Al Can Os Bailey

ALCANOS: ESTRUCTURA. Y NOMENCLATURA D E HIDROCARBURO SENCILLOS

Los compuestos orgnicos se clasifican de acuerdo con caractersticas estructurales comunes que imparten propiedades qumicas y fsicas similares a los compuestos que pertenecen a cada grupo o familia. El estudio de la qumica orgnica en trminos de estas familias simplifica la tarea de entender las reacciones que sufren los compuestos; este libro est organizado en consecuencia.

2 Hidrocarburos: introduccin

hidrocarbun, compuesto formado slo

por carbono e hidrgeno

alcano compuesto formado slo por carbono, hidrgeno

y enlaces sencillos

compuesto saturado

compuesto con slo enlaces sencillos

compuesto no saturado

compuesto con al menos un doble o triple enlace

En este captulo daremos principio a una cobertura minuciosa de la estructura molecular y nomenclatura de los compuestos orgnicos usando los hidrocarburos, que son en muchos sentidos los compuestos orgnicos ms sencillos porque estn formados slo por carbono e hidrgeno. Primero examinaremos los alcanos, que son hidrocarburos donde todos los enlaces carbono-carbono son sencillos. El aprendizaje de la relacin entre la estructura y la nomenclatura de los alcanos de- ber ayudar al estudiante a dominar ambas cosas.

El petrleo y la hulla son las fuentes principales de hidrocarburos. Se trata de mezclas complejas de literalmente miles de compuestos, casi todos hidrocarburos, formados por la descomposicin y degradacin de plantas y animales marinos. Es probable que algunos de estos compuestos ya le sean conocidos: metano, gas natural, p

2.2 Frmulas moleculares y estructurales-isomera ( 39 , alqueno compuesto

formado por carbono e hidrgeno y al menos

un doble enlace alquino compuesto

formado por carbono e hidrgeno y al menos

un triple enlace

frmula molecular frmula que

proporciona el nmero de cada clase de tomo

en un compuesto frmula estructural

frmula que proporciona la disposicin de los

enlaces de los tomos de una molcula

ismeros compuestos con la

misma frmula rnolecular pero diferentes frmulas

estructurales ismeros

estructurales isrneros que varan en

las uniones de los tomos a travs de enlaces

ismeros de constitucin

ismeros que varan en cuanto a las uniones de

los tomos a travs de enlaces

estereoismeros isrneros con los mismas

uniones de tomos a travs de enlaces pero

diferentes orientaciones espaciales

enlace (alquenos) o un triple enlace (alquinos) carbono-carbono. Los compuestos aromticos, as ilamados originalmente por su aroma, tambin corresponden a la designacin de no saturados; sus estructuras se analizarn en un captulo poste- rior. Los que siguen son ejemplos sencillos de cada clase de hidrocarburos: etano, un componente menor del gas natural; etileno, precursor del plstico polietileno; acetileno, el combustible de los sopletes oxiacetilnicos; y benceno, un componente de la gasolina.

Saturados

Alcanos H H

l l

H H Etano

No saturados

Alquenos Alquinos Aromticos

Eteno (etileno)

Etino Benceno (acetileno)

Frmulas moleculares y estructurales-isomeria Tericamente, el nmero de posibles compuestos orgnicos es infinito. Ya se han sintetizado o aislado de sus fuentes naturales varios millones. Estos compuestos se representan comnmente mediante frmulas moleculares o estructurales. Una frmula molecular describe el nmero exacto de cada clase de tomo en un compuesto. Las frmulas moleculares de los tres alcanos ms sencillos son CH4, C2Hs, y C3H8. Aunque esta informacin es importante, las frmulas estructurales son ms tiles; pues no slo proporcionan el nmero exacto de cada clase de tomo de una molcula, sino adems la disposicin de los enlaces de estos tomos - e s decir, cules tomos estn unidos unos con otros y por qu clase de enlace-. Las frmulas estructurales de los tres alcanos ms sencillos se muestran en la figura 2.1 junto con representaciones de modelos moleculares.

Cuanto mlyor es el nmero de tomos en una frmula molecular, ms grande es el nmero de compuestos posibles con ella. Por ejemplo, aunque slo es posible un compuesto para los alcanos de frmulas CH4, CzH6 y C3Hs, son posibles dos para C4Hl0; tres para C5H12; 75 para CloH22; 366 319 para CZ0H42 y 62 491 178 805 831 para C40H82. Estos diferentes compuestos con la misma frmula molecular pero distinta frmula estructural se llaman ismeros. Muy pocos de los ismeros de C20H42 O C40H82 se han sintetizado, aislado de fuentes naturales o caracterizado. Sin embargo, la posibilidad de su existencia ilustra muy bien el enorme alcance de la qumica orgnica.

Existen seis clases de isomena, todas las cuales, excepto una, habremos de estudiar en este captulo y en el prximo. Las isomenas de esqueleto, de posicin y funcional caen bajo el ttulo general de isomera estructural (a veces llamada isomera de constitucin). En los ismeros estructurales, diferentes tomos estn unidos unos con otros. En la estereoisomera -geomtrica, de conformacin y ptica- los mismos tomos estn enlazados unos con otros, pero su configura- cin en el espacio es diferente. Investigaremos la isomena de esqueleto de los dca- nos en la prxima seccin.

40 1 CAPITULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

H H H H H H

H C - H l l

H-C-C-H 1 1 1

H-C-C-C-H l

H I l

H H I I I

FIGURA 2.1 H H H -- -

Representaciones de (a) metano, @) etano y c b

(c) propano. (a)

2.3 lsomeria de esqueleto en alcanos

A. Ismeros

Los ismeros son compuestos con la misma frmula molecular pero diferent frmula estructural. Los alcanos muestran un tipo de isomera que se conoce com

ismeros de isomera de esqueleto. Puesto que todos los alcanos no cclicos tienen la frmul esqueleto general CnH2n+2 ( C b , CzH6, C3H8, C4H10, C5H12, y as sucesivamente), slo puede

isrnerOs que difieren en tener enlaces carbono-carbono sencillos, Las nicas variaciones estructurales pc la disposicin de la cadena de carbono sibles estn en la disposicin de los carbonos, el esqueleto de carbono. Por ejen

plo, el miembro ms sencillo de la familia de los alcanos que muestra isomen tiene la frmula molecular C4Hlo. Hay dos frmulas estructurales posibles, una e la que los cuatro carbonos estn dispuestos en una cadena continua y otra en ! cual la cadena est ramificada.

H I

H-C-H

l l l I H-C-C-C-C-H

1 1 1 H-C-C-C-H

l l l H H H

Examinemos ahora un mtodo para dibujar ismeros de esqueleto como stos ismeros estructurales en general de una manera sistemtica.

2.3 Isomera de esqueleto en alcanos 1 4 1 B. Cmo dibujar ismeros estructurales

Las reglas y el procedimiento para dibujar ismeros estructurales son los mismos que se usaron para dibujar frmulas de electrn-punto (seccin 1.4.C). Usaremos simplemente una lnea para designar cada par de electrones enlazantes en vez de dos puntos (una lnea para enlaces sencillos, dos para enlaces dobles y tres para enlaces triples). Luego pasaremos rpidamente al uso de representaciones an ms condensadas. Las reglas para dibujar estructuras son:

l. Se deben usar todos los tomos de la molcula -ni ms, ni menos. 2. Se debe satisfacer la valencia (nmero de enlaces) de cada tomo. Las valen-

cias de los tomos que es comn encontrar en compuestos orgnicos son: C 4 N 3 o, S 2 H, F, C1, Br, 1 1

Cuando apenas se comienza a aprender estructura orgnica, es bueno contar con un procedimiento para dibujar ismeros. El procedimiento siguiente, en el cual se consideran primero los tomos polivalentes, es de utilidad.

l . Una entre s en forma continua, con enlaces sencillos, todos los tomos con valencias superiores a uno.

2. Ligue tomos monovalentes a los tomos polivalentes hasta que se hayan satisfecho todas las valencias.

3. Si no hay suficientes tomos monovalentes en la formula molecular para completar el paso 2, inserte enlaces dobles o triples entre los tomos polivalentes hasta que sea posible satisfacer todas las valencias. Tambin puede ser til dibujar estructuras cclicas.

4. Para construir los ismeros de una frmula molecular, modifique la disposicin de los tomos y enlaces en las molculas.

~ ~ l i ~ u e m o s ahora estas reglas y este procedimiento al ejemplo sencillo analizado en la parte A de esta seccin, C4HI0 (vase la figura 2.2). Una primero los cuatro carbonos con enlaces sencillos. En seguida, agregue hidrgenos a los carbonos,

enlace mltiple uno a la vez, hasta que cada carbono tenga cuatro enlaces. Podr ver que se usan un doble o triple enlace los diez hidrgenos y no se requieren enlaces mltiples.

C-C-C-C

H H H H I I I I

H-C-C-C-C-H 1 1 1 1

H H H H

Ahora haga variar la disposicin de los tomos polivalentes -los cuatro carbonos- y agregue hidrgenos como hizo antes.

*-

C HH-C-HH

C-C-C I l l

H-C--C--C-H I I l

1 42 1 C ~ n i t o 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos Para una persona que se inicia en el aprendizae de la qumica orgnica, puede recer que tendra que haber un buen nmero de ismeros de C4H10. Por ejemr por qu los siguientes no son diferentes de nuestro primer ismero, el butano?

H H H H H H H H

1

H C- C C- C

H H H H Butano

H H H H H Un examen minucioso revela que cada una de estas estructuras tiene una cadt continua de cuatro carbonos y es, por tanto, idntica al butano. Todo lo que se hecho al generar estas estructuras es torcer la molcula de varias maneras, co una serpiente. Todas las estructuras conservan la cadena continua de cuatro bonos y son idnticas. Es conveniente convencerse uno mismo de que, en nues segundo ismero, nada cambia si se enlaza el cuarto carbono por arriba o por bao de la cadena de tres carbonos.

La frmula molecular que sigue en esta serie es C5H12, para la cual hay tres i meros de esqueleto (figura 2.3). El primero tiene una cadena continua de cinco < bonos (slo un ismero de C5H12 puede tener una cadena as). El segundo tic una cadena de cuatro carbonos con una ramificacin de un carbono en el segur carbono. Advirtase que no importa en cul de los dos carbonos interiores se colc

H-C-H H H H H

i l l l H--C-C-C--C-H H-

1 1 1 1 H H H H

FIGURA 2.2

I I C-C-C-H

1 I / H H H

CH3

Ismeros de C4HI0. CH3CH2CH2CH3 (a) Butano. @) Metil-

propano. Cada uno punto de ebullicin 0 " c tiene la misma frmula punto de fusin - 138 "C

molecular pero una densidad del lquido 0.622 g/ml estructura propia. (a)

2.3 Isomera de esqueleto en aicanos 1 43 la ramificacin de un carbono. En ambos casos, se tratar del segundo carbono a partir del extremo de una cadena de cuatro carbonos. El tercer ismero tiene dos ramificaciones de un carbono en el carbono medio de una cadena de tres carbonos. Obsrvese que, si las dos ramificaciones de un carbono se hubieran colocado sobre el primer carbono, o si se hubiera puesto una cadena de dos cai-bonos en el segundo carbono de la cadena de tres carbonos, se habna repetido el segundo ismero, puesto que la cadena ms larga se habna ampliado a cuatro carbonos.

7----m- H-C -H H H H-

H

H

C C- C H l :f. H H H

La figura 2.3 muestra las frmulas estructurales condensadas de los compuestos en cuestin. Puesto que este tipo de frmula es el de uso ms frecuente, conviene comparar las frmulas expandidas y condensadas para confirmar su significado. El

H-C-H

H I

H-C - H

H H H H H I I I I I H l T 7 I " / Y l i 1

H-C-C-C-C-C-H H-C-C-C-C-H H-C-C-C-H I I I I I l l l l l l l

H H H H H H H H H H I H

FIGURA 2.3 Representaciones de frmula estructural de los ismeros de C5H12.

44 1 C ~ ~ T U C I 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciiios frmula condensada ejemplo 2.1 ilustra el uso de frmulas condensadas al dibujar los ismeros de e s frmula estructural en la queleto de C6HI4.

cual no se muestran indi- vidualmente todos los

enlaces o tomos

m 1 Dibuje los cinco ismeros de esqueleto que tienen la frmula molecular C$it,. I Solucin Se debe seguir un procedimiento sistemtico al dibujar ismeros de frmulas moleculares para evitar la repeticin u omisin de un ismero. Comience por disponer los carbonos en una cadena continua:

CH3CH2CH2CH2CH2CH3 Ahora, reduzca la longitud de la cadena ms larga en un carbono y coloque la cadena de un carbono restante en tantos lugares distintos como sea posible. Colocar el CH3 en el cuarto carbono es lo mismo que ponerlo en el segundo; dibujarlo arriba o abajo da igual.

CH3 CH3 I

Despus de formar tantos ismeros como sea posible con una cadena de cinco carbonos, hay que reducir la longitud de la cadena ms larga a cuatro carbonos y considerar los carbonos restantes como una ramificacin de dos carbonos ( - CH2CH3) y como dos ramificaciones de un carbono (- CH3, - CH3). No hay un lugar donde se pueda colocar la ramificacin de dos carbonos sin aumentar la longitud de la cadena ms larga Si dicha ramificacin estuviera unida en el extremo, la cadena ms larga se volvera de seis carbonos; si se colocara en un carbono interior, la cadena se alargara a cinco. Sin embargo, existen dos disposiciones de dos ramifibaciones de un carbono en una cadena de cuatro carbonos.

CH3 CH3 CH3 l

CH3CCH2CH3 I I

CH3CH - CHCH3 l

Problema 2.1 Dibqy los nueve is esqueleto que tienen la f6nnuia C7HI6.

C. Cicloalcanos

cicloalcano Los cicloalcanos tienen la frmula molecular general C,H2,. tienen dos hidrge- compuesto cclico que nos menos que los alcanos correspondientes. El cicloalcano ms sencillo tiene tres contiene slo carbonos, C3H6. Hay una sola frmula estructural posible, un anillo de tres miem-

e hidrgeno bros. Existen dos ismeros de esqueleto que son cicloalcanos con frmula C4Hs.

H\ /H C

H. / \ ,H C-C

H-C-C-H I I

H-C-C-H H. / \ /-H I I C - c,

2.4 Representaciones de frmulas estnicturdes 1 45

Dibuje los c%tro ismeros de esqueleto de los cicloalcanos de f6niiuh moleeular

Representaciones de frmulas estructurales Comenzamos a escribir frmulas estructurales en el captulo 1 cuando aprendimos a escribir frmulas de electrn-punto. Casi todas las frmulas estructurales que hemos usado hasta ahora en este captulo han sido como las frmulas de electrn- punto, excepto que los pares de electrones enlazantes se ilustran con lneas en vez de puntos. Hasta que usted est absolutamente seguro de lo que hace, stas son las mejores frmulas que puede usar. Sin embargo, conforme aumente su competen- cia, usted querr encontrar mtodos ms breves para representar compuestos. Es- to es posible con frmulas condensadas.

Los mtodos para condensar frmulas vm'an desde agrupar los hidrgenos de un carbono dado hasta usar diagramas de varillas. Por ejemplo,

son todas representaciones del compuesto

H

H H-C-H H H H

H-C --- C --- 01

C-C-C-H l l

H H l l l

H H H

En la primera condensacin, los hidrgenos de cada carbono estn agrupados. En la segunda, los CH3 y CH2 estn agrupados entre parntesis como corresponde. Examine de nuevo las figuras 2.1-2.3 para ver ejemplos de estos mtodos. La frmula de armazn utiliza lneas, y se entiende que las intersecciones y extremos de las lneas son carbonos a menos que se especifique otra cosa. Los carbonos tienen suficientes hidrgenos para satisfacer sus valencias.

Las frmulas de armazn son especialmente tiles para representar compuestos cclicos (o anulares). Cada vrtice del polgono representa un carbono a menos que se especifique otra cosa. Las lneas dobles indican dobles enlaces, y tres lneas designan enlaces triples.

46 ( Ca~iuw 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos Dibuje una frmula estructural expandida para el hidrocarburo saturado siguiente: (CH3)2CH(CH2)3CH(CH3)CH2C(CH3)3. Solucin

k H H l

HH-C-HH H H H C- H H H- C- H H l l l H - c ~ c - - c - c - c c - - c - c - C-H

l l I I I l I l H H H H H H HH-C-HH

H

2.5 lsomeria de posicin Los ismeros de esqueleto,difieren en cuanto a la posicin de los tomos de carbo-

isrneros de no, es decir, la disposicin del esqueleto de carbono. Los ismeros de posicin posicin difieren en la posicin de un grupo no carbonado o de un doble o triple enlace; el

ismeros que difieren en esqueleto de carbono no se modifica. Consideremos, por ejemplo, los cuatro is- la ubicacin de un meros de C4H9Br.

arupo sin carbono o un oble o triple enlace [ CH3CH2CH2CH2Br CH3CH2CHCH3

I

I Ismeros de posicin Ismeros de esqueleto A CH3 CH3 > I l CH3CHCH2Br CH3CCH3 I I Br Los miembros del par superior de compuestos son ismeros de posicin porque todos tienen una cadena continua de cuatro carbonos y difieren slo en la posicin del bromo. De igual manera, los miembros del par inferior tienen esqueletos de carbono idnticos y difieren slo en la posicin del bromo. Sin embargo, los dos pares de compuestos difieren en el esqueleto de carbono y, por tanto, tienen entre s una relacin de ismeros de esqueleto. Los ejemplos siguientes ilustran otros tipos de ismeros de posicin:

Problema 2.3

El tercer tipo de isomera estructural es funcional, en el cual las distintas disposiciones de tomos colocan los compuestos en diferentes clases de compuestos orgnicos. Puesto que esto no ocurre en el caso de los alcanos, se analizar ms adelante (seccin 3.3).

2.6 Nomenclatura IUPAC de alcanos 1 47 Nomenclatura IUPAC de alcanos A. Introduccin a la nomenclatura IUPAC

Se han asignado nombres triviales o comunes a compuestos orgnicos por diversas razones, entre ellas la simple ignorancia, por parte de los qumicos pioneros, de las estructuras de los compuestos que investigaban. Las explicaciones de muchos de estos nombres son obvias; fuente: pineno de los pinos y cocana de las hojas de co- ca; olor: putrescina y cadaverina, compuestos que se forman en la carne en descomposicin; sabor cinamaldehdo y vainillina; color: rojo Congo y verde ma- laquita; geometra: basquetano (basket = canasta) y cubano; nombres comercia- les: Nutrasweetm; y adulacin pblica: recientemente, buckybolas o fulerenos (vase Conexiones 1.1).

El potencial para el descubrimiento o la sntesis de grandes cantidades de compuestos qumicos puso de manifiesto la necesidad de un mtodo para dar nombre de manera sistemtica a millones de compuestos. A principios del siglo veinte, la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry) desarroll el sistema de nomenclatura IUPAC, el cual relaciona los nombres de los compuestos con su estructura molecular. Por ejemplo, el nombre de un hidrocarburo simple se basa en el nmero de carbonos de la cadena continua de carbonos ms larga de la molcula Se identifican los enlaces dobles y triples, y se describen numricamente sus ubicaciones dentro de la cadena ms larga.

Hemos considerado ya la estructura e isomera de los alcanos y ahora estamos en condiciones de relacionar sus estructuras con su nomenclatura. La nomenclatura de otras clases de compuestos orgnicos se estudiar en captulos individuales conforme se exponga la qumica de cada grupo funcional. En el apndice aparece una sntesis de la nomenclatura IUPAC. Todava se usan algunos nombres comunes; los ms persistentes de ellos se presentarn a lo largo del libro.

B. Nomenclatura de alcanos no ramificados de cadena continua: base de la nomenclatura orgnica

Los compuestos que contienen slo carbono e hidrgeno, con cadenas de carbono continuas y no ramificadas, y con slo enlaces sencillos, se designan de acuerdo con el nombre griego que corresponde al nmero de carbonos seguido del sufijo -ano. Por ejemplo, un compuesto con una cadena de cinco carbonos se designa como penta, del griego que denota cinco, seguido del sufo -ano, que indica que todos los enlaces carbono-carbono son sencillos.

Los hidrocarburos anulares, o cclicos, siguen el mismo esquema de nomenclatura excepto que se usa el prefo ciclo- para indicar que la cadena es un anillo.

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Ciclooctano

La tabla 2.1 presenta las frmulas estructurales y nombres de los primeros diez hidrocarburos saturados. Puesto que la nomenclatura de los alcanos es la base de la nomenclatura orgnica en general, es importante aprender los nombres de al menos los diez primeros hidrocarburos. Obsrvese que los primeros cuatro hidrocarburos de la tabla 2.1 tienen nombres triviales que se incorporaron en el sistema

48 1 Cmmo 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos TABLA 2.1 4 Hidrocarburos de cadena continua

I

Primeros diez hidrocarburos

CH4 Metano CHS(CHZ)~CH~ Hexano CH3CH3 Etano CH~(CHZ)~CH~ Heptano CH3CH2CH3 Propano CH3(CH2)6CH3 Octano CH3(CH2)2CH3 Butano CH3(CH2)7CH3 Nonano CH3(CH2)3CH3 Pentano CH3(CH2)sCH3 Decano

de la IUPAC a causa de su extenso uso previo. Analice los nombres de la tabla 2.1, entendiendo que los prefuos -perita-, hexa-, hepta-, octa-, nona- y deca- descri- - ben el nmero de carbonos (de cinco a diez, respectivamente) y que el sufijo ano indica que slo hay enlaces carbono-carbono sencillos.

C. Nomenclatura de alcanos de cadena ramificada

Los alcanos de cadena ramificada son compuestos que tienen cadenas ms cortas de carbono (grupos alquilo) unidas a esqueletos de carbono ms largos. Sus nombres se basan en el nombre de la cadena de carbono continua ms larga; los nombres de

grupo alquilo los sustituyentes carbonados anexos (grupos alquilo) se obtienen cambiando la cadena de hidrocarburo terminacin del nombre del hidrocarburo apropiado, de -ano a 410. Estos com-

'On un punto de unin puestos se designan de acuerdo con el procedimiento siguiente: abierto

1. Encuentre la cadena de carbono ms larga de la molcula y dle nombre de acuerdo con la tabla 2.1, con el prefuo griego correspondiente al nmero de carbonos seguido del sufuo ano. Para un compuesto cclico, el anillo suele ser la base del nombre, sin considerar la cadena continua ms larga.

2. D nombre a las cadenas anexas ms cortas (grupos alquilo). Vase la tabla 2.2.

3. Para localizar las posiciones de los grupos alquilo, numere la cadena de carbono ms larga en forma consecutiva, de un extremo al otro, comenzando por el extremo que proporcione el nmero ms bajo para el primer sustituyente. Este paso se aplica simultneamente con el paso 2.

TABLA 2.2 4 Grupos alquilo

CH3 - Metilo CH3(CH2),CH2 - Hexilo CH3CH2 - Etilo CH3(CH2)5CH2 - Heptilo CH3CH2CH2 - Propilo CH3(CH2)6CHz - Octilo CH3(CH2)2CH2 - Butilo CH3(CHz)7CH2 - Nonilo CH~(CHZ)~CHZ - PentiIo CH3(CH2)&H2 - Decilo

Grupos alquilo ramificados

~ s o ~ r o ~ i l o ~utilb secundario Isobutilo Butilo terciario (sec-) (ter- o t - )

2.6 Nomenclatura IUPAC de alcanos ( 49 D nombre a

Solucin 1. La cadena continua ms larga tiene ocho carbonos, de modo que la base del nom-

bre es octano. 2. Un sustituyente de un carbono, un grupo metilo, est unido a la cadena ms larga.

El compuesto es un metiloctano. 3. La numeracin de izquierda a derecha ubica el grupo metilo en el carbono 7. Por

otro lado, la numeracin de derecha a izquierda lo pone en el carbono 2. La segunda alternativa proporciona el nmero ms bajo al sustituyente. El nombre comple- to es 2-metiloctano.

Si aparece ms de un grupo alquilo dado en una molcula, se usa un prefijo griego que indica el nmero de grupos idnticos. Por ejemplo, si un compuesto tiene dos, tres, cuatro, cinco u ocho grupos metilo, esto se indica usando dimetil, trimetil, tetrametil, pentametil y octametil. La ubicacin de cada grupo metilo se descri- Ibe con su propio nmero.

Los grupos alquilo con cadenas de tres y cuatro carbonos ameritan una aten- cin especial. Un grupo &quilo de tres carbonos podra estar unido a una cadena ms larga por cualquiera de los carbonos externos o por el carbono medio; los grupos se llaman propilo e isopropilo, respectivamente.

CH3CH2CH2 - Propilo CH3CHCH3 Isopropiio I

Son dos los ismeros estructurales de un grupo alquilo de cuatro carbonos, cada uno de los cuales tiene dos puntos distintos de conexin.

CH3 CH3

CH3CH2CHZCH2 - CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2 - CH3CCH, l

Butilo Butilo secundario Isobutilo Butilo terciario

Los ejemplos siguientes ilustran aspectos adicionales de la nomenclatura de los alcanos.

Dnombrea

Solucin 1. La cadena continua ms larga tiene siete carbonos: es un heptano. 2. Hay cuatro ramificaciones ms cortas sobre la cadena de heptano: tres cadenas de

un carbono y una cadena de dos carbonos. Los sustituyentes de un carbono se ila-

50 1 CAP~TLJLO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciilos l man grupos metilo. Puesto que hay tres grupos metilo, parte del nombre debe ser

trimetil. La cadena de dos carbonos se llama grupo etilo. Los grupos alquilo se l

nombran en orden alfabtico. El compuesto original es un etil trimetilheptano. 3. Los sustituyentes se deben situar ahora sobre la cadena ms larga. La numeracin

de izquierda a derecha permite las designaciones ms bajas. Los tres grupos metilo estn sobre el carbono 2 y el carbono 4 (2,2,4-trimetil), y el grupo etilo est sobre el carbono 5 (5-etil). Cada sustituyente recibe su propio nmero. El nombre completo es 5-etil-2,2,4-trimetilheptano.

m De nombre a

Problema 2.4

( solucin l l. Para encontrar la cadena continua ms larga se puede requerir una inspeccin cui- 1

dadosa. No estamos buscando la cadena recta ms larga, sino la cadena de carbono ! continua ms larga. En este caso, la cadena tiene diez carbonos: es un decano. I

2. La cadena se numera de izquierda a derecha para obtener la numeracin ms baja para la ubicacin de los sustituyentes.

3. Identificamos los sustituyentes sobre la cadena de decano. En los carbonos tercero, cuarto y sptimo hay grupos metilo (3,4,7-trimetil). Hay grupos etilo umdos a los carbonos quinto y sptimo (5,7-dietil). Si se disponen los sustituyentes en orden alfabtico, se obtiene el nombre 5,7-dietil-3,4,7-trimetildecano.

( Solucin 1 1 El anillo de ciclohexano es la base del nombre. l

2. La numeracin sigue en este caso el orden alfabtico de los sustituyentes. El sustituyente en el carbono 1 se debe designar como ciclopropil- y el que est en el carbono 4 como isopropil.

1 3. El nombre es 1-ciclopropil-4-isopropilciclohexano. I (a)Nombre los cinco ismeros que aparecen dibujados en el ejemplo 2.1 segn el

sistema de nomenclatura IUPAC.

r 3

I ) 1 )

menos un F, CI, Br o I

Problema 2.5

Pmblema 2.6

Problema 2.7

ismeros de conformacin

ismeros que difieren como resultado del

grado de rotacin en torno a un enlace

carbonocarbono sencillo

I

2.7 Isomera de conformacin ( 5 1

Cb) Escribwstnicturas para los compuestos siguientes: (a) 1-isobutil-3-isopropil- ciclapentano; (b) 5,6-di&-2,2,4,&tetrametiInomo.

D. Nomenclatura de hidrocarburos halogenados (halogenuros de alquilo)

En los captulos 4 y 8 veremos que los hidrocarburos halogenados desempean un papel importante en las reacciones orgnicas. Su nomenclatura sigue las reglas normales. Los halgenos unidos a una cadena de hidrocarburo se designan con los p re f~os~uoro - (F), cloro- (Cl), bromo- (Br) y yodo- (1).

Hay ocho ismeros con la fdmuia C$dI1C1. DibQjelos y dles nombre. Si necesita ayuda, consulte la figura 2.3 para ver los esqueletos de carbono posibles. En seguida, coloque el C1 en lugar de un hi.dr6geno en tantos lugares distintos como pueda.

Isomera de conformacin En la seccin 2.3 mencionamos la estweoisomera, la cual se refiere a variaciones isomricas en cuanto a la orientacin espacial o tndimensional de los tomos. Un tipo de estereoisomena es la isomena de conformacin. Se trata de una forma ms sutil de isomena que la de esqueleto o la de posicin, que ya hemos tratado en este captulo. En estos ismeros estructurales la disposicin de enlazamiento de los tomos misma es diferente, con variaciones en cuanto al esqueleto de carbono o las posiciones de tomos distintos del carbono. En la isomeria de conformacin, la disposicin de enlazamiento de los tomos permanece constante, pero la relacin de los tomos en el espacio difiere a consecuencia de una rotacin en torno a

los: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

eclipsada conformacin en torno a

un enlace carbono carbono sekcillo en la cual los tomos unidos

estn tan cerca unos de otros como es posible

escalonada conformacin en torno a

un enlace carbono carbono sencillo en la cual los tomos unidos

estn tan aleiados como es posible

diagrama de caballete

una forma de representar ismeros de

conformacin con dibujos de varillas proyeccin de

Newman forma de representar

ismeros de conformacin usando

una proyeccin frontal de un enlace

carbonocarbono

FIGURA 2.4 Las conformaciones del

etano, CH3 - CH3 (a) Diagrama de

caballete. @) Proyeccin de

Newman.

enlaces carbono-carbono sencillos. Como veremos, esta rotacin ocurre sin difi cultad, con fcil interconversin de los ismeros de conformacin (confrmeros) Por consiguiente, estas variantes no se pueden aislar y no son ismeros en el mis mo sentido que se ha empleado hasta ahora.

Tomemos el etano (CH3CH3) como ejemplo simple. Los dos carbonos estn co nectados por un enlace sencillo, compuesto por un orbital molecular u. Los orbita les moleculares u se traslapan en una sola posicin y, en consecuencia, la rotacir de los carbonos en torno al enlace sencillo no afecta el grado de traslape. Como re sultado, esta rotacin est ms o menos libre de restriceiones. Conforme los carbo nos del etano giran, la relacin de los hidrgenos de los carbonos adyacente! cambia de manera continua; tericamente, hay un nmero infinito de ismeros dt conformacin del etano. Sin embargo, puesto que la rotacin del enlace es conti nua, los ismeros de conformacin se estn interconvirtiendo rpidamente. Ningu no de ellos es una entidad independiente o un compuesto que se pueda aisla~ Existen dos formas extremas que podemos visualizar con facilidad (figura 2.4). EI una, los hidrgenos de los carbonos adyacentes estn alineados unos con otros 4 por consiguiente, se hallan tan cerca unos de otros como es posible. Como resulta do, esta conformacin, llamada conformacin eclipsada, es la menos estable di todas las posibilidades y no es muy abundante en una muestra de etano. En el otrc extremo, los hidrgenos de carbonos adyacentes estn escalonados unos respec to a otros y se hallan por tanto tan alejados como es posible. Esta conformacin llamada conformacin escalonada, es la ms estable. Estas conformaciones si pueden representar ya sea con diagramas de caballete o con proyecciones dc Newman, como se ilustra en la figura 2.4. Los diagramas de caballete no requiere] explicacin, pero conviene examinar ms de cerca las proyecciones de Newman.

En la proyeccin de Newman vemos el enlace carbono-carbono de frente, a 1( largo del eje de conexin. El punto de interseccin de las tres lneas 'f represent; el carbono frontal, y el permetro del crculo b representa el carbono de atrs. L: proyeccin muestra que los hidrgenos estn tan prximos unos a otros como e posible en la conformacin eclipsada. Esto conduce a una repulsin mxima entrc los pares de electrones enlazantes y explica la inestabilidad de esta conformacin Un giro de 60" alrededor del eje del enlace carbono-carbono coloca los hidrgeno, kH Confomaci6n eclipsada

H H H

Giro de 60"

2.7 Isomera de conformacin 1 53 Br Br Br

H H aH 60' :@: 60 ' - $aH 60" :@H H H Br

H Br

(a> ( b ) (e> (4 FIGURA 2.5

Proyecciones de Newman de las conformaciones de 1,2-dibromoetano (BrCH2 - CH2Br). (a) Eclipsada (la menos estable). @) Escalonada. (c) Eclipsada.

(d) Escalonada (la ms estable).

y los pares enlazantes a una distancia mxima entre s, con lo que la repulsin se reduce al mnimo. sta es la conformacin escalonada. Aunque hay diferencias de estabilidad entre los confrmeros del etano, las diferencias de energa no son grandes. Por esta razn, la rotacin en torno al enlace carbono-carbono ocurre casi sin restriccin, lo que hace imposible aislar los diferentes confrmeros, que se estn interconvirtiendo constantemente.

En el l,2-dibromoetano (BrCH2 - CH2Br), son posibles dos conformaciones escalonadas y dos eclipsadas, y las cuatro tienen diferentes estabilidades (figura 2.5). A causa del gran tamao y la alta densidad electrnica de los tomos de bromo, su proximidad entre s es el principal determinante de la estabilidad de los confrmeros. Las dos conformaciones escalonadas son ms estables que las dos eclipsadas; la conformacin escalonada con la mxima separacin entre los tomos de bromo es la ms estable. Por un razonamiento anlogo, la conformacin eclipsada en la cual los dos tomos de bromo estn mutuamente eclipsados (en vez de estar eclipsados con tomos de hidrgeno) es la menos estable. Sin embargo, todas las muestras de 1,2-dibromoetano son idnticas y estn compuestas por estos cuatro y otros confrmeros intermedios en concentraciones relacionadas aproximadamente con su estabilidad. Las conformaciones no se pueden separar ni aislar; la muestra es simplemente una mezcla dinmica de estos confrmeros.

1 Solucin l

m

1 Determine primero cules tomos estn unidos a C1 y C2. I

Dibae los ismeros de conformacin escalonados y eclipsados del butano, CH3CH2CH2CH3, mirando a lo largo del enlace C1 -- C2. Use proyecciones de Newman.

Dibuje un crculo con tres lneas a ngulos de 120" que emanen del centro y tres lneas ms, escalonadas con las otras, que salgan del permetro. Las lneas que salen del centro provienen de C,; ponga los tres hidrgenos en ellas. Las que salen del permetro provienen de C2 (atrs); ponga los dos H y el CH2CH3 en eiias. Ahora, haga girar 60" uno de los carbonos para obtener la conformacin eclipsada.

54 1 CM~TL~LQ 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

Problema 2.8 Dibuje los dos isineros de conformacin esc butano, CHSCH2CR2CH3, formados por giros de entre los carbonos segundo y tercero. Use proyeccion

"S el csnf6mem m& estable y el menos estable.

2.8 Cicloalcanos-isomeria geomtrica y de conformacin

A. Estructura y estabilidad

Los hidrocarburos que poseen uno o ms anillos se llaman cicloalcanos, y se sue- len describir por medio de polgonos regulares, cada uno de cuyos vrtices representa un carbono con hidrgenos suficientes para satisfacer la valencia. El miembro ms pequeo de esta clase, el ciclopropano, tiene tres carbonos. Se ha demostrado que el ciclopropano y el ciclobutano (anillo de cuatro carbonos) son menos estables que los cicloalcanos de anillo ms grande.

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Ciclooctano

El origen de esta relativa inestabilidad son los ngulos internos de cada anillo. Ca- da carbono de un anillo tiene cuatro tomos enlazados, tiene hibridacin sp3 y debe ser tetradrico, con ngulos de enlace de 109.5". Puesto que el ciclopropano tiene un anillo de tres miembros y tres puntos definen un plano, la molcula en codunto debe tener la geometra de un tringulo equiltero con ngulos internos de 60". Este ngulo difiere significativamente del ngulo tetradrico preferido, lo que causa una disminucin en el traslape de orbitales en los enlaces u y tensin en los ngulos internos. Aunque el ciclobutano no es plano, de cualquier forma se aproxima geomtricamente a un cuadrado, con ngulos internos de enlace cerca- nos a 90"; por consiguiente, sufre tensin anular. El ngulo interno de un pentgo- no es muy cercano al ngulo tetradrico de 109.5". El ciclopentano se dobla fuera del plano y es energticamente muy estable.

del m0 que

sue- 'pre- L. El le ha I son

Ca- de- m 0 en 10s lo en se

:a- ;o- bra

conformacin de bote

una conformacin inestable del

ciclohexano con ngulos de enlace de

109.5", pero en la cual casi todos los enlaces

estn eclipsados conformacin

de silla la conformacin ms

estable del ciclohexano en la cual todos los

enlaces estn escalonados y los ngulos de

enlace son de 109.5"

2.8 Cicloalcanos-isomera geomtrica y de conformacin 1 5 5

FIGURA 2.6 Se muestra el colesterol en una frmula simple y tambin en una

conformacin tridimensional estable. Observe que ninguno de los anillos es plano, sino que estn plegados para formar ngulos de

enlace ms estables. El colesterol est presente en abundancia en el cuerpo y se puede aislar de casi todos los tejidos animales. Es

un constituyente integral de las membranas celulares, sirve como precursor de hormonas esteroidales, es un constituyente primario de los clculos biliares humanos y se puede encontrar en la placa

aterosclertica, la cual causa "endurecimiento" de las arterias.

En los cicloalcanos ms grandes, como el ciclohexano (anillo de seis miembros) y el ciclooctano (anillo de ocho miembros), los anillos son lo bastante grandes y tienen suficiente flexibilidad a travs de la rotacin de enlaces para doblarse, torcerse y plegarse fuera del plano hasta que cada carbono tiene el ngulo tetradrico estable. Por ejemplo, la figura 2.6 ilustra una conformacin estable del colesterol.

B. Isomera de conformacin en el ciclohexano

Para visualizar el plegamiento del ciclohexano que proporciona los ngulos de enlace de 109.5", partamos del ciclohexamo como hexgono regular. La manera ms sencilla de hacer no plana esta molcula, con menos tensin interna, es doblar dos carbonos de los "extremos" (carbonos 1 y 4) fuera del plano del anillo. Ambos carbonos se pueden "plegar" en el mismo sentido para formar la conformacin de bote (figura 2.7a). O bien, se puede tirar de un carbono hacia arriba del plano del anillo y del otro hacia abajo, con lo que se obtiene la conformacin de silla (figura 2.7b). En ambas conformaciones, todos los carbonos son tetradricos y todos los ngulos de enlace son de 109.5". Sin embargo, las dos conformaciones no tienen la misma estabilidad. La forma de silla es ms estable y es con mucho el con- frmero predominante en el ciclohexamo. La diferencia de estabilidad es evidente si se comparan las estructuras de las formas de bote y de silla.

56, ( CAP~TULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

FIGURA 2.7 Conformaciones de

bote y de silla del ciclohexano. (a) Forma de

. ,

bote. (b) Forma de silla.

En la forma de bote, los carbonos de extremos opuestos (carbono 1 y carbono 4) se acercan uno al otro, lo que causa interacciones estricas entre los hidrgenos de "asta de bandera" a causa de su proximidad (vanse las figuras 2.7 y 2.8). En la forma de silla, estos dos mismos carbonos se doblan dejndose uno del otro -uno hacia arriba y otro hacia abajo- y por tanto no estn syjetos a repdsin mutua. Se puede encontrar un segundo factor de desestabilizacin observando de frente los enlaces C2 - C g y C5 - C6 usando proyecciones de Newrnan (figura 2.8). En la forma de bote, los tomos enlazados estn en la conformacin eclipsada menos estable, en tanto que en la forma de silla se encuentran escalonados (vase la seccin 2.7). Por estas dos razones, la forma de silla es la conformacin predominante, ms

enlaces axiales estable. enlaces de una silla de Un examen detenido de la forma de silla del ciclohexano pone de ma

nifi

esto cic'ohexano que hay dos orientaciones bsicas de los hidrgenos (figura 2.9). Seis de ellos son

al aproximadamente perpendiculares al anillo y se les Uarna hidrgenos axialea.

anillo, tres arriba y tres en carbonos Hay tres arriba y tres abajo del anillo en carbonos alternos (figuras 2.7 y 2.9). Los

alternados otros seis hidrgenos, uno en cada carbono, yacen en el "plano" medio del anillo y

lno LOS la no Se O S Ir- a- kn s

enlaces ecuabriales enlaces de la silla de

ciclohexano paralelos al anillo

2.8 Cicloalcanos-isomera geometrica y de conformacin 1 57

(a) (b ) FIGURA 2.8

Proyecciones de Newman de las confonnaciones de (a) bote y @) silla del ciclohexano. Compare los carbonos numerados

con los de las formas de bote y de silla de la figura 2.7.

sobresalen hacia afuera del mismo; a stos se les llama hidrgenos ecuatoriales. Los hidrgenos axiales estn ms cerca unos de otros que los hidrgenos ecuatoriales. Los ciclohexanos sustituidos, por tanto, existen de manera predominante en conformaciones en las cuales el grupo o grupos que han reemplazado hidrgenos estn en las posiciones ecuatoriales, ms espaciosas (seccin 2.8.D).

C. Cmo dibujar la silla del ciclohexano Los anillos de seis miembros son muy comunes en qumica orgnica. Por consiguiente, conviene dedicar algn tiempo a aprender a dibujar la forma de silla del ciclohexano. Primero, dibyie el armazn de la silla en papel borrador una y otra vez hasta que est satisfecho al hacerlo y obtenga buenas reproducciones. Al dibujar la silla, observe que hay cuatro carbonos en un plano. Unidos a stos hay un carbono de "extremo" que est por encima del plano y, en el otro "extremo", un carbono que est por debajo del plano (vanse las figuras de la pgina siguiente).

Ahora, sobre el carbono de "extremo" que est arriba, dibuje una lnea vertical directamente hacia arriba. Haga lo mismo en carbonos alternos para obtener un to- tal de tres lneas hacia arriba. En cada uno de los otros tres carbonos, dibuje una 1- nea vertical hacia abajo. Estas seis lneas representan las posiciones axiales.

ax ax

-. --

ec de anillo ec ec

ax ax

FIGURA 2.9 Posiciones axiales y ecuatoriales en la forma de silla del ciclohe-

xano. La forma de silla est alternando constantemente entre dos confnneros idnticos. Cuando esto sucede, todos los hidrge-

nos axiales se vuelven ecuatoriales y todos los hidrgenos ecuatoriales se hacen axiales.

58 1 CM~TLJLO 2 Ai6anos: estructura y nomenclatura de hidrocarbums sencillos Por ltimo, coloque en cada uno de los seis carbonos una lnea que no est ni

hacia arriba ni hacia abajo, sino que salga del permetro de la silla. stas son las posiciones ecuatoriales. El proceso se sintetiza en seguida.

O I 1 Silla Las posiciones Posiciones axiales (negro) axiales son todas Posiciones ecuatoriales (color)

paralelas y se alternan Tres conjuntos de lneas paralelas arriba o abajo en

carbonos alternados

D. Isomera de conformacin en ciclohexanos sustituidos

En la conformacin de silla del ciclohexano las posiciones axiales tienen menos espacio que las ecuatoriales. Los hidrgenos axiales sobresalen directamente arriba o abajo del anillo y estn ms cerca unos de otros que los hidrgenos ecuatoriales, los cuales estn situados en torno al permetro y directamente hacia afuera del anillo (vase la representacin de modelos moleculares de la figura 2.7). Puesto que las posiciones ecuatoriales son ms espaciosas, un sustituyente unido al anillo en lugar de un hidrgeno formar un compuesto ms estable si es ecuatorial y no axial.

Consideremos el metilciclohexano, por ejemplo. Existe un equilibrio entre dos conformaciones, una en la que el grupo metilo es axial y otra en la que es ecuatorial. Existe equilibrio porque el anillo de ciclohexano est alternando constantemente entre las dos conformaciones; cada vez que ocurre una inversin, todas las posiciones axiales se vuelven ecuatoriales y todas las posiciones ecuatoriales se hacen axiales (vase la figura 2.9). Puesto que la posicin ecuatorial ofrece un en- torno ms espacioso para el sustituyente metilo que una orientacin axial, la conformacin en la cual el grupo metilo es ecuatorial predomina en el equilibrio.

Axial H

Inversin de anillo -.

-

Ms estable

b% Ecuatorial " 7 , ; C-H "

Si hay dos grupos unidos a un anillo de ciclohexano, existen dos posibilidades de equilibrio: axial-axial en equilibrio con ecuatorial-ecuatorial, y axial-ecuatorial en equilibrio con ecuatorial-axial. En la primera de estas posibilidades es evidente que el equilibrio favorecer la conformacin ecuatorial-ecuatorial, donde se evita la aglomeracin extrema que sera consecuencia de una disposicin diaxial. Esto se ilustra en forma espectacular con el 1-isopropil-3-metilciclohexano.

Axial H

Ms estable

Si un grupo es axial y el otro ecuatorial, el equilibrio favorecer la conformacin en la que el grupo ms grande y voluminoso est en la posicin ecuatorial, ms espa- ciosa.

H3C, 1 / CH3 hversin C H de anillo

Ms estable

Ecuatorial Axial

E. Isomera geomtrica en compuestos cclicos

Aunque existe una rotacin relativamente libre en torno a los enlaces carbono-carbono sencillos en los alcanos de cadena abierta, no ocurre as en los cicloalcanos. Por ejemplo, en compuestos de anillo pequeo, como el ciclopropano, si dos carbonos comenzaran a girar en sentidos opuestos, el tercer carbono sera fonado a romper sus uniones porque est enlazado a ambos y evidentemente no puede se-

60 1 CAPITULO 2 Alcanos: estructura y nonienclatura de hidrocarburos sencillos ismeros

geomtricos ismeros cis y trans; un tipo de esteroisomeria

en la cual los tomos o gru os exhiben

diLrencias de orientacin en torno a

un doble enlace o anillo irmero cis

ismero geomtrico en el cual los grupos estn en el mismo lado de un

anillo o doble enlace ismero tmns

ismero geomtrico en el cual los grupos estn

en lados opuestos del anillo o doble enlace

guir los giros opuestos. Por esta razn y por la naturaleza de la estructura cclica, se puede pensar que los cicloalcanos tienen lados. En los cicloalcanos con sustituyentes apropiados, esto da por resultado un tipo de estereoisomera llamada isomera geomtrica.

Consideremos, por ejemplo, el 1,2-dibromociclopropano. Los dos tomos de bromo pueden estar en el mislno lado del anillo; a ste se le llama ismero c h . O bien, los dos tomos de bromo pueden estar en lados opuestos del anillo, en el ismero trans.

ismero cis ismero trans tomos de bromo en el mismo lado tomos de bromo en lados opuestos

Los ismeros estructurales, como los de esqueleto y de posicin, tienen distintas disposiciones de enlazamiento de los tomos. En los ejemplos anteriores, sin embargo, se puede ver que los mismos tomos estn conectados unos a otros, lo que es una caracterstica de la estereoisomera. Los compuestos difieren en la orientacin espacial de los tomos; los tomos de bromo estn del mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans), pero de cualquier manera estn conectados a los mismos tomos de carbono.

-1 Dibyie los ismeros geomtricos de 1,2- y 1,3-dimetilciclobutano. 1 Solucin

H CH, cis tmns

1,2-dimetilciclobutano

cis trans

l,3-dimetilciclobutano

2.9 Hidrocarburos: relacin entre estructura y propiedades fsicas

slido En qu forma se relaciona la estructura molecular que hemos analizado con las estado de la materia propiedades fsicas de los compuestos? Los estados slido, lquido y gaseoso de

y un compuesto no representan diferencias en la estructura de las molculas indivi- constantes; fuerzas

intensas de atraccin dudes; ms bien, representan variaciones en la disposicin de las molculas. En entre inmvi- un slido, las molculas estn acomodadas de manera muy compacta y estn rela- les en una red cristalina tivamente inmovilizadas en una red cristalina ordenada. Las fueizas de atraccin

2.9 Hidrocarburos: relacin entre estructura y propiedades fsicas 1 6 1

Calor -

calor @ O m @ Fusin Ebuliicin 8 e O

O - Slido Lquido Las fuerzas El calor ha proporcionado

intermoleculares energa que debilita las mantienen inmviles las fuerzas intermoleculares y

molculas en una red pone las molculas en cristalina compacta movimiento

Gas Se han roto las fuerzas intermoleculares; las molculas tienen libre

movimiento independiente

FIGURA 2.10 Estados fsicos de la materia

liquido estado de la materia

con volumen constante pero forma variable;

molculas en movimiento al azar pero

con atracciones intermoleculares

gas estado de la materia con volumen y forma

variables. Las molculas son independientes, tienen movimiento al

azar y carecen de atracciones

intermoleculares

entre molculas alcanzan un mximo (figura 2.10). En el estado lquido, las atracciones moleculares continan existiendo, pero las molculas son mviles; tienen ms energa cintica. La movilidad molecular en la fase de vapor es tan grande que prcticamente no existen atracciones moleculares y cada molcula es, en teora, independiente de las otras. Se requiere energa, en forma de calor, para suminis- trar a las molculas el mpetu y movilidad que necesitan para desprenderse de la red cristalina y formar un lquido o para romper todas las fuerzas de atraccin y convertirse en vapor. Aqu e x h a r e m o s los factores que influyen en los puntos de fusin y puntos de ebullicin de los alcanos (tabla 2.3).

TABLA 2.3 + Puntos de fusin y puntos de ebullicin de alcanos Peso Punto de Punto de

Nombre Frmula molecular fusin, "C ebullicin, "C Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Pentadecano Eicosano

62 1 C*i.hi;in 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos sencillos

serie homloga una, serie en la cual ca-

d a com uesto difiere del que P e precede en

un factor constante; cada uno de los miembros

de la serie homlogo -metano, etano, propa-

no, b u t ~ n o , ~ n t a n o , etc.- difiere el prece-

dente en un grupo -CH2 -

punto de fusin tem eratura a la cual un s P i do se vuelve lquido punto de ebullicin

temperatura a la cual un lquido se convierte en

gas peso molecular surna.de los pesos

atmicos de los tomos de un compuesto

A. Punto de fusin, punto de ebullicin y peso molecular En una serie homloga, los puntos de fusin y puntos de ebullicin aumentan con el peso molecular para casi todas las clases de compuestos orgnicos. Consi- dere su propia experiencia con las fracciones de hidrocarburos siguientes, de peso molecular creciente: el gas natural es, desde luego, un gas; la gasolina es un lquido voltil: el aceite para motor es un lquido espeso, no voltil; y la parafina (velas) es un slido. Estas tendencias del punto de fusin y del punto de ebullicin se pueden entender con base en dos consideraciones. En primer lugar, cuanto mayor es la molcula, ms numerosos son los puntos para atracciones intermoleculares. Estas atracciones tienen que debilitarse o romperse en cualquier transicin del estado slido al lquido, o del estado lquido al gaseoso. Segundo, cuanto ms pesada es la sustancia, mayor es la energa que se necesita para proporcionar a las molculas el mpetu suficiente para romper estas fuerzas intermoleculares. Las tendencias de puntos de fusin son menos regulares que las de puntos de ebullicin, puesto que la fusin tambin depende del ajuste correcto de una molcula en su red cristalina. En la tabla 2.3 podemos ver que estas generalizaciones son vli- das para los alcanos. Veremos tendencias similares en otras clases de compuestos.

B. Punto de fusin, punto de ebullicin y estructura molecular Los puntos de ebullicin disminuyen con la ramificacin de la cadena en los hidrocarburos. La ramificacin hace que la molcula sea ms compacta y disminuye el rea superficial. Cuanto ms pequea es el rea superficial, menos oportunidades hay de atraccin intermolecular; en consecuencia, las molculas ram5cadas tienen puntos de ebullicin ms bajos que las no ramificadas de peso molecular compara- ble. Por otra parte, lo compacto o la simetra molecular ordinariamente aumentan el punto de fusin de un compuesto. Estas molculas encajan con ms facilidad en una red cristalina. Una red cristalina ms estable requiere ms energa para des- truirse. En consecuencia, los puntos de fusin son ms altos para compuestos alta- mente ramificados que para compuestos con una cadena ms larga y recta.

Consideremos, por ejemplo, los ismeros de C5HI2 (todos con peso molecular 72).

CH3 ~ f , "c - 130 - 160 - 17 p. eb. "C 36 , 28 9.5

Advirtase la disminucin progresiva del punto de ebullicin con la ramificacin. Obsrvese tambin la gran diferencia de punto de fusin entre el pentano y el alta- mente compacto y simtrico dirnetilpropano.

Se presenta una diferencia espectacular entre los ismeros octano y 2,2,3,3-tetrametilbutano.

pf, "C p. eb. "C

2.9 Hidrocarburos: relacin entre estructura y propiedades fsicas 1 63 Acamodar el octano en una red cristalina ordenada sera como tratar de apilar es- pagueti mojado, mientras que disponer 2,2,3,3-tetrametilbutano sera anlogo a apilar bloques de madera. Sin embargo, el octano, con ms rea supe

rfi

cial, tiene un punto de ebullicin ms alto.

solubilidad C. Solubilidad y densidad cantidad de materia que

b se disuelve en un Con base en la experiencia, sabemos que los hidrocarburos del tipo de los alcanos disolvente y produce son insolubles en agua Esto es porque el agua es un disolvente polar (enlaces O - H una solucin estable

densidad polares) y los alcanos son no polares (enlaces no polares carbono-carbono y car- peso por unidad de

bono-hidrgeno). Los hidrocarburos tambin son menos densos que el agua y flo- volumen delino tan en su super

fi

cie. (Por ejemplo, los derrames de petrleo permanecen en gran sustancia medida en la supe

rficie del agua de mar, por ejemplo).

64 1 C~\~~TULO 2 Alcanos: estructura y nomenclatura de hidrocarburos senciilos

ma- la in

Comprobacin de habilidades 1 65

Habilidades 1. dibujar ismeros de

esqueleto de aicanos y cicloaicanos usando las reglas y el procedimiento para dibujar ismeros estructiirales

2. escribir frmulas estructurales, tanto expandidas como condensadas, para compuestos orgnicos

3. dibujar ejemplos de ismeros de posicin

4. dar nombre a alcanos, cicloalcanos y halogenuros de ai- quilo usando el sistema de nomenclatura IUPAC. Conoce los nombres de los diez primeros alcanos?

5. dibujar ismeros de conformacin usando diagrama de caballete y proyecciones de Newman

Seccin 2.3; ejemplo 2.1; problemas 2.1-2.2 y 2.13.

Seccin 2.4; ejemplo 2.2; problemas 2.13,2.152.16.

Seccin 2.5; problemas 2.3 y 2.15-2.16.

Seccin 2.6; tablas 2.1-2.2; ejemplos 2.3-2.6; problemas 2.42.7,2.14, 2.17-2.21.

Seccin 2.7; ejemplo 2.7; problemas 2.8 y 2.22.

Habilidades 6. dibujar las confor-

maciones de bote y de siila del ciclohexano y distinguir entre las posiciones axiales y ecuatoriales en la silla

7. dibujar las formas de silla ms estable y menos estable de ciclohexanos sustituidos

8. dibujar ismeros geomtricos (cis- trans) de cicloalcanos disustituidos

9. relacionar la estructura molecular con las propiedades fsicas de los alcanos

10. exponer los concep- tos y trminos pre- sentados en este captulo

Referencia/Problemas Seccin 2.8.A-C.

Seccin 2.8.D; problemas 2.10.2.23-2.24.

Seccin 2.8.E; ejemplo 2.7; problemas 2.11, 2.262.27

Seccin 2.9; problema 2.31.

Use las definiciones de los mrgenes y los ttulos de seccin como guas de estudio y repase los ejemplos y problemas apropiados.

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