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.

• 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 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 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 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)

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.