UNI VERSI DAD DE CUE CUE NCA NC A F ACI AC I L I TAD ORA: ORA : Ana L ucía Astu Astudillo illo ASI A SI G N A TUR TU R A : Quími Quími ca Orgá Or gánica nica C apí tulo I
ALCANOS Se deno denom minan nan tam también ién hidr hidroc ocar arb buro uros satu satura rado doss o para parafi fina nas, s, resp respo onde nden a la fórmula general CnH2n+2 y tienen como característica esencial enlaces covalentes simples: C - C y C- H.
Como se puede observar un término superior difiere del inmediato anterior en un grupo CH2, al grupo de compuestos que difieren en su orden de términos en un valor constante se denomina SERIE HOMOLOGA, entonces los alca alcano noss corr corres espo pond nden en a la seri seriee hom homologa loga cuya cuya dife difere renc ncia ia cons consta tant ntee es CH2.
Para el metano, etano y el propano existe solamente una fórmula estructural. A partir del butano existen dos posibilidades:
CH3-CH2-CH2-CH3
CH3-CH-CH3 CH3
Relación de los isómeros a partir del pentano:
No de átomos de carbono
No de isómeros
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
10
75
20
366319
NOMENCLATURA La nom nomencl nclatura ura de los alcanos sirve de base para todos los comp ompuestos de la Quími ímica Orgánic nica. Los hidrocarburos lineales o normales tienen nombres específicos para los cuatro 1ros términos y los rest restan ante tess está están n form formad ados os por por un pref prefij ijo o que que indi indica ca el de carb carbono onoss y term termin inac ació ión n “ano”.
ALCANOS Metano
CH4
Dodecano
C12H26
Etano Propano Butano Pentano
C2H6 C 3H8 C4H10 C5H12
eicosano uneicosano triacontano tretracontano
C20H42 C21H44 C30H62 C40H82
Hexano Heptano Octano Nonano Decano Undecano
C 6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24
Pentacontano Hexacontano Heptacontano Hectano Octaeicohectano Heptatriahectano
C50H102 C60H122 C70H142 C100H202 C128H258 C137H276
NOMENCLATURA La Unió Unión n Inte Intern rnac acio ion nal de Quím Químic ica a Pura Pura y Apli Aplica cada da (Int (Inter erna nati tion onal al Unio Union n of Pure Pure and and Appl Applie ied d Chem Chemis istr try) y) Esta Establ blec ece e la apli aplica caci ción ón de un conj conjun unto to de regl reglas as,, acep acepta tada das s por por conv conven enio io que que perm permit iten en nomb nombra rarr de un modo modo sist sistem emát átic ico o a los los comp compue uest stos os quím químic icos os.. Las La s regl reglas as
tie tiene por obje bjetivo tivo asig asign nar un nomb ombre únic único o a cada ada comp ompuest uesto o
entr entreg egar ar info inform rmac ació ión n acer acerca ca de sus sus cara caract cter erís ísti tica cas s quím químic icas as.. http: //www.iupac.org/ //www.iupac.org/
Hidrocarb Hidrocarburos uros acíclicos acíclicos
http: //www.acdlabs.com/iupac/nomenc //www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/79/r7 lature/79/r79_36.htm 9_36.htm Cada nombre es una palabra formada por un
y un
el pref prefiijo indi indica ca el
númer úmero o de átomos omos de carb carbon ono o que tien tiene e el compu ompue esto y el sufij ufijo o la car ara acter cteríístic stica a más releva relevante nte..
HIDROCARBUROS RAMIFICADOS Los alcanos ramificados se pueden considerar como sustituciones de H de un hidrocarburo lineal o normal por otras cadenas (radicales): Para nombrar los alcanos ramificados se atenderán a las siguientes reglas de la
IUPAC:
1. Escoger la cadena continua más larga y numerarla, tomado como base el extremo que de lugar a los números más sencillo cuando se trate de indicar las ramificaciones ramific aciones (localizadores más bajos). 2. Se empieza a nombrar los radicales en orden alfabético, anteponiendo en cada caso el respectivo localizador y luego se añade el nombre del hidrocarburo de la cadena principal. (3-etil-5-isopropil-4-metiloctano). 3. Para propósitos de redacción, cuando se escribe el nombre de un alcano, el prefijo sin ningún guion iso, se considera parte del nombre del grupo alquilo, pero no lo son los prefijos cursivos y con guion guion secisopropilo y el isobutilo, isobutilo, están sec- y ter-. Por lo tanto el isopropilo enlistados alfabéticamente con la i, pero el sec-b el sec-but util ilo o y terc-bu terc-butilo tilo entán entán enlistad enlistados os por la b. 4. Si se repiten 2 o más ramificaciones iguales se simplifica utilizando prefijos adecuados como di, tri, tetra, penta, etc y se anteponen anteponen los respectivos respectivos localizadores.
Reglas complementarias complementarias Para elegir una cadena principal entre varias de igual longitud se considerará los siguiente:
a) La cadena principal que contenga el mayor de ramificaciones. b) La cadena que contenga las ramificaciones menos complejas. c) La cadena que contenga las ramificaciones con localizadores más bajos. RADICALES Se llaman radicales a los restos de un hidrocarburo que ha perdido un H quedando en un carbono valencia libre para enlace. Los radicales se nombran cambiando la terminación ano del hidrocarburo del que provienen por il o ilo. Los principales radicales para los alcanos son:
RADICALES ALQUILOS
NOMENCLATURA
Nomenclatura de los alcanos
Primera etapa:
•
cadena carbonada más larga.
Segunda etapa:
•
átomos o grupos de átomos unidos a la cadena principal
Tercera etapa:
•
asignar el menor número a los sustituyentes.
Cuarta etapa:
•
incluir los sustituyentes en orden alfabético y su correspondiente cadena principal
Nomenclatura de los alcanos
CH3- CH2- CH - CH3 CH3 Primera étapa
Primera étapa
heptano
butano
Segunda etapa: etilo
Segunda etapa: metilo
•
Tercera etapa: derecha
•
Cuarta etapa:
•
•
•
•
Tercera etapa: derecha o izquierda Cuarta etapa:
Nomenclatura de los alcanos
Primera étapa decano Segunda etapa: etilo y metilo
•
Tercera etapa: etap a: izquierda
•
Cuarta etapa:
•
Ejercicios 2-metilheptano 4-metilheptano 3-metilhexano 3,5-dimetilheptano 2,2,4-trimetilpentano 3-metilhexano 2,6,7,8-tetrametildecano 4-etil-5-propilundecano 4-propiloctano Metilpropano Metilbutano 2metil-pentano
Ejercicio 1.3
Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos
a) 3-metiloctano b) 2,5-dimetilhexano
c) 4-propildecano
3-etil-6-isopropil-2,3-dimetil-8-propildodecano
Escriba las fórmulas de los siguientes grupos alquilo a) b) c) d)
2-metilpentilo Isobutilo 3,3-dimetil-1-propilhexilo 2,3-dietil-1-isopropilpentilo
e) Escriba los nombres de los siguientes compuestos:
Sustituyentes complejos
Es necesario, mencionar otro paso para algunos casos particularmente complejos. Ocasionalmente sucede que un sust sustit ituy uyen ente te en la cad cadena ena prin princi cipa pall tien tienee subr subram amif ific icac acio ione nes, s, por por ejemplo, en el siguiente caso en el C6 es una cadena de tres carbonos con un metilo subramificado y para nombrar el compuesto, debe nombrarse el primero al sustituyente complejo.
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALCANOS Las principales propiedades propiedades físicas de los hidrocarburos hidrocarburos y en general de los compuestos orgánicos son:
P unto de de ebullición
P unto de de fuss i ón fu
Densidad
Adem Además ás es impo import rtan ante te cons consid ider erar ar su esta estado do físi físico co a las las dife difere rent ntes es temp temper erat atur uras as.. Los puntos de ebullición de los hidrocarburos de bajo peso molecular se dan, por lo gene genera rall a pres presió ión n norm normal al.. Para los hidrocarburos con más de 20 átomos de carbono los puntos de ebullición se expresan tomando en con consideración ión una deter terminada presión de vacío, pues a presion iones normales les, las molécu éculas de estos hidrocarburos se rompen por la acció cción n del calor lor , esto es se craq craque uean an.. Por no tener fuerzas de atracción los hidrocarburos presentan los puntos de ebullición más bajos, comparados con los puntos puntos de ebullición de los demás compuestos compuestos orgánicos, con el mismo número de átomos de carbono. ca rbono. Los puntos de ebullición de los hidrocarburos ramificados son menores que los hidrocarb arburos de cadena ena recta. ta. Por ejem jemplo, el n-pentano ano hierv erve a 36,2º , mientras que el isopentan tano hierv erve a 28,0º y el neopentano a 9,5º. Los alcan canos no se disuelven en agua, así como como tamp tampoc oco o se disu disuel elve ven n en otro otross diso disolv lven ente tess pola polare res. s.
Solubilidad y densidad de los alcanos
Los alcanos son no polares, por lo que se disuelven en disolventes poco polares. Presenta enlaces carentes de polaridad, lo cual otorga a los alcanos bajos punto de fusión y ebullición en comparación con otros compuestos orgánicos, la ausencia de polaridad no significa que las moléculas no interacciona, existe fuerzas de atracción de London lo que hace que la moléc lécula genere momentán táneamente un dipo ipolo (dipolo ins instant antáneo) que ind induce la form formac ació ión n de otro otro dipol ipolo o en las las molé molécu cula lass vecin ecinas as..
Los Los hidr hidroc ocar arb buro uros se disu isuelv elven en solv solven ente tess apo apolare laress como como:: tetr tetrac aclo loru ruro ro de carb carbo ono, cloro clorofo form rmo. o. Los Los hidr hidroc ocar arbu buro ross tambi también én se disu disuelv elven en en otro otross hidr hidroc ocar arbu buro ross Los hidrocarburos son incoloros, y de olor suigeneris (olor propio de los alcanos). Los cuatro primeros términos de los alcanos son gaseosos, del 5 al 17 son líquidos y los demás son sólidos. Son insolubles en agua , miscibles entre sí y fácilmente solu solubl bles es en diso disolv lven ente tess orgá orgán nicos icos,, tale taless como como éter éter,, sulf sulfur uro o de Carbo arbon no, bence encen no, etc. etc. Son fácil cilmente com combustib tibles les y arden con llama tan tanto más lumino inosa cuanto anto mayor es el númer úmero o de átom átomo os de car carbon bono que conc concre reta tam mente ente pose poseee la moléc olécu ula en cues cuesti tió ón. La densidad de los alcanos aumenta al aumentar el peso molecular, pero siempre es menor que 1.
Químicamente se caracterizan por ser poco reactivos es decir, por poseer un reducida tendencia a combinarse con otras sustancias o consigo mismas, por esta razón se les denomina también parafinas (poca afinidad). En las condiciones ordinarias de presión y temperatura, las parafinas son inertes frente a reactivos como los ácidos, álcalis, agentes reductores y agentes oxidantes, etc. En la fase de vapor, esto es, a presiones y temperaturas elevadas, los alcanos reaccionan con ayuda de catalizadores. CATALIZADOR. Sustancia que hace hace más rápida o más más lenta la velocidad velocidad de una reacción química sin participar en ella.
Los miembros inferiores de la serie reaccionan con más facilidad. Los alcanos ramificados son más reactivos que los alcanos de cadena normal .
1.- OXIDACIÓN COMPLETA (COMBUSTIÓN).- Estos compuestos se queman en el aire o en presencia de oxígeno produciendo anhídrido carbónico y agua. Una provisión insuficiente de oxígeno lleva a la formación de hollín y otros productos. CnH(2n+2) + exceso de O2 CH4 + 2O2
CH3-CH2-CH3 + 5O2 CH4 + 1/2O2
calor
nCO2 + (n +1 )H2O
CO2 + 2H2O + Kcal
3CO2 +4H2O + Kcal
COMPLETA
CO + 2H2 +Kcal INCOMPLETAS
CH4 + O2
C + 2H2O +Kcal
Casi no es posible controlar la reacción, salvo a moderar la temperatura y controlar la proporción combustible/aire combustible/aire para lograr lograr una combustión combustión eficiente.
2.- PIRO PIROLISI LISIS S (craki (craking). ng). Este proceso es de gran importancia en la obtención de gasolinas. pyros = fuego
lisis= descomposición descomposición
Cuando un alcano pasa a través de un tubo calentado a 700 oC. Se descompone dando lugar a la formación de alcanos de menor peso molecular, olefinas e hidrógeno. 700OC CH3-CH2-C CH3-CH2-CH3 H3 propano
CH3- CH CH2 + CH2 CH2 CH2 + CH3 CH3-C -CH3 H3 + CH4 CH4 + H2 propeno
eteno
etano
metano
A esta operación se la denomina “craqueo” y se la utiliza para transformar hidrocarburos de alto peso molecular en compuestos con menos átomos de carbono, para obtener gasolinas y olefinas, compuestos muy importantes en el campo energético e industrial. Ejemplo: Decano
800oC
Pentano + Propeno + Eteno
que se realiza a 3.- ISO ISOME MERIZ RIZACI ACIÓN. ÓN.-- La isomerización es una operación que bajas temperaturas temperaturas y por lo tanto no es una operación de degradación, como es el caso caso del del craq craque ueo. o. En esta esta reac reacci ció ón se form formaa un isó isómero ram ramific ificaado de ese ese com compues puestto. Por lo general se realiza en presencia de catalizadores como son el AlCl3 y el HCl gaseoso: AlCl3
CH3-CH2-CH2-CH3
H Cl
CH3-CH-CH3 CH3
Butano
Metilpropano
AlCl3
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Pentano
H Cl
CH3-CH-CH2-CH3 CH3
2-Metilbutano
REACCIONES EN QUÍMICA ORGÁNICA Los tipos básicos de reacciones químicas orgánicas son:
Reacciones de adición
Reacciones de Eliminación
Reacciones de Sustitución
REACCIONES DE ADICIÓN
REACCIONES DE ADICIÓN
REACCIONES DE ADICIÓN Reacciones Reacciones de adición electrofilica electrofilica el sustrato pierde pierde un enlace π para permitir la formac formación ión de dos dos nuevos nuevos enlace enlacess σ.
MECANISMO DE ADICIÓN ELECTROFÍLICA
.E + (Aci Acidos dos de Lew Lewis) is)
La fuer fuerza za motr motríz íz de la reac reacció ción n es la form formac ació ión n de un un enlac enlacee cova covale lent ntee entr entree el electró electrófilo filo con átomos átomos de carbo carbono no insatu insaturad rado, o, por por medio medio del orbital orbital π. Si el el elec electr tróf ófilo ilo tiene tiene carg cargaa posit positiv ivaa part partee de de ella ella es tran tranfe feri rida da a los los átom átomos os de car carbo bono no..
Cuando el electrófilo es un átomo pequeño, pequeño, como el ion hidrón hidrón (H+), no es posible un buen traslape (no hay buen buen comportamiento de los orbitales en una una región en común) entre el pequeño orbital 1s y el orbital pi del sustrato, el producto de la reacción es un carbocatión, con enlace σ de 2-electrones-2-centros 2-electrones-2-centros entre un átomo de carbono y el átomo de hidrógeno.
En la etapa 2 de una Adición Electrofílica, el intermediario con carga positiva se combina con un nucleófilo, para formar un segundo enlace covalente.
Los compuesto no saturados presentan un centro de alta densidad electrónica, la cual lo hace factible de ser atacado por zonas electrofílicas electrofílicas de algún reactivo en particular. particular. El enlace enlace π, más más débi débill que que el enla enlace ce σ, es es atac atacad ado. o. Ejercicio: Obteng Obtenga a el 2-clor 2-cloro-b o-buta utano, no, a part partir ir del 2-bute 2-buteno, no, si la reacció reacción n tiene tiene como como espe especi cies es quím química icas s el ácid ácido o clorh clorhíd ídri rico co,, para para ello ello indi indiqu que e el meca mecani nismo smo de reacción.
positivamente
4.-- AL 4. ALQU QUIL ILAC ACIÓ IÓN.N.- (A (ADI DICI CIÓN ÓN DE AL ALCA CANO NOS) S) Método industrial que se emplea actualmente para producir grandes cantidades de 2,2,4-trimetilpentano 2,2,4-trimetilpentano (isooctano), consumida en forma de gasolina de alto octanaje. Octanaje o número de octano es una medida de la calidad y capacidad antidetonante de las gasolinas para evitar las detonaciones y explosiones en las máquinas de combustión interna , de tal manera que se libere o se produzca la máxima cantidad de energía útil. La alquilación consiste en la adición de una parafina a una olefina.
CH3 CH3 - C- H + CH3 2-Metilpropano
CH2
CH3 C – CH3
+
H
2-Metil-propeno
MECANISMO DE LA REACCIÓN.-
CH3 CH3 CH3 – C - CH2-CH - CH3 CH3 2,2,4-Trimetilpentano
Esta reacción se da en presencia de un catalizador, en el paso (1) la adición de un ión hidrógeno al isobutileno, para formar el car carboca bocati tió ón , el carb carbón ón ter terciar ciario io es el prefe referrido, ido, por supue upuessto. to.
Un carbocatión sufre reacciones que proporcionan electrones para completar el octeto del átomo de carbono cargado positivamente. El doble enlace carbono-carbono es una fuente electrónica excelente , por lo que el carbocatión bien puede ir hacia él en busca de electrones. En consecuencia consecuencia pongamos, como como paso (2) la adición del catión t-butilo al isobutileno. En el paso paso (2) se logra la unión de dos unidades de isobutileno, isobutileno, lo que, desde luego es necesario para justificar los productos.
En el paso (3) un carbocatión arranca un átomo de hidrógeno con su par de electrones (esencialmente un ión hidruro) de una molécula de alcano , esta separación del ión hidruro genera un alcano de ocho carbonos ca rbonos y un nuevo carbocatión para continuar la cadena.
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN
reemplazado
Compuesto de partida
5.- REA REACCI CCIONE ONES S DE SUSTIT SUSTITUCI UCIÓN ÓN (HALOGENACIÓN) (NITROALCANOS) En los hidrocarburos alifáticos se puede reemplazar uno o más grupos hidrógeno por un halógeno o por un grupo NO 2. Esto se realiza mediante la acción acci ón de una molécula de halógeno o de ácido nítrico. luz CH3 - CH3 + Cl2
etano CH3 - CH3 + HNO3
CH3 - CH2Cl + HCl
cloro etano o cloruro de etilo CH3 - CH2 NO2 + HOH nitroetano
Estas reacciones son muy importantes en la Síntesis Orgánica y en general en la Industria. La sustitución produce una mezcla de productos, pues la sustitución puede realizarse en cada uno de los átomos de carbono de la cadena. Cl CH3 – CH – CH2 – CH – CH3 + Cl2
CH3 – CH – CH2 – CH – CH2 Cl
– CH – – CH CH3 + CH3 – CH
De la misma manera, se puede sustituir más de un hidrógeno en un mismo compuesto.
CH3 - CH3 + Cl2
luz
CH3 - CH2Cl +Cl2
CH2 – CH2 Cl
Cl
El cloro es el más reactivo que el bromo. La halogenación se debe realizar a altas temperaturas y en fase de vapor. Las reacciones de sustitución pertenecen a las reacciones que se realizan mediante el mecanismo de cadena y por lo tanto tienen un inicio, una propagación y una ruptura. Las reacciones de cadena originan radicales libres y tienen las siguientes características: a) Son catalizadas por la Luz
b) Ocurren e fase de vapor c) Tienen un inicio, una propagación y una ruptura
ETAPAS DE LA HALOGENACIÓN En la iniciación la molécula de halógeno se rompe de forma homolítica, generando radicales. En la etapa de propagación se produce la sustitución de hidrógenos del alcano al cano por hidrógenos. Cuando los reactivos se agotan, los radicales que hay en el medio, se unen entre sí, produciéndose la etapa de terminación.
Inicio:
Cl2 + luz
Propagación: CH4 + Cl. CH3. + Cl2 Terminación Cl. + Cl. CH3. + Cl
Cl. + Cl. Se forman dos radicales libres
CH3. + HCl CH3Cl + Cl. Cl2 CH3Cl
