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Los alquenos son hidrocarburos que tienen un doble enlace carbono-carbono. La palabra olefina se usa con frecuencia como sinónimo, pero el término preferido es alqueno. Los alquenos abundan en la naturaleza. Por ejemplo, el etileno es una hormona vegetal que induce la maduración de las frutas. Sería imposible la vida sin alquenos como el b-caroteno, compuesto que contiene once dobles enlaces. Es un pigmento anaranjado que produce el color de las zanahorias y una valiosa fuente dietética de vitamina A; también se cree que proporciona cierta protección contra algunos tipos de cáncer.
Debido a su doble enlace un alqueno tiene menos hidrógenos que un alcano con la misma cantidad de carbonos, CnH2n para el alqueno versus, CnH2n+2 para el alcano, el alqueno se llama no saturado. Por ejemplo, el etileno tiene la fórmula C2H4, mientras que la fórmula del etano es C2H6.
En general, cada anillo o doble enlace en una molécula corresponde a una pérdida de dos hidrógenos respecto a la fórmula de su alcano, CnH2n+2. Si se conoce esta relación, es posible avanzar hacia atrás, desde una fórmula molecular, para calcular el grado de insaturación de ella, que es la cantidad de anillos, enlaces múltiples o ambos que contiene.
Los átomos de carbono de un doble enlace tienen hibridación sp2 y poseen tres orbitales equivalentes que están en un plano, formando ángulos de 120º. El cuarto orbital del carbono es un p no híbrido, perpendicular al plano sp2. Cuando dos de esos átomos de carbono se acercan, forman un enlace s por traslape de frente de orbitales sp2 y un enlace p por traslape lateral de orbitales p.
En el lenguaje de orbitales moleculares, la interacción de los orbitales p produce un orbital molecular de enlace p y uno de antienlace. El orbital molecular de enlace p no tiene nodos entre los núcleos y es el resultado de una combinación aditiva de los lóbulos de orbital p con el mismo signo algebraico. El orbital molecular de antienlace p posee un nodo entre los núcleos y se produce por la combinación sustractiva de lóbulos con distintos signos algebraicos.
Aunque es posible la rotación libre en torno a los enlaces s, esto no es válido para los dobles enlaces. Para que haya rotación alrededor de un doble enlace, se debe romper temporalmente el enlace p. Por consiguiente, la barrera a la rotación del doble enlace debe ser cuando menos tan grande como la fuerza del mismo enlace p.
La falta de rotación en torno al enlace carbono-carbono ofrece mayor interés que sólo el teórico; también tiene consecuencias químicas. Imagine el caso de un alqueno disustituido como el 2-buteno. Los dos grupos metilo del 2-buteno pueden estar del mismo lado del doble enlace o en lados opuestos.
Como el doble enlace no puede girar, los dos 2-butenos no pueden interconvertirse en forma espontánea; son compuestos distintos que se pueden aislar. Al igual que en el caso de los cicloalcanos disustituidos, estos compuestos se llaman estereoisómeros cis-trans.
La isomería cis-trans no se limita a los alquenos disustituidos. Puede presentarse en cualquier alqueno que tenga los dos carbonos del doble enlace fijos a dos grupos distintos. Sin embargo, si uno de los carbonos del doble enlace está fijo a dos grupos idénticos, no es posible que haya isomería cis-trans.
Los alquenos cis son menos estables que sus isómeros trans, debido a la tensión estérica (espacial) entre los dos sustituyentes voluminosos del mismo lado del doble enlace.
Los dobles enlaces se acomodan a anillos de todos los tamaños. El cicloalqueno más sencillo, el ciclopropeno fue sintetizado por primera vez en 1922.
El ciclopropano está desestabilizado por la tensión angular debido a que su ángulo de enlace es de 60º, mucho menor que el ángulo que corresponde a un carbono con hibridación sp3. El ciclopropeno está todavía más tensionado, ya que la desviación respecto al ángulo de enlace de los carbonos doblemente enlazados con una hibridación sp2 de 120º es todavía mayor. El ciclobuteno tiene, por supuesto, menor tensión angular que el ciclopropeno, y la tensión angular del ciclopenteno, ciclohexeno y cicloalquenos superiores es despreciable.
Características generales de los alquenos.
Los alquenos son una clase de hidrocarburos que contienen por lo menos un enlace doble carbono-carbono. Estos compuestos también se conocen con otros nombres: etilénicos (debido al etileno, el mas simple de los alquenos); olefinas (ya que el primer nombre que recibió el etileno fue el de gas olefinante); y no saturados (por no estar saturados con el máximo número de carbonos posibles en la molécula).
Figura 1. Modelo de la molécula del eteno o etileno.
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Los alquenos tienen la fórmula empírica general CnH2n. En la figura 1 se muestra un modelo de bolas y varillas de la molécula del más simple de los alquenos, el eteno o etileno CH2=CH2.
El ángulo mutuo entre los enlaces de los hidrógenos con el carbono es de 120° como corresponde al carácter tetrahédrico del carbono, y todos los átomos de hidrógeno están en el mismo plano, formando una estructura "planar".
Si sustituimos uno de los hidrógenos con el radical metilo (-CH3) obtenemos el propeno opropileno CH3CH=CH2.
Las consecuentes sustituciones/adiciones de radicales van dando la posibilidad de obtener estructuras con diferentes posiciones del doble enlace dentro de la molécula y además a la formación de complejas estructuras ramificadas.Para poner orden a la denominación de los alquenos la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) acordó seleccionar la cadena más larga presente en la molécula que contenga el enlace doble, y cambiar la terminación -ano dada al alcano correspondiente por la terminación -eno. La posición del doble enlace en la cadena se señala con un número, contado a partir de final de la cadena y que haga este número lo menor posible.
Cuando hay más de un doble enlace en la molécula, se utiliza la terminación -dieno (para dos dobles enlaces), -trieno (para tres) y así sucesivamente en el lugar de la terminación -eno.En la tabla1 a continuación se muestran las estructuras de algunos alquenos y sus nombres IUPAC, entre paréntesis sus nombre comunes.
Observe como se configuran los nombres de acuerdo a lo descrito anteriormente.
Propiedades físicas de los alquenos
Los alquenos no abundan en las fuentes naturales como los alcanos, aunque hay alquenos en los petróleos naturales, son de hecho componenets minoritarios. La principal fuente para la industria son los procesos de "craking" del petróleo natural.
El punto de fusión y de ebullición individual de los alquenos tiene la tendencia, al igual que el resto de los hidrocarburos, de incrementarse con el aumento del peso molecular. Para un mismo compuesto hay una distinguible diferencia entre los isómeros geométricos cis y trans.
En la tabla 2 se brindan algunos valores.
Propiedades químicas de los alquenos
A diferencia de los alcanos, los alquenos presentan una elevada reactividad química con diversos reactivos. Las reacciones de los alquenos son mayoritariamente reacciones de adición, contrariamente a las reacciones de sustitución típicas de los alcanos.
Figura 2. Los alquenos prefieren las reacciones de adición.
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La forma general de estas reacciones de sustitución se muestra en la figura 2.
Cuando un reactivo con dos partes (A y B) llamado adendum, en condiciones adecuadas, entra en contacto con un alqueno, se produce la ruptura del doble enlace carbono-carbono y cada uno de los miembros del adendum se "adiciona" al respectivo enlace libre de cada átomo de carbono para formar el producto final, que contiene todos los átomos de los dos reactivos envueltos.
Hidrogenación.
Los alquenos reaccionan con el hidrógeno de manera exotérmica (generando calor) , pero esta reacción no es espontánea en condiciones normales. La adición de un catalizador adecuado permite iniciar la reacción en condiciones razonables de temperatura (20 -150°C).
Esta reacción de hidrogenación (figura 3) permite obtener alcanos partiendo de alquenos lo que es, de hecho, una de las formas de sintetizarlos en el laboratorio.
Figura 3
Adición de halógenos
Cuando un alqueno entra en contacto en condiciones normales con cloro o bromo, un átomo de halógeno se agrega rápidamente al doble enlace carbono-carbono para formar un compuesto di-halogenado. Esta reacción (figura4) se conoce como halogenación por adicción para diferenciarla de la halogenación pura que es por sustitución.
Figura 4
Si la halogenación por adición se realiza en un medio que contiene sales inorgánicas tales como el cloruro o nitrato de sodio (NaCl 2, NaNO 3), tanto el anión cloro - como el NO 3- de las sales, pueden adicionarse a los enlaces dobles rotos y formar parte del producto final. Esta participación de los aniones salinos no se produce en ausencia de halógenos.
Adición de haluros de hidrógeno.
Cuando se burbujea cloruro, bromuro o yoduro de hidrógeno en un alqueno, se produce la reacción de adición, y ambos componentes del haluro correspondiente encuentran un lugar en el producto final. Este proceso se conoce como hidrohalogenación.
Adición de Ácido sulfúrico
Cuando se agrega ácido sulfúrico a un alqueno, se produce un efecto en el que pareciera que el alqueno se disuelve en el ácido, pero en realidad lo que sucede es que el ácido sulfúrico se agrega al doble enlace del alqueno para producir un sulfato alquílico hidrogenado. El producto de la reacción es soluble en el ácido, por eso da la impresión de que el alqueno se ha disuleto.
Hidroxilación
La adición hipotética de los elementos del peróxido de hidrógeno, HO-OH, al doble enlace del alqueno se llama hidroxilación.
Figura 5. Hidroxilación de los alquenos.
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El producto de estas reacciones son los alcoholes dihidróxicos o glicoles, productos de mucha utilización como disolventes, anti-congelantes y otras muchas aplicaciones.
El peróxido de hidrógeno por si mismo no se agrega a los alquenos como se muestra, pero el proceso general se desarrolla en presencia de ciertos agentes, como el permanganato de potasio.
Oxidación
En contraste con los alcanos que son inertes a agente oxidantes, los alquenos son fácilmente oxidados por el permanganato depotasio (KMnO4) o el trióxido de cromo (CrO3), es común que los alquenos al interactuar con estos agentes se conviertan en productos que ya no pueden sufrir una oxidación posterior.
La naturaleza de esos productos de oxidación depende en mucho de la estructura de los compuestos originales sujetos a la oxidación, como puede verse en los siguientes ejemplos:
| (O) |
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| R-CH=CH2 | -------------> | RCOOH | + | CO2 |
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| ácido carboxílico | + | CO2 |
| R |
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| R |
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| \ |
| (O) |
| \ |
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| C=H2 | -------------> |
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| C=O + CO2 |
| / |
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| / |
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| R |
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| R |
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| cetona + CO2 |
Polimerización
Un polímero es una molécula de alto peso molecular producto del enlace de muchas unidades idénticas de estructura mas simple. El proceso de formación de polímeros se conoce como polimerización. La unidad estructural básica del polímero se llama monómero.
Los alquenos son susceptibles a polimerizarse bajo la influencia de ciertos catalizadores que inducen un proceso de adición de unos a otros indefinidamente. Estos polímeros se denominan polialquenos.
Si el etileno se calienta a 100°C y presiones superiores a 15,000 psi en presencia de algo de oxígeno (0.01%), este se polimeriza en un material de carácter ceroso que se llama polietileno.
| 100°, 15,000 psi |
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| nCH2=CH2 | ----------------------------> | (-CH2-CH2-)n | (n=600-1000) |
| 0.01% O2 |
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El polietileno encuentra múltiples usos en la industria y la vida doméstica, como aisladores, botellas, juguetes etc.
No solo el etileno puede polimerizarse, otros monómeros mas complejos también, dando lugar a un enorme campo industrial que cada día se desarrolla mas.
Dienos y polienos
La química de los dienos y polienos es compleja y llena de particularidades por lo que sale del interés de este artículo.
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