Alcanos ramificados: qué son, estructura, propiedades, ejemplos

¿Qué son los alcanos ramificados?

Los alcanos ramificados son hidrocarburos saturados cuyas estructuras no consisten en una cadena lineal. Son alcanos con grupos alquilo unidos a su cadena central de carbono. Solo contienen átomos de carbono e hidrógeno, unidos por enlaces simples carbono-carbono o carbono-hidrógeno. Las moléculas tienen ramificaciones, y por ello no son lineales.

A los alcanos de cadenas lineales se les diferencia de sus isómeros ramificados mediante la adición de una letra n antecediendo al nombre. Así, el n-hexano significa que la estructura consiste en seis átomos de carbono alineados en una cadena.

Las ramas de una copa descarnada de un árbol podrían compararse con las de los alcanos ramificados; sin embargo, el grosor de sus cadenas, sean principales, secundarias o terciarias, tienen todas las mismas dimensiones. Esto se debe a que en todas están presentes los enlaces simples C–C.

A medida que crecen, los árboles tienden a ramificarse; del mismo modo lo hacen los alcanos. Mantener una cadena constante con determinadas unidades de metileno (–CH₂–) implica una serie de condiciones energéticas. Mientras más energía tengan los alcanos, mayor será la tendencia a ramificarse.

Tanto los isómeros lineales como ramificados comparten las mismas propiedades químicas, pero con ligeras diferencias en sus puntos de ebullición, fusión, y otras propiedades físicas. Un ejemplo de alcano ramificado es el 2-metil-propano, el más simple de todos.

Estructuras químicas de los alcanos ramificados

Los alcanos ramificados y lineales tienen la misma fórmula química general: C_nH_2n+2. Es decir, ambos, para un determinado número de átomos de carbono, tienen el mismo número de hidrógenos. Por lo tanto, los dos tipos de compuestos son isómeros: tienen la misma fórmula pero distintas estructuras químicas.

¿Qué se observa primeramente en una cadena lineal? Un número finito de grupos metilenos, –CH₂–_. Así, el CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ es un alcano de cadena lineal llamado n-heptano.

Nótese los cinco grupos metilenos consecutivos. También, cabe resaltar que estos grupos conforman todas las cadenas, y, por tanto, son del mismo grosor pero con longitudes variables. ¿Qué más puede decirse de ellos? Que son carbonos 2º, es decir, carbonos enlazados a otros dos.

Para que dicho n-heptano se ramifique es necesario reacomodar sus carbonos e hidrógenos. ¿Cómo? Los mecanismos pueden ser muy complejos e implican la migración de átomos y la formación de especies positivas conocidas como carbocationes (–C⁺).

No obstante, en el papel basta con ordenar la estructura de tal manera que haya carbonos 3º y 4º; en otras palabras, carbonos enlazados a otros tres o cuatro. Este nuevo ordenamiento es más estable que las largas agrupaciones de grupos CH₂ porque los carbonos 3º y 4º son energéticamente más estables.

Propiedades químicas y físicas de los alcanos ramificados

Los alcanos ramificados y lineales, al tener los mismos átomos, conservan las mismas propiedades químicas. Sus enlaces siguen siendo simples, C–H y C–C, y con poca diferencia de electronegatividades, por lo que sus moléculas son apolares. La diferencia, mencionada anteriormente, radica en los carbonos 3º y 4º (CHR₃ y CR₄).

Sin embargo, al ramificarse la cadena en los isómeros, cambia el modo como las moléculas interactúan unas con otras.

Por ejemplo, la forma de juntarse dos ramas lineales de un árbol no es igual a poner dos altamente ramificadas una sobre la otra. En la primera situación, hay mucho contacto superficial, mientras que en la segunda predominan los “huecos” entre las ramas. Algunas ramificaciones interactúan más con otras que con la rama principal.

Todo esto desemboca en valores similares, pero no iguales en muchas de las propiedades físicas.

Puntos de ebullición y de fusión

Las fases líquidas y sólidas de los alcanos están sujetas a las fuerzas intermoleculares bajo condiciones específicas de presión y temperatura. Como las moléculas de los alcanos ramificados y lineales no interactúan del mismo modo, tampoco serán iguales sus líquidos ni sólidos.

Los puntos de fusión y ebullición aumentan con el número de carbonos. Para los alcanos lineales, estos son proporcionales a n. Pero para los alcanos ramificados, la situación depende de qué tan ramificada esté la cadena principal, y de cuáles son los grupos sustituyentes o alquílicos (R).

Si las cadenas lineales se consideran como hileras de zigzags, entonces podrán encajar perfectamente unas sobre otras; pero con las ramificadas, las cadenas principales casi no interactúan porque los sustituyentes las mantienen apartadas entre sí.

Como resultado, los alcanos ramificados tienen menor superficie de contacto molecular y, por lo tanto, sus puntos de fusión y ebullición tienden a ser un poco menores. Mientras más ramificada sea la estructura, menores todavía serán dichos valores.

Por ejemplo, el n-pentano (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃) tiene un Peb de 36.1° C, mientras que el 2-metil-butano (CH₃CH₂(CH₃)CH₂CH₃) y el 2,2-dimetil-propano (C(CH₃)₄) de 27.8 y 9.5° C.

Densidad

Utilizando el mismo razonamiento, los alcanos ramificados son ligeramente menos densos, debido a que ocupan mayor volumen, producto del descenso del contacto superficial entre las cadenas principales.

Al igual que los alcanos lineales, son inmiscibles con el agua y flotan por encima de ella; es decir, son menos densos.

Nomenclatura y ejemplos

En la imagen superior se muestran cinco ejemplos de alcanos ramificados. Nótese que las ramificaciones se caracterizan por tener carbonos 3º o 4º. Pero, ¿cuál es la cadena principal? Aquella con el mayor número de átomos de carbono.

• En A es indiferente, ya que sin importar qué cadena se escoge, ambas tienen 3 C. Entonces, su nombre es 2-metil-propano. Es isómero del butano, C₄H₁₀.
• El alcano B tiene a primera vista dos sustituyentes y una cadena larga. A los grupos –CH₃ se les enumera de tal modo que tengan el menor número; por lo tanto, los carbonos empiezan a contarse desde el lado izquierdo. Así, B se llama 2,3-dimetil-hexano.
• Para C aplica lo mismo que en B. La cadena principal tiene 8 C, y los dos sustituyentes, un CH₃ y un CH₂CH₃ se ubican más hacia el lado izquierdo. Su nombre, por tanto, es: 4-etil-3-metiloctano. Nótese que el sustituyente –etil se menciona antes que el –metil por su orden alfabético.
• En el caso de D es indiferente por donde se comience a contar los carbonos de la cadena principal. Su nombre es: 3-etil-propano.
• Y finalmente para E, un alcano ramificado un poco más complejo, la cadena principal tiene 10 C y se comienza a contar desde cualquiera de los grupos CH₃ de la izquierda. Haciéndolo de este modo su nombre es: 5-etil-2,2-dimetil-decano.

Referencias

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