capitulo 1. introduccion a la quimica organica p

1. INTRODUCCIN A LA QUMICA ORGNICA.

a Qumica Orgnica es definida como el rea que estudia los compuestos del carbono. El

nombre es engaoso y corresponde a una reliquia de tiempos muy antiguos, cuando la qumica orgnica corresponda al estudio de los compuestos de los organismos. Es la

qumica de los colorantes y las drogas, el papel y las tintas, de las pinturas y los plsticos,

de la gasolina y los neumticos, vestuario y alimentos. La enorme cantidad de compuestos

orgnicos no tiene equivalente en el campo inorgnico.

1.1. Concepto primitivo de compuestos orgnicos

Los primeros qumicos consideraban a los compuestos que forman las rocas y el terreno como inorgnicos y a los compuestos que se originan de las plantas o de los animales como orgnicos. Crean que los compuestos orgnicos slo podan formarse en los organismos

vivientes a travs de la accin de una misteriosa "fuerza vital" asociada a los procesos de la vida. En 1828, el qumico alemn Friedrich Whler convirti el cianato de amonio, una sal

inorgnica, en urea, un compuesto orgnico, que es excretado en la orina de los mamferos.

Esta primera sntesis de un compuesto orgnico en el laboratorio revolucion las ideas de los

qumicos e hizo que se abandonara la teora de la "fuerza vital".

1.2. Definiciones modernas de compuestos orgnicos y qumica orgnica Ahora, definimos los compuestos orgnicos como compuestos de carbono. La qumica

orgnica es por tanto el estudio de los compuestos que contienen carbono. No se incluyen

las sales metlicas de aniones que contienen carbono, tales como los carbonatos (CO3-2), los

bicarbonatos (HCO3-), los cianuros (CN-) y los cianatos (OCN-).

1.3. Fuentes de los compuestos orgnicos

Muchos de los compuestos orgnicos an provienen de fuentes naturales (animales y

plantas), pero la mayor parte de los productos orgnicos que ahora se usan son obtenidos

por sntesis. El petrleo, carbn y gas natural son las principales materias primas de las

cuales se sintetiza una gran variedad de compuestos orgnicos.

1.4. Caractersticas del carbono y sus enlaces

El elemento carbono posee caractersticas muy especiales que, reunidas, lo han convertido

en el eje de esta abundante e importante rama de la qumica. Entre estas caractersticas

tenemos: a) Los enlaces entre los carbonos son covalentes y fuertes.

b) Presenta multiplicidad de enlace.

c) Sus compuestos poseen relativos bajos pesos moleculares.

d) Puede formar cadenas y anillos (ciclos) que pueden tener ramificaciones.

e) El nmero de ismeros aumenta con la complejidad de la molcula orgnica.

f) Los carbonos forman enlaces con casi todos los elementos de a tabla peridica.

NH4OCN H2N C NH2

O

calor

L

1. Introduccin a la Qumica Orgnica. 2

1.5. Diferencias en propiedades fsicas entre compuestos orgnicos y compuestos

inorgnicos. Los compuestos orgnicos se diferencian de los inorgnicos tanto en sus propiedades fsicas

como qumicas. Entre las primeras tenemos:

a) Puntos de ebullicin ms bajos debido a fuerzas intermoleculares casi dbiles. Los

iones, con fuerzas electrostticas.

b) Las fuerzas intramoleculares (interatmicas) muy fuertes. Los iones son separados por el agua.

c) La mayora son insolubles en agua pero solubles en solventes orgnicos. Las sales

inorgnicas son solubles en agua y no en solventes orgnicos.

1.6. Diferencias en la reactividad qumica entre compuestos orgnicos e inorgnicos.

Con relacin a la reactividad, las diferencias entre los compuestos orgnicos e inorgnicos son, entre otras:

a) Las reacciones inicas a menudo ocurren instantneamente. Las reacciones entre las

molculas orgnicas covalentes se efectan ms lentamente y con frecuencia

necesitan temperaturas ms altas y/o catalizadores.

b) Muchas reacciones de los compuestos orgnicos dan mezclas de productos. c) Los compuestos orgnicos son menos estables al calor. Por lo general se descomponen

a temperaturas superiores a los 700 C, las cuales rompen muchos de sus enlaces

covalentes.

d) Los compuestos orgnicos son ms susceptibles a la oxidacin. Los hidrocarburos

arden en O2 para dar CO2 y H2O. En general, los compuestos inorgnicos permanecen

sin cambiar, incluso despus de sufrir calentamiento intenso.

Tabla 1. Propiedades de compuestos orgnicos versus propiedades de compuestos inorgnicos:

Compuestos inorgnicos tpicos Compuestos orgnicos tpicos

(1) Partculas fundamentales: Iones. (1) Partculas fundamentales: molculas.

(2) Atracciones entre partculas: atracciones electrostticas.

(2) Atracciones entre partculas: uniones de hidrgeno, atraccin dpolo-dipolo,

fuerzas de van der Waals.

(3) Elevada solubilidad en agua, pero

pobre solubilidad en disolventes

orgnicos. Sus soluciones acuosas son buenos conductores de la electricidad.

(3) Solubilidad en agua pobre, pero

elevada solubilidad en disolventes

orgnicos no polares. Sus soluciones son conductores pobres de la

electricidad.

(4) Elevados puntos de fusin y de

ebullicin.

(4) Bajos puntos de fusin y de

ebullicin

(5) Baja volatilidad. (5) Alta volatilidad.

(6) Usualmente estables al calor. (6) Usualmente inestables al calor. (7) Las reacciones son simples, rpidas y

con frecuencia dan rendimientos

cuantitativos.

(7) Las reacciones son ms complejas,

lentas, y con frecuencia dan

rendimientos menores del 100% con

formacin de subproductos.

1.7. Identificacin de compuestos orgnicos. Para llevar a cabo el estudio de los compuestos orgnicos, ya sean conocidos o desconocidos,

de origen natural o sinttico, estos deben ser aislados e identificados. La rama de la qumica

orgnica que se encarga de estos estudios se llama Anlisis Orgnico. Las etapas bsicas del anlisis orgnico son aislamiento, purificacin e identificacin.

A. Mtodos de aislamiento. La mayor parte de los compuestos orgnicos, sean aislados

de la naturaleza o preparados por sntesis son obtenidos en principio como una mezcla. Los componentes de una mezcla pueden separarse convenientemente por tcnicas tales

como extraccin o por cromatografa que aprovechan las diferencias en las formas en que

Qumica Orgnica 1. 3

estos componentes se distribuyen en dos fases diferentes. Se emplean tambin tcnicas

como evaporacin, cristalizacin, destilacin, etc. B. Mtodos de purificacin. Para identificarlo el compuesto debe estar puro. Para

lograrlo, se emplean las tcnicas antes mencionadas. Una vez que un compuesto se ha

separado de Otros componentes de una mezcla, se somete a purificacin. Un compuesto slido puede purificarse por cristalizacin o por sublimacin. En tanto que un compuesto lquido se puede purificar por destilacin.

C. Identificacin o Caracterizacin. Es la etapa final del proceso. Se aplican tcnicas cualitativas y cuantitativas de anlisis orgnico. Consiste en la asignacin de su

estructura correcta. Consta, a su vez, de las siguientes etapas:

a) Determinacin de las propiedades fsicas y establecimiento del grado de

pureza. Un compuesto orgnico puro tiene muchas propiedades fsicas que le son

nicas. El qumico orgnico acostumbra caracterizar un compuesto orgnico por su

punto de ebullicin, punto de fusin, ndice de refraccin, densidad, solubilidad, etc. Compuestos pticamente activos: rotacin especfica. En la literatura qumica hay

una amplia documentacin de los datos que se han recopilado de los compuestos

conocidos.

b) Determinacin de la frmula molecular. Por medio del anlisis qumico se puede

determinar la composicin elemental de un compuesto. Esta informacin, aunada con los resultados de la determinacin de masa molecular, hace posible que un qumico

orgnico pueda calcular la frmula molecular del compuesto. Peso molecular,

frmula mnima o elemental. Anlisis elemental cualitativo y cuantitativo.

c) Identificacin por mtodos qumicos. Una vez que se ha encontrado la frmula

molecular de un compuesto desconocido, se adelanta en el conocimiento de su

identidad estructural mediante un estudio sistemtico de su comportamiento qumico y relacionndolo qumicamente con derivados de estructura conocida. Determinacin

de la clase: Pruebas de solubilidad para clasificacin. Reacciones de clasificacin

especficas para las funciones orgnicas. Con frecuencia se usa la sntesis del mismo

compuesto por mtodos independientes para comprobar su estructura qumica.

d) Identificacin por mtodos instrumentales. Recientemente se han desarrollado numerosos mtodos espectroscpicos muy tiles y que ahorran mucho tiempo que se

utilizan como herramienta para la identificacin estructural Esos mtodos se basan

en el hecho de que cada compuesto orgnico produce un espectro caracterstico o

"huella digital". En la mayora dc los laboratorios de qumica orgnica se ha

convertido en prctica rutinaria investigar la identificacin estructural de los

compuestos orgnicos por comparacin o por escrutinio de sus espectros. El Anlisis Orgnico Moderno emplea las diversas tcnicas espectroscpicas como son:

ultravioleta (UV), infrarrojo (IR-FT), resonancia magntica nuclear (RMN-H, RMN-C,

RMN-N), resonancia del espn electrnico (RSE), masas, etc.

1.8. Tcnicas de purificacin y separacin. 1.8.1. Extraccin. Remocin de un componente de una mezcla slida o una solucin por

medio de un disolvente apropiado. Por filtracin se separa el residuo sin disolver, y

luego por evaporacin del disolvente del extracto se asla el componente deseado. Se

emplea un embudo de separacin. Generalmente se obtiene un producto crudo, se

repite el proceso. Existen aparatos para extraccin continua (Soxhlet). Coeficiente de

reparto o distribucin: relacin de las concentraciones en las diferentes capas de solvente. K = CA/CB, expresado en g/mL de solucin.

1.8.2. Destilacin. Separacin de dos o ms lquidos por evaporacin-condensacin.

Deben tener puntos de ebullicin diferentes. Destila primero el de menor punto de

ebullicin. Varios tipos: sencilla, por arrastre de vapor, fraccionada, a presin

reducida (al vaco).

1.8.3. Cristalizacin. Separacin de mezclas de slidos mediante la disolucin a altas temperaturas y posterior enfriamiento de la solucin saturada. Encontrar el solvente

adecuado no es fcil. Cuando se vuelve a hacer se llama recristalizacin y si se repite


varias veces debido a la dificultad para realizar una sola cristalizacin, se conoce

como cristalizacin fraccionada. 1.8.4. Mtodos cromatogrficos. Se emplean para purificar y para identificar. A pequea

escala. Se inici con los pigmentos vegetales. Adsorbentes, sustancia inerte, slida,

que sirve de soporte (fase estacionaria) y un solvente que arrastra las sustancias a

travs de la columna cromatogrfica (fase mvil). Tipos: de columna, en capa fina o

capa delgada, en papel, en fase gaseosa. Hoy en da, se emplea la cromatografa a presin (flash) y la HPLC (cromatografa lquida de alta eficiencia o resolucin).

1.9. Anlisis elemental cualitativo.

La determinacin de los elementos que existen en una molcula se llama anlisis cualitativo

elemental. Los elementos ms comunes en los compuestos orgnicos son el carbono,

hidrgeno y oxigeno. Menos comunes, aunque se encuentran con mucha frecuencia. Son el nitrgeno, azufre y halgenos, mas no necesariamente en este orden.

El anlisis elemental de un compuesto indica los elementos qumicos presentes en la

muestra y su proporcin, lo cual da buenas pistas para determinar su composicin y

estructura. Existen aparatos automatizados para estos anlisis.

Los mtodos clsicos implican un tratamiento inicial de la muestra para convertir sus elementos qumicos constitutivos en sales inorgnicas apropiadas para su identificacin.

Estos tratamientos consisten en la fusin con sodio, magnesio o cobre, segn sea el caso.

Con el uso de esta tcnica se pueden determinar la presencia de nitrgeno, azufre y

halgenos (cloro, bromo y yodo). Estos elementos. si existen, son convertidos en inicos

inorgnicos fcilmente identificables.

El AgCl es un precipitado blanco y soluble en NH4OH concentrado, en tanto que el AgBr es un precipitado amarillo. Insoluble en NHOH concentrado.

Para la determinacin de carbono e hidrgeno se calcina la sustancia con xido cprico y

sus gases se tratan con hidrxido de bario.

Consultar mtodos cuantitativos para determinar elementos: de Carius (para S), Beilstein y Carius (para X), Liebig (para C e H), Dumas y Kjendahl (para N).

1.10. Anlisis cuantitativo elemental La determinacin de la composicin en porcentaje de cada elemento presente en un compuesto se llama anlisis cuantitativo elemental.

1.10.1. Mtodo tradicional. El mtodo usual para determinar la composicin en porcentaje

de carbono e hidrgeno es quemar una muestra pesada de un compuesto orgnico en un

tubo que se empaca con xido de cobre y a travs del cual se pasa una corriente de oxgeno.

La combustin de la muestra 7OOC convierte al carbono en bixido de carbono y al hidrogeno en agua. Estos productos de la combustin se hacen pasar a travs de dos

trampas de absorcin, previamente pesadas, una empacada con un agente deshidratante,

perclorato de magnesio y otra con Ascarita. que contiene la base hidrxido de sodio (vase la

Fig. 1.1). El vapor de agua producido es atrapado en la trampa que contiene el agente

deshidratante, en tanto que el bixido de carbono producido es absorbido en la trampa que contiene la base. El aumento en el peso de cada trampa. (1 el peso de agua y de bixido de

carbono formados en la combustin, que oportunamente se relacionan con el contenido en

carbono e hidrgeno en la muestra de la sustancia mediante los siguientes clculos:

destruye al excesode sodio con alcohol

Muestra que contiene N, S, X

sodio calentado al rojo

residuoH2O

FeCl3

Solucin reactivoque contieneCN , S , X

CN -

S 2-

X -

FeCl3

Pb(OAc)2

AgNO3

Fe[Fe(CN)6]-, una solucin azul

PbS, un precipitado negro

AgX, un precipitado

Qumica Orgnica 1. 5

H% en la muestra = muestra la de peso

muestra laen H de peso x 100 =

muestra la de peso

18.02

2.016 x producida agua de peso

x 100

C % en la muestra = muestra la de peso

muestra laen C de peso x 100 =

muestra la de peso

44.01

12.01 x producido CO de peso 2

x 100

Representacin esquemtica de un aparato de combustin

1.10.2. Mtodo moderno. Las determinaciones modernas del porcentaje de carbono, hidrgeno y nitrgeno en una muestra de sustancia orgnica se efectan usualmente con

analizadores automticos basados en los principios de la cromatografa de gases

1.11. Determinacin del peso molecular.

1.11.1. Mtodos fsicos: A) Densidad de vapores y peso moleculares. Mtodos de Meyer y Dumas, para lquidos

de bajos puntos de ebullicin. Se vaporiza el compuesto y se calcula el peso de 22,4 litros,

en condiciones normales (ETP), pero midiendo un volumen conocido de vapor. Ejercicio:

Una muestra de 0,1930 g de un compuesto orgnico voltil se convirti al estado

de vapor. El vapor ocup un volumen de 177 mL a 100 C y 745 mm de presin. Calcular el peso molecular del compuesto. R: 34 g/mol.

B) Mtodo crioscpico. Basado en las propiedades coligativas de las soluciones. un mol

de un compuesto no ionizado, disuelto en 1.000 de un disolvente puro, desciende cierto

valor el punto de congelacin del disolvente. Este valor es caracterstico del disolvente

(constante crioscpica). Agua (1,85 C); benceno (5,10 C); alcanfor (40 C). Ejercicio:

Una solucin que contiene 18 g de glucosa, disueltos en 200 g de agua, tiene un

punto de congelacin de 0,93 C. Calcular el peso molecular de la glucosa. R:

180 g/mol.

1.11.2. Mtodos qumicos.

Consultar mtodos qumicos: (de la sal de plata para cidos; otro para cidos y bases orgnicas, etc.)

1.12. Determinacin de frmulas empricas. La frmula emprica de un compuesto es la que contiene los tomos de varios elementos en el

compuesto en la menor proporcin de nmeros enteros (por ejemplo, C2H5). Se determina a

partir de la composicin centesimal. No indica cuantos tomos hay en la molcula ni su

agrupacin. Se dividen los porcentajes de cada elemento entre su peso atmico y los cocientes se dividen entre el menor de ellos. Los valores resultantes se aproximan al entero

ms cercano. Ejemplo: El anlisis elemental de un compuesto orgnico desconocido muestra que

contiene 82.76 % de carbono y 17.24% de hidrgeno en peso Cul es la frmula emprica

de este compuesto?


Solucin. Al resolver problemas de este tipo, primero se suman las proporciones en

porcentaje dadas. Si el total es 100, el compuesto slo contiene carbono e hidrgeno. Si el total es menor de 100, existen adems otros elementos En los casos en que el resultado

de la fusin con sodio es negativo, la diferencia en la proporcin en porcentaje puede

atribuirse a oxgeno En este problema. El compuesto slo contiene carbono e hidrgeno.

Por conveniencia consideremos una muestra de 100 g del compuesto desconocido. Tal

muestra contiene 82.76 g de carbono y 17.24 g de hidrgeno.

tomos gramos de C en 100 g de sustancia = C del atmica masa

C del peso

= 12.01

82.76 = 6.90

tomos gramos de H en 100 g de sustancia = H del atmica masa

H del peso

= 1.008

17.24 = 17.10

Relacin de tomos gramo:

H de gramo tomos

C de gramo tomos =

17.10

6.90

Relacin atmica: Como un tomo gramo de cualquier sustancia con tiene un nmero fijo

(nmero de Avogadro) de tomos, la relacin entre tomos de carbono y tomos de

hidrgeno en una molcula del compuesto desconocido, debe ser la misma que la relacin

entre tomos de los dos elementos en la muestra de 100 g.

H de gramo tomos de Nmero

C de gramo tomos de Nmero =

17.10

6.90

Relacin atmica ms simple:



17.10

6.90 =

6.90 / 17.10

6.90 / 6.90 =

2.48

1.00

Relacin atmica ms simple en nmeros enteros;



2.48

1.00 =

2 x 2.48

2 x 1.00 =

4.96

2.00

5.00

2.00

Por consiguiente la frmula emprica es C2H5.

Ejercicios:

1) El anlisis cuantitativo de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno

oxgeno, dio el resultado siguiente: carbono 40,00%; hidrgeno 6,67%; oxgeno

53,33%. Calcular la frmula emprica del compuesto. R: CH2O. 2) El anlisis cuantitativo de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno y

nitrgeno, dio el resultado siguiente: carbono 65,00%; hidrgeno 3,51%;

nitrgeno 9,58%. Calcular la frmula emprica del compuesto.

R: C8H5NO2.

1.13. Determinacin de frmulas moleculares. La frmula molecular de un compuesto contiene el nmero real de tomos de los diversos

elementos de la molcula. Es un mltiplo simple de la frmula emprica por ejemplo, C4H10). Ejemplo: Cul es la frmula molecular del compuesto descrito en el ejemplo 1, si se

encuentra que su masa molecular es 58.08? Solucin. Frmula emprica = C2H5;

Masa que corresponde a la frmula emprica = 2 (12.01) + 5 (1.008) = 29.04

Frmula molecular = (C2H5)n en donde

n = emprica frmula la a ecorrespond que masa

compuesto del molecular masa =

29.04

58.08= 2

Por consiguiente, la formula molecular del compuesto es (C2H5)2 o bien C4H10. Ejercicios:

Qumica Orgnica 1. 7

1) Cul es la frmula molecular de una sustancia de frmula emprica CH2O y

de peso molecular 30 g/mol? R: CH2O. 2) Cul es la frmula molecular de una sustancia de frmula emprica CH2O y

de peso molecular 180 g/mol? R: C6H12O6.

1.14. Frmulas estructurales. La frmula estructural de un compuesto muestra cmo estn unidos entre s cada uno de los

tomos, considerando su estructura electrnica y la valencia de los tomos. La frmula condensada es una representacin simplificada ms conveniente de la frmula estructural. En esta frmula, n grupos idnticos unidos al mismo tomo de carbono se colocan entre parntesis utilizando n como ndice. Estas frmulas se ilustran en la Tabla

para compuestos con la frmula molecular C4H10.

Tabla 2. Frmulas de dos molculas de C4H10 n-Butano e Isobutano)

n-butano Isobutano

Frmula estructural

Frmula condensada CH3CH2CH2CH3 (CH3)3CH

Punto de ebullicin -0.5 0C -12 C

1.15. Ismeros

Los ismeros son los compuestos que tienen la misma frmula molecular, pero diferente distribucin de los tomos y distintas propiedades.

1.15.1. Ismeros estructurales. Los ismeros que difieren en el acomodo de los tomos,

pero no respecto a la distribucin tridimensional de los tomos en el espacio se llaman ismeros estructurales (o ismeros constitucionales). Los tres tipos de ismeros estructurales

son

(A) Ismeros de cadena los cuales difieren en la distribucin del esqueleto de carbonos en la molcula. Ejemplo:

(B) Ismeros de posicin los cuales difieren en la posicin del grupo funcional a lo largo del esqueleto de carbonos. Ejemplo:

(C) Ismeros funcionales los cuales difieren en la naturaleza del grupo funcional presente en la molcula. Ejemplo:

1.15.2. Estereoismeros. Los ismeros que muestran el mismo orden de colocacin de los tomos, pero que difieren slo en la posicin tridimensional de los tomos en el espacio se

llaman estereoismeros. Hay dos clases: (A) Ismeros geomtricos (tambin conocidos como ismeros E-Z o cis-trans) los cuales

resultan de la libertad restringida de rotacin alrededor de los dobles enlaces o en una

estructura cclica, respectivamente. Tales ismeros tienen propiedades fsicas diferentes.

(C) Ismeros pticos los cuales se encuentran en compuestos capaces de producir

C C C C

H H

H

H H H H

H H

H

C C C

C

H H

H

H

H

H

H

H

H H

CH3CH2CH2CH3 y CH3 CH CH3

CH3

CH3CH2CH2 y CH3CHCH3

Cl Cl

CH3 CH2 OH y CH3 O CH3


rotacin del plano de la luz polarizada. Las molculas ismeras quirales (vase definicin

de molculas quirales) que son imgenes especulares que no pueden superponerse (por ejemplo D y L-gliceraldehdo) son ejemplos de ismeros pticos; ellos desvan la luz

polarizada en un plano en direcciones opuestas.

Tabla 3. Ejemplos de estereoismeros.

Ismeros geomtricos* Ismeros pticos

* Aquellos ismeros geomtricos con grupos semejantes (usualmente hidrgenos) del mismo lado del doble enlace o de un anillo se denominan ismeros cis, y aquellos con grupos semejantes en lados opuestos se conocen como ismeros trans.

1.16. Determinacin de grupos funcionales.

Un grupo funcional es un tomo (por ejemplo, el halgeno en un halogenuro orgnico) o un

grupo de tomos acomodados en uniones especificas por ejemplo, el grupo -COOH en un

cido) que es responsable de las caractersticas qumicas de una molcula orgnica. Es el sitio reactivo de la molcula. La determinacin de los grupos funcionales consiste en aplicar

pruebas especficas de caracterizacin o identificacin para cada funcin qumica. (Ver

textos de Anlisis Orgnico). Entre las ms importantes estn:

Tabla 4. Pruebas qumicas para determinacin de grupos funcionales.

Funcin Nombre de la prueba

cidos carboxlicos y fenoles Prueba del Yoduro-yodato; Prueba del Carbonato de

sodio; Prueba del Cloruro frrico.

Aldehdos y cetonas Prueba de 2,4-dinitrofenilhidrazina; Prueba de Tollens

steres Prueba de hidroxilamina.

Alcoholes Prueba con sodio; Prueba con cloruro de acetilo;

Prueba del nitrato crico.

Hidrocarburos aromticos y teres Prueba el Cloruro de aluminio-cloroformo.

Aminas Prueba de Hinsberg: Prueba con cido nitroso

Compuestos nitro Prueba del hidrxido ferroso: Reduccin con zinc y

cloruro de amonio; Prueba de acetona -hidrxido de sodio

Amidas y nitrilos Hidrlisis con NaOH

Haluros de alquilo Prueba de nitrato de plata en etanol; Prueba del yoduro de sodio en acetona.

1.17. Clasificacin de los compuestos orgnicos.

El vasto nmero de compuestos orgnicos puede ser dividido en clases de compuestos de

acuerdo al grupo funcional presente. Los compuestos orgnicos se clasifican de acuerdo con sus propiedades qumicas en funciones qumicas, que dependen de la composicin y

H3C CH3

C C

H H

H

H

C C

CH3

H3C

y

cis-2-buteno trans-2-buteno

ClCl

Cl

Cl

cis-1,3-dicloro ciclobutano

trans-1,3-dicloro ciclobutano

y

y

CHO

H

HOCH2OH HO2HC

OH

H

OHC

C

CHO

H OH

CH2OH CH2OH

HO H

CHO

Cy

D-Gliceraldehdo L-Gliceraldehdo

Qumica Orgnica 1. 9

estructura molecular, organizados en grupos funcionales. Igualmente, se pueden organizar

para su mejor estudio, en orden de complejidad y grados de oxidacin, de la siguiente manera:

Hidrocarburos: Compuestos formados nicamente por carbono e hidrgeno.

Compuestos oxigenados:

Primer grado de oxidacin: alcoholes y teres.

Segundo grado de oxidacin: aldehdos y cetonas.

Tercer grado de oxidacin: cidos carboxlicos, anhdridos, steres, amidas, etc. Compuestos nitrogenados: aminas, nitrilos, etc.

Compuestos azufrados: tioles o mercaptanos, sulfuros, etc. Y as, con los otros elementos

diferentes al carbono.

En la tabla 5 que se presenta ms adelante, se hallan los grupos funcionales y funciones

orgnicas ms importantes.

1.18. Nomenclatura qumica orgnica.

1.18.1. Origen y evolucin de la nomenclatura orgnica. Los alquimistas

frecuentemente asignaban nombres a las sustancias con la intencin de ocultar lo que ellos

o sus colaboradores estaban trabajando. Esta actitud fue gradualmente cambiada al pasar

los aos, y ahora los qumicos se esfuerzan en revelar sus ltimas teoras y descubrimientos a otros investigadores ya sea oralmente o a travs de algn medio escrito. Para facilitar la

comunicacin de unos con otros, fue necesario disear un lenguaje especial el cual fue llamado nomenclatura qumica. Como es de esperarse esta nomenclatura no solamente define

a un compuesto dado en forma inequvoca sino que revela cuales tomos estn presentes,

cmo estn los tomos arreglados en las molculas y cmo son las relaciones qumicas con

otros compuestos. La nomenclatura qumica tal y como la conocemos hoy tuvo su comienzo cuando Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet y Fourcroy publicaron su "Methode de

Nomenclature Chimique" en 1787. En esta inicial contribucin se indicaba en un nombre los

elementos y, de ser posible, la proporcin relativa de stos elementos presentes en un

compuesto dado. Nombres tales como alcohol, ter y cido succnico fueron incluidos en sus

recomendaciones aunque su inicial inters fue con los compuestos inorgnicos.

La nomenclatura orgnica arranca realmente en la dcada de 1830 con Berzelius, Liebig y

Whler cuando nombres tales como cloruro de benzolo y yoduro de etilo fueron propuestos.

La primera consideracin efectiva de nomenclatura orgnica en una base internacional data

de 1889 cuando una Comisin Internacional para la reforma de la Nomenclatura Qumica se

organiza. Tres aos despus, 34 de los principales qumicos de 9 pases europeos se reunieron y acordaron lo que se conoci como las Reglas de Gnova para la nomenclatura.

El objetivo de este grupo consisti en proveer nombres adecuados para la regulacin

sistemtica de los compuestos orgnicos alifticos. Ellos introdujeron los siguientes

principios los cuales son considerados de importancia bsica en los nombres de compuestos

alifticos: (1) el nombre de las cadenas mayores es tomado como el nombre patrn; (2) la presencia de un grupo funcional o grupo caracterstico de tomos es indicado por un sufijo.

Ellos intentaron completar la tarea de desarrollar reglas para compuestos cclicos, pero esto

no ocurri sino mucho tiempo despus.

Actualmente, el recorrido de las reglas de nomenclatura para primeros propsitos de

aceptacin definitiva por la IUPAC puede ser tortuosos y, de ser admitida, el tiempo transcurrido para entrar en operacin puede llegar a ser muy largo.

Tabla 5. Clasificacin de compuestos orgnicos por sus grupos funcionales

Estructura Clasificacin Grupo funcional

R-H Alcano -

R-X Halogenuro orgnico -X

R-CC-R Alquino -CC-


R-C=C-R Alqueno -C=C-

R-OH Alcohol -OH

R-O-R ter -O-

R-NH2 Amina -NH2

-CN Nitrilo -CN

Aldehdo

Cetonas

cido carboxlico

ster de cido carboxlico

Anhdrido de cido carboxlico

Halogenuro de cido

Amida

R-S-R Sulfuro -S-

R-SH Tiol o mercapatano -SH

R-SO3H Acido sulfnico R4N+

R-SO2X Halogenuro de sulfonilo -SO2X

R-SO2NH2 Sulfonamida -SO2NH2

R-NO2 Nitro -NO2

1.18. 2. Construccin de nombres sistemticos. Para construir nombres correctos aplicando las recomendaciones o reglas de la IUPAC, se debe tener en cuenta los siguientes

aspectos: el nombre se compone de dos partes, la primera corresponde al nombre de un esqueleto carbonado elegido como cadena principal y los nombres de las partes estructurales que no quedan identificados en ste. A estas ltimas se les conoce como radicales o sustituyentes y se nombran siguiendo reglas similares a las empleadas para asignar

nombres a las cadenas principales, que el profesor expondr en clase.

Tabla 6. Resumen de nomenclatura IUPAC ordenada segn prioridad numrica decreciente

CLASE FRMULA SUFIJO PREFIJO

Cationes R4N+ -amonio amonio-

R4P+ -fosfonio fosfonio-

R3S+ -sulfonio sulfonio-

cidos carboxlicos

cido -oico

carboxi-

Anhdridos de los cidos

carboxlicos

Anhdrido -oico

steres de los cidos

carboxlicos

-oato de alquilo

alcoxicarbonil-

O

CHR CH

O

O

CR R' C

O

R COH

O O

COH

R R'CO

O O

CO

R R'COC

OO O O

COC

R CX

O O

CX

R

O

CNH2 CNH2

O

O

COH

O O

COC

O

CO

Qumica Orgnica 1. 11

Halogenuros de acilo

Halogenuro de -oilo

halogenoalcanoil-

Amidas

-amida

carbamoil-

Nitrilos -CN -nitrilo (u -onitrilo) ciano-

Aldehdos

-al

alcanoil-

Cetonas

-ona

oxo-

Alcoholes

-ol

hidroxi-

Mercapatanos

-tiol

mercapto-

Aminas

-amina

amino-

teres -O- RRter -oxa- (alcoxi-)

Sulfuros -S- RRsulfuro alquiltio-

Alquenos -C=C- -eno* alquenil-

Alquinos -CC- -ino* alquinil-

Halogenuros -X - halgeno-

Nitro -NO2 - nitro-

Alcanos -C-C- -ano* alquil-

* Sufijos sobre una raz. Los nombres de los alcanos, alquenos y alquinos son los

nombres principales a partir de los cuales se derivan otros nombres por adicin de sufijos y prefijos.

Tabla 7. Algunas abreviaturas empleadas comnmente en qumica orgnica:

Abreviatura Representa Abreviatura Representa

R- alquilo Pr- propilo (CH3CH2CH2-)

Ar- arilo (aromtico) Bu- butilo (CH3CH2CH2CH2-)

X- halgeno iPr- isopropilo (CH3) 2CH-

Ph-, - benceno (C6H5-) pri- primario

Me- metilo (CH3-) sec- secundario

Et- etilo (CH3CH2-) terc- terciario

Tabla 8. Races y nombres relacionados de los alcanos normales

# de carbonos Alcano normal

de la cadena ms larga

Raz Frmula condensada Nombre

1 met- CH4 Metano

2 et- CH3 CH3 Etano 3 pro- CH3 CH2CH3 Propano

4 but- CH3 (CH2)2CH3 Butano

5 pent- CH3 (CH2)3CH3 Pentano

6 hex- CH3 (CH2)4CH3 Hexano

7 hept- CH3 (CH2)5CH3 Heptano

8 oct- CH3 (CH2)6CH3 Octano 9 non- CH3 (CH2)7CH3 Nonano

O

CX

CNH2

O

CH

O

C

O

COH

CSH

N


10 dec- CH3 (CH2)8CH3 Decano

11 undec- CH3 (CH2)9CH3 Undecano

12 dodec- CH3 (CH2)10CH3 Dodecano 13 tridec- CH3 (CH2)11CH3 Tridecano

14 tetradec- CH3 (CH2)12CH3 Tetradecano

15 pentadec- CH3 (CH2)13CH3 Pentadecano

16 hexadec- CH3 (CH2)14CH3 Hexadecano

17 heptadec- CH3 (CH2)15CH3 Heptadecano

18 octadec- CH3 (CH2)16CH3 Octadecano 19 nonadec- CH3 (CH2)17CH3 Nonadecano

20 eicos- CH3 (CH2)18CH3 Eicosano

EJERCICIOS PRIMERA UNIDAD: INTRODUCCIN A LA QUMICA ORGNICA

COMPOSICIN PORCENTUAL.

1. El anlisis cuantitativo de un compuesto orgnico que contiene solamente carbono e

hidrgeno dio el siguiente resultado: Peso de la muestra 0,1233 g; peso del CO2 0,3868 g

y peso del H2O 0,1603 g. Calcular los porcentajes de carbono e hidrgeno en la muestra.

2. Un compuesto que contiene nitrgeno al someterlo al anlisis dio los siguientes resultados: se peg una muestra de 0,1960 g y produjo 84,7 cm3de nitrgeno, medido

sobre agua a 25C. La presin baromtrica fue de 740,0 mm. (La presin de vapor del

agua a 25C es de 23,5 mm.). Calcular el porcentaje de nitrgeno en la muestra.

3. El anlisis cuantitativo de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno y oxgeno, dio

los siguientes resultados: peso de la muestra 0,1341 g; peso del CO2 0,1966 g y peso del

agua H2O 0,0837 g. Calcular los porcentajes de carbono, hidrgeno y oxgeno en la muestra.

4. Se analiz por el mtodo de Carius un compuesto que contiene azufre. Se pes una

muestra de 0,2055 g y dio 0,3110 g de sulfato de bario. Calcular el porcentaje de azufre

en el compuesto.

5. Se analiz por el mtodo de Dumas una muestra de 4 mg de un compuesto orgnico, y se recogieron 0,312 mL de nitrgeno a 25C y 742 mm de presin. Calcular el porcentaje

de nitrgeno en la muestra.

6. Se analiz por el mtodo de Kjeldahl una muestra de 0,2150 g de un compuesto orgnico

y el amonaco obtenido neutraliz 85 cm de solucin de cido sulfrico 0,1N. Calcular el

porcentaje de nitrgeno en la muestra.

7. Se analiz por el mtodo de Carius un compuesto que contiene cloro. Se emple una muestra de 0,1500 g. El precipitado de cloruro de plata obtenido pes 0,3347 g. Calcular

el porcentaje de cloro en la muestra.

8. Se pes una muestra de 0,25 g de un compuesto orgnico que contiene 15% de bromo, y

se analiz por el mtodo de Carius. Qu peso de bromuro de pata se puede obtener

como resultado del anlisis? 9. Una muestra de 0,150 g de un compuesto que contiene 30% de azufre, se analiz por el

mtodo de Carius. Qu cantidad de sulfato de bario se puede obtener en este anlisis?

10. Se analiz por el mtodo de Carius una muestra de 0,150 g de un compuesto que

contiene cloro. El precipitado de cloruro de plata pes 0,330 g. Calcular el porcentaje de

cloro en la muestra.

11. Calcular el porcentaje de los elementos presentes en cada uno de los siguientes compuestos: a) CH4; b) C2H5OH; c) C21H23NO5; d) CHCl3; e) C6H7NO3S.

12. Un compuesto contiene carbono, hidrgeno y oxgeno, se someti al anlisis cuantitativo

y dio los siguientes resultados: peso de la muestra (0,1921 g); peso del CO2 (0,384 g);

peso del H2O (0,157 g). Calcular la frmula emprica del compuesto.


PESO MOLECULAR

13. Una muestra de 0,1930 g de un compuesto orgnico voltil, se convirti al estado de vapor. El vapor ocup un volumen de 177 mL a 100C y 745 mm de presin. Calcular el

peso molecular del compuesto.

14. El peso molecular de un compuesto se determin por el mtodo de Vctor Meyer. Se pes

una muestra de 0,1100 g de la cual se produjeron 24,16 cm3 de gas, medido sobre agua

a 25C. La presin baromtrica fue de 740,3 mm. (La presin de vapor del agua a 25C es de 23,5 mm.).

15. En un experimento similar al anterior una muestra de 0,200 g produjo 68,39 cm3 de gas,

medido sobre agua a 25C. La presin baromtrica fue de 720 mm.

16. Una solucin contiene 18 g de glucosa, disueltos en 200 g de agua, tiene un punto de

congelacin de 0,93C. Calcular el peso molecular de la glucosa.

17. Se pes una muestra de 4,20 g de una sustancia orgnica y, al disolverse en 100,0 g de agua, produjo una depresin del punto de congelacin de 0,432C. (La constante

crioscpica para el agua es de 1,85C). calcular el peso molecular de la sustancia.

18. Cuando se disuelven 60 g de una sustancia orgnica desconocida en 1000 g de agua, se

encuentra que disminuye el punto de congelacin del agua en 0,62C. Calcular el peso

molecular de la sustancia. 19. Una solucin que contiene 0,450 g de urea disuelta en 22,5 g de agua, produce un

ascenso el punto de ebullicin de 0,17C. Calcule el peso molecular de la urea.

20. Un cido monocarboxlico se convirti en sal de plata. 0,25 g de muestra de esta sal se

sometieron a incineracin y se obtuvieron 0,1616 g de plata pura. Cul es el peso

molecular del cido?

21. Una muestra de 0,224 g de un cido desconocido (p.f. 139-140C) necesit para neutralizarlo 14,14 mL de solucin de hidrxido de sodio 0,100 N. Calcular el peso

molecular del cido.

22. a) El punto de fusin del benceno es de 5,51C. Una solucin de 0,816 g de un

compuesto A, disuelto en 7,5 g de benceno, funde a 1,59C. Calcular el peso molecular d

A. b) Si la frmula emprica de A es C4H4O, cul es su frmula molecular? (La constante

crioscpica el benceno es 5,12).

FRMULAS EMPRICAS

23. El anlisis cuantitativo de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno y oxgeno, dio

el resultado siguiente: Carbono 40,00%; hidrgeno 6,67% y oxgeno 53,33%. Calcular la

frmula emprica del compuesto. 24. El anlisis cuantitativo de una sustancia orgnica que contiene carbono, hidrgeno,

oxgeno y nitrgeno dio el resultado siguiente: C (65,0%); H (3,51%) y N (9,58%). Calcular

la frmula emprica.

25. El anlisis cuantitativo de un compuesto orgnico dio el siguiente resultado: 85,7% de

carbono y 14,3% de hidrgeno. Hallar la frmula emprica.

26. El anlisis por combustin de una muestra de 0,430 g de un compuesto orgnico dio el siguiente resultado: CO2 (1,315 g) y H2O (0,640 g). Hallar la frmula emprica del

compuesto.

27. Calcular las frmulas emprica de los compuestos siguientes teniendo en cuenta la

composicin centesimal de cada uno:

a) C (23,76%);H (5,94%) Cl (70,3%) b) C (53,34%);H (15,56%) N (31,11%)

c) C (84,00%);H (16,00%)

d) C (48,65%);H (8,11%) O (43,24%)

28. Calcular los porcentajes de los elementos de los compuestos siguientes: a) C2H6O; b)

C3H8; c) C6H7N; d) C4H10O.

29. El anlisis cuantitativo de un compuesto orgnico dio los siguientes resultados: peso de la muestra N 1 (0,200 g); peso del CO2 (0,3887 g); peso del H2O (0,277 g); peso de la

muestra N 2 (0,150 g); volumen de nitrgeno en condiciones normales (37,3 cc).

Calcular la frmula emprica del compuesto.


30. El anlisis cuantitativo de un compuesto orgnico dio los siguientes resultados: peso de

la muestra (0,2178 g); peso del CO2 (0,4795 g); peso del H2O (0,157 g). Calcular la frmula emprica del compuesto.

31. Se pes una muestra de 0,2200 g de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno y

oxgeno. El anlisis de esta sustancia dio los resultados siguientes: peso del CO2 (0,6179

g); peso del H2O (0,1264 g). Calcular la frmula emprica del compuesto.

FRMULAS MOLECULARES

32. Una muestra del compuesto anterior que pes 5,312 g se disolvi en 50,0 g de alcohol y

aument el punto de ebullicin del disolvente en 1,30C. (Constante ebulloscpica para

el alcohol 1,15C).

33. Cul es la frmula molecular de una sustancia de frmula emprica CH2O y de peso

molecular 30? 34. Cul es la frmula molecular de una sustancia con frmula emprica CH2O y de peso

molecular 180?

35. El anlisis de una amina conduce a los siguientes resultados: 0,2430 g dan por

combustin 0,6900 g de CO2 y 0,1640 g de H2O. Por el mtodo de Dumas, una muestra

de 0,1830 g de muestra, da 25,3 cm3 de N2, medido a 18C y 705 mm de mercurio. Determnese su frmula molecular sabiendo que cuando se disuelven 0,1860 g de

sustancia en 10,0 g de benceno, el punto de ebullicin del disolvente se eleva 0,52C. El

ascenso ebulloscpico molal para el benceno es 2,62C.

36. El anlisis de una sustancia orgnica condujo a los siguientes resultados: 1,000 g dieron

1,180C de CO2 y 0,482 g de H2O. Su densidad de vapor con relacin al aire es 3,9.

0,2500 g de sustancia conducen, por el mtodo de Carius, a 0,638 g de cloruro de plata, y su hidrlisis la transforma en 1,3-propanodiol. Cul es su estructura? D los

ismeros posibles y los nombres correspondientes a la frmula molecular encontrada.

37. En el anlisis de un compuesto gaseoso a la temperatura ordinaria, se encontr que

contena 88,9% de carbono y 11,1% de hidrgeno. Su espectro infrarrojo contiene una

banda bastante ancha de cerca de 2200 cm-1. Solamente hay dos compuestos que

cumplen con esta descripcin. Cules son sus nombres? 38. El anlisis de un compuesto que contiene carbono, hidrgeno y oxgeno, dio el resultado

siguiente: 65,6% de carbono y 8,20% de hidrgeno. Calcular la frmula emprica. Una

muestra de 0,200 g del compuesto anterior, al disolverla en 20,0 g de cido actico (de

constante crioscpica = 3,86C) dio una solucin cuyo punto de congelacin disminuy

en 0,106C, con relacin al punto de congelacin del disolvente puro. Calcular la frmula molecular del compuesto.

FORMULACIN Y NOMENCLATURA QUMICA ORGNICA

39. Escriba la frmula estructural para cada uno de los siguientes compuestos:

a) 2,3,4-Trimetilhexano b) 2,2,3,3-tetrametilpentano c) 3-Etil-5,5-dimetilheptano d) 3-Etilpentano

e) 10-(1-metilpentil)eicosano f) 1-Etil-3-metilciclohexano

g) 1-Etil-3-propilciclopentano h) 2-Metilbutano

i) 2,7,8-Trimetildecano j) 3,4,4,5-Tetrametilheptano

k) 2,3,5-Trimetil-4-propilheptano l) 3-Ciclopropil-5-propilnonano

40. Indique el nombre IUPAC de cada uno de los siguientes compuestos:

CH3CH2CHCHCH2CH2CH3

H3C CH3a)

CH3CH2CH2CH2CHCH2CH2CH2CH3

CH3CH2CHCH3b)


CH3CH(CH3)CH(C2H5)CH3CH3CH CHCH2CHCH3

CH3CH3CH3c) d)

e) f)CH3 CH(CH3)2

C(CH3)3

CH3CH2CH2CCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3

g) h)

C

CH2CH3

CH3 CH3

CH2CH3

[(CH3)2CH]4C

capitulo 1. introduccion a la quimica organica p

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