemático

Isopropilo 1-Metiletilo

Isobutilo 2-Metilpropilo

sec-Butilo 1-Metilpropilo

terc-Butilo 1,1-Dimetiletilo

Isopentilo 3-Metilbutilo

Neopentilo 2,2-Dimetilpropilo

terc-Pentilo 1,1-Dimetilpropilo

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Reglas IUPAC• Regla 1: Encontrar y nombrar la cadena principal de la

molécula. La cadena principal es la que da nombre al alcano ramificado.

Es la que contiene los radicales y la más larga.

Ejemplo:

A B Clongitud 4-carbonos longitud 7-carbonos longitud 6-carbonos

6

• Si la molécula posee dos o más sustituyentes de igual longitud, se toma como cadena principal la que tenga más sustituyentes.

A BNúmero de sustituyentes: 4 Número de sustituyentes: 3

Cadena principal

7

• Regla 2: Nombrar todos los grupos unidos a la cadena principal como sustituyentes alquilo.

Ejemplo:

Nombre incompleto: metilhexano

• Regla 3: Numerar los carbonos de la cadena principal, de manera que a los sustituyentes alquílicos les correspondan los números más bajos posibles.

Hexano

Cadena lateral: metilo

12

34

561

2345

6

8

• Si hay dos sustituyentes a igual distancia de los extremos, el carbono con número más bajo es aquel que esté unido al sustituyente que vaya en primer lugar alfabéticamente, excluyendo prefijos multiplicadores (di, tri, tetra, etc.) Tampoco se tienen en cuenta los prefijos sec- y terc-.

47

74

Metilo

Etilo

A B

Nombre correcto: 4-Etil-7-metildecano

9

• En la cadena de un sustituyente, el carbono número uno es siempre el átomo de carbono unido a la cadena principal.

• Si los radicales son lineales se nombran derivando su nombre del alcano correspondiente –metilo, etilo, propilo etc.

• Si están ramificados se nombran igual que si fuera un alcano ramificado, es decir: 1. Se busca la cadena más larga. 2. Se asigna el localizador no 1 al carbono unido a la cadena principal. 3. Se nombran sus sustituyentes. 4. Se forma el nombre del radical ramificado y se incorpora entre paréntesis y precedido de su localizador al nombre del alcano.

• Ejemplo:

12

3

4

Cadena lateral metilo

Cadena lateralbutilo Cadena principal

Cadena lateral ramificada:2-Metilbutilo

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• Regla 4: Nombrar al alcano comenzado por los sustituyentes ordenados alfabéticamente, precedidos por el número del carbono al que están unidos, seguido por el nombre de la cadena principal.

• Si existen varios sustituyentes iguales se utilizan los prefijos di, tri, tetra, etc. precedidos de los números que indiquen sus posiciones, separados por comas, con un guión entre el número de aquellos y el nombre del sustituyente. Estos prefijos no se tienen en cuenta en el orden alfabético.

1 3 5

- Localizadores de la cadenas principal: 3 y 5- Nombres de las cadenas laterales sin la -o final: Etil(o) y metil(o)- Nombre de la cadena principal: Octano

5-Etil-3,3-dimetiloctano

8

11

• Si se utilizan nombres comunes de cadenas laterales, los prefijos iso- y neo- forman parte del nombre y por lo tanto sí se tienen en cuenta en el orden alfabético, mientras que sec- y terc-, que significan secundario y terciario, no se tienen en cuenta.

1 3 5 7

- Localizadores de la cadena principal: 3,5 y 7- Nombres de las cadenas laterales sin la -o final: Etil(o), isopropil(o) y propil(o)- Nombre de la cadena principal: Decano

3-Etil-5-isopropil-7-propildecano

10

12

• Si existen dos o más cadenas laterales complejas idénticas, se utilizan los prefijos bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, etc; para indicar su número y no se tienen en cuenta en el orden alfabético.

Ejemplo:

1 12

1 2

1

67

2

2

6,7-Bis(1,2-dimetilbutil)-2-metildodecano

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RESUMEN

a) Buscar la cadena más larga (cadena principal).

b) Buscar y nombrar todos los grupos alquilo unidos a ella.

c) Numerar la cadena.

d) Nombrar el alcano utilizando el nombre del hidrocarburo que se corresponde a la cadena principal, con los sustituyentes por orden alfabético y precedidos de números que indiquen su localización.

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¿Cómo representar un alcano a partir de su nombre sistemático?

a) Dibujar la cadena principal y numerarla.b) Identificar los sustituyentes y situarlos en los localizadores. Si

alguno fuera entre paréntesis se trata de un sustituyente complejo. 5-(1,2-Dimetilpropil)-8-(2-etilbutil)tridecano

1 13

- Sustituyente complejo en 5: Cadena de propano con metilos en 1 y 2.- Sustituyente complejo en 8: Cadena de butilo con etilo en 2.

1 135 8

2

1

215

2.3. Propiedades físicas de los alcanos

• Son los compuestos orgánicos más apolares. • Debido a su apolaridad los puntos de fusión y ebullición

dependen exclusivamente del peso molecular y las fuerzas de van der Waals (tipo London) debidas a la correlación de electrones.

• Los alcanos ramificados tienen puntos de fusión y ebullición más bajos. Esto es debido a la disminución de la superficie por lo que disminuyen también las fuerzas intermoleculares.

• Son poco solubles en disolventes polares; insolubles en agua y solubles en disolventes polares de baja polaridad.

• Presentan una densidad inferior a la del agua y a excepción de los cuatro primeros prácticamente constante.

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2.4. Análisis conformacional de los alcanos

• Las fuerzas presentes dentro de la molécula (intramoleculares) hacen que algunas disposiciones espaciales sean energéticamente más favorables que otras.

• Ejemplo: Metano (distribución tetraédrica de los 5 átomos).

• La rotación interconvierte las diferentes formas del etano.

• La barrera de rotación es de sólo 3 kcal mol-1 por eso se dice que hay rotación libre alrededor de todos los enlaces simples.

H

CH H

H

HC

HH

HC

HHH

C

HH H

CH H

1 21 2 HC

HH H

C

HH

1 260o 60o

A B C

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• Conformaciones: son las diferentes disposiciones espaciales de una molécula que resultan del giro alrededor de un enlace sencillo.

• Proyecciones de Newman: se observa la molécula en la dirección del enlace σ C-C.

H

HH

H

HH

H

HH

H

H H

H

H HH

HH

H

H

H

H

HH

Proyección de Newman de lasconformaciones alternadas y eclipsadas del etano.

Alternada A

Eclipsada B

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• Mediante un giro alrededor del enlace σ C1-C2, se pasa de una conformación a otra. Al pasar de la eclipsada a la alternada se desprende energía lo que indica que la alternada es más estable.

• La repulsión entre la nube de electrones en los enlaces C-H es máxima en la eclipsada y mínima en la alternada.

• Análisis conformacional: Consiste en el estudio del contenido energético de una molécula, en función del ángulo de giro alrededor de uno de los enlaces sencillos.

H

H HH

HHH

H

H

H

HH

Alternada Eclipsada

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• Ejemplo: Análisis conformacional de la molécula de butano.

• I: Totalmente eclipsada, sinperiplanar o sin.• II y VI: Sesgada o gauche.• III y V: Eclipsada o anticlinal.• IV: Totalmente alternada, antiperiplanar o anti.

H

H CH3

CH3

HHH

H

CH3

CH3

HH

CH3

H HCH3

HH

H

H3C

H

CH3

HH

H

H3C HCH3

HHH3C

H

H

CH3

HH

I II III

IV V VI

CH3 CH2 CH2 CH3

20

2.5. Reactividad general de los alcanos

• Reacciones poco selectivas ya que en principio todos los enlaces C-C o C-H tienen la misma probabilidad de ser atacados por un reactivo, por ello conducen a mezclas de productos.

• Suponen la ruptura homolítica de enlaces C-C o C-H, con la formación de radicales libres.

Principales reacciones- Combustión- Halogenación- Pirólisis

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2.5.1. Combustión• Es la reacción química en la que un alcano u otro compuesto

orgánico se convierte en dióxido de carbono y agua.• Pese a que la reacción es exotérmica es necesario una chispa

o llama para iniciarla.

• El calor liberado se denomina calor de combustión.

2 CnH2n+2 + (3n+1) O2 2nCO2 + (2n+2)H2O + calor

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2.5.2. Halogenación• Tratamiento de un alcano con un halógeno en presencia de luz

ultravioleta o alta temperatura (300-400 oC).

• La reacción tiene lugar normalmente con cloro y bromo; con flúor reacciona de forma explosiva, mientras que con iodo no tiene lugar.

• Mecanismo: Reacción homolítica que transcurre a través de un mecanismo radicalario (reacción en cadena).

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

CH3CH3 + Cl2 CH3CH2Cl + HClHalogenuro de alquilo

Halogenuro de hidrógeno

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• Etapas:a) Iniciación: El halógeno se excinde homolíticamente dando

lugar a dos radicales.

b) Propagación: El átomo de halógeno, inicialmente formado, sustrae un hidrógeno de la cadena carbonada.

El radical formado ataca a otra molécula de halógeno originando un halogenuro de alquilo y un nuevo átomo de halógeno que prosigue la reacción en cadena.

c) Terminación: Los átomos se unen entre sí.

Cl2 Cl Cl+

Cl +R H + R HCl

Cl2 Cl+R Cl+RR Cl+RCl2Cl Cl+

Cl

+R R R224

¿Qué isómero predomina en la reacción de halogenación de un alcano?

• Ejemplo:

Existen dos factores determinantes:a) La estabilidad de los radicales alquilo.b) La selectividad del halógeno en cuestión.

a) El orden de estabilidad para radicales alquilo es:

C C C C C CCl + C C C

ClCl2/h

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

1-Clopropano 2-Cloropropano

CH3 C

CH3

CH3

CH3 C CH3

H

CH3 CH2 CH2 CH3

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b) Selectividad del halógeno:• El orden de reactividad de los halógenos es: F>Cl>Br>I• Las fluoraciones no son atractivas debido a que son a menudo

violentas e incontrolables.• La iodación radicalaria falla debido a que es

termodinámicamente desfavorable.• El problema de la cloración es su baja selectividad que conduce

a mezclas de isómeros a menudo difíciles de separar. Para solventar este problema se usan alcanos con un solo tipo de hidrógeno que producen un único producto.

• La bromación suele ser el método de halogenación de alcanos más utilizado en laboratorios de investigación. Ello es debido a su alta selectividad; la reacción tiene lugar sobre el carbono más sustituido, incluso en los casos estadísticamente desfavorables.

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2.5.3. Pirólisis

• Es la descomposición térmica de alcanos conocida como craqueo.

• Se obtienen alquenos y alcanos de menor peso molecular.• La reacción transcurre a través de radicales libres formados

por ruptura fotoquímica de enlaces C-C y C-H.

H3C CH2 CH2 CH3

H3C CH2 CH CH2 + H2

CH CH CH3H3C + H2

CH CH2H3C + CH4

CH2 CH2 + CH3 CH3

1-Buteno

2-Buteno

Propeno Metano

Eteno Etano27

ESQUEMA GENERAL DE REACTIVIDAD DE ALCANOS

R CH2 CH3

X2/h(o iniciador radicalario)X = Cl, Br

Halogenaciónradicalaria

RHC CH3

XHaloalcano

O2 Combustión

CO2 + H2O

calor/alúminao Pd o Pt

PirólisisR CH CH2

CH2CH3 + etc. + mezclas

+ CH3 +

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2.6. Métodos de obtención de alcanos

a) Hidrogenación de alquenos y alquinos:

b) Reducción de halogenuros de alquilo:

R1C CR2

CnH2n-2

R1R2C CR3R4

CnH2n

H2

Pt, Pd o NiCnH2n+2

R X

LiAlH4

Zn/HCl

R H

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c) Síntesis de Wurtz: Consiste en una reducción bimolecular de un halogenuro de

alquilo con sodio.

Si se emplean halogenuros de alquilo diferentes se obtienen mezclas de productos.

d) Hidrólisis de reactivos de Grignard: Los reactivos de Grignard son compuestos organometálicos

que poseen un enlace carbono-metal muy reactivo formados por la reacción de un derivado halogenado con magnesio, utilizando éter etílico como disolvente.

R X + 2Na 2NaX + R R2

R I + Mg R MgI

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• El carbono unido al magnesio posee gran afinidad por los hidrógenos ácidos como los del agua y alcoholes:

e) Procedimiento de Corey-House: Consiste en el acoplamiento de derivados halogenados con

dialquilcupratos de litio. Éstos son inestables por lo que se preparan in situ:

CH3 CH2 CH

CH3

I + Mgéteretílico

CH3 CH2 CH

CH3

MgIHOH

CH3 CH2 CH

CH3

H + MgIOH

R X + 2Li R Liéter

etílico+ LiX

Alquil-litio

2RLi + CuI R2CuLi + LiIDialquilcuprato de litio 31

• La reacción con un halogenuro de alquilo dará lugar al alcano correspondiente por acoplamiento de los grupos R1 y R2.

• Independientemente de cómo sea R1 en el dialquilcuprato de litio es importante que R2 del halogenuro de alquilo sea primario.

R12CuLi + 2R2X 2R1 R2 + LiX + sales de cobre

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