PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS HIDROCARBUROS
LUIS EDUARDO MARTINEZ: 1017145383
PROFESORA: Elena Giraldo
MATERIA: Laboratorio de Química Orgánica
FACULTAD DE QUÍMICA FARMACEUTICA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA Febrero 10 / 2010
OBJETIVOS 1. Analizar y comparar las reacciones características de los hidrocarburos aromáticos bencénicos. 2. Analizar las diferentes reacciones químicas que permiten caracterizar a los hidrocarburos. 3. Analizar el efecto de los sustituyentes a la hora de realizar una reacción química.
MARCO TEORICO HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos son compuestos de carbono e hidrógeno que, atendiendo a la naturaleza de los enlaces, pueden clasificarse de la siguiente forma: ¦ Saturados ¦ Alcanos
¦ Alifáticos ¦ ¦ ¦ ¦ Alquenos ¦ ¦ Insaturados ¦ Hidrocarburos ¦ ¦ Alquinos ¦ ¦ Mononucleares ¦ Aromáticos ¦ ¦Polinucleares Alifáticos: Estos pueden ser saturados o insaturados, donde los saturados pueden ser
de cadena abierta como el hexano, o de cadena cíclica como el Ciclohexano y los insaturados también pueden ser de cadena cíclica como el Ciclohexeno. Aromáticos: pueden ser mononucleares como el benceno y polinucleares como el naftaleno.
Alcanos y Cicloalcanos: Son poco reactivos y requieren de condiciones fuertes,
a.
Alquenos y Alquinos: Son más reactivos que los alcanos debido a la presencia de
como: alta temperatura, radiación o presión para producir ruptura de sus enlaces carbono-carbono, carbono-hidrógeno. Las reacciones de sustitución no polar ocurridas en presencia de luz y las reacciones de oxidación, realizadas en presencia de oxígeno… son las principales reacciones que realizan los alcanos. los dobles enlaces (π) los que hacen que estos presenten con facilidad reacciones de adición Electrofílica. Los alquinos son menos reactivos que los alquenos por tener los electrones π más sometidos a la atracción de los núcleos atómicos.
Las principales reacciones de los alquenos y alquinos son: a. Reacciones de adición: vía no polar (radicalaria) Vía polar (electrofílica) b.
b.
Reacciones de oxidación: se llevan a cabo con una solución diluida de permanganato de potasio. Precipitado de color café
Bencenos y Derivados: Son menos reactivos que los alquenos debido a la alta
estabilidad, la presencia de un sustituyente produce dos tipos de efectos: cinético, afecta la velocidad de reacción; y orientación, mayor formación de productos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De la práctica realizada se obtuvieron los siguientes resultados, que se encuentran en la siguiente tabla de datos a continuación. Tabla de Datos 1. Hidrocarburo Reactivo
Br 2 / CCl4 Br 2 / CCl4 + Luz KMnO4 H2SO4 Concentrado
Saturado
Insaturado
Aromático
Hexano
Ciclohexeno
Benceno
--+ -----
+ --+ +
---------
Tabla de Datos 2.
Reacción por efecto del Sustituyente Hidrocarburo
Reactivo
Br 2 / CCl4 + Catalizador
Benceno
Fenol
---
+
Nota. El signo (---) nos necesariamente significa que no haya ocurrido una reacción,
solo que para algunos casos se necesitaba de mucho tiempo para que la reacción se diera. Observaciones y Discusión
Al principio, en la primera parte se llevaron a cabo diversas reacciones de prueba con tres diferentes reactivos, en uno de los tubos de ensayo se introdujo Hexano, en el otro Ciclohexeno y en el ultimo Fenol; a cada compuesto se le añadió en primer lugar una solución de Bromo en tetracloruro de carbono (Br 2/CCl4), luego una solución de Permanganato de Potasio (KMnO4) diluido en agua y finalmente se les añadió Ácido sulfúrico (H2SO4). En cada reactivo se obtuvo lo siguiente:
1.
Hexano + Br 2/CCl4 CCl4
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-CH3 + Br—Br CH3-CH-CH2-CH2-CH2-CH3 + H—Br │ Luz │ H Br Cuando se le añadió la solución de Br 2/CCl4 al hexano que es incoloro, se formo una solución de un color anaranjado con un tono muy claro y leve. Al colocar la solución en presencia de la luz de una bombilla y llevando una agitación breve pero constante, ésta cambió y se decoloró dándonos un resultado positivo. El papel de la luz fue determinante para dicha reacción, ya que como este es un alcano y la estabilidad de estos es mucho mayor que la de los alquenos y alquinos, debido a su enlace sencillo (sigma) y la única manera de que estos reaccionen rápidamente fue sometiéndose a la energía en forma de luz para que se lograran un rompimiento de sus enlaces. Hexano + KMnO4 → no hay reacción. Al momento de introducir KMnO4, el cual estaba en una solución violeta, en el hidrocarburo se dio un precipitado que tenía un color rosado, esto nos hizo concluir que la reacción no se efectuó de manera positiva como fue descrita previamente por el profesor. Estos no reaccionan, ni siquiera se mezclan, sino que el permanganato queda abajo, y el hexano arriba. Hexano + H2SO4 → no hay reacción. Por último al introducir H2SO4 concentrado se formó una solución que dejó un leve precipitado de color amarillo y en la cual no se produjo ninguna cantidad de calor. Cuando se agita hexano con ácido sulfúrico concentrado, ni se disuelve ni reacciona y el hidrocarburo (densidad 0,66) se separa sin alteración en la capa superior. 2.
Ciclohexeno + Br 2/CCl4:
El Ciclohexeno verificará una reacción de adición dando el 1,2-dibromociclohexano Cuando se le agregó el bromo, el cual estaba en una solución de color anaranjado, no se coloreó el ciclohexeno que es incoloro por naturaleza lo que nos hizo concluir que el proceso fue positivo y no fue necesario colocar el tubo de ensayo en presencia de la luz. La reacción ocurrió inmediatamente cuando el Ciclohexeno entro en contacto con el bromo en tetracloruro de carbono, debido a la presencia del doble enlace (pi π9), lo que hace estos compuestos sean mucho más reactivos.
•
Ciclohexeno + KMnO4:
Luego, cuando se le añadió el permanganato de potasio se dio una reacción inmediatamente debido a la gran reactividad de los alquenos, en donde se formó un precipitado de color café que tenia encima de él una solución amarilla muy tenue. Este ensayo es positivo ya que desaparece el color violeta intenso del permanganato y aparece un color marrón debido al óxido de manganeso (MnO2). •
Ciclohexeno + H2SO4:
Finalmente se le agregó el ácido sulfúrico, y que al contacto con este, formó un precipitado café más oscuro que en el caso anterior el cual empezó a desprender calor muy levemente, lo que significa que hubo liberación de energía, esto se comprobó experimentalmente al hacer contacto con el tubo de ensayo que contenía la muestra en cuestión. 3.
Benceno.
Benceno + Br2/CCl4 → no hay reacción Benceno + KMnO4+ → no hay reacción Es un compuesto particularmente estable, pues puede soportar el calor durante largo tiempo y presión alta manteniendo su identidad estructural. El benceno no reacciona tan fácilmente con reactivos que típicamente lo hacen con alquenos y alcadienos. Para nuestro caso el Bromo Br2 en CCl4 o el Permanganato de Potasio. Se tiene que utilizar otro tipo de condiciones y/o catalizadores, como el Bromo en presencia de FeBr3 a temperatura ambiente, donde se da una reacción de sustitución entre el hidrógeno y el bromo. El Br2 reacciona en presencia de un catalizador, como AlBr3 o FeBr3, para dar bromobenceno, el Permanganato de Potasio oxida cadenas laterales de anillos aromáticos. En este caso, no hay sustituyentes para oxidar. Benceno + H2SO4 El benceno reacciona con ácido sulfúrico fumante, que es ácido sulfúrico saturado con vapores de trióxido de azufre, la reacción es una SEA (sustitución electrofílica aromática) donde se obtiene el ácido bencenosulfónico, si es benceno sin sustituir.
El benceno reacciona lentamente con el ácido sulfúrico a temperaturas elevadas. El producto de la reacción es el ácido bencenosulfónico:
El mecanismo de la reacción implica la formación del trióxido de azufre (SO3) a partir del ácido sulfúrico. El trióxido de azufre es un electrófilo relativamente fuerte porque el átomo de azufre necesita más electrones y ataca al anillo bencénico de la forma acostumbrada Más adelante, en la segunda parte se tomaron dos tubos de ensayo, el primero con benceno y el segundo con fenol en benceno; a cada uno se le añadió solución de bromo en tetracloruro de carbono y una porción de lana de hierro que actuó como un catalizador, todas estas soluciones tomaron un color café muy oscuro con una pequeña solución anaranjada en su superficie, debido a que ambos compuesto reaccionaron, pero lo que tomamos en cuenta fue como actúa un sustituyente en una reacción, para nuestro caso el sustituyente correspondía al grupo alcohol (OH) •
Benceno + Br2/CCl4 + FeBr3 como catalizador
La molécula de Br2 es débilmente electrófila y por ello no reacciona con el benceno a una velocidad suficiente para que el proceso sea útil. Sin embargo la adición de un ácido de Lewis como catalizador hace que la reacción benceno-bromo transcurra rápidamente. La misión del ácido de Lewis es convertir el Br2 débilmente electrófilo en Br+ que es fuertemente electrófilo. Lo que ocurre luego no es la adición de dos átomos de bromo a un enlace doble sino la sustitución de un hidrogeno por un bromo. Esta reacción fue positiva pero, no tan rápida como la del fenol, ya que este ultimo tiene un (OH) como sustituyente que acondiciona la reacción, de manera que seas mas rápida y efectiva. •
Fenol + Br2/CCl4 + FeBr3 como catalizador OH
OH Br 2
Br
Br
FeBr 3 Br
En el momento de introducir el bromo en tetracloruro de carbono se dio la reacción inmediatamente, formándose una solución de color café oscuro, esta reacción fue mucho mas rápida ya que el fenol es mucho mas reactivo que el benceno desde el punto de vista cinético debido al efecto activante del sustituyente (OH), ya que tiene un par de electrones libres que van a resonar en las posiciones Ortho y Para del anillo bencénico y es allí donde el bromo se pega. Discusiones
Con el anterior experimento podemos comprobar que un alqueno presenta mayor reactividad ante un halógeno que ante un alcano y una sustancia derivada del benceno, aunque estos últimos tengan enlaces pi (π ). Un alqueno frente a un alcano posee más debilidad en sus enlaces ya que estos pueden ser atacados lateralmente, esto es debido a que el enlace sigma (σ ) y el pi se repelen formando entre ellos una nube electrostática lo que hace que un ataque de otro átomo separe dicho enlace, mientras el alcano en sus enlaces covalentes debe de aplicarse una mayor energía. Respecto a una sustancia derivada del benceno, como anteriormente mencionamos posee enlaces pi que a diferencia de los alquenos tiene todos sus enlaces en resonancia lo que les proporciona una alta estabilidad y los hace menos reactivos. En las reacciones llevadas a cabo con el bromo primero que todo el alcano realiza una reacción por radicales libres (R. L.) en la que el bromo es selectivo y se une en un orden a carbonos terciarios más que a secundarios más que a primarios (3°>2°>1°) debido a que no necesita una mayor energía para el rompimiento del enlace con respecto a los demás hidrocarburos, en este caso se unirá a un carbono secundario dependiendo de la equivalencia de los hidrógenos. En los alquenos y en los aromáticos se presentan reacciones de sustitución. Con el permanganato de potasio se presentan reacciones de oxidación, como lo muestra el experimento solamente en alquenos y aromáticos, dando como producto un glicol y un precipitado necesariamente café para confirmar dicha reacción. Con el ácido sulfúrico se dio una disociación del ácido el cual se sustituyo en el alqueno y el derivado del benceno. En la segunda parte del experimento podemos afirmar que entre más sustituyentes que introducen electrones tenga una sustancia aumentará considerablemente la velocidad de la reacción, como lo pudimos ver en el caso del fenol que tiene un (OH) en su estructura y actúa como un activante. Todo lo contrario ocurre cuando la estructura del compuesto tiene sustituyentes que extraen los electrones del anillo aromático, ya que estos disminuyen la velocidad de la reacción, en este caso el ácido benzóico que tiene un carboxilo y que actúa así como un desactivante. Porcentaje de Error:
Consideramos que el porcentaje de error fue nulo debido que no tuvimos inconveniente, y se cumplieron los objetivos de la practica.
Acido Benzoico.
La reacción es lenta por el tiempo en que tarda en ubicarse, debido a que el sustituyente extrae electrones del anillo aromático. Pregunta. N° 3. Compare la velocidad de reacción hacia una sustitución electrofílica del tolueno
con relación al benceno.
R3/= El benceno se nitra en menos de una hora a 60ºC con una mezcla de ácidos
nítrico y sulfúrico concentrados. Una nitración comparable del nitrobenceno requiere un tratamiento a 90ºC con ácido nítrico fumante y ácido sulfúrico concentrado. Evidentemente, el nitrobenceno es menos reactivo que el benceno, y el grupo nítro, NO2, es desactivante.En el nitrobenceno, el anillo es atacado por el ión nitronio que es una partícula electrófila y actúa como un grupo desactivante que extrae electrones de la sustancia aromática destruyendo enlaces pi y haciéndola más resistente e ataques externos, disminuyendo así la velocidad de la reacción. El nitrobenceno, C6H5NO2, tiene alrededor de un millonésimo de la reactividad del benceno . N° 4. Compare la velocidad de reacción hacia una sustitución Electrofílica del tolueno
con relación al benceno.
R4/= El tolueno al tener un metilo, que actúa como un grupo activante, está donándole
electrones al anillo aromático haciéndolo aún más reactivo con relación al benceno que no posee grupos activantes siendo una molécula normalmente estable.
Recomendaciones.
A la hora de realizar una práctica de Reacciones con Hidrocarburos es necesario tener en cuenta algunas recomendaciones tales como: • •
•
• •
•
Solicitar ayuda al profesor(a) o monitor en caso de dudas. Durante la práctica marcar cada tubo de ensayo con el compuesto respectivo para evitar posibles equivocaciones. Lavar y secar bien los materiales usados para que al reutilizarlos evitar posibles fuentes de error en los resultados obtenidos. Depositar cada desecho en el lugar correspondiente. ¿CUIDADO CON LOS FENOLES? Son activante fuertes, si se emplean directamente provocan la polisustitución, si se desea obtener un compuesto disustituido a partir de ellos se debe proteger el grupo alcohol como acetato, de esa manera conserva su poder orientador pero disminuye su poder activador. conocer el código SIRC de cada reactivo y tener el equipo de protección personal tales como respirador, batas, guantes y gafas, etc. para evitar posibles accidentes y evitar poner en riesgo nuestra integridad. TABLA DE TOXICIDADES Y PRIMEROS AUXILIOS Compuesto
Tetracloruro de Carbono
Permanganato de Potasio
Bromo
Toxicidad
Primeros Auxilios
En caso de contacto, lavar inmediatamente la piel y los ojos con Venenoso por inhalación, ingestión o grandes cantidades de agua por un absorción de la piel.Produce espacio de 15 min. aprox.. Si es náuseas, vómito, diarrea, dolor de inhalado, respirar aire fresco. Si no cabeza y estupor. Los vapores son resulta dar respiración artificial. o, irritantes de los ojos, membranas, suministrar oxígeno directamente. En mucosas y tracto respiratorio caso de ingestión, lavar la boca con superior. Puede ser cancerígeno. grandes cantidades de agua, y llame a un especialista. Remover la ropa y el calzado lo más pronto posible. Es dañino si es ingerido o absorbido En caso de contacto, lavar con por la piel . Es extremadamente abundante agua fresca los ojos y la destructivo para los tejidos de las piel. Si es inhalado, respirar aire puro, membranas mucosas y del tracto bien sea por respiración o con respiratorio superior. Su inhalación oxígeno directamente. artificial En caso de puede ser fatal y produce espasmos ingestión enjuague la boca con inflamación y edemas en la laringe y abundante agua. Remover la ropa y el bronquios, neumonía y edema calzado a la brevedad posible. pulmonar. Al igual que el Permanganato de Potasio el Bromo tiene las mismas características tóxicas y ademas proporciona una sensación de quemadura.
En caso de contacto, lavar con agua los ojos y la piel. Si es inhalado, respirar aire puro, bien sea por respiración artificial o con oxígeno directamente. En caso de ingestión enjuague la boca con abundante agua. Remover la ropa y el calzado.
CONCLUSIONES 1. Se puede concluir que se cumplieron los objetivos de dicha práctica. 2. También se puede decir que estamos de acuerdo con la teoría, ya que experimentalmente se puede comprobar lo explicado en el manual y dicho por el profesor. 3.
La reactividad de los hidrocarburos alifáticos en más alta en los insaturados como el Ciclohexeno que en los saturados como el hexano.
4.
La reactividad del los hidrocarburos aromáticos como el benceno, es menor que la de los hidrocarburos alifáticos, debido a la compactación y a los tres dobles enlaces del anillo, (resonancia).
5.
Comprendimos como en una reacción en los aromáticos influyen los sustituyentes que estos presenten, (activante o desactivante).
6.
Que la reactividad de un compuesto depende del tipo de enlaces que estos tengan en su estructura; donde son más reactivos los alquenos.
BIBLIOGRAFIA •
http://es.wikipedia.org
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Enciclopedia Encarta 200
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http://www.google.com.co/search? hl=es&rlz=1R2SKPB_esCO338&q=estrucuta+nitrobenceno&meta=&aq=f&oq= http://www.google.com.co/search? hl=es&rlz=1R2SKPB_esCO338&defl=es&q=define:Hidrocarburos&ei=IgR0S_uzCJK 1tge0hfG4Cg&sa=X&oi=glossary_definition&ct=title&ved=0CAcQkAE
