Química Orgánica Tema 1. Alcanos 1 www.sinorg.uji

1 Qu mica Org nica Tema 1. Alcanos 1. Tema 1. Alcanos . Estructura. Nomenclatura. Reacciones de los Alcanos . Halogenaci n. Estabilidad de los radicales libres y de otros intermedios de reacci n (carbocationes y carbaniones). Oxidaci n de Alcanos : combusti n. El petr leo como fuente de Alcanos . Craqueo. Alcanos . Los Alcanos son compuestos con f rmula molecular CnH2n+2. El hidrocarburo m s simple es el metano CH4 (n=1). Los hidrocarburos de cadena lineal se denominan hidrocarburos normales. Los cuatro primeros miembros de la familia de hidrocarburos lineales son los siguientes: H H H H H H H H H H.

2 H C H H C C H H C C C H H C C C C H. H H H H H H H H H H. metano etano propano butano Existe un nico hidrocarburo con la f rmula molecular CH4, uno s lo con la f rmula molecular C2H6 (el etano), uno s lo con la f rmula molecular C3H8 (el propano), pero sin embargo existen dos Alcanos con la f rmula molecular C4 H10: el butano y el 2-metilpropano: CH3. CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3. butano 2-metilpropano Dos compuestos qu micos diferentes con la misma f rmula molecular se denominan is meros. El n mero de Alcanos isom ricos aumenta al aumentar n mero de tomos de carbono.

3 En la tabla se indican los puntos de fusi n y de ebullici n, as . como el n mero de is meros de algunos Alcanos de cadena lineal. Hidrocarburos normales (cadena lineal). N de carbonos F rmula Nombre N total de C C. is meros 1 CH4 metano 1 -162 -183. 2 C2H6 etano 1 -89 -172. 3 C3H8 propano 1 -42 -187. 4 C4H10 butano 2 0 -138. 5 C5H12 pentano 3 36 -130. 6 C6H14 hexano 5 69 -95. 7 C7H16 heptano 9 98 -91. 8 C8H18 octano 18 126 -57. 9 C9H20 nonano 35 151 -54. 10 C10H22 decano 75 174 -30. 11 C11H24 undecano 196 -26. 12 C12H26 dodecano 216 -10. 20 C20H42 eicosano 366319 334 +36.

4 30 C30H62 tricontano 446 +66. Qu mica Org nica Tema 1. Alcanos 2. Estructura. El alcano m s simple es el metano CH4. Desde el siglo pasado se hab a demostrado mediante hechos experimentales que la estructura del metano ten a una forma tetra drica. Sin embargo, la justificaci n de esta estructura no pudo hallarse hasta el desarrollo de la teor a mecanocu ntica entre los a os 1920 y 1930. Un tomo de carbono en su estado fundamental tiene dos electrones desapareados. energ a creciente 2p n=2. 2s n=1 1s estado electr nico fundamental del carbono Se deber a esperar que en lugar de formar CH4, el carbono se uniera s lo a dos tomos de hidr geno y formara CH2, dejando vac o un orbital 2p.

5 El CH2 es una especie qu mica conocida, llamada carbeno, pero es una sustancia muy reactiva y de tiempo de vida media muy corto. Por adici n de 96 kcal/mol de energ a a un tomo de carbono, uno de los electrones 2s puede promocionarse hasta alcanzar el orbital vac o 2p, dando lugar a la configuraci n electr nica indicada a continuaci n: energ a creciente 2p n=2. 2s n=1 1s estado electr nico del tomo de carbono excitado Al promocionar un electr n desde el orbital 2s al 2p el tomo de carbono tiene Qu mica Org nica Tema 1. Alcanos 3. disponibles cuatro electrones para formar cuatro enlaces covalentes y de esta forma puede conseguir la configuraci n electr nica de gas noble.

6 La formaci n de un enlace covalente produce un descenso de energ a en el sistema. Por ejemplo, la formaci n de un enlace C-H produce un descenso de energ a de 87 kcal/mol. Por tanto la formaci n de dos enlaces covalentes m s en el tomo de carbono provoca un descenso de 174 kcal/mol de energ a que compensa sobradamente los 96 kcal/mol que se requieren para promover al tomo de carbono desde el estado fundamental al estado excitado. Este razonamiento explica por qu el tomo de carbono tiende a ser tetravalente en lugar de divalente. Sin embargo, no explica la forma tetra drica de la mol cula de metano.

7 Si admitimos que el tomo de carbono en la mol cula de metano participa con el orbital 2s y los tres orbitales 2p, hay que concluir que se formar an tres enlaces covalentes por solapamiento C2p-H1s , y el cuarto enlace covalente se formar a por solapamiento C2s -H1s . Esto significar a que tres de los ngulos H-C-H ser an de 90 , y los otros quedar an indeterminados. H. H C H. orbitales 1s y 2p del tomo de carbono H. Estructura que deber a presentar el metano si los orbitales enlazantes no est n hibridizados El sistema de un orbital 2s y tres orbitales 2p, mutuamente perpendiculares, es una soluci n satisfactoria aproximada para la ecuaci n de Schroedinger para la capa n=2, pero pueden formularse combinaciones lineales de estos cuatro orbitales que tambi n sean soluciones satisfactorias para la ecuaci n de Schroedinger.

8 Matem ticamente est permitido combinar los orbitales 2s y 2p de cualquier modo, con la condici n de que en la formaci n de los cuatro orbitales nuevos se empleen exactamente un orbital s y tres p. Una forma de llevar a cabo tal combinaci n consiste en formar cuatro orbitales nuevos, cada uno de los cuales tiene de car cter s y de car cter p. Los cuatro orbitales h bridos son entonces equivalentes entre s y, teniendo en cuenta que contienen triple car cter p que s, se les denomina h bridos sp3. El contorno de densidad electr nica de un orbital sp3 presenta dos l bulos, como un orbital p, pero en este caso los l bulos son bastante desiguales en tama o.

9 Qu mica Org nica Tema 1. Alcanos 4. diagrama de contorno de densidad electr nica de un orbital h brido sp3. Para formar un enlace fuerte es necesario que los electrones est n situados entre los n cleos de los tomos. Un orbital sp3 puede situar mucha m s densidad electr nica, en una direcci n determinada, que la que sit a un orbital s o un orbital p. Por consiguiente, un enlace covalente que se forme con la participaci n de un orbital sp3 del tomo de carbono ser m s fuerte que un enlace covalente en el que participe un orbital p o un orbital s. La energ a de un enlace covalente que se forma mediante el solapamiento entre el orbital h brido sp3 del carbono y el orbital 1s del hidr geno es de 103 kcal/mol, mientras que los enlaces covalentes correspondientes C2p-H1s y C2s -H1s tienen una energ a de 60 kcal/mol y 80 kcal/mol.

10 Los cuatro orbitales h bridos sp3 del carbono se sit an en direcciones tales que forman entre ellos ngulos de , como si se dirigieran hacia los v rtices de un tetraedro regular. Densidad electr nica alrededor de un tomo de carbono con hibridaci n sp3. La densidad electr nica total es esf rica Los orbitales h bridos sp3 dan la mejor explicaci n para la formaci n de enlaces en los hidrocarburos saturados porque el tomo de carbono tiene la misma energ a, tanto si est hibridizado como si no lo est , pero la configuraci n hibridizada puede formar enlaces m s fuertes.