tema iv alcanos clase qca organica 2014

QUIMICA ORGANICA 2014 TUTA METAN PROF. BERMUDEZ ‐ PROF. VIRGILI

14/04/2014

1

Los alcanos son los hidrocarburos (compuestos de C e H) más simples, no tienen grupo funcional y las uniones entre átomos de carbono (con hibridación sp3) son enlaces simple.

q =109.5º, dC-C = 1.54 Å, dC-H = 1.09 Å

IMPORTANCIA

Su estudio nos permitiráentender el comportamientodel esqueleto de loscompuestos orgánicos(conformaciones, formaciónde radicales)

Constituyen una de lasfuentes de energía ymaterias primas másimportantes para la sociedadactual (petróleo y susderivados).

ALCANOS [CnH2n+2]

C con hibridación sp3 enlaces C-H y C-C son de tipo σ.

TEMA IV: ALCANOS-ALQUENOS-DIENOS-ALQUINOS

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

2

Fórmulas estructurales condensadas

TEMA IV: ALCANOS

Nombres IUPAC de los diez alcanos mas sencillos

Los alcanos entre los hidrocarburos

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

3

Hidrocarburos alifáticos

Alcanos

Alquenos

Alquinos

Alicíclicos

Cicloalcanos

Cicloalquenos

Cicloalquinos

Hidrocarburos aromáticos

Hidrocarburos

no hay enlaces multiples

C C

C C

HC CH

CH

HC

HC

Los alcanos entre los hidrocarburos

TEMA IV: ALCANOS

Los hidrocarburos saturados lineales de mayor número de átomos de carbono tienen nombres sistemáticos compuestos por un prefijo indicativo del número

de átomos de carbono y la terminación ano.

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

4

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

Ejemplo

Tipo de cadena Lineal Ramificada Cíclica

Fórmula general CnH2n+2 CnH2n+2 CnH2n

Los alcanos con cuatro o más carbonos presentan isomeríaestructural Butano 2-metilpropano

H

C

H H

H1.1 Å

109.5 º

C C

H

H

H

H

H

H

1.55 Å

Hibridación sp3

TEMA IV: ALCANOS

El número de isómeros crece rápidamente con el número de átomos de carbono del alcano

Tipos de átomos de carbono según la sustitución

Número átomos C

Posibles Isómeros

1-3 1

4 2

5 3

6 5

7 9

8 18

9 35

10 75

15 4,347

20 366,319

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

5

Algunas formulas estructurales del Butano , C4H10

TEMA IV: ALCANOS

Nomenclatura de los Alcanos

¿Cómo se nombran estos compuestos?

Nombres comerciales

C4H10

C5H12

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

6

La nomenclatura de la IUPAC o nomenclatura sistemática

Regla 1: la cadena principal

Encuentre la cadena de mayor numero de átomos de C y use el nombre de esta cadena como nombre de la estructura básica del compuesto

Sustituyentes:

Son los grupos que van unidos a la cadena principal

Si hay 2 cadenas con la misma longitud (las mas largas), se utiliza como cadena principal aquella que tiene el mayor numero de sustituyentes.

CorrectaIncorrecta

TEMA IV: ALCANOS

Regla 2: numeración de la cadena principal

Numere la cadena mas larga, comenzando por el extremo de la cadena mas próximo a un sustituyente

CorrectoIncorrecto

3-etil-2,4,5-trimetilheptano


TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

7

Regla 3: nomenclatura de los grupos alquilo

Nombre los sustituyentes que van unidos a la cadena mas larga como grupos alquilo. Indique la localización de cada grupo alquilo por el numero

del átomo de carbono de la cadena principal que va enlazado.

Los grupos alquilos se nombran reemplazando el sufijo –ano por –ilo o –il.Metano se convierte en metilo, etano se convierte en etilo


TEMA IV: ALCANOS

3‐metilhexano

3‐etil‐6‐metilnonano

Grado de Sustitucion del alquilo

Es el grado de sustitución del átomo de carbono a través del cual se une a la cadena principal

Se llama iso al siguiente arreglo de átomos de carbono


TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

8

4‐isopropyloctane

La nomenclatura de la IUPAC o nomenclatura sistemáticaTEMA IV: ALCANOS

Algunos grupos alquilos frecuentes

TEMA IV: ALCANOS

Un carbono primario está unido a un carbono, un carbono secundario está unido a dos

carbonos, y un carbono terciario está unido a tres carbonos.


14/04/2014

9

Haloalcanos

Regla 4: nomenclatura de compuestos con múltiples sustituyentes

Cuando haya 2 o mas sustituyentes, nómbrelos por orden alfabético. Cuando el mismo sustituyente alquilo este presente 2 o mas veces, utilice los prefijos di‐, tri‐, tetra‐, etc , para

evitar repetir el nombre del grupo alquilo

3‐etil‐2,4,5‐trimetilheptano

TEMA IV: ALCANOS

TEMA IV: ALCANOS

Primero se determina el número de carbonos en la cadena continua más larga.

La cadena se numera de manera que el sustituyente tenga el número más bajo posible.

Los números se utilizan sólo en los nombres sistemáticos, nunca en los nombres comunes.

Los sustituyentes se enlistan en orden alfabético.

Número y palabra se separan con un guión; dos números se separan con una coma.

Al colocar en orden alfabético se ignoran los prefijos di, tri, tetra, sec y ter.

Al colocar en orden alfabético no se ignoran los prefijos iso y ciclo.


14/04/2014

10

Punto 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 efectivas cuanto mayor es la superficie de la molécula.

Estos alcanos tienen el mismo número de carbonos y sus puntos de ebullición son muy distintos. La superficie efectiva de contacto entre dos moléculas disminuye cuanto más ramificadas sean éstas.

Las fuerzas intermoleculares son menores en los alcanos ramificados y tienen puntos de ebullición más bajos.

TEMA IV: ALCANOSPropiedades fisicas de los alcanos

Punto de fusión

El punto de fusión también aumenta con eltamaño del alcano por la misma razón. Losalcanos con número de carbonos impar seempaquetan peor en la estructuracristalina y poseen puntos de ebulliciónun poco menores de lo esperado.

Cuanto mayor es el número de carbonos lasfuerzas intermoleculares son mayores y lacohesión intermolecular aumenta, resultandoen un aumento de la proximidad molecular y,por tanto, de la densidad. Nótese que entodos los casos es inferior a uno.

Densidad

Propiedades fisicas de los alcanosTEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

11

Aplicaciones de los alcanos

TEMA IV: ALCANOS

Aplicaciones de los alcanos

TEMA IV: ALCANOS

Los alcanos con 18 o mas átomos de carbono son sólidos cerosos a temperatura ambiente. Los alcanos con alto peso molecular, llamados parafinas, se emplean para recubrir frutas y verduras reteniendo su humedad, impidiendo la proliferación de hongos y mejorando su aspecto

La vaselina es una mezcla de hidrocarburos líquidos con puntos de ebullición bajos encapsulados en hidrocarburos solidos. Se emplea en pomadas, en cosmética, como lubricante y como disolvente.


14/04/2014

12

Cantidad (%Volumen)

Punto de ebullición

(0C)

Atomos de carbono

Productos

1-2 <30 1-4Gas natural, metano, propano,

butano, gas licuado

15-30 30-200 4-12Eter de petróleo (C5,6), ligroína

(C7), nafta, gasolina cruda

5-20 200-300 12-15 Queroseno

10-40 300-400 15-25Gas-oil, Fuel-oil, aceites

lubricantes, ceras, asfaltos

8-69 >400 >25 Aceite residual, parafinas, brea

Fuente de los alcanos. Refinado del petróleo

TEMA IV: ALCANOS

El craqueo es el proceso por el que se rompenquímicamente las moléculas de hidrocarburo más grandes ycomplejas en otras más pequeñas y simples, paraincrementar el rendimiento de obtención de gasolina a partirdel petróleo.

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

13

REACTIVIDAD

Las reacciones típicas de los alcanos son:

1-Combustión

2-Halogenación

3-Craking

TEMA IV: ALCANOS

Los alcanos son los compuestos orgánicos de menor reactividad, su baja reactividad hace que también se los llame “parafinas”.

1- COMBUSTIÓN DE ALCANOS

La combustión de alcanos es la forma habitual de liberar la energía almacenada en los combustibles fósiles. Libera dióxido de carbono.

TEMA IV: ALCANOS

Toxicidad del monóxido de carbono

Combustión incompleta del metano del gas natural:

El monoxido de carbono (CO) es un gas incoloro, inodoro y venenoso.

Si mas del 50% de la hemoglobina esta unida al CO, se pierde la consciencia y se produce la muerte si no se suministra oxigeno inmediatamente.


14/04/2014

14

2- HALOGENACIÓN DE ALCANOS

-103 -25 -7 +13

F Cl Br I

Entalpía de reacción de los diferentes halógenos

Las reacciones del cloro y el bromo con los alcanos no ocurre en la oscuridad, son reacciones fotoquímicas, catalizadas por la luz ultravioleta

Son reacciones de sustitución que transcurren a través de radicales libres

Las reacciones de alcanos con cloro y bromo transcurren a velocidades moderadas y son fáciles de controlar; las reacciones con flúor a menudo son demasiado rápidas y es difícil controlarlas. El yodo o no reacciona o lo hace lentamente.

TEMA IV: ALCANOS

Mecanismo de la reacción de halogenación

1º etapa: Iniciación

Cl Cl ClCl ++ fotón (hv) Ruptura homolítica

ClC Cl++

H

H

HH C

H

H

H H

2º etapa: Propagación

ClCCl ++

H

H

ClHC

H

H

H Cl

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

15

Descripción del estado de transición de la reacción de halogenación.

El grupo metilo empieza a aplanarse

El orbital del cloro solapa con elorbital 1s del hidrógeno y larepulsión electrónica provoca unadisminución del solapamientoentre el orbital 1s del hidrógeno yel orbital sp3 del carbono. El enlacecomienza a alargarse, el átomo decarbono va teniendo menosdemanda de carácter s y utiliza esteorbital en el enlace con los otrosátomos de hidrógeno. Se producela rehibridación progresiva de sp3a sp2.

TEMA IV: ALCANOS

CH3

Cl

CH3+ CH3CH3

Cl+ Cl2

CH3 Cl+ ClCH3

3º etapa: Terminación

Los radicales pueden colapsar entre sí con lo que evitan la deficiencia electrónica. Pero,como son especies que están en muy baja concentración por ser difíciles de producir ymuy reactivas, la probabilidad de que colapsen es muy baja. Sin embargo, la obtenciónde trazas de etano prueba la formación del radical ∙CH3 y apoya el mecanismopropuesto.

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

16

Aplicaciones habituales de los alcanos halogenados (haluros de alquilo)

Disolvente

CCl4 se utilizó como limpiador en seco en las tintorerías y en el hogar (Cancerígeno)

Anestésicos

El cloroformo (CHCl3), se empleaba hace tiempo como anestésico, pero es toxico y carcinógeno

Se lo reemplazó por el halotano (2-bromo-2-cloro-l,l,l-trifluoretano)

olor agradable, no es inflamable, tiene pocos efectos secundarios, se metaboliza muy poco en el cuerpo y se elimina fácilmente.

cloroetano CH3—CH2—Cl

Anestésico local

evapora rápidamente, enfriando la piel y provocando el anestesiado

Anestésico general

CONFORMACIONES (ANÁLISIS CONFORMACIONAL)

El enlace C‐C simple tiene libertad de giro a lo largo de su eje. Eso provoca diferentes conformaciones en la molécula del alcano

Nota: No son isómeros, porque a temperatura ambiente se interconvierten con mucha facilidad

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL ETANO

TEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

17

¿Por qué la conformación eclipsada es menos estable que la alternada?

Dos hidrógenos eclipsados están a 2.3 A mientras que los alternados están a 2.5 A. Aunque las distancias son muy similares, la interacción es muy sensible y la diferencia

de energía es importante.

La gráfica muestra la evoluciónde la energía a medida que loshidrógenos no enlazados seacercan. A distancias cortasexiste una fuerte repulsión entrelas nubes electrónicas, quedisminuye rápidamente amedida que los hidrógenos sealejan

CONFORMACIONES (ANÁLISIS CONFORMACIONAL)

TEMA IV: ALCANOS

Son compuestos cíclicos cuyos anillos están formados sólo por átomos de carbono. Como cada átomo de carbono está unido a dos hidrógenos, responden a la fórmula general CnH2n. También se los suele llamar compuestos alicíclicos (alifáticos cíclicos).

CICLOALCANOSTEMA IV: ALCANOS


14/04/2014

18

Monoterpenos, con 10 átomos de carbono, están presentes en muchas esencias de las plantas

(‐)‐Mentol (p.f. 44ºC)Es el principal componente de la esencia de menta. Es un sólido

blanco de sabor ardiente, cristalizado en grandes prismas que funden a 440C. El líquido

hierve a 2120C. El mentol tiene propiedades ligeramente

anestésicas o, mejor, refrescantes. Se emplea como

antipruriginoso en dermatología, y como discretísimo anestésico en otorrinolaringología, para el

tratamiento de la faringitis. Posse también propiedades

antisépticas.

S‐(‐)‐limoneno (p.eb. 176ºC)

El limoneno se presenta en tres formas, dextrógira, levógira y racémica. El

limoneno levógiro (-) se extrae de la cáscara de la naranja y

le confiere su olor característico.

R‐(+)‐limoneno(p.eb. 176ºC)El limoneno dextrógiro (+) abunda en la naturaleza. Es un líquidio aceitoso que puede extraerse fácilmente de la cáscara del limón y responsable de su olor.

Alcanfor (p.f. 180ºC)Sustancia sólida,

cristalina, volátil, de sabor ardiente y olor

característico, que se haya en el alcanforero y

otras lauráceas. La química del alcanfor es muy complicada y ha

desempeñado un importante papel histórico

en la evolución de las teorías químicas. Es un anestésico ligero en uso

tópico (alcoholes alcanforados).

INTRODUCCIÓN CICLOALCANOS


Esteroides, que actúan fisiológicamente como hormonas y contienen múltiples anillos

Colesterol (p.f. 149ºC) Aislado de la bilis en 1769. Su estructura no se estableció completamente hasta 1932. Woodward realizó su síntesis total en 1951. Se encuentra en todas las grasas animales. El colesterol se intercala entre los fosfolípidos que forman las membranas celulares de los animales. Sirve para hacerlas más rígidas y menos permeables. Sin el colesterol, las células animales necesitarían una pared como poseen las bacterias

Cortisona Hormona corticosuprarrenal que tiene una notable actividad antiinflamatoria.

Testosterona Es la principal hormona andrógena, segregada fundamentalmente por el tejido intersticial del testículo. Controla la formación del esperma, el desarrollo de los órganos genitales y de los caracteres sexuales secundarios.



14/04/2014

19

NOMENCLATURA

Ciclopropano Ciclobutano

Ciclopentano Ciclohexano

Se antepone la palabra ciclo al nombre del alcano que corresponde según el número de átomos de carbono.


En caso que el ciclo esté sustituido se nombran los sustituyentes según las reglas indicadas previamente asignando a la posición sustituida el menor número posible.

Cuando un cicloalcano se une a una cadena alquílica de mayor número de átomos de carbono que el ciclo, se puede nombrar el ciclo como sustituyente alquílico de la

cadena.



14/04/2014

20

Los cicloalcanos con dos o más sustituyentes pueden poseer isomería geométrica:

cis‐1,2‐dimetilciclopropano trans‐1,2‐dimetilciclopropano


Cicloalcano p.eb. (ºC) p.f. (ºC) densidad 20ºC(g/mL)

ciclopropano -32.7 -127.6

ciclobutano 12.5 -50.0 0.720

ciclopentano 49.3 -93.9 0.746

ciclohexano 80.7 6.6 0.779

cicloheptano 118.5 -12.0 0.810

ciclooctano 148.5 14.3 0.835

ciclododecano 160 (100 mmHg) 64.0 0.861

PROPIEDADES FÍSICAS



14/04/2014

21

Tienen p.eb. y p.f. más altos ydensidades mayores que loscorrespondientes alcanos acíclicoslineales, debido probablemente asu mayor rigidez y simetría quepermiten unas fuerzasintermoleculares de atracción(London) más efectivas

P.Ebullición

P.Fusión

Densidad


ESTRUCTURA DE LOS CICLOALCANOS. Teoría de las tensiones

Las moléculas de los cicloalcanos son más inestables que las de los alcanos líneales de igual número de átomos de carbono. Esa inestabilidad puede ser cuantificada con ayuda de los calores de combustión y formación.

Se sabe que cada vez que añadimos un grupo CH2 a un alcano, su calor de combustión aumenta aproximadamente 157,4 Kcal/mol. Esta regla sólo la cumple con exactitud el ciclohexano.

(CH2)nn

Calculado ExperimentalDiferencia

(Tensión total)Tensión por CH2

3 -472.2 -499.8 27.6 9.2

4 -629.6 -655.9 26.3 6.6

5 -787.0 -793.5 6.5 1.3

6 -944.4 -944.5 0.1 0.0

7 -1101.8 -1108.2 6.4 0.9

8 -1259.2 -1269.2 10.0 1.3

9 -1416.6 -1429.5 12.9 1.4

10 -1574.0 -1586.0 14.0 1.4

11 -1731.4 -1742.4 11.0 1.1

12 -1888.8 -1891.2 2.4 0.2

14 -2203.6 -2203.6 0.0 0.0



14/04/2014

22

En el caso del ciclopropano la combustión es más exotérmica de lo esperado. Esto quiere decir que la molécula de ciclopropano es más

energética de lo esperado. En otras palabras: la molécula de ciclopropano es menos estable de lo esperado.


Los calores de formación de propano y ciclopropano confirman el mayor contenido energético de la molécula del segundo

Mientras que el propano es 25 Kcal/mol menos energético que sus elementos encondiciones estándar, el ciclopropano es casi 13 Kcal/mol más energético en esas mismascondiciones.

Los cicloalcanos pequeños son más inestables de lo que cabía esperar considerándolos como alcanos “normales”.¿Cuál es el origen de esa anormalidad?



14/04/2014

23

Los átomos de carbono en los alcanos acíclicospresentan ángulos de enlace de 109.5º. Uncicloalcano requiere por su geometría ángulos deenlace diferentes de 109.5º, los orbitales de susenlaces carbono‐carbono no pueden conseguir unsolapamiento óptimo y el cicloalcano estaráafectado de una tensión angular.

El ángulo interno del ciclopropano es de 60º,. El enlace C‐C es mucho más débil HºC‐C = 65 kcal/mol) que en un alcano lineal

Los hidrógenos de carbonos contiguosestán eclipsados. Esto confiere unatensión torsional . En los acíclicos loshidrógenos pueden adoptar unaconformación alternada donde seminimicen sus interacciones estéricas yorbitálicas

Teoría de las tensiones. Adolf Won Baeyer (Premio Nobel en 1905)

Los cicloalcanos son menos estables debido a las tensiones producidas en el anillo


CICLOPROPANO



14/04/2014

24

CONFORMACIONES DEL CICLOHEXANO

El ciclohexano es especial puesto que no tiene tensión de anillo. Probablemente esta es la causa de que sea una unidad muy abundante en sustancias naturales. ¿Por qué?

Si el ciclohexano fuera plano, el anillotendría un ángulo interno de 120º, muyinadecuado para un hibridación sp3.Además, todos los hidrógenos estaríaneclipsados

En realidad el ciclohexano no es planosino que adopta una conformacióndenominada silla, donde los ángulosinternos son próximos a los ideales de lahibridación sp3. En esta conformacióntodos los hidrógenos están alternados.


En el ciclohexano se distinguen dos tipos deenlaces con átomos de hidrógeno según suposición relativa dentro de la molécula:

- Ecuatoriales: dispuestos a lo largo delplano ecuatorial de la molécula (6)

- Axiales: dispuestos perpendicularmente alplano de la molécula (3 + 3)



14/04/2014

25

La interconversión entre los dos confórmeros silla, provoca que los hidrógenos sean al 50 % axiales y ecuatoriales


Conformación de bote

Tensión en enlaces

Dos enlaces eclipsados

Dos hidrógenos con problemas estéricos

Conformación de bote torcido

Pequeña tensión en enlaces

Dos enlaces parcialmente eclipsados

Dos hidrógenos con pequeños problemas estéricos

Conformación de silla

Sin tensión en enlaces

Sin enlaces eclipsados

Hidrógenos sin problemas estéricos

Debido a la libertad de giro de los enlaces simples C‐C el ciclohexano tiene otras conformacionesademás de la de silla



14/04/2014

26

La consecuencia de este movimiento de inversión de la conformación silla es que las posiciones axiales pasan a ser ecuatoriales y viceversa. Esto es especialmente relevante cuando el anillo de

ciclohexano posee sustituyentes.

La silla es el conformero mayoritario a temperatura ambiente


tema iv alcanos clase qca organica 2014

Documents