¿Qué son los cicloalcanos?
Los cicloalcanos son una familia de hidrocarburos saturados con una fórmula general de CnH2n que coincide con la de los alquenos, con la diferencia de que la aparente insaturación no se debe a un doble enlace, sino a un anillo o ciclo. Es por eso que se les considera isómeros de los alquenos.
Estos se forman cuando los alcanos lineales unen los extremos de sus cadenas para originar una estructura cerrada. Al igual que los alcanos, los cicloalcanos pueden exhibir distintos tamaños, masas moleculares, sustituciones o, incluso, sistemas compuestos por más de un anillo (policíclicos).
De resto, química y físicamente son similares a los alcanos. Poseen solo carbonos e hidrógenos, son moléculas neutras e interaccionan, por lo tanto, mediante fuerzas de Van der Walls. Asimismo, sirven como combustibles, liberando calor cuando arden en presencia de oxígeno.
Los cicloalcanos pequeños son gaseosos, y conforme se incrementan sus tamaños también lo hacen sus fuerzas intermoleculares. En consecuencia, pueden ser líquidos capaces de disolver grasas y moléculas apolares, lubricantes, o sólidos que lucen colores oscuros y cualidades como las del asfalto.
Propiedades físicas y químicas de los cicloalcanos
- Polaridad. Al componerse únicamente de carbonos e hidrógenos, átomos que de por sí no difieren demasiado en electronegatividad, las moléculas de los cicloalcanos son apolares y, por tanto, carecen de momento dipolar. No pueden interactuar mediante fuerzas dipolo-dipolo, sino que dependen específicamente de las fuerzas de London, débiles, pero que aumentan con la masa molecular. Por eso los cicloalcanos pequeños (con menos de cinco carbonos) son gaseosos.
- Interacciones intermoleculares. Al tratarse de anillos, los cicloalcanos poseen una mayor área de contacto, lo cual favorece a las fuerzas de London entre sus moléculas. Así, se agrupan e interactúan de mejor modo en comparación a los alcanos, y de aquí que sus puntos de ebullición y fusión sean superiores. Asimismo, dado que tienen dos átomos de hidrógeno menos (CnH2n para los cicloalcanos y CnH2n+2 para los alcanos), son más livianos, y sumando a esto el hecho de su mayor área de contacto, disminuye el volumen ocupado por sus moléculas, y, por lo tanto, son más densos.
- Saturación. Se clasifican como hidrocarburos saturados porque no tienen cómo incorporar una molécula de hidrógeno, a menos que se abra el anillo, y en tal caso se convertirían en simples alcanos. Para que un hidrocarburo se considere saturado debe tener el máximo número posible de enlaces C-H.
- Estabilidad. Químicamente, son muy parecidos a los alcanos. Ambos poseen enlaces C-C y C-H, los cuales no son tan fáciles de romper para originar otros productos. Sin embargo, sus estabilidades relativas difieren, lo que puede comprobarse experimentalmente mediante la medición de sus calores de combustión (ΔHcomb). Por ejemplo, cuando se comparan el ΔHcomb para el propano y ciclopropano, se tiene 527,4 kcal/mol y 498,9 kcal/mol, respectivamente. El detalle está en que el ciclopropano, basado en los calores de combustión de los alcanos, debería tener un ΔHcomb menor (471 kcal/mol) por tratarse de tres grupos metilenos, CH2, pero en realidad, libera más calor, reflejando una inestabilidad mayor que la calculada. Este exceso de energía se debe a las tensiones dentro del anillo. Y de hecho, estas tensiones rigen y diferencian la reactividad o estabilidad de los cicloalcanos, respecto a los alcanos, frente a reacciones específicas. Siempre y cuando las tensiones no sean muy elevadas, los cicloalcanos tienden a ser más estables que sus alcanos respectivos.
Nomenclatura de los cicloalcanos
La nomenclatura regida por la IUPAC para los cicloalcanos no difiere demasiado que la de los alcanos. La regla más simple de todas es colocar el prefijo -ciclo al nombre del alcano del cual se forma el cicloalcano.
Así, por ejemplo, del n-hexano, CH3CH2CH2CH2CH2CH3, se obtiene el ciclohexano. De igual modo sucede con el ciclopropano, ciclobutano, etc.
Ahora bien, estos compuestos pueden sufrir sustituciones de uno de sus hidrógenos. Cuando el número de carbonos del anillo es superior al de los sustituyentes alquilos, se toma el anillo como la cadena principal.
Nótese que en el ciclobutano (en la estructura de la imagen de la portada), tiene más carbonos que el grupo propilo enlazado a él. Entonces a este compuesto se le nombra como propilciclobutano.
Si hay más de un sustituyente, debe nombrárseles en orden alfabético y de tal manera que tengan el menor número localizador posible.
Estructura de los cicloalcanos
Dejando a un lado los cicloalcanos sustituidos, conviene centrarse únicamente en sus bases estructurales: los anillos. Al observarlos puede surgir la falsa idea de que tales moléculas sean planas, pero con excepción del ciclopropano, sus superficies son “zigzagueantes”, con carbonos bajando o subiendo en relación con un mismo plano.
Esto se debe a que, para empezar, todos los carbonos tienen hibridación sp3, y presentan geometrías tetraédricas con ángulos de enlaces de 109,5º. Pero, si se observa cuidadosamente la geometría de los anillos, es imposible que sus ángulos sean estos. Por ejemplo, los ángulos dentro del triángulo del ciclopropano son 60º.
Esto es lo que se conoce como tensión angular. Cuanto más grandes sean los anillos, el ángulo entre los enlaces C-C se aproxima más a 109,5º, lo que ocasiona una disminución de dicha tensión y un incremento de la estabilidad para el cicloalcano.
Otro ejemplo se observa en el ciclobutano, cuyos ángulos de enlace son de 90º. Ya en el ciclopentano sus ángulos son de 108º, y a partir del ciclohexano se dice entonces que la tensión angular deja de ejercer un efecto desestabilizante tan remarcado.
Conformaciones
Además de la tensión angular, hay otros factores que contribuyen a la tensión que experimentan los cicloalcanos.
Los enlaces C-C no pueden rotar sin más, ya que esto implicaría que toda la estructura se “estremeciera”. Así, estas moléculas pueden adoptar conformaciones espaciales muy bien definidas. El propósito de estos movimientos es el de reducir las tensiones ocasionadas en el eclipsamiento de los átomos de hidrógeno. Es decir, cuando están uno enfrente del otro.
Por ejemplo, las conformaciones para el ciclobutano se asemejan a una mariposa que bate sus alas, las del ciclopentano, un sobre, las del ciclohexano, un bote o silla, y cuanto más grande sea el anillo, mayor es el número y formas que puedan adoptar en el espacio.
La imagen superior muestra un ejemplo de tales conformaciones para el ciclohexano. Nótese que el supuesto hexágono plano realmente parece más una silla (a la izquierda de la imagen) o un bote (a la derecha). Un hidrógeno se representa con letra roja, y otro con letra azul, para indicar cómo cambian sus posiciones relativas después de las inversiones.
En (1), cuando el hidrógeno está perpendicular al plano del anillo, se dice que está en posición axial, y cuando está paralelo a este, se dice que está en posición ecuatorial.
Reacciones de los cicloalcanos
Las reacciones que pueden sufrir los cicloalcanos son las mismas que los alcanos. Ambos arden en presencia de un exceso de oxígeno en las típicas reacciones de combustión para producir dióxido de carbono y agua. Asimismo, ambos pueden sufrir halogenaciones, en las cuales un hidrógeno se sustituye por un átomo de halógeno (F, Cl, Br, I).
Arriba se muestra a modo de ejemplo las reacciones de combustión y halogenación para el ciclopentano. Un mol de él arde en presencia de calor y 7,5 moles de oxígeno molecular para descomponerse en CO₂ y H₂O. Por otro lado, en presencia de radiación ultravioleta y bromo, sustituye un H por un Br, liberándose una molécula gaseosa de HBr.
Usos de los cicloalcanos
- Como gas. Los más ligeros, y, por tanto, gaseosos, sirvieron alguna vez para alimentar las lámparas de gas de los alumbrados públicos.
- Como líquidos. Por su parte, se usan como solventes de aceites, grasas o productos comerciales de naturaleza apolar. Entre estos se puede mencionar al ciclopentano, ciclohexano y cicloheptano. Asimismo, suelen utilizarse con mucha frecuencia en operaciones rutinarias en laboratorios de petróleos, o en la formulación de combustibles.
- Lubricantes. Si son más pesados, pueden servir como lubricantes.
- Síntesis de fármacos. También pueden representar el material de partida para la síntesis de fármacos, como el carboplatino, que incluye en su estructura un anillo de ciclobutano.
Ejemplos de cicloalcanos
- Ciclopropano. Tiene 3 átomos de carbono en un anillo triangular.
- Ciclobutano. 4 átomos de carbono en un anillo cuadrado.
- Ciclopentano. Un anillo de 5 átomos de carbono.
- Ciclohexano. Anillo de 6 átomos de carbono, siendo uno de los más comunes.
- Cicloheptano. Anillo de 7 átomos de carbono.
- Ciclooctano. 8 átomos de carbono.
- Ciclononano. 9 átomos de carbono.
- Ciclododecano. 12 átomos de carbono.
Referencias
- Morrison, R. T. y Boyd, R, N. Química Orgánica. 5ta Edición. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Naming Cycloalkanes. Recuperado de chem.libretexts.org.
- Cycloalkane. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Introducing alkanes and cycloalkanes. Recuperado de chemguide.co.uk.
- Fernández, Germán. Cicloalcanos-teoría. Química Orgánica. Recuperado de quimicaorganica.org.