Alcanos

Nomenclatura:

Los alcanos constituyen la serie homóloga de hidrocarburos que tienen de fórmula empírica CnH2n+2. Se les denominó en un principio parafinas (poca afinidad) debido a su inercia química, mientras que su otra denominación, hidrocarburos saturados proviene del hecho de que todas las valencias del carbono están saturadas con hidrógeno.

Propiedades físicas de los alcanos:

Las propiedades físicas de los compuestos orgánicos dependen tanto del número y clase de los átomos de la molécula como de su estructura.
Los puntos de ebullición de los alcanos normales crecen de manera continua al aumentar el peso molecular. Los alcanos C1 a C4 son gases a la temperatura ambiente y el pentano es el primer alcano líquido. También la disminución del punto de ebullición al aumentar la ramificación de la estructura molecular es una tendencia general y se encuentra que los isómeros más ramificados tienen los puntos de ebullición más bajos.

Punto de ebullición

Los alcanos normales son líquidos desde el pentano hasta el heptadecano C17H36; a partir del octadecano C18H38 son sólidos a la temperatura ambiente. Si representamos los puntos de fusión de los alcanos normales frente a los números de carbono no se obtiene una curva continua. Encontraremos dos curvas gradualmente convergentes correspondiendo la curva superior a los alcanos que tienen un número par de átomos de carbonos, y la inferior a los de número impar. Los puntos de fusión no varían con la estructura molecular de manera regular ni el aumento de la ramificación tiene un efecto uniforme sobre el punto de fusión.

Punto de fusión

Los alcanos son casi completamente insolubles en agua. El metano, el más soluble, tiene una solubilidad de 0,00002 g/ml a 25º. La solubilidad en agua disminuye al aumentar el peso molecular, e incluso nos encontramos con que el agua no moja a las parafinas sólidas.Las densidades de los alcanos líquidos son menores que la unidad, por lo tanto, flotan sobre el agua.

Fuentes y empleos de los alcanos:

Desde los tiempos prehistóricos, restos de animales, vegetales y seres marinos han estado sometidos durante millones de años a condiciones geológicas que los han convertido en una mezcla compleja de sustancias orgánicas llamada petróleo. Los yacimiento subterráneos de petróleo y las bolsas de gas natural que los acompañan se encuentran ampliamente distribuidos por todo el mundo.

El gas natural contiene los alcanos volátiles, de bajo peso molecular, desde el C1 al C8.su composición varia mucho según su origen. El gas natural, una vez eliminados el propano y el butano por licuefacción se usa principalmente como combustible. La fracción de propano-butano se envasa y se vende en forma de gas embotellado (butano). También se emplean grandes cantidades de gas natural en la producción de negro de humo.

El metano se forma también la naturaleza por degradación de materias animales y vegetales contemporáneos. Se desprende del fondo de las tuberías de cañerías y charcas estancadas en forma de burbujas, por lo que recibe el nombre de gas de los pantanos. Al igual que los demás alcanos, el metano es muy inflamable, y su combustión espontánea en las zonas pantanosas produce llamas azules fantasmales llamadas fuegos fatuos.

El petróleo crudo carece de utilidad comercial. Sin embargo se puede refinar por destilación fraccionada. Este fraccionamiento se lleva a cabo cerca de los campos petrolíferos o bien en las refinerías. La gasolina se usa como combustible en todos los motores de nuestros automóviles. El queroseno se utiliza como combustible de motores de tractores y de aviones a reacción, mientras que el gasoil lo queman los motores diesel y la calefacción doméstica.

El rápido aumento de la producción automovilística pronto amenazó con agotar los suministros de combustible. Esta amenaza se ve hoy en día con el desarrollo de la técnica del craqueo, por medio de la cual las fracciones del destilado de petróleo de peso moleculares mayores se rompen en hidrocarburos de C5 a C8.

Síntesis:
Los alcanos inferiores, de C1 a C5, se pueden obtener en forma pura por destilación fraccionada del petróleo o gas natural. Sin embargo por encima de los pentanos, el número de isómeros se hace tan grande, y las diferencias entre sus puntos de ebullición tan pequeñas que resulta impracticable el aislamiento de los alcanos superiores puros a partir de las fracciones del petróleo. Por lo tanto se han ideado distintos métodos de síntesis entre los que encontramos:

a) Hidrogenación catalítica de alquenos: el doble enlace de un alqueno puede adicionar hidrógeno en presencia de catalizadores de platino, paladio o níquel. La hidrogenación de alquenos constituye la síntesis de alcanos más importante, pues se trata de una reacción que se encuentra limitada solo por la asequibilidad del alqueno.

b) Reducción de halogenuros de alquilo: los halogenuros de alquilo se pueden reducir directamente a alcanos según la reacción siguiente:

c) Reducción total de grupos carbonilos:, -CH3, y metileno, -CH2.

Reacciones de los alcanos:

El nombre de parafinas dado a los alcanos se debe a su inercia química. Sin embargo, los alcanos sufren distintos tipos de reacciones de importancia práctica y comercial.

a) Oxidación: a temperaturas altas los alcanos se combinan con el oxígeno para dar dióxido de carbono y agua, liberando energía:
Esta reacción es la base de todas las aplicaciones de los hidrocarburos como combustibles. El calor liberado se llama calor de combustión y va aumentando de manera regular, al avanzar por la serie homóloga de los alcanos. El metano tiene un calor de combustión de 212 Kcal/mol mientras que el propano es de 531.

b)Pirólisis: la descomposición de un compuesto por el calor se llama pirólisis. Cuando se hace pasar un alcano a través de un tubo metálico calentado a 500º-700º, se fragmenta en una mezcla de alcanos de peso molecular menor, alquenos e hidrógenos.

c) Isomerización: la reorganización de la estructura molecular de un isómero para dar una mezcla de uno o más isómeros distintos recibe el nombre de isomerización. Los alcanos se isomerizan mediante ácidos de Lewis. Así, el butano se convierte en una mezcla en equilibrio que contiene el 80% de isobuteno por acción de cloruro o bromuro de aluminio a 25º.

d) Halogenación: una mezcla de cloro y metano es perfectamente estable si se guarda en la oscuridad. Sin embargo, al exponerla a la luz solar tiene lugar la reacción explosiva y los átomos de hidrógeno del metano se sustituyen por átomos de cloro. Esta cloración fotoquímica no se puede controlar, y en cada molécula de metano se sustituyen más de hidrógeno. La halogenación de los homólogos del metano se complica por el hecho de que se puede originar más de un isómero de posición dependiendo de qué hidrógeno de la cadena se sustituya.

e) Nitración: cuando se hace pasar rápidamente una mezcla de alcano y vapor de ácido nítrico a través de un tubo metálico estrecho a 400º-450º se sustituye un átomo de hidrógeno del alcano por un grupo nitro, -NO2. El proceso se llama nitración en fase de vapor.


En la fórmula molecular de los alcanos cíclicos se quitan dos hidrógenos por cada ciclo, respecto del alcano no cíclico del mismo número de átomos de carbono.

Los compuestos de estructura diferente que tienen la misma fórmula molecular se denominan isómeros. El número de posibles isómeros aumenta con el número de carbonos de forma espectacular:
n (CnH2n+2)
Isómeros
n (CnH2n+2)

Alcanos:


Los nombres de los alcanos lineales se dan en la Tabla A. Las raíces son mayoritariamente latinas o griegas e indican el número de átomos de carbono en la cadena. Por ejemplo, el nombre heptadecano está formado por la voz griega hepta, siete y la palabra latina decano, diez. Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales que han sido aceptados en el sistema de la IUPAC pero mantienen la terminación “ano”.


TABLA A.

Todos los alcanos acíclicos obedecen a la fórmula general CnH2n+2.
Fórmula estructural
Nombre
Fórmula condensada
CH4
metano
CH4
CH3-CH3
etano
C2H6
CH3-CH2-CH3
propano
C3H8
CH3-CH2-CH2-CH3
butano
C4H10
CH3-(CH2)3-CH3
pentano
C5H12
CH3-(CH2)4-CH3
hexano
C6H14
CH3-(CH2)5-CH3
heptano
C7H16
CH3-(CH2)6-CH3
octano
C8H18
CH3-(CH2)7-CH3
nonano
C9H20
CH3(CH2)8-CH3
decano
C10H22

La Tabla A, debe ser estudiada con atención ya que sirve de base para la nomenclatura de un gran número de moléculas orgánicas. Los nombres de los términos superiores de la serie son los siguientes:
# (n) Nombre.
10 decano
20 eicosano
30 triacontano
11 undecano
21 heneicosano
31 hentriacontano
12 dodecano
22 docosano
32 dotricontano
13 tridecano
23 tricosano
33 tritriacontano
14 tetradecano
24 tetracosano
34 tetratriacontano
15 pentadecano
25 pentacosano
35 pentatriacontano
16 hexadecano
26 hexacosano
36 hexatriacontano
17 heptadecano
27 heptacosano
37 heptatriacontano
18 octadecano
28 octacosano
38 actatriacontano
19 nonadecano
29 nonacosano
39 nonatriacontano
40 tatracontano
50 pentacontano
60 hexacontano
41 hentetetracontano
51 henpentacontano
61 henhexacontano
42 dodetetracontano
52 dopentacontano
62 dohexacontano
43 tritetracontano
53 tripentacontano
63 trihexacontano
44 tetratetracontano
54 tetrapentacontano
64 tetrahexacontano
etcétera
etcétera
etcétera



70 heptacontano
80 octacontano
90 nonacontano
100 hectano
200 dihectano
300 trihectano



Los sustituyentes de tipo alcano se nombran reemplazando la terminación -ano por -ilo. Algunos homólogos inferiores de los alcanos ramificados tienen nombres comunes muy usados que utilizan los prefijos -iso y -neo, como es isobutano, isopentano, neohexano.

CH3- metilo
CH3-CH2- etilo
CH3-CH2-CH2- propilo

isopropilo

Es un isoalcano
(ej. n = 1, isopentano)

Es un neoalcano
(ej. n = 1, neohexano)

Los alcanos lineales suelen corresponder a la fórmula general CnH2n+2 , y sólamente en el caso de ser absolutamente lineal (no ramificado) reciben el nombre de la Tabla 3.1. Los alcanos ramificados derivan de los sistemas de cadena lineal por eliminación de un átomo de hidrógeno de un grupo metileno y sustitución por un grupo alquilo. Tienen la misma fórmula empírica que los alcanos lineales, CnH2n+2 . El ejemplo más sencillo es el 2-metilpropano, C4H10, con la misma fórmula molecular que el butano. Por lo tanto ambos compuestos son isómeros.

2-metilpropano


butano

Para homólogos superiores (n>4) de los alcanos son posibles más de dos isómeros, hay tres C5H12, hay cinco C6H14, nueve C7H16. En la Tabla B, se observa el número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2 , el número de posibilidades para conectar n átomos de carbono entre si y con los 2n+2 átomos de hidrógenos que los envuelven aumenta dramáticamente con el valor de n.

TABLA B. (Isomeros)

Número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2.
n isómeros
1 1
2 1
3 1
4 2
5 3
6 5
7 9
8 18
9 35
10 75
15 4347
20 366319

Reglas para nombrar a los alcanos remificados:

Para nombrar un hidrocarburo ramificado tal como el siguiente:
se considera que hay un grupo o radical metilo (CH3-) unido una cadena de heptano. El compuesto es así un metilheptano. (Se prescinde de la “o” final de metilo) Sin embargo, hay que indicar dónde se encuentra el metilo, ya que los compuestos, son también metilheptanos. Para determinar la posición del metilo se numera la cadena más larga y se escribe y menciona dicho número, llamado localizador, delante del nombre, Así, los tres compuestos anteriores se llaman:

2-metilheptano

3-metilheptano

4-metilheptano

Regla Nº 1:
La cadena más larga se numera de un extremo a otro, de tal forma que se asigne los números más bajos a los carbonos con cadenas laterales, independientemente de la naturaleza de los sustituyentes.

Veamos las siguientes moléculas:
Para la primera, la cadena más larga es de siete carbonos, con dos sustituyentes metilo en los carbonos C3 y C5, por lo tanto su nombre correcto es:
3,5-dimetilheptano.
En el segundo ejemplo la cadena más larga es de cinco carbonos, con tres sustituyentes metilo en los carbonos C2 y C4, por lo que su nombre correcto es: 2,2,4-trimetilpentano

Regla Nº 2:

Si en la cadena más larga un sustituyente se repite más de una vez, éstos se nombran con los prefijos de cantidad di, tri, tetra, penta, hexa, (solamente son validos para sustituyentes sencillos).

Como consecuencia del segundo ejemplo, nace la siguiente regla.

Regla Nº 3:
Si en un mismo carbono existe más de una vez el mismo sustituyente, el numero localizador se repite tantas veces como sustituyentes soporte.

Analicemos los siguientes casos:

En este caso la cadena más larga es de 11 carbonos, por lo que el compuesto base es el undecano, los sustituyentes son el grupo etilo y el grupo propilo, la numeración correcta ha de venir por el lado del etilo dado que asigna valores más bajos (C4 y C5), si se numerase desde el lado del propilo tendríamos (C8 y C9), lo que no esta de acuerdo con la regla Nº 1.

Por lo que el nombre correcto es:
4-etil-5-propilundecano


La cadena base sigue siendo el undecano y los sustituyentes el grupo etilo y el grupo propilo, la numeración viene dado ahora por el grupo propilo dado que asigna valores más bajos. La única diferencia en el nombre va a radicar en la posición de los sustituyentes.

Su nombre correcto sería:

5-etil-4-propilundecano

Regla Nº 4:
Los sustituyentes en un compuesto ramificado se nombran por orden alfabético, independientemente de la numeración de los mismos, en el caso de repetirse uno de ellos más de una vez los prefijos de cantidad no se han de considerar para el orden alfabético.

Hay algunos compuestos que tienen un nombre común aceptado. Estos son isobutano, isopentano, neopentano e isohexano. Dichos compuestos pueden nombrarse, pues, de dos formas distintas:

metilpropano o isobutano

2-metilpentano o isohexano

2-metilbutano o isopentano

dimetilpropano o neopentano

Vamos a considerar ahora otros radicales más complejos, radicales que podemos suponer que proceden de alcanos ramificados. El modo de nombrarlos es tal como se indica en los siguientes ejemplos:


3-metilbutilo

2-metilbutilo

1-metilbutilo

2,4-dimetilpentilo


1-etil-1-metilbutilo


4,4-dimetil-2-propilhexilo

Hay unos cuantos radicales que tienen un “nombre propio” admitido por la IUPAC, estos deben usarse cuando corresponda:
Isopropilo
Isopentilo
Isobutilo
terc-Pentilo
sec-Butilo
Neopentilo
terc-Butilo
Isohexilo
Ejemplo:
4-etil-5-isopropil-3-metil-7-propilundecano
(secuencia: etil, isopropil, metil, propil)


5-(1,2-dimetilpropil)-4-etil-3-metilnonano
(secuencia: dimetilpropil, etil, metil)

Regla Nº 5:

Si en un compuesto hay dos radicales simples y uno complejo, este último se nombra primero, y a continuación los simples en orden alfabético. En el caso de que existan dos radicales complejos éstos se nombran en orden alfabético entre sí, y si éstos tuviesen las mismas palabras se citará en primer lugar aquel que tenga el número localizador más bajo.

Procedamos a nombrar los siguientes compuestos:

8-(2-metil-1-propilpentil)-6-(1,2,2,3-tetrametilbutil)-tetradecano



6,6,9-trietilpentadecano
(con tres sustituyentes etilo)



6,6,9-tris-(1,1,2-trimetilbutil)-pentadecano
(con tres sustituyentes complejos (1,1,2-trimetilbutil))

Regla Nº 6:

Cuando hay dos o más radicales complejos iguales, para evitar confusiones con los prefijos sencillos di, tri, tetra, etc., se usan para éstos entonces los prefijos bis, tris, tetraquis, pentaquis, etc.

Finalmente la regla Nº 7 contempla el caso de que haya varias cadenas de igual longitud. ¿Cómo se elige entonces la cadena principal? Se toma como principal:

Regla Nº 7:

a) La cadena que tenga el mayor número de cadenas laterales
b) La cadena cuyas cadenas laterales tengan los localizadores más bajos
c) La cadena que tenga el máximo número de átomos de carbonos en las cadenas laterales más pequeñas.
d) La cadena que tenga cadenas laterales lo menos ramificadas posible.

Facilitador: Rafael Aguilar Vélez.