Hidrocarburos 2

¿Qué cambia al pasar de un enlace simple a uno múltiple?

En un enlace simple carbono-carbono, los orbitales híbridos de ambos carbonos se solapan frontalmente. Ese solapamiento frontal produce un enlace sigma ($\sigma$), que es resistente y permite el giro de un fragmento de la molécula respecto al otro.

Cuando aparece un doble enlace, la situación es distinta:

• Un carbono $sp^2$ usa sus tres orbitales híbridos para formar tres enlaces sigma, por ejemplo dos con otros carbonos o hidrógenos y uno con el otro carbono del doble enlace.
• Le queda un orbital $p$ sin hibridar. Los dos orbitales $p$ de los carbonos vecinos se solapan lateralmente y forman un enlace pi ($\pi$).
• Por eso un doble enlace $\mathrm{C=C}$ equivale a: $$1\,\sigma + 1\,\pi$$

Un triple enlace se forma cuando cada carbono usa hibridación $sp$:

$$\mathrm{C\equiv C} = 1\,\sigma + 2\,\pi$$

Una consecuencia importante es que el enlace pi limita el giro. En un doble enlace, los grupos unidos a los carbonos $sp^2$ quedan fijos en un plano; esto explica la isomería geométrica que veremos más adelante.

¿Cómo se cuentan enlaces sigma y electrones pi?

Regla práctica:

• Cada línea simple $\mathrm{C-C}$ o $\mathrm{C-H}$ es un enlace sigma.
• Un doble enlace aporta un sigma y un pi.
• Un triple enlace aporta un sigma y dos pi.
• El número de electrones pi es el doble del número de enlaces pi: cada enlace pi contiene dos electrones.

Ejemplo breve: en el eteno $\mathrm{CH_2=CH_2}$, hay:

• $1$ enlace sigma $\mathrm{C-C}$
• $4$ enlaces sigma $\mathrm{C-H}$
• $1$ enlace pi, es decir, $2$ electrones pi

El número de hidrógenos de un hidrocarburo cambia según la cantidad de insaturaciones y ciclos.

Las fórmulas generales más usadas son:

Para un hidrocarburo acíclico que tiene $d$ dobles enlaces y $t$ triples enlaces:

$$\mathrm{C_nH_{2n+2-2d-4t}}$$

Esta fórmula es muy útil cuando te dan una estructura y debes verificar si la fórmula global propuesta es correcta. Observa que cada doble enlace reduce dos hidrógenos respecto al alcano del mismo número de carbonos, y cada triple reduce cuatro.

Un radical alquilo es un fragmento que se obtiene cuando un alcano pierde un átomo de hidrógeno. Por ejemplo, si el metano $\mathrm{CH_4}$ pierde un H, queda el grupo metilo $\mathrm{CH_3-}$.

Estos fragmentos no existen aislados de manera estable, pero son los sustituyentes que “cuelgan” de la cadena principal.

Los radicales alquilo más frecuentes son:

En nomenclatura, los prefijos $n$-, sec- y tert- no se consideran para el orden alfabético, pero iso- sí se considera. Cuando un anillo bencénico actúa como sustituyente, se llama fenil(o), de fórmula $\mathrm{C_6H_5-}$, y esto será importante también en los alquenos.

Los alcanos ramificados se nombran con las mismas raíces que los lineales, pero se deben aplicar reglas para elegir la cadena principal y numerarla.

Reglas básicas

1. Elegir la cadena principal.
   Es la cadena continua de carbonos más larga. Si hay dos cadenas con la misma longitud, se elige la que tenga mayor número de sustituyentes.

2. Numerar la cadena.
   Se numera por el extremo más cercano a un sustituyente, de modo que los localizadores de los sustituyentes sean lo más bajos posible.

3. Identificar y nombrar los sustituyentes.
   Los radicales alquilo se nombran con la raíz del número de carbonos y la terminación -il: metil, etil, propil, etc.

4. Escribir el nombre.
   Se colocan los sustituyentes en orden alfabético, indicando con números su posición. Si un sustituyente se repite, se usan prefijos di-, tri-, tetra-, etc. Los prefijos multiplicadores no se consideran para alfabetizar.

5. Cerrar con la raíz de la cadena principal terminada en -ano.

Ejemplo:

$$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH(C_2H_5)-CH_2-CH_2-CH_3}$$

• La cadena más larga tiene 6 carbonos: hexano.
• Los sustituyentes son metilo y etilo.
• Numerando desde la izquierda, el metilo queda en la posición 2 y el etilo en la 3.
• El nombre es 3-etil-2-metilhexano.

Los números no indican cuántos carbonos tiene la cadena ni cuál es el extremo más lejano; son localizadores que indican en qué átomo de carbono de la cadena principal está cada sustituyente.

Dos compuestos son isómeros de cadena cuando tienen la misma fórmula molecular, pero distinta estructura del esqueleto carbonado.

Por ejemplo, el butano $\mathrm{C_4H_{10}}$ tiene dos isómeros de cadena:

• $n$-butano: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3}$
• isobutano: $\mathrm{(CH_3)_3CH}$

Ambos tienen la misma fórmula molecular, pero en el $n$-butano todos los carbonos están en una cadena continua, mientras que en el isobutano hay una ramificación.

Para el pentano $\mathrm{C_5H_{12}}$ existen tres:

• $n$-pentano
• isopentano
• neopentano

Este tipo de isomería es la base de lo que luego verás en alquenos y alquinos.

6.1 Definición y fórmula general

Los alquenos son hidrocarburos insaturados que contienen, como grupo funcional, un enlace doble carbono-carbono $\mathrm{C=C}$.

Su fórmula general, para un alqueno acíclico con un solo doble enlace, es:

$$\mathrm{C_nH_{2n}}$$

Ejemplos:

• Eteno o etileno: $\mathrm{CH_2=CH_2}$, $\mathrm{C_2H_4}$
• Propeno o propileno: $\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$, $\mathrm{C_3H_6}$

Los carbonos del enlace doble tienen hibridación $sp^2$, y la molécula presenta un enlace sigma y un enlace pi en ese doble enlace.

6.2 Nomenclatura de alquenos ramificados

Reglas:

1. La cadena principal debe contener el mayor número posible de carbonos y, además, debe contener el doble enlace, aunque no sea la cadena más larga del compuesto.
2. Se numera por el extremo más cercano al doble enlace.
3. Los sustituyentes se nombran como en los alcanos.
4. La cadena principal termina en -eno y se indica la posición del doble enlace.

Se aceptan dos estilos de escritura: el clásico, como 2-hexeno, y el IUPAC preferido actual, hex-2-eno.

Ejemplos:

$$\mathrm{CH_2=CH-CH_2-CH_3} \quad \text{but-1-eno}$$

$$\mathrm{CH_3-CH=CH-CH_3} \quad \text{but-2-eno}$$

$$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH=CH-CH_3} \quad \text{4-metilpent-2-eno}$$

En este último caso, la cadena principal tiene cinco carbonos y debe contener el doble enlace. Se numera desde la derecha para que el doble enlace quede en la posición 2.

6.3 Polienos o polialquenos

Cuando existen dos o más dobles enlaces, se usan las terminaciones:

• 2 dobles enlaces: -dieno
• 3 dobles enlaces: -trieno
• 4 dobles enlaces: -tetraeno

En estos casos, la cadena principal debe contener el mayor número de dobles enlaces, aunque no sea la más larga, y se numera para dar los localizadores más bajos al conjunto de dobles enlaces.

Ejemplo:

$$\mathrm{CH_2=CH-CH=CH-CH_3} \quad \text{penta-1,3-dieno}$$

o clásicamente: 1,3-pentadieno.

6.4 Isomería en alquenos

En los alquenos pueden aparecer varios tipos de isomería estructural.

Isomería de posición

Se da cuando dos compuestos tienen la misma cadena carbonada, pero el doble enlace ocupa posiciones distintas.

Ejemplo:

$$\mathrm{CH_2=CH-CH_2-CH_3} \quad \text{but-1-eno}$$

$$\mathrm{CH_3-CH=CH-CH_3} \quad \text{but-2-eno}$$

Ambos tienen fórmula $\mathrm{C_4H_8}$, pero difieren en la posición del doble enlace.

Isomería de cadena

Se presenta cuando los compuestos tienen la misma fórmula molecular, pero varía la estructura del esqueleto carbonado.

Ejemplo: $\mathrm{C_4H_8}$

$$\mathrm{CH_2=CH-CH_2-CH_3} \quad \text{but-1-eno}$$

$$\mathrm{CH_2=C(CH_3)-CH_3} \quad \text{2-metilpropeno}$$

6.5 Isomería geométrica cis-trans

El doble enlace impide el giro libre. Por ello, cuando cada carbono del doble enlace tiene dos sustituyentes distintos, aparecen dos formas espaciales diferentes que no se interconvierten a temperatura ambiente.

• Cis: los sustituyentes principales están del mismo lado del doble enlace.
• Trans: los sustituyentes principales están en lados opuestos.

La isomería geométrica solo es posible si ninguno de los carbonos del doble enlace tiene dos sustituyentes iguales. Por ejemplo, el propeno $\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$ no presenta isomería geométrica, porque uno de los carbonos del doble enlace tiene dos hidrógenos.

Las formas cis y trans tienen propiedades físicas diferentes. Por ejemplo, en compuestos con enlaces polarizados, el isómero cis suele tener momento dipolar distinto y mayor punto de ebullición que el trans.

Para alquenos muy sustituidos, se usa la notación E/Z: se asigna prioridad a los sustituyentes de cada carbono del doble enlace según número atómico; si los de mayor prioridad están del mismo lado, se usa Z; si están en lados opuestos, se usa E.

El grupo fenilo $\mathrm{C_6H_5-}$ también puede aparecer como sustituyente en alquenos. Por ejemplo, $\mathrm{Ph_2C=CH-CH_3}$ se nombra 1,1-difenilprop-1-eno.

7.1 Definición y fórmula general

Los alquinos son hidrocarburos insaturados que contienen un enlace triple carbono-carbono $\mathrm{C\equiv C}$.

Su fórmula general, para un alquino acíclico con un solo triple enlace, es:

$$\mathrm{C_nH_{2n-2}}$$

Los carbonos del triple enlace presentan hibridación $sp$ y geometría lineal.

7.2 Nomenclatura de alquinos

Las reglas son análogas a las de los alquenos, pero la terminación es -ino.

Ejemplos:

Para alquinos ramificados, la cadena principal debe contener el triple enlace y se numera desde el extremo más cercano a este.

Ejemplo:

$$\mathrm{CH_3-C\equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_3}$$

La cadena principal tiene seis carbonos y contiene el triple enlace. El triple enlace queda en la posición 2 y el metilo en la posición 4. El nombre es 4-metilhex-2-ino.

Los alquinos terminales, como el etino, presentan cierta acidez; son más ácidos que los alquenos y los alcanos correspondientes. Esta propiedad se debe a la mayor electronegatividad del carbono $sp$, aunque al nivel preuniversitario se menciona sobre todo como una tendencia comparativa.

Cuando una molécula tiene a la vez dobles y triples enlaces, se nombra combinando las terminaciones -en- e -ino sobre la misma cadena principal.

Reglas:

1. Se elige la cadena que contenga el mayor número posible de enlaces múltiples.
2. Se numera desde el extremo más cercano al primer enlace múltiple, sea doble o triple.
3. Si al numerar por ambos extremos se obtiene el mismo conjunto de localizadores para los enlaces múltiples, el doble enlace recibe el localizador más bajo.
4. En el nombre se escribe primero la parte correspondiente al doble enlace y luego la del triple.

Ejemplo:

$$\mathrm{CH_3-CH=CH-C\equiv C-CH(CH_3)-CH_3}$$

• La cadena principal tiene 7 carbonos: hept-.
• El doble enlace está entre C2 y C3.
• El triple enlace está entre C4 y C5.
• Hay un metilo en C6.
• Numerando desde la izquierda, los localizadores de los enlaces múltiples son 2 y 4.
• El nombre es 6-metilhept-2-en-4-ino.

9.1 ¿Qué es un compuesto aromático?

Los hidrocarburos aromáticos son un tipo especial de compuestos insaturados. El representante más simple es el benceno, cuya fórmula molecular es $\mathrm{C_6H_6}$.

En el benceno, los seis átomos de carbono forman un anillo hexagonal plano. Cada carbono tiene hibridación $sp^2$ y aporta un orbital $p$ perpendicular al plano del anillo. Los seis electrones pi se deslocalizan formando un sistema continuo por encima y por debajo del anillo.

Esa deslocalización explica que todos los enlaces carbono-carbono del benceno sean equivalentes, con una longitud intermedia entre un enlace simple y un doble. También le da una estabilidad especial: el benceno no se comporta como un trieno típico.

Para que un compuesto sea aromático debe cumplir, en general:

1. Ser cíclico.
2. Ser plano o aproximadamente plano.
3. Tener un sistema continuo de orbitales $p$.
4. Cumplir la regla de Hückel: poseer $4n+2$ electrones pi, con $n$ entero ($0,1,2,3,\ldots$).

Ejemplos:

Por eso, no basta con que una molécula tenga dobles enlaces para llamarla aromática.

9.2 Nomenclatura de derivados del benceno

En los derivados monosustituidos, se coloca el nombre del sustituyente seguido de la palabra benceno.

Ejemplos:

$$\mathrm{C_6H_5-CH_3} \quad \text{metilbenceno o tolueno}$$

$$\mathrm{C_6H_5-C_2H_5} \quad \text{etilbenceno}$$

En los derivados disustituidos, se usan los prefijos orto-, meta- y para-:

• orfo- (o-): posiciones 1 y 2
• meta- (m-): posiciones 1 y 3
• para- (p-): posiciones 1 y 4

Ejemplo:

$$\mathrm{C_6H_4(CH_3)_2}$$

• 1,2-dimetilbenceno: orto-dimetilbenceno
• 1,3-dimetilbenceno: meta-dimetilbenceno
• 1,4-dimetilbenceno: para-dimetilbenceno

Cuando el anillo bencénico actúa como sustituyente de una cadena, se llama fenil(o).

9.3 Fuentes y comportamiento

Las principales fuentes de hidrocarburos aromáticos son la destilación de la hulla y del petróleo crudo.

A diferencia de los alquenos, que dan reacciones de adición sobre el doble enlace, el benceno y sus derivados tienden a dar reacciones de sustitución, conservando el anillo aromático. Por eso no se suele clasificar al benceno como un simple “poliinsaturado”: sus electrones pi están deslocalizados y su reactividad es muy diferente de la de un dieno o trieno abierto.

Como los hidrocarburos son combustibles, todos pueden reaccionar con oxígeno en una combustión completa para producir dióxido de carbono y agua. Por ejemplo:

$$\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$$

Sin embargo, según su saturación, presentan tendencias distintas:

• Alcanos: son saturados y relativamente poco reactivos; participan principalmente en reacciones de sustitución.
• Alquenos y alquinos: son insaturados; sus enlaces pi les permiten dar reacciones de adición, como la hidrogenación.
• Aromáticos: aunque tienen electrones pi deslocalizados, son más estables y su reacción característica es la sustitución.

Esta diferencia de reactividad refuerza una idea fundamental: “insaturado” no significa necesariamente “más reactivo en todos los casos”; depende de la estructura electrónica.