2 estructura, estereoquimica alcanos.pdf

Por una sociedad más digna 1

ISOMERIA Los isómeros son compuestos diferentes con la misma fórmula molecular. En los compuestos orgánicos hay varias formas de isomería, De momento, se necesita reconocer las dos clases de isómeros: isómeros constitucionales y estereoisómeros. A. Isomería constitucional Los isómeros constitucionales son isómeros que difieren en su secuencia de enlaces, es decir, en su conectividad o forma en que están conectados sus átomos. Como ejemplo, veamos el butano. Si se pide representar una fórmula estructural para el C4H10, cualquiera de las siguientes son correctas:

CH3

I CH3- CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3

n-butano isobutano Hay tres isómeros constitucionales del pentano (C5H12), que reciben los nombres de n-pentano, isopentano y neopentano. El número de isómeros aumenta rápidamente a medida que aumenta el número de átomos de carbono.

Hay otro tipo de isómeros constitucionales que no se diferencian en el tipo de ramificaciones de sus cadenas de carbono, sino en la posición de un enlace doble u otro grupo, o bien se distinguen por poseer un anillo o cualquier otra característica diferencial.

1-penteno 2-penteno ciclopentano metilciclobutano B. Estereoisómeros Los estereoisómeros son isómeros que sólo se diferencian en la orientación de sus átomos en el espacio. No obstante, sus átomos están enlazados en el mismo orden. Por ejemplo, el cis- y trans-2-buteno tienen las mismas conexiones de enlace, por lo que no son isómeros constitucionales. Son estereoisómeros porque sólo se diferencian en la orientación espacial de los grupos que van unidos al doble enlace. El isómero cis tiene los dos grupos metilo en el mismo lado del doble enlace y el isómero trans los tiene en lados opuestos. Por otra parte, el l-buteno es un isómero constitucional del cis- y trans-2-buteno.

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI


LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS se dividirán en tres clases: (1) hidrocarburos. (2) compuestos oxigenados (3) compuestos nitrogenados. Los Hidrocarburos Son sustancias que están formadas sólo de carbono e hidrógeno. Las principales clases de hidrocarburos son los alcanos, los alquenos, los alquinos y los hidrocarburos aromáticos. Compuestos orgánicos oxigenados Muchos compuestos orgánicos contienen átomos de oxígeno enlazados a grupos alquilo. A los compuestos orgánicos que contienen átomos de oxígeno, generalmente se los puede incluir en uno de los siguientes grupos: alcoholes, éteres, cetonas, aldehídos, ácidos carboxílicos y derivados de los ácidos. Compuestos orgánicos nitrogenados El nitrógeno es otro elemento que a menudo se encuentra en los grupos funcionales de los compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos «nitrogenados» más frecuentes son las aminas, las amidas y los nitrilos.

FUNCIÓN RADICAL FORMA

Ac. CarboxílicoNitriloEsterAldehidoCetonaAlcoholÉterAminaAmida

- COOH- CN- COO -- CHO- CO -- OH- O -- NH- CONH

2

2

R - COOHR - CNR - COO - R'R - CHOR - CO - R'R - OHR - O - R'R - NHR - CONH

2

2 Problema Rodee con un círculo los grupos funcionales de las siguientes estructuras. Diga a qué clase (o clases) de compuestos pertenecen estas estructuras.

Estereoisomeros Isomeros constitucionales

Hidrocarburos

Alifáticos Aromáticos

Acíclicos Cíclicos

alcanosalquenosalquinos

ciclo alcanosciclo alquenos

bencenonaftalenoantarcenofenolanilina, etc



Estructura y estereoquímica de los Alcanos Un alcano 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. A pesar de que 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. Clasificación de los hidrocarburos Los hidrocarburos se clasifican de acuerdo con sus tipos de enlace C - C como se muestra en la Tabla 3.1. Un hidrocarburo con un doble enlace carbono-carbono(como el etileno) recibe el nombre de a/queno. Un hidrocarburo con un triple enlace carbono-carbono (como el acetileno) recibe el nombre de a/quino. Los hidrocarburos con anillos aromáticos (como por ejemplo el benceno) reciben el nombre de hidrocarburos aromáticos. Si un hidrocarburo no tiene dobles o triples enlaces, se denomina saturado, ya que tiene el número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a los carbonos. Por lo tanto, otra forma de referirse a los a/canos es como la clase o familia de los hidrocarburos saturados.

Fórmulas moleculares de los alcanos La Tabla 3.2 muestra las estructuras y fórmulas de los primeros veinte alcanos lineales. Cualquier isómero de estos compuestos tiene la misma fórmula molecular, aunque su estructura sea diferente. Si la molécula contiene n átomos de carbono, debe contener (2n + 2) átomos de hidrógeno. La Figura 3.1 muestra esta representación en la estructura de los alcanos y cómo conduce a la Fórmula general CnH2n+2 .



Nomenclatura de los alcanos Los nombres metano, etano, propano y butano tienen raíces históricas. Desde el pentano en adelante, los alcanos se nombran utilizando el prefijo griego que indica el número de átomos de carbono más el sufijo -ano para identificar la molécula como un alcano. La Tabla 3.2 recoge los nombres y las propiedades físicas de los n-alcanos con más de veinte átomos de carbono. A. Nombres comerciales Por ejemplo, hay dos isómeros de fórmula C4H10; al isómero lineal simplemente se le llama butano (o n-butano, que quiere decir butano «normal») y al isómero ramificado se le llama isobutano, que quiere decir Isomero del butano.



A los tres isómeros del C5H12 se les llama pentano (o n-pentano), Isopentano y neopentano

B. La nomenclatura de la IUPAC o nomenclatura sistemática Un grupo de químicos, que representaban a diferentes países del mundo, se reunieron en 1892 para idear una forma de nombrar compuestos que fuera fácil de utilizar, requiriendo un mínimo de memorización. Éste fue el primer encuentro del grupo al que se llamó Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, IUPAC de forma abreviada). se aceptan en todo el mundo como la forma estándar de nombrar los compuestos orgánicos. El sistema de la IUPAC utiliza la cadena de mayor número de carbonos como la cadena principal, la cual se numera para poder utilizar las cadenas laterales. Utilizaremos cuatro reglas para poder organizar todo el proceso de nomenclatura. Regla 1: la cadena principal La primera regla de nomenclatura da el nombre de la estructura básica del compuesto: Encuentre la cadena de mayor número de átomos de carbono y use el nombre de esta cadena como nombre de la estructura básica del compuesto. Por ejemplo, la cadena de átomos de carbono más larga en el compuesto siguiente contiene seis carbonos, por lo que el compuesto se nombra como derivado del hexano. La cadena más larga a veces no se encuentra en una línea horizontal.

Los grupos que van unidos a la cadena principal se llaman sustituyentes se elige como cadena principal la cadena de la derecha, ya que tiene más sustituyentes enlazados a la cadena.

Regla 2: numeración de la cadena principal. Para localizar los sustituyentes, se asigna un número a cada átomo de la cadena principal.

Numere la cadena más larga, comenzando por el extremo de la cadena más próximo a un sustituyente.



Regla 3: nomenclatura de los grupos alquilo Nomenclatura de los sustituyentes. Nombre los sustituyentes que van unidos a la cadena más larga como grupos alquilo. Indique la localización de cada grupo alquilo por el número del átomo de carbono de la cadena principal al que va enlazado. Los grupos alquilo se nombran reemplazando el sufijo -ano del alcano por –ilo metano se convierte en metilo, etano se convierte en etilo.

En los siguientes alcanos se muestra la utilización de la nomenclatura de los grupos alquilo.

unido a la cadena principal es secundario (2º), ya que está enlazado a otros dos átomos de carbono; en el grupo terc-butilo, es terciario (3º), ya que está enlazado a otros tres átomos de carbono. Tanto en el grupo n-butilo como en el isobutilo, los átomos de carbono unidos a la cadena principal son primarios (lº), al estar unidos a un solo átomo de carbono.

Los haloalcanos se pueden nombrar como los alc anos, tratando a los átomos de los halógenos como sustituyentes. Los halógenos que actúan como sustituyentes reciben los nombres de fluoro -, c1oro-, bromo- y yodo-



Regla 4: nomenclatura de compuestos con múltiples sustituyentes Esta última regla nos dice cómo se han de nombrar los compuestos con más de un sustituyente. Cuando haya dos o más sustituyentes. nómbrelos por orden alfabético. Cuando el mismo sustituyen de alquilo esté presente dos o más veces, utilice los prefijos di, tri, tetra-, etc., para evitar repetir el nombre del grupo alquilo.

Resumen : Reglas para la nomenclatura de altanos Para nombrar un alcano, se seguirán cuatro reglas: l. Encontrar la cadena de átomos de carbono más larga. 2. Numerar la cadena más larga, comenzando por el extremo más próximo a un radical. 3. Nombrar los sustituyentes de la cadena más larga (como grupos alquilo). Localizar cada sustituyente por el número del átomo de carbono de la cadena principal al que esté enlazado. 4. Cuando haya dos o más sustituyentes, habrá que nombrarlos por orden alfabético. Si dos o más sustituyentes alquilo son igua/es se usarán los prefijos di, tri-, tetra-, etc. (ignorando el orden alfabético), para evitar repetir el nombre del grupo alquilo.

Propiedades físicas de los alcanos Los alcanos se utilizan mayoritariamente como combustibles. disolventes y lubricantes. El gas natural, la gasolina, el queroseno, el aceite térmico. 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). A. Solubilidad y densidad de los alcanos Los alcanos son apolares, por lo que se disuelven en disolventes orgánicos apolares o débilmente polares. Se dice que son hidrofóbicos (repelen el agua»). ya que no se disuelven en agua. Son buenos lubricantes y protectores de los metales, ya que evitan que el agua haga contacto con la superficie del metal y provoque su corrosión. B. Puntos de ebullición de los alcanos Los puntos de ebullición aumentan ligeramente a medida que aumenta el número de átomos de carbono y, por tanto, las masas moleculares. Las moléculas más grandes tienen mayores áreas superficiales. Los alcanos ramificados tienen puntos de ebullición más bajos que los alcanos lineales. C. Puntos de fusión de los alcanos Al igual que los puntos de ebullición, los puntos de fusión aumentan al aumentar la masa molecular. Los alcanos con un número par de átomos de carbono se empaquetan mejor en una estructura sólida, por lo que se necesitan altas temperaturas para fundirlos. Los alcanos con número impar de átomos de carbono no se empaquetan tan bien, por lo que funden a temperaturas más bajas.



Un alcano ramificado generalmente funde a una temperatura más alta que la del n-alcano con el mismo número de átomos de carbono. La ramificación de un alcano da lugar a una estructura tridimensional sólida más compacta en la que las moléculas pueden empaquetarse más fácilmente. incrementando el punto de fusión. Reacciones de los alcanos Los alcanos son los compuestos orgánicos de menor reactividad. Su baja reactividad hace que también se les llame parafinas. La palabra parafina proviene del latín parum, que quiere decir «muy pequeño», y affinis, «afinidad». Los químicos observaron que los alcanos no reaccionaban con ácidos o bases fuertes ni con la mayoría de otros reactivos. Se atribuyó esta baja reactividad a la falta de afinidad por otros reactivos, por lo que se les denominó «parafinas». A. Combustión La combustión es una oxidación rápida que transcurre a temperaturas altas, transformando los alcanos en dióxido de carbono y agua.

B. Cracking e hidrocracking El cracking catalítico, a altas temperaturas, de los hidrocarburos de cadena larga da lugar a hidrocarburos de menor número de átomos de carbono. Normalmente el proceso del cracking se hace bajo unas condiciones que den un rendimiento máximo en gasolina. En el hidrocracking se añade hidrógeno para obtener hidrocarburos saturados. El cracking sin hidrógeno da mezclas de alcanos y alquenos.

C. Halogenación Los alcanos pueden reaccionar con los halógenos (F2, CI2, Br2, I2) para formar haluros de alquilo. Por ejemplo, el metano reacciona con cloro (CI2) para formar clorometano (cloruro de metilo), diclorometano (cloruro de metileno), triclorometano (c1orofonno) y tetraclorometano (tetracloruro de carbono).

Estructura y conformaciones de los alcanos A. 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.



B. Conformaciones del etano El etano, alcano de dos carbonos, está formado por dos grupos metilo, que solapan dos orbitales híbridos sp3 para formar un enlace sigma entre ellos.

Las diferentes disposiciones que se forman debido a la rotación en tomo al enlace sencillo se llaman conformaciones. y a una conformación determinada de mínima energía se le llama confórmero o isómero conformacional. Cuando se quieren representar conformaciones de forma sencilla, a menudo se utilizan las proyecciones de Newman, que resultan de la observación de una molécula a lo largo del enlace que conecta dos átomos de carbono



Cicloalcanos Los cicloalcanos son alcanos que contienen anillos de átomos de carbono. Los cic1oalcanos sencillos se nombran como los alcanos acíclicos (no cíclicos), utilizando el prefijo ciclo-, que indica la presencia de un anillo. Por ejemplo, el cicloalcano con cuatro átomos de carbono en el anillo se llama ciclohutano; el cicloalcano con siete átomos de carbono en el anillo se llama cicloheptano. A menudo se usan las fórmulas lineoangulares para representar los anillos de los cicloalcanos. A. Fórmulas moleculares generales de los cicloalcanos Los cicloalcanos más sencillos son anillos de grupos CH2 (grupos metileno). Cada cicloalcanos tiene exactamente doble número de átomos de hidrógeno que de carbono, por lo que la fórmula molecular general es CnH2n. Esta fórmula general tiene dos átomos de hidrógeno menos que la fórmula de los alcanos acíclicos (2n + 2), ya que un ciclo no tiene extremos, por lo que no se necesitan hidrógenos para saturar los extremos de la cadena. B. Propiedades físicas de los cicloalcanos La mayoría de los cicloalcanos se parecen a los compuestos acíclicos (no cíclicos) o alcanos de cadena abierta. en sus propiedades físicas y químicas. Son no polares, relativamente inertes, y con puntos de fusión y ebullición que dependen de sus masas moleculares. Los cicloalcanos se encuentran en la forma cíclica más compacta, por lo que sus propiedades físicas son similares a las de los alcanos ramificados, compactos. Las propiedades físicas de algunos cicloalcanos comunes se citan en la Tabla 3.4.

Estructuras de algunos cicloalcanos. C. Nomenclatura de los cicloalcanos

Los cicloalcanos se nombran de forma parecida a los alcanos acíclicos. Los cicloalcanos sustituidos utilizan el cicloalcano como nombre base, nombrando a los grupos alquilo como sustituyentes. Si sólo hay un sustituyente,

no se necesita numeración.



Si hay dos o más sustituyentes en el anillo, los carbonos del anillo se numeran dando el número más bajo posible a los carbonos que soportan los sustituyentes

Cuando la parte acíclica de la molécula contiene más, átomos de carbono que la parte cíclica (o cuando contiene un grupo funcional importante).la parte cíclica a veces se nombra como sustituyente cicloalquilo.

Isomería cis-trans en cicloalcanos En este aspecto, los cicloalcanos son similares a los alquenos. Un cicloalcano tiene dos caras diferentes. Si dos sustituyentes se orientan hacia la misma cara, tendrán una disposición cis y si se orientan hacia caras opuestas, será trans. Estos isómeros geométricos no se pueden convertir el uno en el otro sin romper o modificar los enlaces.



PROBLEMAS

1. Usando la fórmula general de los alcanos: (a) Prediga la fórmula molecular del alcano de cadena lineal C25 (b) Prediga la fórmula molecular del 4,6-dietil-12- (3,5-dimetiloctil)triacontano, un alcano que contiene 44 átomos de carbono. 2. Represente las estructuras del 4-isopropiloctano y del 5-terc-butildecano. 3. Nombre los siguientes alcanos y haloalcanos

4. Diga el nombre sistematico (IUPAC) del siguiente compuesto:

5. Escriba las estructuras de los siguientes compuestos: a) 3-etil-3-metilpentano b) 3-metil-5-propilnonano e) 4-terc-butil-2-metilheptano d) 5-isopropil-3,3,4-trimetiloctano 6. Nombre según las reglas de la IUPAC los compuestos siguientes

7. Represente las estructuras de los compuestos siguientes: (a) 4-(1-metiletil)heptano (b) 5-(l ,2,2-trimetilpropil)nonato 8. Sin mirar las estructuras, dé la fórmula molecular para cada compuesto del Problema 7. Utilice los nombres de los grupos para determinar el número de átomos de carbono. a continuación utilice la regla (2n + 2). 9. Nombre los siguientes compuestos según las reglas de la IUPAC:

10. Represente la estructura y escriba la fórmula molecular de cada uno de los siguientes compuestos: (a) Ciclododecano (b, Propilciclohexano (c) Ciclopropilciclopentano (d) 3-etil-l, l-dimetilciclohexano 11. (3.16)¿Cuál de los siguientes cicloalcanos es capaz de tener isomería geométrica (cis-trans)? Represente los isómeros cis y trans (a) 3-etil-l,l-dimetilciclohexano (b) 1,4-dimetilciclohexano (c ) l -etil-3-metilciclopentano (d) l -ciclopropil-2-metilciclohexano 12. (3.17) Nombre los siguientes cicloalcanos según las reglas de la IUPAC:

13. (3.34) Represente las estructuras de los siguientes compuestos: (a) 3-etiloctano (b) 4-isopropildecano (c) sec-butilcicloheptano (d) 2,3-dimetil-4-propilnonano (e) 2,2,4,4-tetrametilhexano



(f) trans-l,3-dietilciclopentano (g) cis-l-etil-4-metilciclohexano 14. (3.37) Nombre los siguientes alcanos según las reglas de la IUPAC



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