Tema 1 de la asignatura Principales Compuestos Químicos de la UNED

1. Tema 1. HIDROCARBUROS I: ALCANOS. ALQUENOS.
DIENOS Y POLIENOS.
Grado en Química

2. Grado en Química
En este primer bloque temático se comenzará el estudio de los compuestos
llamados orgánicos que contienen todos carbono e hidrógeno y también
oxígeno, nitrógeno o azufre. Debido a su importancia y como introducción a la
Química Orgánica del segundo año de Grado en Química, se ha tratado de darle
un papel más relevante en la Química General descriptiva para que los
estudiantes vayan familiarizándose con ella y por ello se comienza con su
estudio

3. Grado en Química
CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Conocer el concepto de hibridación de orbitales atómicos ( sp3, sp2,
sp)
• Conocer las características de los enlaces covalentes
• Conocer los conceptos de electronegatividad y polaridad de un
enlace
• Conocer los distintos tipos de fuerzas intermoleculares en los tres
estados de la materia
• Dominar la teória ácido-base (Brönsted-Lowry y Lewis)

4. Grado en Química
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE GENERALES
Reconocer los diferentes grupos de hibrocarburos, los alcanos, alquenos y dienos,
describiendo su estructura justificando sus propiedades físicas y su reactividad

5. Grado en Química
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE ESPECÍFICOS
• Reconocer y nombrar hidrocarburos saturados e insaturados
• Describir y conocer las diferentes maneras de representar los
hidrocarburos saturados e insaturados
• Proyecciones de Newman para representar las conformaciones de los
alcanos
• Nombrar y formular alcanos, alquenos, radicales alquilo y dienos
• Nombrar e identificar los diferentes tipos de isómeros de los alcanos
y alquenos
• Predecir las propiedades físicas y químicas y relacionarlas con su
estructura y reactividad
• Conocer la reactividad básica de los alcanos, alquenos y dienos

6. Grado en Química
La Química Orgánica
Friedrich Wöhler
(1800–1882)
Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen
carbono, y prácticamente siempre hidrógeno. Los compuestos orgánicos
son sustancias químicas que contienen carbono, y prácticamente siempre
hidrógeno. Son muy abundantes, su número es muy elevado, y ello se debe
a que el elemento carbono se une consigo mismo mediante enlaces
covalentes fuertes (sencillos ó múltiples), originando cadenas lineales,
ramificadas o cíclicos. Hasta el principio del siglo XIX , los compuestos
orgánicos se obtenían de fuentes naturales, es decir de organismos
vivientes. En 1828, Friedrich Wöhler se propuso sintetizar el cianato
amónico NH4(CON) y lo hizo mediante la siguiente reacción pero al calentar
en exceso urea.

7. Grado en Química
Compuestos
Orgánicos
Naturales Artificiales

8. Grado en Química
Los compuestos orgánicos más
sencillos se denominan
hidrocarburos, y contienen
únicamente átomos de carbono e
hidrógeno
LOS HIDROCARBUROS

9. Grado en Química
EL ÁTOMO DE CARBONO Y LA MOLÉCULA DE METANO
El átomo de carbono tiene la singularidad de poseer la habilidad de formar enlaces covalentes
fuertes consigo mismo para formar cadenas lineales, ramificadas y anillos de ahí la gran
variedad de compuestos de carbono. El Carbono es el primer elemento del grupo 14 de la Tabla
periódica y su configuración electrónica es 1s2 2s22p2 . Los átomos de carbono pueden:
Metano
orbitales
híbridos sp3
• Establecer cuatro enlaces covalentes sencillos por hibridación sp3 (forma
tetraédrica con ángulos de 109,5º), como en el metano que es el
hidrocarburo más sencillo, que pertenece a la familia de los alcanos.
• Participar en enlaces covalentes dobles por hibridación sp2 (forma
trigonal plana con ángulos de 120º) y formación de un enlace s y un
enlace p, como en el eteno, de la familia de los alquenos.
• Formar enlaces covalentes triples mediante hibridación sp (forma lineal
con ángulos de 180º), y formación de un enlace s y dos enlaces p, como
en el etino, de la familia de los alquinos.

10. Grado en Química
Orbitales híbridos sp3
Estado fundamental Estado excitado
Mediante la combinación de las
funciones de onda de los orbitales s
y los p se forman
cuatro orbitales híbrídos. Estos
orbitales tiene una energía
intermedia entre la de los orbitales
2s y 2p . Estos orbitales nuevos son
orbitales sp3 .Estos orbitales tiene
un 25% carácter s y 75% carácter p.
La disposición espacial de estos orbitales de
tetraédrica y el ángulo entre los orbitales es de 109o
47’. En el metano estos orbitales forman enlaces
covalentes s con los orbitales s del átomo de
hidrógeno

11. Grado en Química
Los hidrocarburos saturados o alcanos son compuestos formados por carbono e hidrógeno, con
todos los átomos de carbono con hibridación sp3 y enlaces covalentes sencillos de tipo s. Poseen el
número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a cada carbono, y de ahí el término
hidrocarburo saturado utilizado para describirlos
Los alcanos de cadena abierta o hidrocarburos
alifáticos tienen la fórmula general CnH2n+2 donde n
toma el valor de los números naturales 1, 2, 3, 4… A
medida que aumenta n en la fórmula general CnH2n+2
se genera la serie homóloga de los alcanos en la que
cada miembro difiere de su vecino inmediato en un
grupo CH2 (denominado metileno).

12. Grado en Química
NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALCANOSTABLA 1.1. Algunos ejemplos de alcanos y grupos alquilo
Alcano
Nombre IUPAC
(Nombre común)
Alquilo Nombre
CH4 Metano CH3 Metilo
CH3CH3 Etano CH3CH2 Etilo
CH3CH2CH3 Propano
CH3CH2CH2 Propilo
CH3CHCH3
Isopropilo
CH3CH2CH2CH3 Butano
CH3CH2CH2CH2 Butilo
CH3CH2CHCH3
sec-Butilo
CH3CHCH3
CH3
2-Metilpropano
(Isobutano)
CH3CHCH2
CH3
Isobutilo
CH3CCH3
CH3
terc-Butilo
CH3CH2CH2CH2CH3
Pentano
CH3CH2CH2CH2CH2
1-Pentilo
(Pentilo)
CH3CH2CH2CHCH3 1-Metilbutilo
(sec-Pentilo)
CH3CH2CHCH2CH3
3-Pentilo

13. Grado en Química
NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALCANOS
1. La cadena continua de mayor longitud de átomos de carbono o cadena principal
se indica mediante un prefijo derivado de los numerales griegos, pent- para cinco
átomos de carbono, hex- para seis átomos de carbono, hept- para siete átomos de
carbono, oct- para ocho átomos de carbono, non- para nueve átomos de carbono, dec-
para diez átomos de carbono, …., al que se añade el sufijo -ano.
2. Las posiciones y el nombre de las ramificaciones de la cadena principal se
añaden como prefijos al nombre del hidrocarburo de cadena más larga. La posición de
unión se expresa por la numeración de la cadena más larga, comenzando por el
extremo más próximo a la ramificación.
CH3CH2CHCHCHCHCH3
1234567
CH3CH3CH2CH2
CH3CH3
2,3,5-Trimetil-4-propilheptano

14. Grado en Química
Fórmula Estructural
Fórmula enlace-línea
Fórmula Desarrollada
Fórmula Espacial
Modelo molecular varilla
y bola ( ball and stick)Modelo compacto o espacio
lleno (CPK)
CH3CH2CH2CH3
Fórmula condensada

15. Grado en Química
CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS
Con los modelos moleculares se puede visualizar al rotación en torno al enlace C-C Para el caso del
etano, pasamos de una conformación eclipsada a una alternada. Las proyecciones de Newman
visualizan la estructura a lo largo del enlace que une ambos átomos de carbono y proyectarla sobre el
plano, de tal forma que los grupos unidos al átomo de carbono más próximo al observador se dibujan
enlazados al punto central de un círculo, que representaría al átomo, mientras los del más alejado se
dibujan como si partieran desde detrás del círculo, y por tanto sus enlaces sólo son visibles
parcialmente.

16. Grado en Química
Entre las conformaciones eclipsada y alternada existen infinitas disposiciones sesgadas intermedias que no
es posible separar ni aislar en condiciones normales. En general las moléculas tienen preferencia por la
conformación alternada por ser menores las repulsiones entre los átomos de hidrógeno. La diferencia de
energía entre las conformaciones alternada y eclipsada es de unos 12,5 kJ.mol-1, que se puede vencer
fácilmente a temperatura ambiente, y las moléculas rotan constantemente.

17. Grado en Química
VISUALIZACIÓN DE MODELOS MOLECULARES
El estudiante debe hacer uso de los recursos en Internet para visualizarlas moléculas
orgánicas , como parte de las competencia a adquirir. Se introduce el uso de software
como Marvin skecht, Chemskecht , Chime, pymol
http://www.chemtube3d.com/ http://www.acdlabs.com/products
/draw_nom/draw/chemsketch/
https://chemaxon.com/products

18. Grado en Química
Las fuerzas de van der Waals explican los puntos de fusión y ebullición de los alcanos.
Las fuerzas de atracción entre dos moléculas debido a la formación de dipolos inducidos.
En las moléculas lineares y de cadena larga hay más probabilidad de inducir dipolos en
varios puntos y por ello las fuerzas son mayores y también sus puntos de fusión
Momento dipolar enlace
C-H en alcanos 0.3 D
p.e. =-161 oC p.e. = 36 oC p.e. = 9.5 oC

19. Grado en Química
PROPIEDADES DE LOS ALCANOS
Los alcanos son compuestos no polares, insolubles en agua, de bajo punto de fusión y
ebullición • A medida que se avanza en la serie homóloga, crece la
masa molecular y las atracciones intermoleculares
(fuerzas de van der Waals) son más fuertes. Así se llega
a un término de la serie que será líquido, y más adelante
a otro que será sólido a temperatura ambiente; del
pentano al heptadecano son líquidos y del octadecano en
adelante sólidos
• En cuanto a los alcanos ramificados que poseen mayor
esfericidad, sus puntos de ebullición son más bajos que
los correspondientes isómeros de cadena lineal (ver
pentano, isopentano y neopentano). En cambio los
puntos de fusión de algunos alcanos con ramificaciones,
que dan lugar a moléculas simétricas y adaptables unas
a otras, pueden ser anormalmente elevados (ver 2,2,3,3-
tetrametilbutano).

20. Grado en Química

21. Grado en Química
ISOMERÍA
En química orgánica podemos distinguir los siguientes tipos de isómeros, es decir
compuestos que presentan la misma fórmula molecular pero cuyos átomos se conectan
de manera diferente o su distribución espacial es diferente
Estructurales
Estereoisómeros
Cadena o esqueleto
Posición
Función
Isomería Z, E o cis, trans
Diastereisómeros (no son imágenes
especulares)
Ópticos
Geométricos
Enantiómeros ( imagen
especular)
Centros quirales

22. Grado en Química
ISÓMEROS ESTRUCTURALES DE ESQUELETO DE LOS ALCANOS

23. Grado en Química
Los enlaces en los alcanos son de tipo s por lo que son poco reactivos
No reaccionan con ácidos ni bases fuertes.
No reaccionan con oxidantes fuertes como el permanganato ni pueden ser
reducidos por el hidrógeno
Reaccionan mediante mecanismos de formación de radicales (halogenación) y
también dan reacciones de combustión con el oxígeno y de pirólisis, en ausencia
de oxígeno y también reacciones de isomerización. Todas ellas ocurren mediante
la ruptura de los enlaces C-C o C-H
REACTIVIDAD DE LOS ALCANOS

24. Grado en Química
REACCIONES DE COMBUSTIÓN
CnH2n+2 + (exceso) O2 n CO2 + (n+1) H2O H < 0
Debido a que todos los enlaces covalentes del alcano se rompen, el cálculo del calor de
combustión o calor desprendido en la reacción nos puede dar una idea de la fuerza de
dichos enlaces y de la estructura de la molecular. Los calores de combustión permiten
evaluar la estabilidad de los alcanos, y en general un alcano ramificado es más estable
que su isómero menos ramificado.
Si la cantidad de oxígeno no es suficiente se puede producir monóxido de carbono, un
gas tóxico.
CH3-CH2-CH3 + 4 O2 ——> CO2 + 2 CO + 4 H2O + calor

25. Grado en Química

26. Grado en Química
Estas reacciones tienen lugar cuando los alcanos se calientan a alta
temperatura en ausencia de oxígeno. Se producen rupturas homolíticas de
enlaces C-H y C-C dando lugar a la formación de radicales libres que se
recombinan o desproporcionan originando una mezcla de alcanos y
alquenos de masa molecular menor que la del alcano de partida.
REACCIONES DE PIRÓLISIS
CH2 CH CH CH2
H H H H
H2 + CH3 CH2 CH CH2
H2 + CH3 CH CH CH3
CH4 + CH3 CH CH2
CH3 CH3 CH2 CH2+

27. Grado en Química
PROCESOS DE CRAQUEO DEL PETRÓLEO
El proceso de Cracking o craqueo del petróleo es el proceso mediante el cual se rompen enlaces
C-C de hidrocarburos de cadena larga para dar hidrocarburos de cadena más pequeña. Este
proceso se realiza a temperaturas y presiones elevadas o a temperaturas y presiones más bajas
en presencia de un catalizador. Los diferentes fragmentos se separan por destilación fraccionada

28. Grado en Química
Índice de
octano 100
Índice de
octano 0
Es la capacidad antidetonante de la gasolina cuando se comprime dentro de un cilindro deun motor, mide
la capacidad de autocombustión de la gasolina
El 2,2,4-trimetilpentano es el que mejor funciona como combustible, ya que no autocombustiona y se le
asigna un índice de octano 100 mientras que el heptano el que mas autocombustiona y se le asigna un
índice de octano 0. Del proceso de craqueo se obtiene gasolina con un índice de octano 50-60 que no es
adecuado para la combustión en automóviles y por ello debe ser sometido al proceso de reformado (
isomerización y formación de radicales para formar hidrocarburos más ramificados). La gasolina comercial
tiene un índice de octano de 80 a 90

29. Grado en Química
. A
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN RADICAL
La reacción de sustitución más importante es la halogenación, es decir la sustitución de
átomos de hidrógeno por átomos de halógeno. Tiene lugar cuando un alcano se trata con un
halógeno en fase gaseosa en presencia de luz ultravioleta (hn) o calor (D).
CH3Cl + HCl
CH2Cl2 + HCl
Cl2
h o 
CHCl3 + HCl
Cl2
h o 
CCl4 + HCl
Cl2
h o 
Cloruro de metilo
Diclorometano
CloroformoTetracloruro de carbono
Metano
CH4 + Cl2
h o 

30. Grado en Química
Iniciación
Propagación
Terminación

31. Grado en Química
REACCIONES DE ISOMERIZACIÓN
CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3
CH3
20% 80%
150 o
C
El mecanismo de reacción es iónico, transcurre a través de carbocationes formados por
abstracción de un anión hidruro por el ácido de Lewis.
Un carbocatión es una especie química cargada positivamente con un átomo de carbono sólo con
seis electrones en su capa externa y un orbital vacío, que se obtiene por ruptura heterolítica
(heterolisis) de un enlace covalente, en este caso carbono-hidrógeno.

32. Grado en Química
REACCIONES DE ISOMERIZACIÓN DE LOS
ALCANOS: CARBOCATIONES
CH3 CH2 CH2 CH2
H
H-
..
+CH3 CH2 CH CH2
Carbocatión primario Ión hidruro
CH3 C CH3
CH3
Carbocatión terciario
CH3 CH2 C CH3
H
Carbocatión secundario
H
1234
Estabilización por deslocalización de la carga

33. Grado en Química
ALQUENOS
Los alquenos son hidrocarburos insaturados que contienen un doble enlace carbono-
carbono y su fórmula general es CnH2n. El átomo de carbono presenta un hibridación sp2.
Estos orbitales híbridos tienen mayor carácter s. Los dos enlaces p son más lábiles que los
s y los alquenos serán más reactivos que los alcanos. La rotación del enlace C-C esta
impedida ya que la energía de enlace es mayor que en los alcanos y la resistencia de los
enlaces p a la torsión
C=C 1,34 Å
Geometría trigonal plana 120o
121.3o

34. Grado en Química
NOMENCLATURA IUPAC DE LOS ALQUENOS
1. Elegir como cadena principal la más larga que contenga el doble enlace.
2. Numerar los átomos de carbono de la cadena principal de manera que el doble enlace
tenga el número más bajo posible.
3. Utilizar la terminación o sufijo -eno en lugar de -ano.
CH2 CH2 CH3 CH CH2
Eteno Propeno

35. Grado en Química
ISOMERÍA ESPACIAL GEOMÉTRICA DE LOS ALQUENOS
C C
HH
CH3H3C
C C
HH3C
CH3H
A B
1 2 21
cis o (Z)-2-buteno
Zusammen
trans o (E)-2-buteno
Entgegen

36. Grado en Química
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALQUENOS
Los alquenos tienen propiedades físicas muy similares a las de los alcanos. Los
que poseen menos de cinco átomos de carbono son gaseosos, hasta los términos
de la serie con 17 o 18 átomos de carbono son líquidos y a partir de éstos sólidos

37. Grado en Química
ISOMERÍA DE POSICIÓN DE GRUPO FUNCIONAL
DE LOS ALQUENOS
CH CH2CH2H3C CHH3C CH CH3
1-Buteno 2-Buteno
12 23
Los alquenos presentan isomería de posición de grupo funcional originada por la
distinta localización del doble enlace, el grupo funcional, en la cadena hidrocarbonada.
Por ejemplo, es la que tiene lugar entre el 1-buteno y el 2-buteno:

38. Grado en Química
Las especies electrófilas serán por ejemplo carbocationes o en los compuestos HX, donde X
es un halógeno, el H que tendrá una carga parcial positiva,las especies nucleófilas son las que
presentan carga negativa o carga parcial negativa o alta densidad electrónica
REACTIVIDAD DE LOS ALQUENOS
El alqueno se comporta como una base que comparte su par de electrones p con el reactivo ácido o
electrófilo atacante. De este modo los alquenos experimentan reacciones de adición electrófila tanto
con ácidos (de Lewis o de Brönsted) como con oxidantes.
Como estos compuestos poseen una nube de densidad electrónica en los enlaces p serán
susceptibles de ser atacados por especies electrófilas. Ya que un doble enlace es una especie
nucleófila o base de Lewis
Electrófilos
Nucleófilos

39. Grado en Química
Reacciones de adición electrófila o electrofílica
 Adición de haluros de hidrógeno
H2C CH2 H3C CH2 Br Derivado halogenado
H
+ -
Br
CH CH2
H
H3C CH CH2H3C
H
2
CH CH2H3C
Br
1
ó
Br H
+ -
Br
Regla de Markovnikov el fragmento más positivo de un reactivo del tipo HX se
une al átomo de carbono que posee un mayor número de átomos de hidrógeno.

40. Grado en Química
 Adición de agua
C C
H
HH3C
H3C
HOH
H3C C C H
H
HCH3
OH
Alcohol
+ -
 Adición de halógenos
H2C CH2
Br2
H2C CH2 Derivado dihalogenado
Br Br

41. Grado en Química
 Adición de hidrógeno
 Polimerización
H2C CH2
H2
H3C CH3
catalizador
H2C CH2 CH2 CH2H2C CH2 H2C CH2 n
PolietilenoEtileno

42. Grado en Química
En los años 50, Karl Ziegler y Giulio Natta desarrollaron un procedimiento para controlar la
orientación espacial de los grupos sustituyentes en los polímeros sintetizados por adición
utilizando un catalizador de (CH3CH2) 3Al + TiCl4.
Premio Nobel de Química 1963

43. Grado en Química
• Reacciones de Oxidación
KMnO4, OsO4
Puede ocurrir que se oxide únicamente el enlace p sin ruptura del enlace s:
C C C C C C
OH OHO
Epóxido 1,2-Diol o Glicol
o
oxidación
O bien que tenga lugar la oxidación del enlace p con ruptura del enlace s:
C C C
O
H
C
O
C
O
OHoxidación
Aldehído Cetona Ácido carboxílico
o o
O3

44. Grado en Química
DIENOS Y POLIENOS
Los dienos son hidrocarburos que poseen dos dobles enlaces en su molécula, con lo que su
fórmula general es CnH2n-2. Para nombrarlos se elige la cadena más larga que incluya a los dos
dobles enlaces y se numera de forma que les correspondan los números más bajos. Se
cambia la terminación -ano del alcano por -adieno.
H2C CH CH CH2
1234
1,3-Butadieno
CH2 CH2 CH CH2
1234
1,5-Hexadieno
CHH2C
56
CH2 CH CH2
123
C C
HCH2
H
H3C
45
67
trans-1,4-Heptadieno
(E)-1,4-Heptadieno
H3C CH C CH2
1234
1,2-Butadieno
CH2 CH C CH2
1234
1,2-Pentadieno
H3C
CH CH2
12
C C
HH
H3C
34
5
cis-1,3-Pentadieno
(Z)-1,3-Pentadieno
5

45. Grado en Química
• Los dienos aislados presentan las mismas reacciones que las de los
alquenos
• los dienos conjugados, como el 1,3-butadieno o el (Z)-1,3-pentadieno,
los enlaces dobles y sencillos se encuentran alternados y esta
disposición les confiere mayor estabilidad y una reactividad
particular
• Los dienos acumulados reciben el nombre de alenos. Son menos
estables que los alquenos aislados, y por tanto más reactivos. El
primer término de la serie es el 1,2-propadieno, conocido
vulgarmente como aleno.

46. Grado en Química
H H
H
H
H
H
1
2
3
4
p p
pp
p débil
p débil
.
.
.
.
• la distancia C2-C3 es de 1,47 Å, más pequeña
que la correspondiente a un enlace sencillo de
un alcano (1,54 Å), y mayor que la de un doble
enlace (1,34 Å)
• los dos dobles enlaces del 1,3-butadieno tienen
menor carácter de doble enlace que el de un
alqueno.
DIENOS CONJUGADOS

47. Grado en Química
POLIENOS CONJUGADOS EN LA NATURALEZA

48. Grado en QuímicaGrado en QuímicaGrado en Química

49. Grado en Química
• Distinguir alcanos, alquenos y dienos
• Conocer la nomenclatura de estos compuestos y aplicarla
• Conocer el concepto de isomería
• Reconocer las especies electrófilas y nucleófilas
• Reactividad general de alcanos y alquenos
• Manejo del software para dibujar estructuras químicas
• Relacionar las propiedades físicas y químicas de los alcanos y
alquenos con su estructura
Competencias adquiridas y conceptos aprendidos