3. alcanos
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3.-ALCANOSEstructura electrónica del Carbono. El átomo de carbono posee un total de seis electrones, los que están dispuestos en diferentes orbitales atómicos, como se muestra en el diagrama de energías:  Diagrama Nº1 Los alcanos y la hibridación sp3. Cuando el átomo de carbono va a formar parte de una molécula utilizando su saturación máxima, uno de los electrones del orbital atómico 2s, salta al orbital 2pz que está vacío. Este salto tiene por supuesto un costo en energía, el cual es compensado sobradamente con la energía que es liberada al formar el enlace entre uno de estos nuevos orbitales híbridos sp3 del carbono y el orbital del otro átomo. Por ejemplo C-C o C-H. Así, todos los orbitales del nivel 2 quedan con un electrón cada uno. Y en ese momento al combinarse entre sí, dan origen a cuatro orbitales híbridos.  Diagrama Nº2 Estos 4 orbitales sp3 tienen un electrón cada uno, son equivalentes en energía y esta es menor que la de los orbitales 2p no hibridizados.  Figura Nº1 Cada átomo de carbono así hibridizado, puede formar cuatro enlaces sigma covalentes con otros cuatro átomos. Para el caso de los alcanos estos cuatro átomos pueden ser del tipo hidrógeno o carbono. El enlace (C-H) Hay un principio fundamental en física que dice que si se combinan n orbitales atómicos de diferentes átomos, se obtiene como resultado n orbitales moleculares. Según este mismo principio, si se combina un orbital sp3 de un carbono y el orbital 1s de un átomo de hidrógeno, aportando cada uno de ellos un electrón, deberán obtenerse dos orbitales moleculares sigma . Uno de ellos es -enlazante y el otro *-antienlazante. Vea el diagrama Nº3.  Diagrama Nº3 El enlace (Ca-Cb) El enlace sigma entre dos átomos de carbono se forma por combinación de dos orbitales atómicos sp3 híbridos del carbono, con un solo electrón cada uno. Como en el caso anterior esta combinación de dos orbitales atómicos diferentes A y B, produce dos orbitales moleculares. Uno de ellos es a,b enlazante y el otro *a,b antienlazante. Los dos electrones aportados por cada átomo van a ocupar el orbital enlazante que es el de menor energía entre los dos orbitales moleculares.  Diagrama Nº4 En ambos casos examinados, los orbitales moleculares enlazantes (los de menor energía) se forman liberando energía. En general, la formación de un enlace es un proceso exotérmico. ¿Cuales son las características físicas de los enlaces C-C y C-H en los alcanos? (C-H): Energía = 98 - 103 Kcal/mol Largo = 1,2 x 10-8 cm. (c-c) Energía= 83 Kcal/mol Largo = 1,54 x 10-8 cm. Ángulo C-C-C 109º LOS ALCANOS SU ORIGEN Y SUS PROPIEDADES FÍSICASLos alcanos son moléculas que contienen solo carbono e hidrógeno. Su fórmula general corresponde a CnH2n+2 para moléculas lineales y CnH2n si posee un anillo en su estructura (alicíclicas y cíclicas) Propiedades físicas: Los alcanos son un constituyente importante de la composición del petróleo. Su densidad es menor que la del agua (Entre 0,5 g/mL y 0,8 g/mL.) Son insolubles en solventes polares como el agua. Sus puntos de fusión como también los de ebullición aumentan gradualmente con su peso molecular. Las moléculas que contienen hasta cuatro átomos de carbono son gases, desde cinco hasta catorce carbonos son líquidos y desde quince para arriba son sólidos. NOMENCLATURA (IUPAC) En el siglo XIX, se acostumbraba a denominar las moléculas orgánicas sin seguir regla alguna, pero, se les nombraba ya sea según su origen o se les colocaba el nombre del investigador que lo descubría etc. Por ejemplo, se llamaba limoneno a una sustancia que era extraída del limón, a una sustancia que se extraía de los pinos se le llamaba pineno, etc. A pesar de que estos nombres se conservan hoy en día, solo son útiles para los especialistas. Una nomenclatura así, como se comprenderá resulta ser poco práctica y muy difícil de asimilar. Esta fue una de las razones que justificó la necesidad de crear una nomenclatura sistemática que reflejara las características estructurales de las moléculas. Así, dado un nombre, estas normas deberían ser capaces de permitirnos escribir sin duda alguna, la estructura del compuesto y dada una estructura, escribir correctamente su nombre. Las reglas que rigen la nomenclatura fueron establecidas como iniciativa de una sociedad de químicos que hasta hoy sesiona periódicamente en distintos lugares del mundo, llamada Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, (IUPAC) El nombre de cualquier compuesto químico, está formado por tres partes: ABC El prefijo A, representa todo lo relativo a los sustituyentes. B representa la cadena o esqueleto principal, y el sufijo C está relacionado a la familia química a la cual pertenece el compuesto. REGLAS DE NOMENCLATURA PARA LOS ALCANOS1.- ALCANOS DE CADENA ABIERTA: REGLA Nº 1.-En el caso de los alcanos lineales, a los cuatro primeros miembros se les da el nombre arbitrario que sigue:
Tabla Nº1 Estos compuestos, al igual que el resto de los hidrocarburos saturados, tienen el sufijo ANO que corresponde a la parte C del nombre de la molécula. Los restantes miembros de esta familia de los alcanos lineales poseen en su nombre un prefijo numérico que indica el número de átomos de carbono en la cadena principal.
Tabla Nº2 Entre un miembro y otro de la familia hay una diferencia de un CH2. Los compuestos que muestran esta característica forman lo que se le llama Serie Homóloga. regla nº 2.- Para el caso de los alcanos ramificados, el cuerpo principal de la molécula será la cadena de átomos de carbono más larga y continua. Esta cadena le dará el nombre al hidrocarburo, según la regla Nº1.  Estructura Nº1 Aquí la molécula (A) tiene una cadena que es la más larga y continua con seis átomos de carbono, por lo tanto, es un hexano sustituido y el grupo -CH3 que aparece como ramificación es un ejemplo de sustituyente. REGLA Nº 3.- La cadena principal debe numerarse partiendo del extremo más cercano al sustituyente, asegurando de ese modo que la ramificación reciba la numeración más baja posible.  De esta forma, la ramificación del ejemplo se localiza en la posición 3 de la cadena principal. REGLA Nº 4.- Los sustituyentes, que constituyen las ramificaciones de la cadena principal, se nombran, reemplazando la terminación ANO del nombre del alcano de igual número de átomos de carbono, por la terminación il o ilo. Todos se unen al cuerpo principal de la molécula a través de su valencia libre que se obtiene sacando un protón al hidrocarburo lineal respectivo.
Tabla Nº3 Si el sustituyente tiene más de dos átomos de carbono, entonces este compuesto debe poseer más de un tipo de hidrógeno removible. Así por ejemplo: en el caso del propano y del butano    (Sec-butil) Tabla Nº4 REGLA Nº 5.- En los sustituyentes, para los propósitos de numeración, siempre el carbono uno es el de la valencia libre, desde ahí se continúa la numeración a través de la cadena más larga del sustituyente. Todo sustituyente debe poseer de esta manera una cadena principal, la que, al igual que los alcanos ramificados, se usa para asignarle su nombre, la que terminará en il o ilo.  Estructura Nº2 REGLA Nº 6.- Los nombres que aparecen entre paréntesis como isopropil, isobutil, sec-butil, etc., son nombres no sistemáticos. No respetan las reglas de la IUPAC, sin embargo, son reconocidos como válidos (hasta estructuras de seis átomos de carbono) porque su uso está muy difundido en la literatura. Otros ejemplos de esta nomenclatura no sistemática se dan más abajo.  Tabla Nº5 En el último ejemplo puede observarse que el sustituyente neopentil tiene sobre el carbono 2 en su cadena principal (propil) dos grupos metilo. Esto se debe poner de manifiesto en su nombre, repitiendo el número que representa la posición que ocupan los grupos metilo en la cadena principal y además hay que anteponer el prefijo numérico di para indicar también que el sustituyente metil está repetido dos veces. Esto es aplicable también a los alcanos ramificados como se puede leer en la siguiente regla. REGLA Nº 7.- Según lo citado, cuando un sustituyente se encuentra repetido en la cadena principal del alcano, deben anteponerse los números de posición de cada uno de los sustituyentes y según cuantas veces este repetido, usar un prefijo numérico delante del nombre del sustituyente. Este prefijo será según se trate de un sustituyente simple o lineal: di para dos, tri para tres, tetra para cuatro, etc. Cuando el sustituyente que se repite tiene ramificaciones, este es un sustituyente complejo y el prefijo será en este caso bis para dos, tris para tres, tetrakis para cuatro, etc.
Tabla Nº6 Ejemplo:  Estructura Nº3 Nótese que los números se separan entre sí por comas y a su vez los números se separan de las palabras por guiones. Esta regla es siempre válida, no importando si los sustituyentes son iguales o diferentes. Véase el nombre de la estructura Nº3.  Estructura Nº4 Cuando los sustituyentes son diferentes, se les nombra ordenándolos en orden alfabético, tomando para ello la primera letra del nombre, sin considerar el prefijo numérico si es simple o lineal. Pero si el sustituyente es complejo, o tiene ramificaciones, deberá considerarse la primera letra del nombre incluyendo en este caso el prefijo numérico. Así, por ejemplo, en el nombre completo del compuesto químico, el sustituyente butilo se colocará antes que el etilo, y ambos antes que el metilo o el propilo, etc.  Estructura Nº5 REGLA Nº 8.-Cuando hay más de una cadena principal de igual longitud, se debe escoger como tal aquella que tenga el mayor número de sustituyentes y asi darle el nombre al compuesto.  Estructura Nº6 2.-ALCANOS CÍCLICOS REGLA Nº 9.- El primer miembro de esta serie, es un anillo de tres átomos de carbono. Para nombrarlos, se les considera como parientes del alcano lineal de igual número de átomos de carbono, anteponiéndole a ese nombre el prefijo ciclo,   Estructura Nº7  Estructura Nº8 REGLA Nº10.- Los sustituyentes cíclicos que se derivan de cicloalcanos no sustituidos se nombran al igual que los sustituyentes de alcanos abiertos, reemplazando la terminación ANO por il o ilo. Así por ejemplo:  Estructura Nº9 REGLA Nº11.- Si un cicloalcano posee un sustituyente, este debe ser nombrado en primer lugar sin indicar su número de posición.  Estructura Nº10 Si en el anillo hay más de un sustituyente, entonces se les ordena alfabéticamente, asignándole al primero la posición número uno en el anillo. La numeración en el anillo continúa en el sentido de darle la más baja posible al resto de los sustituyentes.  Estructura Nº11 3.-ALCANOS BICÍCLOS Esstos compuestos se caracterizan por tener dos anillos con un lado común. A los átomos de carbono que son también comunes a ambos anillos se llama cabeza de puente.  Figura Nº2 REGLA Nº 12.- Los biciclos se numeran partiendo siempre desde una cabeza de puente, la que se indica como la posición número uno, cubriendo luego, en primer lugar, la cadena de mayor longitud hasta la otra cabeza de puente, luego se prosigue con el puente que sigue en longitud volviendo a la cabeza de puente de donde se partió. Finalmente, se cubre el puente menor restante. El sentido de la numeración dependerá de los sustituyentes presentes en la molécula. Debe respetarse siempre la jerarquía creada por la longitud de los puentes, aun cuando por ejemplo, haya una instauración (doble o triple enlace) o no haya sustituyentes en el puente mayor. Ejemplo:  Estructura Nº12  |
