Alcanos, Cicloalcanos e Hidrocarburos

Química Orgánica 1Química Orgánica 1Cap. 2Cap. 2Alcanos, hibridación e introducción a Alcanos, hibridación e introducción a hidrocarburoshidrocarburos

Ondas electrónicas y enlaces químicosOndas electrónicas y enlaces químicos

� Como vimos en el Cap. 1. los orbitales atómicos tenían formas especiales que estaban regidas por sus funciones de onda.

� Cuando dos átomos se juntan para combinarse existen atracciones y repulsiones.existen atracciones y repulsiones.

� Repulsiones entre los electrones de cada átomo

� Repulsiones entre los núclos

� Atracciones entre electrones y protones


+

-

+

-Repulsiones en átomos de H

+

-

+

- Atracciones en átomos de H


� Debido a la movilidad de los electrones estos pueden desplazarse de tal manera que las repulsiones disminuyan y las atracciones aumenten.

� Cada electrón del H se verá atraído por dos � Cada electrón del H se verá atraído por dos núcleos en lugar de uno. Esto da la estabilidad necesaria al enlace H-H.

� En el caso del H, la distancia para que la energía sea mínima es de 74pm. A una distancia menor habrá repulsión.


� Existen tres teorías para describir los orbitales moleculares.

� La teoría de repulsión de pares de electrones de valencia (Cap. 1)

La teoría enlace-valencia y la teoría del modelo � La teoría enlace-valencia y la teoría del modelo molecular de orbitales. Estas dos teorías consideran a los orbitales y sus electrones como ondas.

� Estas ondas tienen una propiedad llamada interferencia.

Teoría enlaceTeoría enlace--valenciavalencia

� Esta teoría indica que al combinarse dos orbitales atómicos, estos se solapan hasta que se forma un solo que se forma un solo orbital molecular. (Interferencia constructiva)

� Ejemplo del H2:

Teoría enlaceTeoría enlace--valenciavalencia

� El enlace que se forma cuando se solapan dos orbitales atómicos para formar un orbital molecular se llama enlace sigma σ.

� La distribución electrónica en este enlace es cilíndricamente simétrica:cilíndricamente simétrica:

� En el medio de los átomos yace la mayor

probabilidad de encontrar un electrón.

Teoría del modelo de orbitales molecularesTeoría del modelo de orbitales moleculares

� La interferencia puede ser constructiva o destructiva:


� Esta teoría indica que los electrones ocuparán los orbitales moleculares de igual manera que lo hacen en los orbitales atómicos (Afbau, Pauli, etc.…)

� En este modelo se adicionan los orbitales � En este modelo se adicionan los orbitales

atómicos por medio de una combinación

lineal de los orbitales atómicos-moleculares.

(LCAO-MO)


� En el caso del H2 se generan dos orbitales moleculares:

� Son 2 átomos de H, cada uno con el orbital

1s dando como resultado dos orbitales

moleculares:moleculares:

◦ Orbital de enlace

◦ Orbital de antienlace


� Cómo se generan los orbitales de enlace y de antienlace?

Adición de ondas: Interferencia constructiva – se genera el orbital de enlace

Substracción de ondas: Interferencia destructiva – se genera el orbital de antienlace


� Los orbitales de antienlace tienen mayor energía que el orbital de enlace.

� Siempre los electrones de enlace ocuparán primero el orbital de menor energía (o sea, el de enlace) como indica el principio de el de enlace) como indica el principio de Afbau.

� Solo cuando el orbital de enlace esté lleno (2 e-) se llenará el orbital de antienlace.

� El orbital de antienlace sirve para entender el por qué algunas moléculas simplemente no pueden existir.

Cuál es la teoría válida?Cuál es la teoría válida?

� Ambas teorías son complementarias.

� Las diferencias:

Enlace - valencia Orbitales moleculares

La molécula es simbolizada Los electrones pueden estar La molécula es simbolizada como un conjunto de enlaces que unen a cada átomo. (Lewis)

Los electrones pueden estar asociados con varios o incluso con todos los átomos de la molécula. (Efectos inductivos)

Se considera la interferencia constructiva

Se consideran ambos tipos de interferencia

HidrocarburosHidrocarburos

� Solo H y C.

� Pueden ser alifáticos o aromáticos.

� Alifáticos: Cadenas abiertas

◦ Alcanos, alquenos y alquinosAlcanos, alquenos y alquinos

� Aromáticos: Cadenas con híbridos de resonancia

◦ Aromáticos policíclicos

Hidrocarburos alifáticos: AlcanosHidrocarburos alifáticos: Alcanos

� Fórmula general: CnH2n+2

� Alcanos más comunes:

� Metano CH4: El más abundante, se encuentra en la atmósfera, en pantanos, en el gas natural (75%), etc.(75%), etc.

� Etano C2H6 ó CH3CH3 y

� Propano C3H8 ó CH3CH2CH3

� Se encuentran también en el gas natural en menores proporciones (10% y 5%)

Metano, etano y propanoMetano, etano y propano

-160ºC -89ºC -42ºCPuntos de ebullición

� En general los puntos de ebullición aumentan conforme se incrementa el número de carbonos en la cadena.

� Los 4 primeros compuestos de la serie gases.

HibridaciónHibridación

� Mezcla de orbitales para producir orbitales nuevos.

� La cantidad de orbitales nuevos es igual a la cantidad de orbitales originales.la cantidad de orbitales originales.

� Veremos hibridación el C, O y N.

� La hibridación es parte de las teorías de modelos moleculares que busca soportar la forma que tienen las estructuras.

Hibridación del Carbono en el Hibridación del Carbono en el Metano CHMetano CH44

� Configuración del metano:

� 1s2, 2s2, 2p2 ó con más precisión:

� 1s2, 2s2, 2px1, 2py

1, 2pz0

� Los 4 enlaces C-H que existen en el � Los 4 enlaces C-H que existen en el metano tienen la misma cantidad de energía. ¿Cómo es eso posible si tenemos 2 electrones en el orbital 2s que son de menor energía que los 2 electrones en los orbitales 2p?

Hibridación del Carbono en el Hibridación del Carbono en el Metano CHMetano CH44� En 1930 Linus Pauling sugirió que los 4 orbitales del C se “mezclaban” dando origen a 4 nuevos orbitales, todos con la misma cantidad de energía.

� Estos se llaman orbitales híbridos sp3� Estos se llaman orbitales híbridos sp3

� Se llaman así por ser la combinación de 1 orbital “s” y 3 orbitales “p”

� Cada orbital sp3 tiene 25% de características del orbital “s” y 75% del “p”.

Hibridación del Carbono en el Hibridación del Carbono en el Metano CHMetano CH44

Hibridación del Carbono en el Hibridación del Carbono en el Metano CHMetano CH44� Los 4 orbitales están llenos solamente a la mitad (solo tienen un electrón cada uno).

� Cuando se combinan con los 4 átomos de H se completan los orbitales.

La hibridación siempre se da cuando un � La hibridación siempre se da cuando un átomo se va a enlazar con un átomo diferente a el.

� En el CH4 el enlace sigma sería: s-sp3

� Recordemos que en el caso del H2 el enlace sigma es s-s

Y en el etano?Y en el etano?

� En el etano el enlace sigma sería: sp3-sp3

� Cada C provee un electrón de un orbital sp3

Y en el propano?Y en el propano?

� Describir los tipos de enlace sigma que existen en esta molécula

Alcanos isométricos: Los butanosAlcanos isométricos: Los butanos

� A partir del butano, isómeros constitucionales pueden existir.

� C4H10

Alcano isométricos: Los butanosAlcano isométricos: Los butanos

� Diferencias:� El n-butano tiene 2 radicales metilos y dos radicales metilenos.

� El isobutano tiene 3 radicales metilos y un radical metino◦ CH es metilo◦ CH3 es metilo◦ CH2 es metileno◦ CH es metino

� En común ambas moléculas tienen carbonos sp3 y enlaces C-C sp3 y enlaces C-H sp3-s

� Ambos butanos están presentes en los encendedores, 95% iso-C4 y 5% n-C4. La presión de 3 atmósferas los mantiene en estado líquido.

Alcano de cadenas más largas: Alcano de cadenas más largas: nn--alcanosalcanos� Es frecuente el uso de abreviaciones:

� Hectano (100 carbonos):

� CH3(CH2)98CH3

� n-alcanos responden tienen como fórmula � n-alcanos responden tienen como fórmula general CH3(CH2)xCH3

� Además constituyen una serie homóloga, o sea, cada miembro del grupo solo varía en un grupo metilo –CH2–

Alcano de cadenas más largas: Alcano de cadenas más largas: nn--alcanosalcanos� Los n-alcanos son comúnmente llamados cadenas lineales pero en realidad tienen forma de zigzag.

Isómeros del Pentano CIsómeros del Pentano C55HH1212

� Existen tres isómeros que tienen esta fórmula molecular

Cuántos isómeros?Cuántos isómeros?

� No es fácil saber cuántos isómeros pueden corresponder a una misma fórmula molecular.

Fórmula molecular

Número de isómeros constitucionales

Fórmula molecular

Número de isómeros constitucionales

CH 1 C H 18CH4 1 C8H18 18

C2H6 1 C9H20 35

C3H8 1 C10H22 75

C4H10 2 C15H32 4.347

C5H12 3 C20H42 366.319

C6H12 5 C40H82 62.491.178.805.831C7H16 9

Sugerencias para la escrituraSugerencias para la escritura

� Para escribir los isómeros de una fórmula de manera correcta, se debe trabajar de manera sistemática.

� Se debe empezar con la cadena más larga, y luego poco a poco acortándola a la vez que se adicionan poco a poco acortándola a la vez que se adicionan las ramificaciones.

� Es esencial poder reconocer cuando dos fórmulas desarrolladas, a pesar de que están escritas de forma diferente, en realidad son la misma molécula.

� La clave es la conectividad de la cadena de carbonos.


� Las siguientes NO representan diferentes moléculas. Son la misma:


� Escriba los isómeros del C6H14. Escriba tanto la fórmula estructural condensada como la representación poligonal.

Nomenclatura IUPAC para alcanos no Nomenclatura IUPAC para alcanos no ramificadosramificados� Para los alcanos lineales se tienen los siguientes

nombres:

# de C Nombre # de C Nombre # de C Nombre

1 Metano 11 Undecano 21 Henicosano

2 Etano 12 Dodecano 22 Docosano

3 Propano 13 Tridecano 23 Tricosano

4 Butano 14 Tetradecano 24 Tetracosano

5 Pentano 15 Pentadecano 30 Triacontano

6 Hexano 16 Hexadecano 31 Hentriacontano

7 Heptano 17 Heptadecano 32 Dotriacontano

8 Octano 18 Octadecano 40 Tetracontano

9 Nonano 19 Nonadecano 50 Pentacontano

10 Decano 20 Icosano 100 Hectano

� Paso 1: Identificar la cadena continua más larga.

◦ En este ejemplo la cadena continua más larga es de 5C. La clave es continuidad.

Nomenclatura IUPAC para alcanos Nomenclatura IUPAC para alcanos ramificadosramificados

◦ Buscamos el nombre del alcano de 5C en la tabla anterior. Vemos que es pentano.

� Paso 2: Identifique el grupo sustituyente de la cadena principal. En este caso es un grupo metilo (CH3).

� Paso 3: Numere la cadena principal de tal forma que el sustituyente se encuentre en el C de menor número.

Nomenclatura IUPAC para alcanos Nomenclatura IUPAC para alcanos ramificadosramificados� Paso 3 (cont.):

� Paso 4: Escribir el nombre del compuesto. El nombre � Paso 4: Escribir el nombre del compuesto. El nombre de la cadena principal se coloca al último. Primero se coloca la localización del sustituyente, luego el nombre de este y finalmente el nombre de la cadena principal. El número de localización se separa del resto del nombre por medio de un guión.

2-metilpentano

Nomenclatura IUPAC para alcanos Nomenclatura IUPAC para alcanos ramificadosramificados� Cuando un mismo sustituyente aparece más de una vez

pueden usarse los prefijos: di-, tri-, tetra-, etc.

� Se usan localizadores para cada sustituyentes y se separan por una coma.

� Igualmente se utilizan los guiones.Igualmente se utilizan los guiones.

2,2-dimetilbutano 2,3-dimetilbutano

Nomenclatura IUPAC para grupos Nomenclatura IUPAC para grupos alquilosalquilos..� Escriba la fórmula desarrollada para el compuesto:

2,6,10,14-tetrametilhexadecano

Nomenclatura IUPAC para grupos Nomenclatura IUPAC para grupos alquilosalquilos..� Un radical alquilo carece de un átomo de H en

comparación con un alcano. Por ejemplo el grupo metilo (CH3-) es el radical que se deriva del metano CH4.

� De acuerdo a la nomenclatura IUPAC para nombrar un radical alquilo debe cambiarse la terminación -ano por -radical alquilo debe cambiarse la terminación -ano por -il ó -ilo según sea el caso. Ejemplos:

� CH3CH2- es etilo

� CH3(CH2)5CH2- es heptilo

� CH3(CH2)16CH2- es octadecilo

� El guión que se coloca al final representa el punto donde otro átomo podría adicionarse.

Nomenclatura IUPAC para grupos Nomenclatura IUPAC para grupos alquilosalquilos..� Los C pueden ser:

◦ Primarios: Unidos a otro átomo de C

◦ Secundarios: Unidos a dos átomos de C

◦ Terciarios: Unidos a tres átomos de C

� De acuerdo al tipo de C se clasifica el grupo alquilo.

� Los radicales se nombran por la cadena más larga empezando por el C en donde otro átomo puede adicionarse (guión)

� Radicales del propano y del butano.

Nomenclatura IUPAC para alcanos Nomenclatura IUPAC para alcanos mayores y con sustituyentesmayores y con sustituyentes� Debemos combinar el uso de los nombres de grupos

alquilo y los nombres IUPAC para los alcanos no ramificados.

Nomenclatura IUPAC para alcanos Nomenclatura IUPAC para alcanos mayores y con sustituyentesmayores y con sustituyentes� Regla del “primer punto de diferencia”

Nomenclatura IUPAC para Nomenclatura IUPAC para cicloalcanoscicloalcanos

� Fórmula general CnH2n.

� Contienen un anillo de tres o más carbones.

� Se utiliza el prefijo ciclo-

� Se utilizan las mismas reglas. La posición de los sustituyentes se da de acuerdo a la regla del primer sustituyentes se da de acuerdo a la regla del primer punto de diferenciación.

� Si el ciclo tiene menos carbones que el grupo alquilo ligado a este. El ciclo debe ser tratado como sustituyente. El nombre del radical será ciloalquil.

Alcanos, Cicloalcanos e Hidrocarburos

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