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1.‐Introducción
Más del 95% de las sustancias químicas
conocidas son compuestos del carbono y más de la mitad de los químicos actuales en el mundo se denominan a sí
mismos químicos orgánicos.
Todos los compuestos responsables de la vida (
ácidos nucleicos, proteínas, enzimas, hormonas, azúcares,
lípidos, vitaminas, etc.) son sustancias orgánicas.
La industria química (fármacos, polímeros, pesticidas, herbicidas, etc.) juega un papel muy importante en la economía mundial e
incide en muchos aspectos de nuestra vida diaria con sus productos.
La Química Orgánica es la parte de la química que estudia los Compuestos de Carbono
Finales del XVIII
El enigma de la Química Orgánica: La fuerza vital. Se observa que los compuestos orgánicos están formados por un número muy limitado de elementos.
Principios del XIX Se intuyen ciertos visos de ordenamiento estructural. Se establece la ley de proporciones múltiples.
1820’s
Síntesis de la urea: se tiende el puente entre la Química Inorgánica y la Orgánica. Se mejora la precisión del análisis elemental. Se produce una complicación insospechada: la isomería.
1830’s Los radicales orgánicos como un principio de ordenación. El descubrimiento y la profusión de los radicales orgánicos.
1830’s-1840’s Orden entre los radicales orgánicos: la sustitución. Definición de radicales derivados.
1.1.- Breve Historia de la Química Orgánica
1850’s • Estructura interna de los radicales: la tetravalencia del carbono y su capacidad para formar cadenas.
1860’s • Primeras formulaciones modernas.
1870’s • Estructura tetraédrica del carbono: isomería optica.
1880’s • Estructura hexagonal del benceno.
1930’s-1940’s
• Planteamiento de la Teoría de la Resonancia.
• Desarrollo de la Espectroscopía de rayos X.
• Desarrollo de la Espectrometría de masas.
1950’s • Análisis conformacional: estereoquímica
del ciclohexano. • Descubrimiento de la Resonancia
Magnética Nuclear.
1840’s-1850’s Ordenación por tipos de compuestos. La unificación de radicales y tipos.
2.‐Estructuradelosátomos
CAPA DE VALENCIA DE LOS 18 PRIMEROS ELEMENTOS
CONECTIVIDAD
Grupos del Sistema Periódico
PROPIEDADES PERIÓDICAS: RADIO ATÓMICOS
PROPIEDADES PERIÓDICAS: ELECTRONEGATIVIDAD
3.‐Enlaceymoléculas
3.1.- ENLACE IÓNICO – ENLACE COVALENTE
IÓNICO COVALENTE APOLAR
COVALENTE
POLAR
ENLACE IÓNICO ENLACE COVALENTE
NO POLAR POLAR
TIPO DE ENLACE Y ELECTRONEGATIDAD
Rojo < Naranja < Amarillo < Verde < Azul
CONTORNOS DE POTENCIAL ELECTROSTATICO
3.3.-TEORÍA DE LEWIS
Átomos
Moléculas Diatómicas
Los átomos forman moléculas porque compartiendo electrones alcanzan el octeto electrónico
En el establecimiento de las estructuras de Lewis es muy importante tener en cuenta tres aspectos
1.- Asignar cargas formales a los átomos
2.- Valorar la existencia de formas resonantes
3.- Hay átomos que no cumplen la regla del octeto
Cargas formales
Para determinar cargas formales sobre los átomos:
Carga
Formal =
Número e
Capa valencia
- Número e
Desapareados + Mitad e
compartidos
Resonancia. No siempre existe una única estructura de Lewis que pueda
explicar las propiedades de una molécula o ión.
A cada una de ellas se le denomina forma resonante y al conjunto híbrido de resonancia
En el caso del ion CO32–, se podrían formar tres
estructuras de Lewis en las que el doble enlace se forma con cada uno de los átomos de oxigeno, siendo las tres válidas. Cada una de estas formas contribuye
por igual al la estructura del ion CO32–, siendo la
verdadera estructura una mezcla de las tres.
Condiciones para escribir formas resonantes:
1. Para pasar de una forma resonante a otra solamente
puedo mover electrones, nunca átomos.
2. Todas las estructuras resonantes que yo escriba deben ser
estructuras de Lewis válidas.
3. Las estructuras resonantes deben poseer el mismo número
de electrones desapareados.
4. Las estructuras resonantes más importantes son las de
menor energía potencial.
(N,N-dimetilamino)piridina DMAP
Nitrometano
Ejercicio: Escribir las formas resonantes del nitrometano y DMAP
¿Cuál de todas las estructuras resonantes se parece más al compuesto real?
1. Aquella en la que todos los átomos tienen el octete completo.
2. Aquellas en las que no existe separación de carga es más importante que la
que en la que existe separación de carga.
3. Cuando en dos formas resonantes existe separación de carga es más
estable aquella que tiene las cargas más alejadas.
5. Si hay dos formas resonantes iguales la resonancia será más importante.
Cuando una forma resonante es muchísimo más estable que las demás la
resonancia no existe y la molécula real se parece mucho a esta forma.
Cuando todas las formas resonantes son importantes, entonces la molécula
real sí es un híbrido de todas las formas resonantes.
4. Las estructuras de resonancia que lleven carga negativa sobre un
átomo electronegativo contribuye más que cuando esa carga va sobre
otro átomo.
3.4.- TEORÍA DEL ENLACE-VALENCIA. HIBRIDACIÓN
Los enlaces covalentes se producen por solapamiento de orbitales
atómicos semiocupados de distintos átomos
Orbital 1s semiocupado de un átomo de H
Orbital 1s semiocupado de un átomo de H
Molécula de hidrógeno
Tipos de enlace covalente según el solapamiento
Enlace tipo sigma σ: solapamiento frontal
Enlace tipo pi π: solapamiento lateral
3.4.- HIBRIDACIÓN: Geometría molecular según TEV
Todos los enlaces C-H del metano son idénticos HIBRIDACIÓN
sp3
METANO
El carbono sólo podría formar dos enlaces C-H
– 4 enlaces sencillos. Ejemplo: metano – 3 enlaces sencillos + 1 par e– sin compartir. Ej: NH3
– 2 enlaces sencillos + 2 par e– sin compartir. Ej: H2O
Un carbono unido a cuatro átomos siempre tendrá hibridación sp3 y una estructura tetraédrica. Así son los alcanos, haluros de alquilo, alcoholes, éteres y aminas, entre otros. Todos estos compuestos tienen estabilidad suficiente como para poder ser almacenados sin problemas especiales. Un carbono unido a menos de cuatro átomos también puede tener hibridación sp3 pero la estructura variará dependiendo del número de sustituyentes:
Estructura
Tipo de compuesto Carbaniones Carbenos Geometría Piramidal Angular
Los carbaniones y carbenos son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.
HIBRIDACIÓN sp2
ETENO Hibridación
sp2
sp2 2pz
– 3 enlaces sencillos. Ejemplo: BF3 – 1 enlace doble y 2 sencillos . Ejemplo: eteno
Un carbono unido a tres átomos, que mantiene un doble enlace con uno de ellos, siempre tendrá hibridación sp2 y una geometría trigonal plana. Así son compuestos estables tales como olefinas, hidrocarburos aromáticos, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílcos y derivados, entre otros. Existen otras situaciones donde un átomo de carbono unido a tres átomos también posee hibridación sp2:
Estructura
Tipo de compuesto Carbocatión (ion carbenio) Radical
Geometría Trigonal plana Trigonal plana
Carbocationes y radicales son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.
HIBRIDACIÓN sp2
BENCENO C6H6
Kekule
Problema: El benceno es mucho más estable que lo que cabría esperar de la estructura propuesta por Kekule
La hidrogenación del benceno libera
mucha menos energía que la
esperable
Hibridación
sp2
sp2 2pz
Estabilidad debida a la deslocalización de los electrones del anillo (aromaticidad)
HIBRIDACIÓN
sp2
GRUPO CARBONILO
Átomo carbono: Hibridación sp2 Átomo oxígeno: Hibridación sp2
(Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C)
HIBRIDACIÓN sp
ACETILENO
– 2 enlaces sencillos. Ejemplo: BeF2
– 2 enlaces dobles. Ejemplo: CO2 – 1 enlace triple y 1 sencillo. Ejemplo: etino
Un carbono unido a dos átomos, que mantiene un triple enlace con uno de ellos, siempre tendrá una hibridación sp y una estructura lineal. Existen otras posibilidades:
Estructura
Tipo de compuesto Aleno Acetiluro Geometría Lineal Lineal
Los alenos son compuestos estables. Los acetiluros son especies reactivas (intermedios de reacción).
Electronegatividad del carbono en función de su hibridación El carbono tiene mayor electronegatividad a medida que aumenta el
carácter s de la hibridación. Por tanto los carbonos del etano (sp3) son menos electronegativos que los del eteno (sp2) y éstos a su vez menos
electronegativos que los del etino (sp). El cálculo de las densidades electrónicas en estos tres compuestos refleja claramente este hecho:
(azul +, rojo -)
Etano
Eteno
Etino
Los hidrógenos tienen una coloración azul más acusada desde el etano al etino, prueba de su menor densidad
electrónica como consecuencia de la electronegatividad creciente del carbono.
HIBRIDACIÓN DE ORBITALES ATÓMICOS EN NITRÓGENO Y OXÍGENO
sp3 Nitrógeno
Oxígeno
Estructura
Tipo Aminas Sales de amonio
Alcoholes Éteres Alcóxidos
Geometría Piramidal Tetraédrica Angular -
Las aminas, sales de amonio, alcoholes y éteres son especies estables. Los alcóxidos son especies muy reactivas (intermedios de reacción).
sp2 Nitrógeno
Oxígeno
Estructura Tipo Iminas Sales de imonio Carbonilos Geometría Trigonal plana Trigonal plana Trigonal plana
Los tres tipos de compuestos tienen en general estabilidad suficiente como para poder almacenarse sin problemas especiales. Los compuestos con grupos carbonilo son muy variados: pueden ser aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, haluros de ácido, anhídridos, ésteres y amidas, entre otros.
. sp Nitrógeno
Los nitrilos son compuestos estables
Estructura
Tipo Nitrilos
Geometría Lineal
PARÁMETROS DE ENLACE Enlace Longitud típica
(A) Momento dipolar (D)
Energía de disociación (kcal/
mol)
C-H 1.07 0.40 99
X-H 1.01(N) 0.96(O)
1.31(N) 1.51(O)
93(N) 111(O)
C-C 1.54 0 83
C=C 1.33 0 146
C≡C 1.20 0 200
C-N 1.47 0.22 73
C=N 1.30 1.90 147
C≡N 1.16 3.50 213
C-O 1.43 0.74 86
C=O 1.23 2.30 184
C-Cl 1.78 1.46 81
C-Br 1.93 1.38 68
C-I 2.14 1.19 51
3.5.-TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR
La mezcla de N orbitales atómicos da lugar a N orbitales moleculares
Ej.: Hidrógeno
La combinación de dos orbitales atómicos 1s da lugar a un orbital molecular enlazante σ y a un orbital antienlazante σ*.
Los dos electrones de la molécula ocupan el orbital molecular enlazante
Los orbitales moleculares tipo σ también se pueden formar por solapamiento frontal de orbitales p
o de orbitales híbridos
Los orbitales moleculares tipo π se producen por solapamiento lateral de orbitales p
Formación de dos orbitales π por solapamiento lateral de orbitales p. Triple enlace carbono-carbono.
Un enlace covalente será polar si los átomos enlazados tienen cierta diferencia de electronegatividad
3.6.- Enlace covalente polar: Polaridad de los enlaces y las moléculas
Cada enlace tiene un momento dipolar “µ” (magnitud vectorial que depende la diferencia de electronegatividad entre los átomos cuya dirección es la línea que
une ambos átomos y cuyo sentido va del menos electronegativo al más electronegativo).
Momentos Dipolares de enlaces
Enlace Momento Dipolar, D Enlace Momento Dipolar,
D H-F 1.7 C-F 1.4 H-Cl 1.1 C-O 0.7 H-Br 0.8 C-N 0.4 H-I 0.4 C=O 2.4 H-C 0.3 C=N 1.4 H-N 1.3 C≡N 3.6
H-O 1.5
La dirección del momento dipolar es hacia el átomo más electronegativo.
La polaridad de las moléculas depende de dos factores:
a) La existencia de enlaces covalentes polares
b) Una geometría que lo permita
CO2 BF3
CH4 H2O
NH3
4.‐REPRESENTACIÓNDELASMOLÉCULASENQUÍMICAORGÁNICA
4.1.- TIPOS DE FÓRMULAS
Fórmula Molecular
C2H6O C4H10
Formula Estructural
Fórmula Desarrollada Formula Esqueletal
En 2 D En 3 D
Clase Grupo funcional Ejemplo
alcanos ninguno CH3-CH3 Etano
alquenos CH3CH=CH2
Propeno
alquinos CH3-C≡C-CH3 2-Butino
haluros de alquilo -halógeno CH3-CH2-Br Bromuro de etilo
4.2.- PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES.
(homo) aromáticos
Tolueno
(hetero) aromáticos
3-Metilpiridina
Clase Grupo funcional Ejemplo
alcoholes fenoles -OH
CH3-CH2-OH Etanol
Ph-OH Fenol
éteres -O- CH3-CH2-O-CH2-CH3 Dietiléter
Clase Grupo funcional Ejemplo
aldehídos Etanal
cetonas Propanona
Clase Grupo funcional Ejemplo
ácidos carboxílicos
Ácido acético
ésteres Acetato de etilo
amidas Acetamida
haluros de acilo anhídridos
Cloruro de acetilo Anhídrido acético
nitrilos -C≡N CH3CN Acetonitrilo
nitroderivados -NO2 CH3NO2
Nitrometano
iminas
Metilimina de la propanona
tioles -SH CH3-CH2-SH Etiltiol
sulfuros -S- (CH3)2S Dimetilsulfuro
sulfonas -SO2- CH3SO2CH3 Dimetilsulfona
ácidos sulfónicos -SO2-OH CH3CH2CH2SO2OH Ácido propanosulfónico
Clase Grupo funcional Ejemplo
Clasificacióndeloscompuestosorgánicos
Clasificación de los compuestos orgánicos
Solo con C-H C-H y otros elementos
hidrocarburos
Cadena abierta Cadena cerrada
Saturados insaturados
alcanos alquenos
alquinos
ciclos aromáticos
Ciclo alcano
Ciclo alqueno
Ciclo alquino
5.‐ISOMERÍA
¿QUE SON ISOMEROS?
Dos especies químicas diferentes se dice que son isómeras cuando tienen la misma
composición elemental y el mismo peso molecular
Los isómeros no son superponibles y tienen el mismo número de átomos de cada tipo
TIPOS DE ISOMERIA
TIPOS FUNDAMENTALES DE ISOMEROS:
• ESTRUCTURALES • ESTEREOISOMEROS
TIPOS DE ISOMERÍA
5.1.- ISOMERÍA ESTRUCTURAL
Isomería de cadena
Isomería de posición
Isomería de función
Son isómeros que difieren entre sí en que sus átomos están unidos de diferente forma
- No todos los grupos están unidos a los mismos centros -Son moléculas muy diferentes tanto en sus propiedades físicas como
químicas
ISOMERÍA DE CADENA
¿Cuántos isómeros tiene el butano?
¿Cuántos isómeros tiene el pentano?
Los isómeros de cadena difieren en la forma en que están unidos los átomos de carbono entre sí para formar una cadena
ISOMERÍA DE POSICIÓN
Hay dos isómeros estructurales con la fórmula molecular C3H7Br
Del alcohol con fórmula molecular C4H9OH se obtienen:
Dos isómeros de posición Dos isómeros de cadena
Los isómeros de posición difieren en las posiciones que ocupan sus grupos en la estructura carbonada
En los derivados del benceno se dan casos muy importantes de isomería de posición
Fórmula molecular C7H8Cl
ISOMERÍA DE FUNCIÓN
Fórmula molecular C3H6O
2-propen-1-ol
Los isómeros de función difieren en sus grupos funcionales - La forma en que están unidos los átomos da lugar a grupos funcionales
distintos
Fórmula molecular C3H6O2
4.3.- EL NOMBRE DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS
Nombre Molecular Formula
Estructural Formula Isomeros Nombre Molecular
Formula Estructural
Formula Isomeros
Metano CH4 CH4 1 hexano C6H14 CH3(CH2)4CH3 5
Etano C2H6 CH3CH3 1 heptano C7H16 CH3(CH2)5CH3 9
propano C3H8 CH3CH2CH3 1 octano C8H18 CH3(CH2)6CH3 18
butano C4H10 CH3CH2CH2CH3 2 nonano C9H20 CH3(CH2)7CH3 35
pentano C5H12 CH3(CH2)3CH3 3 decano C10H22 CH3(CH2)8CH3 75
Grupo CH3– C2H5– CH3CH2CH2– (CH3)2CH– CH3CH2CH2CH2– (CH3)2CHCH2– CH3CH2CH(CH3)– (CH3)3C– R–
Nombre Metil Etil Propil Isopropill Butil Isobutil sec-Butil tert-Butil Alquil
ALCANOS
GRUPOS ALQUILO
Nombre Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Cicloheptano Cicloalcano
Molecular Formula C3H6 C4H8 C5H10 C6H12 C7H14 CnH2n
Estructural Formula
(CH2)n
Esqueletal Formula
CICLOALCANOS
Reglas IUPAC para nombrar alcanos 1. Encuentre y nombre la cadena continua más larga de carbonos.
2. Identifique y nombre los grupos unidos a esta cadena. 3. Numere la cadena empezando por el extremo más próximo a un sustituyente.
4. Designe la localización de cada grupo sustituyente por el apropiado número y nombre. 5. Construya el nombre, listando los grupos en orden alfabético.
Los prefijos di, tri, tetra etc., usados para designar varios grupos iguales, no se consideran en la ordenación alfabética.
3,4-dicloro-4-etil-5-metilheptano
3-metilhexano
Carbono 1rio, 2rio, 3rio, 4rio
Reglas IUPAC para la nomenclatura de Alquenos
1. El sufijo -eno indica un alqueno o cicloalqueno. 2. La cadena principal debe incluir los dos átomos de carbono unidos por el doble enlace. 3. La cadena principal debe ser numerada por el extremo más próximo al doble enlace. Si
la insaturación está en el centro de la cadena se empieza a numerar por el extremo que tenga más próximo un sustituyente.
4. El más pequeño de los números asignados a los átomos del doble enlace se utiliza para indicar la posición de la insaturación. Si hay más de un doble enlace el compuesto es
denominado dieno, trieno,.. 5. En los cicloalquenos a los carbonos del doble enlace se les asigna los números 1 y 2.
El número 1 puede ser determinado por la regla de los sustituyentes. 6. Grupos sustituyentes más importantes conteniendo doble enlace son:
H2C=CH– Grupo vinilo H2C=CH–CH2– Grupo alilo
1.- (CH3)2C=CHCH2C(CH3)3 2.- (CH3CH2CH2)2C=CH2
3.- (C2H5)2C=CHCH(CH3)2 4.- CH2=C(CH3)CH(CH3)C(C2H5)=CH2
¿Cuál es el nombre de los siguientes alquenos?
Reglas IUPAC para la Nomenclatura de Alquinos 1. El sufijo -ino indica alquino o cicloalquino.
2. La cadena principal debe contener a los dos carbonos unidos por el triple enlace. 3. La cadena principal debe ser numerada desde el extremo más próximo al triple
enlace. Si el triple enlace está situado en el centro de la cadena se aplica la regla de los sustituyentes.
4. El menor número de los carbonos unidos por triple enlace debe ser usado como localizador de la insaturación.
5. Si están presentes varios enlaces múltiples, cada uno debe tener su localizador. Los dobles enlaces preceden a los triples en los nombres IUPAC, pero la cadena debe ser
numerada a partir del extremo que tenga más próximo un enlace múltiple sea cual sea su naturaleza.
6. A causa de su carácter linear, los anillos que pueden acomodar un triple enlace deben tener al menos diez carbonos. En los cicloalquinos simples los carbonos unidos por el
triple enlace son numerados con el 1 y el 2. El número 1 se determina por la proximidad de los sustituyentes.
7. Grupos sustituyentes conteniendo triple enlace son: HC≡C– Grupo Etinil
HC≡CH–CH2– Grupo Propargil
Ejemplos alquenos y alquinos
PROBLEMAS DE MORRISON & BOYD pag. 120
PROBLEMAS DE MORRISON & BOYD pag.290