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 ¿QUE SON LOS ALCANOS?

Los alcanos son hidrocarburos saturados, están formados exclusivamente por carbono e hidrógeno y únicamente hay enlaces sencillos en su estructura. Fórmula general: CnH2n+2 donde “n” represente el número de carbonos del alcano. Esta fórmula nos permite calcular la fórmula molecular de un alcano. Por ejemplo para el alcano de 5 carbonos: C5H [(2 x 5) +2] = C5H12

Características

•         Fórmula general CnH2n+2
•         Tienen enlaces covalentes sencillos
•         Saturados: tienen todos los hidrógenos por carbono.
•         Obtención: petróleo y el gas natural
•         Usos: combustibles y sustrato para síntesis químicas.
•         Hibridación sp3

 

Propiedades de los alcanos

•         El estado físico de los 4 primeros alcanos: metano, etano, propano y butano es gaseoso.
•         Del pentano al hexadecano (16 átomos de carbono) son líquidos y a partir de heptadecano (17       átomos de carbono) son sólidos.
•          El punto de fusión, de ebullición y la densidad aumentan conforme aumenta el número de              átomos de carbono.
•          Son insolubles en agua
•           Pueden emplearse como disolventes para sustancias poco polares como grasas, aceites y ceras.
•           El gas de uso doméstico es una mezcla de alcanos, principalmente propano.
•          El gas de los encendedores es butano.
•          El principal uso de los alcanos es como combustibles debido a la gran cantidad de calor que se libera en esta reacción.

CICLO ALCANO 

Es la forma de representar un ciclo de cadena simple C-C y su  fórmula General CnH2n

ISOAMERÍA

compuesto distintos con la misma fórmula molecular.

Es una propiedad de aquellos compuestos químicos (en especial las cadenas de carbono), que tienen la misma fórmula molecular (fórmula química no desarrollada) de iguales proporciones relativas de los átomos que conforman su molécula, presentan estructuras químicas distintas y, por ende, diferentes propiedades y configuración. Dichos compuestos reciben la denominación de isómeros.

Existen dos tipos básicos de isomería: estructural y espacial

Isomería constitucional o estructural

Es una forma de isomería, donde las moléculas con la misma fórmula molecular tienen una diferente distribución de los enlaces entre sus átomos, al contrario de lo que ocurre en la estereoisomería.

 Debido a esto se pueden presentar tres diferentes modos de isomería:

Isomería de cadena / esqueleto.- Los isómeros de este tipo tienen componentes de la cadena acomodados en diferentes lugares, es decir las cadenas carbonadas son diferentes, presentan distinto esqueleto o estructura.

Un ejemplo es el pentano, del cual existen varios isómeros, pero los más conocidos son el isopentano y el neopentano.

 

Isomería de posición.

 Es la de aquellos compuestos en los que sus grupos funcionales están unidos en diferentes posiciones.

Un ejemplo simple de este tipo de isomería es la del pentanol, donde existen tres isómeros de posición: 1-pentanol, 2-pentanol y 3-pentanol.

 

Isomería de grupo funcional

Aquí, la diferente conectividad de los átomos, puede generar diferentes grupos funcionales en la cadena. Un ejemplo es el ciclohexano y el 1-hexeno, que tienen la misma fórmula molecular (C6H12), pero el ciclohexano es un alcano cíclico o cicloalcano y el 1-hexeno es un alqueno.

Isomería de cadena u ordenación

Varía la disposición de los átomos de carbono en la cadena o esqueleto carbonado, es decir la estructura de éste, que puede llegar a ser lineal o bien tener distintas ramificaciones depende de su largo.

Por ejemplo el C4H10 corresponde tanto al butano como al metilpropano (isobutano o terc-butano)

Para la fórmula C5H12, tenemos tres posibles isómeros de cadena: pentano, metilbutano (isopentano) y dimetilpropano (neopentano). El número de isómeros de cadena crece rápidamente al aumentar el número de átomos de carbono.

 

Isomería de posición

La presentan aquellos compuestos que poseen el mismo esqueleto carbonado pero en los que el grupo funcional ocupa diferente posición.

Por ejemplo, la fórmula molecular C4H10O puede corresponder a dos sustancias isómeras que se diferencian en la posición del grupo OH: el 1-butanol.

 

Este tipo de isomería resulta de la posibilidad de colocar grupos funcionales, cadenas laterales en posiciones estructuralmente no equivalentes. Supongamos que sustituimos uno de los átomos de hidrógeno del butano, CH3-CH2-CH2-CH3, por un grupo hidroxilo. Numerando los carbonos de la cadena del butano y realizando esta sustitución en el carbono extremo (C1), obtenemos un alcohol llamado butan-1-ol (1-butanol). Si sustituimos un hidrógeno del C2 por el grupo -OH, obtenemos el alcohol isómero butan-2-ol (2-butanol), que difiere en la posición del grupo hidroxilo. Obsérvese que, sin embargo, si realizamos la sustitución en el C3, no obtenemos un tercer isómero, sino de nuevo el 2-butanol. Las dos representaciones que se indican para el 2-butanol son estructuralmente idénticas, como se puede ver girando su estructura 180º alrededor de un eje.

Isomería de compensación

A veces se llama isomería de compensación o metamería la de aquellos compuestos en los cuales una función corta la cadena carbonada en porciones de longitudes diferentes.

Por ejemplo dos metámeros de fórmula molecular C4O2H8 son:

 

Este tipo de isomería era más usado en el pasado que en la actualidad. Se aplicaba incluso a aldehídos-cetonas,​ a los que hoy se suelen considerar isómeros de función.

Isomería funcional

Varía el grupo funcional, conservando el esqueleto carbonado.

Por ejemplo el C3H6O puede corresponder a la molécula de propanal (función aldehído) o a la propanona (función cetona).

 

Esta isomería la presentan ciertos grupos de compuestos relacionados como: los alcoholes y éteres, los ácidos y ésteres, y también los aldehídos y cetonas.

Isomería configuracional

No basta una simple rotación para convertir una forma en otra y aunque la disposición espacial sea la misma, los isómeros no son interconvertibles. Se divide en: isomería geométrica o cis-trans, e isomería óptica. Los isómeros configuracionales son aislables, ya que es necesaria una gran cantidad de energía para interconvertirlos (se requiere energía necesaria para la ruptura de enlaces).

Isomería geométrica o cis-trans

La isometría cis-trans es un tipo de estereoisometría, la cual se refiere a los compuestos que tienen sus átomos conectados en el mismo orden pero tienen diferente orientación tridimensional. Este tipo de isomería presenta en cicloalcanos (serie de carbonos que conforman un anillo) y en alquenos (cadena de carbonos unidos por una doble ligadura). Se produce cuando existen dos grupos idénticos para comparar y se encuentran en diferentes posiciones.

En el caso de los cicloalcanos se nombra cis cuando los grupos funcionales se encuentran del mismo lado del anillo y trans si se encuentran en lados contrarios.

 

 

Metámeros. Tienen el mismo grupo funcional sustituido de formas distintas.

Isomeria optica

• Se asigna un orden de prioridad a los grupos (por número atómico). Si dos de ellos fueran el mismo átomo el orden se determina por la prioridad de sus sustituyentes.

• Se sitúa el sustituyente 4 hacia atrás y se observa el triángulo que forman los otros tres. Si el orden 1-2-3 sigue las agujas del reloj el isómero se denomina R y si sigue el contrario se denomina S.

NOMENCLATURA DE ALCANOS

En el sistema IUPAC de nomenclatura un nombre está formado por tres partes: prefijos, principal y sufijos; Los prefijos indican los sustituyentes de la molécula; el sufijo indica el grupo funcional de la molécula; y la parte principal el número de carbonos que posee. Los alcanos se pueden nombrar siguiendo siete etapas:

Regla 1.

 Determinar el número de carbonos de la cadena más larga, llamada cadena principal del alcano. Obsérvese en las figuras que no siempre es la cadena horizontal.

El nombre del alcano se termina en el nombre de la cadena principal (octano) y va precedido por los sustituyentes.

 

Regla 2.

 Los sustituyentes se nombran cambiando la terminación –ano del alcano del cual derivan por –ilo (metilo, etilo, propilo, butilo). En el nombre del alcano, los sustituyentes preceden al nombre de la cadena principal y se acompañan de un localizador que indica su posición dentro de la cadena principal. La numeración de la cadena principal se realiza de modo que al sustituyente se le asigne el localizador más bajo posible.

 

 

Regla 3.- Si tenemos varios sustituyentes se ordenan alfabéticamente precedidos por lo localizadores. La numeración de la cadena principal se realiza para que los sustituyentes en conjunto tomen los menores localizadores.

Si varios sustituyentes son iguales, se emplean los prefijos di, tri, tetra, penta, hexa, para indicar el número de veces que aparece cada sustituyente en la molécula. Los localizadores se separan por comas y debe haber tantos como sustituyentes.

 

Los prefijos de cantidad no se tienen en cuenta al ordenar alfabéticamente.

Regla 4.- Si al numerar la cadena principal por ambos extremos, nos encontramos a la misma distancia con los primeros sustituyentes, nos fijamos en los demás sustituyentes y numeramos para que tomen los menores localizadores.

Regla 5.- Si al numerar en ambas direcciones se obtienen los mismos localizadores, se asigna el localizador más bajo al sustituyente que va primero en el orden alfabético.

Regla 6.- Si dos a más cadenas tienen igual longitud, se toma como principal la que tiene mayor número de sustituyentes.

 

Regla 7.- Existen algunos sustituyentes con nombres comunes aceptados por la IUPAC, aunque se recomienda el uso de la nomenclatura sistemática.

 

Los nombres sistemáticos de estos sustituyentes se obtienen numerando la cadena comenzando por el carbono que se une a la principal. El nombre del sustituyente se forma con el nombre de la cadena más larga terminada en –ilo, anteponiendo los nombres de los sustituyentes que tenga dicha cadena secundaria ordenados alfabéticamente. Veamos un ejemplo:

 

 

ESTEREOQUIMICA DE ALCANOS Y CICLOALCANOS

Son hidrocarburos saturados de cadena cerrada. Se nombran igual que los de cadena abierta pero anteponiendo el prefijo ciclo. Se representan de la misma manera que los de cadena abierta y se pueden omitir los símbolos de C e H que se suponen localizados en los vértices de la figura.

Para alcanos cíclicos sustituídos hay que numerar los carbonos del anillo si hay más de un sustituyente. Se busca una secuencia numérica que asigne los valores más bajos a los sustituyentes. Si son posibles dos de estas secuencias, el orden alfabético de los sustituyentes adquiere prioridad.

Propiedades físicas 

•Presentan serie homóloga: difieren en una unidad constante.

•A temperatura ambiente y a una atmósfera, los cuatro primeros son gases, del C5 al C16 son líquidos, del C17 y más son sólidos.

•Los puntos de ebullición aumentan al aumentar la cadena.

•Los puntos de fusión aumentan levemente (par o impar).

 •Son menos densos de todos los grupos de moléculas orgánicas.

•Insolubles en agua, se disuelven en solvente de baja polaridad.

Propiedades químicas 

• No son atacados por ácidos o por agentes oxidantes

enérgicos, o agentes reductores.

• Son atacados por el oxígeno a elevadas temperaturas.

• Se descomponen por temperaturas altas en ausencia de

oxígeno.

• Sufren reacciones de halogenación.

• PIROLISIS: Se efectúa la escisión de alcanos de peso

molecular grande en moléculas de menor tamaño.

Radicales cicloalquilo

•      Se nombran igual que el ciclo alcano del que proceden pero cambiándola terminación -ano 
     por  -ilo. para nombrarlo como ramificación se usa -il.
• Si el hidrocarburo contiene varias cadenas ligadas a un núcleo cíclico, se considera derivado un  compuesto cíclico.
•  Si es un pequeño grupo lineal ligado a un núcleo cíclico grande, se considera derivado de un compuesto cíclico. 
• Si el compuesto contienen varias cadenas laterales o radicales cíclicos ligados a una cadena , se considera derivado de un compuesto lineal.
•  Si exististe un pequeño núcleo cíclico ligado a una larga cadena aciclica, se considera derivado de un compuesto lineal.

ESTEREOQUÍMICA DE LOS ALCANOS

Análisis conformacional y proyecciones de Newman

Equilibrio Conformacional

Se puede transformar un confórmero en otro mediante la rotación en torno a enlaces simples, lo que no es posible en los esteroisómeros donde es necesario romper enlaces para transformar uno en otro.

   

➔La representación de Newman es útil en este caso.

El etano

Diagrama de energía potencial de la rotación libre del etano

 

➔Al girar un grupo metilo alrededor del eje C-C, empezando a partir de la conformación alternada, la distancia entre los hidrógenos disminuye, dando lugar a un aumento en la repulsión entre los pares enlazantes de los enlaces C-H.

➔En el punto de eclipse, la molécula tiene su contenido máximo de energía.

➔El cambio de energía asociado a la rotación alrededor del un enlace se llama energía rotacional o torsional.

➔En este caso la superficie de energía potencial (SEP) es una función sinusoidal de periodo 120º y de amplitud 2.9 kcal/mol.

El propano

➔Es un sistema parecido al etano solo que se sustituye un hidrógeno por un metilo.

➔En este caso también las formas extremas son las alternadas y la eclipsadas.

➔La barrera en este caso es mayor que en el etano debido al impedimento estérico que en este caso involucra un metilo y un hidrógeno.

➔La variación es sinusoidal porque tenemos el mismo efecto en cada giro

 

Tensión de anillo de un ciclobutano

 La tensión de anillo de un ciclobutano plano se debe a dos factores: la tensión angular debida a la compresión de los ángulos de enlace desde el ángulo tetraédrico de 109,5º hasta 90º, y la tensión torsional debida al eclipsamiento de los enlaces C-H.

Conformaciones del ciclopropano

 Todos los enlaces carbono-carbono están eclipsados, generando una tensión torsional que contribuye a la tensión total del anillo.

La tensión angular y la tensión torsional en el ciclopropano hacen que el tamaño de este anillo sea extremadamente reactivo.

 

Conformaciones del ciclopentano

 La conformación del ciclopentano está ligeramente doblada, como la forma de un sobre. Esta conformación plegada reduce el eclipsamiento de los grupos CH2 adyacentes.

Conformaciones del ciclohexano

Conformación de bote del ciclohexano

 La conformación de barca simétrica del ciclohexano, el eclipsamiento de los enlaces da lugar a tensión torsional. En la molécula representada, la barca se retuerce y se forma la barca torcida, una conformación con los enlaces menos eclipsados y con menor interacción entre los dos hidrógenos mástil.

Ciclohexano

Conformación tipo “bote” simétrico

Conformaciones del ciclohexano

-El análisis conformacional del ciclohexano indica que las barreras del potencial son mayores y por lo tanto les podemos medir fácilmente en comparación con las otras familias.
-El confórmero silla es el más estable.
-Las otras conformaciones bote y twist (bote retorcido) son menos estables