7 7-1 J.M,Báñez Sanz Quimica II Tema 7 Alcanos y Cicloalcanos Cicloalcanos

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7-1J.M,Báñez Sanz Quimica II

Tema 7Tema 7

AlcanosAlcanos yy

CicloalcanosCicloalcanos

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EstructuraEstructura• HidrocarburoHidrocarburo: un compuesto formado solamente

de carbono e hidrógeno• Hidrocarburo SaturadoHidrocarburo Saturado: un hidrocarburo que solo

tiene enlaces sencillos• AlcanoAlcano: un hidrocarburo saturado cuyos

carbones unidos entre sí forman una cadena Hidrocarburo AlifáticoHidrocarburo Alifático: otra forma de nombrar a un alcano

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EstructuraEstructura• La forma

• carbono tetraédrico• Todos los enlaces son aproximadamente

109.5°

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Isomería ConstitucionalIsomería Constitucional• isomeros constitucionales isomeros constitucionales : compuestos con la

misma fómula molecular pero una diferente co-nectividad (orden de unión entre sus átomos)• exemplo: C4H10

CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3

CH3

Butano 2-Metilpropano

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Isomería ConstitucionalIsomería Constitucional

La población en el mun-do es aproximadamente6,000,000,000

4,111,846,763

4,347

75

3

1

Constitutionales Isomeros

Molecular Formula

CH4

C5H12

C10 H22

C15 H32

C30 H62

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NomenclaturaNomenclatura• Alcanos tienen la fórmula general CnH2n+2

Formula Estructural Condensada

Fórmula MolecularNombre

heptano

hexano

pentano

butano

propanoetanometano CH4 CH4

C2H6 CH3CH3

C3H8 CH3CH2CH3C4H10 CH3(CH2)2CH3

C5H12 CH3(CH2)3CH3

C6H14 CH3(CH2)4CH3

C7H16 CH3(CH2)5CH3

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NomenclaturaNomenclatura

tetradecano

hexadecano

octadecanoeicosano

decano

nonano

octano C8 H18 CH3 (CH2)6 CH3

C9 H20 CH3 (CH2)7 CH3

C1 0H2 2 CH3 (CH2)8 CH3

C1 4H3 0 CH3 (CH2)1 2 CH3

C1 6H3 4 CH3 (CH2)1 4 CH3

C1 8H3 8 CH3 (CH2)1 6 CH3

C2 0H4 2 CH3 (CH2)1 8 CH3

dodecano C1 2H2 6 CH3 (CH2)1 0 CH3

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NomenclaturaNomenclatura• Union International de Química Pura y Aplicada

(IUPAC)• Prefijo indica el numero de átomos de carbono• Sufijo -anoano especifica un alcano

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NomenclaturaNomenclatura• Sistema IUPAC

undec-dodec-

tetradec-pentadec-hexadec-heptadec-

nonadec-eicos-

tridec-

11121314151617

octadec- 181920

Prefijomet-et-

prop-but-pent-hex-

oct-non-dec-

1234567hept-89

10

Carbonos

CarbonosPrefijo

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NomenclaturaNomenclatura• Grupos Alquilo

isopropil

propil

etil

metil

Formula EstructuralcondensadaNombre

CH3

-CH2 CH3

-CH3

-CH2 CH2CH3

-CHCH3

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NomenclaturaNomenclatura• Grupos alquilo

tert-butil

sec-butil

isobutil

butil

CH3

CH3CH3

CH3

-CH2CH2CH2 CH3

-CH2CHCH3

-CHCH2CH3

-CCH3

CondensadaFormula EstructuralNombre

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NomenclaturaNomenclatura• 1. El nombre general de un hidrocarburo de

cadena lineal saturada el es de alcano. • 2. Para un hidrocarburo ramificado, el alcano

toma el nombre correspondiente al de la cadena más larga, cadena principal.

• 3. Los grupos unidos a la cadena principal se llaman sustituyentes

• dan cada uno un nombre y un número

CH3CHCH3

CH3

2-Metilpropano

1 2 3

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NomenclaturaNomenclatura4. Si hay un sustituyente, se numera la cadena de

tal forma que él tenga el numero más pequeño

2-Metilpentano

CH314 3 25

CH3 CH2 CH2 CHCH 3

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NomenclaturaNomenclatura5. Si el mismo sustituyente se repite más que una

vez, se indica con un número el carbono donde está cada sustituyente y el número de veces que se repite se indica con di-, tri-, tetra-, etc.

6. Si hay dos sustituyentes idénticos, se numera la cadena para dar los números inferiores a los sustituyentes posibles

CH3 CHCH2 CHCH3

CH3

2,4-Dimetilpentano

CH31 2 3 4 5

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NomenclaturaNomenclatura7. Si hay dos sustituyentes diferentes, se escriben

en orden alfabético dos o más sustituyentes diferentes, catalóguelos por orden alfabético, y el número de orden de tal manera que el que va primero lleva el número inferior

CH3 CH2 CHCH2 CHCH2 CH3

3-Etil-5-metilheptano

CH3654321

CH2 CH3

7

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NomenclaturaNomenclatura• 8. Los prefijos di-, tri-, tetra- etc. No se tienen en

cuenta en orden alfabetico

• 9. Los prefijos no son escritos con guión menos el sec- y tert- ( de secundario y terciario). El prefijo iso- no es escrito con guión, y es incluido en alfabetización.

CH3CCH2 CHCH2CH3

4-Etil-2,2-dimetilhexano

1 2CH2CH3

CH3

3 4 5 6CH3

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Clasificación de C & HClasificación de C & H(1°) C Primario (1°) C Primario : carbono enlazado a otro carbono

• H 1° : hidrogeno unido a un carbono 1°

(2°) C Secundario (2°) C Secundario :carbono unido a dos carbonos• H 2° : un hidrogeno unido a carbono 2°

(3°) C Terciario (3°) C Terciario : C unido a otros tres carbonos• H 3° : a hidrogeno unido a carbono 3°

(4°) C Cuaternario (4°) C Cuaternario : un carbono enlazado con otros cuatro carbonos

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CicloalcanosCicloalcanos

• Fórmula general CnH2n

• Se conocen anillos desde 3 a 30 C e incluso más• Los anillos de 5 y 6 miembros son los más comunes

H2C

H2C CH2

H2C

H2C CH2

CH2

ciclopropano ciclobutano

ciclopentano ciclohexano

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CicloalcanosCicloalcanos• Son representados (dibujados) por polígonos

regulares• Cada línea representa un enlace un C-C • Cada ángulo representa a un C

C

C CC

CC

C

CH2C

H2CC

CH

C

CH

H2

H2 CH3

CH3

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IUPAC - GeneralIUPAC - General• prefijo-infijo-sufijo

• PrefijoPrefijo indica el número de átomos de carbono la cadena principal

• infijoinfijo indica la naturaleza del enlace carbono-carbono de la cadena principal

Uno o más enlaces triple Uno o más enlaces doble

Todos enlaces simples

-in- -en--an-

Naturaleza del enlace en la cadena principalInfijo

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IUPAC - GeneralIUPAC - General• sufijosufijo indica la clase de compuesto

Sufijo Clase

-o-ol-al -ona

-oico ácido

hidrocarburoalcoholaldehidocetona

ácido carboxilico

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IUPAC - GeneralIUPAC - General• prop-en-o= propeno• et-an-ol = etanol• but-an-ona = butanona• but-an-al = butanal• pent-an-oico ácido = pentanoico ácido• ciclohex-an-ol = ciclohexanol• et-in-o = etino

CH3CH=CH2

HC CHOH

CH3CH2OH

CH3CCH2CH3

O

CH3CH2CH2CH

OCH3CH2CH2CH2COH

O

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ConformacionesConformaciones• ConformacionesConformaciones: se llaman a las diferentes disposiciones

espaciales que se forman debido a la rotación en torno al enlace sencillo. A una conformación determinada de mínima energía se llama confórmero.confórmero.

• conformación alternada conformación alternada : una conformación en la que los átomos de los sustituyentes están mas alejados ángulo diedrico de 60º. Para representarla se utilizan las proyec-ciones de Newman.

H

H H

H H

H

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ConformationesConformationes• conformación eclipsada: conformación en la que el

ángulo diedrico vale 0º y en la proyección de Newman los átomos de hidrógeno del primer carbono acultan o eclipsan a los del segundo.

• A cualquier conformación intermedia se la conoce por c. sesgada, ángulo diedrico de 0º-60º

H

H H

H

HH

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Tensión IntramolecularTensión Intramolecular• Tensión IntramolecularTensión Intramolecular: tensión presente en una

molécula debidas a las tensiones de interacción no consolidadas y a las tensiones angulares• Tensión de interacción no consolidada (energía Tensión de interacción no consolidada (energía

torsional ) torsional ) : surge cuando fuerzan atractivas o repulsivas no consolidadas se dan entre átomos, al estar uno anormalmente próximo al otro. e.g., hidrogenos eclipsados en el etano.

• Tensiones angularesTensiones angulares: provienen de la creación de ángulos de enlace anormales

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ConformacionesConformaciones• Podemos ver las energías torsinales en la

conformación eclipsada del etano• A temperatura ambiente, aproximadamente el 99% de

las moléculas de etano tienen una conformación alternada, la de menor energía,y 1% restante en una conformación eclipsada

+2.9 kcal/mol

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CiclopentanoCiclopentano• Los ángulos de enlace en ciclopentano plano son 108 °,

que se diferencia sólo ligeramente de 109.5 °. Pero hay 10 juegos de hidrógenos eclipsados.

• Existe una conformación "de sobre", con los ángulos de enlace promedio C-C-C de 105 °. La tensión de ángulo es mayor, pero reduce la tensión de interacción no consolidada de hidrógeno eclipsado.

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CiclohexanoCiclohexano• Conformación Silla Conformación Silla : Es la conformación más

estable del anillo de ciclohexano• Todos los ángulos de enlace se aprox. 109.5° • Todos los enlaces en carbonos adyacentes están

alternados

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Ciclohexano – C. SillaCiclohexano – C. Silla• Seis H están en ecuatorial y seis en axial

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CiclohexanoCiclohexano• Hay dos conformaciones silla equivalentes

• Todos los enlaces C-H que son ecuatoriales en una forma silla son axiales en la otra ,y viceversa.

TirarHacia arriba

TirarHacia bajo

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CiclohexanoCiclohexano• Conformación Bote Conformación Bote : una conformación plegada

de un anillo de ciclohexano, en la cual los carbonos 1 y 4 se aproximan el uno al otro• Menos estable que la conformación silla por+7 kcal/mol

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MetilciclohexanoMetilciclohexano• Grupo metilo en ecuatorial y en axial

CH3

CH3

+1.74 kcal/mol

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Ejemplo de interaccionesEjemplo de interacciones• Anote todas las interacciones axiales axiales en

esta conformación de silla

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Tetradotoxina Tetradotoxina • Producido en el hígado y los ovarios de un

pescado

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Isómeros Cis-TransIsómeros Cis-Trans• Los isómeros Cis-trans tienen

• La misma fórmula molecular

• La misma unión entre átomos

• Una distribución de átomos en el espacio que no puede ser intercambiada por la simple rotación sobre un enlace en condiciones ordinarias

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Isomeria Cis-transIsomeria Cis-trans• 1,2-dimetilciclopentano

trans-1,2-Dimetil- ciclopentano

cis-1,2-Dimetil- ciclopentano

CH3

H

CH3

HH

HH

H

HH

HH

CH3

CH3

H

HH

HH

H

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Isomería Cis-transIsomería Cis-trans• 1,4-Dimetilciclohexano

• Representaciones planas hexagonales

trans-1,4-Dimethyl-cyclohexane

cis-1,4-Dimethyl-cyclohexane

H

H3C

CH3

H

H

H3C

H

CH3

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Isomeria Cis-transIsomeria Cis-trans• trans-1,4-dimetiliciclohexano

(más estable)(menos estable)

CH3

H

H

CH3

H

H3 C

CH3

H

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Cis-trans IsomerosCis-trans Isomeros• cis-1,4-dimetilciclohexano

H

CH3

H

CH3

H

H3 C

H

CH3(conformaciones de igual estabilidad)

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Propiedades Físicas - AlcanosPropiedades Físicas - Alcanos• Los alcanos de bajo peso molecular (del

metano .... al butano) son gases a temperatura ambiente.

• Los alcanos de peso molecular más alto ( penta-

no, decano, la gasolina, el queroseno) son líqui-dos a temperatura ambiente

• Los alcanos de Alto peso molecular (las ceras de parafina) son semisólidos o sólidos a temperatu-ra ambiente

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Propiedades FísicasPropiedades Físicas• Isómeros Constitucionales tienen propiedades

físicas diferentes

NombreDensidad (g/mL)

hexano2-metilpentano

3-metilpentano

2,3-dimetilbutano

2,2-dimetilbutano

68.7

60.3

63.358.0

49.7

-95

-154

-118-129

-98

0.659

0.653

0.6640.661

0.649

bp (°C)

mp (°C)

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Propiedades QuímicasPropiedades Químicas• Son bastantes inertes debido a la elevada estabilidad de

los enlaces C-C y C-H y a su baja polaridad. No se ven afectados por ácidos o bases fuertes ni por oxidantes como el permanganato. Sin embargo la combustión es muy exotérmica aunque tiene una elevada energía de activación. Sólo reaccionan, espontáneamente y a temperatura baja, con el flúor; con algunos otros reactivos reaccionan a temperatura elevada y con catalizadores. Los mecanismos de estas reacciones son de ruptura homolítica. Propiedades químicas de los alcanos.

• combustión• halogenación• oxidación catalítica• isomerización• pirólisis

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COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.• Es la reacción química con el oxígeno que se produce

normalmente a temperatura elevada, en la que un alcano se convierte en CO2 y H2O. Éstos son productos de bajo contenido energético por lo que en el proceso se libera energía en forma de calor (Calor de combustión, Hºcomb posee valor negativo).

• El calor de combustión aumenta con el PM ya que, a lo largo de la serie homóloga el número de C e H aumentan. Sin embargo, el calor de combustión por gramo de alcano se mantiene constante. Como la densidad de los alcanos aumenta con el PM, el calor de combustión por ml aumenta con el PM.

CnH2n+2 + 3n+12

O2 n CO2 + (n+1) H2O + Q Kcal

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Un mismo depósito carga más Kcal con gasóleo que con gasolina.

8.811.32559Hexadecano

8.011.41305Octano

7.1 11.8684Butano

6.9 11.9 526 Propano

13.1211Metano

Kcal/ml

Kcal/g

Kcal/mol

Alcano

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• El inicio de la reacción de combustión exige una temperatura puntual elevada a la que se denomina temperatura o punto de ignición (llama o chispa), y ésta aumenta con el PM.

• Las explosiones de gas grisú en las minas se producen al alcanzarse la temperatura de ignición de una mezcla de hidrocarburos en un momento dado.

• Si la combustión está localizada en la salida de un tubo conductor rodeado de aire (mechero) se tiene una llama controlada. El escape de una bombona de butano, mez-clándose con el oxígeno del aire, provoca que al encender una cerilla se provoque la explosión.

• En un motor de explosión, ésta se inicia por una chispa en la mezcla de vapores gasolina-aire que está contenida en los cilindros.

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Oxidacion de alcanosOxidacion de alcanos• Oxidación - la base para su empleo como fuentes

de energía para : • calor: gas natural, gas natural licuado (GPL), fuel oil• combustible: gasolina, diesel gasoil, y combustible de

aviación

Metano++CH4 2O2 CO2 2H2 O -212

++Propano

CH3 CH2CH3 3CO25O2 4H2 O -530

H°(kcal/mol)

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Fuentes de alcanosFuentes de alcanos• Gas Natural 90-95% metano

• Petróleo• gases• gasolinas, querosene• fuel oil• Aceites lubricantes• Asfalto

• Carbón

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GasolinaGasolina• Indice de OctanosIndice de Octanos: el tanto por ciento de 2,2,4-: el tanto por ciento de 2,2,4-

trimetilpentano (isooctano) en una mezcla de trimetilpentano (isooctano) en una mezcla de isooctano y heptano que tiene propiedades de isooctano y heptano que tiene propiedades de antidetonantes equivalentesantidetonantes equivalentes

CH3 (CH2 )5CH3 CH3 CCH2 CHCH3

CH3

CH3 CH3

Heptano(Indice octano 0)

2,2,4-Trimetilpentano(Indice octano 100)

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O2

cat.R-CH3 R-COOH

A.OXIDACIÓN CATALÍTICADebido a las altas temperaturas necesarias para

que se produzca la combustión, ésta no es selectiva y conduce a la destrucción de la mayor parte del producto de partida.

La oxidación catalítica permite oxidar un alcano en presencia de un catalizador introduciendo así una función en la molécula.

De esta forma, podemos oxidar un grupo metilo terminal a grupo carboxilo:

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• En tiempo de guerra, Alemania llevó a cabo este proceso (aire, KMnO4, temperatura elevada) para obtener ácidos grasos que luego se esterifican con glicerina ( apartir del propileno). Estos glicéridos se usaron como sustitutivos de la margarina.

• También podemos introducir una función –OH, al insertar un átomo de oxígeno en la cadena. Esta reacción es catalizada por enzimas llamadas “monooxigenasas”.

O2R-H R-OH

enzima(C1-C8)

Por este motivo ya se lleva a cabo la utilización de la “degradación oxidativa” a cargo de las bacterias para la limpieza de residuos petrolíferos.

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• Otro método de oxidación controlada de alcanos emplea metales de transición como catalizadores como Cobalto, por ejemplo:

O2 , 10-11 atm

OH

T=150-160ºC

cat. Co

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HALOGENACIÓN.HALOGENACIÓN.

• Es la reacción de sustitución de un hidrógeno por un halógeno. Por ejemplo:

• Esta reacción se produce en presencia de luz UV, o a temperaturas muy elevadas (T>300ºC).

• En el caso de CH4, la cloración conduce, en 4 etapas sucesivas, a los cuatro productos de sustitución. La mezcla de los 4 productos se puede separar por destilación fraccionada.

CH4 + Cl2 CH3Cl + ClH

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• El mecanismo es “por radicales” y “en cadena”. Una molécula de cloro sufre una ruptura homolítica de su enlace por acción de un fotón de energía suficiente, h (iniciación), siendo el radical cloro Cl el que rompe el enlace C-H. El radical Cl se lleva un átomo de hidrógeno del enlace H-CH3, formando así un radical CH3 (propagación). El clorometano se forma cuando el radical metilo, a su vez, se lleva un átomo de cloro de una molécula de cloro, produciendo también un nuevo radical Cl:

+ Cl2 ClHC

H

HH

H

C

H

ClH

H

+luz luz

Cl2C

H

ClH

Cl

+

luz

Cl2C

Cl

ClH

Cl

HCl

C

Cl

ClCl

Cl

+ClHluz

Cl2

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• Iniciación Cl2 2 Cl

• Propagación Cl + CH4 CH3 + Cl-H

• CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl

• Terminación Cl + Cl Cl2

• Cl + CH3 CH3Cl

• CH3 + CH3 CH3-CH3

• La reacción termina cuando se unen dos radicales (poco probable), o por choques con las paredes del reactor.

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• Conocido el mecanismo es fácil comprender que se formen con mayor facilidad los haluros terciarios, ya que los radicales intermedios son más estables.

R

CR´

R´´

>R

CR´

H

>R

CH

H

>H

CH

H

Cl2 + CH3-CH2-CH3

CH3-CHCl-CH 3

CH3-CH2-CH2Cl

Mayoritario

Minoritario

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• Por la misma razón, el H de un doble enlace, hidrógeno alílico, se puede sustituir con gran facilidad.

CH2=CH-CH3 + Cl

CH2=CH-CH2

CH2-CH=CH2

+ HCl

CH2=CH-CH2Cl+HCl

+ Cl2 +Cl

HCl

+ Cl2 + HCl

CH3 CH2Cl

Halogenación alílica

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• La reactividad de los halógenos sigue el orden:

• F2 > Cl2 > Br2 > I2

• El F2 reacciona violentamente con el metano. El Br2 es menos reactivo que el Cl2, lo que permite obtener halogenuros, de manera más selectiva, en carbonos secundarios o terciarios.

R

CHR´

R´´

+ Br2

R

CR´

R´´

Br (100%) H-Br+

CH3

CHH3C

CH3

+ Cl2

CH3

CH3C

CH3

Cl +

CH2Cl

CH3C

CH3

H

mientras que con Cl2 se obtienen mezclas:

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• Con I2 la reacción no evoluciona, por ser muy endotérmi-ca. Para desplazar el equilibrio a la derecha, se añaden oxidantes (HIO3, HNO3) que consumen el HI producido.

R-H H-IRI+ +

Con Cl2 se obtienen mezclas:

CH3

CHH3C

CH3

+ Cl2

CH3

CH3C

CH3

Cl +

CH2Cl

CH3C

CH3

H

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ISOMERIZACIÓN.ISOMERIZACIÓN.• Es la transformación de un alcano lineal en un alcano

ramificado.

• Un alcano lineal se calienta en presencia de AlCl3,un ácido de Lewis. El mecanismo por iones carbonio se inicia por la presencia de trazas de CH3Cl.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

AlCl3CH-3CH-2

HC CH3CH3

CH3-Cl + AlCl3 CH3 + AlCl4

CH3 + CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH4 + CH3-CH2-C-CH2-CH3

a)

b)

CH3-CH2-CH-CH2-CH3 CH-3CH-2 C CH3CH3

CH-3CH2 C CH3

CH3

c) + CH3-CH2-CH2-CH3 CH-3CH2

HC CH3CH3

+

(a)

(a)

Reacción en cadena

H

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PIRÓLISIS.PIRÓLISIS.

• Se denomina pirólisis al proceso por el que se rompen los enlaces C-H y C-C cuando los alcanos se calientan a alta temperatura. La formación de diversos radicales que se recombinan dando una gran variedad de productos son la base de los procesos petroquímicos.

• La pirólisis es una de las reacciones más importantes y se produce con formación y reajuste de radicales libres. El caso más sencillo es la pirólisis de metano para dar carbono e hidrógeno. 1200°C

• CH4 C(sol) + 4 H·(gas) H= + 396 kcal/mol

• 4H· 2 H2 (gas) H= - 206 kcal/mol

• CH4 C(sol) + 2 H2 (gas) H= + 190 kcal/mol

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• La reacción es endotérmica; la rotura del enlace C-H exige temperaturas elevadas y consume 396:4= 99 kcal/mol.

• La rotura del enlace C-C consume 83 kcal/mol y la pirólisis del etano, propano, etc. se produce aproximadamente a 600°C.

• H3C-CH2-CH3 H3C· + CH2-CH3 H= 83 kcal/mol• ·• Los radicales producidos se reestructuran para dar metano, etano,

etileno y propileno:• ·• ·• H3C + CH3-CH2-CH3 CH4 + CH3-CH-CH3

• ·• ·• CH3-CH-CH3 CH4 + CH2=CH2

• CH3-CH-CH3 H + H3C-CH=CH2

• etc., etc.

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• Los radicales resultantes pueden combinarse para formar nuevos alcanos de PM más alto o más bajo. Además, los radicales pueden abstraer átomos de hidrógeno del átomo de carbono adyacente al centro radicalario y generar un alqueno. De esta forma, durante la pirólisis se forman mezclas muy complicadas de alcanos y alquenos.

• De modo análogo, la pirólisis de alcanos superiores da una mezcla compleja de alcanos y alquenos de PM más bajo. Esta es la base teórica del craqueo industrial, que permite obtener alquenos para la industria química y fracciones de gasolina partiendo de fracciones pesadas de petróleo de bajo valor comercial. En otros casos sucede un mecanismo por carbocationes.

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• Dependiendo de las condiciones utilizadas, se puede controlar los productos a obtener consiguiendo así hidrocarburos de longitud de cadena definida.

• Por ejemplo, en la pirólisis del dodecano, el uso de catalizadores especiales como son los aluminosilicatos sódicos (zeolitas) conduce principalmente a hidrocarburos que tienen entre 3 y 6 átomos de carbono.

• (la zeolita A es Na12(AlO2)12(SiO2)12(H2O)27 y forman una malla tridimensional de unidades tetraédricas de SiO4 y AlO4).

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Gas de SíntesisGas de Síntesis• Una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno

en dimensiones que varían dependiendo (según) el medio por cual es fabricado

C + H2 O calor CO + H2Carbon

1+catalisis +

2CH4 2H2COO2

Metano

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Gas de SíntesisGas de Síntesis• El gas de Síntesis es empleado para la produc-

ción de metanol y ácido acético

• otras sustancias químicas orgánicas se obtienen industrialmente empleando metanol como materia prima

CH3OH + COcatalisis

CH3COH

O

Metanol ácido acético .

+Metanol

CO 2H2 CH3OHcatalisis

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Propiedades Químicas de los Propiedades Químicas de los cicloalcanoscicloalcanos

• Los cicloalcanos con fuerte tensión (ciclopropano y ciclobutano) dan reacciones de adición, como los alquenos, con rotura de un enlace C-C, apertura del anillo y disminución de la entalpía.

• + H2 Ni / 100ºC H3C-CH2-CH3

• + Br2 BrCH2-CH2-CH2Br

• + XH XCH2-CH2-CH3

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• El ciclobutano reacciona con mayor dificultad y los siguientes no dan reacciones de adición. Estos ciclos también se rompen a temperaturas elevadas, isomerizándose a alquenos.

calor H3C-CH2CH=CH2

• Los cicloalcanos sin tensión no dan reacciones de adición y en sus reacciones de sustitución se comportan como los n-alcanos.

+ Cl2

H H

H

HH

HHHH

H

H H

H

ClH

HHHH

H

+ HClluz

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• Con catalizadores de Cl3Al se producen reaccio-nes de isomerización con apertura y cierre del anillo.

CH3

CH3

Cl3Al-Calor

CH3

Dimetilciclopentano Metilciclohexano

CH3

Cl3Al-Calor

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Métodos generales de obtención de Métodos generales de obtención de cicloalcanoscicloalcanos

• El ciclopentano, el ciclohexano y varios de sus alquilderivados (metil y etilciclopentano, metilciclohexano, etc.) se encuentran en la fracción "nafta" de destilación del petróleo.

• También se obtienen por hidrogenación de compuestos aromáticos.

• Se obtienen anillos por reacción entre hidrocarburos dihalogenados en los carbonos extremos con Zn en polvo.

• Otra reacción para formar ciclos es la de Diels Alder o cicloadición.

CH2Br

CH2 CH2Br+ Zn

CH2

CH2 CH2

+ Br2Zn

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INTERÉS INDUSTRIAL DEL CICLOHEXANO.INTERÉS INDUSTRIAL DEL CICLOHEXANO.

• El ciclohexano se produce en grandes cantidades para utilizarlo como materia prima en la fabricación de fibras de Nylon. Se obtiene mediante dos procesos: la hidroge-nación del benceno y el reformado catalítico de la fracción nafta del petróleo.

•

• La hidrogenación del benceno se realiza en fase líquida con catalizadores de Ni o Pt.

+ 3 H2

Ni-Pt

200°C - 20 a 30 atm

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• La fracción nafta del petróleo contiene ciclohexano, ben-ceno, ciclopentano, metil y dimetilciclohexano, etc.

• La separación del ciclohexano por destilación fracciona-da es difícil, por lo que a la fracción nafténica se la somete al "reformado catalítico".

• Este proceso puede representarse de forma simplificada como se muestra en el esquema 1, la nafta se destila para obtener una fracción (H) rica en ciclohexano y otra (B) rica en benceno y metilciclohexano. La fracción H se somete al reformado catalítico, transformándose en una mezcla de benceno + metilpentano con pentano y dimetilpentano. Esta mezcla se destila para separar el pentano más volátil y el dimetilpentano menos volátil.

• La fracción H reformada y rectificada se une a la fracción B y pasan juntas al reactor de hidrogenación catalítica donde el metilpentano se isomeriza y el benceno se hidrogena. Las reacciones principales son:

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a) a) ReformadoReformado

Pt-Al2O3

500°C - 30 atm

CH3

n'n n''+ n''' H2+

b) b) Hidrogenación catalítica e isomerizaciónHidrogenación catalítica e isomerización

Ni-Pt

200°C - 30 atm

CH3

+ 3 H2

Cl3Al

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En circunstancias económicas de gran consumo de aromáticos la reacción de reformado se utiliza para producir benceno y tolueno.

El ciclohexano se usa para obtener, por oxidación catalítica con aire, ciclohexanol y ciclohexanona, que son materias primas para la obtención de Nylon, resinas de poliéster y poliuretanos. Ambos productos se usan también, en menor escala, como disolventes.

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1Fracción

C6

Fracción

B44 44 55

Hexano

Fracción

H22

33 Dimetilpentano

Hidrocarburos pesados

Pentano

HidrocarburosligerosHexano + Metilpentano

1 Columna de destilación de C6

2 Reactor del reformador

3 Destilación del producto reformado

4 Reactores de hidrogenación e isomerización

5 Columna de destilación del ciclohexano

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Alcanos Alcanos

YY

CycloalcanosCycloalcanosFin Capítulo 7Fin Capítulo 7

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7 7-1 J.M,Báñez Sanz Quimica II Tema 7 Alcanos y Cicloalcanos Cicloalcanos