Tema1. Alcanos Alquenos y dienos

Tema 1 de la asignatura Principales Compuestos Químicos de la UNED

1. Principales Compuestos Químicos Tema 1. HIDROCARBUROS I: ALCANOS. ALQUENOS. DIENOS Y POLIENOS . Grado en Química

2. Grado en Química Unidad Temática 1. Compuestos orgánicos En este primer bloque temático se comenzará el estudio de los compuestos llamados orgánicos que contienen todos carbono e hidrógeno y también oxígeno, nitrógeno o azufre. Debido a su importancia y como introducción a la Química Orgánica del segundo año de Grado en Química, se ha tratado de darle un papel más relevante en la Química General descriptiva para que los estudiantes vayan familiarizándose con ella y por ello se comienza con su estudio

3. Grado en Química CONOCIMIENTOS PREVIOS Conocer el concepto de hibridación de orbitales atómicos ( sp 3 , sp 2 , sp ) Conocer las características de los enlaces covalentes Conocer los conceptos de electronegatividad y polaridad de un enlace Conocer los distintos tipos de fuerzas intermoleculares en los tres estados de la materia Dominar la teória ácido-base ( Brönsted-Lowry y Lewis)

4. Grado en Química OBJETIVOS DE APRENDIZAJE GENERALES Reconocer los diferentes grupos de hibrocarburos , los alcanos, alquenos y dienos , describiendo su estructura justificando sus propiedades físicas y su reactividad

5. Grado en Química OBJETIVOS DE APRENDIZAJE ESPECÍFICOS Reconocer y nombrar hidrocarburos saturados e insaturados Describir y conocer las diferentes maneras de representar los hidrocarburos saturados e insaturados Proyecciones de Newman para representar las conformaciones de los alcanos Nombrar y formular alcanos, alquenos, radicales alquilo y dienos Nombrar e identificar los diferentes tipos de isómeros de los alcanos y alquenos Predecir las propiedades físicas y químicas y relacionarlas con su estructura y reactividad Conocer la reactividad básica de los alcanos, alquenos y dienos

6. Grado en Química La Química Orgánica Friedrich Wöhler (1800–1882) Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono , y prácticamente siempre hidrógeno. Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono , y prácticamente siempre hidrógeno. Son muy abundantes, su número es muy elevado, y ello se debe a que el elemento carbono se une consigo mismo mediante enlaces covalentes fuertes (sencillos ó múltiples), originando cadenas lineales , ramificadas o cíclicos. Hasta el principio del siglo XIX , los compuestos orgánicos se obtenían de fuentes naturales, es decir de organismos vivientes. En 1828, Friedrich Wöhler se propuso sintetizar el cianato amónico NH 4 (CON) y lo hizo mediante la siguiente reacción pero al calentar en exceso urea.

7. Grado en Química

8. Grado en Química Los compuestos orgánicos más sencillos se denominan hidrocarburos , y contienen únicamente átomos de carbono e hidrógeno LOS HIDROCARBUROS

9. Grado en Química EL ÁTOMO DE CARBONO Y LA MOLÉCULA DE METANO El átomo de carbono tiene la singularidad de poseer la habilidad de formar enlaces covalentes fuertes consigo mismo para formar cadenas lineales, ramificadas y anillos de ahí la gran variedad de compuestos de carbono. El Carbono es el primer elemento del grupo 14 de la Tabla periódica y su configuración electrónica es 1 s 2 2 s 2 2 p 2 . Los átomos de carbono pueden : Metano orbitales híbridos sp 3 Establecer cuatro enlaces covalentes sencillos por hibridación sp 3 (forma tetraédrica con ángulos de 109,5º), como en el metano que es el hidrocarburo más sencillo, que pertenece a la familia de los alcanos . Participar en enlaces covalentes dobles por hibridación sp 2 (forma trigonal plana con ángulos de 120º) y formación de un enlace s y un enlace p , como en el eteno , de la familia de los alquenos . Formar enlaces covalentes triples mediante hibridación sp (forma lineal con ángulos de 180º), y formación de un enlace s y dos enlaces p , como en el etino , de la familia de los alquinos.

10. Grado en Química Orbitales híbridos sp 3 Estado fundamental Estado excitad o Mediante la combinación de las funciones de onda de los orbitales s y los p se forman cuatro orbitales híbrídos . Estos orbitales tiene una energía intermedia entre la de los orbitales 2 s y 2 p . Estos orbitales nuevos son orbitales sp 3 .Estos orbitales tiene un 25% carácter s y 75% carácter p. La disposición espacial de estos orbitales de tetraédrica y el á ngulo entre los orbitales es de 109 o 47’. En el metano estos orbitales forman enlaces covalentes s con los orbitales s del átomo de hidrógeno

11. Grado en Química ALCANOS Los hidrocarburos saturados o alcanos son compuestos formados por carbono e hidrógeno, con todos los átomos de carbono con hibridación sp 3 y enlaces covalentes sencillos de tipo s . Poseen el número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a cada carbono, y de ahí el término hidrocarburo saturado utilizado para describirlos Los alcanos de cadena abierta o hidrocarburos alifáticos tienen la fórmula general C n H 2n+2 donde n toma el valor de los números naturales 1, 2, 3, 4… A medida que aumenta n en la fórmula general C n H 2n+2 se genera la serie homóloga de los alcanos en la que cada miembro difiere de su vecino inmediato en un grupo CH 2 (denominado metileno).

12. Grado en Química NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALCANOS

13. Grado en Química NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALCANOS 1. La cadena continua de mayor longitud de átomos de carbono o cadena principal se indica mediante un prefijo derivado de los numerales griegos, pent - para cinco átomos de carbono, hex - para seis átomos de carbono, hept - para siete átomos de carbono, oct- para ocho átomos de carbono, non- para nueve átomos de carbono, dec - para diez átomos de carbono, …., al que se añade el sufijo -ano . 2 . Las posiciones y el nombre de las ramificaciones de la cadena principal se añaden como prefijos al nombre del hidrocarburo de cadena más larga. La posición de unión se expresa por la numeración de la cadena más larga, comenzando por el extremo más próximo a la ramificación .

14. Grado en Química Fórmula Estructural Fórmula enlace-línea Fórmula Desarrollada Fórmula Espacial Modelo molecular varilla y bola ( ball and stick ) Modelo compacto o espacio lleno (CPK) CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 Fórmula condensada

15. Grado en Química CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS Con los modelos moleculares se puede visualizar al rotación en torno al enlace C-C Para el caso del etano, pasamos de una conformación eclipsada a una alternada. Las proyecciones de Newman visualizan la estructura a lo largo del enlace que une ambos átomos de carbono y proyectarla sobre el plano, de tal forma que los grupos unidos al átomo de carbono más próximo al observador se dibujan enlazados al punto central de un círculo, que representaría al átomo, mientras los del más alejado se dibujan como si partieran desde detrás del círculo, y por tanto sus enlaces sólo son visibles parcialmente.

16. Grado en Química Diagrama de energía de las conformaciones de un alcano Entre las conformaciones eclipsada y alternada existen infinitas disposiciones sesgadas intermedias que no es posible separar ni aislar en condiciones normales. En general las moléculas tienen preferencia por la conformación alternada por ser menores las repulsiones entre los átomos de hidrógeno. La diferencia de energía entre las conformaciones alternada y eclipsada es de unos 12,5 kJ.mol -1 , que se puede vencer fácilmente a temperatura ambiente, y las moléculas rotan constantemente.

17. Grado en Química VISUALIZACI ÓN DE MODELOS MOLECULARES El estudiante debe hacer uso de los recursos en Internet para visualizarlas moléculas orgánicas , como parte de las competencia a adquirir. Se introduce el uso de software como Marvin skecht , Chemskecht , Chime, pymol http:// www.chemtube3d.com/ http://www.acdlabs.com/products/draw_nom/draw/chemsketch/ https://chemaxon.com/products

18. Grado en Química Las fuerzas de van der Waals explican los puntos de fusión y ebullición de los alcanos. Las fuerzas de atracción entre dos moléculas debido a la formación de dipolos inducidos. En las moléculas lineares y de cadena larga hay más probabilidad de inducir dipolos en varios puntos y por ello las fuerzas son mayores y también sus puntos de fusión Momento dipolar enlace C-H en alcanos 0.3 D p.e . =-161 o C p.e . = 36 o C p.e . = 9.5 o C

19. Grado en Química PROPIEDADES DE LOS ALCANOS Los alcanos son compuestos no polares, insolubles en agua, de bajo punto de fusión y ebullición A medida que se avanza en la serie homóloga, crece la masa molecular y las atracciones intermoleculares (fuerzas de van der Waals) son más fuertes. Así se llega a un término de la serie que será líquido, y más adelante a otro que será sólido a temperatura ambiente; del pentano al heptadecano son líquidos y del octadecano en adelante sólidos En cuanto a los alcanos ramificados que poseen mayor esfericidad, sus puntos de ebullición son más bajos que los correspondientes isómeros de cadena lineal (ver pentano, isopentano y neopentano ). En cambio los puntos de fusión de algunos alcanos con ramificaciones, que dan lugar a moléculas simétricas y adaptables unas a otras, pueden ser anormalmente elevados (ver 2,2,3,3-tetrametilbutano).

20. Grado en Química

21. Grado en Química ISOMERÍA En química orgánica podemos distinguir los siguientes tipos de isómeros, es decir compuestos que presentan la misma fórmula molecular pero cuyos átomos se conectan de manera diferente o su distribución espacial es diferente Estructurales Estereoisómeros Cadena o esqueleto Posición Función Isomería Z, E o cis , trans Diastereisómeros (no son imágenes especulares) Ópticos Geométricos Enantiómeros ( imagen especular) Centros quirales

22. Grado en Química ISÓMEROS ESTRUCTURALES DE ESQUELETO DE LOS ALCANOS

23. Grado en Química Los enlaces en los alcanos son de tipo s por lo que son poco reactivos No reaccionan con ácidos ni bases fuertes. No reaccionan con oxidantes fuertes como el permanganato ni pueden ser reducidos por el hidrógeno Reaccionan mediante mecanismos de formación de radicales ( halogenación ) y también dan reacciones de combustión con el oxígeno y de pirólisis , en ausencia de oxígeno y también reacciones de isomerización. Todas ellas ocurren mediante la ruptura de los enlaces C-C o C-H REACTIVIDAD DE LOS ALCANOS

24. Grado en Química REACCIONES DE COMBUSTIÓN Debido a que todos los enlaces covalentes del alcano se rompen, el cálculo del calor de combustión o calor desprendido en la reacción nos puede dar una idea de la fuerza de dichos enlaces y de la estructura de la molecular. Los calores de combustión permiten evaluar la estabilidad de los alcanos, y en general un alcano ramificado es más estable que su isómero menos ramificado . Si la cantidad de oxígeno no es suficiente se puede producir monóxido de carbono, un gas tóxico. CH 3 -CH 2 -CH 3    +   4 O 2    ——>  CO 2    +   2 CO   +   4 H 2 O   +   calor

25. Grado en Química

26. Grado en Química Estas reacciones tienen lugar cuando los alcanos se calientan a alta temperatura en ausencia de oxígeno. Se producen rupturas homolíticas de enlaces C-H y C-C dando lugar a la formación de radicales libres que se recombinan o desproporcionan originando una mezcla de alcanos y alquenos de masa molecular menor que la del alcano de partida . REACCIONES DE PIRÓLISIS

27. Grado en Química PROCESOS DE CRAQUEO DEL PETRÓLEO El proceso de Cracking o craqueo del petr ó leo es el proceso mediante el cual se rompen enlaces C-C de hidrocarburos de cadena larga para dar hidrocarburos de cadena más pequeña. Este proceso se realiza a temperaturas y presiones elevadas o a temperaturas y presiones más bajas en presencia de un catalizador. Los diferentes fragmentos se separan por destilación fraccionada

28. Grado en Química ¿ Qué es el número de octano de la gasolina? Í nd ice de octano 100 Í ndice de octano 0 Es la capacidad antidetonante de la gasolina cuando se comprime dentro de un cilindro deun motor, mide la capacidad de autocombustión de la gasolina El 2,2,4-trimetilpentano es el que mejor funciona como combustible, ya que no autocombustiona y se le asigna un í ndice de octano 100 mientras que el heptano el que mas autocombustiona y se le asigna un í ndice de octano 0. Del proceso de craqueo se obtiene gasolina con un í ndice de octano 50-60 que no es adecuado para la combusti ó n en automóviles y por ello debe ser sometido al proceso de reformado ( isomerización y formación de radicales para formar hidrocarburos más ramificados). La gasolina comercial tiene un índice de octano de 80 a 90

29. Grado en Química . A REACCIONES DE SUSTITUCIÓN RADICAL La reacción de sustitución más importante es la halogenación , es decir la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de halógeno. Tiene lugar cuando un alcano se trata con un halógeno en fase gaseosa en presencia de luz ultravioleta ( hn ) o calor (D).

30. Grado en Química Iniciación Propagación Terminación

31. Grado en Química REACCIONES DE ISOMERIZACIÓN El mecanismo de reacción es iónico , transcurre a través de carbocationes formados por abstracción de un anión hidruro por el ácido de Lewis. Un carbocatión es una especie química cargada positivamente con un átomo de carbono sólo con seis electrones en su capa externa y un orbital vacío, que se obtiene por ruptura heterolítica ( heterolisis ) de un enlace covalente, en este caso carbono-hidrógeno.

32. Grado en Química REACCIONES DE ISOMERIZACIÓN DE LOS ALCANOS: CARBOCATIONES Estabilización por deslocalización de la carga

33. Grado en Química ALQUENOS Los alquenos son hidrocarburos insaturados que contienen un doble enlace carbono-carbono y su fórmula general es C n H 2n . El átomo de carbono presenta un hibridación sp 2 . Estos orbitales híbridos tienen mayor carácter s. Los dos enlaces p son más lábiles que los s y los alquenos serán más reactivos que los alcanos. La rotación del enlace C-C esta impedida ya que la energía de enlace es mayor que en los alcanos y la resistencia de los enlaces p a la torsión C=C 1,34 Å Geometría trigonal plana 120 o 121.3 o

34. Grado en Química NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALQUENOS Elegir como cadena principal la más larga que contenga el doble enlace. Numerar los átomos de carbono de la cadena principal de manera que el doble enlace tenga el número más bajo posible. Utilizar la terminación o sufijo - eno en lugar de -ano.

35. Grado en Química ISOMERÍA ESPACIAL GEOMÉTRICA DE LOS ALQUENOS cis o ( Z )-2-buteno Zusammen trans o ( E )-2-buteno Entgegen

36. Grado en Química PROPIEDADES F ÍSICAS DE LOS ALQUENOS Los alquenos tienen propiedades físicas muy similares a las de los alcanos. Los que poseen menos de cinco átomos de carbono son gaseosos, hasta los términos de la serie con 17 o 18 átomos de carbono son líquidos y a partir de éstos sólidos

37. Grado en Química ISOMERÍA DE POSICIÓN DE GRUPO FUNCIONAL DE LOS ALQUENOS Los alquenos presentan isomería de posición de grupo funcional originada por la distinta localización del doble enlace, el grupo funcional, en la cadena hidrocarbonada. Por ejemplo, es la que tiene lugar entre el 1-buteno y el 2-buteno:

38. Grado en Química Las especies electrófilas serán por ejemplo carbocationes o en los compuestos HX, donde X es un halógeno, el H que tendrá una carga parcial positiva,las especies nucleófilas son las que presentan carga negativa o carga parcial negativa o alta densidad electrónica REACTIVIDAD DE LOS ALQUENOS El alqueno se comporta como una base que comparte su par de electrones p con el reactivo ácido o electrófilo atacante. De este modo los alquenos experimentan reacciones de adición electrófila tanto con ácidos (de Lewis o de Brönsted ) como con oxidantes. Como estos compuestos poseen una nube de densidad electrónica en los enlaces p serán susceptibles de ser atacados por especies electrófilas . Ya que un doble enlace es una especie nucleófila o base de Lewis Electrófilos Nucleófilos

39. Grado en Química Reacciones de adición electrófila o electrofílica Adición de haluros de hidrógeno Regla de Markovnikov el fragmento más positivo de un reactivo del tipo HX se une al átomo de carbono que posee un mayor número de átomos de hidrógeno .

40. Grado en Química Adición de agua Adición de halógenos

41. Grado en Química Adición de hidrógeno Polimerización

42. Grado en Química En los años 50, Karl Ziegler y Giulio Natta desarrollaron un procedimiento para controlar la orientación espacial de los grupos sustituyentes en los polímeros sintetizados por adición utilizando un catalizador de ( CH 3 CH 2 ) 3 Al + TiC l4 . Premio Nobel de Química 1963

43. Grado en Química Reacciones de Oxidación KMnO 4 , OsO 4 Puede ocurrir que se oxide únicamente el enlace p sin ruptura del enlace s : O bien que tenga lugar la oxidación del enlace p con ruptura del enlace s : O 3

44. Grado en Química DIENOS Y POLIENOS Los dienos son hidrocarburos que poseen dos dobles enlaces en su molécula, con lo que su fórmula general es C n H 2n-2 . Para nombrarlos se elige la cadena más larga que incluya a los dos dobles enlaces y se numera de forma que les correspondan los números más bajos. Se cambia la terminación -ano del alcano por - adieno .

45. Grado en Química Los dienos aislados presentan las mismas reacciones que las de los alquenos los dienos conjugados , como el 1,3-butadieno o el ( Z )-1,3-pentadieno, los enlaces dobles y sencillos se encuentran alternados y esta disposición les confiere mayor estabilidad y una reactividad particular Los dienos acumulados reciben el nombre de alenos . Son menos estables que los alquenos aislados, y por tanto más reactivos. El primer término de la serie es el 1,2-propadieno, conocido vulgarmente como aleno .

46. Grado en Química la distancia C2-C3 es de 1,47 Å , más pequeña que la correspondiente a un enlace sencillo de un alcano (1,54 Å ), y mayor que la de un doble enlace (1,34 Å ) los dos dobles enlaces del 1,3-butadieno tienen menor carácter de doble enlace que el de un alqueno . DIENOS CONJUGADOS

47. Grado en Química POLIENOS CONJUGADOS EN LA NATURALEZA

48. Grado en Química

49. Grado en Química Distinguir alcanos, alquenos y dienos Conocer la nomenclatura de estos compuestos y aplicarla Conocer el concepto de isomería Reconocer las especies electrófilas y nucleófilas Reactividad general de alcanos y alquenos Manejo del software para dibujar estructuras químicas Relacionar las propiedades físicas y químicas de los alcanos y alquenos con su estructura Competencias adquiridas y conceptos aprendidos