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Química Orgánica Alcanos Susana Hernández Niño Profesora Asistente

Alcanos 1. 2. 3. 4. 5.

Propiedades Reactividad Usos Estructura e isomerismo Nomenclatura Alcanos sin ramificar Grupos alquilo Clasificación de los átomos sp3 Alcanos ramificados 7. Análisis conformacional 8. Cicloalcanos Isómeros cis y trans 9. Anillos policíclicos

Lecturas sugeridas (Wade): Capítulo 3

Propiedades Hidrocarburo: molécula con únicamente enlaces C—C y C—H. Alcano: hidrocarburo con únicamente enlaces sencillos.

CnH2n + 2 Fórmula general: (sp3, ángulos de enlace 109.5o, enlaces ) C11H24

Hidrocarburos Alifáticos: “Alifático” - (G. aleiphar, grasa, aceite. Grasas saturadas y grasas insaturadas). 1. Hidrocarburo saturado: - máximo número de enlaces C—H. H2, cat.

2. Hidrocarburo insaturado: H2, cat.

no reacciona

Clasificación de los Hidrocarburos HIDROCARBUROS

SATURADOS

Alcanos

INSATURADOS

Alquenos

Alquinos

AROMATICOS

Arenos

Reactividad • Enlaces C-C, C-H muy estables • Sin grupo funcional • Generalmente no reaccionan

Pero pueden sufrir las siguientes reacciones: 1. Halogenación CH4

+ Cl2

h

CH3Cl + HCl

2. Combustión CH4

+ 2O2

CO2 + 2H2O + calor

Usos 1. Fuentes de energía, combustibles (gas natural & petróleo) CH4

C 3 - C4

Metano = constituye el 75% del gas natural. Su combustión es “limpia”. Han reemplazado a los freones (clorofluoroalcanos), propelentes en los envases de aerosoles.

C5 - C8

Son los constituyentes principales de la gasolina.

2. Partes de otras moléculas • Ceras (ésteres de cadena larga). • Lípidos (grasas, forma principal de almacenar energía en el cuerpo).

“quemar grasa” - convierte alcano a CO2 (exhala) y H2O (orina) se liberan 9 kcal por gramo de grasa

Estructura # de Carbonos

CnH2n+2

1

CH4

2

C2H 6

3

C3H 8

4

C4H10

5

C5H12

Estructura

alcanos sin ramificar = “n” (normales)

alcanos ramificados

isómeros constitucionales

Nomenclatura de Alcanos no Ramificados Prefijo numérico + sufijo Alcano: sufijo “-ano”

CnH2n+2

n-alcano

CnH2n+2

n-alcano

CH4 C2H6 C 3H 8 C4H10 C5H12 C6H14

metano etano propano butano pentano hexano

C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26

heptano octano nonano decano undecano dodecano

(Ver Anexo)

Grupos Alquilo Grupo alquilo: son unidades estructurales que carecen de uno de los hidrógenos de un alcano. • Grupos alquilo no ramificados “pentilo” pentano al que se le ha quitado un hidrógeno

Para nombrarlos: reemplace la terminación “-ano” por “-ilo” Ejemplos:

metilo

n-propilo

Nomenclatura de Alcanos no Ramificados CnH2n+2

n-Alcano

CH4 C 2H 6 C 3H 8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26

metano etano propano butano pentano hexano heptano octano nonano decano undecano dodecano

Sustituyente Alquilo Nombre del Grupo -CH3 (-Me) -C2H5 (-Et) -C3H7 (-n-Pr) -C4H9 (-n-Bu) -C5H11 -C6H13 -C7H15 -C8H17 -C9H19 -C10H21 -C11H23 -C12H25

metilo etilo propilo butilo pentilo hexilo heptilo octilo nonilo decilo undecilo dodecilo

(Ver Anexo)

Clasificación de los Átomos sp3 Teniendo en Cuenta la Conectividad • C sp3 por conectividad C-C

carbono primario (1º)

carbono secundario ( 2º)

carbono terciario (3º)

carbono cuaternario (4º)

• Alcoholes y haluros de alquilo por conectividad C-C

alcohol primario (1º)

alcohol secundario (2º)

alcohol terciario (3º) X = F, Cl, Br, I

haluro (1º)

haluro (2º)

haluro (3º)

Clasificación de los Átomos sp3 Teniendo en Cuenta la Conectividad • H por conectividad C-C

hidrógenos primarios (1º)

hidrógenos secundarios (2º)

hidrógeno terciario (3º)

• C sp3 por conectividad C-H

metano

metilo

metileno

metino

• N sp3 por conectividad C-N

amina 1o

amina 2o

amina 3o

ión amonio 4o

Clasificación de Átomos Ejemplos:

carbono 2o, metileno

carbono 1o, metileno Haluro 1o

hidrógenos 2o hidrógenos 1o

Nomenclatura de los Grupos Alquilo Ramificados iso

neo

isopropilo

neopentilo

isobutilo

neohexilo

Prefijo iso (i): Prefijo neo: Prefijo sec: Prefijo terc (t):

sec

sec-butilo

terc

terc-butilo

terc-pentilo

2 grupos metilo en el extremo de una cadena. 3 grupos metilo en el extremo de una cadena. valencia abierta en carbono secundario. valencia abierta en carbono conectado a otros 3 átomos de carbono (terciario).

‘R’ ‘R’: grupo genérico (el resto de la molécula) Ejemplos:

Análisis Conformacional: Lo Fundamental • Análisis conformacional: estudio de los cambios de energía de diferentes conformaciones. • Conformaciones: estructuras relacionadas mediante la rotación de enlaces sencillos; generalmente interconvertibles a temperatura ambiente. • Confórmero: conformación con energía potencial mínima. • Proyecciones de Newman Representaciones de la observación de una molécula a lo largo del enlace que conecta dos átomos de carbono carbono de atrás carbono frontal  = ángulo diaedral Barrera de rotación: energía torsional, energía necesaria para rotar un enlace. Barrera de rotación = Erel (confórmero de mayor E - Erel (confórmero de menor E)

Análisis Conformacional: Lo Fundamental Etano

escalonada  = 60o Erel = 0 kcal/mol

eclipsada  = 0o Erel = 3.0 kcal/mol

Barrera de rotación = 3.0 - 0 = 3.0 kcal/mol

H/H-eclipsados = 1.0 kca/mol

Propano

escalonada  = 60o Erel = 0 kcal/mol

eclipsada  = 0o Erel = 3.4 kcal/mol

Barrera de rotación = 3.4 - 0 = 3.4 kcal/mol

H/Me-eclipsados = 1.4 kca/mol

• La barrera de rotación del propano es un poco más alta porque hay repulsión electrónica entre el grupo metilo y el átomo de hidrógeno en la conformación eclipsada.

Análisis Conformacional: Lo Fundamental Butano

totalmente elclipsada Me/Me = 0o Erel = 4.6 kcal/mol

gauche Me/Me = 60o Erel = 0.9 kcal/mol

eclipsada

anti

Me/Me = 120o Erel = 3.8 kcal/mol

Me/Me = 180o Erel = 0 kcal/mol

Barrera de rotación = 4.6 - 0 = 4.6 kcal/mol Me/Me-eclipsados = 2.6 kcal/mol Interacción gauche = 0.9 kcal/mol

Números para mantener presente H/H-eclipsados = 1.0 kcal/mol H/Me-eclipsados = 1.4 kcal/mol Me/Me-eclipsados = 2.6 kcal/mol Interacción gauche = 0.9 kcal/mol

La interacción Me/Me es mayor (impedimento impedimento estérico) estérico

H/H

H/Me

Me/Me

Cicloalcanos • Son alcanos que contienen anillos de átomos de carbono. • Se caracterizan por tener la fórmula molecular general CnH2n.

ciclopropano C 3H 6

ciclobutano ciclopentano cilohexano C 4H 8 C5H10 C6H12 Conformaciones: (adoptadas por pseudorotacion de los enlaces)

eclipsada

hidrógenos ecuatoriales

plegada

semisilla hidrógenos axiales

Cicloalcanos Disustituidos: Estereoisómeros • Cuando un cicloalcano lleva dos sustituyentes en distintos carbonos, estos sustituyentes pueden estar del mismo lado o en lados opuestos del anillo: • cis = los sustituyentes están al mismo lado. • trans = los sustituyentes están en lados opuestos.

cis-1,2-dimetilciclopropano

trans-1,2-dimetilciclopropano

• Las formas cis y trans son estereoisómeros (isómeros que tienen sus átomos enlazados en el mismo orden (igual conectividad) pero difieren de la disposición de los átomos en el espacio.

cis-1,4-dimetilciclohexano

trans-1,4-dimetilciclohexano

Anillos Policíclicos 1. Anillos fusionados

2. Anillos con puente de carbono

cis-decalina

biciclo[2.2.1]heptano

3. Espiranos (son raros) trans-decalina

biciclo[4.4.0]decano

• Nomenclatura:

espiro[4.4]nonano

a. Prefijo = biciclo o espiro b. [número] = número de carbonos situados entre las cabezas de puente, en orden descendiente c. Sufijo = número total de átomos de carbonos -ano

Elementos de Insaturación en los Hidrocarburos • A un alqueno, se le dice que es insaturado porque puede adicionar hidrógeno en presencia de un catalizador. El producto, un alcano, se denomina saturado porque no puede reaccionar con más hidrógeno.

 Alqueno

+

Pdo



 +



Hidrógeno

Alcano

Pdo

no reacciona

Elementos de Insaturación en los Hidrocarburos • La presencia de un enlace  en un alqueno (o en un alquino) o el anillo de un compuesto cíclico hace que el número de átomos de hidrógeno en una fórmula molecular sea menor. Estos hechos estructurales se conocen como elementos de insaturación.

Propano, C3H8 saturado

Propeno, C3H6

Propino, C3H4

un elemento de insaturación

dos elementos de insaturación

Ciclopropano, C3H6 un elemento de insaturación

Un doble enlace = un elemento de insaturación Un triple enlace = dos elementos de insaturación Un anillo = un elemento de insaturación

Elementos de Insaturación en los Hidrocarburos

C5H12

C5H10

C5H10

Alqueno saturado Fórmula general CnH2n+2 Pérdida de 2 átomos de hidrógeno, por lo que tienen un elemento de insaturación

Cuando se quiere deducir una estructura a partir de una fórmula molecular determinada es de ayuda, para encontrar los elementos de insaturación, el cálculo de los átomos de hidrógeno de la fórmula saturada CnH2n+2 , y la comparación con los de la fórmula dada, para ver el número de hidrógenos de diferencia. El número de elementos de insaturación es la mitad del número de hidrógenos que faltan.

Cálculo del Número de Elementos de Insaturación Dada la fórmula molecular de un compuesto: 1. Determine el número de hidrógenos como si el compuesto fuera saturado. 2. Determine el número de hidrógenos faltantes, restando el número de hidrógenos indicados en la fórmula y divida por dos(2). El resultado es el número de elementos de insaturación del compuesto.

Ejercicio:

Calcule el número de elementos de insaturación que hay en la fórmula C8H14.

1.Número de hidrógenos como si = fuera saturado 2.Número de hidrógenos faltantes = elementos de insaturación

=

2n + 2 = 2(8) + 2 = 18 (18 – 14)/2 = 2

Rta: 2 elementos de insaturación

Elementos de Insaturación con Heteroátomos • La regla para calcular los elementos de insaturación en los hidrocarburos se puede ampliar para incluir los heteroátomos (átomos diferentes al carbono e hidrógeno). • Halógenos: Cada átomo de halógeno sustituye a un átomo de hidrógeno en la fórmula molecular, es decir, la fórmula C3H8 es saturada, por lo que la fórmula C3H6Br2 también lo es. Ejemplo: C5H9BrF2

saturado

C5H7Br3

un elemento de insaturación

C5H7Br3

un elemento de insaturación

Cuando se calcula el número de elementos de insaturación, hay que contar los halógenos como átomos de hidrógeno.

Elementos de Insaturación con Heteroátomos • Halógenos: Los halógenos reemplazan hidrógenos, por tanto, súmelos al número de hidrógenos. • Oxígeno:

No cambia la relación carbono-hidrógeno, por tanto, ignórelos en la fórmula.

• Nitrógeno: Es trivalente, por tanto, cada átomo de nitrógeno en la fórmula debe contarse como medio átomo de carbono. Ejemplo:

Calcule el número de elementos de insaturación para un compuesto con fórmula molecular C6H3NClBr.

1.Número de hidrógenos como si = fuera saturado 2.Número de hidrógenos faltantes = elementos de insaturación

=

2n + 2 = 2(6.5) + 2 = 15 (15 – 5)/2 = 5

Rta: 5 elementos de insaturación

Elementos de Insaturación: Ejercicios Ejercicio:

Calcule el número de elementos de insaturación que hay en las siguientes fórmulas y proporcione dos posibles estructuras que pueda tener el compuesto de la fórmula. 1. C9H12 2. C10H16O2 3. C14H20O4 4. C7H16N2 5. C12H7N3BrCl 6. C10H15F3