Tema 5: Hidrocarburs

Què són els Hidrocarburs?

Els hidrocarburs són compostos orgànics formats únicament per carboni (C) i hidrogen (H). Són la base de molts combustibles fòssils i materials petroquímics. La seva fórmula general és CₙHₓ.

Classificació dels hidrocarburs:

• Alifàtics: Cadenes obertes o cícliques

- Alcans (CₙH₂ₙ₊₂): Només enllaços simples C-C

- Alquens (CₙH₂ₙ): Contenen almenys un doble enllaç C=C

- Alquins (CₙH₂ₙ₋₂): Contenen almenys un triple enllaç C≡C

• Aromàtics: Anells amb electrons deslocalitzats (benzè i derivats)

1. Alcans (CₙH₂ₙ₊₂)

Els alcans són hidrocarburs saturats que només contenen enllaços simples σ entre els àtoms de carboni. També s'anomenen parafines. Són compostos poc reactius però molt importants com a combustibles.

Tipus d'Alcans segons l'Estructura

Alcans lineals: Cadena contínua sense ramificacions

Exempel: n-Pentà (C₅H₁₂)
CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

Alcans ramificats: Tenen cadenes secundàries (ramificacions)

Exemple: 2-Metilbutà (C₅H₁₂)
      CH₃
       │
CH₃-CH-CH₂-CH₃

Cicloalcans: Formen cicles o anells

Exemple: Ciclopentà (C₅H₁₀)
    CH₂─CH₂
   ╱       ╲
 CH₂       CH₂
   ╲       ╱
    CH₂─CH₂

Propietats Físiques dels Alcans

Els alcans són compostos essencialment apolars amb enllaços C-C i C-H poc polars. Això determina les seves propietats físiques:

• Punts de fusió i ebullició baixos (augmenten amb la mida molecular)

• Insolubles en aigua (no formen ponts d'hidrogen)

• Solubles en dissolvents apolars (com benzè, hexà)

• Densitat < 1 g/cm³ (suren a l'aigua)

• No conductors de l'electricitat

Tendències en punts d'ebullició:
Metà (CH₄): -162°C
Età (C₂H₆): -89°C
Propà (C₃H₈): -42°C
Butà (C₄H₁₀): -0,5°C
Pentà (C₅H₁₂): 36°C

Els alcans ramificats tenen punts d'ebullició MÉS BAIXOS que els lineals
n-Pentà: 36°C > Isopentà: 28°C > Neopentà: 9,5°C

Isomeria Conformacional dels Alcans

Els enllaços simples σ C-C permeten rotació lliure (360°), generant diferents conformacions amb diferent energia. Les conformacions són la mateixa molècula en diferents orientacions espacials.

Conformacions de l'età (CH₃-CH₃):

• Alternada (staggered): Hidrogens el més separats possible - MÉS ESTABLE

• Eclipsada: Hidrogens alineats - MENYS ESTABLE (més repulsió)

Barrera de rotació: ~12 kJ/mol

n-Butà (CH₃-CH₂-CH₂-CH₃) - Rotació C₂-C₃:

Conformacions ordenades per estabilitat (de més a menys estable):
1. Anti (alternada anti): Grups CH₃ a 180° - MÉS ESTABLE
2. Gauche (alternada gauche): Grups CH₃ a 60°
3. Eclipsades: Grups alineats - MENYS ESTABLES

Interaccions: CH₃/CH₃ > H/CH₃ > H/H
(més gran = més repulsió = menys estable)

Reactivitat dels Alcans

Els alcans són compostos poc reactius (parafines = poca afinitat) però poden experimentar dues reaccions principals:

1. Halogenació radicalària

Substitució d'H per halògens (Cl₂, Br₂) amb llum UV o calor

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (clorometà)
      UV

Mecanisme radicalari:
Iniciació: Cl₂ → 2 Cl•
Propagació: CH₄ + Cl• → CH₃• + HCl
           CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•
Terminació: Cl• + Cl• → Cl₂ (o altres combinacions)

2. Combustió

Reacció amb O₂ produint CO₂, H₂O i molta energia (reacció exotèrmica)

Combustió completa del metà:
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + 890 kJ

Estequiometria general per alcans:
CₙH₂ₙ₊₂ + (3n+1)/2 O₂ → n CO₂ + (n+1) H₂O

Calors de combustió (kJ/kg):
Metà: 55600 | Hexà: 48000 | Gasoil: 44800

2. Alquens (CₙH₂ₙ)

Els alquens són hidrocarburs insaturats que contenen almenys un doble enllaç C=C. També s'anomenen olefines. Són molt més reactius que els alcans degut a la presència de l'enllaç π.

Propietats del Doble Enllaç C=C

• Estructura: 1 enllaç σ (sp²-sp²) + 1 enllaç π (p-p)

• Longitud d'enllaç: 0,134 nm (més curt que C-C simple: 0,154 nm)

• Energia d'enllaç: 590 kJ/mol (més fort que C-C simple)

• Geometria: Planar (tots els àtoms en el mateix pla)

• Angles: 120° (hibridació sp²)

• Rotació: NO HI HA rotació lliure (l'enllaç π la impedeix)

Isomeria Geomètrica en Alquens (cis-trans o E/Z)

La manca de rotació al voltant del doble enllaç permet l'existència d'isòmers geomètrics. Són molècules diferents amb propietats diferents.

Nomenclatura cis/trans: Quan hi ha dos grups iguals

2-Butè (C₄H₈):

cis-2-butè:         CH₃    CH₃      Trans-2-butè:    CH₃    H
                       ╲  ╱                             ╲  ╱
                        C═C                              C═C
                       ╱  ╲                             ╱  ╲
                      H    H                           H    CH₃

cis: grups iguals al mateix costat
trans: grups iguals a costats oposats

P.eb: cis-2-butè (3,7°C) > trans-2-butè (0,9°C)

Nomenclatura E/Z: Sistema general (prioritat per Z atòmic)

1. Assignar prioritats (1 i 2) a cada carboni del doble enllaç

2. Major Z atòmic = prioritat 1

3. Si prioritats 1 estan al mateix costat → Z (zusammen = junts)

4. Si prioritats 1 estan a costats oposats → E (entgegen = oposats)

Reaccions d'Addició en Alquens

La reacció característica dels alquens és l'addició electròfila. L'enllaç π (ric en electrons) actua com a nucleòfil atacant electròfils.

Mecanisme general:

      δ⁺   δ⁻
C═C + A-B → C-C
             │ │
             A B

L'enllaç π es trenca, es forma un carbocatió intermedi,
i després l'anió ataca per formar el producte

1. Hidrogenació: Addició de H₂ (amb catalitzador Pd, Pt o Ni)

C═C + H₂ →[Pd/Pt] CH-CH

Exemple: C₂H₄ + H₂ →[Pt] C₂H₆
         Etilè      Età

2. Halogenació: Addició de X₂ (Cl₂, Br₂)

C═C + Br₂ → CBr-CBr

Exemple: CH₂=CH-CH₃ + Br₂ → CH₂Br-CHBr-CH₃
         Propè               1,2-Dibromopropà

Test de Baeyer: el Br₂ (marró) es descoloreix amb alquens

3. Hidrohalogenació: Addició de HX (HCl, HBr, HI)

C═C + HX → CH-CX

REGLA DE MARKOVNIKOV:
L'hidrogen s'addiciona al carboni del doble enllaç
que té MÉS hidrògens

Exemple: CH₂=CH-CH₃ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃
                                2-Cloropropà (producte majoritari)
                            NO → CH₂Cl-CH₂-CH₃ (minoritari)

4. Hidratació: Addició de H₂O (amb catalitzador àcid H₂SO₄)

C═C + H₂O →[H⁺] CH-COH  (alcohol)

Segueix la regla de Markovnikov

Exemple: CH₂=CH-CH₃ + H₂O →[H⁺] CH₃-CHOH-CH₃
         Propè                    2-Propanol (alcohol secundari)

3. Alquins (CₙH₂ₙ₋₂)

Els alquins són hidrocarburs insaturats que contenen almenys un triple enllaç C≡C. Són encara més insaturats i reactius que els alquens.

Propietats del Triple Enllaç C≡C

• Estructura: 1 enllaç σ (sp-sp) + 2 enllaços π (p-p perpendiculars)

• Longitud d'enllaç: 0,120 nm (més curt que C=C)

• Energia d'enllaç: 962 kJ/mol (més fort que C=C)

• Geometria: Lineal (angle de 180°)

• Hibridació: sp (carbonis del triple enllaç)

• Reactivitat: Molt reactius, donen addicions

Reaccions d'Addició en Alquins

Els alquins experimenten addicions similars als alquens, però poden addicionar dos equivalents del reactiu (addició 1,2).

1. Hidrogenació completa:

R-C≡C-R' + 2 H₂ →[Pd/Pt] R-CH₂-CH₂-R'
                          Alcà

Exemple: HC≡CH + 2 H₂ →[Pt] CH₃-CH₃
         Acetilè           Età

2. Halogenació:

Addició d'1 equivalent (equimolar):
R-C≡C-R' + X₂ → R-CX=CX-R' (dihaloalquè)

Addició en excés:
R-C≡C-R' + 2 X₂ → R-CX₂-CX₂-R' (tetrahaloalcà)

3. Hidrohalogenació:

Primer HX (segueix Markovnikov):
R-C≡C-H + HBr → R-CBr=CH₂ (halur d'alquenil)

Segon HX en excés (també Markovnikov):
R-CBr=CH₂ + HBr → R-CBr₂-CH₃ (dihaloalcà)

4. Hidratació (Formació de cetones):

R-C≡C-R' + H₂O →[H₂SO₄/HgSO₄] R-C-CH₂-R'
                                            ║
                                            O
                                         (cetona)

Mecanisme: Addició Markovnikov → Enol → Tautomerisme ceto-enòlic

         OH                O
         │                 ║
R-C=CH-R'  ⇌  R-C-CH₂-R'
   Enol      ⟶  Cetona
(inestable)   (estable)

Exemple: HC≡CH + H₂O →[H⁺] CH₃-CHO (etanal, aldehid)
         (acetilè és l'únic que dóna aldehid)

4. Hidrocarburs Aromàtics

Els compostos aromàtics són hidrocarburs cíclics amb electrons π deslocalitzats que confereixen una estabilitat especial. El benzè (C₆H₆) és el compost aromàtic més simple i important.

Estructura del Benzè

Característiques del benzè:

• Anell hexagonal pla amb 6 carbonis sp²

• 6 electrons π deslocalitzats per tot l'anell

• Tots els enllaços C-C iguals (0,140 nm, intermedi entre simple i doble)

• Tots els angles C-C-C són 120°

• Ressonància: híbrid de dues estructures de Kekulé

• Gran estabilitat (energia de ressonància: 150 kJ/mol)

Representacions del benzè:

Estructures de Kekulé:         Símbol simplificat:
    H           H
     ╲         ╱                        ◯
      C═══════C                         │
     ╱    ╲   ╲         ↔               │
    C      C═══C                   (cercle dins hexàgon)
     ╲    ╱   ╱                         │
      C═══════C
     ╱         ╲
    H           H

Realitat: 6 electrons π deslocalitzats uniformement

Nomenclatura de Derivats del Benzè

Monosubstituïts: Nom del substituent + benzè

C₆H₅-Cl: Clorobenzè
C₆H₅-CH₃: Metilbenzè (Toluè)
C₆H₅-NO₂: Nitrobenzè

Disubstituïts: Sistema orto/meta/para o numeració

orto (o-): Posicions 1,2 (adjacents)
meta (m-): Posicions 1,3
para (p-): Posicions 1,4 (oposades)

Exemple: 1,2-dimetilbenzè = orto-dimetilbenzè (o-xilè)

Noms especials:

• C₆H₅OH: Fenol (no hidroxibenzè)

• C₆H₅NH₂: Anilina (no aminobenzè)

• C₆H₅COOH: Àcid benzoic

• C₆H₅-: Grup fenil (com a substituent)

Propietats Físiques dels Aromàtics

• Apolars (però més polaritzables que alcans)

• P.eb. més alts que alcans equivalents (interaccions π-π)

• Insolubles en aigua, solubles en dissolvents orgànics

• Benzè: líquid incolor, P.eb. 80°C, P.f. 5,5°C

• Olor característica (d'on ve el nom "aromàtic")

5. Derivats Halogenats

Els derivats halogenats són compostos orgànics que contenen halògens (F, Cl, Br, I) units covalentment al carboni.

Propietats Físiques

• Enllaç C-X polaritzat (δ⁺C-Xδ⁻)

• P.eb. superiors als hidrocarburs (polaritat + massa)

• Insolubles en aigua (no formen ponts d'H)

• Densitat > 1 g/cm³ (no suren a l'aigua)

• P.eb. augmenta: CH₃F < CH₃Cl < CH₃Br < CH₃I

Reaccions d'Eliminació (Deshidrohalogenació)

Els derivats halogenats poden experimentar reaccions d'eliminació en medi bàsic fort (KOH alcohòlic), eliminant HX i formant alquens.

Reacció general:

    X
    │
-C--C- + Base fort → C═C + HX + Base-H⁺
    │                (alquè)
    H

Condicions: KOH o NaOH en alcohol (etanol)

REGLA DE SAYTZEV:

En eliminacions, es forma preferentment l'alquè MÉS SUBSTITUÏT

       Br
       │
CH₃-CH-CH₂-CH₃ + KOH →
   2-Bromobutà      EtOH

Producte majoritari (Saytzev):
CH₃-CH=CH-CH₃  (2-butè, alquè dissubstituït)

Producte minoritari:
CH₂=CH-CH₂-CH₃  (1-butè, alquè monosubstituït)

Doble eliminació (Formació d'alquins):

Amb derivats dihalogenats vicinales i base molt forta:

X   X
│   │
-C--C- + 2 KOH →  -C≡C- + 2 HX
│   │           (alquí)
H   H

Exemple: CH₂Br-CHBr-CH₃ + 2 KOH → HC≡C-CH₃ + 2 HBr + 2 H₂O

Aplicacions dels Hidrocarburs

Alcans: Combustibles (gas natural, gasolines, dièsel)

Alquens: Matèries primeres petroquímiques (plàstics: polietilè, polipropilè)

Alquins: Acetilè per soldadura oxiacetilènica

Aromàtics: Dissolvents, matèries primeres (benzè, toluè, xilè)

Halogenats: Dissolvents, refrigerants (alguns prohibits per problemes mediambientals)