Química Orgánica QQ 214 Unidad III - Alcanos

Transcripción

1 Química Orgánica QQ 214 Unidad III - Alcanos Ing. Roque Castillo rocas.qq214@gmail.com Consulta: Lunes - Jueves 1pm 2:30 pm

2 División de Compuestos Orgánicos Alcanos y Cicloalcanos (saturados) Alifáticos Alquenos y Dienos (insaturados) Compuestos Orgánicos Alquinos (insaturados) Benceno y sus derivados Aromáticos Heterocíclicos (otros átomos diferentes del carbono: N, P, O, S)

3 Propiedades Físicas de los Alcanos 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

4 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 (C 5 -C 17 ) A partir del alcanos de 18 carbonos, son sólidos.

5 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. Punto de fusión Punto de ebullición Número de carbonos

6 Alcanos: Fuentes Naturales 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.

7 Alcanos 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 C n H 2n+2 donde n es un entero metano etano propano butano

8 Alcanos 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 Típica grasa animal

9 Alcanos y Estructuras de Alcanos Estructuras de alcanos representativos Metano Etano Propano Butano Isobutano Pentano 2-metilpropano 2,2-dimetilpropano

10 Alcanos Alcanos de cadena lineal o alcanos normales Alcanos cuyos átomos de carbono estan conectados sin ramificación. Metano Etano Propano Alcanos de cadena ramificada Alcannos que contienen ramificaciones de enlaces de carbono, en oposición a los alcanos de cadena lineal. 2-metilbutano Isobutano

11 Alcanos e Isómeros Isómeros Del griego isos + meros que significa hecho de las mismas partes Compuestos que tienen la misma formula molecular pero diferente estructura. Pentano, C 5 H 12 2-metilbutano, C 5 H 12 2,2-dimetilpropano, C 5 H 12

12 Alcanos e Isómeros 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. Diferentes esqueletos de carbono C 4 H 10 Diferentes grupos funcionales C 2 H 6 O 2-metilpropano metanol butano dimetiléter Diferentes posiciones de grupos funcionales C 3 H 9 N isopropilamina propilamina

13 Alcanos e Isómeros Un alcano puede dibujarse arbitrariamente en muchas maneras. Representationes del butano n-c 4 H 10 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.

14 Nomenclatura de Alcanos 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 Nombre de alcanos de cadena lineal No. de carbonos (n) Nombre No. de carbonos (n) Nombre Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Undecano Dodecano Eicosano Triacontano

15 Ejemplo Dibuje las estructuras de los isómeros Proponga estructuras para dos isómeros con la fórmula C 2 H 7 N.

16 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

17 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 Estas piezas dan estas estructuras.

18 Grupos Alquilo 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 Metano CH 4 Metil methyl CH 3 Etano Ethane CH 3 CH 3 Etil ethyl CH 2 CH 3 Metano Etano Propano Butano Pentano Metil (Me) Etil (Et) Propil (Pr) Butil (Bu) Pentil o amil

19 Grupos alquilo 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. metano un grupo metil alcohol metílico metilamina

20 Grupos Alquilo Grupos alquilo ramificados son generaldos por la remoción de un hidrógeno de un átomo de carbono interno. propano propil isopropil butano butil sec-butil isobutano isobutil tert-butil

21 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)

22 Ingredientes Condiciones específicas Platillo Reactantes Condiciones específicas Producto

23 Síntesis de Alcanos

24 1. Hidrogenación de alquenos Datos Con que se cuenta? Alqueno Que se desea obtener? Alcano

25 1. Hidrogenación de alquenos Reacción Genérica C H H 2 C H n 2n Pt/C, Pd/C o Ni n 2n+2 alqueno alcano Catalizadores: Pt - Platino, Pd Paladio, Ni Níquel El Platino y Paladio se colocan sobre carbón fino El Platino usualmente se usa en forma de PtO 2

26 1. Hidrogenación de alquenos Ejemplos 2-metil-2-buteno 2-metilbutano 2-metil-1-buteno 2-metilbutano 3-metil-1-buteno 2-metilbutano

27 2. Reducción de Halogenuros de alquilo (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard (b) Reducción con metal y ácido

28 (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.

29 (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard éter Halogenuro de alquilo magnesio Reactivo de Grignard 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.

30 (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard El reactivo de Grignard es un compuesto organometálico. Organometálico significa que contiene un carbono unido a un metal. Metales más comunes: Li, Mg, Cu Enlace polar 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.

31 (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.

32 (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 (NH 3 ) o un alcohol.

33 (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard 2-bromobutano butano Mg H 2 O Br 3-bromopentano MgBr pentano

34 (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.

35 (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.

36 (a) Reducción con ácido y un metal Br Zn, H + Bromuro de sec-butilo n- butano

37 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.

38 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.

39 3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos órgano-metálicos Cloruro de etilo Etil-litio Cuprodietil-litio Bromuro de n-heptano n-nonano

40 Reacciones de Alcanos

41 1. Halogenación Datos Con que se cuenta? Alcano Que se desea obtener? Halogenuro de alquilo

42 1. Halogenación calor o luz alcano Halogenuro de alquilo Reactividad X 2 : Cl 2 > Br 2 H : 3 > 2 > 1 > CH 3 -H 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.

43 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

44 1. Halogenación butano 2,2,5 - trimetilhexano

45 2. Combustión Datos Con que se cuenta? Alcano Que se desea obtener? Dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O)

46 2. Combustión CC nn HH 2nn+2 + eeeeeeeeeeee OO 2 nnnnnn 2 + nn + 1 HH 2 OO Los alcanos, en un exceso de oxígeno y en presencia de una llama se queman formando dióxido de carbono y agua. Combustión del pentano CC 5 HH 12 + eeeeeeeeeeee OO 2 5CCCC 2 + 6HH 2 OO n-pentano

47 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.