Nomenclatura de alcanos

Hidocarburos:












Los alcanos son compuestos con fórmula molecular CnH2n+2. El hidrocarburo más simple es el metano CH4 (n=1). Los hidrocarburos de cadena lineal se denominan

Hidrocarburos normales. Los cuatro primeros miembros de la familia de hidrocarburos lineales son los siguientes:



Los alcanos son los hidrocarburos (compuestos de C e H) más simples, no
tienen grupo funcional y las uniones entre átomos de carbono (con hibridación sp3) son
enlaces simple. A pesar de ello son muy importantes porque su estudio nos permitirá
entender el comportamiento del esqueleto de los compuestos orgánicos
(conformaciones, formación de radicales) y además porque constituyen una de las
fuentes de energía más importantes para la sociedad actual (petróleo y sus derivados).

Existe un único hidrocarburo con la fórmula molecular CH4, uno sólo con la
fórmula molecular C2H6 (el etano), uno sólo con la fórmula molecular C3H8 (el
propano), pero sin embargo existen dos alcanos con la fórmula molecular C4H10: el
butano y el 2-metilpropano:

Dos compuestos químicos diferentes con la misma fórmula molecular se
denominan isómeros. El número de alcanos isoméricos aumenta al aumentar número
de átomos de carbono. En la tabla se indican los puntos de fusión y de ebullición, así
como el número de isómeros de algunos alcanos de cadena lineal.

Estructura y propiedades.

El átomo de carbono en los alcanos tiene hibridación sp3 y cada orbital se dirige a

los vértices de un tetraedro. Cada orbital forma un enlace 􀄱 con cada H.

La longitud del enlace C-H es 1.1 Å y el ángulo de 109.5º.

Los alcanos pueden presentar cadena lineal, ramificada o cíclica. Cuando los

compuestos presentan la misma forma molecular y solamente difieren en el orden en

el que se enlazan los átomos en la molécula se les denomina isomeros.

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

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

Al promocionar un electrón desde el orbital 2s al 2p el átomo de carbono tiene, disponibles cuatro electrones para formar cuatro enlaces covalentes y de esta forma
puede conseguir la configuración electrónica de gas noble.
La formación de un enlace covalente produce un descenso de energía en el
sistema. Por ejemplo, la formación de un enlace C-H produce un descenso de energía
de 87 kcal/mol. Por tanto la formación de dos enlaces covalentes más en el átomo de
carbono provoca un descenso de 174 kcal/mol de energía que compensa
sobradamente los 96 kcal/mol que se requieren para promover al átomo de carbono
desde el estado fundamental al estado excitado.
Este razonamiento explica por qué el átomo de carbono tiende a ser tetravalente
en lugar de divalente. Sin embargo, no explica la forma tetraédrica de la molécula de
metano. Si admitimos que el átomo de carbono en la molécula de metano participa con
el orbital 2s y los tres orbitales 2p, hay que concluir que se formarían tres enlaces
covalentes por solapamiento C2p-H1s, y el cuarto enlace covalente se formaría por
solapamiento C2s-H1s. Esto significaría que tres de los ángulos H-C-H serían de 90º, y
los otros quedarían indeterminados.

 

El sistema de un orbital 2s y tres orbitales 2p, mutuamente perpendiculares, es

una solución satisfactoria aproximada para la ecuación de Schroedinger para la capa
n=2, pero pueden formularse combinaciones lineales de estos cuatro orbitales que
también sean soluciones satisfactorias para la ecuación de Schroedinger.
Matemáticamente está permitido combinar los orbitales 2s y 2p de cualquier modo,
con la condición de que en la formación de los cuatro orbitales nuevos se empleen
exactamente un orbital s y tres p. Una forma de llevar a cabo tal combinación consiste
en formar cuatro orbitales nuevos, cada uno de los cuales tiene ¼ de carácter s y ¾ de
carácter p. Los cuatro orbitales híbridos son entonces equivalentes entre sí y, teniendo
en cuenta que contienen triple carácter p que s, se les denomina híbridos sp3.
El contorno de densidad electrónica de un orbital sp3 presenta dos lóbulos, como
un orbital p, pero en este caso los lóbulos son bastante desiguales en tamaño.

Para formar un enlace fuerte es necesario que los electrones estén situados

entre los núcleos de los átomos. Un orbital sp3 puede situar mucha más densidad
electrónica, en una dirección determinada, que la que sitúa un orbital s o un orbital p.
Por consiguiente, un enlace covalente que se forme con la participación de un orbital
sp3 del átomo de carbono será más fuerte que un enlace covalente en el que participe
un orbital p o un orbital s.
La energía de un enlace covalente que se forma mediante el solapamiento entre
el orbital híbrido sp3 del carbono y el orbital 1s del hidrógeno es de 103 kcal/mol,
mientras que los enlaces covalentes correspondientes C2p-H1s y C2s-H1s tienen una
energía de 60 kcal/mol y 80 kcal/mol.
Los cuatro orbitales híbridos sp3 del carbono se sitúan en direcciones tales que
forman entre ellos ángulos de 109.5º, como si se dirigieran hacia los vértices de un
tetraedro regular.

Los orbitales híbridos sp3 dan la mejor explicación para la formación de enlaces

en los hidrocarburos saturados porque el átomo de carbono tiene la misma energía,
tanto si está hibridizado como si no lo está, pero la configuración hibridizada puede
formar enlaces más fuertes.
La geometría tetraédrica tiene una ventaja adicional puesto que permite que los
núcleos de hidrógeno estén lo más alejados posible entre sí para una longitud de
enlace C-H. Y puesto que estos núcleos están todos cargados positivamente, cuanto
más alejados estén, en igualdad de otras condiciones, menor será la energía del
sistema.
La molécula del metano es un tetraedro perfecto con ángulos de enlace de
109.5º. La distancia de enlace C-H es de 1.09 Å. La hibridación sp3 en el átomo de
carbono explica la estructura del metano. Cada enlace C-H se forma por solapamiento
de un orbital sp3 del carbono con un orbital 1s del hidrógeno

El etano CH3-CH3 está compuesto por dos grupos metilo. Cada átomo de

carbono presenta una hibridación sp3 y se une a los átomos de hidrógeno mediante un
enlace s formado por solapamiento del orbital 1s del hidrógeno con un orbital sp3 del
carbono. Además, existe un enlace s C-C formado por el solapamiento de un orbital
sp3 de un carbono con el otro orbital sp3 del otro átomo de carbono. Los dos grupos
metilo no están fijos en una posición determinada, sino que pueden girar con relativa
libertad alrededor del enlace sigma que mantiene unidos a los dos átomos de carbono.
El enlace s mantiene el solapamiento lineal cuando giran los átomos de carbono.