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395 Química del Carbono (Parte II) 1,3°A HIDROCARBUROS INSATURADOS: ALQUENOS Y ALQUINOS Hidrocarburos que poseen en lace pi (π), es decir doble enlace (- C = C -) o triple enlace (- C Ξ C -). Se laman insaturados porque dan reacciones de adición con ruptura de enlace pi, que es la zona de alta reactividad en la molécula. Estos hidrocarburos tienen menor número de átomos de hidrogeno que los alcanos de igual número de carbonos. ALQUENOS U OLEFINAS: CnH2n y n > 1 Hidrocarburos que poseen doble enlace carbono-carbono en su molécula. Se les llama también olefinas (formador de aceites), por la apariencia oleosa que presentan sus derivados así como por la presencia de enlaces dobles en los aceites. Los átomos de carbono unidos por el doble enlace presentan 3 orbitales híbridos sp2 cada uno de los cuales forma un enlace sigma (σ) los cuales se ubican en un mismo plano con un ángulo de 120°. El orbital “p” no hibridizado está dispuesto de manera perpendicular al plano, formando un enlace pi (π). Sus reacciones químicas más importantes son: Adición y Polimerización. CC π σ = 120° IMPORTANCIA COMERCIAL DE LOS ALQUENOS Debido a que el doble enlace carbono-carbono se convierte fácilmente en otros grupos funcionales, los alquenos son intermedios importantes para la síntesis de polímeros (zapatos, bolsas de plástico, parachoques, tanques de agua, envolturas, botellas, etc), productos farmacéuticos, pesticidas y otros productos químicos importantes. El etileno es el compuesto orgánico que más se produce en el mundo, polimerizándose la mayor parte para obtener polietileno (PET); el resto se usa como insumo en la producción de etanol, ácido acético, etilenglicol y cloruro de vinilo. El etileno también sirve como hormona para las plantas, acelerando el proceso de maduración de las frutas Grupos ALQUENILOS Del CH2 = CH2 CH2 = CH- vinil(o) Eteno CH3-CH=CH2 CH3-CH=CH- propenil (o) Propeno CH2=CH-CH2- alil(o) CH3-CH=CH-CH3 → CH3-CH=CH-CH2- crotil (o) Buteno-2 NOMENCLATURA IUPAC : Raíz + ENO, el primer compuesto es el Eteno ó Etileno. - Para nombrar esta clase de hidrocarburos se ubica la cadena que contenga el mayor número de instauraciones (enlaces dobles) aunque no sea la que tiene el mayor número de carbonos. sp2 sp2 396 - Se empieza la numeración a partir del extremo más cercano a una instauración; si la cadena insaturada presenta sustituyentes, éstos deberán tener la menor numeración y en caso de equidistancia se usará el orden alfabético. - Si el doble enlace es equidistante de los dos extremos, empiece por el extremo más cercano al primer punto de ramificación. - Para escribir el nombre del alqueno, ordene los sustituyentes en orden alfabetico e inserte índices numéricos y prefijos como se ha hecho en los alcanos. Para indicar la posición del doble enlace en la cadena se escribe el número correspondiente justo antes del nombre padre del compuesto, por ejemplo 3-penteno. Este número debe ser el menor de los dos correspondientes a los carbonos del doble enlace. - Si eta presente ms de un doble enlace, indique la posición de cada uno y use los su¡fijos dieno, trieno, tetraeno, etc. - Cuando exista la posibilidad de isomería geométrica, indique el isómero del que se trata utilizando los prefijos cis- , trans- o (E) – (Z). - Ejemplos: 1 2 3 4 6 5 4 3 2 1 CH2=CH2 CH2=CH-CH3 CH3-CH=CH-CH3 CH3- CH=CH-CH2-CH=CH2 Eteno Propeno 2- buteno 1,4-hexadieno CH3 3 4 5 6 7 1 2| 3 4 5 6 CH3-CH2-CH2-C-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH=CH-CH2-CH3 2 1 CH-CH3 3-propil-2-hepteno 2-metil-3-hexeno CH3 1 2 3 4 5 6| 7 8 9 1 2 3 4 CH2 = CH - CH2 – CH- CH2-CH-CH2-CH = CH2 H2C = CH-C = CH2 | | CH2CH3 C10H21 4-etil-6-metil-1,8-nonadieno 2-decil-1,3-butadieno ¿Cuál es según la IUPAC, el nombre del siguiente hidrocarburo? CH 3 C3 C H 24 C 5 C H 6 C H 7 C H 38 C H 2 C H 2 CH 2 C H 3 C H 3 C H 2 C H 21 C H 2 C H 3 Teniendo en cuenta las reglas de nomenclatura y arreglando la cadena para una mejor visualización, tenemos: 397 C H 3 C 3 C H 24 C 5 C H 6 C H 7 C H 38 C H 2 C H 2 CH 2 C H 3 C H 3 C H 2 CH 2 1 C H 2 C H 3 5-n-butil-3-etil-3,7-dimetil-1,5-octadieno (5-n-butil-3-etil-3,7-dimetilocta-1,5-dieno) 1 2 3 4 5 6 7 8 5-n-butil-3-etil-3,7-dimetil-1,5-octadieno POLIENOS O POLIALQUENOS: Hidrocarburos que tienen más de un doble enlace en su estructura, los más importantes son los dienos y trienos. Los dienos se clasifican en: Dieno Ejemplo 1. Conjugado CH2 = CH – CH = CH – CH3 1,3- pentadieno (Penta-1,3-dieno) 2. No conjugado o aislado CH2 = CH - CH2 – CH = CH2 1,4- pentadieno (Penta-1,4-dieno) 3. Acumulado o “aleno” CH2 = C = CH2 1,2- propadieno (Propa-1,2-dieno) Propiedades Físicas de los alquenos: Ø Los alquenos poseen la mayoría de sus propiedades físicas parecidas a los alcanos (del eteno al buteno son gases; del penteno al heptadeceno son líquidos y del octadeceno para adelante son sólidos). Ø Son insolubles en agua, pero bastantes solubles en líquidos no polares, como benceno, éter, cloroformo, etc. Ø El punto de ebullición, punto de fusión y densidad, aumenta con el número creciente de carbonos; las ramificaciones disminuyen el punto de ebullición. Ø Algunos presentan isomería geométrica: Cis,trans o E-Z Obtención de alquenos: Reacciones de eliminación Ø Deshidratación de Alcoholes | | | | -- C -- C -- calor ácido -- C = C -- + H2O | | Alqueno H OH Ø Deshidrogenación de Alcanos Notación topológica 398 | | | | -- C -- C -- calor -- C = C -- + H2 | | H H Ø Deshidrohalogenación de Halogenuros de Alquilo | | | | -- C -- C -- KOH -- C = C -- + KX + H2O | | C2H5OH H X Propiedades Químicas.- Químicamente se diferencian de los alcanos por ser más reactivos debido al enlace no saturado (π) a cuyo nivel ocurren los cambios químicos. Las reacciones características de los alquenos son las de adición y pueden ser por hidrogenación catalítica, halogenación, hidrohalogenación, hidratación, oxidación, etc CH2 = CH2 + H2 Ni o Pt CH3 – CH3 (Hidrogenación catalítica) CH2 = CH2 + Cl2 CCl4 CH2Cl - CH2Cl (Halogenación) CH2 = CH-CH3 + HCl Eter CH3 – CHCl-CH3 (Hidrohalogenación) (Regla de Markovnikov) CH2 = CH-CH3 + HOH Hg(OAc)2H2O CH3 -CHOH-CH3 (Hidratación por oximercuración) (Regla de Markovnikov) CH2 = CH-CH3 + KMnO4 H+ CH3-COOH + CO2 (Oxidación de alquenos) (CH3)2C=CH-CH3 + KMnO4 H+ (CH3)2C=O + CH3COOH (Oxidación de alquenos) OTRAS REACCIONES IMPORTANTES Ø Combustión CnH2n + (3n/2) O2 n CO2 + n H2O + Calor Ø Polimerización CH2 = CH2 - [CH2 – CH2]n – Etileno Polietileno ALQUINOS O ACETILENOS: Hidrocarburosque poseen enlace triple carbono-carbono (C≡C) en su molécula. Se les llama también acetilénicos por su primer compuesto es el etino o acetileno. Los átomos de carbono unidos por el triple enlace presentan 2 orbitales híbridos sp, cada uno de los cuales forma un enlace sigma (σ) con un ángulo de enlace 180°. Los 2 orbitales “p” no hibridizados están dispuesto de manera perpendicular al plano, formando dos enlaces pi(π). Al igual que los alquenos, son insaturados pero menos reactivos que estos. Para un enlace triple cumplen con la relación CnH2n - 2. CEN - C Ξ C - 1,22°A sp1 sp 1 399 Por medio de una combinación de sus propiedades características, el triple enlace carbono – carbono tiene una función especial, de importancia cada vez mayor en la síntesis orgánica. Al ser compuestos de baja polaridad, las propiedades físicas de los alquinos son en esencia parecidas a la de los alcanos y alquenos. IMPORTANCIA COMERCIAL DE LOS ALQUINOS El acetileno es el alquino comercial más importante, se usa como insumo en la industria, pero su mayor aplicación es como combustible en los sopletes oxiacetilénicos debido a las altas temperaturas que alcanza (2800°C) El acetileno se obtiene a partir del carbón o del gas natural. La síntesis a partir de carbón se realiza calentando cal y coque (carbón previamente sometido a destilación seca) obteniéndose carburo de calcio. La adición de agua al carburo de calcio da lugar a la formación de acetileno e hidróxido de calcio 3C + CaO Horno eléctrico a 2500°C CaC2 + CO CaC2 + H2O C2H2 + Ca(OH)2 La síntesis de acetileno a partir del gas natural es un proceso sencillo, de acuerdo a la reacción: 2 CH4 1500°C C2H2 + 3 H2 Grupos ALQUINILOS CH ≡ CH HC ≡ C- etinil(o) Etino HC≡ C-CH3 CH ≡ C-CH2- propargil(o) Propino NOMENCLATURA IUPAC : Raíz + INO, el primer compuesto es el Etino ó Acetileno. Su nomenclatura es similar a la de los alquenos, utilizando la terminación “ino” Para nombrar esta clase de hidrocarburos se ubica la cadena que contenga el mayor número de instauraciones (enlaces triples) aunque no sea la que tiene el mayor número de carbonos. Se empieza la numeración a partir del extremo más cercano al triple enlace; si la cadena insaturada presenta sustituyentes, éstos deberán tener la menor numeración y en caso de equidistancia se usará el orden alfabético. Ejemplos: 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 CH ΞC-CH3 CH3-CΞC-CH2-CH3 CHΞC-CH2-CΞCH CH3-CH(OH)-CΞCH Propino 2-pentino 1,4-pentadiino 3-butin-2-ol (Pent-2-ino) (Penta-1,4-diino) (But-3-in-2-ol) C H 1 C 2 C H 3 C H 4 C H 2 5 CH 3 6 C H 3 C H 2 C H 3 7–etil–2,6,8–trimetil–3,9–dodecadiino 3-etil-4- metil- 1-hexino 400 Propiedades Físicas de los alquinos: Ø Los alquinos poseen la mayoría de sus propiedades físicas parecidas a los alcanos y alquenos de igual masa molecular. El acetileno, el propino y los butinos son gases a temperatura ambiente. Ø Los puntos de ebullición al igual que los alcanos y alquenos aumentan con el número de carbonos si la cadena es lineal y a su vez son ligeramente más altos que aquellos. Ø Los alquinos son relativamente no polares y prácticamente insolubles en agua pero bastantes solubles en líquidos no polares, como benceno, éter, cloroformo, acetona, alcoholes, etc. Ø Los alquinos terminales son mucho más ácidos que otros hidrocarburos. La extracción de un protón( H+) acetilénico da lugar a un ion acetiluro y la acidez del hidrógeno acetilénico (H-C ≡ C-) Se debe a la naturaleza del híbrido sp del enlace C-H. Propiedades Químicas.- Son más activos químicamente que alcanos pero menos que los alquenos. Las reacciones más importantes son: CHΞCH + 2 H2 Pd CH3 – CH3 (Hidrogenación catalítica) CHΞCH + Cl2 CCl4 CHCl = CHCl (Halogenación) CHΞC-CH3 + HCl Eter CH2 = CCl-CH3 (Hidrohalogenación) (Regla de Markovnikov) CHΞC-CH2-CH3 + HOH Hg2SO4 /H+ CH3 -CO-CH2 -CH3 (Hidratación por oximercuración) (Regla de Markovnikov) CH3 -CΞC-CH3 + KMnO4 H+ 2 CH3-COOH (Oxidación de alquinos) OTRAS REACCIONES IMPORTANTES Ø Combustión CnH2n-2 + [(3n-1)/2] O2 n CO2(g) + (n-1) H2O(l) + Calor ENINOS (HIDROCARBUROS MIXTOS) Son hidrocarburos que presentan en su estructura doble y triple enlace. Al nombrarlos se utiliza la terminación enino, aún cuando el doble enlace se indique con el número mayor (el doble enlace siempre manda al nombrar pero no siempre al numerar). Los hidrocarburos que contienen un doble y dos triples enlaces tendrán terminación endiino. La posición del doble enlace se indica mediante el primer número que se coloca al iniciar el nombre del hidrocarburo base y las posiciones del triple enlace se indican mediante números intercalados entre la terminación en y la terminación ino o diino. Ejemplos: HC ≡ C-CH=CH-CH3 3-Penten-1-ino (Pent-3-en-1-ino) HC ≡ C-CH=CH-C ≡ CH 3-hexen-1,5-diino (Hex-3-en-1,5-diino) Si el hidrocarburo contiene un enlace doble y un enlace triple en posiciones equidistantes (a la misma distancia de los extremos de la cadena), al doble enlace se le asignará la menor numeración. 401 CH2 1 CH 2 C 3 CH 4 1-buten-3-ino (But-1-en-3-ino) Para el caso de alquenos y alquinos sencillos se emplean nombres derivados del etileno y del acetileno respectivamente. CH3 CH2 CH CH2 etil etileno CH3 CH CH CH3 Sim-dimetiletileno CH3 C CH2 CH3 Asim-dimetiletileno (sim=simétrico, asim=asimétrico) Dar nombre a los siguientes eninos: CH3 CH3–CH(C2H3)–CH2–C≡C-C2H5 | 3-metil-octen-5-ino CH3 – C ≡ C – CH – C – CH – CH3 | | | CH3–C≡CC≡CC≡CC≡CC≡CCH=CH2 CH3 CH3 CH2 Tridecen-3,5,7,9,11-pentaino | CH CH2=CH-CH2-C≡C-CH=CH2 || 1,6-heptadien-3-ino CH2 CH2=CH-CH2-CH=CH-CH≡CH 4,5,5,6–tetrametil–1–nonen–7–ino 3,6-heptadien-1-ino HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS NOMENCLATURA Los hidrocarburos con cadenas en forma de anillo, pertenecen al grupo de los compuestos ALICICLICOS, en ella se conocen sustancias que contienen en los anillos de 3 a más átomos de carbono, y en principio no existe ninguna limitación en cuanto al tamaño de los anillos que puedan formarse. En este grupo podemos diferenciar: 402 HOMOCÍCLICOS O CARBOCICLICOS: En su cadena se encuentran solo átomos de carbono formando un solo anillo; su nomenclatura según las reglas de la IUPAC es como sigue: 1. Los compuestos que contienen anillos monocíclicos se nombran colocando el prefijo ciclo delante del nombre del hidrocarburo alifático con igual número de átomos de carbono que el compuesto cíclico que se trata. CH2 CH2 CH2 Ciclopropano Cicloalcanos CH2 CH2 CH2 CH2 Ciclobutano Ciclopenteno Ciclopropeno Cicloalquenos 1,4-ciclohexadieno 1,3-ciclopentadieno 2. La numeración por la presencia y posición de los sustituyentes en el anillo se escoge de tal manera que se usan los números más pequeños posibles. Si tiene un sustituyente se nombra éste y luego el nombre del cicloalcano. En el caso de los cicloalquenos la numeración empieza por el doble enlace. CH2 CH3 3-etilciclopenteno CH3 3-metil-1,4- ciclohexadieno403 Cl Br 1-bromo-3-clorociclopentano CH2 C CH CH3 1-metilciclopropeno 3. Si los sustituyentes tienen la misma posición al enumerar la cadena en forma horaria o antihoraria, la menor numeración le corresponde al grupo alquilo que se nombra primero según el orden alfabético. 1-isopropil-3-metilciclohexano 4. Cuando los grupos carbocíclicos se unen a estructuras más complejas, como cadenas alifáticas acíclicas de cuatro o más átomos de carbono, la cadena alifática abierta se considera como cadena principal para los efectos de numeración y nomenclatura. El ciclo entonces se tratará como un grupo o sustituyente. Si hubieran halógenos en la cadena cíclica éstos no tienen ninguna prioridad sobre los grupos alquilo, sólo se considera en el orden alfabético. Ejemplos: CH CHCH3 CH3 CH2 CH3 2-ciclopentil-3-metilpentano C CH2CH3 CH2 CH CH3 CH2 ………………………………………………………….. 5. En el caso de los cicloalquenos con dos o más dobles enlaces la numeración empieza por el doble enlace, de tal manera que los otros dobles enlaces tengan la menor numeración, luego se busca que los sustituyentes también tengan la menor numeración. CH = CH2 CH3 C2H5 7 - vinil – 1,4 – ciclooctadieno 5–etil–2–metil–1,3–ciclopentadieno 404 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Los hidrocarburos aromáticos o también llamados arenos son compuestos de estructura molecular plana, poseen enlaces dobles conjugados (alternados) y que cumplen con la regla de Hückel(4n+2), donde n es cualquier número entero. En un principio se creía que los compuestos aromáticos necesariamente deberían tener un olor fragante o penetrante, característica que en la actualidad no es condición necesaria o suficiente para ser considerado un hidrocarburo aromático, PROPIEDADES FISICAS En general, los hidrocarburos aromáticos se asemejan a otros hidrocarburos en sus propiedades físicas: - Son no polares, insolubles en agua y menos densos que el agua. - En ausencia de sustituyentes polares, las fuerzas intermoleculares son débiles y se limitan a atracciones de Van der Waals del tipo dipolo inducido-dipolo inducido. Comprenden a los bencénicos y polibencénicos. 1. BENCÉNICOS - Los bencénicos toman como base el benceno C6H6, sustancia líquida de aspecto incoloro, de olor fuerte, más ligero que el agua, hierve a 80,1°C y funde a 5,4°C a 1 atm de presión. - El benceno es una sustancia tóxica y es muy peligroso inhalar sus vapores durante periodos muy largos; es insoluble en agua pero muy soluble en éter, ciclohexano, tetracloruro de carbono, etc y es un buen disolvente orgánico. - Presenta la propiedad de resonancia el cual es producto de la deslocalización de los seis electrones pi (π), lo que contribuye a una mayor estabilidad de la molécula. - Todos sus enlaces carbono-carbono tiene la misma distancia (140 pm) y son intermedias entre las longitudes de enlace simple y enlace doble típicas. CH / \\ HC CH || | HC CH \ // CH Estructuras Benceno resonantes CONDICIONES DE AROMATICIDAD 1. La estructura debe ser cíclica, con dobles enlaces alternados o conjugados( no necesariamente) 2. Cada átomo que forma el anillo o ciclo debe tener hibridación sp2 3. Debe cumplir con la regla de Huckel: Un anillo monocíclico plano es aromático si el número de electrones pi es 4n+2, siendo n un número entero. Si n resulta un número fraccionario el compuesto no es aromático y si el número de electrones pi es 4n, el compuesto es antiaromático 4. La molécula debe ser plana o casi plana para que los orbitales p no hibridados puedan traslaparse para formar un anillo continuo de orbitales paralelos 5. La deslocalización de los electrones pi debe originar una disminución de la energía electrónica, en caso contrario, el compuesto es antiaromático 405 Ejemplo: Indicar la alternativa que contenga especies químicas que se consideran aromáticas: I. II. III. IV. V. . a) I, II, IV, V b) II, IV, V c) II, III, IV,V d) IV, II e) Solo II Grupos Arílicos Existen nombres triviales adecuados para los grupos arílicos, así del C6H5OH, fenol se obtiene el C6H5- , fenil(o); del CH3-C6H5, tolueno, se obtiene CH3-C6H4 - , ( - o, -m y -p) Toluil y también el , -CH2-C6H5, bencil (o). NOMENCLATURA: No hay una nomenclatura sistemática de uso generalizado, muchos derivados simples tienen nombres comunes que se han conservado en el sistema de la IUPAC osea se coloca el nombre del grupo o sustituyente seguido de la palabra benceno. Ejemplo: - Monosustituídos CH3 CH=CH2 CH3-CH-CH3 NH2 Tolueno Estireno Cumeno Anilina (nombre común) Metilbenceno Vinilbenceno Isopropilbenceno Bencenamina (nombre sistemático) COOH CHO O-CH3 OH (nombre común)Ac. benzoico Benzaldehído Anisol Fenol (nombre sistemático):Ac. bencenocarboxílico Bencenocarbaldehído Metoxibenceno Bencenol - Disustituidos Los prefijos o = orto, m = meta, p = para, pueden usarse cuando una sustancia es nombrada como derivado del benceno con dos sutituyentes o cuando se usa un nombre base específico (como tolueno). CH3 CH3 CH3 Cl Cl CH3 CH3 CH3 CH3 NO3 Nombre común: o-xileno m-xileno p-xileno o-diclorobenceno m-nitrotolueno Nombre IUPAC: 1,2-dimeilbenceno 1,3-dimetilbenceno 1,4-dimetilbenceno 1,2-diclorobenceno 3-nitrotolueno 406 3 2 - Polisustituidos: • Cuando el benceno presenta tres o más sustituyentes el nombre base del derivado del benceno determina el carbono en el que comienza la numeración, por ejemplo el, tolueno tiene el grupo metilo en C-1, la anilina tiene el su grupo amino en C-1, etc. • La dirección de la numeración se elige de manera de dar a la siguiente posición sustituida el número menor sin tomar en cuenta cual sea el sustituyente. • El orden de aparición e los sustituyentes en el nombre es alfabético • Cuando ningún nombre base simple, aparte del benceno, es apropiado, las posiciones son numeradas de tal manera que los sustituyentes tengan la menor numeración . CH3 NH2 Cl O2N NO2 CH3 NO2 CH2 CH3NO2 NO2 2,4,6-trinitrotolueno 3-etil-2-metilanilina 1-cloro-2,4-dinitrobenceno 2. POLIBENCÉNICOS Los polibencénicos son hidrocarburos aromáticos aparentemente formados por dos o más anillos bencénicos. Se mencionan al naftaleno, antraceno y su isómero fenantreno con sus respectivas numeraciones establecidas por la IUPAC. 6 7 5 1 8 1 8 9 1 8 4 6 2 7 2 7 2 5 3 6 3 6 3 9 4 5 4 5 10 4 10 1 Benceno Naftaleno Antraceno Fenantreno Ø Si el benceno pierde un hidrógeno, se nombra: fenil o fenilo; C6H5 - Ø Si el naftaleno pierde un hidrógeno, se nombra: naftil o naftilo. 2-naftil (β-naftil)
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