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QUÍMICA APLICADA. Profesora: Ingeniera Química Angela Goretty García Gómez. PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS ALCANOS.
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QUÍMICA APLICADA Profesora: Ingeniera Química Angela Goretty García Gómez
PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS ALCANOS • A veces nos referimos a los alcanos con el nombre anticuado de parafinas. Este nombre (latín: parum affinis,sin afinidad suficiente) se les dio para describir lo que parecía una reactividad baja de estos hidrocarburos. • Sin embargo, la reactividad depende de la elección del reactivo. Una parte importante de la química de los alcanos implica reacciones de radicales libres, que tienen lugar en condiciones vigorosas y dan generalmente mezclas de productos
Se necesita una partícula reactiva típicamente, un átomo o un radical libre para iniciar el ataque a una molécula de alcano. Es la generación de esta partícula reactiva lo que necesita las condiciones vigorosas: por ejemplo, la disociación de una molécula de halógeno en átomos o incluso la disociación de la propia molécula de alcano (como en la pirolisis). • Durante su ataque, la partícula reactiva le quita hidrógeno al alcano, con lo que éste se transforma en una partícula reactiva que continúa la secuencia de la reacción; es decir, mantiene la cadena. Sin embargo, la molécula del alcano contiene muchos átomos de hidrógeno, por lo que el producto específico que se obtenga dependerá de cuál de ellos se extrae. Aunque una partícula atacante puede exhibir cierta selectividad, puede extraer un hidrógeno de cualquier parte de la molécula, provocando la formación de muchos productos isómeros.
De un solo alcano puede generarse cualquiera de varios productos isómeros, dependiendo del átomo de hidrógeno reemplazado. Así, el etano puede dar un solo haloetano; el propano, el n-butano y el isobutano pueden generar dos isómeros cada uno; el n-pentano, tres, y el isopentano, cuatro. Se ha comprobado experimentalmente que al halogenar un alcano se forma una mezcla de todos los productos isómeros posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles al reemplazo. Para la cloración, por ejemplo:
Combustión • La reacción de los alcanos con el oxígeno para formar dióxido de carbono, agua y lo más importante calor, es la principal reacción que se desarrolla en una máquina de combustión interna: su tremenda importancia práctica es evidente.
Pirólisis: cracking • La descomposición de una sustancia por la sola acción del calor, se denomina pirólisis (del griego: pyr, fuego, y lysis,pérdida), lo que los químicos entienden por descomposición por el calor; compárese con hidrólisis, descomposición por el agua • La pirólisis de alcanos, en particular en lo que concierne al petróleo, se conoce como cracking. En el cracking térmico, los alcanos simplemente se hacen pasar por una cámara calentada a temperatura elevada: los alcanos pesados se convierten en alquenos, alcanos livianos y algo de hidrógeno. Este proceso produce predominante etileno (C2H4), junto con otras moléculas pequeñas. • En una modificación, llamada cracking al vapor, se mezclan los hidrocarburos con vapor, se calientan a 700-900ºC por fracción de segundo y se enfrían rápidamente. Este proceso está adquiriendo importancia creciente en la producción de hidrocarburos para síntesis, incluyendo etileno, propileno, butadieno, isopreno y ciclopentadieno. • Otra fuente de hidrocarburos menores es el hidrocracking, que se desarrolla en presencia de hidrógeno a presión alta y a temperaturas mucho más bajas (250-450ºC).
Propiedades químicas de los alquenos • A diferencia de los alcanos, los alquenos presentan una elevada reactividad química con diversos reactivos. Las reacciones de los alquenos son mayoritariamente reacciones de adición, contrariamente a las reacciones de sustitución típicas de los alcanos. • Cuando un reactivo con dos partes (A y B) llamado adendum, en condiciones adecuadas, entra en contacto con un alqueno, se produce la ruptura del doble enlace carbono-carbono y cada uno de los miembros del adendum se "adiciona" al respectivo enlace libre de cada átomo de carbono para formar el producto final, que contiene todos los átomos de los dos reactivos envueltos.
REACCIONES DE LOS ALQUENOS La reacción característica de los alquenos es la adición de sustancias al doble enlace, según la ecuación:
La primera etapa de la reacción es la adición del protón alquenos nucleófilo, para formar el carbocatión. En la segunda etapa, el carbocatión reacciona con el nucleófilo. La adición de electrófilos a alquenos hace posible la síntesis de muchas clases de compuestos:
Hidrogenación de Alquenos La hidrogenación es la adición de hidrógeno al doble enlace para formar alcanos. Platino y paladio son los catalizadores más comúnmente usados en la hidrogenación de alquenos. El paladio se emplea en forma de polvo absorbido en carbón (Pd/C). El platino se emplea como PtO2 (Catalizador de Adams).
Adición de HX Los haluros de hidrógeno se adicionan a alquenos, formando halo alcanos. En esta reacción se pueden utilizar como reactivos HF, HCl, HBr, HI.
En estos ejemplos el alquenos es simétrico y es indiferente a que carbono del alquenos se une el hidrógeno. En alquenos asimétricos se pueden dar dos tipos de productos dependiendo de a que carbono sp2 se adicione el hidrógeno. Veamos un ejemplo:
La adición de HBr al 2-metil-2-buteno puede generar dos productos, dependiendo de que el hidrógeno se adicione al carbono del metilo o al vecino. Experimentalmente se observa que se obtiene 2-bromo-2-metilbutano y no aparece el 2-bromo-3-metilbutano como producto de la reacción. Regla de MarconicofEL H SE ADICIONA AL CARBON QUE TIENE MAS HIDROGENOS
Hidratación de Alquenos El agua es un ácido muy débil, con una concentración de protones insuficiente para iniciar la reacción de adición electrófila. Es necesario añadir al medio un ácido (H2SO4) para que la reacción tenga lugar. Esta reacción también es conocida como hidratación de alquenos y genera alcoholes. Esta reacción se realiza con ácido sulfúrico diluido 50% sulfúrico/H2O y no precisa de hidrólisis final.
El mecanismo transcurre con formación de un carbocatión previa adición del protón al doble enlace. La hidratación de alquenos es Markovnikov, es decir, el protón se adiciona al carbono menos sustituido del alquenos (carbono con más hidrógenos). Etapa 1. Ataque del alquenos al protón (adición electrófila) Etapa 2. Ataque nucleófilo del agua al carbocatión formado
Etapa 3. Desprotonación del alcohol. El agua actúa como base.
Adición de halógenos El cloro y el bromo se adicionan a alquenos para dar 1,2-dihaloalcanos. Por ejemplo, el 1,2-dicloroetano es sintetizado por la adición de cloro a etano. El F2 y el I2 no se emplean como reactivos en esta reacción. El Flúor reacciona de forma explosiva con alquenos y la adición de I2 es termodinámicamente desfavorable.
Oximercuriación - Desmercuriación Los alquenos pueden hidratarse con acetato de mercurio acuoso seguido de reducción con boro hidruro de sodio. Esta reacción produce alcoholes y sigue la regla de Markovnikov. El mecanismo de la reacción comienza con el ataque del doble enlace al ión +HgOAc procedente de la disociación del acetato de mercurio, formándose el ión mercurinio que abre por ataque del agua. El tratamiento con boro hidruro de sodio reemplaza el mercurio por hidrógeno.
Hidratación de Alquinos Los alquinos reaccionan con ácido sulfúrico acuoso en presencia de un catalizador de mercurio para formar enoles. El enol isomeriza (tautomeriza) rápidamente en las condiciones de reacción para dar aldehídos o cetonas.
Hidroboración de Alquinos La hidroboración es la hidratación anti Markovnikov de un alquinos. Como reactivo se emplea un borano impedido (diciclohexilborano o diisoamilborano) obteniéndose un enol que tautomeriza a aldehído o cetona. Los alquinos terminales dan lugar a aldehídos los internos a cetonas.
Halogenación de Alquinos Los alquinos reaccionan con cloro y bromo para formar tetrahaloalcanos. El triple enlace adiciona dos moléculas de halógeno, aunque es posible parar la reacción en el alquenos añadiendo un sólo equivalente del halógeno.
Reacciones de los alquinos Muchas de las reacciones de los alquinos son reacciones de adición que siguen el siguiente esquema Otras de las reacciones de los alquinos se deben a la acidez del hidrógeno de los alquinos terminales
Tipo Reacción Hidrogenación Hidro-halogenación(X = Cl, Br, I)(markovnikov) Hidrobromacióncon peróxidos(antimarkovnikov) Hidratación(markovnikov) Hidroboración-oxidación(antimarkovnikov) Halogenación(X = Cl, Br) Ozonólisis Tratamiento conKMnO4 en caliente Acidez de Alquinos terminales
