Alcanos 2009

HIDROCARBUROS 2009 Comenzaremos el estudio de los compuestos orgánicos por lo Hidrocarburos , que son los hidrocarburos que tienen la composición más simple y como lo indica su nombre, están constituidos exclusivamente por átomos de carbono (C) e hidrógeno (H).Si bien estas sustancias eran conocidas desde la más remota antigüedad, no fue sino hasta el siglo XVIII en que se inició su estudio científico por parte de Benjamín Franklin y A. Volta.En 1805 el científico T. Henry logró establecer la fórmula química del gas metano, que hasta entonces se lo conocía como “gas de los pantanos” La fórmula desarrollada por Henry indica que cada molécula de metano está constituida por un átomo de carbono unido a 4 átomos de hidrógeno, es decir : CH4 HIDROCARBUROS SATURADOS -ALCANOS Ya hemos visto en el capítulo anterior, que los Hidrocarburos saturados, también conocidos como “alcanos” (usaremos frecuentemente esta denominación), son aquellos hidrocarburos en los que la unión entre carbonos es de “ligadura simple”, es decir “enlaces simples” (No hay ligaduras dobles o triples).1)Metano: El hidrocarburo saturado (alcano), más sencillo es el metano, formado por un solo átomo de carbono (C) que está unido, mediante “uniones covalentes” a cuatro átomos de hidrógeno (H), compartiendo con cada uno de ellos un par de electrones.Esta molécula, así constituida, resulta muy estable porque, al compartir un par de electrones, cada átomo de hidrógeno tiene dos electrones en su órbita externa, con lo cual su estructura atómica es similar a la del helio (He) que es el gas noble más próximo al hidrógeno en la Tabla de Mendeleiev.Por su parte el átomo de carbono (C), que tiene 4 electrones en su órbita externa, al compartir un par de electrones con cada uno de los 4 hidrógenos (H), logra completar 8 electrones en su órbita externa, con lo cual su estructura es similar a la del neón ( Ne ) , que es el gas noble más próximo en la Tabla.Recordemos que, según la Teoría del “Octeto electrónico”, los átomos que logran ocho electrones en su órbita externa, adquieren una estabilidad similar a la de los gases inertes.H | H ---- C ---- H CH4 | H Fórmula desarrollada Fórmula molecular 2)Etano: Es el hidrocarburo saturado (alcano) que le sigue en la cantidad de carbonos.Está formado por 2 carbonos (C) y 6 hidrógenos(H) H H | | H ---- C ---- C ---- H CH3 --- CH3 CH6 | | H H Fórmula desarrollada Fórmula semidesarrollada Fórmula molecular 3) Propano: El siguiente alcano es el propano cuya molécula está formada por 3 átomos de carbono y 8 átomos de hidrógeno: H H H | | | H ---- C ---- C ---- C ---- H

CH3 --- CH2 --- CH3 Química V – Alcanos 1/10

C3H8

| | | H H H Fórmula desarrollada Fórmula semidesarrollada Fórmula molecular 4) Butano: Es el hidrocarburo saturado (alcano) siguiente, formado por 4 carbonos y 10 hidrógenos H H H H | | | | H ---- C ---- C ---- C ---- C ---- H CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --- CH3 C5H12 | | | | H H H H Fórmula desarrollada Fórmula semidesarrollada Fórmula molecular Observando las fórmulas de los hidrocarburos saturados (alcanos) que hemos dibujado, podemos sacar las siguientes conclusiones: 1º)Cada compuesto se diferencia del anterior en un átomo de carbono y dos átomos de hidrógeno.2º)El número de átomos de hidrógeno en la molécula es siempre par.3º)El número de átomos de hidrógeno es igual al doble de los carbonos más dos.4º)Se puede escribir una fórmula general de formación de los alcanos, que es:

CnH2n+2 en la que “n” es un número entero que indica la cantidad de carbones de la molécula.Ejemplo: Pentano Desarrollar la fórmula del alcano que tiene 5 carbonos, es decir : n = 5 Aplicando la fórmula calculamos la cantidad de hidrógenos: 2n + 2 = 2 x 5 + 2 = 12 hidrógenos La Fórmula molecular es, entonces: C5H12 H H H H H | | | | | H ---- C ---- C ---- C ----- C ---- C ---- H CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --- CH3 | | | | | H H H H H Fórmula desarrollada Fórmula semidesarrollada Existe una regla para asignar el nombre a cada alcano: a) Los nombres terminan en el sufijo “ano”, indicando así la serie a la que pertenecen.b) A este sufijo se le antepone un prefijo que expresa el número de carbonos de la molécula, según el siguiente cuadro: Número de Fórmula Nombre del carbonos molecular alcano 1 CH4 metano 2 C2H6 etano 3 C3H8 propano 5 C5H12 pentano 6 C6H14 hexano 7 C7H16 heptano 8 C8H18 octano 9 C9H20 nonano 10 C10H22 decano 11 C11H24 undecano 15 C15H32 pentadecano 20 C20H42 icosano 30 C30H62 triacontano Isómeros de los hidrocarburos saturados (alcanos): Química V – Alcanos 2/10

Recordemos que se llaman “isómeros” (iso = igual ; meros = partes) a aquellos compuestos que muestran la misma Fórmula molecular pero tienen propiedades distintas, porque difieren en la distribución de los componentes de la molécula.En los alcanos encontramos numerosos ejemplos de isómeros. Veamos algunos .Nota: por razones de simplicidad de dibujo representaremos los isómeros mediante los “esqueletos” de carbono, es decir, sin dibujar los hidrógenos.A) Isómeros del Butano (C4H10) El butano es el primer alcano del cual se conocen isómeros (los hidrocarburos de menos de 4 carbonos no tienen isómeros) Existen dos butanos isómeros que se diferencian en el punto de ebullición (P.E.).1) --- C --- C --- C --- C --2) --- C --- C --- C --| C n-butano Isobutano Ambos isómeros son gaseosos a temperatura y presión ordinaria pero el punto de ebullición del n-butano es de -0,5 ºC , en tanto que el del isobutano es de -10 ºC B) Isómeros del Pentano (C5H12): Existen tres distribuciones diferentes posibles de sus átomos, es decir que hay 3 pentanos isómeros, uno de cadena lineal y dos de cadena ramificadas 1) --- C --- C --- C --- C --- C --2) --- C --- C --- C --- C --| C 3)

C | --- C --- C --- C --| C C) Isómeros de alcanos de mayor número de carbonos: Resulta evidente que al aumentar el número de carbonos en los alcanos, existe cada vez mayor número de isómeros porque, lógicamente, a medida que aumenta el número de átomos intervinientes en la molécula, aumenta también la posibilidad de reordenamiento y consecuentemente hay más isómeros .Matemáticamente se demuestra que hay 9 ordenamientos posibles en un heptano (C7H16), es decir que existen 9 heptanos isómeros.Las posibilidades de reordenamiento en un nonano (C9H20) son 35 , por lo tanto hay 35 nonanos isómeros. Para el pentadecano (C15H32) existen 4347 pentadecanos isómeros.Frente a tan enorme cantidad de isómeros, (recordemos que son sustancias con igual fórmula molecular pero distintas propiedades), surge el problema de dar un nombre a cada uno de estos compuestos.En el pasado, mientras la cantidad de isómeros conocidos no era tan grande, las sustancias recibían nombres que caracterizaban alguna propiedad o el lugar de donde eran extraídas.Por ejemplo, el ácido acético, deriva su nombre de acetum = vinagre, del cual es un importante componente.El nombre a asignar a cada compuesto debe identificarlo completamente sin dejar ningún margen para la duda y debe permitir establecer de inmediato la Fórmula desarrollada, la Fórmula semidesarrollada y la Fórmula molecular.Antes de entrar de lleno en el problema del nombre, debemos definir previamente qué son los “Radicales hidrocarbonados”, también conocidos como “Sustituyentes hidrocarbonados” Radicales hidrocarbonados ( o Sustituyentes hidrocarbonados)

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Se denomina Radicales hidrocarbonados (o Sustituyentes hidrocarbonados) a los alcanos a los que se le ha suprimido un hidrógeno (H). Se los designa con un nombre compuesto por: 1) El prefijo del alcano que le dio origen.2) Se cambia es sufijo “ano” por “ilo” Ejemplo: Si consideramos una molécula de metano (CH4) y le suprimimos un hidrógeno (H), se transforma en un Radical metilo (CH3).- Se los representa con la fórmula semidesarrollada del alcano correspondiente, disminuyendo un hidrógeno y colocando en el carbono con hidrógeno disminuido, un guión para indicar una valencia libre con el que el radical puede unirse a un alcano.Hagamos un cuadro con los Radicales hidrocarbonados más comunes.Radicales hidrocarbonados más comunes Fórmula molecular Fórmula Radical del hidrocarburo__ semidesarrollada hidrocarbonado Abreviatura metano CH4 CH4 --- CH3 metilo (metil) etano C2H6 CH3 --- CH3 --- CH2 --- CH3 etilo (etil) propano C3H8 CH3 --- CH2 --- CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH3 (propil) Nomenclatura de los alcanos: Volvamos ahora al problema de la nomenclatura que permita identificar la enorme cantidad de compuestos.Hay varios sistemas de nomenclatura. Nosotros nos ajustaremos al establecido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC).La norma fija el criterio para asignar nombre a los alcanos con “cadena lineal” y de “cadena ramificada”.a)Nomenclatura de alcanos de “Cadena lineal” Según la IUPAC los alcanos de “cadena lineal” se deben nombrar con un prefijo que indica la cantidad de carbonos y la terminación “ano”, anteponiendo la letra “n” que indica que la cadena es “normal” o “lineal”.Ejemplos: CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --- CH3 n - heptano Nota: Nótese que esta denominación coincide con la denominación que usamos hasta ahora, (heptano) con la sola diferencia del agregado inicial de una “n”, que solamente indica que la cadena es lineal, es decir que no tiene ramificaciones.b)Nomenclatura de alcanos de “cadena ramificada”: En el caso de alcanos que tienen como Fórmula desarrollada una “cadena ramificada”, la norma a seguir es la siguiente: 1º)La cadena ramificada se considera formada por dos partes: -La cadena principal -Las ramificaciones Se define como “cadena principal” a la cadena continua más larga, el resto son “ramificaciones” Veamos la metodología a través de un Ejemplo: Determinar el nombre del compuesto que tiene la siguiente Fórmula desarrollada CH3 | CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH3 (4) (3) (2) (1) 1º) Se identifica la “cadena principal” . En nuestro caso es “butano” porque tiene 4 carbonos 2º) Se numeran los carbonos de la cadena principal en forma correlativa, colocando el número más bajo en el extremo más próximo a la ramificación. 3º) Se identifica la ramificación y el carbono en la que está localizada y se la designa con su abreviatura. Química V – Alcanos 4/10

En nuestro caso se trata de un radical metilo (metil) ubicado en el carbono 2 de la cadena.4º) Se arma el nombre comenzando con el número de carbono donde está la ramificación (2), a continuación va el nombre abreviado de la ramificación (metil) y finalmente, el nombre de la cadena principal (butano).Respuesta: 2 metil butano Ejercicio: Establecer el nombre de la siguiente “cadena ramificada” (1) (2) (3) (4) (5) (6) CH3 --- CH2 --- CH --- CH2 --- CH2 --- CH3 | CH2 | CH3 1º) Cadena principal : hexano porque tiene 6 carbonos 2º) Número del carbono de la ramificación : 3 3º) Nombre de la ramificación : radical etilo (abreviatura : etil) 4º) Nombre de la cadena ramificada: 3 etil hexano Puede ocurrir que la cadena tenga más de una ramificación. En este caso, si son iguales, se escriben los números de los carbones de los que nace la ramificación y luego se usan los prefijos di, tri, tetra, etc., para indicar que hay, respectivamente, 2 ó 3 ó 4 ó etc., ramificaciones iguales.Si las ramificaciones no son iguales, se escriben en orden alfabético.Ejemplo de hidrocarburos saturados - alcanos - con dos ramificaciones iguales: (1) (2) (3) (4) (5) CH3 --- CH --- CH2 --- CH --- CH3 | | CH3 CH3 Seguiremos la metodología paso a paso: 1º) Cadena principal: pentano (cinco carbonos) 2º) Número de los carbonos de los que nacen las ramificaciones : 2 y 4 3º) Nombre de las ramificaciones: metilo (metil) y metilo (metil) 4º) Nombre de la cadena ramificada: 2, 4 dimetilpentano Ejemplo de alcanos con ramificaciones diferentes: (6) (5) (4) (3) (2) (1) CH3 CH2--- CH3 | | CH3 --- CH2 --- CH --- C --- CH2 --- CH3 1º) Cadena principal: hexano 2º) Carbonos de los que nacen las ramificaciones :, 3 y 4 3º) Nombre de las ramificaciones: metil ; etil 4º) Nombre de la cadena ramificada: 3 metil 4 etilhexano Carbonos: primario, secundario, terciario y cuaternario Tengamos una cadena ramificada hidrocarbonada y representémosla por su “esqueleto” de carbono C (7) C (8) | | C --- C --- C --- C --- C --- C (1) (2) (3) |(4) (5) (6) C (9) Observemos a cuantos átomos de carbono están unidos cada uno de los carbones que constituyen la cadena: Química V – Alcanos 5/10

Aquellos carbonos que están unidos a un solo carbono se llaman primarios Aquellos que están unidos a dos carbonos se llaman secundarios Los que están unidos a tres carbonos se llaman terciarios Los que están unidos a cuatro carbonos se llaman cuaternarios En el ejemplo anterior tenemos: Carbonos primarios: (1); (6); (7); (8) y (9) Carbonos secundarios: (3) y (5) Carbonos terciarios: (2) Carbonos cuaternarios: (4) Radicales “alquilo” con cadena ramificada: Recordemos que los Radicales alquilo son los que se derivan de los alcanos cuando se les suprime un átomo de hidrógeno.Recordemos también que los nombres de los alquilo se formaban tomando el prefijo del alcano del cual proceden y cambiando el sufijo “ano” por “ilo” Ejemplos : Consideremos radicales con cuatro átomos de carbono (butilo): a) Si los radicales son de cadena lineal, en su nombre se antepone la letra “n” CH3 --- CH2 --- CH2 --- CH2 --n - butilo b) Si la ramificaciones son dos metilos situados en el extremo de la cadena, se le antepone el prefijo iso y se denomina isobutilo Ejemplo: CH3 --- CH --- CH2 --| CH3 isobutilo c) Si la ramificación está en cualquier otro carbono secundario, se le antepone el prefijo sec (el prefijo alude al carbono secundario) Por ejemplo: secbutilo CH3 --- CH2 --- CH --| CH3 secbutilo d) Si la ramificación está en un carbono terciario, se le antepone el prefijo ter Por ejemplo: terbutilo CH3 | CH3 --- C --- CH3 | terbutilo Estructura de los hidrocarburos saturados - alcanos Según hemos visto oportunamente cuando tratamos la hibridación de los orbitales, la molécula de metano presenta una estructura tridimensional simétrica, en la cual el átomo de carbono se ubica en el centro y los hidrógenos se orientan hacia los vértices de un tetraedro regular, formando entre sí ángulos de 109º 28’.No obstante representaremos a los alcanos según la conocida Fórmula desarrollada a la que agregaremos la Notación de Lewis que pone claramente en evidencia las uniones covalentes que vinculan a los átomos de hidrógeno con el átomo de carbono: Química V – Alcanos 6/10

Metano (CH4): H H | .. H ---- C ---- H H: C : H .. | H H Fórmula desarrollada Notación de lewis Etano (C2H6): Podremos ver ahora la ventaja de la Fórmula semidesarrollada para entender y representar la estructura de los alcanos: H .. CH3 --- CH3 H: C : H . .

H: C : H . .

Fórmula semidesarrollada Propano (C3H8) CH3 --- CH2 --- CH3

H Notación de Lewis H H H .. .. .. H: C : C : C : H . .

. .

. .

H H H Fórmula semidesarrollada Notación de Lewis Con este mismo criterio se pueden visualizar las estructuras de todos los alcanos.ISOMERÍA PLANA Se ha comprobado experimentalmente que existen ciertos compuestos que tienen los mismos átomos constituyentes, pero se comportan como compuestos diferentes.A tales compuestos se los denomina ISÓMEROS (iso=igual ; meros=miembros).La explicación del porque de la existencia de isómeros debemos buscarla en tres conceptos fundamentales: a) La tertravalencia del átomo de carbono, que habitulamente dibujamos en forma plana | --- C --| Hay que tener presente que, en realidad, las cuatro valencias están dirigidas a los cuatro vértices de un tetraedro.b) Los átomos de carbono pueden unirse entre sí compartiendo un par de electrones (enlace sencillo), dos pares de electrones (enlace doble) o tres pares de electrones (enlace triple) Enlace simple Enlace doble Enlace triple . . | | . . | | . . . . C : C . (-- C -- C -- ) C :: C ( C = C ) C : : C . ( -- C ≡ C -- ) . . . . | | | | Ejemplo: El alcohol etílico y el éter etílico son isómeros. Ambos tienen una composición molecular idéntica : C2H6O2 , pero distintas propiedades: -El alcohol etílico es líquido y hierve a 78ºC -El éter metílico es un gas a temperatura ambiente y hierve a -24ºC Lo que hace distintos a estos dos compuestos es la diferente estructura de sus moléculas : Alcohol etílico Éter metílico Química V – Alcanos 7/10

H H H H | | | | H --- C ------------- C -- OH H --- C ---- O ----- C ---- H | | | | H H H H Otro ejemplo: El 2-3 dimetil butano y el 2-2 dimetil butano, tienen la misma fórmula molecular: C6H14 sin embargo muestran propiedades diferentes debido a la distinta estructura molecular.2-3 dimetil butano 2-2 dimetil butano CH3 CH3 | | CH3 -- CH -- CH -- CH3 Isomería Geométrica: 2-buteno CH3 H \ / C == C / \ H CH3

CH3 | CH3 -- CH2 -- C -- CH3 | CH3 CH3 \ C == / H

CH3 / C \ H

La única diferencia entre las estructuras I y II es la ubicación de los grupos metilos (CH3), uno con respecto al otro.Este tipo de moléculas, de doble unión en el carbono, se denomina “alquenos”.Observando la figura vemos que : a) En el caso I , los grupos “metilo” (CH3) son simétricos con respecto del centro de la molécula.b) En el caso II los grupos “metilo” son simétricos con respecto al eje de la molécula Estos “isómeros”, que se diferencian solo en la posición de los componentes, se denominan “isómeros geométricos”.La distinta posición relativa de los grupos “metilo” se pone de manifiesto en la denominación del compuesto: -A la estructura I se le llama : “Trans- 2 buteno” (trans = a través) -A la estructura II se le llama : “Cis-2 buteno” (cis = del lado de acá). Otro ejemplo de “isomería geométrica” cis- 1 - 2 dibromo eteno trans - 1 - 2 dibromo eteno Br Br Br H \ / \ / C == C C == C / \ / \ H H H Br Punto de ebullición : 110 ºC Punto de ebullición : 108 ºC Punto de fusión : - 53ºC Punto de fusión : - 6 ºC Como se ve, ambos compuestos tienen la misma fórmula molecular, pero distintos puntos de ebullición y de fusión.Resumiendo: Los “compuestos isómeros” son aquellos que se comportan física y químicamente en manera diferente, a pesar de tener la misma fórmula molecular. La distinción estriba en el ordenamiento de los átomos, es decir en la estructura de la molécula.Química V – Alcanos 8/10

Como caso particular, existen algunos compuestos, tal como el 2-buteno que tienen la misma cantidad de carbonos, el mismo enlace doble entre carbonos, la misma cantidad de grupos “metilos” (CH3) e idéntica cantidad de hidrógenos pero tiene dos versiones (isómeros) que difieren únicamente en la posición relativa de los grupos “metilo” y de los “hidrógenos”. A este tipo de isomería se la denomina “isomería geométrica” (los isómeros geométricos tienen diferentes propiedades físicas pero similares (no idénticas) propiedades químicas.Cicloalcanos: Reciben este nombre una serie de hidrocarburos con “cadena cíclica” pero con muchas propiedades muy similares a los alcanos.Se los conoce también con el nombre de nafténicos , porque algunos de ellos se encuentran en fracciones del petróleo llamadas “naftas”.Se los nombra anteponiendo la palabra “ciclo” al nombre del alcano de igual número de átomos.Los cicloalcanos más importantes son: CH2 CH2 -- CH2 /\ | | CH2 -- CH2 CH2 -- CH2 ciclopropano ciclobutano Nota: Si hay radicales, se los nombra de la siguiente manera 1º) Se reconoce la cadena cíclica por su nombre y se numeran los carbonos comenzando con el que está más alto en el dibujo y siguiendo el sentido de las agujas del reloj.2º) Se identifican los radicales por su nombre (y la abreviación) y el Nº del carbono donde está ubicados 3º) Se arma el nombre comenzando con el Nº de los carbones donde hay radicales, sigue el nombre abreviado del radical y luego el nombre del ciclo.Ejemplos: CH3

CH3 \ / C / 1 \ 2 H2 C 5 CH2 |4 3 | H2C ---- CH2

1,1 dimetilciclopentano

H

CH3 \ / C CH3 / 1 \ / 2 H2C 6 C ---- H | | H2C 5 3CH2 \ 4 / CH2 1,2 dimetilciclohexano

De acuerdo con la metodología prevista: Ejemplo de la izquierda: 1º) La cadena es ciclopentano y numeramos los 5 carbonos en el sentido de las agujas del reloj 2º) Los radicales son dos metilos (dimetil).Ambos en el carbono Nº 1 3º) Armamos el nombre: Nº del carbonos de los radicales : 1,1 (se repite el 1 porque son dos metilos) nombre abreviado de los radicales : dimetil (di porque son dos) nombre de la cadena : ciclopentano 1,1 dimetilciclopentano Química V – Alcanos 9/10

Ejemplo de la derecha: 1º) Ciclohexano 2º) Dos metilos (dimetil) en carbonos nº 1 y 2 3º) 1,2 dimetilciclohexano

Ciclenos: Cuando existe por lo menos una unión doble entre los carbonos se llaman ciclenos y son isómeros de los alquenos C H2 / \ H2C CH | || H2 C CH \ / CH2 ciclohexeno

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