ALCANOS: ESTRUCTURA. Y NOMENCLATURA D E HIDROCARBURO SENCILLOS

Los compuestos orgánicos se clasifican de acuerdo con características estructura- les comunes que imparten propiedades químicas y físicas similares a los compues- tos que pertenecen a cada grupo o familia. El estudio de la química orgánica en términos de estas familias simplifica la tarea de entender las reacciones que sufren los compuestos; este libro está organizado en consecuencia.

2 Hidrocarburos: introducción

hidrocarbun, compuesto formado sólo

por carbono e hidrógeno

alcano compuesto formado sólo por carbono, hidrógeno

y enlaces sencillos

compuesto saturado

compuesto con sólo en- laces sencillos

compuesto no saturado

compuesto con al menos un doble o triple enlace

En este capítulo daremos principio a una cobertura minuciosa de la estructura mo- lecular y nomenclatura de los compuestos orgánicos usando los hidrocarburos, que son en muchos sentidos los compuestos orgánicos más sencillos porque están formados sólo por carbono e hidrógeno. Primero examinaremos los alcanos, que son hidrocarburos donde todos los enlaces carbono-carbono son sencillos. El aprendizaje de la relación entre la estructura y la nomenclatura de los alcanos de- berá ayudar al estudiante a dominar ambas cosas.

El petróleo y la hulla son las fuentes principales de hidrocarburos. Se trata de mezclas complejas de literalmente miles de compuestos, casi todos hidrocarburos, formados por la descomposición y degradación de plantas y animales marinos. Es probable que algunos de estos compuestos ya le sean conocidos: metano, gas natu- ral, p<opano y butano (gas rural, gas de campamento).

H H H H H H H H

H-C-H I l I

H-C-C-C-H I I I

H-C-C-C-C-H I I I

H H H 1 1 1 1

H H H H Metano Propano Butano

En su mayoría, los hidrocarburos del petróleo se queman como combustible, pero una pequeña porción se convierte en productos petroquímicos como plásticos, fi- bras, colorantes, detergentes, fármacos, plaguicidas y otros productos.

Los hidrocarburos pertenecen a dos clases principales: hidrocarburos satura- dos (alcanos), en los cuales todos los enlaces carbono-carbono son sencillos, e hi- drocarburos no saturados, en los cuales las moléculas tienen al menos un doble

2.2 Fórmulas moleculares y estructurales-isomería ( 39

, alqueno compuesto formado por carbono e

hidrógeno y al menos un doble enlace

alquino compuesto formado por carbono e

hidrógeno y al menos un triple enlace

fórmula molecular fórmula que

proporciona el número de cada clase de átomo

en un compuesto

fórmula estructural fórmula que proporciona

la disposición de los enlaces de los átomos de

una molécula

isómeros compuestos con la

misma fórmula rnolecular pero diferentes fórmulas

estructurales

isómeros estructurales

isórneros que varían en las uniones de los átomos

a través de enlaces

isómeros de constitución

isómeros que varían en cuanto a las uniones de

los átomos a través de enlaces

estereoisómeros isórneros con los mismas

uniones de átomos a través de enlaces pero

diferentes orientaciones espaciales

enlace (alquenos) o un triple enlace (alquinos) carbono-carbono. Los compues- tos aromáticos, así ilamados originalmente por su aroma, también corresponden a la designación de no saturados; sus estructuras se analizarán en un capítulo poste- rior. Los que siguen son ejemplos sencillos de cada clase de hidrocarburos: etano, un componente menor del gas natural; etileno, precursor del plástico polietileno; acetileno, el combustible de los sopletes oxiacetilénicos; y benceno, un componen- te de la gasolina.

Saturados

Alcanos

H H l l

H H Etano

No saturados

Alquenos Alquinos Aromáticos

Eteno (etileno)

Etino Benceno (acetileno)

Fórmulas moleculares y estructurales-isomeria

Teóricamente, el número de posibles compuestos orgánicos es infinito. Ya se han sintetizado o aislado de sus fuentes naturales varios millones. Estos compuestos se representan comúnmente mediante fórmulas moleculares o estructurales. Una fórmula molecular describe el número exacto de cada clase de átomo en un com- puesto. Las fórmulas moleculares de los tres alcanos más sencillos son CH4, C2Hs, y C3H8. Aunque esta información es importante, las fórmulas estructurales son más útiles; pues no sólo proporcionan el número exacto de cada clase de átomo de una molécula, sino además la disposición de los enlaces de estos átomos - e s de- cir, cuáles átomos están unidos unos con otros y por qué clase de enlace-. Las fórmulas estructurales de los tres alcanos más sencillos se muestran en la figura 2.1 junto con representaciones de modelos moleculares.

Cuanto mlyor es el número de átomos en una fórmula molecular, más grande es el número de compuestos posibles con ella. Por ejemplo, aunque sólo es posible un compuesto para los alcanos de fórmulas CH4, CzH6 y C3Hs, son posibles dos pa- ra C4Hl0; tres para C5H12; 75 para CloH22; 366 319 para CZ0H42 y 62 491 178 805 831 para C40H82. Estos diferentes compuestos con la misma fórmula molecular pero distinta fórmula estructural se llaman isómeros. Muy pocos de los isómeros de C20H42 O C40H82 se han sintetizado, aislado de fuentes naturales o caracterizado. Sin embargo, la posibilidad de su existencia ilustra muy bien el enorme alcance de la química orgánica.

Existen seis clases de isomena, todas las cuales, excepto una, habremos de es- tudiar en este capítulo y en el próximo. Las isomenas de esqueleto, de posición y funcional caen bajo el título general de isomería estructural (a veces llamada isomería de constitución). En los isómeros estructurales, diferentes átomos es- tán unidos unos con otros. En la estereoisomería -geométrica, de conformación y óptica- los mismos átomos están enlazados unos con otros, pero su configura- ción en el espacio es diferente. Investigaremos la isomena de esqueleto de los dca- nos en la próxima sección.

40 1 CAPITULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

H H H H H H

H C - H l l

H-C-C-H 1 1 1

H-C-C-C-H l

H I l

H H I I I

FIGURA 2.1 H H H -- -

Representaciones de (a) metano, @) etano y c b

(c) propano. (a)

2.3 lsomeria de esqueleto en alcanos

A. Isómeros

Los isómeros son compuestos con la misma fórmula molecular pero diferent fórmula estructural. Los alcanos muestran un tipo de isomería que se conoce com

isómeros de isomería de esqueleto. Puesto que todos los alcanos no cíclicos tienen la fórmul esqueleto general CnH2n+2 ( C b , CzH6, C3H8, C4H10, C5H12, y así sucesivamente), sólo puede

isórnerOs que difieren en tener enlaces carbono-carbono sencillos, Las únicas variaciones estructurales pc la disposición de la cadena de carbono sibles están en la disposición de los carbonos, el esqueleto de carbono. Por ejen

plo, el miembro más sencillo de la familia de los alcanos que muestra isomen tiene la fórmula molecular C4Hlo. Hay dos fórmulas estructurales posibles, una e la que los cuatro carbonos están dispuestos en una cadena continua y otra en ! cual la cadena está ramificada.

H I

H-C-H

l l l I H-C-C-C-C-H

1 1 1 H-C-C-C-H

l l l H H H

Examinemos ahora un método para dibujar isómeros de esqueleto como éstos isómeros estructurales en general de una manera sistemática.

2.3 Isomería de esqueleto en alcanos 1 4 1

B. Cómo dibujar isómeros estructurales

Las reglas y el procedimiento para dibujar isómeros estructurales son los mismos que se usaron para dibujar fórmulas de electrón-punto (sección 1.4.C). Usaremos simplemente una línea para designar cada par de electrones enlazantes en vez de dos puntos (una línea para enlaces sencillos, dos para enlaces dobles y tres para enlaces triples). Luego pasaremos rápidamente al uso de representaciones aún más condensadas. Las reglas para dibujar estructuras son:

l. Se deben usar todos los átomos de la molécula -ni más, ni menos.

2. Se debe satisfacer la valencia (número de enlaces) de cada átomo. Las valen- cias de los átomos que es común encontrar en compuestos orgánicos son:

C 4 N 3 o, S 2 H, F, C1, Br, 1 1

Cuando apenas se comienza a aprender estructura orgánica, es bueno contar con un procedimiento para dibujar isómeros. El procedimiento siguiente, en el cual se consideran primero los átomos polivalentes, es de utilidad.

l . Una entre sí en forma continua, con enlaces sencillos, todos los átomos con valencias superiores a uno.

2. Ligue átomos monovalentes a los átomos polivalentes hasta que se hayan satisfecho todas las valencias.

3. Si no hay suficientes átomos monovalentes en la formula molecular para completar el paso 2, inserte enlaces dobles o triples entre los átomos poli- valentes hasta que sea posible satisfacer todas las valencias. También pue- de ser útil dibujar estructuras cíclicas.

4. Para construir los isómeros de una fórmula molecular, modifique la dispo- sición de los átomos y enlaces en las moléculas.

~ ~ l i ~ u e m o s ahora estas reglas y este procedimiento al ejemplo sencillo analiza- do en la parte A de esta sección, C4HI0 (véase la figura 2.2). Una primero los cuatro carbonos con enlaces sencillos. En seguida, agregue hidrógenos a los carbonos,

enlace múltiple uno a la vez, hasta que cada carbono tenga cuatro enlaces. Podrá ver que se usan un doble o triple enlace los diez hidrógenos y no se requieren enlaces múltiples.

C-C-C-C

H H H H I I I I

H-C-C-C-C-H 1 1 1 1

H H H H

Ahora haga variar la disposición de los átomos polivalentes -los cuatro carbo- nos- y agregue hidrógenos como hizo antes.

*-

C HH-C-HH

C-C-C I l l

H-C--C--C-H I I l

1 42 1 C ~ í n i t o 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

Para una persona que se inicia en el aprendizae de la química orgánica, puede recer que tendría que haber un buen número de isómeros de C4H10. Por ejemr ¿por qué los siguientes no son diferentes de nuestro primer isómero, el butano?

H H H H H H H H

1

H C- C C- C

H H H H Butano

H H H H H

Un examen minucioso revela que cada una de estas estructuras tiene una cadt continua de cuatro carbonos y es, por tanto, idéntica al butano. Todo lo que se hecho al generar estas estructuras es torcer la molécula de varias maneras, co una serpiente. Todas las estructuras conservan la cadena continua de cuatro í bonos y son idénticas. Es conveniente convencerse uno mismo de que, en nues segundo isómero, nada cambia si se enlaza el cuarto carbono por arriba o por bao de la cadena de tres carbonos.

La fórmula molecular que sigue en esta serie es C5H12, para la cual hay tres i meros de esqueleto (figura 2.3). El primero tiene una cadena continua de cinco < bonos (sólo un isómero de C5H12 puede tener una cadena así). El segundo tic una cadena de cuatro carbonos con una ramificación de un carbono en el segur carbono. Adviértase que no importa en cuál de los dos carbonos interiores se colc

H-C-H

H H H H i l l l

H--C-C-C--C-H H- 1 1 1 1

H H H H

FIGURA 2.2

I I C-C-C-H

1 I / H H H

CH3

Isómeros de C4HI0. CH3CH2CH2CH3 (a) Butano. @) Metil-

propano. Cada uno punto de ebullición 0 " c tiene la misma fórmula punto de fusión - 138 "C

molecular pero una densidad del líquido 0.622 g/ml estructura propia. (a)

2.3 Isomería de esqueleto en aicanos 1 43

la ramificación de un carbono. En ambos casos, se tratará del segundo carbono a partir del extremo de una cadena de cuatro carbonos. El tercer isómero tiene dos ramificaciones de un carbono en el carbono medio de una cadena de tres carbo- nos. Obsérvese que, si las dos ramificaciones de un carbono se hubieran colocado sobre el primer carbono, o si se hubiera puesto una cadena de dos cai-bonos en el segundo carbono de la cadena de tres carbonos, se habna repetido el segundo isó- mero, puesto que la cadena más larga se habna ampliado a cuatro carbonos.

7----m- H-C -H H H H-

H

H

C C- C H l :f. H H H

La figura 2.3 muestra las fórmulas estructurales condensadas de los compues- tos en cuestión. Puesto que este tipo de fórmula es el de uso más frecuente, conviene comparar las fórmulas expandidas y condensadas para confirmar su significado. El

H-C-H

H I

H-C - H

H H H H H I I I I I H l T 7 I " / Y l

i 1

H-C-C-C-C-C-H H-C-C-C-C-H H-C-C-C-H I I I I I l l l l l l l

H H H H H H H H H H I H

FIGURA 2.3

Representaciones de fórmula estructural de los isómeros de C5H12.

44 1 C ~ ~ T U C I 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciiios

fórmula condensada ejemplo 2.1 ilustra el uso de fórmulas condensadas al dibujar los isómeros de e s fórmula estructural en la queleto de C6HI4.

cual no se muestran indi- vidualmente todos los

enlaces o átomos

m 1 Dibuje los cinco isómeros de esqueleto que tienen la fórmula molecular C$it,. I Solución

Se debe seguir un procedimiento sistemático al dibujar isómeros de fórmulas moleculares para evitar la repetición u omisión de un isómero. Comience por disponer los carbonos en una cadena continua:

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

Ahora, reduzca la longitud de la cadena más larga en un carbono y coloque la cadena de un car- bono restante en tantos lugares distintos como sea posible. Colocar el CH3 en el cuarto carbono es lo mismo que ponerlo en el segundo; dibujarlo arriba o abajo da igual.

CH3 CH3 I

Después de formar tantos isómeros como sea posible con una cadena de cinco carbonos, hay que reducir la longitud de la cadena más larga a cuatro carbonos y considerar los car- bonos restantes como una ramificación de dos carbonos ( - CH2CH3) y como dos ramifi- caciones de un carbono (- CH3, - CH3). No hay un lugar donde se pueda colocar la ramificación de dos carbonos sin aumentar la longitud de la cadena más larga Si dicha ra- mificación estuviera unida en el extremo, la cadena más larga se volvería de seis carbonos; si se colocara en un carbono interior, la cadena se alargaría a cinco. Sin embargo, existen dos disposiciones de dos ramifibaciones de un carbono en una cadena de cuatro carbonos.

CH3 CH3 CH3 l

CH3CCH2CH3 I I

CH3CH - CHCH3 l

Problema 2.1 Dibqy los nueve is esqueleto que tienen la f6nnuia C7HI6.

C. Cicloalcanos

cicloalcano Los cicloalcanos tienen la fórmula molecular general C,H2,. tienen dos hidróge- compuesto cíclico que nos menos que los alcanos correspondientes. El cicloalcano más sencillo tiene tres contiene sólo carbonos, C3H6. Hay una sola fórmula estructural posible, un anillo de tres miem-

e hidrógeno bros. Existen dos isómeros de esqueleto que son cicloalcanos con fórmula C4Hs.

H\ /H C

H. / \ ,H C-C

H-C-C-H I I

H-C-C-H H. / \ /-H I I C - c,

2.4 Representaciones de fórmulas estnicturdes 1 45

Dibuje los c%tro isómeros de esqueleto de los cicloalcanos de f6niiuh moleeular

Representaciones de fórmulas estructurales

Comenzamos a escribir fórmulas estructurales en el capítulo 1 cuando aprendimos a escribir fórmulas de electrón-punto. Casi todas las fórmulas estructurales que he- mos usado hasta ahora en este capítulo han sido como las fórmulas de electrón- punto, excepto que los pares de electrones enlazantes se ilustran con líneas en vez de puntos. Hasta que usted esté absolutamente seguro de lo que hace, éstas son las mejores fórmulas que puede usar. Sin embargo, conforme aumente su competen- cia, usted querrá encontrar métodos más breves para representar compuestos. Es- to es posible con fórmulas condensadas.

Los métodos para condensar fórmulas vm'an desde agrupar los hidrógenos de un carbono dado hasta usar diagramas de varillas. Por ejemplo,

son todas representaciones del compuesto

H

H H-C-H H H H

H-C --- C --- 01

C-C-C-H l l

H H l l l

H H H

En la primera condensación, los hidrógenos de cada carbono están agrupados. En la segunda, los CH3 y CH2 están agrupados entre paréntesis como corresponde. Examine de nuevo las figuras 2.1-2.3 para ver ejemplos de estos métodos. La fórmu- la de armazón utiliza líneas, y se entiende que las intersecciones y extremos de las líneas son carbonos a menos que se especifique otra cosa. Los carbonos tienen su- ficientes hidrógenos para satisfacer sus valencias.

Las fórmulas de armazón son especialmente útiles para representar compues- tos cíclicos (o anulares). Cada vértice del polígono representa un carbono a menos que se especifique otra cosa. Las líneas dobles indican dobles enlaces, y tres líneas designan enlaces triples.

46 ( Ca~iíuw 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

Dibuje una fórmula estructural expandida para el hidrocarburo saturado siguien- te: (CH3)2CH(CH2)3CH(CH3)CH2C(CH3)3.

Solución k H H

l HH-C-HH H H H C- H H H- C- H H

l l l H - c ~ c - - c - c - c c - - c - c - C-H

l l I I I l I l H H H H H H HH-C-HH

H

2.5 lsomeria de posición

Los isómeros de esqueleto,difieren en cuanto a la posición de los átomos de carbo- isórneros de no, es decir, la disposición del esqueleto de carbono. Los isómeros de posición

posición difieren en la posición de un grupo no carbonado o de un doble o triple enlace; el isómeros que difieren en esqueleto de carbono no se modifica. Consideremos, por ejemplo, los cuatro isó-

la ubicación de un meros de C4H9Br. arupo sin carbono o

un oble o triple enlace [ CH3CH2CH2CH2Br CH3CH2CHCH3 I

I Isómeros de posición Isómeros

de esqueleto A CH3 CH3 >

I l CH3CHCH2Br CH3CCH3

I I Br

Los miembros del par superior de compuestos son isómeros de posición porque to- dos tienen una cadena continua de cuatro carbonos y difieren sólo en la posición del bromo. De igual manera, los miembros del par inferior tienen esqueletos de car- bono idénticos y difieren sólo en la posición del bromo. Sin embargo, los dos pares de compuestos difieren en el esqueleto de carbono y, por tanto, tienen entre sí una relación de isómeros de esqueleto. Los ejemplos siguientes ilustran otros tipos de isómeros de posición:

Problema 2.3

El tercer tipo de isomería estructural es funcional, en el cual las distintas dispo- siciones de átomos colocan los compuestos en diferentes clases de compuestos or- gánicos. Puesto que esto no ocurre en el caso de los alcanos, se analizará más adelante (sección 3.3).

2.6 Nomenclatura IUPAC de alcanos 1 47

Nomenclatura IUPAC de alcanos

A. Introducción a la nomenclatura IUPAC

Se han asignado nombres triviales o comunes a compuestos orgánicos por diversas razones, entre ellas la simple ignorancia, por parte de los químicos pioneros, de las estructuras de los compuestos que investigaban. Las explicaciones de muchos de estos nombres son obvias; fuente: pineno de los pinos y cocaína de las hojas de co- ca; olor: putrescina y cadaverina, compuestos que se forman en la carne en descomposición; sabor cinamaldehído y vainillina; color: rojo Congo y verde ma- laquita; geometría: basquetano (basket = canasta) y cubano; nombres comercia- les: Nutrasweetm; y adulación pública: recientemente, buckybolas o fulerenos (véase Conexiones 1.1).

El potencial para el descubrimiento o la síntesis de grandes cantidades de com- puestos químicos puso de manifiesto la necesidad de un método para dar nombre de manera sistemática a millones de compuestos. A principios del siglo veinte, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry) desarrolló el sistema de nomenclatura IUPAC, el cual relaciona los nombres de los compuestos con su estructura molecular. Por ejemplo, el nombre de un hidrocarburo simple se basa en el número de carbonos de la cadena conti- nua de carbonos más larga de la molécula Se identifican los enlaces dobles y triples, y se describen numéricamente sus ubicaciones dentro de la cadena más larga.

Hemos considerado ya la estructura e isomería de los alcanos y ahora estamos en condiciones de relacionar sus estructuras con su nomenclatura. La nomenclatu- ra de otras clases de compuestos orgánicos se estudiará en capítulos individuales conforme se exponga la química de cada grupo funcional. En el apéndice aparece una síntesis de la nomenclatura IUPAC. Todavía se usan algunos nombres comu- nes; los más persistentes de ellos se presentarán a lo largo del libro.

B. Nomenclatura de alcanos no ramificados de cadena continua: base de la nomenclatura orgánica

Los compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno, con cadenas de carbono continuas y no ramificadas, y con sólo enlaces sencillos, se designan de acuerdo con el nombre griego que corresponde al número de carbonos seguido del sufijo -ano. Por ejemplo, un compuesto con una cadena de cinco carbonos se designa co- mo penta, del griego que denota cinco, seguido del sufúo -ano, que indica que to- dos los enlaces carbono-carbono son sencillos.

Los hidrocarburos anulares, o cíclicos, siguen el mismo esquema de nomencla- tura excepto que se usa el prefúo ciclo- para indicar que la cadena es un anillo.

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Ciclooctano

La tabla 2.1 presenta las fórmulas estructurales y nombres de los primeros diez hidrocarburos saturados. Puesto que la nomenclatura de los alcanos es la base de la nomenclatura orgánica en general, es importante aprender los nombres de al menos los diez primeros hidrocarburos. Obsérvese que los primeros cuatro hidro- carburos de la tabla 2.1 tienen nombres triviales que se incorporaron en el sistema

48 1 Cmímo 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

TABLA 2.1 4 Hidrocarburos de cadena continua I

Primeros diez hidrocarburos

CH4 Metano CHS(CHZ)~CH~ Hexano CH3CH3 Etano CH~(CHZ)~CH~ Heptano CH3CH2CH3 Propano CH3(CH2)6CH3 Octano CH3(CH2)2CH3 Butano CH3(CH2)7CH3 Nonano

CH3(CH2)3CH3 Pentano CH3(CH2)sCH3 Decano

de la IUPAC a causa de su extenso uso previo. Analice los nombres de la tabla 2.1, entendiendo que los prefuos -perita-, hexa-, hepta-, octa-, nona- y deca- descri- - ben el número de carbonos (de cinco a diez, respectivamente) y que el sufijo ano indica que sólo hay enlaces carbono-carbono sencillos.

C. Nomenclatura de alcanos de cadena ramificada

Los alcanos de cadena ramificada son compuestos que tienen cadenas más cortas de carbono (grupos alquilo) unidas a esqueletos de carbono más largos. Sus nombres se basan en el nombre de la cadena de carbono continua más larga; los nombres de

grupo alquilo los sustituyentes carbonados anexos (grupos alquilo) se obtienen cambiando la cadena de hidrocarburo terminación del nombre del hidrocarburo apropiado, de -ano a 410. Estos com-

'On un punto de unión puestos se designan de acuerdo con el procedimiento siguiente:

abierto

1. Encuentre la cadena de carbono más larga de la molécula y déle nombre de acuerdo con la tabla 2.1, con el prefuo griego correspondiente al número de carbonos seguido del sufuo ano. Para un compuesto cíclico, el anillo suele ser la base del nombre, sin considerar la cadena continua más larga.

2. Dé nombre a las cadenas anexas más cortas (grupos alquilo). Véase la tabla 2.2.

3. Para localizar las posiciones de los grupos alquilo, numere la cadena de car- bono más larga en forma consecutiva, de un extremo al otro, comenzando por el extremo que proporcione el número más bajo para el primer sustitu- yente. Este paso se aplica simultáneamente con el paso 2.

TABLA 2.2 4 Grupos alquilo

CH3 - Metilo CH3(CH2),CH2 - Hexilo CH3CH2 - Etilo CH3(CH2)5CH2 - Heptilo CH3CH2CH2 - Propilo CH3(CH2)6CHz - Octilo CH3(CH2)2CH2 - Butilo CH3(CHz)7CH2 - Nonilo CH~(CHZ)~CHZ - PentiIo CH3(CH2)&H2 - Decilo

Grupos alquilo ramificados

~ s o ~ r o ~ i l o ~utilb secundario Isobutilo Butilo terciario (sec-) (ter- o t - )

2.6 Nomenclatura IUPAC de alcanos ( 49

Dé nombre a

Solución 1. La cadena continua más larga tiene ocho carbonos, de modo que la base del nom-

bre es octano.

2. Un sustituyente de un carbono, un grupo metilo, está unido a la cadena más larga. El compuesto es un metiloctano.

3. La numeración de izquierda a derecha ubica el grupo metilo en el carbono 7. Por otro lado, la numeración de derecha a izquierda lo pone en el carbono 2. La segun- da alternativa proporciona el número más bajo al sustituyente. El nombre comple- to es 2-metiloctano.

Si aparece más de un grupo alquilo dado en una molécula, se usa un prefijo grie- go que indica el número de grupos idénticos. Por ejemplo, si un compuesto tiene dos, tres, cuatro, cinco u ocho grupos metilo, esto se indica usando dimetil, trime- til, tetrametil, pentametil y octametil. La ubicación de cada grupo metilo se descri- Ibe con su propio número.

Los grupos alquilo con cadenas de tres y cuatro carbonos ameritan una aten- ción especial. Un grupo &quilo de tres carbonos podría estar unido a una cadena más larga por cualquiera de los carbonos externos o por el carbono medio; los gru- pos se llaman propilo e isopropilo, respectivamente.

CH3CH2CH2 - Propilo CH3CHCH3 Isopropiio I

Son dos los isómeros estructurales de un grupo alquilo de cuatro carbonos, cada uno de los cuales tiene dos puntos distintos de conexión.

CH3 CH3

CH3CH2CHZCH2 - CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2 - CH3CCH, l

Butilo Butilo secundario Isobutilo Butilo terciario

Los ejemplos siguientes ilustran aspectos adicionales de la nomenclatura de los al- canos.

Dénombrea

Solución 1. La cadena continua más larga tiene siete carbonos: es un heptano.

2. Hay cuatro ramificaciones más cortas sobre la cadena de heptano: tres cadenas de un carbono y una cadena de dos carbonos. Los sustituyentes de un carbono se ila-

50 1 CAP~TLJLO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciilos

l man grupos metilo. Puesto que hay tres grupos metilo, parte del nombre debe ser trimetil. La cadena de dos carbonos se llama grupo etilo. Los grupos alquilo se

l nombran en orden alfabético. El compuesto original es un etil trimetilheptano.

3. Los sustituyentes se deben situar ahora sobre la cadena más larga. La numeración de izquierda a derecha permite las designaciones más bajas. Los tres grupos metilo están sobre el carbono 2 y el carbono 4 (2,2,4-trimetil), y el grupo etilo está sobre el carbono 5 (5-etil). Cada sustituyente recibe su propio número. El nombre completo es 5-etil-2,2,4-trimetilheptano.

m De nombre a

Problema 2.4

( solución l l. Para encontrar la cadena continua más larga se puede requerir una inspección cui- 1

dadosa. No estamos buscando la cadena recta más larga, sino la cadena de carbono ! continua más larga. En este caso, la cadena tiene diez carbonos: es un decano. I

2. La cadena se numera de izquierda a derecha para obtener la numeración más baja para la ubicación de los sustituyentes.

3. Identificamos los sustituyentes sobre la cadena de decano. En los carbonos terce- ro, cuarto y séptimo hay grupos metilo (3,4,7-trimetil). Hay grupos etilo umdos a los carbonos quinto y séptimo (5,7-dietil). Si se disponen los sustituyentes en orden alfabético, se obtiene el nombre 5,7-dietil-3,4,7-trimetildecano.

( Solución

1 1 El anillo de ciclohexano es la base del nombre. l 2. La numeración sigue en este caso el orden alfabético de los sustituyentes. El sustitu-

yente en el carbono 1 se debe designar como ciclopropil- y el que está en el carbono 4 como isopropil.

1 3. El nombre es 1-ciclopropil-4-isopropilciclohexano. I (a)Nombre los cinco isómeros que aparecen dibujados en el ejemplo 2.1 según el

sistema de nomenclatura IUPAC.

r 3

I

)

1 )

menos un F, CI, Br o I

Problema 2.5

Pmblema 2.6

Problema 2.7

isómeros de conformación

isómeros que difieren como resultado del

grado de rotación en torno a un enlace

carbonocarbono sencillo

I

2.7 Isomería de conformación ( 5 1

Cb) Escribwstnicturas para los compuestos siguientes: (a) 1-isobutil-3-isopropil- ciclapentano; (b) 5,6-di&-2,2,4,&tetrametiInomo.

D. Nomenclatura de hidrocarburos halogenados (halogenuros de alquilo)

En los capítulos 4 y 8 veremos que los hidrocarburos halogenados desempeñan un papel importante en las reacciones orgánicas. Su nomenclatura sigue las reglas normales. Los halógenos unidos a una cadena de hidrocarburo se designan con los p re f~os~uoro - (F), cloro- (Cl), bromo- (Br) y yodo- (1).

Hay ocho isómeros con la fdmuia C$dI1C1. DibQjelos y déles nombre. Si necesita ayuda, consulte la figura 2.3 para ver los esqueletos de carbono posibles. En se- guida, coloque el C1 en lugar de un hi.dr6geno en tantos lugares distintos como pueda.

Isomería de conformación

En la sección 2.3 mencionamos la estweoisomería, la cual se refiere a variaciones isoméricas en cuanto a la orientación espacial o tndimensional de los átomos. Un tipo de estereoisomena es la isomena de conformación. Se trata de una forma más sutil de isomena que la de esqueleto o la de posición, que ya hemos tratado en este capítulo. En estos isómeros estructurales la disposición de enlazamiento de los átomos misma es diferente, con variaciones en cuanto al esqueleto de carbono o las posiciones de átomos distintos del carbono. En la isomeria de conformación, la disposición de enlazamiento de los átomos permanece constante, pero la rela- ción de los átomos en el espacio difiere a consecuencia de una rotación en torno a

los: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

eclipsada conformación en torno a

un enlace carbono carbono sekcillo en la cual los átomos unidos

están tan cerca unos de otros como es posible

escalonada conformación en torno a

un enlace carbono carbono sencillo en la cual los átomos unidos

están tan aleiados como es posible

diagrama de caballete

una forma de representar isómeros de

conformación con dibujos de varillas

proyección de Newman

forma de representar isómeros de

conformación usando una proyección frontal

de un enlace carbonocarbono

FIGURA 2.4

Las conformaciones del etano, CH3 - CH3

(a) Diagrama de caballete.

@) Proyección de Newman.

enlaces carbono-carbono sencillos. Como veremos, esta rotación ocurre sin difi cultad, con fácil interconversión de los isómeros de conformación (confórmeros) Por consiguiente, estas variantes no se pueden aislar y no son isómeros en el mis mo sentido que se ha empleado hasta ahora.

Tomemos el etano (CH3CH3) como ejemplo simple. Los dos carbonos están co nectados por un enlace sencillo, compuesto por un orbital molecular u. Los orbita les moleculares u se traslapan en una sola posición y, en consecuencia, la rotaciór de los carbonos en torno al enlace sencillo no afecta el grado de traslape. Como re sultado, esta rotación está más o menos libre de restriceiones. Conforme los carbo nos del etano giran, la relación de los hidrógenos de los carbonos adyacente! cambia de manera continua; teóricamente, hay un número infinito de isómeros dt conformación del etano. Sin embargo, puesto que la rotación del enlace es conti nua, los isómeros de conformación se están interconvirtiendo rápidamente. Ningu no de ellos es una entidad independiente o un compuesto que se pueda aisla~ Existen dos formas extremas que podemos visualizar con facilidad (figura 2.4). EI

una, los hidrógenos de los carbonos adyacentes están alineados unos con otros 4 por consiguiente, se hallan tan cerca unos de otros como es posible. Como resulta do, esta conformación, llamada conformación eclipsada, es la menos estable di todas las posibilidades y no es muy abundante en una muestra de etano. En el otrc extremo, los hidrógenos de carbonos adyacentes están escalonados unos respec to a otros y se hallan por tanto tan alejados como es posible. Esta conformación llamada conformación escalonada, es la más estable. Estas conformaciones si pueden representar ya sea con diagramas de caballete o con proyecciones dc Newman, como se ilustra en la figura 2.4. Los diagramas de caballete no requiere] explicación, pero conviene examinar más de cerca las proyecciones de Newman.

En la proyección de Newman vemos el enlace carbono-carbono de frente, a 1( largo del eje de conexión. El punto de intersección de las tres líneas 'f represent; el carbono frontal, y el perímetro del círculo b representa el carbono de atrás. L: proyección muestra que los hidrógenos están tan próximos unos a otros como e posible en la conformación eclipsada. Esto conduce a una repulsión máxima entrc los pares de electrones enlazantes y explica la inestabilidad de esta conformación Un giro de 60" alrededor del eje del enlace carbono-carbono coloca los hidrógeno, kH Confomaci6n eclipsada

H H H

Giro de 60"

2.7 Isomería de conformación 1 53

Br Br Br

H H aH 60' :@: 60 ' - $aH 60" :@H H

H Br H Br

(a> ( b ) (e> (4 FIGURA 2.5

Proyecciones de Newman de las conformaciones de 1,2-dibromoetano (BrCH2 - CH2Br). (a) Eclipsada (la menos estable). @) Escalonada. (c) Eclipsada.

(d) Escalonada (la más estable).

y los pares enlazantes a una distancia máxima entre sí, con lo que la repulsión se reduce al mínimo. Ésta es la conformación escalonada. Aunque hay diferencias de estabilidad entre los confórmeros del etano, las diferencias de energía no son gran- des. Por esta razón, la rotación en torno al enlace carbono-carbono ocurre casi sin restricción, lo que hace imposible aislar los diferentes confórmeros, que se están interconvirtiendo constantemente.

En el l,2-dibromoetano (BrCH2 - CH2Br), son posibles dos conformaciones escalonadas y dos eclipsadas, y las cuatro tienen diferentes estabilidades (figura 2.5). A causa del gran tamaño y la alta densidad electrónica de los átomos de bro- mo, su proximidad entre sí es el principal determinante de la estabilidad de los confórmeros. Las dos conformaciones escalonadas son más estables que las dos eclipsadas; la conformación escalonada con la máxima separación entre los áto- mos de bromo es la más estable. Por un razonamiento análogo, la conformación eclipsada en la cual los dos átomos de bromo están mutuamente eclipsados (en vez de estar eclipsados con átomos de hidrógeno) es la menos estable. Sin embargo, todas las muestras de 1,2-dibromoetano son idénticas y están compuestas por es- tos cuatro y otros confórmeros intermedios en concentraciones relacionadas apro- ximadamente con su estabilidad. Las conformaciones no se pueden separar ni aislar; la muestra es simplemente una mezcla dinámica de estos confórmeros.

1 Solución l

m

1 Determine primero cuáles átomos están unidos a C1 y C2. I

Dibae los isómeros de conformación escalonados y eclipsados del butano, CH3CH2CH2CH3, mirando a lo largo del enlace C1 -- C2. Use proyecciones de Newman.

Dibuje un círculo con tres líneas a ángulos de 120" que emanen del centro y tres líneas más, escalonadas con las otras, que salgan del perímetro. Las líneas que salen del centro provienen de C,; ponga los tres hidrógenos en ellas. Las que salen del perímetro provienen de C2 (atrás); ponga los dos H y el CH2CH3 en eiias. Ahora, haga girar 60" uno de los carbo- nos para obtener la conformación eclipsada.

54 1 CM~TL~LQ 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

Problema 2.8 Dibuje los dos isóineros de conformación esc butano, CHSCH2CR2CH3, formados por giros de entre los carbonos segundo y tercero. Use proyeccion

"S el csnf6mem m& estable y el menos estable.

2.8 Cicloalcanos-isomeria geométrica y de conformación

A. Estructura y estabilidad

Los hidrocarburos que poseen uno o más anillos se llaman cicloalcanos, y se sue- len describir por medio de polígonos regulares, cada uno de cuyos vértices repre- senta un carbono con hidrógenos suficientes para satisfacer la valencia. El miembro más pequeño de esta clase, el ciclopropano, tiene tres carbonos. Se ha demostrado que el ciclopropano y el ciclobutano (anillo de cuatro carbonos) son menos estables que los cicloalcanos de anillo más grande.

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Ciclooctano

El origen de esta relativa inestabilidad son los ángulos internos de cada anillo. Ca- da carbono de un anillo tiene cuatro átomos enlazados, tiene hibridación sp3 y de- be ser tetraédrico, con ángulos de enlace de 109.5". Puesto que el ciclopropano tiene un anillo de tres miembros y tres puntos definen un plano, la molécula en codunto debe tener la geometría de un triángulo equilátero con ángulos internos de 60". Este ángulo difiere significativamente del ángulo tetraédrico preferido, lo que causa una disminución en el traslape de orbitales en los enlaces u y tensión en los ángulos internos. Aunque el ciclobutano no es plano, de cualquier forma se aproxima geométricamente a un cuadrado, con ángulos internos de enlace cerca- nos a 90"; por consiguiente, sufre tensión anular. El ángulo interno de un pentágo- no es muy cercano al ángulo tetraédrico de 109.5". El ciclopentano se dobla fuera del plano y es energéticamente muy estable.

del m0 que

sue- 'pre- L. El le ha I son

Ca- de- m 0 en 10s

lo en se

:a- ;o- bra

conformación de bote

una conformación inestable del

ciclohexano con ángulos de enlace de

109.5", pero en la cual casi todos los enlaces

están eclipsados

conformación de silla

la conformación más estable del ciclohexano

en la cual todos los enlaces están escalona-

dos y los ángulos de enlace son de 109.5"

2.8 Cicloalcanos-isomería geométrica y de conformación 1 5 5

FIGURA 2.6

Se muestra el colesterol en una fórmula simple y también en una conformación tridimensional estable. Observe que ninguno de los

anillos es plano, sino que están plegados para formar ángulos de enlace más estables. El colesterol está presente en abundancia en

el cuerpo y se puede aislar de casi todos los tejidos animales. Es un constituyente integral de las membranas celulares, sirve como

precursor de hormonas esteroidales, es un constituyente primario de los cálculos biliares humanos y se puede encontrar en la placa

aterosclerótica, la cual causa "endurecimiento" de las arterias.

En los cicloalcanos más grandes, como el ciclohexano (anillo de seis miembros) y el ciclooctano (anillo de ocho miembros), los anillos son lo bastante grandes y tie- nen suficiente flexibilidad a través de la rotación de enlaces para doblarse, torcerse y plegarse fuera del plano hasta que cada carbono tiene el ángulo tetraédrico esta- ble. Por ejemplo, la figura 2.6 ilustra una conformación estable del colesterol.

B. Isomería de conformación en el ciclohexano

Para visualizar el plegamiento del ciclohexano que proporciona los ángulos de en- lace de 109.5", partamos del ciclohexamo como hexágono regular. La manera más sencilla de hacer no plana esta molécula, con menos tensión interna, es doblar dos carbonos de los "extremos" (carbonos 1 y 4) fuera del plano del anillo. Ambos car- bonos se pueden "plegar" en el mismo sentido para formar la conformación de bote (figura 2.7a). O bien, se puede tirar de un carbono hacia arriba del plano del anillo y del otro hacia abajo, con lo que se obtiene la conformación de silla (figu- ra 2.7b). En ambas conformaciones, todos los carbonos son tetraédricos y todos los ángulos de enlace son de 109.5". Sin embargo, las dos conformaciones no tie- nen la misma estabilidad. La forma de silla es más estable y es con mucho el con- fórmero predominante en el ciclohexamo. La diferencia de estabilidad es evidente si se comparan las estructuras de las formas de bote y de silla.

56, ( CAP~TULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

FIGURA 2.7

Conformaciones de bote y de silla del ciclo-

hexano. (a) Forma de . , bote. (b) Forma de silla.

En la forma de bote, los carbonos de extremos opuestos (carbono 1 y carbono 4) se acercan uno al otro, lo que causa interacciones estéricas entre los hidrógenos de "asta de bandera" a causa de su proximidad (véanse las figuras 2.7 y 2.8). En la forma de silla, estos dos mismos carbonos se doblan dejándose uno del otro -uno hacia arriba y otro hacia abajo- y por tanto no están syjetos a repdsión mutua. Se puede encontrar un segundo factor de desestabilización observando de frente los enlaces C2 - C g y C5 - C6 usando proyecciones de Newrnan (figura 2.8). En la for- ma de bote, los átomos enlazados están en la conformación eclipsada menos esta- ble, en tanto que en la forma de silla se encuentran escalonados (véase la sección 2.7). Por estas dos razones, la forma de silla es la conformación predominante, más

enlaces axiales estable. enlaces de una silla de Un examen detenido de la forma de silla del ciclohexano pone de ma

nifi

esto cic'ohexano que hay dos orientaciones básicas de los hidrógenos (figura 2.9). Seis de ellos son

al aproximadamente perpendiculares al anillo y se les Uarna hidrógenos axialea. anillo, tres arriba y tres en carbonos Hay tres arriba y tres abajo del anillo en carbonos alternos (figuras 2.7 y 2.9). Los

alternados otros seis hidrógenos, uno en cada carbono, yacen en el "plano" medio del anillo y

lno LOS

la no Se O S

Ir- a- kn ís

enlaces ecuabriales enlaces de la silla de

ciclohexano paralelos al anillo

2.8 Cicloalcanos-isomería geometrica y de conformación 1 57

(a) (b ) FIGURA 2.8

Proyecciones de Newman de las confonnaciones de (a) bote y @) silla del ciclohexano. Compare los carbonos numerados

con los de las formas de bote y de silla de la figura 2.7.

sobresalen hacia afuera del mismo; a éstos se les llama hidrógenos ecuatoriales. Los hidrógenos axiales están más cerca unos de otros que los hidrógenos ecuato- riales. Los ciclohexanos sustituidos, por tanto, existen de manera predominante en conformaciones en las cuales el grupo o grupos que han reemplazado hidrógenos están en las posiciones ecuatoriales, más espaciosas (sección 2.8.D).

C. Cómo dibujar la silla del ciclohexano

Los anillos de seis miembros son muy comunes en química orgánica. Por consi- guiente, conviene dedicar algún tiempo a aprender a dibujar la forma de silla del ci- clohexano. Primero, dibyie el armazón de la silla en papel borrador una y otra vez hasta que esté satisfecho al hacerlo y obtenga buenas reproducciones. Al dibujar la silla, observe que hay cuatro carbonos en un plano. Unidos a éstos hay un carbono de "extremo" que está por encima del plano y, en el otro "extremo", un carbono que está por debajo del plano (véanse las figuras de la página siguiente).

Ahora, sobre el carbono de "extremo" que está arriba, dibuje una línea vertical directamente hacia arriba. Haga lo mismo en carbonos alternos para obtener un to- tal de tres líneas hacia arriba. En cada uno de los otros tres carbonos, dibuje una 1í- nea vertical hacia abajo. Estas seis líneas representan las posiciones axiales.

ax ax

-. -- ec de anillo

ec ec ax ax

FIGURA 2.9

Posiciones axiales y ecuatoriales en la forma de silla del ciclohe- xano. La forma de silla está alternando constantemente entre dos

confónneros idénticos. Cuando esto sucede, todos los hidróge- nos axiales se vuelven ecuatoriales y todos los hidrógenos ecua-

toriales se hacen axiales.

58 1 CM~TLJLO 2 Ai6anos: estructura y nomenclatura de hidrocarbums sencillos

Por último, coloque en cada uno de los seis carbonos una línea que no esté ni hacia arriba ni hacia abajo, sino que salga del perímetro de la silla. Éstas son las po- siciones ecuatoriales. El proceso se sintetiza en seguida.

O I 1 Silla Las posiciones Posiciones axiales (negro)

axiales son todas Posiciones ecuatoriales (color) paralelas y se alternan Tres conjuntos de líneas paralelas

arriba o abajo en carbonos alternados

D. Isomería de conformación en ciclohexanos sustituidos

En la conformación de silla del ciclohexano las posiciones axiales tienen menos espacio que las ecuatoriales. Los hidrógenos axiales sobresalen directamente arri- ba o abajo del anillo y están más cerca unos de otros que los hidrógenos ecuatoria- les, los cuales están situados en torno al perímetro y directamente hacia afuera del anillo (véase la representación de modelos moleculares de la figura 2.7). Puesto que las posiciones ecuatoriales son más espaciosas, un sustituyente unido al anillo en lugar de un hidrógeno formará un compuesto más estable si es ecuatorial y no axial.

Consideremos el metilciclohexano, por ejemplo. Existe un equilibrio entre dos conformaciones, una en la que el grupo metilo es axial y otra en la que es ecuato- rial. Existe equilibrio porque el anillo de ciclohexano está alternando constante- mente entre las dos conformaciones; cada vez que ocurre una inversión, todas las posiciones axiales se vuelven ecuatoriales y todas las posiciones ecuatoriales se hacen axiales (véase la figura 2.9). Puesto que la posición ecuatorial ofrece un en- torno más espacioso para el sustituyente metilo que una orientación axial, la con- formación en la cual el grupo metilo es ecuatorial predomina en el equilibrio.

Axial H

Inversión de anillo -. -

Más estable

b% Ecuatorial

" 7 , ; C-H "

Si hay dos grupos unidos a un anillo de ciclohexano, existen dos posibilidades de equilibrio: axial-axial en equilibrio con ecuatorial-ecuatorial, y axial-ecuatorial en equilibrio con ecuatorial-axial. En la primera de estas posibilidades es evidente que el equilibrio favorecerá la conformación ecuatorial-ecuatorial, donde se evita la aglomeración extrema que sería consecuencia de una disposición diaxial. Esto se ilustra en forma espectacular con el 1-isopropil-3-metilciclohexano.

Axial H

Más estable

Si un grupo es axial y el otro ecuatorial, el equilibrio favorecerá la conformación en la que el grupo más grande y voluminoso está en la posición ecuatorial, más espa- ciosa.

H3C, 1 / CH3 hversión C

H de anillo

Más estable

Ecuatorial Axial

E. Isomería geométrica en compuestos cíclicos

Aunque existe una rotación relativamente libre en torno a los enlaces carbono-car- bono sencillos en los alcanos de cadena abierta, no ocurre así en los cicloalcanos. Por ejemplo, en compuestos de anillo pequeño, como el ciclopropano, si dos car- bonos comenzaran a girar en sentidos opuestos, el tercer carbono sería fonado a romper sus uniones porque está enlazado a ambos y evidentemente no puede se-

60 1 CAPITULO 2 Alcanos: estructura y nonienclatura de hidrocarburos sencillos

isómeros geométricos

isómeros cis y trans; un tipo de esteroisomeria

en la cual los átomos o gru os exhiben

diLrencias de orientación en torno a

un doble enlace o anillo

irómero cis isómero geométrico en el cual los grupos están en el mismo lado de un

anillo o doble enlace

isómero tmns isómero geométrico en el cual los grupos están

en lados opuestos del anillo o doble enlace

guir los giros opuestos. Por esta razón y por la naturaleza de la estructura cíclica, se puede pensar que los cicloalcanos tienen lados. En los cicloalcanos con sustitu- yentes apropiados, esto da por resultado un tipo de estereoisomería llamada iso- mería geométrica.

Consideremos, por ejemplo, el 1,2-dibromociclopropano. Los dos átomos de bromo pueden estar en el mislno lado del anillo; a éste se le llama isómero c h . O bien, los dos átomos de bromo pueden estar en lados opuestos del anillo, en el isó- mero trans.

isómero cis isómero trans

Átomos de bromo en el mismo lado Átomos de bromo en lados opuestos

Los isómeros estructurales, como los de esqueleto y de posición, tienen distin- tas disposiciones de enlazamiento de los átomos. En los ejemplos anteriores, sin embargo, se puede ver que los mismos átomos están conectados unos a otros, lo que es una característica de la estereoisomería. Los compuestos difieren en la orientación espacial de los átomos; los átomos de bromo están del mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans), pero de cualquier manera están conectados a los mismos átomos de carbono.

-1 Dibyie los isómeros geométricos de 1,2- y 1,3-dimetilciclobutano.

1 Solución

H CH, cis tmns

1,2-dimetilciclobutano

cis trans

l,3-dimetilciclobutano

2.9 Hidrocarburos: relación entre estructura y propiedades físicas

sólido ¿En qué forma se relaciona la estructura molecular que hemos analizado con las estado de la materia propiedades físicas de los compuestos? Los estados sólido, líquido y gaseoso de

y un compuesto no representan diferencias en la estructura de las moléculas indivi- constantes; fuerzas

intensas de atracción dudes; más bien, representan variaciones en la disposición de las moléculas. En entre inmóvi- un sólido, las moléculas están acomodadas de manera muy compacta y están rela- les en una red cristalina tivamente inmovilizadas en una red cristalina ordenada. Las fueizas de atracción

2.9 Hidrocarburos: relación entre estructura y propiedades físicas 1 6 1

Calor - calor @ O m @ Fusión Ebuliición 8 e O

O - Sólido Líquido Las fuerzas El calor ha proporcionado

intermoleculares energía que debilita las mantienen inmóviles las fuerzas intermoleculares y

moléculas en una red pone las moléculas en cristalina compacta movimiento

Gas Se han roto las fuerzas intermoleculares; las moléculas tienen libre

movimiento independiente

FIGURA 2.10

Estados físicos de la materia

liquido estado de la materia

con volumen constante pero forma variable;

moléculas en movimiento al azar pero

con atracciones intermoleculares

gas estado de la materia con volumen y forma

variables. Las moléculas son independientes, tienen movimiento al

azar y carecen de atracciones

intermoleculares

entre moléculas alcanzan un máximo (figura 2.10). En el estado líquido, las atrac- ciones moleculares continúan existiendo, pero las moléculas son móviles; tienen más energía cinética. La movilidad molecular en la fase de vapor es tan grande que prácticamente no existen atracciones moleculares y cada molécula es, en teoría, independiente de las otras. Se requiere energía, en forma de calor, para suminis- trar a las moléculas el ímpetu y movilidad que necesitan para desprenderse de la red cristalina y formar un líquido o para romper todas las fuerzas de atracción y convertirse en vapor. Aquí e x h a r e m o s los factores que influyen en los puntos de fusión y puntos de ebullición de los alcanos (tabla 2.3).

TABLA 2.3 + Puntos de fusión y puntos de ebullición de alcanos

Peso Punto de Punto de Nombre Fórmula molecular fusión, "C ebullición, "C

Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Pentadecano Eicosano

62 1 C*i.hi;in 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

serie homóloga una, serie en la cual ca-

d a com uesto difiere del que P e precede en

un factor constante; ca- da uno de los miembros

de la serie homólogo -metano, etano, propa-

no, b u t ~ n o , ~ n t a n o , etc.- difiere el prece-

dente en un grupo -CH2 -

punto de fusión tem eratura a la cual un só P i do se vuelve líquido

punto de ebullición temperatura a la cual un

líquido se convierte en

gas peso molecular surna.de los pesos

atómicos de los átomos de un compuesto

A. Punto de fusión, punto de ebullición y peso molecular

En una serie homóloga, los puntos de fusión y puntos de ebullición aumentan con el peso molecular para casi todas las clases de compuestos orgánicos. Consi- dere su propia experiencia con las fracciones de hidrocarburos siguientes, de pe- so molecular creciente: el gas natural es, desde luego, un gas; la gasolina es un líquido volátil: el aceite para motor es un líquido espeso, no volátil; y la parafina (velas) es un sólido. Estas tendencias del punto de fusión y del punto de ebullición se pueden entender con base en dos consideraciones. En primer lugar, cuanto ma- yor es la molécula, más numerosos son los puntos para atracciones intermolecula- res. Estas atracciones tienen que debilitarse o romperse en cualquier transición del estado sólido al líquido, o del estado líquido al gaseoso. Segundo, cuanto más pesada es la sustancia, mayor es la energía que se necesita para proporcionar a las moléculas el ímpetu suficiente para romper estas fuerzas intermoleculares. Las tendencias de puntos de fusión son menos regulares que las de puntos de ebulli- ción, puesto que la fusión también depende del ajuste correcto de una molécula en su red cristalina. En la tabla 2.3 podemos ver que estas generalizaciones son váli- das para los alcanos. Veremos tendencias similares en otras clases de compuestos.

B. Punto de fusión, punto de ebullición y estructura molecular

Los puntos de ebullición disminuyen con la ramificación de la cadena en los hidro- carburos. La ramificación hace que la molécula sea más compacta y disminuye el área superficial. Cuanto más pequeña es el área superficial, menos oportunidades hay de atracción intermolecular; en consecuencia, las moléculas ram5cadas tienen puntos de ebullición más bajos que las no ramificadas de peso molecular compara- ble. Por otra parte, lo compacto o la simetría molecular ordinariamente aumentan el punto de fusión de un compuesto. Estas moléculas encajan con más facilidad en una red cristalina. Una red cristalina más estable requiere más energía para des- truirse. En consecuencia, los puntos de fusión son más altos para compuestos alta- mente ramificados que para compuestos con una cadena más larga y recta.

Consideremos, por ejemplo, los isómeros de C5HI2 (todos con peso molecu- lar 72).

CH3 ~ f , "c - 130 - 160 - 17 p. eb. "C 36 , 28 9.5

Adviértase la disminución progresiva del punto de ebullición con la ramificación. Obsérvese también la gran diferencia de punto de fusión entre el pentano y el alta- mente compacto y simétrico dirnetilpropano.

Se presenta una diferencia espectacular entre los isómeros octano y 2,2,3,3-te- trametilbutano.

pf, "C p. eb. "C

2.9 Hidrocarburos: relación entre estructura y propiedades físicas 1 63

Acamodar el octano en una red cristalina ordenada sería como tratar de apilar es- pagueti mojado, mientras que disponer 2,2,3,3-tetrametilbutano sería análogo a apilar bloques de madera. Sin embargo, el octano, con más área supe

rfi

cial, tiene un punto de ebullición más alto.

solubilidad C. Solubilidad y densidad cantidad de materia que

b se disuelve en un Con base en la experiencia, sabemos que los hidrocarburos del tipo de los alcanos disolvente y produce son insolubles en agua Esto es porque el agua es un disolvente polar (enlaces O - H una solución estable

densidad polares) y los alcanos son no polares (enlaces no polares carbono-carbono y car-

peso por unidad de bono-hidrógeno). Los hidrocarburos también son menos densos que el agua y flo-

volumen delino tan en su super

fi

cie. (Por ejemplo, los derrames de petróleo permanecen en gran sustancia medida en la supe

rficie del agua de mar, por ejemplo).

64 1 C~\~~TULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciilos

ma- la in

Comprobación de habilidades 1 65

Habilidades

1. dibujar isómeros de esqueleto de aica- nos y cicloaicanos usando las reglas y el procedimiento pa- ra dibujar isómeros estructiirales

2. escribir fórmulas estructurales, tanto expandidas como condensadas, para compuestos orgáni- cos

3. dibujar ejemplos de isómeros de posi- ción

4. dar nombre a alca- nos, cicloalcanos y halogenuros de ai- quilo usando el sistema de nomen- clatura IUPAC. ¿Conoce los nom- bres de los diez pri- meros alcanos?

5. dibujar isómeros de conformación usan- do diagrama de ca- ballete y proyecciones de Newman

Sección 2.3; ejemplo 2.1; problemas 2.1-2.2 y 2.13.

Sección 2.4; ejemplo 2.2; problemas 2.13,2.152.16.

Sección 2.5; problemas 2.3 y 2.15-2.16.

Sección 2.6; tablas 2.1-2.2; ejemplos 2.3-2.6; problemas 2.42.7,2.14, 2.17-2.21.

Sección 2.7; ejemplo 2.7; problemas 2.8 y 2.22.

Habilidades

6. dibujar las confor- maciones de bote y de siila del ciclohe- xano y distinguir en- tre las posiciones axiales y ecuatoria- les en la silla

7. dibujar las formas de silla más estable y menos estable de ci- clohexanos sustitui- dos

8. dibujar isómeros geométricos (cis- trans) de cicloalca- nos disustituidos

9. relacionar la estruc- tura molecular con las propiedades físi- cas de los alcanos

10. exponer los concep- tos y términos pre- sentados en este capítulo

Referencia/Problemas Sección 2.8.A-C.

Sección 2.8.D; problemas 2.10.2.23-2.24.

Sección 2.8.E; ejemplo 2.7; problemas 2.11, 2.262.27

Sección 2.9; problema 2.31.

Use las definiciones de los márgenes y los títulos de sección como guías de es- tudio y repase los ejem- plos y problemas apropiados.