Hidrocarburos parafínicos

Las series homólogas en los hidrocarburos parafínicos

Recordemos que se llama parafinas o hidrocarburos saturados a aquellos que se caracterizan por presentar exclusivamente enlaces simples carbono-carbono.

El nombre de parafinas (que hace referencia a su «pereza a reaccionar» [parum: poco, affinis: afinidad], se dio inicialmente a estos compuestos al observar que prácticamente no reaccionaban con los reaccionantes más corrientes: ácidos y bases fuertes o  notables agentes oxidantes como el permanganato potásico (MnO4K). Sin embargo,   las parafinas son capaces de reaccionar en condiciones experimentales apropiadas.

Tosas las parafinas  responden a la fórmula general  CnH2n+2,   por ejemplo, las fórmulas de las parafinas más sencillas serían:

Para n=1:  CH4    (metano)
Para n=2:  C2H6   (etano)
Para n=3:  C3H8   (propano)

Al considerar las fórmulas estructurales de estos compuestos se comprueba que dentro de la misma serie homóloga, cada uno de ellos se diferencia del inmediato superior y del inmediato inferior en un grupo —CH2 (grupo metileno).

Así por ejemplo: propano y butano:

fn3ano.gif (424 bytes)       fnbutano.gif (1346 bytes)
propano (C3H8) butano (C4H10)

pertenecen a la misma serie homóloga. Sin embargo: propano e isobutano:

fn3ano.gif (424 bytes)          fibutano.gif (1372 bytes)
propano (C3H8) isobutano (C4H10)

no pertenecen a la misma serie homóloga.

Nomenclatura de los hidrocarburos parafínicos

La nomenclatura de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), para los hidrocarburos parafínicos dicta las normas siguientes:

a) Los hidrocarburos parafínicos se nombran combinando un prefijo con el sufijo -ano, que identifica al compuesto como hidrocarburo parafínico.

b) Los cuatro primeros prefijos: met-,  et-, prop-, but-, son de origen histórico.

c) El resto de los prefijos proceden de los numerales griegos e indican el número de átomos de carbono contenido en la molécula.

Por ejemplo: C6H14 (ex-ano),  C20H42 (icos-ano), etc.

Sin embargo las reglas antedichas sólo nos sirven para nombrar a las parafinas de cadena lineal, es decir, que no tienen átomos de carbono en cadenas laterales.

El procedimiento que abarca a todas las parafinas de cadena abierta es el siguiente:

(a) Los hidrocarburos de cadena abierta no ramificada van precedidos del prefijo n- antes del nombre.

(b) De la parafina que deseamos nombrar tomamos la cadena lineal más larga posible: es la cadena principal. El resto de los grupos ligados a la cadena principal se llaman cadenas laterales o sustituyentes. Si son dos iguales las cadenas más largas, se elige la más sustituida.

(c) Se numera la cadena principal de uno a otro extremo, de modo que correspondan los números más bajos posibles a las cadenas laterales, independientemente de la naturaleza de los sustituyentes.

(d) Las cadenas laterales se nombran por orden alfabético. Cada nombre se antecede por el número que indica la posición del átomo de carbono de la cadena principal a que está unida (un número por cada vez que aparezca) y un prefijo numérico (di-, tri-, tetra-, penta-, etc.) que indica su multiplicidad.

(e) En último lugar se nombra la parafina a la que corresponde la cadena principal.

(f) En el caso de que algunas de las cadenas laterales estén constituidas por grupos complejos, la multiplicidad de los mismos se indica con los prefijos bis, tris, tetrakis o tetraquis, pentakis o pentaquis, etc., en vez de di, tri, tetra, penta, etc.

Radicales alquílicos

Cuando se separa un átomo de hidrógeno de una parafina resulta un radical alquílico. En estado libre se denominan radicales libres y por tener un electrón desapareado son muy reactivos y su vida libre es muy corta (menos de 0.001 segundos). Se les nombra cambiando por -ilo la terminación -ano de la parafina de que provienen. Veamos algunos ejemplos:

RadicalParafina originaria   Nombre radical
—CH3MetanoMetilo
—CH2—CH3EtanoEtilo
—CH2—CH2—CH3 PropanoPropilo

Los radicales alquílicos se suelen representar, en general, por la letra —R. De esta forma podemos representar por ejemplo a un hidrocarburo parafínico mediante:

R—H  y  R—CH3

Isomería en las parafinas

Si formamos cadenas carbonadas con enlaces simples carbono-carbono de modo que intentemos dar con todas y cada una de las formas posibles para las distintas fórmulas que resultan al dar valores a n en la expresión CnH2n+2, veremos que para n = 1, 2, 3, la solución es única.

fn3ano.gif (424 bytes)      fetano.gif (1110 bytes)    fn3ano.gif (424 bytes)  
metano (CH4) etano (C2H6) propano (C3H8)

Sin embargo para n = 4, tenemos dos disposiciones posibles:

  fnbutano.gif (1346 bytes)   fibutano.gif (1372 bytes)
butano (C4H10) butano (C4H10)

Ambas  fórmulas son de butano (C4H10), pero corresponden a sustancias distintas, pues la estructura de las respectivas moléculas es diferente. A la primera sustancia como antes hemos indicado se le debe denominar: n-butano, y a la segunda: 2 metil propano o isobutano.

Dentro de un grupo de isómeros se suele asignar el prefijo iso al que sólo difiere del de cadena no ramificada por tener como único sustituyente un grupo metilo (—CH3) en el carbono 2 de la cadena.

El número de isómeros posibles crece enormemente al aumentar el número de carbonos de la cadena, sin embargo se trata únicamente de posibilidades teóricas. En la práctica sólo se ha conseguido preparar un pequeño número de los posibles isómeros con más de diez átomos de carbono (75 isómeros teóricos).

Propiedades físicas de las parafinas

Todas las parafinas son incoloras, «huelen a petróleo» y son insolubles en agua (debido a su marcado carácter no polar). Los cuatro primeros miembros de la serie homóloga n-parafinas son gases, desde el n-pentano hasta el n-hexadecano líquidos, y del n-heptadecano en adelante sólidos.

Esta serie homóloga presenta también las siguientes características:

Estas tres propiedades no son características sólo de la serie n-parafinas sino que son generales para las distintas series de alcanos.

Los puntos de fusión y los puntos de ebullición dentro de un grupo de parafinas isómeras disminuyen al aumentar la ramificación. El efecto es más intenso en los puntos de fusión que en los de ebullición, ya que cada cadena lateral dificulta mucho la orientación de las moléculas en una red cristalina.

Reacciones de los hidrocarburos parafínicos

Veamos algunos de los procesos más característicos de entre los que sufren las parafinas:

a) Oxidación

A temperatura ordinaria, los oxidantes usuales (oxígeno, ozono, permanganato potásico, óxido de plata, dicromato potásico, etc.) prácticamente no atacan a las parafinas o lo hacen muy lentamente. Aunque no siempre el proceso es directo, los productos finales de la oxidación de todos los hidrocarburos son dióxido de carbono y agua.

Cuando las parafinas se oxidan rápidamente a elevada temperatura bajo la acción del aire entran en combustión y se dice que arden. La combustión no siempre es completa sino que depende de la cantidad de aire que interviene.

b) Isomerización

Las parafinas en presencia de cloruro o bromuro de aluminio (como catalizador) y a una temperatura de 100 a 200 °C sufren un proceso de isomerización generalmente muy complejo, en el que se llega a una situación de equilibrio en la que coexisten varios de los isómeros posibles.

Un ejemplo sencillo sería el de isomerización del n-butano:

fnbutano.gif (1346 bytes)  (Cl3Al)
flecheql.gif (145 bytes)
200 ºC
  fibutano.gif (1372 bytes)

c) Descomposición pirolítica

Consiste en la descomposición de una sustancia por la acción del calor.

Puede ocurrir que esta descomposición pirolítica de parafinas sea deseable, como ocurre en la industria del petróleo. En este caso el proceso recibe el nombre de cracking o craqueo.

Dependiendo de las condiciones de la reacción se obtienen distintos productos (según por donde se rompa la molécula).

d) Halogenación

El cloro y el bromo (el iodo no reacciona si no es en presencia de oxidantes), reaccionan con las parafinas sustituyendo átomos de hidrógeno por átomos de halógeno. La reacción con el flúor se produce con efecto violento.

Tanto el cloro como el bromo precisan del concurso de luz ultravioleta o de calor para que la reacción tenga lugar. El resultado de la reacción es una mezcla compleja de productos. Por ejemplo, la cloración del metano:

CH+  Cl2 luz o calor
flechab0.gif (130 bytes)
ClH   +   CH3Cl
clorometano

la reacción no se detiene aquí, y el proceso de cloración continúa, obteniéndose los siguientes productos:

CH2Cl2 :diclorometano
CHCl3 :triclorometano (cloroformo)
CCl4 : tetraclorometano (tetracloruro de carbono)

En el caso de parafinas superiores se observa que el hidrógeno unido a carbono terciario es el más rápidamente sustituido; le siguen los unidos a carbono secundario, mientras que los átomos de hidrógeno unidos a carbono primario son los últimos en ser sustituidos.

e) Nitración

El ácido nítrico concentrado en fase de vapor o el ácido nítrico diluido en fase líquida actúan a elevadas temperaturas produciendo en las parafinas la sustitución de un átomo de hidrógeno por un grupo nitro (—NO2). Normalmente sólo se introduce un grupo nitro por molécula de parafina.

R—H  +  HONO2   flechab0.gif (130 bytes)R—NO2    +   H2O
nitroparafina

Obtención de parafinas

Los hidrocarburos saturados que se consumen en la industria se obtienen generalmente a partir de gas natural o del petróleo, del que pueden separarse mediante cuidadosas destilaciones fraccionadas. No obstante, existen numerosos métodos de laboratorio para la obtención de alcanos:

a) Hidrogenación de hidrocarburos no saturados

Tanto los alquenos como los alquinos pueden adicionar hidrógeno en presencia de catalizadores de platino, paladio o níquel, para formar el alcano con el mismo esqueleto carbonado.

CH3—CH=CH2   +  Hflechab0.gif (130 bytes)CH3—CH2—CH3

 

b) Reducción de halogenuros de alquilo

Consiste en la reducción de un halogenuro de alquilo (preferentemente un ioduro) por medio de ioduro de hidrógeno según el proceso:

R—I  +  IH   flechab0.gif (130 bytes)  I2  +   R—H

c) Síntesis de Wurtz

Consiste en hacer reaccionar un halogenuro de alquilo (bromuro o ioduro) con sodio metálico:

CH3I  +  Na
CH3
I  +  Na 
flechab0.gif (130 bytes)2 INa    +   CH3—CH3

En general, a partir de un halogenuro de alquilo con n átomos de carbono, se obtiene una parafina con 2n átomos de carbono.

d) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Los  reactivos de Grignard, llamados corrientemente magnesianos, son compuestos del tipo:

R—Mg—X

que se hidrolizan fácilmente para dar el alcano correspondiente al radical alquílico R.

CH3—(CH2)2—Mg—Br + H2OCH3—CH2—CH3 + Br—Mg—OH
bromuro de propilmagnesiopropano