Química Orgánica QQ 214

Ing. Roque Castillo rocas.qq214@gmail.com

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Unidad III - Alcanos

División de Compuestos Orgánicos

Compuestos Orgánicos

Alifáticos

Alcanos y Cicloalcanos (saturados)

Alquenos y Dienos (insaturados)

Alquinos (insaturados)

Aromáticos

Benceno y sus derivados

Heterocíclicos (otros átomos diferentes del

carbono: N, P, O, S)

A los alcanos se les conoce como parafinas Del latín Parum affinis que significa “poca afinidad”

Muestran poca afinidad por otras sustancias

Químicamente inertes a la mayoría de los reactivos de

laboratorio

Reaccionan con el oxígeno, halógenos, y algunas pocas sustancias bajo las condiciones apropiadas

Enlaces no polares

Dominan las fuerzas de Van der Waals entre moléculas

Propiedades Físicas de los Alcanos

Los alcanos muestran incrementos regulas en ambos, punto de ebullición y fusión a medidas que el peso molecular aumenta.

Debido a la presencia de fuerzas de dispersión débiles entre

moléculas Las fuerzas de dispersión aumentan a medida que el tamaño

molecular aumenta La fusión y la ebullición ocurre cuando la suficiente energía

térmica es aplicada para vencer las fuerzas de dispersión.

Los cuatro primeros alcanos son gases Los trece siguientes son líquidos a temp. ambiente (C5-C17) A partir del alcanos de 18 carbonos, son sólidos.

Propiedades Físicas de los Alcanos

El punto de ebullición aumenta de 20 a 30 grados centígrados por cada carbono que se agrega a la cadena. Un alcano ramificado de igual número de carbonos tiene un punto de ebullición mas bajo que un alcano de cadena lineal.

Propiedades Físicas de los Alcanos

Punto de fusión

Punto de ebullición

Número de carbonos

Petróleo y hulla son las fuentes naturales principales de alcanos.

Se trata de mezcla de miles de compuestos orgánicos, la mayoría hidrocarburos formados por la decomposición y degradación de plantas y animales marinos.

El metano, el más simple alcano, conocido también como biogas, es producto de la descomposición anaerobica de materia orgánica.

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

Alcanos: Fuentes Naturales

Alcanos son los más simples de la familia de las moleculas de compuestos orgánicos.

Alcano Un compuesto de carbono e hidrógeno que contiene enlaces

simples carbono-carbono. Fórmula General CnH2n+2 donde n es un entero

Alcanos

metano metano etano propano butano

Los alcanos son frecuentemente descritos como hidrocarburos saturados.

Hidrocarburos Contiene solo carbono e hidrógeno

Saturado Contiene un máximo posible de número de hidrógenos por

carbono y tiene solo enlaces sencillos C-C y C-H Los alcanos son ocasionalmente referidos como compuestos

alifáticos, nombre derivado de la palabra griega aleiphas, que significa “grasa”

Alcanos

Típica grasa animal

Estructuras de alcanos representativos

Alcanos y Estructuras de Alcanos

Metano Etano Propano

Butano Isobutano

Pentano 2-metilpropano 2,2-dimetilpropano

Alcanos de cadena lineal o alcanos normales

Alcanos cuyos átomos de carbono estan conectados sin ramificación.

Alcanos de cadena ramificada

Alcannos que contienen ramificaciones de enlaces de carbono, en oposición a los alcanos de cadena lineal.

Alcanos

Metano Etano Propano

2-metilbutano Isobutano

Isómeros Del griego isos + meros que

significa “hecho de las mismas partes”

Compuestos que tienen la misma formula molecular pero diferente estructura.

Alcanos e Isómeros

Pentano, C5H12 2-metilbutano, C5H12 2,2-dimetilpropano, C5H12

Isómeros Constitucionales Isómeros que tiene los mismos tipos y números de átomos

que están conectados en diferentes arreglos. Pueden tener diferentes esqueletos de carbono, diferentes

grupos funcionales, o diferentes posiciones de los grupos funcionales.

Alcanos e Isómeros

2-metilpropano butano

metanol dimetiléter

isopropilamina propilamina

Diferentes esqueletos de carbono C4H10

Diferentes grupos funcionales C2H6O

Diferentes posiciones de grupos funcionales C3H9N

Un alcano puede dibujarse arbitrariamente en muchas maneras. Representationes del butano n-C4H10 donde n denota normal

(cadena lineal)

Estas representaciones indican solo las coneccciones entre átomos. Estas representaciones no implican una particular geometría

tridimensional. Químicos raramente dibujan todas los enlaces en una

molécula y usualmente se refieren a la fórmula condensada.

Alcanos e Isómeros

Nombres de alcanos de cadena lineal Nombrados de acuerdo con el número de carbonos en la

molécula, con la excepción de los primeros cuatro alcanos. Nombres basados en números griegos

Sufijo –ano adicionado para identificar la molécula del alcano

Nomenclatura de Alcanos

Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano

Octano Nonano Decano Undecano Dodecano Eicosano Triacontano

No. de carbonos (n)

No. de carbonos (n)

Nombre

Nombre

Nombre de alcanos de cadena lineal

Proponga estructuras para dos isómeros con la fórmula C2H7N.

Ejemplo Dibuje las estructuras de los isómeros

Estrategia Sabemos que el carbono tiene 4 enlaces, el

nitrógeno forma 3 y el hidrógeno forma uno. Escriba primero los átomos del carbono Entonces use una combinación de prueba y error

para colocar las piezas juntas

Ejemplo Dibuje las estructuras de los isómeros

Solución Hay dos estructuras isoméricas Una con la conección C-C-N Una con la conección C-N-C

Ejemplo Dibuje las estructuras de los isómeros

Estas piezas … dan … estas estructuras.

Grupo alquil La estructura parcial que permanece cuando un átomo de

hidrógeno es removido de un alcano. Compuestos no estables Para nombrar un grupo alquilo reemplace -ano por -ilo Methane CH4 methyl –CH3

Ethane CH3CH3 ethyl –CH2CH3

Grupos Alquilo

Metano

Etano

Metil

Etil

Metano Etano Propano Butano Pentano

Metil (Me) Etil (Et) Propil (Pr) Butil (Bu) Pentil o amil

Combinando grupos alquilo con varios grupos funcionales se generan cientos de compuestos.

Cadenas lineales son generados por la remoción de un hidrógeno en el carbono final.

Grupos alquilo

metano un grupo metil alcohol metílico metilamina

Grupos alquilo ramificados son generaldos por la remoción de un hidrógeno de un átomo de carbono interno.

Grupos Alquilo

propano propil isopropil

butano butil sec-butil

isobutano isobutil tert-butil

Reacciones son como recetas de cocina

• Debes saber los ingredientes que lleva la receta (reactantes)

• Debes saber el procedimiento de realizar la receta, e.g. la temperatura del horno (condiciones de reacción)

• Debes saber que obtendrás de la receta, una vez mezclados los ingredientes en la cantidad adecuada y en las condiciones específicas (producto)

Ingredientes Platillo Condiciones específicas

Reactantes Producto Condiciones específicas

Síntesis de Alcanos

1. Hidrogenación de alquenos

Datos • Con que se cuenta?

– Alqueno

• Que se desea obtener?

– Alcano

1. Hidrogenación de alquenos

CnH2n CnH2n+2 H2

Pt/C, Pd/C o Ni

Catalizadores: Pt - Platino, Pd – Paladio, Ni – Níquel El Platino y Paladio se colocan sobre carbón fino El Platino usualmente se usa en forma de PtO2

Reacción Genérica

alcano alqueno

1. Hidrogenación de alquenos

Ejemplos

2-metil-2-buteno

2-metil-1-buteno

3-metil-1-buteno

2-metilbutano

2-metilbutano

2-metilbutano

2. Reducción de Halogenuros de alquilo

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard (b) Reducción con metal y ácido

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Datos • Con que se cuenta?

– Halogenuro de alquilo, RX • Que se desea obtener?

– Alcano, R-H Reacción de sustitución, primeramente del halógeno por el magnesio y seguidamente del magnesio y halógeno por el hidrógeno.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Halogenuro de alquilo

magnesio Reactivo de Grignard

éter

alcano

(1) Se hace reaccionar el halogenuro de alquilo con magnesio en éter para formar el reactivo de Grignard.

(2) El reactivo de Grignard resultante se hace reaccionar con agua para formar el alcano.

La función del éter en la reacción es de solvente.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

El reactivo de Grignard es un compuesto organometálico. Organometálico significa que contiene un carbono unido a un metal.

Enlace polar

Metales más comunes: Li, Mg, Cu

El compuesto de Grignard es muy reactivo: se combina con numerosas sustancias inorgánicas que incluyen agua, dióxido de carbono y oxigeno, y con la mayoría de los compuestos orgánicos; en muchos de estos casos, la reacción proporciona la mejor ruta para obtener un tipo particular de sustancia orgánica.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

La reacción con agua para formar un alcana es típica del comportamiento del reactivo de Grignard con los ácidos, y de muchas de las sustancias organometalicas mas reactivas. En vista del marcado carácter carbanionico del grupo alquilo, podemos considerar que el reactivo de Grignard es la sal magnésica, RMgX del muy débil ácido R—H.

La reacción es tan solo el desplazamiento del acido mas débil. R—H. de su sal por el acido mas fuerte, HOH.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Un compuesto con hidrogeno unido a oxígeno o nitrógeno es mucho mas acido que un alcano. por lo que puede descomponer un reactivo de Grignard: por ejemplo, amoníaco (NH3) o un alcohol.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Br

MgMgBr

H2O

2-bromobutano butano

3-bromopentano

pentano

(a) Reducción con ácido y un metal

Datos • Con que se cuenta?

–Halogenuro de alquilo, RX • Que se desea obtener?

–Alcano, R-H Reacción de sustitución, el halógeno es sustituído por un hidrógeno.

(a) Reducción con ácido y un metal

Halogenuro de alquilo

alcano

(1) El halogenuro de alquilo reacciona con Zinc metálico en medio ácido.

(2) Se realiza la sustitución del halógeno por un hidrógeno, para formar el alcano.

(3) El zinc se oxida (pierde electrones), dado que comienza como átomo neutro y en los productos se muestra como catión +2.

(a) Reducción con ácido y un metal

BrZn , H+

Bromuro de sec-butilo n- butano

3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometalicos

Datos • Con que se cuenta?

– Halogenuro de alquilo, RX [1°, 2° ó 3°] – Halogenuro de alquilo R’X [debe ser 1°]

• Que se desea obtener? – Alcano, R-H

Reacción de sustitución, que produce un alcano con una cadena de carbonos mas extensa que la cadena de reactivo inicial.

3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometalicos

Halogenuro de alquilo 1°, 2°o 3°

Halogenuro de cobre

Halogenuro de alquilo Debe ser 1°

(1) Se hace reaccionar el halogenuro de alquilo con litio (Li). (2) Luego el alquil-litio reacciona con un halogenuro de cobre. (3) El dicuproalquil-litio puede acoplarse con una cadena de carbonos de un

halogenuro de alquilo primario. (4) El acoplamiento se realiza en los carbonos que tenían los enlaces con los

halógenos.

3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos órgano-metálicos

Cloruro de etilo Etil-litio Cuprodietil-litio Bromuro de n-heptano

n-nonano

Reacciones de Alcanos

1. Halogenación

Datos • Con que se cuenta?

– Alcano

• Que se desea obtener?

– Halogenuro de alquilo

1. Halogenación

calor o luz

Reactividad X2 : Cl2 > Br2 H : 3°> 2°> 1°> CH3-H

alcano Halogenuro de alquilo

Usualmente una mezcla de compuestos

Los halogenuros de alquilo que se forman primeros son por la sustitución de un hidrógeno terciario (hidrógeno unido a un carbono terciario) por el halógeno, luego se forman los halogenuros por la sustitución de un hidrógeno secundario, y por ultimo se forman los halogenuros por la sustitución de un hidrógeno primario.

1. Halogenación

La halogenación se lleva a cabo por un mecanismo de radicales libres. Mecanismo de la monobromación del etano:

Paso de iniciación

Paso de propagación

Paso de terminación

1. Halogenación

butano

2,2,5 - trimetilhexano

2. Combustión

Datos • Con que se cuenta?

– Alcano

• Que se desea obtener?

– Dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O)

2. Combustión

𝐶𝐶𝑛𝑛𝐻𝐻2𝑛𝑛+2 + 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑂𝑂2 −→ 𝑛𝑛𝐶𝐶𝑂𝑂2 + 𝑛𝑛 + 1 𝐻𝐻2𝑂𝑂

𝐶𝐶5𝐻𝐻12 + 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑂𝑂2 → 5𝐶𝐶𝑂𝑂2 + 6𝐻𝐻2𝑂𝑂 n-pentano

Combustión del pentano

Los alcanos, en un exceso de oxígeno y en presencia de una llama se queman formando dióxido de carbono y agua.

Bibliografía

Bruice, P. Y. (2010). Química Orgánica (Sexta ed.). EEUU: Prentice Hall.

McMurry, J. (2008). Química Orgánica (Séptima ed.). EEUU: Thomson.Brooks/Cole.

Solomons, G., Fryhle, C., & Snyder, S. (2014). Química Orgánica (Undécima ed.). EEUU: John Wiley & Sons, Inc.