Alcanos

Química Orgánica
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Tema 1. Alcanos

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Tema 1. Alcanos. Estructura. Nomenclatura. Reacciones de los alcanos. Halogenación. Estabilidad de los radicales libres y de otros intermedios de reacción (carbocationes y carbaniones). Oxidación de alcanos: combustión. El petróleo como fuente de alcanos. Craqueo. Alcanos. Los alcanos son compuestos con fórmula molecular CnH2n+2. Elhidrocarburo más simple es el metano CH4 (n=1). Los hidrocarburos de cadena lineal se denominan hidrocarburos normales. Los cuatro primeros miembros de la familia de hidrocarburos lineales son los siguientes:
H H C H H metano H H H C C H H H etano H H C H H H C C H H H H H C H H H H C C C H H H H butano

propano

Existe un único hidrocarburo con la fórmula molecular CH4, uno sólo con lafórmula molecular C2H6 (el etano), uno sólo con la fórmula molecular C3H8 (el propano), pero sin embargo existen dos alcanos con la fórmula molecular C4 H10: el butano y el 2-metilpropano:
CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3

butano

2-metilpropano

Dos compuestos químicos diferentes con la misma fórmula molecular se denominan isómeros. El número de alcanos isoméricos aumenta al aumentar número deátomos de carbono. En la tabla se indican los puntos de fusión y de ebullición, así como el número de isómeros de algunos alcanos de cadena lineal.
Hidrocarburos normales (cadena lineal)
Nº de carbonos

Fórmula

Nombre

Nº total de isómeros

p.eb.°C

p.f.°C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 20 30

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C20H42 C30H62

metanoetano propano butano pentano hexano heptano octano nonano decano undecano dodecano eicosano tricontano

1 1 1 2 3 5 9 18 35 75 366319 4.11x109

-162 -89 -42 0 36 69 98 126 151 174 196 216 334 446

-183 -172 -187 -138 -130 -95 -91 -57 -54 -30 -26 -10 +36 +66

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Estructura. El alcano más simple es el metano CH4. Desde el siglopasado se había demostrado mediante hechos experimentales que la estructura del metano tenía una forma tetraédrica. Sin embargo, la justificación de esta estructura no pudo hallarse hasta el desarrollo de la teoría mecanocuántica entre los años 1920 y 1930. Un átomo de carbono en su estado fundamental tiene dos electrones desapareados.

energía creciente n=2

2p

2s

n=1

1s

estadoelectrónico fundamental del carbono

Se debería esperar que en lugar de formar CH4, el carbono se uniera sólo a dos átomos de hidrógeno y formara CH2, dejando vacío un orbital 2 El CH2 es una p. especie química conocida, llamada carbeno, pero es una sustancia muy reactiva y de tiempo de vida media muy corto. Por adición de 96 kcal/mol de energía a un átomo de carbono, uno de los electrones 2s puedepromocionarse hasta alcanzar el orbital vacío 2p, dando lugar a la configuración electrónica indicada a continuación:

energía creciente n=2

2p

2s

n=1

1s

estado electrónico del átomo de carbono excitado

Al promocionar un electrón desde el orbital 2s al 2p el átomo de carbono tiene

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disponibles cuatro electrones paraformar cuatro enlaces covalentes y de esta forma puede conseguir la configuración electrónica de gas noble. La formación de un enlace covalente produce un descenso de energía en el sistema. Por ejemplo, la formación de un enlace C-H produce un descenso de energía de 87 kcal/mol. Por tanto la formación de dos enlaces covalentes más en el átomo de carbono provoca un descenso de 174 kcal/mol deenergía que compensa sobradamente los 96 kcal/mol que se requieren para promover al átomo de carbono desde el estado fundamental al estado excitado. Este razonamiento explica por qué el átomo de carbono tiende a ser tetravalente en lugar de divalente. Sin embargo, no explica la forma tetraédrica de la molécula de metano. Si admitimos que el átomo de carbono en la molécula de metano participa con...