Obtención de alcanos

Fuentes industriales y síntesis

La obtención industrial está orientada a la producción de grandes volúmenes de hidrocarburos. Por regla general, el resultado no son sustancias puras, sino mezclas de estas (fracciones).

• Procesamiento del petróleo. El petróleo actúa como una fuente prácticamente inagotable de alcanos. El principal proceso tecnológico aquí es la rectificación (destilación fraccionada). Es extremadamente difícil separar el petróleo en moléculas individuales absolutamente puras, por lo que se divide en fracciones por intervalos de temperatura.
• Hidrogenación del carbón. En condiciones drásticas (temperatura de unos $450^\circ C$ y una presión colosal de $300\ \text{atm}$), se obtiene a partir del carbón la denominada gasolina sintética, una mezcla de alcanos. Sin embargo, económicamente este método sigue siendo inferior al refino de petróleo.
• Uso de gas de síntesis. Una mezcla de monóxido de carbono y hidrógeno ($CO + H_2$) permite sintetizar diferentes productos según el catalizador. Si se emplea níquel ($Ni$) y calentamiento a $300^\circ C$, se forma metano:

$$CO + 3H_2 \xrightarrow{Ni, 300^\circ C} CH_4 + H_2O$$ Si se utilizan catalizadores de cobalto ($Co$), se sintetiza una mezcla compleja de alcanos y cicloalcanos.

Métodos de laboratorio: diseño de cadenas

En el laboratorio, es importante para los químicos obtener un alcano específico y químicamente puro. Para ello, se emplean reacciones con nombre propio que permiten controlar la longitud del esqueleto carbonado.

1. Reacción de Wurtz (alargamiento de cadena) La esencia del método radica en la interacción de halogenoalcanos con metales alcalinos activos, más comúnmente sodio o potasio. La reacción transcurre mediante un mecanismo de radicales libres:

1. El metal extrae el halógeno, formando un radical libre: $R-CH_2Br + Na \rightarrow R-CH_2\bullet + NaBr$
2. Dos radicales formados recombinan (se unen), duplicando la cadena: $2R-CH_2\bullet \rightarrow R-CH_2-CH_2-R$

Matiz importante: si se toma una mezcla de dos halogenoalcanos diferentes (por ejemplo, 1-bromopropano y 2-bromopropano), los radicales se encontrarán de forma caótica. Como resultado, se obtendrá una mezcla de tres hidrocarburos diferentes a la vez (en este ejemplo: hexano, 2,3-dimetilbutano y 2-metilpentano).

2. Reacción de Dumas (acortamiento de cadena) Es un proceso de descarboxilación. Si se toma la sal de sodio de un ácido carboxílico y se funde con un álcali a $300^\circ C$, el grupo carboxilo se desprenderá de la molécula. La cadena carbonada se volverá así un átomo más corta. Por ejemplo, a partir de propionato de sodio se obtiene etano: $$C_2H_5COONa + NaOH \xrightarrow{300^\circ C} C_2H_6\uparrow + Na_2CO_3$$

3. Electrólisis de Kolbe Bajo la influencia de una corriente eléctrica, una solución acuosa de la sal de un ácido carboxílico también experimenta descarboxilación, pero los radicales restantes se acoplan entre sí (se duplican). El alcano diana y el dióxido de carbono se liberan en el ánodo, mientras que en el cátodo se forman hidrógeno y un álcali.

Síntesis específicas y reducción

Además de manipular el esqueleto carbonado, los alcanos se pueden obtener mediante la saturación de otras clases de compuestos con hidrógeno.

• Obtención de metano por hidrólisis. En el laboratorio, es conveniente obtener metano mediante la descomposición de carburo de aluminio con agua. Se forma metano gaseoso y un precipitado de hidróxido de aluminio:

$$Al_4C_3 + 12H_2O = 3CH_4\uparrow + 4Al(OH)_3\downarrow$$

• Hidrogenación de alquenos. La adición de hidrógeno molecular a hidrocarburos insaturados ocurre en presencia de un catalizador de níquel, convirtiendo el enlace doble en simple.
• Reducción de halogenoalcanos. El halógeno de la molécula se puede sustituir por hidrógeno. Esto se realiza ya sea con hidrógeno gaseoso sobre un catalizador de níquel, o utilizando un agente reductor fuerte como el yoduro de hidrógeno ($HI$), liberándose simultáneamente yodo libre ($I_2$).

En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Mecanismo de sustitución por radicales libres y recombinación
• Productos de acoplamiento cruzado en la reacción de Wurtz con ejemplos específicos
• Especificidad del funcionamiento de los catalizadores de cobalto y níquel con el gas de síntesis
• El papel del yoduro de hidrógeno como agente reductor en química orgánica

Otros temas de la sección «Capítulo 15. Hidrocarburos»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.