Reaciones De Metano Quimica Organica I

Reacciones

Por sus propiedades químicas y físicas, el metano fija la norma para la familia de los alcanos (Sec. 3.18). Típicamente, sólo reacciona con sustancias muy reactivas, o en condiciones muy vigorosas, lo que redunda, como veremos, en lo mismo. De momento, sólo consideremos su oxidación: por oxígeno, halógenos e, incluso, agua.

REACCIONES DEL METANO

Reactividad de X2 F2 > CI2 > Br2 ( > I2)

Oxidación. Calor de combustión

La combustión a dióxido de carbono y agua es característica de los compuestos orgánicos; en condiciones especiales, se emplea para determinar su contenido en carbono e hidrógeno (Sec. 2.27).

La combustión del metano es la reacción principal que tiene lugar al quemar gas natural. Es casi innecesario hacer hincapié en su importancia en áreas donde se dispone de este gas; el producto importante no es el dióxido de carbono ni el agua, sino el calor.

La combustión de hidrocarburos sólo se efectúa a temperaturas elevadas, como las que proporcionan una llama o una chispa. Sin embargo, una vez iniciada, la reacción desprende calor, que a menudo es suficiente para mantener la alta temperatura y permitir que la combustión continúe. La cantidad de calor que se genera al quemar un mol de un hidrocarburo a dióxido de carbono y agua se llama calor de combustión: para el metano es 213 kcal.

La oxidación parcial controlada y su reacción catalítica con agua a temperatura elevada, convierte al metano en una fuente cada vez más importante de otros productos que no sean calor: de hidrógeno, empleado en la fabricación del amoniaco; de mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno, usadas en la síntesis del metanol y otros alcoholes; y del acetileno (Sec. 11.5), que, a su vez, es el punto de partida para la producción a gran escada de muchos compuestos orgánicos.

La oxidación por halógenos es de interés especial para nosotros en parte, porque sabemos más de ésta que de las otras reacciones del metano y, en un sentido u otro, es el tema de estudio del resto del capítulo.

2.7 Cloración: una reacción de sustitución

Una mezcla gaseosa de metano y cloro reacciona vigorosamente por influencias de la luz ultravioleta o a una temperatura de 250-400ºC para producir cloruro de hidrógeno y un compuesto de fórmula CH3CI. Se dice que el metano ha sufrido una cloración, llamándose el producto, CH3CI, clorometano o cloruro de metilo (CH3=metilo).

La cloración es un ejemplo típico de una amplia clase de reacciones orgánicas conocida como sustitución. Se ha sustituido un átomo de hidrógeno del metano por uno de cloro, y el átomo de hidrógeno así reemplazado termina combinado con un segundo átomo de cloro.

A su vez, el cloruro de metilo puede sufrir una sustitución posterior, formando más cloruro de hidrógeno y el compuesto CH2CI,diclorometano o cloruro de metileno (CH2 = metileno).

De modo análogo, la cloración puede continuar para dar CHCI3, triclorometano o cloroformo, y CCI4, tetraclorometano o tetracloruro de carbono. Este último fue en tiempos muy utilizados, pero ha sido susitutido casi totalmente por otros materiales.

2.8 Control de la Cloración

La cloración del metano puede dar cualquiera de cuatro productos orgánicos, dependiendo de hasta dónde se lleve la reacción. ¿Podemos controlarla de modo que el principal producto orgánico sea el cloruro de metilo? Es decir, ?Podemos limitarla a la primera etapa, la monocloración?

Podríamos suponer ingenuamente, como se observará, que esto se logra con sólo proporcionar un mol de cloro por cada mol de metano. Veamos, sin embargo, lo que sucede si procedemos así. Al comenzar la reacción, sólo hay metano para que reaccione con el cloro, por lo que sólo se realiza la primera etapa de la cloración; no obstante, este proceso general cloruro de metilo, de modo que al proseguir la reacción desaparece el metano y es reemplazado por cloruro de metilo.

A medida que crece la proporción de cloruro de metilo, éste compite con el metano por el cloruro. Cuando la concentración de cloruro de metilo supera a la de metano, se hace más probable que el cloro ataque al cloruro de metilo que al metano, por lo que pasa a ser más importante la segunda etapa de la cloración que la primera. Se forma gran cantidad de cloruro de metileno, que se convierte de forma análoga en cloroformo y éste, a su vez, en tetracloruro de carbono. Finalmente, cuando procedemos a aislar el producto de la reacción, encontramos que es una mezcla de los cuatro metanos clorados junto con algo de metano sin reaccionar.

Sin embargo, puede limitarse la reacción casi exclusivamente a la monocloración si empleamos un gran exceso de metano. En este caso, aun final del areacción, el metano sin reaccionar supera en mucho al cloruro de metilo. El cloro tiene mayor probabilidad de atacar al primero que al segundo, por lo que la reacción principal es la primera etapa de la cloración.

Debido a la gran diferencia en sus puntos de ebullición, es fácil separar el exceso de metano (p.e. 161.5ºC) del cloruro de metilo (p.e. -24ºC), de modo que se puede mezclar el metano con más cloro y someterlo nuevamente al proceso. Aunque la conversión del metano en cloruro de metilo es baja en cada ciclo, La producción de cloruro de metilo a aprtir del cloro consumido es bastante elevada.

El empleo de un gran exceso de un compuesto es un recurso habitual para el químico orgánico cuando quiere limitar la reacción a sólo uno de los varios sitios reactivos en la molécula de esa sustancia.

2.9 Reacción con otros halógenos: halogenación

El metano reacciona con bromo, una vez más a temperaturas elevadas o bajo la influencia de la luz ultravioleta, para dar los correspondientes bromometanos: bromuro de metilo, bromuro de metileno, bromoformo y tetrabromuro de carbono.

La bromación se realiza con menor facilidad que la cloración.

El metano no reacciona con el yodo. Con el flúor, la reacción es tan vigorosa que, aun en la oscuridad y a temperatura ambiente, el proceso debe ser controlado cuidadosamente: los reactivos, diluídos con un gas inerte, se mezclan a presión reducida.

En consecuencia, podemos ordenar los halógenos de acuerdo con su reactividad:

Reactividad de los halógenos

F2 > CI2 > Br2 ( > I2)

Este mismo orden de reactividad vale para la reacción de los halógenos con otros alcanos y, de hecho, con la mayoría de los compuestos orgánicos. La distribución de las reactividades es tan amplia

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