GUÍA DE HIDROCARBUROS ALIFATICOSGRADO 11

LA UNIÓN DEL CARBONO CON HIDROGENO (HIDROCARBUROS):

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos binarios constituidos solamente por carbono C e hidrogeno H. Su formula general es R- H.Estos compuestos se pueden clasificar de acuerdo a su estructura y comportamiento químico. Según su estructura pueden ser:

* Hidrocarburos de cadena abierta: son cadenas de átomos de carbono unidos cada uno a otros carbonos. Si se unen a dos carbonos únicamente, son llamados lineales, y si en la cadena hay carbonos unidos a 3 o 4 carbonos, son llamadas ramificadas.* Hidrocarburos de cadena cerrada: están formados por cadenas de átomos que se cierra formando uno o más anillos o ciclos con tres o más carbonos. Pueden ser carboxílicos si están formados únicamente por carbono, alicíclicos si tienen propiedades parecidas a los compuestos de cadena abierta, y aromáticos si tienen anillos de seis carbonos con dobles enlaces alternados y con propiedades físicas y químicas especiales.

Hidrocarburos saturados o ALCANOSEn los alcanos los carbonos están unidos por enlaces covalentes sencillos. Se les conoce también con el nombre de parafinas. Estos compuestos poseen hibridación sp3 ,y de acuerdo a la cantidad y posición de sus átomos, se determinó su formula general: (CnH2n+2) en donde n es el número de carbonos. Para un compuesto con 4 carbonos sería: C4H10

* NOMENCLATURALos compuestos orgánicos pueden expresarse en forma abreviada o desarrollada, es decir, representar cada una de las uniones, o simplemente escribir la relación entre los átomos.

Los alcanos y en general los compuestos orgánicos se nombran teniendo en cuenta el número de carbonos de la cadena, y sabiendo que existen compuestos orgánicos ramificados. Para conocer la nomenclatura de los compuestos se tiene en cuenta la tabla 2.Existen unas reglas básicas que permiten nombrar los compuestos orgánicos en general:

. Si no son ramificadas sólo basta con utilizar el prefijo de acuerdo al número de átomos con la terminación ano.

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 Pentano

. Si la estructura del compuesto es ramificada se siguen algunos pasos:

* Se localiza la cadena continua más larga de átomos de carbono, aunque se presente en línea quebrada. Ésta va a determinar el nombre principal del compuesto.

H

C

H

H H

CH3 – CH2 –CH2 - CH – CH2 – CH3

CH3

La cadena más larga tiene seis átomos de carbono por lo que se llama, Hexano.* Se numera la cadena más larga empezando por el extremo más cercano a la ramificación:

* Se utilizan los números anteriores para indicar la posición de los radicales en la cadena principal. El nombre base del alcano se pone en ultimo lugar, y el grupo sustituyente se nombra por el número de átomos que tenga con la terminación il después del número del carbono en el que se encuentra ubicado.

* Cuando existen dos o más radicales estos se nombran en orden de complejidad: primero el de menor número de átomos de carbono y así sucesivamente hasta el más grande; otra forma de nombrarlos es alfabéticamente.* Cuando hay dos o más radicales de la misma clase, se indica el número de veces que se encuentra usando prefijos di, tri, tetra delante del número de los carbonos donde se encuentre.

Cuando hay dos cadenas de la misma longitud, y se pueda tomar cualquiera como cadena principal, se elige la que tenga mayor número de sustituyentes.

N0 DE C PREFIJO ALCANO ALQUENO ALQUINO

CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH2 – CH3

6 5 4 3 2 1

CH3

CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH2 – CH3

6 5 4 3 2 1

CH3 radical metil

3 – metil, hexano

CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH2 – CH3

6 5 4 3 2 1

CH3 CH3 3,5 – dimetil hexano

1234567891011121920213040

100

MetEtPropButPentHexHeptOctNonDecUndecDodecNonadecEicosHeneicosTriacontTretracontHectan

MetanoEtanoPropanoButanoPentanoHexanoHeptanoOctanoNonanoDecanoUndecanoDodecanoNonadecanoEicosanoHeneicosanoTriacontanoTetracontanoHectano

EtenoPropenoButenoPentenoHexenoHeptenoOctenoNonenoDecaenoUndecaenoDodecaenoNonadecaenoEicosenoHeneicosenoTriacontenoTetracontenoHecteno

EtinoPropinoButinoPentinoHexinoHeptinoOctinoNonainoDecainoUndecainoDodecainoNonadecainoEicosinoHenelCosinoTriacontinoTetracontinoHectino

PROPIEDADES FISICAS

* Propiedades físicas: estas propiedades tanto para los alcanos como para la mayoría de compuestos orgánicos dependen de su estructura. Sus moléculas presentan enlaces covalentes y están constituidos por elementos que tienen electronegatividades relativamente iguales.Los puntos de ebullición (temperatura a la que un líquido pasa a gas) y puntos de fusión (temperatura a la que un sólido pasa a líquido), aumentan al aumentar el número de carbonos de su estructura; Los primeros cuatro compuestos son gases: hasta ocho carbonos son líquidos y de ahí en adelante son sólidos.Los alcanos son los compuestos menos densos de todas las moléculas orgánicas, tienen densidad menor a la del agua; sin embargo, ésta también aumenta con el número de carbonos de la estructura.Son solubles solamente en compuestos de baja polaridad; benceno, cloroformo y éter.

* Propiedades químicas: los alcanos tienen baja reactividad comparándola con otros hidrocarburos, debido a que sus moléculas están formadas por enlaces sigma difíciles de romper, sin embargo, ésta depende del reactivo que se elija para la reacción y de los catalizadores.

Industrialmente los alcanos se obtienen del petróleo como fuente principal, y de la descomposición de seres durante miles de años.

Obtención: Para preparar un alcano en el laboratorio es necesario utilizar un método por el cual se obtenga un compuesto con la pureza necesaria y con alto rendimiento. En la siguiente tabla se especifican algunos de esos métodos.

TABLA 6.

REACCIONES DE OBTENCION EJEMPLOSHidrogenación de alquenos

Alqueno alcanoH2

- C = C - - C – C –Cada barra significa un hidrógeno

Reducción de halogenuros de alquiloHalogenuro + hidrácido + zinc alcano + ZnX2

CH3 – CH2 – Cl + HCl + Zn CH3 – CH3 + ZnCl2

Reduccion de Wurtz2 (halogenuros de alquino) + 2 sodio

alcano con el doble C + 2 cloruro de sodio

2(CH3 – CH2 – Cl) + Na CH3 – CH2 CH2 – CH2 + 2NaCl

En la siguiente tabla se describen algunas de las reacciones que pueden sufrir los alcanos.

TABLA 7.

REACCIONES CARACTERISTICAS EJEMPLOSCombustión n CH4 + O2 n CO2 + energía

CH3 – CH3 + O2 2CO2 + energía

Halogenación luz UV Alcano + halógeno calor halogenuro + HX

CH3 – CH3 + Cl2 CH3 – CH2 + Cl + HCl

Nitración Alcano + ácido nítrico R – NO2 + H2O

CH3 – CH3 + HNO3 CH3 – CH2 - NO2 + H2O

Los cicloalcanos son compuestos saturados que se unen cíclicamente formando anillos. Su fórmula general es CnH2n- Estos compuestos se nombran de forma similar a los alcanos pero se utiliza el prefijo ciclo, y cuando hay sustituyentes se nombran indicando el carbono en el que se encuentren, y si hay más de un anillo se nombra bi-ciclo. Sus propiedades varían frente a la de los alcanos de cadena abierta, ya que las temperaturas de fusión y ebullición aumentan en aproximadamente 10° C.

Hidrocarburos insaturados – alquenos

Los alquenos son hidrocarburos cuyas moléculas contienen doble enlace carbono - carbono. Como todos sus carbonos, no están saturados con átomos de hidrógeno, y se les llaman compuestos insaturados. El tipo de hibridación que se presenta en estos compuestos es Sp2.El enlace doble determinante y fundamental en las propiedades de los alquenos está formado por un enlace sigma y un enlace pi (∏), que es más débil y está orientado en ángulo recto con respecto al enlace sigma.Su fórmula general es CnH2n´

NOMENCLATURA: la nomenclatura de los alquenos tiene el mismo fundamento que para los alcanos, pero la terminación varía; para estos compuestos el sufijo es ENO: buteno, propeno. Es bueno tener en cuenta que se debe señalar el carbono en el que se encuentre el doble enlace.

PROPIEDADES DE LOS ALQUENOS

* Propiedades físicas: A temperatura ambiente y a 1 atmósfera de presión, los alquenos de 2 carbonos a 4 carbonos son gases. Del C5 al C18 son líquidos y del C19

en adelante son sólidos. Al tener enlaces covalentes no polares, los alquenos no son solubles en agua, pero si lo son en solventes, como el benceno o el éter que también son no polares. Además son solubles en ácido sulfúrico concentrado y frío, característica que permite diferenciarlos de los alcanos. Al igual que los alcanos, los alquenos tienen puntos de ebullición que varían al aumentar el número de carbonos. Esta temperatura disminuye al aumentar el número de ramificaciones. Sus puntos de fusión aumentan también al aumentar el

CH3 – CH – CH = C – CH2 – CH3

6 5 4 3 2 1

CH3 CH3 3,5 – dimetil 3- hexeno

número de carbonos.

* Propiedades químicas: Estos compuestos son más reactivos que los alcanos pues es más fácil romper los enlaces pi ( ) del doble enlace.

Obtención: Los alquenos que posean hasta cinco carbonos pueden obtenerse puros de la industria del petróleo, pero también pueden obtenerse por reacciones de eliminación.

TABLA 8.

REACCIONES DE OBTENCION EJEMPLOA partir de la desidrohalogenacion de

halogenuros de alquino. H H :: :: etanol H

CH–C–C–CH + KOH ------- CH3-C=C + KCl + H2O H Cl alcohol H -H propeno

A partir de la deshidratación de alcoholes Ácido fuerteCH3 - CH – CH2 ------- CH3 – CH – CH2 + H2O

H OH Propanol propeno

Por deshidrogenacion de alcanos catalizadorCH3 - CH2 - CH3 ------ CH3 - CH = CH2 + H2

Propano calor propeno

Por reducción de alquinos

CH3 – C= C - CH3 +H2O -----

Na o Li, Nh3 (Liq) H CH3

Halogenacion de halogenuros vecinales CH3 – CH - CH - CH3 + Zn ----- CH3 – CH - CH - CH3 +ZnBr2

Br Br2,4 – dibromuro de butilo 2 - buteno

En la siguiente tabla se describen las reacciones para los alquenos, que sufren reacciones de adición.

TABLA 9.

REACCIONES CARACTERISTICAS EJEMPLOSAdición de hidrogeno (H2) Pt, Ni H H

R – CH = CH – R + H2 ----- R – C – C – R ó Pd H H

Adición de halógenos CCl4 H H R – CH = CH – R + Cl2 ----- R – C – C - R

Cl Cl Adición de halogenuros de hidrogeno CCl4 H H

R – CH = CH – R + HCl ----- R – C – C - R H Cl

Adición de H2SO4R – CH = CH2 + H-O-S-O3H ----- R – CH – CH3

SO3H II

O Sulfsto ácido de alquilo

Adición de agua Catalizador R – CH = CH2 + HOH ----- R – CH – CH3

I

OHOxidación con permanganato de potasio (KmnO4) Frió

R – CH = CH2 + KmnO4 ----- R – CH – CH2 + MnO2 + KOH

(Purpura) OH OH OH (café)

Los alquenos reaccionan de forma rápida y con cambios a simple vista lo que permite reconocerlos de los hidrocarburos saturados (alcanos).

Hidrocarburos instaurados - alquinos.

Los alquinos son hidrocarburos cuyas moléculas contienen por lo menos un enlace triple entre carbono y carbono, característica distintiva de su estructura. Su formula general es Cn H2n-2- Tiene una proporción de hidrógeno menor que los alquenos,

Pd o Ni2B CH3 CH3

C=C Cis

H H

CH3 H

C = C Trans

razón por la cual presentan un grado mayor de instauración.

Los alquinos tienen hibridación sp, con orbitales pequeños que los sp2 de los alquenos y que los sp3 de los alcanos. En consecuencia, el carbono con hibridación sp, forma enlaces más cortos que los otros, y facilita la ruptura de C - H. El enlace triple se caracteriza por tener un enlace sigma y dos enlaces pi.

NOMENCLATURA: En términos generales, la nomenclatura de los alquinos tiene los mismos lineamientos de la nomenclatura para alcanos y para alquenos, pero con la terminación INO.

PROPIEDADES DE LOS ALQUINOS

* Propiedades físicas: Como son compuestos de baja polaridad, los alquinos son muy similares en sus propiedades físicas a los alcanos y los alquenos. Son menos densos que el agua e insoluble en ella. Se solubilizan en sustancias de baja polaridad como el éter y el benceno. Sus puntos de fusión crecen con el aumento del número de carbonos al igual que su punto fusión. Los tres primeros alquinos se presentan en estado gaseoso a temperatura ambiente.

* Propiedades químicas: estos compuestos presentan similar reactividad que los alquenos. Muchas de las reacciones de los alquinos se caracterizan por ser reacciones de adición al triple enlace y otras se deben a la acidez del H del etino (acetileno) primer alquino de la serie.

Obtención: Los alcanos que posean hasta cinco carbonos pueden obtenerse puros de la industria del petróleo, pero también pueden obtenerse por reacciones de eliminación.

TABLA 10.

REACCIONES DE OBTENCION EJEMPLOSA Partir de la desidrohalogenación de dihalogenuros de alquilo (reacción de eliminación)

H H HCH3 - C – C - H + KOH ------ CH3 – C = C + 2HCl

Cl Cl etanol a To alta 1,2 – dicloropropano propino

A Partir de la desidrohalogenación de dihalogenuros de alquilo C (reacción de eliminación)

H H NH3 (liq) HH – C – C – H + 2 NaNH2 ------ CH3 – C = C + 2HCl

Cl Cl aceite mineral 1,2 – dicloropropano propino

Halogenación de tetra – halogenuros con zinc Br Br HCH3 - C – C – CH2 + 2Zn ------ CH3 – C = C – CH3 + 2ZnBr2

Br 2,2,4,5 – tetrabromuro de butilo 2 - butono

TABLA 11.

REACCIONES CARACTERISTICAS EJEMPLOSAdición de hidrogeno (H2) De acuerdo al número de hidrógenos produce alquenos o alcanos

Pt, Ni H HR – C = C – R + Nh2 ---- R – C – C – R

o Pd H Halquino alcano

Boruro de Ni R RR – C = C – R + Nh2 ---- R – C – C – R

Ni2B H Halquino alqueno

Adición de halógenos (exhaustiva) CCl4 Cl ClR – C = C – R + 2Cl2 ---- R – C – C – R

Cl Cl alquino tetrahalogenuro

Adición de halogenuros de hidrogeno R R

CH3 – CH – CH = C – CH – CH3

6 5 4 3 2 1

CH3 CH3 2,5 – dimetil 3- hexino

R – C = C – R + HCl ---- C = C Ni2B H Cl

Oxidación con permanganato de potasio (KmnO4)

250C R-C=CH + KmnO4 ---- R – C – CH3 + MnO2 + KOH

(púrpura) agua O ( café)