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¿Por qué los éteres cíclicos tienen puntos de ebullición más altos que sus isómeros acíclicos?

La versión TL;DR es el título de la pregunta. A continuación, el contexto y los datos.

Estaba creando una tarea para mis estudiantes de química orgánica en la que tendrían que dibujar tantos isómeros como pudieran a partir de una fórmula simple, por ejemplo $\ce{C3H6O}$ (que se ajusta a 7 estructuras - 9 si se cuentan los tautómeros de enol menores y 11 si se cuentan los estéreos). En este conjunto (ignorando los estereotipos y los enoles) hay:

Dos alcoholes

Dos compuestos de carbonilo

  • Propanal - punto de ebullición $=46\ ^\circ\text{C}$
  • Acetona - punto de ebullición $=56\ ^\circ\text{C}$

Tres éteres

El punto de ebullición del metil vinil éter destacó inmediatamente como anómalo. El punto de ebullición totalmente saturado éter metílico de etilo tiene un punto de ebullición de $7.4\ ^\circ\text{C}$ .

Aquí hay más datos que comparan los éteres cíclicos con sus isómeros acíclicos (y algunos análogos). La diferencia parece reducirse a medida que aumenta el número de carbonos.

Cuatro carbonos

Cinco carbonos

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Moss Collum Puntos 1316

Hay muchos factores, que a veces compiten y a veces se refuerzan, que afectan al punto de ebullición de estas moléculas:

  1. la polaridad (por ejemplo, aproximada por el momento dipolar)
  2. interacciones dispersivas
  3. aumento de la entropía al evaporarse

Algunos ejemplos ilustrativos (datos extraídos del Libro web del NIST a menos que se indique lo contrario). El punto de ebullición del tetrahidropirano es de 361 K, mientras que el del etilpropiléter es de 337 K. Las correspondientes entalpías estándar de vaporización ( $\Delta H^\circ_{\text{vap}}$ ) son 35 y 31 kJ/mol. Esto es coherente con el mayor momento dipolar de las estructuras cíclicas mencionado en la respuesta de @ron.

Desgraciadamente no he podido encontrar el momento dipolar del éter de etilo y propilo, pero probablemente es similar al éter de dipropilo y esto está respaldado por MolCalc cálculos.

Sin embargo, mientras que el momento dipolar del éter dipropílico (1,0-1,2 D) es menor que el del tetrahidropirano (1,6-1,8 D; tomado de la respuesta de @ron) el punto de ebullición es de 363 K - ligeramente superior al del tetrahidropirano, al igual que el $\Delta H^\circ_{\text{vap}}$ (36 kJ/mol). Por lo tanto, la polaridad no puede ser toda la historia en general. El éter dipropílico es ligeramente más grande, por lo que una mayor interacción de dispersión es la explicación más probable del alto punto de ebullición en este caso.

Por último, el punto de ebullición del éter de alilo es inferior al del tetrahidropirano (340 K), mientras que el $\Delta H^\circ_{\text{vap}}$ es el mismo (35 kJ/mol). (El dipolo es menor que para el tetrahidropirano, pero mayor que para el etil propil éter -según MolCalc-, pero el doble enlace es más polarizable y dará lugar a un aumento de las interacciones de dispersión en comparación con el tetrahidropirano). Como el cambio de entalpía es el mismo, el alil éter etílico debe tener un mayor $\Delta S^\circ_{\text{vap}}$ . Es una molécula más "flexible" que el tetrahidropirano, por lo que la entropía vibracional y conformacional en fase gaseosa será mayor. (Según MolCalc, la entropía vibracional del etil propil éter es 54 J/molK mayor que la del tetrahidropirano).

Así pues, el punto de ebullición más alto del tetrahidropirano en comparación con el etilpropiléter se debe probablemente a una combinación de factores:

  1. interacciones más fuertes entre las moléculas de tetrahidropirano debido a que es más polar
  2. un menor aumento de la entropía en la vaporización, debido a que el tetrahidropirano es menos flexible.

El hecho de que el éter etílico alílico tenga aproximadamente el mismo punto de ebullición que el éter propílico etílico pero el $\Delta H^\circ_{\text{vap}}$ como el tetrahidropirano sugieren que el punto 2 fue el que más contribuyó a la diferencia de punto de ebullición entre el tetrahidropirano y el etilpropiléter.

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Mike Schall Puntos 2921

Los datos que pude encontrar sugieren que los éteres cíclicos tienen momentos dipolares más altos que sus homólogos acíclicos.

$$\mathbf{Four~carbons}$$ \begin{array}{c @{} c} \hline \text{THF} & \mathrm{1.63~ D ^1, 1.75~ D ^2} \\ \text{1-butene oxide} & \mathrm{1.89~ D^2} \\ \text{ethyl vinyl ether} & \mathrm{1.26~ D ^2} \\ \text{diethyl ether} & \mathrm{1.15 ~D ^3, 1.15 D ^2} \\ \text{methyl propyl ether} & \mathrm{1.11 ~D ^2} \\\hline \end{array}

$$\mathbf{Five~carbons}$$ \begin{array}{c @{} c} \hline \text{Tetrahydropyran} & \mathrm{1.58~D ^2, 1.87~D ^4} \\ \text{2-Methyltetrahydrofuran} & \mathrm{1.38~ D ^5} \\ \text{dipropyl ether} & \mathrm{1.21~D^2, 1.00~D^6} \\\hline \end{array}

Esto parece coherente con las expectativas intuitivas basadas en modelos conformacionales en los que, en los éteres cíclicos en los que la geometría molecular está limitada por el anillo, los pares solitarios apuntan en la dirección opuesta al esqueleto de carbono. Mientras que los pares solitarios y las cadenas de carbono en los isómeros acíclicos, más móviles desde el punto de vista conformacional, están menos fijados geométricamente y, por tanto, menos "dirigidos" en el espacio.

Parece probable que los mayores momentos dipolares de los compuestos cíclicos conduzcan a una mayor alineación/ordenación en la fase líquida, lo que a su vez llevaría a puntos de ebullición más altos.

Referencias:

1: <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Tetrahydrofuran" rel="nofollow">http://en.wikipedia.org/wiki/Tetrahydrofuran</a><br>2: <a href="https://physicalchemistryrosamonte.wordpress.com/material-balances/material-balances-on-a-crystallizer/physical-properties-of-pure-methanol/dipole-moment/" rel="nofollow">https://physicalchemistryrosamonte.wordpress.com/material-balances/material-balances-on-a-crystallizer/physical-properties-of-pure-methanol/dipole-moment/</a><br>3: <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Diethyl_ether" rel="nofollow">http://en.wikipedia.org/wiki/Diethyl_ether</a><br>4: <a href="http://www.drugfuture.com/chemdata/tetrahydropyran.html" rel="nofollow">http://www.drugfuture.com/chemdata/tetrahydropyran.html</a><br>5: <a href="http://www.stenutz.eu/chem/solv28.php?s=1&amp;p=20" rel="nofollow">http://www.stenutz.eu/chem/solv28.php?s=1&amp;p=20</a><br>6: <a href="https://books.google.com/books?id=G6jaBwAAQBAJ&amp;pg=PA50&amp;lpg=PA50&amp;dq=propyl%20ethyl%20ether%20dipole%20moment&amp;source=bl&amp;ots=VA52gqJ0kn&amp;sig=GM8tua_QpXccFW3VXpy9qiNf7rk&amp;hl=en&amp;sa=X&amp;ei=rzRvVZ__Cc32yQT9gIPACQ&amp;ved=0CDsQ6AEwBQ#v=onepage&amp;q=propyl%20ethyl%20ether%20dipole%20moment&amp;f=false" rel="nofollow">https://books.google.com/books?id=G6jaBwAAQBAJ&amp;pg=PA50&amp;lpg=PA50&amp;dq=propyl%20ethyl%20ether%20dipole%20moment&amp;source=bl&amp;ots=VA52gqJ0kn&amp;sig=GM8tua_QpXccFW3VXpy9qiNf7rk&amp;hl=en&amp;sa=X&amp;ei=rzRvVZ__Cc32yQT9gIPACQ&amp;ved=0CDsQ6AEwBQ#v=onepage&amp;q=propyl%20ethyl%20ether%20dipole%20moment&amp;f=false</a>

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