Ciencias Quimicas

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y MATERMATICA

SECCION DE QUIMICA

Instructora: Marina Ramírez

Hidrocarburos

Compuestos orgánicos cuyas moléculas están formadas sólo por átomos de carbono e hidrógeno.

Cadenas carbonadas

1. Clasificación de los hidrocarburos

Dentro de este tipo de compuestos podemos encontrar distintos grupos.

Hidrocarburos alifáticos

Son hidrocarburos de cadena carbonadas abierta:

• saturados (enlace sencillos entre carbonos)

• o insaturados (enlace/es doble y/o triple).

Existen dos tipos de cadena abiertas:

v Cadenas lineales: todos los átomos de carbono se encuentra en una sola cadena.

CH₃─CH₂─CH₂─ CH₂─CH₂─ CH₃

Cadenas ramificadas: constituidas por dos o más cadenas lineales enlazadas. La cadena lineal más importante se denomina cadena principal. Las cadenas que se enlazan con ella, radicales

Hidrocarburos saturados: parafinas o alcanos

Los alcanos son hidrocarburos en los cuales todos los enlaces carbono-carbono son enlaces simples.

Su fórmula molecular es C_nH_2n+2

El tipo de hibridación de orbitales que presenta el carbono en los alcanos es sp³ y un ángulo de 109.5°

Propiedades físicas:

Punto de ebullición: aumenta al aumentar el número de átomos de carbono. Para los isómeros el que tenga la cadena más ramificada tendrá un punto de ebullición menor.

Solubilidad. Los alcanos son casi totalmente insolubles en agua debido a su baja polaridad y a su incapacidad para formar enlaces con el hidrógeno. Los alcanos líquidos son miscibles entre sí y generalmente se disuelven en disolventes de baja polaridad. Los buenos disolventes para los alcanos son el benceno, tetracloruro de carbono, cloroformo y otros alcanos.

Los cuatro primeros términos lineales reciben nombres especiales.(metano, etano, propano y butano,

de 1 , 2, 3 y 4 átomos de carbono respectivamente).

A partir del quinto término, el nombre sistemático se forma de acuerdo con las reglas establecidas por

la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) con un prefijo que indique el número de

átomos de carbono que constituyen la cadena y la terminación ano.

Reglas de la IUPAC

1º. Numeramos la cadena principal, empezando la numeración según el criterio antes indicado.

2º. Si al numerar la cadena principal, empezando por cualquiera de sus extremos, los sustituyentes están en los mismos números, se asigna el localizador menor a la primera cadena lateral que se cita en el nombre (por orden alfabético).

3º. Los localizadores se escriben delante del nombre del radical, separados entre sí por comas y del radical por un guión.

4º. Solo se pueden acumular localizadores que se refieren a radicales idénticos. En este caso, los localizadores se separan entre sí por comas y los nombres de los radicales llevan los prefijos di-, tri-, tetra-, etc., que indican cuántas veces aparece el radical en la molécula.

5º. Los radicales se nombran en orden alfabético, y en último lugar el nombre de la cadena principal.

n	Nombre (-ano)	Fórmula (C_nH_2n+2)	n	Nombre (-ano)	Fórmula (C_nH_2n+2)
1	metano	CH₄	10	decano	CH₃(CH₂)₈CH₃
2	etano	CH₃CH₃	11	undecano	CH₃(CH₂)₉CH₃
3	propano	CH₃CH₂CH₃	12	dodecano	CH₃(CH₂)₁₀CH₃
4	butano	CH₃(CH₂)₂CH₃	13	tridecano	CH₃(CH₂)₁₁CH₃
4	isobutano	(CH₃)₃CH	14	tetradecano	CH₃(CH₂)₁₂CH₃
5	pentano	CH₃(CH₂)₃CH₃	15	pentadecano	CH₃(CH₂)₁₃CH₃
5	isopentano	(CH₃)₂CHCH₂CH₃	20	eicosano	CH₃(CH₂)₁₈CH₃
5	neopentano	(CH₃)₄C	21	heneicosano	CH₃(CH₂)₁₉CH₃
6	hexano	CH₃(CH₂)₄CH₃	22	docosano	CH₃(CH₂)₂₀CH₃
7	heptano	CH₃(CH₂)₅CH₃	30	triacontano	CH₃(CH₂)₂₈CH₃
8	octano	CH₃(CH₂)₆CH₃	40	tetracontano	CH₃(CH₂)₃₈CH₃
9	nonano	CH₃(CH₂)₇CH₃	50	pentacontano	CH₃(CH₂)₄₈CH₃

Radicales alquilo

Los prefijos que se anteponen al nombre del radical alquilo son: iso, sec, y ter.

El prefijo iso indica que un grupo CH₃ - está unido al segundo átomo de carbono de una cadena lineal.

El prefijo sec indica que en el alcano normal se ha quitado un hidrógeno del carbón secundario número dos.

El prefijo ter indica que del alcano de cuatro átomos de carbono se ha quitado un hidrógeno al carbón terciario.

Grupos alquilo

Alcanos ramificados

1. Seleccionar la cadena más larga posible de átomos de carbono y numerarla, empezando por el extremo que tenga las ramificaciones o arborescencias más próximas.

Se prefiere el nombre en el que los sustituyentes se designen con números más pequeños.

2. Nombrar las ramificaciones, por orden alfabético, sin tomar en cuenta los prefijos, indicando la posición que corresponda al número de carbono al cual se encuentra unido.

3. Si en una cadena se encuentra más de una vez el mismo radical alquilo, se indica con los prefijos: di, tri, tetra, penta, etc. Unido al nombre del sustituyente.

ISOMERÍA

Dos compuestos son isómeros cuando, siendo diferentes, responden a la misma fórmula molecular

Se dividen en: isómeros estructurales y estereoisómeros

a) Los isómeros constitucionales o estructurales se subdividen en:

Son aquellos que difieren en la colocación de los átomos de carbono

- Isómeros de cadena

Ejemplo: CH₃- CH₂- CH₂- CH₃ y CH₃- CH- CH₃

CH₃

- Isómeros de posición

Es la que presentan sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la situación de su grupo funcional sobre el esqueleto carbonado.

- Isómeros de función

Es la que presentan sustancias que con la misma fórmula molecular presentan distinto grupo funcional

Estereoisomeria

la presentan sustancias que con la misma estructura tienen una diferente distribución espacial de sus átomos.

b) Los estereoisómeros se subdividen en:

- Enantiómeros

Son imágenes especulares no superponibles. Se caracterizan por poseer un átomo unido a cuatro grupos distintos llamado asimétrico o quiral.

Descripción: http://www.quimicaorganica.net/sites/default/files/img/organica/estereoquimica/enantiomeros/1-bromo-1-cloroetano.png

La presencia de un carbono asimétrico (con sustituyentes distintos: metilo, hidrógeno, cloro y bromo) hace posible que la molécula y su imagen especular sean distintas.

Descripción: http://www.quimicaorganica.net/sites/default/files/img/organica/estereoquimica/enantiomeros/alanina.png

La presencia de un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes (-CH₃, -H, -NH₂ y -COOH) convierte a la alanina en un compuesto quiral y ópticamente activo, con una imagen especular (enantiómero) no superponible.

- Isómeros geométricos o diastereoisómeros

La isomería geométrica desde un punto de vista mecánico, se debe en general a que no es posible la rotación libre alrededor del eje del doble enlace. Es característica de sustancias que presentan un doble enlace carbono-carbono:

Las distribuciones espaciales posibles para una sustancia que con un doble enlace son:

Forma cis; en ella los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en una misma región del espacio con respecto al plano que contiene al doble enlace carbono-carbono.

Forma trans; en ella los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en distinta región del espacio con respecto al plano que contiene al doble enlace carbono-carbono.

Cis CH₃-CH=CH-COOH Trans

Alcanos cíclicos

Si el alcano no tiene ramificaciones, solamente se le antepone el prefijo ciclo al nombre que le corresponda, según el número de carbonos.

1. Si tiene ramificaciones, numerar el anillo a partir del carbono que tenga el radical alquilo al que corresponda la prioridad alfabética, de tal forma que los radicales alquilo se encuentren insertados en los átomos de carbono de menor numeración.

2. Nombrar los radicales por orden alfabético e indicar su colocación por medio de un número.

3. Nombrar el cicloalcano, anteponiéndole el prefijo ciclo al nombre del alcano correspondiente al número de átomos de carbono que constituye el anillo.

Formula general: cicloalcanos, un anillo: C_nH_2n

Reacciones de los alcanos

Los alcanos por lo general no se consideran sustancias muy reactivas. Sin embargo, en condiciones adecuadas pueden llevar a cabo diversas tipos de reacciones, incluyendo la combustión

Descripción: http://quimicaitc.tripod.com/images/hidroc18.jpg

La halogenación de los alcanos -esto es, la sustitución de uno o más átomos de hidrógeno por átomos de halógeno- es otra clase de reacción bien estudiada. Cuando una mezcla de metano y cloro se calienta a más de 100ºC o se irradia con luz de longitud de onda apropiada, se produce el cloruro de metilo:

Descripción: http://quimicaitc.tripod.com/images/hidroc19.jpg

Si el cloro gaseoso está presente en cantidad suficiente, la reacción puede continuar:

Descripción: http://quimicaitc.tripod.com/images/hidroc20.jpg

Una buena parte de la evidencia experimental sugiere que la etapa inicial de la primera reacción de halogenación se lleva a cabo de la siguiente manera:

Un átomo de cloro libre contiene un electrón desapareado, que se ve como un punto solo. Estos átomos son sumamente reactivos y atacan las moléculas de metano de acuerdo con la ecuación:

Esta reacción produce cloruro de hidrógeno y el radical Metilo ·CH₃. El radical metilo es otra especie reactiva; se combina con el cloro molecular para dar cloruro de metilo y un átomo de cloro:

Hidrocarburos insaturados Alquenos y Dienos

Los alquenos son hidrocarburos que presentan uno o más dobles enlaces entre los átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada. La fórmula general, para compuestos que presentan un único doble enlace, es C_nH_2n

A los alquenos anteriormente se les conocía como olefinas

Tienen gran presencia en la naturaleza: Saborizantes, esencias, vitaminas, hormonas, pigmentos

Importantes en la industria sirven de materiales de partida para muchos productos industriales (polimeros, aceites, plásticos)

Propiedades físicas: Relativamente no polares, insolubles en agua, bajos puntos de fusión y ebullición, que aumentan a medida que aumenta el peso molecular.

Cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno está formado por el solapamiento de un orbital híbrido sp²

NOMENCLATURA: Alquenos con un único doble enlace

Se nombran según las siguientes normas:

1º Elige la cadena más larga que contiene el doble enlace y nombra añadiendo al prefijo correspondiente el sufijo -eno.

2º Numera la cadena a partir del extremo que se encuentra más próximo al doble enlace. Su localizador corresponde al menor de los dos números asignados a los átomos de carbono unidos por el doble enlace.

3º La posición del doble enlace o insaturación se indica mediante el localizador correspondiente que se coloca delante del nombre.

1 2 3 4 5
CH₃ ─ CH = CH ─ CH₂ ─ CH₃ 2-penteno

4º Si existen radicales, toma como cadena principal la más larga de las que contienen el doble enlace. La numeración se realiza de forma que se asigne el localizador más bajo posible al carbono del doble enlace.

Los radicales se nombran como alcanos con el sufijo -il.

Cuando la cadena contiene más de tres átomos de carbono, se utiliza un número para localizar el enlace. Al enlace se le asigna el localizador (numero) mas pequeño de los dos carbonos que presentan el doble enlace.

Cuando se numera un cicloalqueno, a los carbonos de doble enlace se les asignan los números 1 y 2, y se intenta dar al resto de sustituyentes los números más bajos posibles.

Dienos, trienos y tetraenos.

– Debido a que el enlace C-C p es relativamente debil, la quimica de los alquenos es dominada por sus reacciones.

Reacciones de adición

• El enlace doble carbono-carbono adiciona H₂, Cl₂,HX, H₂SO₄ y H₂O y es atacado por agentes

oxidantes fuertes.

• El hidrógeno se une a un enlace doble y lo satura.

• El efecto neto de la hidrogenación se presenta al nivel molecular de la vida.

• El cloro y el bromo también se adicionan a los enlaces dobles

• El cloruro de hidrógeno, el bromuro de hidrógeno (compuestos tipo HX, “asimétricos”) y el ácido sulfúrico se adicionan fácilmente a los enlaces dobles.

• El agua se adiciona al enlace doble para producir alcoholes. Esto ocurre en presencia de un catalizador (ácido)

• El enlace doble carbono-carbono hace que la molécula sea suceptible al ataque de agentes oxidantes fuertes.

• Los productos de oxidación pueden ser cetonas, ácidos carboxílicos, dióxido de carbono o mezclas de ellos.

HIDROGENACION

Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo

CH₃-CH=CH-CH₃ CH₃-C=CH₂

Alqueno simétrico ı

(mismo №. de átomos de hidrógeno CH₃

unidos a los carbonos que forman el doble enlace) Alqueno asimétrico

(diferentes №. de

hidrógeno unidos a los

carbonos que forman el doble enlace)

Para los alquenos asimétricos se aplica regla de Markovnikov

Orientación de la adición. La regla Markovnikov

En la adición de un haluro de hidrógeno con un alqueno asimétrico, el átomo de H se une al carbono que contiene más átomos de H.

$Descripción: C:\Users\Tony\Documents\markovnikow y antimarkovnikow.gif$

Para adiciones del bromuro de H con peroxidos es antiMarkovnikov

Como identificar alquenos? Por medio de la decoloración de una solución de Bromo en tetracloruro de carbono

Formación de halohidrinas

Ozonólisis (formación de aldehídos y cetonas) Escisiòn de alquenos con ozono

Las reacciones de los dienosc onjugados son : Adición 1,2 Y principalmente adición 1,4

Alquinos

son hidrocarburos que contienen un triple enlace carbono carbono.

• Grupo funcional: el triple enlace. La fórmula molecular general para alquinos acíclicos es C_nH_2n-2 y su grado de insaturación es dos. Recuerde que el triple enlace consiste en dos enlaces pi y un enlace sigma.

• Cada atomo de carbono unido por triple enlace tiene hibridacion sp con una geometria lineal y angulos de enlace de 180º.

NOMENCLATURA

Los alquinos se nombran de acuerdo con dos sistemas.

Común: Se les considera como derivados del acetileno, por reemplazo de uno o ambos átomos de hidrógeno por grupos alquilo.

REGLAS DE NOMENCLATURA DE ALQUINOS.
Al numerar la cadena, se empieza en el extremo más próximo al triple enlace.

1 – hexino

La posición del triple enlace en la cadena se indica por el número de posición del primer carbono del triple enlace

2,6-dimetil-3-heptino 5-bromo-2-pentino

4-metil-1-hexén-5-ino

4-hexin-2-ol

Alquinos terminales e internos

Un triple enlace puede experimentar las mismas reacciones que un doble enlace.

Existen dos tipos de alquinos: terminales e internos. Los alquinos internos tienen carbonos enlazados a los átomos de carbono con enlace triple.

Un alquino terminal se encuentra al final de una cadena y ha aumentado la reactividad porque el hidrógeno acetilénico es ácido.

Alquinos terminales: Tienen el triple enlace al final de la cadena carbonada, de manera que un atomo de hidrogeno esta directamente enlazado a un atomo de carbono del triple enlace.

Adición electrofílica

Adición de haluros de hidrógeno.

• Sustitución nucleofílica monomolecular (SN1).En este caso la reacción procede por etapas, disociándose primero los compuestos en sus iones y reaccionando después estos iones entre sí. Se produce por medio de carbocationes.

• Sustitución nucleofílica bimolecular (SN2).En este caso la reacción transcurre en una sola etapa, produciéndose simultáneamente el ataque del reactivo y la expulsión del grupo saliente.

Adición de halógenos.

Acidez de los alquinos

Compuestos Aromáticos

Benceno y todos aquellos compuestos de comportamiento químico similar. Insaturados con bajo grado de reactividad. Ocupan casi la mitad de los compuestos orgánicos y muchos no guardan relación estructural con el benceno

• Benceno. Líquido incoloro, olor característico, sabor a quemado. P.f. de 5,5 °C, p.e. de 80,1 °C, y una densidad relativa de 0,88 a 20 °C.

• No polar insoluble en agua, disolvente más empleado en los laboratorios de química orgánica. Cancerígeno, explosivo, veneno inhalado

HIDROCARBUROS AROMATICOS

Se les conoce también con el nombre genérico de ARENOS. Son el benceno y todos sus derivados y, dependiendo del número de núcleos bencénicos, pueden ser monocíclicos o policíclicos.

El benceno es un híbrido de resonancia cuyos enlaces π están deslocalizados, entre los átomos de carbono adyacentes. Esto explica que las longitudes de enlace C-C en el benceno sean más cortas que las de los enlaces simples, pero más largas que las de los dobles enlaces

El benceno presenta una gran estabilidad química y propiedades diferentes a la sustancias con estructuras semejantes

Condiciones para la aromaticidad

1) Su estructura debe ser cíclica y debe contener enlaces dobles conjugados.

2) Cada átomo de carbono del anillo debe presentar hibridación sp2,ocasionalmente sp, con al menos un orbital p no hibridizado.

3) Los orbitales p deben solaparse para formar un anillo continuo de orbitales paralelos. La estructura debe ser plana o casi plana para que el solapamiento de los orbitales p sea efectivo.

4) Molécula debe tener nubes cíclicas con electrones p deslocalizados encima y debajo del plano y debe cumplir la regla de Hückel cuyo enunciado es el siguiente.

Para que un compuesto sea aromático, el número de electrones π, en el sistema cíclico tiene que ser 4n+2, siendo n un número entero. 4n + 2 = nº de e- π del sistema

Anulenos

A los hidrocarburos cíclicos con dobles enlaces y enlaces sencillos alternados se les denomina anulenos. Por ejemplo, el benceno es un anuleno de seis miembros, por lo que también se le denomina [6]anuleno. El ciclobutadieno es el [4]anuleno, el ciclooctatetraeno es el [8]anuleno y así sucesivamente.

Para que un compuesto sea aromático debe ser un ciclo con dobles enlaces conjugados, debe ser plano para permitir que los orbitales p se solapen y debe tener un número (4N+2) de electrones pi. El ciclobutadieno y el ciclooctatetraeno no son aromáticos

Propiedades generales

1. La serie aromática se caracteriza por una gran estabilidad debido a las múltiples formas resonantes que presenta.

2. Muestra muy baja reactividad a las reacciones de adición.

3. Reactividad principal: SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA

4. El benceno es una molécula plana con un alto grado de insaturación lo cual favorece las reacciones de sustitución.

5. Es un líquido menos denso que el agua y poco soluble en ella, es muy soluble en otros hidrocarburos.

6. El benceno es bastante tóxico para los seres humanos.

Nomenclatura del benceno y sus derivados

•Debido a la deslocalización de electrones en el ciclo, el benceno es un hidrocarburo con propiedades muy diferentes a los cicloalquenos. El benceno y sus derivados se denominan compuestos aromáticos ya que forman parte de los componentes presentes en bálsamos y aceites esenciales.

Los derivados del benceno se producen al sustituir uno o más de los hidrógenos del benceno por otros átomos no metálicos o grupos de átomos.

•Para nombrarlos se mencionan los sustituyentes y su localización (en caso de ser más de uno) mediante un número y el nombre del sustituyente. En caso de ser un solo sustituyente solo se menciona y se termina con la palabra benceno.

• Cuando tenemos dos sustituyentes, se usan los términos: Orto, meta y para; estos son los términos para las relaciones 1,2-, 1,3- y 1,4-. Por ejemplo:

• o-diclorobenceno: 1,2- diclorobenceno

• m-diclorobenceno: 1,3-diclorobenceno

• p-diclorobenceno: 1,4-diclorobenceno

EJEMPLOS DE NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Algunos de estos compuestos conservan el nombre común, como se indica en los ejemplos siguientes.

Sustitucion Aromatica Electrofilica

Nitracion

Sulfonacion

Alquilación de Friedel y Crafts

Acilación de Friedel y Crafts

Un compuesto aromático que presenta un sustituyente dador de electrones (activador) es más reactivo que el benceno hacia una nueva sustitución electrofílica, ya que tiene mayor densidad electrónica.

Un compuesto aromático que presenta un sustituyente aceptor de electrones (desactivador) es menos reactivo que el benceno hacia una nueva sustitución electrofilica ya que tiene menor densidad electrónica

Las aminas primarias aromáticas pueden originar diversos compuestos por reacción del grupo amino con HNO₂(NaNO₂ + HCl) formando una sal de diazonio.

HALOGENUROS DE ALQUILO Y ARILO

Los compuestos halogenados son de uso corriente en la vida cotidiana: disolventes, insecticidas, intermedios de síntesis, etc.
No es muy común encontrar compuestos de origen natural que sólo tengan halógenos pero sí con otras funciones

• Son compuestos que se forman por la sustitución de uno o más hidrógenos de los hidrocarburos por halógenos como el flúor, bromo, cloro o yodo.

• Su representación es R – X donde la R representa un radical alquilo y la X al halógeno.

Existen haluros primarios, secundarios o terciarios, dependiendo del número de grupos alquilo unidos al carbono halogenado.

Nomenclatura

• En el sistema IUPAC se emplean los prefijos flúor, cloro, bromo o yodo, unidos al nombre básico del hidrocarburo, indicando la posición mediante un número que se antepone al nombre.

• Por ejemplo:

CH₃- CH - CH₂- CH₃ Br - CH₂- CH₂- CH₃

2-yodo-butano 1-bromo-propano

Nomenclatura común