cuaderno-alcanos

GERMÁN FERNÁNDEZ

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Espero que este cuaderno sea de interés y permita comprender mejor la

teoría de los alcanos. Puedes añadir comentarios y correcciones que

permitan mejorar este material a través del módulo de comentarios incluido

en la página de descarga.

Aprovecho para enviarte un cordial saludo

Germán Fernández


ALCANOS 1




Los hidrocarburos son compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno. Se dividen en dos clases:

hidrocarburos alifáticos y aromáticos

Los hidrocarburos alifáticos incluyen tres clases de compuestos: alcanos, alquenos y alquinos.

Los alcanos son hidrocarburos que sólo contienen enlaces simples carbono-carbono, los alquenos

contienen enlaces dobles carbono-carbono, y los alquinos son hidrocarburos que contienen un triple

enlace.

C C

C C

C C HH

H

HH

H

H

H

H

H

H

H

Etano

Eteno

Etino

El segundo grupo lo forman los hidrocarburos aromáticos. El compuesto más importanteen esta familia es el benceno.

H H

H

HH

H

Benceno(Hidrocarburo aromático)

Modelo molecular del benceno

Modelo molecular del etano

Modelo molecular del eteno

Modelo molecular del etino

TIPOS DE HIDROCARBUROS

ALCANOS 2


Un hidrocarburo saturado o alcano es un hidrocarburo en el que todos los enlaces carbono-carbono son

simples. La fórmula general de un alcano es CnH2n+2 donde n es el número de carbonos de la molécula.

Alcanos, en los cuales los carbonos se enlazan de manera continua ( sin ramificaciones) se denominanalcanos de cadena lineal

CH3CH2CH3

CH3CH2CH2CH3

CH3CH2CH2CH2CH3

C C

H

H

H H

H

C

H

H

H

C C

H

H

H H

H

C

H

H

C H

H

H

C C

H

H

H H

H

C

H

H

C C

H

H

H

H

H

Estructura del propano

Estructura del butano

Estructura del pentano

ALCANOS

La familia de alcanos lineales es un ejemplo de serie homóloga. Serie homóloga de compuestos es una enla cual sucesivos miembros difieren en un grupo metileno (CH2) . La fórmula general para alcanoshomólogos es CH3(CH2)nCH3. Propano (CH3CH2CH3, con n=1) y butano (CH3CH2CH2CH3, con n=2) sonhomólogos.

Metano Etano Propano

Butano Pentano



ALCANOS 3


Alcanos con ramificaciones se denominan alcanos de cadena ramificada.

H3CCH

CH3

CH3

H3CCH

CH2

CH3

CH3

H3CCH

CH2

CHCH3

CH3 CH3

Metilpropano(isobutano)

Metilbutano(isopentano)

2,4-dimetilpentano

H3CCH H

C

H2C H

CCH3

H2CCH3

CH3

CH3

3-Etil-2,5-dimetilhexano

Modelo molecular del 3-Etil-2,5-dimetilhexano

Metano (CH4), etano (C2H6) y propano (C3H8) son alcanos con una sóla estructura posible. Sin embargo,

existen dos alcanos de fórmula C4H10; el butano y el 2-metilpropano. Estos alcanos de igual fórmula pero

con diferente estructura se llaman isómeros.

metilpropano

CH3CHCH3

CH3

CH3CH2CH2CH3

butano

CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3

CH3

CH3CCH3

CH3

CH3

pentano 2-metilpentano 2,2-dimetilpropano

El n-Butano y el isobutano tienen la misma fórmula pero difieren en la forma de unión de sus átomos -son

isómeros estructurales-. Su diferente estructura hace que tengan diferentes propiedades, así, difieren en

unos 20ºC en su punto de fusión y unos 10ºC en su punto de ebullición.

Existen tres isómeros de fórmula C5H12. El isómero lineal se llama n-pentano. Los ramificados son el

isopentano (2-metilbutano) y el neopentano (2,2-dimetilpropano).

ALCANOS ISÓMEROS



ALCANOS 4


Existen cinco isómeros constitucionales de fórmula C6H14:

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

hexano

CH3CHCH2CH2CH3

CH3

2-metilpentano

CH3CCH2CH3

CH3

CH3

2,2-dimetilbutano

CH3CH2CHCH2CH3

CH3

3-metilpentano

CH3CHCHCH3

CH3

CH3

2,3-dimetilbutano

A medida que aumenta el número de carbonos crece de forma exponencial el número de isómeros.

Existen más de 360 000 isómeros con la fórmula C20H42 y más de 62 millones con la fórmula C40H82.

Los alcanos son compuestos con hibridación sp3 en todos sus carbonos. Los cuatro sustituyentes que

parten de cada carbono se disponen hacia los vértices un tetraedro.

Las distancias y ángulos de enlace se muestran en los siguientes modelos.

PROPIEDADES FÍSICAS DE ALCANOS

Los alcanos de menor tamaño, metano, etano, propano y butano son gases a temperatura ambiente. Los

alcanos lineales desde C5H12 hasta C17H36 son líquidos. Alcanos de mayor número de carbonos son

sólidos a temperatura ambiente.

Los puntos de fusión y ebullición de los alcanos aumentan con el número de carbonos de la molécula.

También se observa que los alcanos ramificados presentan un punto de ebullición menor que sus isómeros

lineales.



ALCANOS 5


En la siguiente gráfica se representan los puntos de ebullición de alcanos lineales (en negro) y los

correspondientes a sus 2-metilalcanos isómeros (en azul).

En fase líquida existen fuerzas de atracción entre moléculas que las mantiene unidas. Para pasar a fase gas

la sustancia es necesario vencer estas fuerzas intermoleculares mediante el aporte de energía.

En moléculas neutras, como son los alcanos, las fuerzas atractivas son debidas a interacciones de Van der

Waals que pueden ser de tres tipos: dipolo - dipolo, dipolo - dipolo inducido y dipolo inducido - dipolo inducido.

La formación de los dipolos inducidos que producen la atracción entre moléculas neutras puede verse en el

siguiente esquema:

Dipolo inducido - Dipolo inducido

Van-der-Waals



ALCANOS 6


Consideremos los isómeros del pentano, como ejemplo de la disminución en el punto de ebullición, al

pasar de alcanos lineales a ramificados .

H3C

H2C

CH2

H2C

CH3 H3CCH

CH2

CH3

CH3

H3C CH3

H3C CH3

Pentano 2-Metilbutano 2,2-Dimetilpropano

(Peb = 36ºC) (Peb = 28ºC) (Peb = 9ºC)

El pentano tiene una importante área superficial que permite gran número de interacciones dipolo inducido

- dipolo inducido. El 2-Metilbutano es más compacto y posee menor área superficial, menos interacciones

intermoleculares y menor punto de ebullición.

Solubilidad en agua. Debido a la falta de polaridad los alcanos son insolubles en agua y al ser menos

densos d = 0,6-0,8 g/ml flotan sobre ella.

La nomenclatura en química orgánica es de dos tipos: común (trivial) y sistemática. Algunos ejemplos de

nombres comunes son: urea, sustancia cristalina aislada de la orina; ácido barbitúrico, agente

tranquilizante nombrado por su descubridor en honor de su amiga Bárbara.

Pero hay millones de compuestos orgánicos, y los nombres comunes no están basados en la estructura.

La nomenclatura IUPAC hace posible deducir la estructura de un compuesto a partir de su nombre.

Nombres como isobutano e isopentano son comunes. Los nombres sistemáticos son metilpropano y

metilbutano.

El nombre sistemático de un alcano se obtiene a partir de las siguientes reglas:

Regla 1.- Determinar el número de carbonos de la cadena más larga, llamada cadena principal del alcano.

Obsérvese en las figuras que no siempre es la cadena horizontal.

isobutano (nombre común)metilpropano (nombre IUPAC)

isopentano (nombre común)metilbutano (nombre IUPAC)

CH3CHCH3

CH3

CH3CHCH2CH3

CH3

CH3CH2CH2CH2CH2CHCH2CH3

CH3

3-metiloctano

CH3CH2CH2CHCH3

CH2CH2CH3

4-metilheptano

12345678

123

4567

Ácido Barbitúrico

NOMENCLATURA DE ALCANOS



ALCANOS 7


El nombre del alcano se termina en el nombre de la cadena principal (octano) y va precedido por los

sustituyentes.

Regla 2.- Los sustituyentes se nombran cambiando la terminación -ano del alcano del cual derivan por -

ilo (metilo, etilo, propilo, butilo).

En el nombre del alcano, los sustituyentes preceden al nombre de la cadena principal y se acompañan de

un localizador que indica su posición dentro de la cadena principal. La numeración de la cadena principal

se realiza de modo que al sustituyente se le asigne el localizador más bajo posible.

CH3 H2CCH3

2-Metilpentano 3-Etilhexano

1 2 3 4 5 123456

CH2

H3C

4-Etiloctano

1 2 3 45

6 7 8

Regla 3.- Si tenemos varios sustituyentes se ordenan alfabéticamente precedidos por lo localizadores. La

numeración de la cadena principal se realiza para que los sustituyentes en conjunto tomen los menores

localizadores.

Si varios sustituyentes son iguales, se emplean los prefijos di, tri, tetra, penta, hexa, para indicar el número

de veces que aparece cada sustituyente en la molécula.

Los localizadores se separan por comas y debe haber tantos como sustituyentes.

Los prefijos de cantidad no se tienen en cuenta al ordenar alfabéticamente.

H3C CH3

H3C CH3

1 2 3 4 5 6

3,3,4,4-Tetrametilhexano

CH2H3C

CH2

H3C

H3C CH3

H2C

12345678

CH3

3,5,6-Trietil-2,2-dimetiloctano

CH3

H2CCH3

CH3 CH3

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6

4-Etil-3-metiloctano 2,4-Dimetilhexano



ALCANOS 8


Regla 4.- Si al numerar la cadena principal por ambos extremos, nos encontramos a la misma distancia con

los primeros sustituyentes, nos fijamos en los demás sustituyentes y numeramos para que tomen los

menores localizadores.

Regla 5.- Si al numerar en ambas direcciones se obtienen los mismos localizadores, se asigna el

localizador más bajo al sustituyente que va primero en el orden alfabético.

123456

3-Etil-2,5-dimetilhexano

Br Cl

1 2 3 4 5

2-Bromo-4-cloropentano

Regla 6.- Si dos a más cadenas tienen igual longitud, se toma como principal la que tiene mayor número de

sustituyentes.

Regla 7.- Existen algunos sustituyentes con nombres comunes aceptados por la IUPAC, aunque se

recomienda el uso de la nomenclatura sistemática.

1

2

3 4 5 6

3-Etil-2-metilhexano

1 2 3 4 5 6

3-Isopropilhexano(Incorrecto)(Correcto)

C

CH3

H3C

H

isopropilo

C

CH3

H3C

CH3

tert-butilo

C

CH3H2CH3C

H

isobutilo

H2C CH3C

CH3

H

sec-butilo

Los nombres sistemáticos de estos sustituyentes se obtienen numerando la cadena comenzando por el

carbono que se une a la principal. El nombre del sustituyente se forma con el nombre de la cadena más

larga terminada en -ilo, anteponiendo los nombres de los sustituyentes que tenga dicha cadena secundaria

ordenados alfabéticamente. Veamos un ejemplo:



ALCANOS 9


12345678

12

4-Isopropiloctano4-(1-metiletil)octano

1

2

12

3456

78

4-tert-butiloctano4-(1,1-dimetiletil)octano

Los enlaces simples entre átomos tienen simetría cilíndrica y permiten la rotación de los grupos que unen.

Las diferentes disposiciones espaciales que adoptan los átomos como consecuencia de la rotación entorno

al enlace se llaman conformaciones. Una conformación concreta de las múltiples posibles se denomina

confórmero.

La rotación del enlace carbono-carbono en el etano da lugar a dos conformaciones límite, la

conformaciones alternada (con los hidrógenos alternados) y la conformación eclipsada (con los hidrógenos

enfrentados-. El paso de la conformación alternada a la eclipsada o viceversa se realiza por giro de 60º.

Obsérvese que en un giro de 360º existen infinitas conformaciones posibles.

La rotación entorno al enlace simple oxígeno-oxígeno en la molécula de agua oxigenada genera tres

conformaciones de especial importancia. La conformación que tiene los hidrógenos enfrentados se llama

SIN. Cuando los hidrógenos se sitúan a lados opuestos se habla de confórmero ANTI. La conformación

que deja los hidrógenos a 60º recibe el nombre de Gauche.

C C

H

H HH

HH

H

H H

H H

H

C C

HH

H HH H

HH

HH H H

Conformación alternada Conformación eclipsada

ISÓMEROS CONFORMACIONALES



ALCANOS 10


O O

H HO O

H

H

O O

H

H

GAUCHE

SIN ANTI

La proyección de Newman se obtiene al mirar la molécula a lo largo del eje C-C. El carbono frontal se

representa por un punto, del que parten los tres enlaces que lo unen a los sustituyentes. El carbono de

atrás se representa por un círculo y los enlaces que salen de este carbono se dibujan a partir de este

círculo.

A continuación dibujaremos la proyección de Newman del etano alternado. Miramos la molécula

situándonos en la posición de la flecha. Representamos el carbono que tenemos enfrente por un punto y

sacamos los enlaces que parten hacia los hidrógenos. El carbono que está al fondo no podemos verlo,

aunque si vemos los hidrógenos que parten de él (representados en rojo). Lo representamos por un

círculo y sacamos los enlaces que lo unen a los hidrógenos (representados en azul)

C C

H

H

H

HH

HH

H HH

HH

PROYECCIÓN DE NEWMAN



ALCANOS 11


Ahora intentemos proyectar la conformación del etano que tiene todos los hidrógenos enfrentados (llamada

conformación eclipsada). Situándonos en la posición de la flecha tenemos enfrente el carbono con los

hidrógenos rojos. Los hidrógenos azules quedan tapados y no podemos verlos. En la proyección de

Newman estos hidrógenos (azules) aparecen ligeramente girados para poder representarlos.

C

H

C

H

HHH H

H

H

HH

H

H

El etano es el alcano más sencillo que puede existir en diferentes conformaciones. De las infinitas

conformaciones que se pueden obtener por giro del enlace carbono-carbono, destacan por su importancia

las conformaciones alternada y eclipsada.

Como puede observarse en la figura, la conformación alternada tiene los hidrógenos del primer carbono

situados entre los hidrógenos del segundo carbono, no existen hidrógenos enfrentados.

En esta conformación los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos se encuentran alejados,

formando ángulos de 60º. La conformación alternada es la más estable de las conformaciones del etano.

Es decir, la de menor energía.

La segunda conformación se llama eclipsada. En ella los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos

quedan enfrentados (eclipsados). Los campos electrónicos de los hidrógenos enfrentados sufren

importantes repulsiones (eclipsamientos) que desestabilizan la conformación. La conformación eclipsada

del etano es la de mayor energía. Es decir, la más inestable.

CONFORMACIONES DEL ETANO



ALCANOS 12


La rotación entorno a un enlace simple carbono-carbono no es completamente libre, debido a las

diferencias de energía entre las conformaciones alternadas y eclipsadas. Para que la rotación tenga lugar

es necesario superar una barrera energética que viene dada por la energía de la conformación eclipsada

(energía de activación).

En el etano esta barrera energética es pequeña, unas 2,9 Kcal/mol (12 KJ/mol), y permite que los

confórmeros se interconviertan a elevada velocidad.

Un diagrama de energía potencial nos permite entender como cambia la energía potencial del sistema

durante la rotación. En estos diagramas se representa la energía potencial de la molécula frente al ángulo

girado.

H

H HH

HH H

H

HH

HH

60º

H

H HH

HH

60º 60º

H

H

HH

HH

H

H HH

HH

60º 60º

H

H

HH

HH

Comenzando por una conformación alternada, hacemos giros de 60º en el carbono del fondo (círculo)

hasta completar los 360º.

[1] [2] [3] [4]

[5] [6]

Clasificamos las distintas conformaciones según energía. Las alternadas [1], [3] y [5] tienen la misma

energía, que llamaremos E1 (en el diagrama la tomaremos como cero). Las conformaciones [2], [4] y [6]

tienen más energía debido a los eclipsamientos hidrógeno-hidrógeno. Estas conformaciones eclipsadas

están unas 12 KJ/mol por encima de las alternadas.



ALCANOS 13


Para el etano, el diagrama de energía potencial tiene la siguiente forma:

Vamos a considerar el enlace C2-C3 del butano. Los giros de 60º entorno a este enlace generarán las

posibles conformaciones del butano. Existen tres conformaciones de especial importancia llamadas;

butano sin, butano anti y butano gauche que representamos en los siguientes modelos.

La conformación anti del butano es la de menor energía. Los metilos están a lados opuestos

minimizándose las repulsiones.

En la conformación gauche, la proximidad de los metilos da lugar a una interacción repulsiva, llamada

interacción gauche. Esta repulsión entre metilos es de unas 3,2 Kcal/mol.

CONFORMACIONES DEL BUTANO



ALCANOS 14


La conformación sin es la de mayor energía. Los metilos quedan enfrentados y las repulsiones

(interacciones eclipse) hacen que esta conformación tenga una energía de 25 KJ/mol superior a la

conformación anti.

Partimos del butano SIN, vamos haciendo giros de 60º hasta recorrer los 360º. De este modo dibujamos

todas las conformaciones del butano que se pueden obtener por giros de 60º.

H

H3C HCH3

HH

H

H

H3C CH3

HH

60º

H

H CH3

CH3

HH

60º 60º

H

H3C

H CH3

HH

CH3

H HCH3

HH

60º 60º

CH3

H

H CH3

HH

sin gauche anti(1) (2) (3) (4)

(5) (6)

Clasificamos las seis conformaciones según energía. La conformación (4) es la de energía más baja por

tener los metilos alejados. Con una energía superior están las conformaciones (2) y (6), también

alternadas como la (4) pero que presentan interacción gauche metilo-metilo. En un nivel superior de

energía están las eclipsadas (3) y (5), siendo la conformación de mayor energía la (1) por tener un

eclipsamiento metilo-metilo.



ALCANOS 15


El diagrama de energía potencial frente al ángulo girado para el butano nos queda:



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