Metano. Propano. Butano

Química Orgánica. Hidrocarburos. Gases. Enlaces químicos

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METANO

Metano. Propano. Butano

El metano, el más simple de los hidrocarburos, es el resultado de la unión de un átomo de carbono con cuatro hidrógenos. En éste, como en el diamante, las cuatro valencias van dirigidas hacia los vértices de un tetraedro (Figura 6).

El metano es un gas volátil e inflamable que, por su alto contenido de calor, 13.14 Kcal/g, es un combustible eficaz. Es el principal componente del gas natural, en donde se encuentra junto con otros hidrocarburos gaseosos como etano, propano y butano. Este gas, también llamado gas de los pantanos, por formarse debido a la acción de microorganismos sobre la materia orgánica, también se produce en el estómago de los mamíferos cuando éstos tienen una mala digestión.

2.2 Estructura del metano

 Cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno está unido al de carbono por un enlace covalente, es decir, compartiendo un par de electrones. Cuando el carbono está unido a otros cuatro átomos, sus orbitales enlazantes (orbitales sp3, formados por mezcla de un orbital s y tres p) se dirigen hacia los vértices de un tetraedro (Fig. 2.1a). Esta disposición tetraédrica es lo que permite a los orbitales estar separados al máximo. Para que cada uno de estos orbitales solape al orbital esférico s de un átomo de hidrógeno con efectividad máxima, formando así un enlace más fuerte, cada núcleo de hidrógeno debe ubicarse en un vértice de este tetraedro (Fig. 2.1b).

 

La estructura tetraédrica del metano ha sido verificada por difracción de electrones (Figura 2.1c), lo que muestra fuera de toda duda la disposición de los átomos en moléculas tan simples. Más adelante analizaremos algunas de las pruebas que permitieron la mecánica cuántica o la difracción de electrones.

Normalmente, representaremos al metano con una raya por cada par de electrones compartido por el carbono y el hidrógeno (I). Para concentrar nuestra atención sobre electrones individuales, indicaremos algunas veces un par por dos puntos (II); finalmente, para representar la forma verdadera de la molécula, emplearemos una fórmula tridimensional simple como III o IV.

Metano. Propano. Butano

Fig 2.1

 

En las fórmulas tridimensionales de este tipo, una cuña negra representa un enlace que sale del plano del papel hacia nosotros; una cuña de puntos, un enlace en que se aleja de nosotros por detrás del plano del papel, y una línea normal, un enlace en el plano del papel. Por consiguiente, las fórmulas II y IV representan al metano, como en las figuras 2.2a y 2.2b, respectivamente.

PROPANO

 

El siguiente miembro de la familia de los alquenos es el propileno, C3H6. Dada su gran similitud con el etileno, parece razonable suponer que este compuesto también tiene un doble enlace carbono-carbono. Partiendo de los dos átomos de carbono conectados con un enlace doble y enlazando los demás átomos de acuerdo con la regla de una unión por hidrógeno y cuatro por carbono, llegamos a la estructura

Siguiendo una vez más la regla de un enlace por hidrógeno y cuatro por carbono, llegamos a la estructura I.

Metano. Propano. Butano

 

 

Aquí, la rotación puede producirse en torno a dos enlaces carbono-carbono, y de nuevo es esencialmente libre. A pesar de que el grupo metilo es considerablemente más grande que un hidrógeno, la barrera rotacional es sólo ligeramente mayor (3.3 kcal/mol) que para el etano. Sin duda, la aglomeración en la conformación eclipsada aún no es significativa, por lo que la barrera rotacional se debe esencialmente al mismo factor que la barrera del etano:

tensión torsional (véase Fig. 3.7).

BUTANO

Pasando a los butilenos, C4H8, descubriremos que haya varios ordenamientos posibles. En primer lugar, tenemos un esqueleto de cadena recta, como el del n-butano, o una estructura ramificada, como la del isobutano. Luego, y aún restringiéndonos a la cadena recta, observamos dos disposiciones que difieren en la posición del doble enlace dentro de la cadena. En consecuencia, tenemos por el momento un total de tres estructuras, que reciben los nombres 1-buteno, 2-buteno e isobutileno.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¿Cómo concuerdan los hechos con la predicción de tres butilenos isómeros? Se ha demostrado experimentalmente que existen cuatro alquenos de fórmula C4H8, y no tres, cuyas propiedades físicas se indican en al tabla 7.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Al hidrogenarlo, el isómero de p.e. -7ºC da isobutano; evidentemente, este butileno tiene una cadena ramificada, por lo que su estructura la denominamos isobutileno.

Los otros tres isómeros dan todos el mismo compuesto por hidrogenación: n-butano; naturalmente, tiene una cadena recta. Por métodos que estudiaremos más adelante (Sec. 8.23), es posible romper un alqueno en el doble enlace, y por los fragmentos que se obtienen deducir la posición del doble enlace en la molécula. Al realizar este proceso, los productos que resultan del isómero de p.e. -6ºC indican claramente que el doble enlace está ubicado en un extremo de la cadena, por lo que este butileno tiene la estructura que llamamos 1-buteno. Al aplicar el mismo procedimiento a los dos isómeros restantes, ambos dan la misma mezcla de productos, con la que puede ubicarse el doble enlace en el centro de la cadena.

A juzgar por los productos que se obtienen de la hidrogenación y de la ruptura, ambos butilenos, el de p.e. + 1 ºC y el de p.e. +4ºC, tienen la estructura denominada 2-buteno. Sin embargo, las diferencias en los puntos de ebullición y de fusión y en las demás propiedades físicas demuestran que se trata de sustancias diferentes, es decir, son isómeros. ¿En qué pueden diferenciarse sus estructuras?

Para comprender el tipo de isomería que da origen a dos 2-butenos, debemos examinar con más detenimiento la estructura de los alquenos y la naturaleza del doble enlace carbono-carbono. El etileno es una molécula plana que resulta así por la disposición geométrica de los orbitales enlazantes y, en particular, por el solapamiento que origina el orbital n. Por las mismas razones, la porción que comprende los dos carbonos con doble enlace y los cuatro átomos unidos a ellos debe ser plana en todo alqueno.

Si examinamos con mayor detalle la estructura del 2-buteno, especialmente si usamos modelos moleculares, observaremos que hay dos formas bien diferentes, I y II, de ordenar los átomos (aparte de las infinitas posibilidades que surgen del giro en torno a enlaces simples). En una de las estructuras, los grupos metilo se encuentran en el mismo lado de la molécula (I), y en la otra, en lados opuestos (II).

 

 

 

 

Surge ahora una pregunta: ¿Podemos aislar dos 2-butenos isómeros que correspondan a estas dos estructuras diferentes, o se interconvierten demasiado fácilmente: como las conformaciones del n-butano, por ejemplo (Sec. 3.5)?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 7.6 Rotación impedida en torno al doble-

Enlace carbono-carbono. El giro evita el

Solapamiento de orbitales p, rompiendo el enlace n.

 

 

 

La conversión de I en II implica la rotación en torno al doble enlace carbono-carbono, y la posibilidad de aislar isómeros depende de la energía requerida para esta rotación. Hemos visto que la formación del enlace n involucra el solapamiento de orbitales p, ubicados por encima y por debajo del plano de los orbitales o. Para pasar de uno de estos 2-butenos al otro, debe torcerse la molécula para que ya no se solapen los orbitales p, es decir, debe romperse el enlace n (véase Fig. 7.6).La ruptura del enlace n requiere unas 70 Kcal.; a temperatura ambiente, sólo una proporción insignificante de colisiones tiene esta energía cuenca, debido a esta barrera energética de 70 kcal, la rotación en torno al doble enlace carbono-carbono está impedida. Como resultado de esta rotación impedida, pueden aislarse dos 2-butenos isómeros, que son, claro está, los butilenos de p.e. +1 ºC y p.e. +4 ºC.