TEMA 5.- idrocarburos y alcanos. idrocarburos: tipos y clasificación. idrocarburos saturados. Características generales. Formas de representación espacial. Análisis conformacional. Reactividad. Los hidrocarburos son sustancias que están formadas sólo de carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos se clasifican de acuerdo con sus tipos de enlaces C-C como se indica en el siguiente esquema. ALCANOS Estructura y propiedades Los alcanos son los hidrocarburos (compuestos de C e ) más simples, no tienen grupo funcional y las uniones entre átomos de carbono (con hibridación sp3) son enlaces simples, cada orbital se dirige a los vértices de un tetraedro. Cada orbital forma un enlace σ con cada. Longitud del enlace C- es 1,1 Å El ángulo de 109,5º Los alcanos pueden presentar cadena lineal o ramificada. Cuando los compuestos presentan la misma forma molecular y solamente difieren en el orden en el que se enlazan los átomos en la molécula se les denomina isómeros constitucionales o estructurales. 1
Propiedades físicas Puntos de ebullición El punto de ebullición aumenta con el tamaño del alcano porque las fuerzas intramoleculares atractivas (fuerzas de van der Waals y de London) son más efectivascuanto mayor es la superficie de la molécula. En el caso de los alcanos ramificados, éstos presentan un punto de ebullición más bajo que el del los lineales con el mismo número de átomos de carbono. Esta diferencia se debe a que los alcanos ramificados son más compactos, con menos área superficial para las interacciones por fuerzas de London. 2
Puntos de fusión El punto de fusión también aumenta con el tamaño del alcano por la misma razón. Los alcanos con número de carbonos impar se empaquetan peor en la estructura cristalina y poseen puntos de ebullición un poco menores de lo esperado. Solubilidad y densidad Los alcanos son apolares, por lo que se disuelven en disolventes orgánicos apolares o débilmente polares. Se dice que son hidrofóbicos (repelen el agua) ya que no se disuelven en agua. Los alcanos son casi totalmente insolubles en agua debido a su baja polaridad y a su incapacidad para formar enlaces con el hidrógeno. En lo que se refiere a la densidad, cuanto mayor es el número de carbonos las fuerzas intermoleculares son mayores y la cohesión intermolecular aumenta, resultando en un aumento de la proximidad molecular y, por tanto, de la densidad. Son menos densos que el agua. alcano agua 3
Concepto de homología Una serie de compuestos cuyos miembros difieren del siguiente en un valor constante se denomina serie homóloga, y sus miembros son homólogos. La familia de los alcanos forma tal serie homóloga, siendo la diferencia constante entre miembros sucesivos igual a C 2. También apreciamos que en cada uno de los alcanos, el número de hidrógenos es el doble más 2 del número de átomos de carbono, por lo que podemos escribir una fórmula general para sus miembros, que es C n 2n+2. El primer representante es el metano, de fórmula C 4. Serie homóloga de los alcanos lineales y ramificados (C n 2n+2 ) Serie homóloga de los cicloalcanos: (C n 2n ) C 4 C 3 -C 3 C 3 -C 2 -C 3 C 3 -C 2 -C 2 -C 3 metano etano propano butano Ciclopropano (C 2 ) 3 Ciclobutano (C 2 ) 4 Ciclopentano (C 2 ) 5 Ciclohexano (C 2 ) 6 Análisis conformacional en alcanos ISOMERIA I. Estructural o I. Constitucional (diferente conectividad entre los enlaces) I. Espacial o Estereoisomería (igual ordenación de enlaces) I. Conformacional (giro enlaces) I. Configuracional (ruptura enlaces) Cadena Función Posición I. geométrica I. óptica Diferente disposición de sustituyentes sobre C sp3 o doble enlace 4
CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS Representaciones de las moléculas Las diferentes disposiciones de los átomos debidas a la rotación alrededor de un enlace sencillo se denominan conformaciones, y una conformación específica recibe el nombre de confórmero (isómero conformacional). Sin embargo, a diferencia de los isómeros constitucionales, los distintos confórmeros no suelen poder aislarse debido a que se interconvierten con rapidez. Los isómeros conformacionales se representan de dos maneras, como se muestra en la figura para el etano. En las representaciones de caballete, el enlace carbono-carbono se dispone en un ángulo oblicuo y la orientación espacial se indica representando todos los enlaces C-. En las proyecciones de Newman, el enlace carbono-carbono se representa de frente y los dos átomos de carbono se indican con un círculo, y los enlaces del carbono de atrás se indican con líneas que salen de la periferia del círculo. Las ventajas de las proyecciones de Newman son que resultan fáciles de trazar y permiten visualizar sin dificultad las relaciones entre sustituyentes en los distintos átomos de carbono. Existen varias formas para representar esquemáticamente las conformaciones existentes por la rotación de un enlace C-C simple Alternadas Eclipsadas Líneas y cuñas Caballete Newman 5
Representación Newman conformación alternada conformación eclipsada 6
Análisis conformacional del etano El enlace C-C simple tiene libertad de giro a lo largo de su eje. Eso provoca diferentes conformaciones en la molécula del alcano C C representación A representación B C C representación A representación B representación C Conformación alternada representación C Conformación eclipsada 13 7
Análisis conformacional del propano 3 C C C C 3 C 3 Conformación eclipsada 3 C C C 3 C 3 C Conformación alternada 15 Análisis conformacional del butano 16 8
Análisis conformacional del butano Reactividad Combustión alogenación Combustión Esta reacción se utiliza como fuente de calor. La combustión es una reacción de oxidación en la cual todos los átomos de carbono de la molécula se convierten en CO 2 (gas) y los átomos de hidrógeno en 2 O (líquido). 9
Es una de las fuentes de energía más importantes de la sociedad actual Compuesto Nombre 0 comb (kcal/mol) C 4(g) metano -212.8 C 2 6(g) etano -372.8 C 3 C 2 C 3(g) propano -530.6 C 3 C 2 C 2 C 3(g) butano -687.4 (C 3 ) 3 C (g) 2-metilpropano -685.4 C 3 (C 2 ) 4 C 3(l) hexano -995.0 (C 2 ) 6 ciclohexano -936.9 C 3 C 2 O (g) etanol -336.4 C 12 22 O 11(s) azucar de caña -1348.2 alogenación de alcanos X F Cl Br I º f -103-25 -7 +13 Las reacciones de alcanos con cloro y bromo transcurren a velocidades moderadas y son fáciles de controlar; las reacciones con fluor a menudo son demasiado rápidas y es difícil controlarlas. El yodo o no reacciona o lo hace lentamente. Las reacciones de los alcanos con halógenos no ocurre en la oscuridad, necesitan luz ultravioleta o calor. 20 10
alogenación (vía radicales libres) Etapa de iniciación En el primer paso de la reacción se produce la rotura homolítica del enlace Cl-Cl. Esto se consigue con calor o mediante la absorción de luz. Primera etapa de propagación Se trata de una etapa ligeramente endotérmica que consiste en la sustracción de un hidrógeno del metano por el radical cloro formado en la etapa anterior, generándose el radical metilo. Segunda etapa de propagación Durante la misma el radical metilo abstrae un átomo de cloro de una de las moléculas iniciales, dando clorometano y un nuevo átomo de cloro. Dicho átomo vuelve a la primera etapa de propagación y se repite todo el proceso. Etapa de terminación Tiene lugar cuando se agotan los reactivos, entonces los radicales que hay en el medio se unen entre si. Etapa de iniciación Etapas de propagación Etapa de terminación 11
Selectividad de la halogenación La halogenación de alcanos es especialmente útil para aquellos alcanos que sólo tienen un único tipo de hidrógeno: Si el alcano se encuentra con un exceso de halógeno (y no al revés), se obtienen mezclas de alcanos polihalogenados: El Br es muy selectivo y con las condiciones adecuadas, prácticamente, se obtiene un sólo producto, que será aquel que resulte de la adición del Br al C más sustituido. 12