CombustiónEditar
Como la mayoría de los otros hidrocarburos, los hidrocarburos insaturados pueden someterse a reacciones de combustión que producen dióxido de carbono y agua en la combustión completa. La ecuación de reacción es:
- CxHy + y+4x/4O2 → y/2H2O + xCO2
En ausencia de oxígeno, la combustión se convertirá en una combustión incompleta y producirá monóxido de carbono y carbono.
Los hidrocarburos insaturados producirán un producto de combustión incompleta más fácilmente que los saturados. Como resultado, la combustión de los hidrocarburos insaturados suele tener una llama amarilla, diferente de la llama azul de los saturados. Esto indica que la combustión de los hidrocarburos insaturados implicará mecanismos de varios pasos, y la quema de carbono da el color amarillo de la llama.
Como los hidrocarburos insaturados tienen menos contenido de hidrógeno, producirán menos agua y disminuirán la humedad de la llama, así como el uso de oxígeno. El acetileno (etileno), por ejemplo, puede utilizarse como combustible.
En comparación con los enlaces σ C-C simples en los hidrocarburos saturados, los insaturados tienen densidad de electrones en los enlaces π, que no tienen mucha densidad de electrones superpuestos como los σ. Como resultado, la energía química almacenada en un doble enlace es menor que en dos enlaces simples. Así, la combustión de hidrocarburos insaturados, que rompe los enlaces carbono-carbono para liberar energía, libera menos energía que la combustión de la misma molaridad de saturados con el mismo número de carbonos. Esta tendencia puede verse claramente en la lista de entalpías estándar de combustión de los hidrocarburos.
| Número de carbonos | Sustancia | Tipo | Fórmula | Hcø(kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|
| 2 | etano | saturado | C2H6 | -1559.7 |
| eteno | insaturado | C2H4 | -1410.8 | |
| eteno | insaturado | C2H2 | -1300.8 | |
| 3 | propano | saturado | CH3CH2CH3 | -2219.2 |
| propeno | insaturado | CH3CH=CH2 | -2058.1 | |
| propileno | insaturado | CH3C≡CH | -1938.7 | |
| 4 | butano | saturado | CH3CH2CH3 | -2876.5 |
| but-1-ene | insaturado | CH2=CH-CH2CH3 | -2716.8 | |
| but-1-yne | insaturado | CH≡C-CH2CH3 | -2596.6 |
Adición electrofílicaEditar
Los dobles o triples enlaces que deben presentar los hidrocarburos insaturados proporcionan una alta densidad de electrones que hacen que las moléculas se conviertan en puntos perfectos para las reacciones de adición electrofílica. En este tipo de reacción, un enlace π entre carbonos se romperá en 2 enlaces σ separados entre cada carbono y el grupo añadido. En el mecanismo suele intervenir un carbocatión intermedio.
HidrogenaciónEditar
La hidrogenación es la adición electrofílica de gas hidrógeno a un hidrocarburo insaturado. El resultado será un hidrocarburo más saturado, pero no necesariamente se convertirá en uno saturado. Por ejemplo, la semihidrogenación de un alquino puede formar un alqueno. No obstante, el número total de enlaces π debe disminuir en el proceso. El enlace π carbono-carbono también es necesario para este proceso.
La ecuación de reacción de la hidrogenación del eteno para formar etano es:
- H2C=CH2 + H2→H3C-CH3
La reacción de hidrogenación suele requerir catalizadores para aumentar su velocidad.
El número total de hidrógeno que se puede añadir a un hidrocarburo insaturado depende de su grado de insaturación. A un hidrocarburo insaturado de fórmula CXHY se le pueden añadir como máximo 2X+2-Y átomos de hidrógeno. Esto hará que la molécula se convierta en saturada.
HalogenaciónEditar
De forma similar al hidrógeno, la heterólisis del halógeno(X2) producirá un ion X+ electrófilo, tras lo cual será atacado por el electrón del enlace π. A diferencia del hidrógeno, la halogenación producirá iones de halonio como intermedios en lugar de carbocationes en la mayoría de los casos. El catión halonio deja un espacio limitado para el ataque del ion X- y sólo se convertirá en un producto trans. El resultado neto de la halogenación es una disminución de un enlace π y un aumento dos enlaces σ carbono-halógeno en los 2 carbonos.
La ecuación de reacción para la adición de bromo del eteno, por ejemplo, es:
- H2C=CH2 + Br2→H2CBr-CH2Br (trans)
La prueba del bromo se utiliza para comprobar la saturación de los hidrocarburos. La prueba consiste en añadir agua con bromo al hidrocarburo desconocido; si el agua con bromo es descolorida por el hidrocarburo, lo que se debe a la reacción de halogenación, se puede concluir que el hidrocarburo es insaturado. Si no se descolora, entonces es saturado.
La prueba del bromo también puede utilizarse como indicación del grado de insaturación de los hidrocarburos insaturados. El número de bromo se define como el gramo de bromo capaz de reaccionar con 100g de producto. Al igual que la hidrogenación, la halogenación del bromo también depende del número de enlaces π. Un mayor número de bromo indica un mayor grado de insaturación.
HidrataciónEditar
El enlace π de los hidrocarburos insaturados también están preparados para aceptar H+ y OH- del agua. En la reacción suele intervenir un ácido fuerte como catalizador. Esto se debe a que el primer paso del mecanismo de hidratación implica que el enlace π desprotonice un H+ del ácido fuerte para formar un carbocatión. El resultado neto de la reacción será un alcohol.
La ecuación de reacción para la hidratación del eteno es:
- H2C=CH2 + H2O→H3C-CH2OH
Los enlaces π del triple enlace también pueden someterse a la hidratación en condiciones ácidas y formar enoles. Sin embargo, el enol no será un producto sino un intermedio, y el producto final será una cetona. El intermedio enol se somete a tautomerización y forma la cetona más estable.
La ecuación de reacción de la hidratación del eteno para formar acetaldehído es:
- HC≡CH + H2O → H2C=CH-OH
- H2C=CH-OH ⇌ H3C-CHO
HidrohalogenaciónEditar
La hidrohalogenación implica la adición de H-X a hidrocarburos insaturados. Esto disminuirá un enlace π C=C y dará lugar a 2 enlaces C-H y C-X σ con 2 carbonos separados. La formación del carbocatión intermedio es selectiva y sigue la regla de Markovnikov. La hidrohalogenación del alqueno dará como resultado un haloalcano, y la hidrohalogenación del alquino dará como resultado un haluro de vinilo. La hidrohalogenación del alquino es mucho más lenta que la del alqueno.
La ecuación de reacción de la adición de HBr al eteno es:
- H2C=CH2 + HBr→H3C-CH2Br
OxidaciónEditar
La oxidación de los hidrocarburos insaturados depende de la fuerza del agente oxidante. Un agente oxidante débil conducirá a la dihidroxilación, eliminación de un enlace π para formar dos enlaces σ con el oxígeno. La dihidroxilación del alqueno produce diol, y la dihidroxilación del alquino produce dicarbonilo vicinal.
Un agente oxidante más fuerte, por ejemplo KMnO4 u ozono, conducirá a la escisión oxidativa. En este caso, el enlace π se rompe con el enlace σ, dividiendo la molécula de hidrocarburo en dos. El oxígeno se une a los dos enlaces π restantes por separado. La escisión oxidativa del alqueno produce cetonas o aldehídos, dependiendo del lugar del doble enlace, y la escisión de los alquinos produce ácido carboxílico.
Sustitución alílicaEditar
El enlace π en los hidrocarburos insaturados disminuirá la energía de disociación de los enlaces C-H alílicos, que son enlaces C-H del carbono que está adyacente a los carbonos sp2. Como resultado, la reacción de sustitución de radicales libres será favorecida sobre las reacciones de adición.
Un ejemplo de esto es la reacción de bromación del NBS con el alqueno. El enlace N-Br en el NBS es débil por lo que se formará mucho radical libre de Br. El radical libre atacará los hidrógenos alílicos debilitados y los sustituirá por átomos de bromo. La ecuación de reacción es:
- RCH2CH=CH2 + (CH2CO)2NBr → RCHBrCH=CH2 + RCH=CH2Br + (CH2CO)2N
La reacción producirá dos isómeros con bromo unido a diferentes carbonos. La reacción requiere una gran cantidad de radicales libres de Br en lugar de iones Br+ electrófilos, que se someterán a la reacción de adición. NBS es esencial para hacer tal condición.
Si los grupos hidrocarburos están unidos al carbono alílico, hará que este carbono sea más saturado. Según la regla de Zaitsev, este carbono formará un intermedio de carbocación más estable. Como resultado, se producirá el reordenamiento alílico, y el enlace π se moverá a este carbono. Esto producirá un producto mayor de bromo sustituido al carbono a cuatro enlaces de distancia del grupo hidrocarburo.
CicloadiciónEditar
Para los hidrocarburos insaturados, la estructura del anillo y los enlaces π pueden ambos aumentar el grado de insaturación, el intercambio entre la estructura del anillo y los enlaces π puede ocurrir bajo condiciones especiales. Por ejemplo, para un dieno conjugado y un alqueno sustituido, se producirá la reacción de Diels-Alder que forma un ciclohexeno. Tal reacción es altamente selectiva en la estereoquímica.
Los alquinos, bajo catalizadores metálicos, por ejemplo el cobalto, también pueden someterse a la reacción de cicloadición llamada trimerización de alquinos. Tres alquinos se someten a una reacción de ciclación «2+2+2» y se unen rápidamente para formar un benceno.La trimerización de diferentes alquenos no suele ser selectiva, pero los catalizadores especialmente diseñados pueden aumentar la selectividad.
Reaccionar como ligandoEditar
El enlace π deslocalizado en los hidrocarburos insaturados proporciona una alta densidad de electrones, lo que hace posible que la molécula se convierta en un ligando metálico. En el ligando alqueno, la estructura de enlace puede describirse mediante el modelo Dewar-Chatt-Duncanson. En este caso, la densidad de electrones π se dona a los orbitales d del metal. Cuanto más fuerte sea la donación, más fuerte será el retroenlace desde el orbital d del metal al orbital antienlace π* del alqueno. Este efecto reduce el orden de enlace del alqueno y aumenta la longitud del enlace C-C. Como resultado, el metal forma una pequeña estructura de anillo con los dos carbonos.
El modelo DCD también puede describir la estructura del ligando alquino. El complejo metálico también puede ser intermedio de la trimerización de alquinos, por lo que los metales pueden ser catalizadores de la reacción.
La síntesis de complejos de ligandos de alquenos puede describirse como una reacción de adición electrofílica.
De forma similar a los hidrocarburos insaturados lineales, los arenos también tienen enlaces π deslocalizados capaces de donar a los metales para formar complejos. En casos como el del benceno, los carbonos donan igualmente densidad de electrones al metal, mientras que en algunos otros casos, los carbonos donan de forma diferente al metal, haciendo que el areno se doble o dearomatice.