Alcanos

Alcanos
Si imaginamos la unión de tres, cuatro o más átomos de carbono con enlace C−C sencillos, podremos generar
la gran familia de moléculas llamada de los alcanos. Los alcanos se suelen denominar hidrocarburos
saturados; hidrocarburos porque contienen carbono e hidrógeno; saturados por que sólo presentan enlaces
sencillos C−C y C−H, y por que contiene la cantidad máxima de hidrógenos por carbono. Su fórmula general
es CnH2n+2, donde n es un entero. Los alcanos también se conocen como compuestos alifáticos, nombre
derivado de aleiphas que significa en griego grasas. Los compuestos como el butano y el pentano, cuyos
carbonos están unidos formando una cadena, se llaman alcanos de cadena recta, o alcanos normales. Los
isómeros son compuestos con la misma cantidad y clases de átomos, pero difieren en la manera en que éstos
se ordenan (McMurry, 2000).
Nomenclatura de los Alcanos
Antes, cundo se conocían relativamente pocas sustancias orgánicas puras, los compuestos nuevos adquirían su
nombre de acuerdo con el antojo de su descubridor. A medida que la química orgánica se desarrollaba
lentamente en el siglo XIX, igual ocurrió con la cantidad de compuestos y la necesidad de contar con un
método sistemático para denominarlos. El sistema de nomenclatura que usaremos en este libro es el inventado
por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) (McMurry, 2000).
Un nombre de sustancia tiene tres partes en este sistema; prefijo, sustancia principal y sufijo. La sustancia
principal indica una parte central de la molécula y dice cuantos átomos hay en ella; el sufijo identifica la
familia de grupos funcionales al que pertenece la molécula y el prefijo se refiere a los lugares de los grupos
funcionales y demás sustituyentes en la sustancia principal (McMurry, 2000).
Prefijo Sustancia Principal Sufijo
Donde están los sustituyentes Numero de Carbonos Que familia
Es posible denominar los alcanos de cadenas ramificadas, excepto los más complicados, siguiendo cuatro
pasos; se necesita otro más para unos cuantos compuestos (McMurry, 2000).
Paso 1 Determinar cual es el hidrocarburo principal
• Hallar la cadena más larga de átomos de carbono presente en la molécula y dar el nombre de esa
cadena como el nombre de la sustancia principal.
♦ Si hay dos cadenas distintas con igual longitud, se toma como sustancia principal la que tenga
la mayor cantidad de puntos de ramificación.
Paso 2 Numerar los átomos de cadena principal
• Se numeran cada átomo de carbono en la cadena de la sustancia principal a partir del extremo más
cercano al punto de ramificación.
♦ Si hay ramificaciones a distancias iguales de ambos extremos de la cadena de la sustancia
principal, la numeración comienza en el extremo más cercano al segundo punto de
ramificaciones.
Paso 3 Identificar y numerar a los sustituyentes
• Se asigna un número a cada sustituyente, de acuerdo con su punto de fijación a la cadena principal.
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♦ Si hay dos sustituyentes en el mismo número de carbono, se les asigna el mismo número.
Debe haber tantos números en el nombre como sustituyentes hayan en la molécula.
Paso 4 Escribir el nombre en una sola palabra
• Se usan guiones para separar los distintos prefijos y comas para separar los números. Si hay dos o más
sustituyentes distintos, se citan en orden alfabético. Si hay dos o más sustituyentes idénticos, se usan
uno de los prefijos multiplicadores di, tri, tetra, etc.
En algunos casos se hace necesario un quinto paso. A veces sucede que un sustituyente de la cadena principal
subramificaciones (McMurry, 2000).
Paso 5 Denominar el sustituyente complejo como si fuera un compuesto
• Se comienza a numerar en el punto de fijación a la cadena principal, y así se ve que el sustituyente
complejo es un grupo definido. Para evitar confusiones se anota el nombre del sustituyente en orden
alfabético entre paréntesis en el nombre de la molécula compleja.
Nomenclatura de los cicloalcanos
Las reglas para denominar a los cicloalcanos sustituidos son similares
Conformaciones
Debido a la simetría cilíndrica de los enlaces sigma, el traslape de los orbitales en el enlace sencillo C−C del
etano es exactamente igual, sean cales sean las relaciones geométricas entre otros átomos fijos a los carbonos.
Los diversos arreglos de los átomos, resultado de la rotación en torno a un enlace sencillo, se le llaman
conformación, y una conformación determinada se denomina confórmelo. A diferencia de los isómeros de
constitución, que tienen distintas conexiones entre los átomos, los diversos confórmeros presentan las mimas
uniones de átomos y, por lo general, no se pueden aislar porque se convierten unos en otros con demasiada
rapidez (McMurry, 2000).
En química, los isómeros de conformación se representan de dos maneras, las perspectivas de caballete ven al
enlace carbono−carbono desde un ángulo oblicuo e indica la orientación espacial mostrando todos los enlaces
C−H. Las proyecciones de Newman lo ven de frente y representan los dos átomos de carbono mediante un
circulo. Los enlaces fijos al carbono delantero se indican por medio de líneas que van al centro del circulo y
los enlaces fijos al carbono trasero, con líneas que solo llegan al perímetro del circulo. La ventaja de las
proyecciones de Newman es que su trazo es sencillo y resulta fácil ver las relaciones entre los sustituyentes en
los distintos átomos de carbono (McMurry, 2000).
La conformación de mínima energía, más estable, es aquella en que los seis enlaces de C−H están todo lo
separado que le resulta posible; vistos desde enfrente en una proyección de Newman parecen escalonados. La
conformación de máxima energía que es la menos estable, es aquella en la que los seis enlaces C−H se hallan
lo más cerca posible; están eclipsados en una proyección de Newman. Entre estos dos extremos hay una
cantidad infinita de posibilidad. Los 12kJ/mol de energía adicional presente en la conformación eclipsada del
etano se llama tensión de torsión (McMurry, 2000).
Conformación y estabilidad de los cicloalcanos; teoría de la tensión de Baeyer
En 1885 Adolf von Baeyer propuso una interpretación teórica pera estas observaciones. Sugirió que, como el
carbono prefiere la geometría tetraédrica, con ángulos aproximados de enlace de 1090, las tensiones o
deformaciones presentes en otros tamaños de anillo que no tengan cinco o seis carbonos podrían anular su
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existencia. Basó su hipótesis en la sencilla noción geométrica de que un anillo de tres miembros
(ciclopropano) debería ser un triangulo equilátero con 60o entre los enlaces; un anillo de cuatro miembros
(ciclobutano), un cuadrado con 90o entre los enlaces; un anillo de cinco miembros (ciclopentano), un
pentágono regular con ángulos de 1080, etcétera (McMurry, 2000).
Según el análisis de Baeyer, el ciclopropano, con una compresión de ángulos de enlace de 109o − 60o = 49o
debe tener una gran cantidad de tensión angular y en consecuencia ser muy reactivo. El ciclobutano 109o −
90o = 19o de deformación angular, también tiene que ser muy reactivo, pero el ciclopentano 109o − 108o =
1o casi no debe sufrir tensión angular. El ciclohexano 109o − 120o = −11o debe tener algo de tensión pero el
cicloheptano 109o − 128o = −19o y los cicloalcanos superiores, tienen que presentar ángulos de enlace
forzados a abrirse demasiado. Al proseguir con estos razonamientos, Baeyer sugirió que los anillos muy
grandes tendrían deformaciones imposibles, por lo que no podrían existir (McMurry, 2000).
Aunque en lo anterior hay algo de cierto, sobre todo lo referente a las tensiones angulares en anillos pequeños,
se equivoco al creer que no puede haber anillos pequeños ni grandes. Hoy es posible preparar con facilidad
anillos de todos tamaños, desde 3 hasta 30 elementos. Sin embargo, el concepto de tensión angular o
deformación de angular, inducido en una molécula cuando el ángulo entre los enlaces se desvía del valor
tetraédrico ideal, es muy útil (McMurry, 2000).
Conformaciones del propano
El propano, el siguiente miembro en la serie de los alcanos, también tiene una barrera de torsión, la cual
entorpece la rotación de los enlaces carbono−carbono. Esta barrera es un poco mayor que la del etano; de
14kJ/mol en comparación de los 12kJ/mol anterior. En el confórmero eclipsado del propano has dos
intersecciones hidrógeno−hidrogeno del tipo de las del etano y una más entre el enlace C−H y uno C−C.
Como cada interacción eclipsada hidrógeno−hidrogeno tiene un costa d energía de 4kJ/mol podemos asignar
el valor de 6kJ/mol a la interacción eclipsada entre el enlace C−C y el C−H (McMurry, 2000).
Conformación del butano
La situación de las conformaciones se complica a medida que el alcano es mayor. Por ejemplo en el butano la
gráfica de energía potencial en función del ángulo de rotación en torno al enlace C2−C3 el máximo de energía
se presenta cuando dos grupos metilo se eclipsan entre ellos y el mínimo cuando están separados 180o
(McMurry, 2000).
No todas las conformaciones escalonadas del butano tienen la misma energía, como tampoco todas las
conformaciones eclipsadas. El arreglo con mínima energía, llamado conformación anti es aquel que los dos
grandes grupos metilo están lo más lejos posible a 180o. Al continuar la rotación en derredor del enlace, se
llega a un mínimo de energía en la conformación escalonada en que los grupos metilo forman un ángulo de
60o. Esta es la conformación gauche y tiene 3.8kJ/mol más energía que la conformación anti, aun cuando
carece de interacciones eclipsadas. Esta diferencia de energía de debe a que, en la conformación gauche, los
átomos de hidrógeno de los grupos metilo se acercan y producen una tensión estérica. La tensión estérica es la
interacción de repulsión que se desarrolla cuando los átomos son forzados a acercarse más de lo que permiten
sus radios atómicos. Es el resultado de tratar de obligarlos a ocupar el mismo espacio. A medida que el ángulo
diedro entre los grupos metilo tiende a 0o, se llega a un máximo de energía (McMurry, 2000).
La conformación de alcano más estable es aquella en que todos los sustituyentes están escalonados y los
enlaces de carbono−carbono tienen arreglo anti, como el modelo del decano (McMurry, 2000).
Conformaciones del ciclobutano y el ciclopentano
El ciclobutano tiene menos tensión angular que el ciclopropano, pero más tensión torsional por su mayor
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cantidad de hidrógeno en el anillo. Como resultado, las tensiones totales de ambos compuestos son casi
iguales; 1104kJ/mol para el ciclobutano en comparación con 115kJ/mol para el ciclo propano. Los
experimentos demuestran que el anillo del ciclobutano no es plano, sino que está ligeramente flexionado, de
tal manera que un átomo de carbono está a unos 25o arriba del plano de los otros tres. El efecto de este ligero
dobles es el aumento de las tensiones y la disminución de la tensión torsional, hasta llegar a un equilibrio
entre los dos efectos contrarios (McMurry, 2000).
Según Baeyer, el ciclopentano debería estar casi libre de tensiones, pero los datos de calores de combustión
indican que hay una energía total de tensión de 26kJ/mol. Aunque el ciclopentano plano prácticamente no
tiene tensión angular, si presenta gran tensión torsional. En consecuencia, se tuerce y adopta una
conformación no plana, resultante de un equilibrio entre más tensión angular y menos tensión torsional.
Cuatro de los átomos de carbono se encuentran más o menos en el mismo plano y el quinto se sale de éste
(McMurry, 2000).
Conformación del ciclohexano
Por su gran abundancia en la naturaleza, los ciclohexanos sustituidos son los cicloalcanos más comunes. Una
gran cantidad de compuestos contiene anillos de ciclohexanos. Los datos de combustión demuestran que el
ciclohexano no tiene tensiones, sean angulares o de torsión. El ciclohexano no es plano, como supuso Baeyer
esta plegado en una conformación tridimensional que descarga todas las tensiones (McMurry, 2000).
Los ángulos C−C−C de ciclohexano pueden llegar a tener el valor tetraédrico, sin tensiones, si el anillo adopta
una conformación de silla, llamada así por su semejanza a un diván; un respaldo, un asiento y un descanso en
los pies. Además de esta conformación, hay una segunda posibilidad, llamada conformación de bote, que
también está libre de deformaciones angulares, pero es menos estable que la conformación de silla del
ciclohexano. Incluso esta la conformación de bote torcido está mucho más deformada que la conformación de
silla y las moléculas sólo adoptan en circunstancias especiales (McMurry, 2000).
Enlaces axiales y ecuatoriales
La conformación de silla del ciclohexano tiene muchas consecuencias químicas. Y una es que hay dos clases
de posiciones para los sustituyentes en el anillo; axiales y ecuatoriales. La conformación de silla del
ciclohexano tiene seis hidrógenos axiales perpendiculares al anillo y paralelos al eje de éste, y seis hidrógenos
ecuatoriales, que están más o menos en el plano de anillo, en torno a su ecuador. Cada átomo de carbono del
ciclohexano tiene un hidrógeno axial y uno ecuatorial, con tres hidrógenos axiales y tres ecuatoriales en cada
cara del anillo, en arreglo alternado. Por ejemplo si el anillo contiene hidrógenos axiales de los carbonos 1,3,5
tendrán hidrógeno ecuatoriales en los carbonos 2,4,6. Pasa lo mismo en la cara inferior (McMurry, 2000).
Alquenos
Los alquenos son hidrocarburos que tienen un doble enlace carbono−carbono. Las palabras olefina se usan
con frecuencia como sinónimo, pero el término preferido es alqueno. Los alquenos abundan en la naturaleza.
El etileno y el propileno son los alquenos más simples y las dos sustancias orgánicas más importantes que se
producen en escala industrial. Cada año, en Estados Unidos se producen unos 26 millones de toneladas de
etileno y 14 millones de propileno, que se usan en al síntesis del polietileno, polipropileno, etilenglicol, ácido
acético, acetaldehído y una multitud de otras sustancias (McMurry, 2000).
Estructura electrónica
Los átomos de carbono de un doble enlace tienen hibridación sp2 y poseen tres orbitales equivalentes que
están en un plano, formando ángulos de 120 grados. EL cuarto orbital de carbono es un p no híbrido,
perpendicular al plano sp2. Cuando dos de esos dos átomos de carbono se acercan, forman un enlace sigma
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por traslape de frente de orbitales sp2 y un enlace pi por traslape lateral de orbítales p (McMurry, 2000).
En lenguaje de orbítales moleculares, la interacción de los orbitales p produce un orbital molecular de enlace
pi y un de antienlace. El orbital molecular de enlace pi no tiene nodo entre los núcleos y es el resultado de una
combinación aditiva de los lóbulos de orbital p con el mismo signo algebraico. El orbital molecular de
antienlace pi posee un nodo entre los núcleos y se produce por la combinación sustractiva de lóbulos con
distintos signo algebraico. La determinación experimental de la energía requerida para romper el enlace pi del
etileno da como resultado un valor aproximado de 268kJ/mol y aclara por qué no puede ocurrir la rotación.
Recuerde que la barrera para la rotación de enlace de etano es de 12kJ/mol (McMurry, 2000).
Isomería Cis−Trans de los alquenos
Dos grupos metilo de 2buteno pueden estar del mismo lado del doble enlace o en lados opuestos, caso que
recuerda a los cicloalcanos disustitiudos. Como el doble enlace no puede girar, los dos butenos no pueden
interconvertirse en forma espontánea; son compuestos distintos que se puede asilar. Al igual que el caso de los
cicloalcanos estos compuestos se llama estereoisómeros cis−trans. Esta isomería no se limita a los alquenos,
puede presentarse en cualquier alqueno que tenga los dos carbonos del doble enlace fijo a dos grupos
distintos. Sin embrago si uno de los carbonos del doble enlace esta fijo no es posible que haya isomería
cis−trans (McMurry, 2000).
Teoría RPENV
La geometría molecular es la distribución de los átomos de una molécula. La geometría de una molécula
influye en sus propiedades físicas y químicas, como el punto de fusión, el punto de ebullición, la densidad y el
tipo de reacciones en que puede participar. En general, la longitud y el ángulo de los enlaces se deben
determinar de manera experimental. Sin embrago, hay un proceso sencillo que permite predecirla geometría
de las moléculas o iones con bastante éxito, si se conoce el número de electrones que rodea al átomo central,
según la estructura de Lewis. El fundamento de este enfoque es la suposición de que los pares de electrones de
la capa de valencia de un átomo se repelen entre sí. La capa de valencia es la capa externa ocupada por
electrones de un átomo; contiene los electrones que generalmente están involucrados en el enlace. En un
enlace covalente un par de electrones, a menudo llamado por enlazante, es el responsable de mantener dos
átomos juntos. Sin embargo, en una molécula poliatómica donde hay dos o más enlaces entre el átomo central
y átomos que lo rodean, la repulsión entre los electrones de los diferentes pares enlazantes hace que se
mantenga lo más alejados posible. La geometría que al final adopta la molécula es aquella en la que la
repulsión es mínima. Este enfoque para estudiar la geometría molecular se denomina modelo de la repulsión
de los pares electrónicos del nivel de valencia (RPENV), ya que explica la distribución geométrica de los
pares electrónicos que rodean al átomo central en términos de la repulsión electrostática entre dichos pares
(Chang,1999).
• Al considerar la repulsión de los pares electrónicos, los dobles y los triples enlaces se pueden tratar
como si fueran enlaces sencillos. Este es un buen enfoque con propósitos cualitativos. Sin embargo, se
debe observar que en la realidad los enlaces multiples son mayores que los enlaces sencillos, por que
como hay dos o tres enlaces entre dos átomos, la densidad electrónica ocupa mayor espacio
(Chang,1999).
• Si una molécula tiene dos o más estructuras resonantes, se puede aplicar el modelo RPENV a
cualquiera de ellos. Por lo general, las cargas formales no se muestran (Chang,1999).
La disposición geométrica de los átomos en moléculas y iones puede predecirse por medio de la teoría de
repulsión del par electrónico del nivel de valencia (RPENV)(Mortimer,1983)
• En la siguiente discusión consideraremos moléculas y iones en los cuales un átomo central está unido a dos
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o más átomos
• Debido a que los pares de electrones se repelen entre sí, se supone que los pares de electrones en el nivel de
valencia del átomo central toman posiciones lo más alejadas posibles. La forma de la molécula o ion es una
consecuencia de las repulsiones de estos pares electrónicos
• Se consideran todos los pares de electrones del nivel de valencia del átomo central: los pares que forman los
enlaces covalentes (llamados pares de enlaces) y los pares que están sin compartir (llamados pares de
no−enlace o pares libres)
• Los pares de no enlace ayudan a determinar la posición de los átomos en la molécula o ion. La forma de la
molécula o ion, sin embargo, está descrita en términos de posiciones de los núcleos y no en términos de las
posiciones de los pares electrónicos.
Algunos ejemplos aclaran estos puntos. Se puede observar solamente los pares de electrones en el nivel de
valencia del átomo central. Los pares de enlace están indicados por líneas y los pares de no enlace están
indicados por puntos. El átomo central en mucho de estos ejemplos no obedece a la regla del octeto
(Mortimer,1983).
Justificación
Esta practica se realizara con el fin de representar conformaciones de los alcanos y alquenos y sus distintas
isomerías. Por lo que se necesita cierto material.
6 esferas de 4cm de diámetro para representar los átomos de carbono ya que generalmente estos se
representan más grandes que sus átomos que los rodean y de color negro.
34 esferas de 2cm de diámetro para representar átomos de hidrógeno, oxigeno, cloro, bromo y Yodo, ya que
estos rodean a los átomos de carbono, por lo tanto debe ser más pequeño y de distintos colores. Cada átomo
distinto que el de carbono debe estar pintados de otro color para diferenciarlos al momento de juntarlo y cada
grupo ya sea de hidrógeno, yodo, bromo, cloro de tener su color especifico para poder reconocer y saber a que
elemento representa cada esfera.
Para poder armar una estructura de una molécula se necesitan esferas para representar los átomos y alambre y
pajillas ya que para representar los enlaces que mantiene unidos los distintos átomos los enlaces sencillos
alambre y los enlaces dobles con pajillas.
Con estos materiales se podrán realizar estructuras de los alcanos que tiene un solo enlace con el alambre los
modelos de metano, etano y propano, y poder construir su estructura. Además formar el pentano y observar
sus distintas formas en la que puede existir. Además los ciclo del hexano, butano y propano, para observar su
estructura y las distintas conformaciones del ciclohexano de silla y bote. Y comprobar la estructura tetraédrica
del carbono es todas las estructuras. Y observar el caso cuando existen sustituyentes dentro de una cadena de
carbonos.
Y por último formar conformaciones de los alquenos y observar la isomería posible de sus estructuras con
dobles enlaces, además ver la isomería trans y cis en las distintas moléculas. Y al igual que los alcanos formar
sus distintos ciclos.
Bibliografía
• Mortimer Charles E, QUÍMICA, quinta edición, Grupo Editorial Iberoamérica, México 1983.
• Chang Raymond, QUÍMICA, sexta edición, McGraw−Hill, México 1998.
• McMurry John, QUÍMICA ORGANICA, quinta edición, Thomson, México 2000.
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