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TEMA 2. LOS ALCANOS
1
2.1. Definición y clasificación
• Los alcanos o hidrocarburos saturados son los hidrocarburos
en los que todos los átomos de carbono tienen hibridación sp3
y los enlaces carbono-carbono son simples.
Fórmula molecular
Lineales
CnH2n+2
Ramificados
CnH2n+2
Acíclicos
Alcanos
Ejemplos
CH3-CH2-CH2-CH3 C4H10
Butano
H3C
H
C
CH3
C4H10
CH3
Isobutano
Cíclicos (cicloalcanos)
CnH2n+2
H2C
CH2
H2C CH2
Ciclobutano
C4H10
2
2.2. Nomenclatura
• Los cuatro primeros alcanos de cadena lineal reciben los
nombres de metano, etano, propano y butano.
• El resto de alcanos lineales se nombran haciendo uso de un
prefijo –penta-(5), hexa-(6), hepta-(7), octa-(8), nona-(9), etc;
y la terminación –ano.
• La letra –a final de los prefijos se suprime al añadir la
terminación.
Hex
ano
Seis átomos Hidrocarburo
de carbono saturado
= Hexano
Nombre del hidrocarburo
saturado de seis átomos
de carbono
3
Alcanos acíclicos ramificados
• Los sustituyentes sobre la cadena lineal principal se
denominan radicales.
• Si el hidrocarburo que forma la cadena lateral (radical) es un
alcano, el radical resultante se denomina radical alquilo y se
nombra sustituyendo la terminación –ano del alcano de
procedencia por –ilo.
Alcano
Alquilo
Ejemplos:
Alcano
CH4
CH3-CH3
CH3-CH2-CH3
CH3-[CH2]2-CH3
Nombre
Radical
Nombre
Metano (Me)
-CH3
Metilo
Etano (Et)
-CH2-CH3 Etilo
Propano (Pr) -CH2-CH2-CH3 Propilo
Butano (Bu) -CH2-[CH2]2-CH3 Butilo
4
Ejemplos:
Estructura
Nombre común
Nombre sistemático
Isopropilo
1-Metiletilo
Isobutilo
2-Metilpropilo
sec-Butilo
1-Metilpropilo
terc-Butilo
1,1-Dimetiletilo
Isopentilo
3-Metilbutilo
Neopentilo
2,2-Dimetilpropilo
terc-Pentilo
1,1-Dimetilpropilo
5
Reglas IUPAC
• Regla 1: Encontrar y nombrar la cadena principal de la
molécula.
La cadena principal es la que da nombre al alcano ramificado.
Es la que contiene los radicales y la más larga.
Ejemplo:
A
longitud 4-carbonos
B
longitud 7-carbonos
C
longitud 6-carbonos
6
• Si la molécula posee dos o más sustituyentes de igual
longitud, se toma como cadena principal la que tenga más
sustituyentes.
A
B
Número de sustituyentes: 4 Número de sustituyentes: 3
Cadena principal
7
• Regla 2: Nombrar todos los grupos unidos a la cadena
principal como sustituyentes alquilo.
Ejemplo:
Hexano
Cadena lateral: metilo
Nombre incompleto: metilhexano
• Regla 3: Numerar los carbonos de la cadena principal, de
manera que a los sustituyentes alquílicos les correspondan los
números más bajos posibles.
2
1
6
6
5 1
3
3
5 4
2
4
8
• Si hay dos sustituyentes a igual distancia de los extremos, el
carbono con número más bajo es aquel que esté unido al
sustituyente que vaya en primer lugar alfabéticamente,
excluyendo prefijos multiplicadores (di, tri, tetra, etc.)
Tampoco se tienen en cuenta los prefijos sec- y terc-.
Metilo
7
4
4
7
Etilo
A
B
Nombre correcto: 4-Etil-7-metildecano
9
• En la cadena de un sustituyente, el carbono número uno es
siempre el átomo de carbono unido a la cadena principal.
• Si los radicales son lineales se nombran derivando su nombre
del alcano correspondiente –metilo, etilo, propilo etc.
• Si están ramificados se nombran igual que si fuera un alcano
ramificado, es decir: 1. Se busca la cadena más larga. 2. Se
asigna el localizador no 1 al carbono unido a la cadena
principal. 3. Se nombran sus sustituyentes. 4. Se forma el
nombre del radical ramificado y se incorpora entre paréntesis
y precedido de su localizador al nombre del alcano.
• Ejemplo:
Cadena lateral
metilo
4
Cadena lateral ramificada:
2-Metilbutilo
2
1
3
Cadena lateral
Cadena principal
butilo
10
• Regla 4: Nombrar al alcano comenzado por los sustituyentes
ordenados alfabéticamente, precedidos por el número del
carbono al que están unidos, seguido por el nombre de la
cadena principal.
• Si existen varios sustituyentes iguales se utilizan los prefijos di,
tri, tetra, etc. precedidos de los números que indiquen sus
posiciones, separados por comas, con un guión entre el
número de aquellos y el nombre del sustituyente. Estos
prefijos no se tienen en cuenta en el orden alfabético.
1
3
5
8
- Localizadores de la cadenas principal: 3 y 5
- Nombres de las cadenas laterales sin la -o final:
Etil(o) y metil(o)
- Nombre de la cadena principal: Octano
5-Etil-3,3-dimetiloctano
11
• Si se utilizan nombres comunes de cadenas laterales, los
prefijos iso- y neo- forman parte del nombre y por lo tanto sí
se tienen en cuenta en el orden alfabético, mientras que secy terc-, que significan secundario y terciario, no se tienen en
cuenta.
1
3
5
7
10
- Localizadores de la cadena principal: 3,5 y 7
- Nombres de las cadenas laterales sin la -o final:
Etil(o), isopropil(o) y propil(o)
- Nombre de la cadena principal: Decano
3-Etil-5-isopropil-7-propildecano
12
• Si existen dos o más cadenas laterales complejas idénticas, se
utilizan los prefijos bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, etc; para
indicar su número y no se tienen en cuenta en el orden
alfabético.
Ejemplo:
1
1
2
6
7
2
12
1
2
6,7-Bis(1,2-dimetilbutil)-2-metildodecano
13
RESUMEN
a) Buscar la cadena más larga (cadena principal).
b) Buscar y nombrar todos los grupos alquilo unidos a ella.
c) Numerar la cadena.
d) Nombrar el alcano utilizando el nombre del hidrocarburo que
se corresponde a la cadena principal, con los sustituyentes
por orden alfabético y precedidos de números que indiquen
su localización.
14
¿Cómo representar un alcano a partir de
su nombre sistemático?
a) Dibujar la cadena principal y numerarla.
b) Identificar los sustituyentes y situarlos en los localizadores. Si
alguno fuera entre paréntesis se trata de un sustituyente
complejo. 5-(1,2-Dimetilpropil)-8-(2-etilbutil)tridecano
13
1
- Sustituyente complejo en 5:
Cadena de propano con metilos en 1 y 2.
- Sustituyente complejo en 8:
Cadena de butilo con etilo en 2.
2
8
5
1
13
1
2
15
2.3. Propiedades físicas de los
alcanos
• Son los compuestos orgánicos más apolares.
• Debido a su apolaridad los puntos de fusión y ebullición
dependen exclusivamente del peso molecular y las fuerzas de
van der Waals (tipo London) debidas a la correlación de
electrones.
• Los alcanos ramificados tienen puntos de fusión y ebullición
más bajos. Esto es debido a la disminución de la superficie por
lo que disminuyen también las fuerzas intermoleculares.
• Son poco solubles en disolventes polares; insolubles en agua y
solubles en disolventes polares de baja polaridad.
• Presentan una densidad inferior a la del agua y a excepción de
los cuatro primeros prácticamente constante.
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2.4. Análisis conformacional de los
alcanos
• Las fuerzas presentes dentro de la molécula
(intramoleculares) hacen que algunas disposiciones espaciales
sean energéticamente más favorables que otras.
• Ejemplo: Metano (distribución tetraédrica de los 5 átomos).
H
H
C
H
H
• La rotación interconvierte las diferentes formas del etano.
H
H
1
2
H
C
C
H
A
H
H
60o
H
H
1
2
C
C
H H
B
H
H
60o
H
H
1
2
C
H
C
H
C
H
H
• La barrera de rotación es de sólo 3 kcal mol-1 por eso se dice
que hay rotación libre alrededor de todos los enlaces simples.17
• Conformaciones: son las diferentes disposiciones espaciales
de una molécula que resultan del giro alrededor de un enlace
sencillo.
• Proyecciones de Newman: se observa la molécula en la
dirección del enlace σ C-C.
H
H
H
H
H
H
Alternada A H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
Eclipsada B
H
H
H
Proyección de Newman de las
conformaciones alternadas y eclipsadas
del etano.
18
• Mediante un giro alrededor del enlace σ C1-C2, se pasa de una
conformación a otra. Al pasar de la eclipsada a la alternada se
desprende energía lo que indica que la alternada es más
estable.
• La repulsión entre la nube de electrones en los enlaces C-H es
máxima en la eclipsada y mínima en la alternada.
H H
H
H
H
H
H
H
Alternada
H
H
H
H
Eclipsada
• Análisis conformacional: Consiste en el estudio del contenido
energético de una molécula, en función del ángulo de giro
alrededor de uno de los enlaces sencillos.
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• Ejemplo: Análisis conformacional de la molécula de butano.
H3C CH3
H
CH3 CH2 CH2 CH3
H
H
H
H
I
CH3
H
H
CH3
IV
•
•
•
•
H
CH3
H
H
H CH3
CH3
H
H
II
H CH3
H
H
H
H3C
H
H3C
V
CH3
H
H
III
CH3
H
H
H
H
VI
I: Totalmente eclipsada, sinperiplanar o sin.
II y VI: Sesgada o gauche.
III y V: Eclipsada o anticlinal.
IV: Totalmente alternada, antiperiplanar o anti.
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2.5. Reactividad general de los
alcanos
• Reacciones poco selectivas ya que en principio todos los
enlaces C-C o C-H tienen la misma probabilidad de ser
atacados por un reactivo, por ello conducen a mezclas de
productos.
• Suponen la ruptura homolítica de enlaces C-C o C-H, con la
formación de radicales libres.
Principales reacciones
- Combustión
- Halogenación
- Pirólisis
21
2.5.1. Combustión
• Es la reacción química en la que un alcano u otro compuesto
orgánico se convierte en dióxido de carbono y agua.
• Pese a que la reacción es exotérmica es necesario una chispa
o llama para iniciarla.
2 CnH2n+2 + (3n+1) O2
2nCO2 + (2n+2)H2O + calor
• El calor liberado se denomina calor de combustión.
22
2.5.2. Halogenación
• Tratamiento de un alcano con un halógeno en presencia de
luz ultravioleta o alta temperatura (300-400 oC).
CH4 + Cl2
CH3Cl + HCl
CH3CH3 + Cl2
CH3CH2Cl + HCl
Halogenuro
de alquilo
Halogenuro
de hidrógeno
• La reacción tiene lugar normalmente con cloro y bromo; con
flúor reacciona de forma explosiva, mientras que con iodo no
tiene lugar.
• Mecanismo: Reacción homolítica que transcurre a través de
un mecanismo radicalario (reacción en cadena).
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• Etapas:
a) Iniciación: El halógeno se excinde homolíticamente dando
lugar a dos radicales.
Cl2
Cl + Cl
b) Propagación: El átomo de halógeno, inicialmente formado,
sustrae un hidrógeno de la cadena carbonada.
R H + Cl
R + HCl
El radical formado ataca a otra molécula de halógeno
originando un halogenuro de alquilo y un nuevo átomo de
halógeno que prosigue la reacción en cadena.
R + Cl2
R Cl + Cl
R Cl
c) Terminación: Los átomos se unen entre sí. R + Cl
Cl + Cl
Cl2
R2
R + R
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¿Qué isómero predomina en la reacción
de halogenación de un alcano?
• Ejemplo:
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
Cl2/h
Cl
H
H
H
H
C
C
C
H + H
H H H
1-Clopropano
H
Cl H
C
C
C
H
H H H
2-Cloropropano
Existen dos factores determinantes:
a) La estabilidad de los radicales alquilo.
b) La selectividad del halógeno en cuestión.
a) El orden de estabilidad para radicales alquilo es:
CH3
CH3 C
CH3
CH3 C CH3
CH3 CH2 CH2
CH3
H
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b) Selectividad del halógeno:
• El orden de reactividad de los halógenos es: F>Cl>Br>I
• Las fluoraciones no son atractivas debido a que son a menudo
violentas e incontrolables.
• La iodación radicalaria falla debido a que es
termodinámicamente desfavorable.
• El problema de la cloración es su baja selectividad que
conduce a mezclas de isómeros a menudo difíciles de separar.
Para solventar este problema se usan alcanos con un solo tipo
de hidrógeno que producen un único producto.
• La bromación suele ser el método de halogenación de alcanos
más utilizado en laboratorios de investigación. Ello es debido
a su alta selectividad; la reacción tiene lugar sobre el carbono
más sustituido, incluso en los casos estadísticamente
desfavorables.
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2.5.3. Pirólisis
• Es la descomposición térmica de alcanos conocida como
craqueo.
• Se obtienen alquenos y alcanos de menor peso molecular.
• La reacción transcurre a través de radicales libres formados
por ruptura fotoquímica de enlaces C-C y C-H.
H 3C
CH2 CH CH2 +
1-Buteno
H3C CH
H3C
CH2 CH2 CH3
CH CH3
2-Buteno
H2
+ H2
H3C CH CH2 + CH4
Propeno
Metano
CH2 CH2 +
Eteno
CH3 CH3
Etano
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ESQUEMA GENERAL DE
REACTIVIDAD DE ALCANOS
+ CH3 + R
CH
CH2
CH2CH3 + etc. + mezclas
calor/alúmina
o Pd o Pt
Pirólisis
X2/h(o iniciador radicalario)
X = Cl, Br
H
R CH2 CH3
R C CH3
Halogenación
X
radicalaria
Haloalcano
O2 Combustión
CO2 + H2O
28
2.6. Métodos de obtención de
alcanos
a) Hidrogenación de alquenos y alquinos:
R1C CR2
CnH2n-2
H2
Pt, Pd o Ni
R1R2C CR3R4
CnH2n
CnH2n+2
b) Reducción de halogenuros de alquilo:
LiAlH4
R
R
X
H
Zn/HCl
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c) Síntesis de Wurtz:
Consiste en una reducción bimolecular de un halogenuro de
alquilo con sodio.
2R
X + 2Na
2NaX + R
R
Si se emplean halogenuros de alquilo diferentes se obtienen
mezclas de productos.
d) Hidrólisis de reactivos de Grignard:
Los reactivos de Grignard son compuestos organometálicos
que poseen un enlace carbono-metal muy reactivo formados
por la reacción de un derivado halogenado con magnesio,
utilizando éter etílico como disolvente.
 
R I + Mg
 
R MgI
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• El carbono unido al magnesio posee gran afinidad por los
hidrógenos ácidos como los del agua y alcoholes:
CH3 CH2 CH
I + Mg
CH3
éter
etílico
CH3 CH2 CH MgI
HOH
CH3
CH3 CH2 CH
H + MgIOH
CH3
e) Procedimiento de Corey-House:
Consiste en el acoplamiento de derivados halogenados con
dialquilcupratos de litio. Éstos son inestables por lo que se
preparan in situ:
éter
R
X + 2Li
2RLi + CuI
R Li + LiX
etílico Alquil-litio
R2CuLi + LiI
Dialquilcuprato
de litio
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• La reacción con un halogenuro de alquilo dará lugar al alcano
correspondiente por acoplamiento de los grupos R1 y R2.
R12CuLi + 2R2X
2R1
R2 + LiX + sales de cobre
• Independientemente de cómo sea R1 en el dialquilcuprato de
litio es importante que R2 del halogenuro de alquilo sea
primario.
32