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1 TEMA: Conocer la estructura y nomenclatura de los hidrocarburos saturados (alcanos), sus propiedades físicas y químicas, sus métodos de obtención y los usos que tienen estos hidrocarburos. OBJETIVO GENERAL. 2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. Describir el término Hidrocarburos. Escribir fórmulas estructurales y nombres de los alcanos. 3. Reconocer diversidad de isómeros de los alcanos 4. Explicar las propiedades físicas de los alcanos en base a la estructura del carbono 5. Distinguir las conformaciones del carbono 3 CONTINUACION DE OBJETIVOS ESPECIFICOS. 4 Conocer los métodos de obtención de los alcanos: industrial y de laboratorio en base a la estructura del carbono. Enumerar los tipos de reacciones que presentan los alcanos Comprender el mecanismo general y específico de la halogenación de alcanos Predecir la orientación y reactividad relativas de los productos en la halogenación de alcanos. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA PARA EL ESTUDIO DE LOS ALCANOS. ALCANOS. Compuestos formados únicamente por carbono e hidrogeno HIDROCARBUROS ALIFATICOS AROMATICOS ALCANOS ALQUENOS ALQUINOS ALIFATICOS CICLICOS 6 CLASIFICACION DE LOS HIDROCARBUROS. HIDROCARBUROS. ALIFATICOS. 7 8 Que son los alcanos. Los alcanos son hidrocarburos formados únicamente por carbono e hidrógeno Ejemplo de alcanos. PROPANO A DONDE SE ENCUENTRAN LOS ALCANOS. En la Tierra los alcanos se encuentran en el gas natural y en el petróleo, y se forma durante la descomposición de la materia vegetal y animal que ha estado sepultada por largo tiempo en la corteza terrestre, donde escasea el oxigeno. En consecuencia al gas natural y al petróleo se las llama combustibles Fósiles. CH3-CH2-CH3 Es un hidrocarburo que sólo contiene enlaces sencillos C-H. Los alcanos son la clase más simple y menos reactiva de todos los compuestos orgánicos, ya que sólo contienen carbono e hidrógeno y no tienen grupos funcionales. Los alcanos experimentan reacciones como el cracking y la combustión a altas temperaturas, son mucho menos reactivos que otras clases de compuestos que tienen grupos funcionales. (PARAFINAS) ALCANOS Los alcanos no poseen grupo funcional. FÓRMULA GENERAL 10 USOS DE LOS ALCANOS. Los alcanos se utilizan mayoritariamente como combustibles. disolventes y lubricantes. El gas natural, la gasolina, el querosene, el aceite lubricante y la «cera» de parafina están formados principalmente por alcanos. con diferentes propiedades físicas que dependen de sus pesos moleculares (y de su estructura lineal o ramificada). 11 ESTRUCTURA DEL METANO. El alcano más sencillo es el metano, CH4. El metano es perfectamente tetraédrico, con los ángulos de enlace de 109.5° predichos para la hibridación sp3 del carbono. Los cuatro átomos de hidrógeno están unidos por enlaces covalentes al átomo de carbono central, con longitudes de enlace de 1.09 A. Angulo de Enlace 109.5° Longitud de enlace 1.10 Å 12 ESTRUCTURA DEL METANO. Los cuatro átomos de hidrógenos están unidos al carbono por medio de enlaces covalente. 14 El metano es importante para la generación eléctrica ya que se emplea como combustible en las turbinas de gas o en generadores de vapor. En muchas ciudades, el metano se transporta en tuberías hasta las casas para ser empleado como combustible para la calefacción y para cocinar USOS DEL METANO. Miembro mas sencillo CH4 Carbono Z =6 Estado fundamental o basal del Carbono Promoción del electrón Carbono en estado excitado Orbitales híbridos s p3 HIBRIDACION DEL METANO. Angulo de Enlace 109.5° Longitud de enlace 1.10 Å Energía de enlace 104.0 kcal. / mol ETANO El etano, el alcano de dos carbonos, está formado por dos grupos metilo donde se traslapan orbitales con hibridación SP3 y forman un enlace sigma entre ellos. CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS Conformación Son diferentes disposiciones espaciales de una molécula que son generadas por la rotación alrededor de un enlace simple. Las distintas conformaciones de una misma molécula son llamadas rotámeros o confórmeros (isómeros conformacionales). Los confórmeros no pueden aislarse debido a que se interconvierten con rapidez. Cuando dibujamos conformaciones con frecuencia utilizamos conformaciones de Newman. Representación de isómeros conformacionales En caballete Proyecciones de Newman Como dibujar una proyección de Newman ? 1- Identificar los carbonos sobre los que se trabajara Carbono 2 y 3 2- decidir cual carbono será la esfera y cual el punto 4- colocar los sustituyentes de cada carbono 3- hacer el dibujo de esferas y barras 2 3 Experimentalmente se ha demostrado que existe una ligera barrera a la rotación y que algunas conformaciones son mas estables (tienen menos energía que otras). Conformación alternada: Conformación mas estable (de mas baja energía), los seis enlaces carbono - hidrogeno están lo mas alejados posible entre si (cuando la molécula se ve de frente en una proyección de Newman). 23 Conformación eclipsada: Es aquella en la cual los seis enlaces carbono - hidrogeno están lo más cerca posible. Es la menos estable (de más alta energía). Rotación Rotación CONFORMACIONES DE ETANO 26 CONFORMACIONES DEL ETANO. El confórmero de energía mínima y más estable es en el cual los seis enlaces C-H están lo más alejados posible, alternados cuando se ve en un extremo en una proyección de Newman. MENOS ESTABLE. ENERGIA 2.9 Kcal./mol Costo de 1.0 Kcal/mol Propano eclipsado Propano escalonado Observador Observador Costo de 1.4 Kcal./mol Observador Observador Observador CONFORMACIONES DEL BUTANO Anti (mas estable) Gauche Eclipsada (menos estable) E N E R G I A 3.8 Kcal/mol 4.5 Kcal/mol 0.7 kcal/mol 0.9 Kcal/mol GRAFICO ENERGIA POTENCIAL Vrs ROTACION PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALCANOS. Las propiedades físicas de un compuesto son aquellas propiedades que son intrínsecas para cada compuesto cuando es puro. Un compuesto a menudo se puede identificar simplemente determinando varias de sus propiedades físicas. Las propiedades físicas más comúnmente reconocidas de un compuesto incluyen su punto de fusión, punto de ebullición, densidad, índice de refracción, y rotación óptica. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALCANOS. DENSIDAD: Los alcanos tienen la densidad considerablemente menor a la del agua SOLUBILIDAD Los alcanos son prácticamente insolubles en agua debido a su baja polaridad y su incapacidad de formar puentes de hidrogeno con ella. Los alcanos líquidos son miscibles entre si, y en general se disuelven en disolventes de baja polaridad Punto de ebullición. El metano, el etano, el propano y el butano son gases a temperatura ambiente. Los alcanos no ramificados del pentano (C5H12) al heptadecano (C17H36) son líquidos, mientras los homólogos superiores son solidos. Los puntos de ebullición de los alcanos no ramificados aumentan con el numero de átomos de carbono, los puntos de ebullición para los alcanos 2-metilramificados son inferiores a los del isómero no ramificado. Al analizar a nivel molecular las razones para el aumento en el punto de ebullición con el numero de carbonos y la diferencia en el punto de ebullición entre los alcanos ramificados y los no ramificados, puede continuarse con la relación entre la estructura y las propiedades. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALCANOS PUNTO DE FUSION . No siguen un patrón definido, Estructuras de superficie simétricas, aun siendo ramificadas, proporcionan Pf anormalmente altos Numero de carbonos Alcano Punto de fusión ( °C ) Punto de ebullición ( °C ) N Densidad ( g / ml. ) 1 Metano -182.5 -164.0 0.5557 2 Etano -183.3 -88.6 0.509 3 Propano -189.7 -42.1 0.5005 4 Butano -138.3 -0.5 0.5788 5 Pentano -129.7 36.1 0.6262 6 Hexano -95.0 68.9 0.6603 7 Heptano -90.6 98.4 0.6837 8 Octano -56.8 125.7 0.7025 9 Nonano -51.0 150.8 0.717610 Decano -29.7 174.1 0.7300 20 Eicosano +36.8 343.0 0.7886 30 Triacontano +65.8 450.0 0.8097 4 Isobutano -159.4 -11.7 0.579 5 Isopentano -159.9 27.85 0.6201 5 Neopéntano -16.5 9.5 0.6135 8 Isooctano -107.4 99.3 0.6919 36 PUNTOS DE EBULLICIÓN. Puntos de ebullición de los alcanos. Los puntos de ebullición de los alcanos no ramificados (azul) son comparados con los correspondientes alcanos ramificados (verde). Como sus áreas superficiales son más pequeñas, los alcanos ramificados tienen puntos de ebullición más bajos que los alcanos no ramificados. EJEMPLO DE PUNTOS DE EBULLICION PARA ALCANOS Pe. 60 °C Pf. -164 °C Pe. 58 °C Pf. -135 °C Pe. 50 °C Pf. -98 °C CH3-CH2-CH2-CH2CH2-CH3 Pe. 68.9 Pf. -95 OBTENCION DE ALCANOS a) Fuentes industriales: destilación del petróleo b) Síntesis de laboratorio FUENTE DE LOS ALCANOS Y PETROLEO Gases : C1 – C4 Líquidos : C5 – C17 Sólidos: C18 – C20 SINTESIS DE ALCANOS 1.Reducción de haluros de alquilo con Zn metálico 2. Hidrólisis del reactivo de Grignard 3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos Organometálicos. 4.Reacción de Wurtz 5. Hidrogenación de un Alqueno REDUCCIÓN DE HALURO DE ALQUILO CON ZINC METÁLICO El alcano obtenido en esta reacción, tendrá la estructura y el numero de átomos de carbono, iguales al del halogenuro del cual se partió X = Cl o Br PRODUCTO FINAL 2-metilbutano EJEMPLOS: Obtenga el 2,3,4-trimetilhexano, por medio de una reacción de reducción con zinc metálico Tarea Obtenga el 2,2,-dimetilbutano, partiendo del cloruro de neohexilo HIDROLISIS DEL REACTIVO DE GRIGNARD Obtención de alcanos de igual numero de átomos de carbono que el halogenuro de alquilo del cual se parte Paso 1 Paso 2 2-bromopropano Bromuro de isopropilmagnesio EJEMPLO: a) El haluro de alquilo reacciona con litio para producir una especie organometálica denominada reactivo alquilitio. b) Si los reactivos alquilitio reaccionan con el yoduro cuproso, se forma otro reactivo organometálico, el reactivo dialquilcobrelitio ACOPLAMIENTO DE HALOGENUROS DE ALQUILO CON COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS. c) La reacción de un reactivo dialquilcobrelitio con un haluro de alquilo resulta en la formación de alcanos mayores El segundo halogenuro de alquilo que interviene, TIENE QUE SER PRIMARIO 1 ) 2 ) 3 ) NECESARIAMENTE primario CONTINUACION DEL MÉTODO ACOPLAMIENTO DE HALOGENUROS DE ALQUILO UTILIZANDO COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS. Obtener el 3-metil-pentano REACION DE WURTZ para alargar cadena (doble del numero de átomos de carbono) LIMITACIÓN : Solo para obtener alcanos simétricos 2 ∆ ∆ Obtener el 2-metilbutano por medio de los cuatro tipos de reacciones estudiados 1. Reducción de haluro de alquilo con zinc metálico 2. Hidrolisis del reactivo de gridnard 3. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos. HIDROGENACION DE ALQUENOS. EJEMPLO R E AC I O N E S Q U I M I C A S HALOGENACION COMBUSTION PIROLISIS 55 Cloración y bromación de alcanos (HALOGENACIÓN) Los alcanos sí reaccionan con cloro (Cl2) o con bromo (Br2) para formar cloruros o bromuros de alquilo. Esas reacciones de halogenación sólo se efectúan a temperaturas altas o en presencia de la luz. (La irradiación con luz se representa por hv.) Son las únicas reacciones que experimentan los alcanos, a excepción de la combustión Cuando un enlace se rompe de tal manera que sus dos electrones permanecen en uno de los átomos, al proceso se le llama ruptura heterolítica de enlace o heterólisis. Cuando un enlace se rompe de tal modo que cada uno de los átomos conserva uno de los electrones del enlace, al proceso se le llama ruptura homolítica de enlace u homólisis. Homolitica Heterolitica Radicales Iones Como reaccionan los alcanos???? Tipo de reacción de los alcanos: SUSTITUCION POR RADICALES LIBRES ENERGIA DE DISOCIACION DE ENLACE QUE ES LA ENERGIA DE DISOCIACION Es la energía necesaria para convertir un mol de alcano en un radical y un átomo de hidrogeno. Energía necesaria para la formación de radicales Facilidad de formación de radicales libres HALOGENACION REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN X = Cl o Br CONDICION INDISPENSABLE REACCION GENERAL. CLORACION DEL METANO HALOGENACION REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN X = Cl o Br CONDICION INDISPENSABLE REACCION GENERAL. MECANISMO DE REACCION 1- Etapa de Iniciación Producción inicial de radicales libres ( partículas Reactivas) ( Condición necesaria : Luz UV o calor) 2- Etapa de Propagación consume más partículas reactivas y genera nuevas partículas reactivas 3- Pasos finales de la cadena: finalización CAMBIOS QUE EXPERIMENTA EL ATOMO DE CARBONO DURANTE LA HALOGENACION 45% 55% PROPORCION = Velocidad de abstracción del H # de H X Velocidad de abstracción en la cloración Velocidad de abstracción en la Bromacion H 3º = 5 H 2º = 3.8 H 1º = 1.0 H 3º = 1600 H 2º = 82 H 1º = 1.0 HALOGENACION DE ALCANOS Luz UV Luz UV a) PROPORCION = Velocidad de abstracción del H # de H 1 12 + 10 = 22 Proporción = 12:10 Para sacar porcentaje la suma de las proporciones es el 100 % 22 ----------- 100 % b) 5 22 ----------- 100 % 54.55 % 45.45 % X = 12 12 H 1o X 2 H 3° = 10 12 ----------- X X = 54.55 % 10 ----------- X X = 45.45 % X EJEMPLO 1 X 6 H primarios. = 6 82 x 2 H secundarios = 164 170 Repaso Carbonos primarios. Carbonos secundarios. Carbonos terciarios Carbonos cuaternarios CLASIFICACION DE LOS ATOMOS DE CARBONO. 3 EJERCICIO. H 1° = 1 H 2° = 82 H3° = 1600 CÁLCULOS. Para 1-Bromo-3-3-dimetilbutano 1 x 3 H1° = 3 Para 3-Bromo-2,2-dimetilbutano 82 X 2 H 2° = 164 Para 1-Bromo-2,2-dimetilbutano 1 x 9 = 9 176 176 ----- 100% 3 ------ x X = 1.70 b) 176 ----- 100% 164 ----- x X = 93.18 c) 176 ----- 100% 9 ------ x X = 5.11 69 COMBUSTION. CALOR DE COMBUSTIÓN: REACCION DE COMBUSTION calor que se libera al quemar un mol de cualquier hidrocarburo en presencia de oxigeno dando CO2 y H2O. A mayor peso molecular del alcano, mayor sera la energía desprendida a mayor PM mayor ∆H Condición indispensable Ordene los siguientes compuestos en forma decreciente de su calor de combustión Butano 2-metilpentano 3-metillheptano Propano Octano 4 6 8 8 3 c, e > b > a > d C8H18 + llama 8CO2 9H2O + + 25 2 O2 D H Hacer la reacción de combustión para el compuesto del literal c PIROLISIS: CRACKING La descomposición de una sustancia por la sola acción del calor (del griego: pyros = fuego y lysis = perdida) Da lugar a una mezcla compleja de productos, en la que el eteno suele ser el principal. Esta es un ejemplo de una reacción en cadena de un radical libre. ANALISIS DE LOS ALCANOS. Un compuesto desconocido se caracteriza como alcano por pruebas negativas* El análisis elemental cualitativo de un alcano da resultados negativos para todos los elementos, excepto el carbono y el hidrogeno Los alcanos son insolubles en agua, ácidos y bases diluidas, en ácido sulfúrico concentrado. Es decir los alcanos son inertes a todos los reactivos químicos. Pueden ser muy útiles las propiedades físicas, punto de ebullición, punto de fusión, densidad e índice de refracción. 74 Anexo. Repaso Carbonos primarios. Carbonos secundarios. Carbonos terciarios Carbonos cuaternarios CLASIFICACION DE LOS ATOMOS DE CARBONO. HIDROLISIS DEL REACTIVO DE GRIGNARD. C n H 2n +2 CH 3 -CH 2 -CH 3 CH 4 H C H H H 2S 2P 2P 2P 2P 2P 2P Hibridación 1S 2 2S 2 1S 2 C H H H H C H 4 H H H H C H H H H H H C C H H H HH H C H 3 C H 3 C H 3 H C H 3 C H C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 C H 3 H C H 3 CH 2 CH 3 H H H H H H H H H H H H H 0° 60° 120° 180° 240° 300° H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H CH 3 H H H H H H 3 C H H H H H CH 3 CH 3 H H H H CH 3 H H H H H 3 C CH 3 H 3 C H H H H 0° 60° 120° 180° CH 3 CH 3 H H H H H H H H CH 3 H 3 C H H H H CH 3 H 3 C H H H H CH 3 CH 3 H H H H CH 3 CH 3 H H H H CH 3 CH 3 H H H H CH 3 CH 3 120° 180° 60° Anti Gauche Gauche Anti C H 3 C H C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 C H 3 C H C H C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C C H 2 C H 3 C H 3 C H 3 R- X R - H Zn° metálico H + CH 3 -CH-CH-CH 3 HCH 3 CH 3 -CH-CH 2 -CH 2 -CH 3 Br Zn° metálico H + CH 3 -CH-CH 2 -CH 2 -CH 3 H 2-Bromopentano n-Pentano Br Zn° metálico H + H Br Zn° H + R X Mg R MgX + Eter (Reactivo de Grignard) Halogenuro de alquil magnesio R MgX O H 2 R H Mg(OH)X + C H 3 C H C H 3 Mg Br C H 3 C H C H 3 Mg Br Mg (OH) Br + CH 3 -CH-CH 3 H C H 3 C H C H 3 Br + Mg Eter C H 3 C H C H 3 Mg Br HO- H R-Li CuI R 2 CuLi Reactivo dialquicobrelitio R-X Li R-Li alquilitio haluros de alquilo 1°,2° o 3° R 2 CuLi R' X R-R ' + ( CH 3 - CH 2 - ) 2 CuLi Dietielcobrelitio ( CH 3 -CH 2 -) 2 CuLi + C H 3 C H 2 C H 2 Br Bromuro de n-propilo C H 2 C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 n-pentano 2 CH 3 C H 2 Br Bromuro de etilo Li Etilitio 2 CH 3 CH 2 Li 2 CH 3 CH 2 Li CuI CH 3 -CH 2 -CH-CH 3 B r Li CuI CH 3 -CH 2 -CH- CH 3 2 CuLI CH 3 -CH 2 -CH- CH 3 2 CuLI + CH 3 -CH 2 Br CH 3 -CH 2 -CH-CH 2 -CH 3 CH 3 NaBr C H 3 C H 2 CH 2 - C H 3 C H 2 CH 2 2 R X R R Haluro de alquilo Alcano simetrico X = Br o I Na° + NaBr C H 3 C H 2 C H 2 Br 2 Na° 2 C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 3 + Cl + Li Li CuI 2 CuLi Cl + Cl Zn° H + Br + Mg eter MgBr H 2 O C C H 2 + Pd, Pt ó Ni C C Alqueno Alcano CH 3 -CH=CH 2 H 2 CH 3 -CH 2 -CH 3 Ni A:B B + A B + - R H R H H D + + Radical alquilo Energia de disociacion de enlace A . . B A . B . + A : + H H = 98 Kcal/mol + H H = 104 Kcal/mol D CH 3 -H CH 3 CH 3 CH 2 -H CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 -H CH 2 CH 2 CH 3 C H 3 C H C H 3 H C H 3 C C H 3 C H 3 H C H 3 C C H 3 C H 3 C H 3 CH C H 3 + H H = 98 Kcal/mol D D + H H = 95 Kcal/mol D + H H = 92 Kcal/mol D CH 3 > 1° 2° 3° > > R - H X 2 R - X HX + + Calor o luz UV alcano halogenuro de alquilo C H 4 Cl 2 + calor o luz UV CH 3 Cl HCl + Cloruro de metilo o clorometano CH 3 Cl CH 2 Cl 2 HCl + Cloruro de metileno o diclorometano + Cl 2 calor o luz UV CH 2 Cl 2 CHCl 3 HCl + Cloroformo o triclorometano + Cl 2 calor o luz UV CHCl 3 CCl 4 HCl + Tetracloruro de carbono o tetraclorometano + Cl 2 calor o luz UV R X 2 RX X + + b) . . X . X X 2 + . R X R-X + . . R R R - R + . . Finalización no productiva Finalización productiva Finalización no productiva a) X R H HX R + + . . X 2 CALOR O LUZ UV 2X C H H H H X C H H H C H H H H Sp 2 Intermerdiario trigonal con un electron Estado de transición C H H H H C H H H X X + Rápido X C H H H Lento C H H H X X + Producto Sp 3 X C H H H H Estado de transición X Rápido C H 3 C H 2 C H 3 + Cl 2 C H 3 C H 2 C H 2 Cl C H 3 C H C H 3 Cl Cl a) Cl b) + Cl 2 Luz UV CH 3 -C-CH 2 -CH-CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 -C-CH 2 -CH 3 CH 3 CH 3 + Br 2 /CCl 4 Luz U.V CH 3 -C-CH 2 -CH 2 Br CH 3 CH 3 1-Bromo-3.3-dimetilbutano CH 3 -C-CHBr-CH 3 CH 3 CH 3 3-bromo-2,2-dimetilbutano CH 2 -C-CH 2 -CH 3 CH 3 CH 3 Br 1-bromo-2,2-dimetilbutano CnH 2 n +2 O 2 3n+1 2 + nCO 2 (n+1)H 2 O + Llama + D H CnH 2 n +2 O 2 3n+1 2 + nCO 2 (n+1)H 2 O + Llama + C H 3 C H 2 C H 3 C H 3 C H C H 2 C H 2 C H 2 C H 4 500 - 700 ºC H 2 + Propano Propeno Eteno Metano + + + CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 Br +Mg eter anhidro CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 MgBr CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 MgBr H 2 O CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 Mg(OH)Br +
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