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Academia MinasCentro UniversitarioCalle Ura 43-1 Oviedo

Tel. 985 24 12 67- 985 24 59 06.En Oviedo, desde 1961Los derechos de copia, reproduccin y modificacin de este documento son propiedad de Germn Fernndez. El presente documento se almacena y distribuye a travs de las webs: http://www.rincondelgrado.comhttp://www.quimicaorganica.net http://www.quimicaorganica.orgSolo est permitida la distribucin de este material desde los servidores indicados. La descarga de este libro electrnico es totalmente gratuita, estando prohibido cualquier beneficio econmico durante su distribucin.Este libro electrnico se distribuye de forma gratuta, como material de apoyo en los cursos de qumica orgnica, impartidos por Academia Minas de Oviedo, tanto en forma presencial como Online.

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En Oviedo, a 23 de Julio de 2011

Germn Fernndez

CONTENIDOSii

1. INTRODUCCIN2. TIPOS DE ALCANOS3. PROPIEDADES FSICAS DE LOS ALCANOS4. NOMENCLATURA DE ALCANOS5. ISMEROS CONFORMACIONALES6. PROYECCIN DE NEWMAN7. DIAGRAMAS DE ENERGA POTENCIAL8. COMBUSTIN DE ALCANOS9. PROBLEMAS RESUELTOS

Alcanos

EtanoButano1. INTRODUCCINTipos de alcanosLos alcanos son hidrocarburos (formados por carbono e hidrgeno) que solo contienen enlaces simples carbono-carbono. Se clasifican en lineales, ramificados, cclicos y policclicos.Nomenclatura de alcanosLos alcanos se nombran terminando en -ano el prefijo que indica el nmero de carbonos de la molcula (metano, etano, propano...)

Propiedades fsicas de los alcanosLos puntos de fusin y ebullicin de alcanos son bajos y aumentan a medida que crece el nmero de carbonos debido a interacciones entre molculas por fuerzas de London. Los alcanos lineales tienen puntos de ebullicin ms elevados que sus ismeros ramificados.Ismeros conformacionalesLos alcanos no son rgidos debido al giro alrededor del enlace C-C. Se llaman conformaciones a las mltiples formas creadas por estas rotaciones.Proyeccin de NewmanLa energa de las diferentes conformaciones puede verse en las proyecciones de Newman. As, en el caso del etano la conformacin eclipsada es la de mayor energa, debido a las repulsiones entre hidrgenos.Diagramas de energa potencialLas diferentes conformaciones de los alcanos se puede representar en un diagrama de energa potencial donde podemos ver que conformacin es ms estable (mnima energa) y la energa necesaria para pasar de unas conformaciones a otras.Combustin de alcanosDada su escasa reactividad los alcanos tambin se denominan parafinas. Las reacciones ms importantes de este grupo de compuestos son las halogenaciones radicalarias y la combustin. La combustin es la combinacin del hidrocarburo

con oxgeno, para formar dixido de carbono y agua.

DodecaedranoModelo molecular del Dodecaedrano La sntesis total del dodecaedrano fue realizada en

1983 por Leo A. Paquette,

Robert J. Ternansky, Douglas

W. Balogh y Gary Kentgen

CubanoModelo molecular del cubanoSlido cristalino sintetizado en1964 por el profesor Philip Eaton de la Universidad de Chicago

2. TIPOS DE ALCANOSAlcanos lineales y ramificadosLos alcanos son hidrocarburos que slo contienen enlaces sencillos. Se clasifican en alcanos lineales, ramificados, cclicos y policclicos.Serie homlogaLos alcanos lineales forman una serie homologa ya que slo difieren en el nmero de -CH2- y pueden obtenerse a partir de una formula general:CH3-(CH2)n-CH3IsmerosSe llaman ismeros a compuestos que tienen la misma frmula molecular pero diferente estructura. El butano y el 2-metilpropano son ismeros de

formula C4H10.

3. PROPIEDADES FSICAS DE LOS ALCANOS

Alcanos linealesLos alcanos lineales presentan una cadena carbonada sin ramificaciones. Son alcanos lineales el etano, propano, butano, pentano, hexano, heptano.....

Modelo del ButanoAlcanos ramificadosLos alcanos ramificados, estn formados por una cadena lineal, de la que parten sustituyentes (ramificaciones)

Interaccin por fuerzas de LondonEn los alcanos, los puntos de fusin aumentan al aumentar el tamao molecular, a mayor superficie se produce una mayor atraccin debido a lasfuerzas de London.Puntos de ebullicin en alcanosLos puntos de ebullicin tambin aumentan con el peso molecular, cuanto ms pesada es una molcula ms energa requiere para pasar del estado lquido al gaseoso.

Alcanos lineales y ramificadosLos alcanos ramificados poseen superficies ms pequeas que sus ismeros lineales, por lo que las fuerzas atractivas son menores, dando lugar a puntos de fusin y ebullicin mas bajos

Modelo del metilpropanoEstructura de los alcanosLos alcanos presentan carbonos con hibridacin sp3, con angulos de enlace de 109.5 y distancias de enlace sobre 109 pm.

1,1

109

Solubidad en aguaLos alcanos son insolubles en agua dada su casi nula polaridad. Sus densi- dades se situan entre 0.6 y 0.8 g/ml por lo que flotan en el agua.

Modelo molecular del metano4. NOMENCLATURA DE ALCANOSEstructura del nombreEl nombre de un alcano est compuesto de dos partes, un prefijo que indica el nmero de carbonos de la cadena seguido del sufijo -ano que caracteriza este tipo de compuestos, (met-ano, et-ano, prop-ano, but-ano).Eleccin de la cadena principalEncontrar y nombrar la cadena ms larga de la molcula. Si la molcula tiene dos o ms cadenas de igual longitud, la cadena principal ser la que

tenga el mayor nmero de sustituyentes.

MetilbutanoMolcula con cadena principal de cuatro carbonos que presenta un metilo en la posicin 2

H2 H2

1H3C 2

CH37C5

CHCH3

CH3 CHH3C 6

C4C 3H2H2C2

CH31

H3C6

CH 45C H2

CHCH33C H2

2,3-DimetilbutanoMolcula con cadena principal3-Metilheptano3-Etil-2,5-dimetilhexanoNumeracin de la cadena principalNumerar los carbonos de la cadena ms larga comenzando por el extremo ms prximo a un sustituyente. Si hay dos sustituyentes a igual distancia

de los extremos, se usa el orden alfabtico para decidir como numerar.

de cuatro carbonos y dos sustituyentes (metilos) en posiciones 2,3.

CH3 CH3123456

CH312345678CH3

H2C

CH3

CH32,4-Dimetilhexano5-Etil-2,3,7-trimetiloctanoFormacin del nombreEl nombre del alcano se escribe comenzando por el de los sustituyentes

Gupos con nombres comunesCH3en orden alfabtico, con los respectivos localizadores, y a continuacin se aade el nombre de la cadena principal. Si una molcula contiene ms de un sustituyente del mismo tipo, su nombre ir precedido de los prefijos di, tri, tetra, ect

1

H3C

H3C

CHCH3C CH3

Isopropilo

ter t-butilo

987654321

2345678

H3C

CH3CHC H2

Isobutilo6-Isopropil-3,5-dimetilnonano2,2,3,6,7-Pentametiloctano5. ISMEROS CONFORMACIONALES

Etano alternadoConformaciones del etanoEn el modelo molecular del etano, representado a la derecha, podemos ver que los metilos pueden girar fcilmente uno respecto al otro. La energa necesaria para este giro, es de tan solo 3 kcal/mol. Se puede decir que hay rotacin libre alrededor de los enlaces simples.

Es la conformacin de menor energa del etano. Evita las repulsiones entre los hidrgenos de carbonos vecinos.Conformaciones alternada y eclipsada del etanoHay dos maneras de dibujar la molcula de etano: la conformacin alternada y la eclipsada. En la conformacin alternada cada tomo de hidrgeno del primer carbono se encuentra situado entre dos tomos de hidrgeno del segundo carbono, lo que evita repulsiones y hace que esta conformacin sea de baja energa. En la conformacin eclipsada todos los tomos de hidrgeno del primer carbono se hallan enfrentados a los del segundo. La rotacin del metilo entorno al enlace C-C, permite el paso de la conformacin alternada a la eclipsada y viceversa.Las mltiples formas del etano creadas por rotacin alrededor del enlace C- C son conformaciones y el estudio de las mismas se denomina anlisis conformacional.Ismeros conformacionales del butanoEn el butano la rotacin alrededor del enlace C2-C3 tambin genera conformaciones alternadas y eclipsadas, entre las que destacan: conformacin sin, conformacin anti y conformacin gauche. En estosmodelos moleculares se representan las conformaciones anti, sin y gauche del butano.

Butano ANTI Butano SIN

Etano eclipsadoLos hidrgenos se encuentran enfrentados (eclipsados) dando lugar a una conformacin de alta energa.

Butano Gauche

La conformacin anti es la de mayor estabilidad del butano, los grupos metilo estn alejados y no interaccionan. La conformacin gauchees de menor estabilidad, en ella existe una interaccin entre metilos que estn situados a 60, llamada interaccin gauche.6. PROYECCIN DE NEWMANQu es una proyeccin de Newman?

Proyeccin butano gaucheLa proyeccin de Newman se obtiene al mirar la molcula a lo largo del ejeC-C. El carbono frontal se representa por un punto, del que parten los tres

H3C

H CH3C Cenlaces que lo unen a los sustituyentes. El carbono de atrs se representa por un crculo y los enlaces que salen de este carbono se dibujan a partir de este crculo.R1

HH3C

H HCH3HR1

R4 R C C

R4 R5HHHR2 R3

R2 R3R6Proyeccin de Newman del etano alternado y eclipsadoLas conformaciones del etano se pueden representar fcilmente con esta proyeccin. En el caso de la conformacin eclipsada para hacer mas

Proyeccin butano antiH CH3HC Cvisibles los tres hidrgenos posteriores, stos se dibujan ligeramente girados respecto a la posicin totalmente eclipsada.

H3CH

H HCH3HH1 H4

H1H5 H4 H5

H1 H4H5C C

H

H CH3H2H3 H6

H2 H3H6

H2 H3H1 H5

H1 H5

Proyeccin butano sinH2 H4H

H4H6 H2

H1 H5C CH3 H2 H H6

H3CC C

CH3H3 H6

H3 4

H H HProyeccin de Newman para las conformaciones del butanoEn la columna derecha se incluyen las conformaciones sin, anti y gauche del butano, con sus respectivas proyecciones de Newman, en las que se pueden observar las interacciones entre grupos metilo. La conformacin ms estable es la anti (no presenta repulsiones metilo-metilo), siendo la conformacin sin la de mayor inestabilidad (energa elevada) debido al eclipsamiento metilo-metilo.

CH3CH3HH

H HH3C

H CH3C C

H3C

CH3H

Butano gaucheH H H H

H HHCH3HCC

CH3H HH3CH H

H

H CH3

Conformacin alternada del Butano que presenta una interaccin entre grupos metilo situados a 60, llamadainteraccin gauche.H3CCC

CH3

CH3CH3H

Butano antiH H H H H

H H7. DIAGRAMAS DE ENERGA POTENCIALDiferencia de energa entre conformacionesLas diversas conformaciones del etano no tienen la misma energa, esto se debe a la repulsin electrnica entre hidrgenos. Cuando vamos girando la molcula a partir de una conformacin alternada, la distancia entre los tomos de hidrgenos de los respectivos grupos metilo empieza adisminuir, produciendo un aumento de la repulsin entre los pares de electrones enlazantes de los enlaces C-H. La energa potencial del sistema aumenta hasta llegar a la conformacin eclipsada.Diagrama de energa potencial del etanoLas diferencias de energa entre las distintas conformaciones pueden verse representando grficamente la energa de cada conformacin frente al ngulo girado. Como puede observarse en el diagrama del etano, las conformaciones eclipsadas son los mximos de energa y las alternadas los mnimos.

Los metilos estan a 180 minimizandose las repulsiones. Es la conformacin ms estable del butanoButano sinConformacin eclipada del butano que presenta una interaccin de eclipse CH3/CH3. Es la conformacin de ms alta energa.Para obtener el diagrama de energa potencial del etano partimos de la conformacin eclipsada y vamos

realizando giros de 60 hasta recorrer los 360.HHH H

HH HCCH

60

HH6060HH HH HH HH

H

HH

H H

H[1][2][3]HHH60

H HHHH H60

Energas:

E2: [1], [3], [5]H

HH

H H

H

HHE1: [2], [4, ][6]H[4]

[5][6]Clasificamos las distintas conformaciones segn energa. Las alternadas [1], [3] y [5] tienen la misma energa, que llamaremos E1 (en el diagrama la tomaremos como cero). Las conformaciones [2], [4]y [6] tienen ms energa debido a los eclipsamientos hidrgeno-hidrgeno. Estas conformaciones eclipsadas

estn unas 12 KJ/mol por encima de las alternadas.H HH HH

H H HHHHH

H HH HH

H HHHHHHeclipsada [1]

eclipsada [3]

eclipsada [5]

eclipsada [1]HHHHHHHHHH

HH

HH

H H

H

Halternada [2]

alternada [4]

alternada [6]Diagrama de energa potencial del butanoEn el diagrama del butano existen mas conformaciones que una alternada y una eclipsada. La conformacin alternada que tiene los metilos lo ms lejos posible uno del otro se llama anti [4] y es la ms estable, al tener las mnimas repulsiones. La rotacin del carbono de atrs 60 da lugar a una eclipsada [5] con dos interacciones metilo-hidrgeno, un nuevo giro da lugar a otra alternada llamada gauche [6]. Un tercer giro deja los metilos enfrentados (eclipsados) se denomina conformacin sin [1] y es la de mayor

energa potencial.H3C

CH3

CH3

H CH3H3C CH3CC

60H

HCH3

6060CH3HHH HH HHHHH[1][2][3]CH3HH

60

H CH3H

60

CH3H3C H

Energas: E4: [1]H

H CH3

HH H3C

E3: [3], [5]HHE2: [2], [6]HE1: [4][4][5][6]H3C

CH3

H3C

CH3H HHHSin [1]

H CH3

H CH3

H HHHSinHH [3]

CH3H

H H3C

H H[5]CH3

CH3HCH3

CH3HH

H3C HHHHHHH

H HGauche [2]

CH3Anti [4]

Gauche [6]8. COMBUSTIN DE ALCANOSEl proceso de la combustinLa combustin es un proceso general de todas las molculas orgnicas, en la cual los tomos de carbono de la molcula se combinan con el oxgeno convirtindose en molculas de dixido de carbono (CO2) y los tomos dehidrgeno en agua lquida (H2O). La combustin es una reaccinexotrmica, el calor desprendido se llama calor de combustin y enmuchos casos puede determinarse con exactitud, lo que permite conocer el contenido energtico de las molculas.Reaccion de combustin ajustada2CnH2n+2 + (3n+1)O2 2nCO2 + (2n+2)H2O

Metno HdricoEl metano hdrico es una sustancia cristalina parecida al hielo, compuesta de molculas de agua y

metano.Estabilidad de ismerosComparando calores de combustin de alcanos ismeros se observa que sus valores no son iguales. As el 2-metilpropano desprende en su combustin -685.4 kcal/mol, mientras que el butano desprende -687.4 kcal/mol. Estos datos demuestran que el butano tiene un contenido energtico superior al 2-metilpropano y por tanto es termodinmicamente menos estable.

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Cadena principal: la de mayor longitud (7 carbonos) heptano. Numeracin: localizador ms bajo al etilo.Sustituyentes: etilo en 3 y metilos en 2,6.Nombre: 3-Etil-2,6-dimetilheptano.b)45678321c)12468357

9 10119

Cadena principal: la de mayor longitud (11 carbonos) undecano Numeracin: comienza por el extremo ms prximo al primer sustituyente.Sustituyentes: etilo en 4, isopropilo en 7 y metilos en 3,4,5.Nombre: 4-Etil-3,4,5-trimetil-7-isopropilundecano.Cadena principal: la de mayor longitud (9 carbonos) nonano. Numeracin: comienza en el extremo ms cercano al primer sustituyente.Sustituyentes: isopropilo en 6 y metilos en 3,5.Nombre: 6-Isopropil-3,5-dimetilnonano.d)1234567

Cadena principal: la de mayor longitud y ms ramificada(7 carbonos) heptano.Numeracin: parte del extremo ms cercano a un sustituyente. Sustituyentes: etilo en 3; metilos en 2,5; isopropilo en 4. Nombre: 3-Etil-4-isopropil-2,5-dimetilheptano.PROBLEMA 2. Proponer las frmulas estructurales de los ismeros relacionados por las frmulas moleculares mostradas en cada caso.

a) C4H9Br (4 bromoalcanos)b) C3H9N (4 aminas)

a) En primer lugar calculamos las insaturaciones de la frmula molecular C4H9Br, comparndola con la formula molecular de un alcano (compuesto saturado) CnH2n+2. Un compuesto saturado de 4 carbonos debe tener 10 hidrgenos, que son los que tiene la formula, si contamos el halgeno como un hidrgeno.

Por tanto la formula C4H9Br es de un haloalcano saturado (sin dobles enlaces ni ciclos).Los dos primeros ismeros los dibujamos a partir de una cadena lineal de cuatro carbonos. Los otros dos a

partir de la cadena ramificada 2-metilpropano.H2BrC

BrCH3

H3C BrC

CH3BrCHCC H2 H2

H3C

CHCH3C H2

H3C

CH3

CCH3H2b) Cuando en una frmula molecular hay nitrgeno, se cambia por CH, para calcular las insaturaciones. Haciendo este cambio, la frmula nos queda: C4H10. Esta frmula es la de un alcano (saturado) de 4 carbonos.Los ismeros de frmula C3H9N no pueden presentar ciclos ni dobles enlaces (compuestos saturados)H3C

H2C

CNH2H2

H3C H C

NH2

CH3

H3C

H2CCH3N H

H3C

N CH3

CH3PROBLEMA 3. Dibujar las conformaciones ms estable y menos estable del 2,3-dimetilpentano entre los carbonos C3-C4.

Primero dibujamos la molcula de 2,3-dimetilpentano en el espacio. La conformacin ms estable ser una de las alternadas y la menos estable una de las eclipsadas.

H3C CH2CH3CC

H3CH2C

CH3

CH3HCH3 H[1]

CH3

HCH3H

(c) Germn FernndezLa conformacin [1] es la ms inestable de la molcula al ser eclipsada y tener los grupos voluminosos enfrentados en el espacio. As, presenta dos eclipsamientos importantes: metilo-etilo y metilo-metilo. Estas

importantes interaciones pueden observarse en la proyeccin de Newman.H3C

CH2CH3H

CH3HCH2CH3CC

H3CH[2]

CH3

H

CH3

CH3H3C

H CC

CH3

CH3H3C H

H3CH[3]

CH2CH3

HCH3CH2CH3H3C

CH3CH2CH3

CH3H3CH3C CH3CC

H3C HH

[4]

HCH3H

La conformacin [3] es la de menor energa, por tener 2 interacciones Gauche, mientras que las

conformaciones [2] y [4] tienen tres interacciones.(c) Germn Fernndez

A

5

R

6

6

H

HH

H