Estructura molecular y naturaleza del doble enlace
El comportamiento químico de los hidrocarburos insaturados se basa en su estructura electrónica única. El término «insaturados» indica que, con un esqueleto carbonado similar, estas sustancias contienen menos átomos de hidrógeno que los alcanos saturados. El elemento estructural central de la molécula es el doble enlace ($C=C$).
Este enlace tiene una naturaleza compleja y se compone de dos interacciones diferentes:
- Enlace $\sigma$ (enlace sigma). Se forma mediante el solapamiento axial directo de un par de orbitales sp² hibridados. A este enlace le corresponde la mayor parte de la energía de interacción: aproximadamente 347 kJ/mol.
- Enlace $\pi$ (enlace pi). Surge debido al solapamiento lateral de un par de orbitales p no hibridados. Este enlace es algo más débil (alrededor de 259 kJ/mol), pero es precisamente el que determina la especificidad de toda la clase.
Todas las valencias de los átomos de carbono que quedan libres se saturan ya sea con átomos de hidrógeno o con sustituyentes hidrocarbonados (radicales). La energía total elevada del doble enlace aproxima a los átomos de carbono, por lo que la distancia entre ellos es notablemente menor que en el caso de un enlace simple.
Actividad química y reacciones características
A pesar de que el doble enlace posee objetivamente una gran solidez, es precisamente este enlace el que actúa como el centro de reacción principal de los alquenos. El papel clave en esta paradoja lo desempeña la arquitectura del enlace $\pi$.
El par electrónico que forma el enlace $\pi$ se distribuye en el espacio en forma de una nube difusa que se encuentra notablemente alejada de los núcleos de los átomos de carbono. Dicha nube se distingue por una movilidad excepcional. Es sumamente sensible a la acción de factores externos, ya sea la influencia de los átomos vecinos en la propia molécula o la aproximación de partículas atacantes. Bajo la acción de estos agentes, la nube $\pi$ se desplaza fácilmente hacia uno de los átomos de carbono, provocando la interacción química.
Para la identificación en laboratorio del doble enlace se emplea una reacción característica fiable:
- La sustancia en estudio entra en contacto con agua de bromo, una disolución de bromo ($Br_2$) que inicialmente presenta un color amarillo pronunciado.
- Si hay presencia de alqueno en la muestra, la disolución se decolora rápidamente.
- Los alcanos gaseosos en condiciones similares no reaccionan y el color del reactivo se mantiene inalterado.
Serie homóloga y nomenclatura
Los alquenos forman su propia serie homóloga, que comienza con los representantes gaseosos más sencillos. En cualquier problema de cálculo de la composición elemental se debe tomar como base la relación de átomos de carbono e hidrógeno de $1:2$.
Los primeros representantes de la serie:
- Eteno (etileno) — $C_2H_4$.
- Propeno (propileno) — $C_3H_6$.
- Buteno (butileno) — $C_4H_8$.
- Penteno — $C_5H_{10}$.
Al escindirse un átomo de hidrógeno de la molécula de un alqueno, se forman radicales insaturados que se encuentran con frecuencia en las estructuras de moléculas bioorgánicas. Los más importantes entre ellos son el vinilo ($CH_2=CH-$) y el alilo ($CH_2=CH-CH_2-$).
Isomería de los alquenos: de la estructura al espacio
La aparición del enlace múltiple enriquece esta clase de compuestos con nuevos tipos de isomería ausentes en los hidrocarburos saturados. En primer lugar, se encuentra la isomería de posición del doble enlace. En segundo lugar, los alquenos presentan isomería espacial o cis-trans.
La causa de la isomería espacial es la geometría particular del enlace $\pi$, que fija cuatro sustituyentes en los átomos $C=C$ en un mismo plano e impide la libre rotación alrededor del eje carbono-carbono. Un requisito indispensable para la existencia de tales isómeros es la presencia de dos pares de sustituyentes diferentes en los carbonos del doble enlace.
Se distinguen dos tipos principales de isómeros:
- Isómero trans: los sustituyentes iguales (o de mayor prioridad) se encuentran en diagonal el uno respecto del otro.
- Isómero cis: los sustituyentes se encuentran adyacentes (en el mismo lado del plano del doble enlace).
El eteno y el propeno no tienen isómeros, pero el buteno ($C_4H_8$) muestra ambos tipos de isomería, y la estructura afecta directamente al punto de ebullición ($t_{eb}$):
- But-1-eno ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$): $t_{eb} = -6,26\ ^\circ C$.
- Trans-but-2-eno: $t_{eb} = 3,71\ ^\circ C$.
- Cis-but-2-eno: $t_{eb} = 0,88\ ^\circ C$.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Cuáles son las reglas y mecanismos de la adición electrófila a los alquenos según la regla de Markovnikov?
La regla de Markovnikov determina que al adicionar haluros de hidrógeno y agua a alquenos asimétricos, el hidrógeno se une preferentemente al átomo de carbono más hidrogenado. La excepción la constituyen los derivados con grupos atrayentes de electrones, donde la reacción transcurre en contra de la regla.
El mecanismo de adición electrófila transcurre por vía iónica en dos etapas:
- Ataque electrófilo: un protón ($H^+$) ataca el sistema $\pi$ del doble enlace, lo que da lugar a la formación de una partícula intermedia (carbocatión).
- Ataque nucleófilo: un ion con carga negativa (halógeno, hidroxilo) se une al carbono cargado positivamente del carbocatión.
¿Qué métodos de obtención de alquenos se emplean en la práctica de laboratorio?
Para obtener alquenos se emplean reacciones de eliminación, que incluyen la deshidratación intramolecular de alcoholes y la deshidrohalogenación.
- Deshidratación intramolecular: escisión de agua de un alcohol aislado mediante calentamiento (a unos $150^\circ C$) en mezcla con ácido sulfúrico ($H_2SO_4$). Como resultado se forma un alqueno (por ejemplo, etileno a partir de etanol).
- Deshidrohalogenación: obtención de un alqueno mediante la escisión de un haluro de hidrógeno a partir de un monohalogenoderivado de alcano por la acción de una disolución alcohólica de base fuerte ($NaOH$).
Para memorizar la isomería espacial: el prefijo «cis-» recuerda a la letra «C»: los sustituyentes están **C**oncentrados en un **C**onsiderado mismo lado. «Trans-» (como transatlántico) significa que se encuentran en lados opuestos (en diagonal).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué se llama a los alquenos hidrocarburos insaturados?
Debido a la presencia del doble enlace en la molécula, contienen una cantidad menor de átomos de hidrógeno en comparación con los alcanos que poseen el mismo esqueleto carbonado.
¿Cuál es el centro de reacción principal de los alquenos?
El centro principal de actividad química es el doble enlace, concretamente su nube de electrones pi, sensible y móvil.
¿Cómo se puede distinguir el eteno del etano usando agua de bromo?
El eteno insaturado participará en la reacción característica con agua de bromo y decolorará su disolución amarilla, mientras que el etano saturado no reaccionará con ella.
¿Por qué el eteno y el propeno no presentan isomería cis-trans?
Para la existencia de isómeros espaciales es necesario que cada átomo de carbono del doble enlace tenga dos sustituyentes diferentes, lo cual no se cumple en los primeros miembros de la serie homóloga.
Qué más repasar sobre el tema
- Aplicación del sistema de nomenclatura E/Z en presencia de 3 o 4 sustituyentes diferentes
- Reglas para la construcción de fórmulas estructurales para los isómeros del penteno (C5H10)
- Influencia de los sustituyentes en el desplazamiento de la nube de electrones pi en la molécula
- Isomería del esqueleto carbonado de los hidrocarburos insaturados
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