Investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los hidrocarburos - Sesión 1

La halogenación de alcanos es una reacción química en la que un átomo de halógeno reemplaza a un átomo de hidrógeno en una molécula de alcano. En este proceso se rompe el enlace carbono-hidrógeno. Después de romperse el enlace, se forma un nuevo enlace carbono-halógeno. Es una reacción de sustitución. Sustitución significa reemplazo. La halogenación de alcanos se conoce específicamente como sustitución de radicales libres. Esto se debe a que implica la generación y utilización de radicales libres. Los radicales libres son especies químicas altamente reactivas que contienen uno o más electrones desapareados.

Centrémonos en la cloración del metano como ejemplo. La cloración del metano implica cuatro pasos. La reacción comienza con el paso de iniciación. En este paso, una molécula de cloro se descompone en dos radicales de cloro altamente reactivos. Este paso normalmente requiere energía en forma de calor o luz ultravioleta.

El segundo paso se llama propagación. En la etapa de propagación, un radical cloro reacciona con una molécula de metano para formar un radical metilo y cloruro de hidrógeno. El radical cloro reemplaza al átomo de hidrógeno en el metano. Como resultado se forma un radical metilo y cloruro de hidrógeno.

El siguiente paso es la propagación en cadena. En este paso, el radical metilo reacciona con otra molécula de cloro para formar clorometano y otro radical de cloro. Este paso de propagación en cadena continúa la reacción. Esto se debe a que el radical cloro recién formado puede reaccionar con moléculas de metano adicionales.

El paso final es la Terminación. En la terminación, los radicales reactivos se combinan para formar moléculas estables. A continuación se muestran algunos ejemplos de reacciones de terminación que pueden tener lugar durante la cloración del metano. Dos radicales metilo pueden combinarse para formar etano. Un radical metilo puede combinarse con un radical cloro para formar clorometano. Un radical metilo puede combinarse con un átomo de hidrógeno para formar una molécula de metano estable. Estas reacciones de terminación ayudan a reducir la concentración de radicales reactivos y ponen fin a la reacción de cloración.

La hidrohalogenación de alquenos implica la adición de un haluro de hidrógeno a un alqueno. El haluro de hidrógeno se agrega a través del doble enlace carbono-carbono del alqueno. El doble enlace de los alquenos se rompe en este proceso. El producto de esta reacción es haluro de alquilo.

La hidrohalogenación de alquenos ocurre a través de un mecanismo escalonado que implica la formación de un carbocatión intermedio. Tomemos el ejemplo de la hidrocloración del eteno para ilustrar el proceso. La reacción se inicia mediante la disociación del cloruro de hidrógeno en sus iones constituyentes. Esto genera un ion de hidrógeno con carga positiva y un ion de cloruro con carga negativa.

Luego, el eteno reacciona con el ion hidrógeno. El doble enlace carbono-carbono en el eteno actúa como un nucleófilo. Como sabemos, nucleófilo significa especie rica en electrones. Ataca al ion hidrógeno. El enlace pi entre los dos átomos de carbono se rompe. Luego, el átomo de hidrógeno se une a uno de los átomos de carbono. La adición del ion hidrógeno forma un carbocatión intermedio. El carbocatión es un átomo de Carbono con carga positiva y tres enlaces. Le falta un electrón.

Después de esto, el ion haluro cargado negativamente ataca al carbono cargado positivamente en el carbocatión. El ion haluro con carga negativa actúa como un nucleófilo. Este ataque nucleofílico conduce a la formación de un nuevo enlace de cloruro de carbono. La reacción termina con la formación del producto haluro de alquilo. En este caso el haluro de alquilo es cloroetano. El haluro de alquilo contiene un nuevo enlace carbono-halógeno y conserva el esqueleto de carbono original del alqueno.

Durante la hidrohalogenación con alqueno con mayor número de átomos de Carbono, existe la posibilidad de formación de dos tipos de productos. Por ejemplo, durante la adición de bromuro de hidrógeno al propeno, se pueden formar dos productos diferentes. Estos son un bromopropano y dos bromopropano. La formación de estos productos se explica mediante la regla de Markovnikov y la regla anti-Markovnikov.

Según la regla de Markovnikov, el componente electrófilo del reactivo se une al átomo de carbono con mayor número de átomos de hidrógeno unidos a él. El componente nucleofílico del reactivo se agrega al átomo de carbono con menos átomos de hidrógeno unidos a él. Por ejemplo, durante la adición de bromuro de hidrógeno al propeno, el ion hidrógeno se agrega al carbono número uno. Esto se debe a que el carbono número uno tiene mayor número de átomos de hidrógeno unidos a él en comparación con el carbono número dos. El ion bromuro se añade al carbono número dos.

Según la regla de Anti-Markovnikov, el componente electrófilo del reactivo se une al átomo de carbono con menos átomos de hidrógeno unidos a él. El componente nucleofílico del reactivo se suma al átomo de carbono con mayor número de átomos de hidrógeno unidos a él. Por ejemplo, durante la adición de bromuro de hidrógeno al propeno, el ion hidrógeno se agrega al carbono número dos. Esto se debe a que el carbono número dos tiene menos cantidad de hidrógeno unido a él en comparación con el carbono número uno. El ion bromuro se añade al carbono número uno. Esta adición se realiza de acuerdo con la regla anti-Markovnikov.

Como sabemos, durante la hidrohalogenación de alquenos se forman dos tipos de productos. Uno se forma según la regla de Markovnikov. El resto del producto se forma según la regla de Anti-Markovnikov. ¿Puedes decir cuál es el producto que tiene mayor probabilidad de formarse? Bueno, la respuesta está en la estabilidad del carbocatión intermedio formado en la hidrohalogenación de alquenos. El carbocatión estable forma un producto estable. Primero discutiremos los tipos de carbocationes que pueden formarse durante la hidrohalogenación de alquenos.

Hay tres tipos de carbocationes. Carbocatión primario, carbocatión secundario y carbocatión terciario. Un carbocatión primario tiene solo un grupo alquilo unido al átomo de carbono cargado positivamente. Un carbocatión secundario tiene dos grupos alquilo unidos al átomo de carbono cargado positivamente. Un carbocatión terciario tiene tres grupos alquilo unidos al átomo de carbono cargado positivamente.

Ahora discutiremos qué carbocatión es más estable. Los grupos alquilo unidos al carbono cargado positivamente donan electrones a esos carbonos cargados positivamente. Contribuyen a aumentar la densidad electrónica del carbono cargado positivamente. Como resultado, el carácter positivo del carbono cargado positivamente se reduce. Se vuelve estable. Esto significa que el carbocatión más estable es el que tiene mayor número de grupos alquilo unidos al carbono con carga positiva. Por lo tanto, el carbocatión terciario es el más estable. El orden creciente de estabilidad del carbocatión se muestra aquí.

Ahora, hablemos de los productos que se formaron durante la hidrobromación del propeno. El primer producto son dos bromopropanos que siguieron la regla de Markovnikov. El segundo producto es un bromopropano que siguió la regla de Anti-Markovnikov. El carbocatión intermedio de dos bromopropano fue el carbocatión secundario. El carbocatión intermedio de un bromopropano fue el carbocatión primario. Podemos ver que el carbocatión secundario es más estable. Por lo tanto, el producto principal será dos bromopropano.