2. Estructura | 📘 Alcanos | Joseleg

 

El metano (CH₄) y el etano (C₂H₆) son los dos primeros miembros de la familia de los alcanos. La forma del metano es tetraédrica con ángulos de enlace C-H de 109.58°. Cada átomo de carbono en el etano también es tetraédrico y todos los ángulos de enlace son aproximadamente 109.58°. Aunque las formas tridimensionales de los alcanos más grandes son más complejas que las del metano y el etano, los cuatro enlaces alrededor de cada carbono todavía están dispuestos de forma tetraédrica y todos los ángulos de enlace son aproximadamente 109.58°.

Figura 2‑1. A la izquierda estructurada lo es para el metano, a la derecha modelo de bolas y palos donde se representa la tridimensionalidad de la molécula.

Los siguientes tres alcanos son propano (CH₃CH₂CH₃), butano (CH₃CH₂CH₂CH₃) y pentano (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃). También se dibujan en una forma aún más abreviada llamada fórmula de ángulo de línea. En una fórmula de ángulo de línea, cada vértice y final de línea representa un átomo de carbono. Aunque no mostramos los átomos de hidrógeno en las fórmulas de línea y ángulo, suponemos que están allí en número suficiente para dar a cada carbono cuatro enlaces.

Figura 2‑2. De izquierda a derecha n-propano, n-butano y n-pentano.

Podemos escribir fórmulas estructurales para alcanos en otra forma abreviada más. La fórmula semiestructural del pentano, por ejemplo, contiene tres grupos CH₂ en el medio de la cadena. Podemos recolectarlos y escribir la fórmula estructural del pentano como CH₃(CH₂)₃CH₃.

Los alcanos tienen la fórmula molecular general C_nH_2n+2. Así, dado el número de átomos de carbono en un alcano, podemos determinar el número de hidrógenos en la molécula y su fórmula molecular. Por ejemplo, el decano, con diez átomos de carbono, debe tener (2x10)+2=22 átomos de hidrógeno y una fórmula molecular de C₁₀H₂₂, pero esa fórmula molecular incluye al n-decano y todos sus isómeros.

Isómeros constitucionales

Los isómeros constitucionales son compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferentes fórmulas estructurales. Por “diferentes fórmulas estructurales” queremos decir que los isómeros constitucionales difieren en los tipos de enlaces que tienen (simple, doble o triple) y/o en la conectividad de sus átomos, pero poseerán el mismo número de átomos de cada elemento.

La teoría estructural les permitió a los primeros químicos orgánicos comenzar a resolver varios problemas fundamentales que los acosaban. En especial el problema del isomerismo. Estos químicos frecuentemente se encontraban con ejemplos de diferentes sustancias que tenían las mismas formulas moleculares pero que presentaban propiedades físicas y/o químicas diferentes. A estas sustancias se las denominó isómeros. Consideremos un ejemplo, tenemos dos compuestos con la formula molecular C₄H₁₀, uno llamado butano (p.e. 1 °C p.f. −134 °C;) y el otro llamado isobutano “2-metilpropano” (p.e. −11.7 °C p.f. −159.42 °C;), que son claramente diferentes debido a sus diferentes propiedades.

Figura 2‑3. A la izquierda el butano y a la derecha el 2-metilpropano.

Debido a que la fórmula molecular de ambos compuestos es la misma, esta no nos sirve para entender las diferencias entre las propiedades físicas de ambas sustancias. La teoría estructural remedia esta situación al adjudicarle a cada sustancia una fórmula estructural diferente, con diferentes tipos de conexiones entre los átomos.

Posteriormente en 1874 las fórmulas estructurales originadas por kekulé, Couper y Butlerov fueron expandidas a las tres dimensiones por medio de trabajos independientes de  JD van´t Hoff y JA Le Bel. Ambos propusieron que los hidrógenos en la molécula del metano (CH₄) se encontraban dispuestos como si estuvieran apuntando a las puntas de un polímero regular llamado tetraedro. Hasta entonces a la molécula de metano se la dibujaba plana como si fuera una cruz. El conocimiento de la disposición en tres dimensiones de las moléculas es vital para el entendimiento de la química orgánica y cualquier otra ciencia que dependa de ella como la bioquímica.

Los alcanos con más de tres átomos de carbono se pueden organizar de varias formas, formando isómeros estructurales. El isómero más simple de un alcano es aquel en el que los átomos de carbono están dispuestos en una sola cadena sin ramificaciones. Este isómero a veces se denomina isómero n (n de "normal", aunque no es necesariamente el más común o mas estable). Sin embargo, la cadena de átomos de carbono también puede estar ramificada en uno o más puntos. El número de posibles isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono.

En general para identificar isómeros constitucionales en un grupo de decanos lo que debe hacer es (1) verificar que sean alcanos (2) contar el número de carbonos (3) aplicar la fórmula C_nH_2n+2 (4) Y verificar el número de hidrógenos.

Número de isómeros

La capacidad de los átomos de carbono para formar enlaces fuertes con otros átomos de carbono da como resultado un número asombroso de isómeros constitucionales, que aumenta más que exponencialmente con el número de carbonos. Hay 3 isómeros constitucionales con la fórmula molecular C₅H₁₂, 75 isómeros constitucionales con la fórmula molecular C₁₀H₂₂ y casi 37 millones con la fórmula molecular C₂₅H₅₂. Por tanto, incluso para un pequeño número de átomos de carbono e hidrógeno, es posible un gran número de isómeros constitucionales. Debido a que los isómeros constitucionales tienen diferentes propiedades químicas, es posible una rica diversidad química dentro de estos conjuntos. Algunas de estas agrupaciones o isómeros son más estables que otras, e incluso algunas son naturales y otras sólo se pueden obtener por síntesis artificiales. Sin embargo, el verdadero problema que nos imponen los isómeros constitucionales radica en los nombres, tener el alcano de 25 carbonos implica una enorme cantidad de isómeros y cada uno debe tener su propio nombre.

Sin embargo, antes de discutir la nomenclatura, vamos a hablar un poco de la historia de la fórmula C_nH_2n+2 y del cálculo del número de isómeros, porque el hecho de que expongamos que el alcano de 25 carbonos tenga una cantidad de isómeros de casi casi 37 millones, no implica que los químicos orgánicos dibujarán cada isómero individualmente. Ese trabajo sólo pudo ser posible a través de álgebra analítica, es decir, la deducción de una fórmula general que permite el cálculo rápido de los isómeros sin tener que dibujar los uno por uno.

Isomerismo óptico

Los isómeros ópticos son compuestos que son imágenes especulares no superponibles entre sí.

Figura 2‑4. (a) La molécula de CH₂ClBr y su imagen especular. Como la molécula y su imagen especular son superponibles, se dice que la molécula es aquiral. (b) La molécula de CHFClBr y su imagen especular. Como la molécula y su imagen especular no son superponibles, por mucho que giremos una con respecto a la otra, se dice que la molécula es quiral.

La figura 2-4. muestra dibujos en perspectiva de los metanos sustituidos CH₂ClBr y CHFClBr y sus imágenes especulares. Las imágenes especulares de CH₂ClBr son superponibles pero las de CHFClBr no lo son, sin importar cómo rotemos las moléculas. Por lo tanto, la molécula de CHFClBr es quiral. La mayoría de las moléculas quirales simples contienen al menos un átomo de carbono asimétrico, es decir, un átomo de carbono unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes.