origen importancia estructura propiedades de compuestos organicos

5/20/2018 Origen Importancia Estructura Propiedades de Compuestos Organicos

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Luz Marina Jaramillo Ph.D.Depto de Qumica

UNIVERSIDAD DEL VALLEVICERRECTORIA ACADMICA

DIRECCIN DE EDUCACIN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUMICA ORGNICA GENERAL

AUTORA:

LUZ MARINA JARAMILLO PhDProfesora TitularFacultad de Ciencias - Departamento de Qumica

Santiago de Cali, 2001


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Origen, Importancia, Estructura y Propiedades de

los Compuestos Orgnicos

Objetivos especficos

Introduccin

Contenido

1.1ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORGNICOS.......................................................................................... 5

1.2DESARROLLO HISTRICO DE LA QUMICA ORGNICA COMO CIENCIA ........................................................ 8

1.3ESTADO ACTUAL Y PROYECCIONES DE LA QUMICA ORGNICA............................................................... 12

1.4ESTRUCTURAS DE LEWIS Y FRMULAS EN QUMICA ORGNICA............................................................. 14

1.5LONGITUDES YNGULOS DE ENLACE ................................................................................................. 21

1.6ENERGA DE DISOCIACIN DE ENLACE:HOMLISIS Y HETERLISIS...................................................... 22

1.7

ENLACES COVALENTES POLARES Y POLARIDAD MOLECULAR. ............................................................... 25

1.7.1 Momentos Dipolares. ............................................................................................................ 26

1.8 FUERZAS INTERMOLECULARES .......................................................................................................... 28

1.8.1Interacciones Dipolo-Dipolo ................................................................................................... 28

1.8.2Enlace de Hidrgeno .............................................................................................................. 29

1.8.3Fuerzas de London................................................................................................................. 31

1.9 PROPIEDADES

FSICAS DE LOS

COMPUESTOS

ORGNICOS

................................................................... 321.9.1Punto de Fusin...................................................................................................................... 32

1.9.2Punto de Ebullicin ................................................................................................................. 33

1.9.3Solubilidad. ............................................................................................................................. 35

1.10 PROPIEDADES QUMICAS:CIDOS Y BASES...................................................................................... 41

1.10.1Teora de Bronsted-Lowry .................................................................................................... 41

1.10.2Teora de Lewis .................................................................................................................... 48

1.11 ORBITALES DE ENLACE EN MOLCULAS ORGNICAS .......................................................................... 50

1.11.1Estructura del Metano y el Etano: Hibridacin sp3 y orbitales moleculares......................... 51

1.11.2Estructura del Eteno (Etileno): Hibridacin sp2y Orbitales Moleculares .............................. 56

1.11.3Estructura del Etino (Acetileno): Hibridacin spy orbitales moleculares. ............................. 58


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Objetivos Especficos

Al finalizar este material el estudiante estar en capacidad de:

Describir los principales hechos histricos que sirvieron de base en la

estructuracin de la Qumica Orgnica como disciplina cientfica.

Identificar el papel protagnico de la Qumica Orgnica en el desarrollo de muchos

procesos tecnolgicos.

Comprender y valorar la importancia de la Qumica Orgnica en la interpretacin de

los fenmenos asociados con la vida.

Escribir la estructura de Lewis o la frmula estructural de un compuesto orgnico,

conociendo su frmula molecular.

Dada la estructura y caractersticas geomtricas de una sustancia orgnica, el

estudiante podr predecir su polaridad y la tendencia de algunas propiedades

fsicas.

Predecir el orden creciente o decreciente de basicidad o acidez de los cidos

conjugados de un conjunto de compuestos bsicos constituidos por elementos de

un mismo periodo.

Ordenar de acuerdo al comportamiento cido, un conjunto de compuestos cidos

con elementos de una misma familia.

Describir el concepto cido - base de Lewis.

Identificar en una reaccin cido - base los pares conjugados cido - base (fuerte y

dbil).

Explicar cualitativamente y a nivel de molculas orgnicas, los procesos de

hibridacin que conducen a los orbitales atmicos hbridos sp3, sp2 y sp.

Describir la naturaleza de los enlaces C - C simple, doble y triple presentes en el

etano, eteno (etileno) y etino (acetileno) respectivamente.


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Introduccin

La primera unidad comienza con una discusin sobre el origen de los Compuestos

Orgnicos, desarrollo histrico de la Qumica Orgnica, su estado actual yproyecciones futuras, en un intento por motivar al estudiante novicio en esta disciplina,

para que visualice desde el principio su importancia y papel en la formacin tecnolgica

o profesional que va a adquirir.

Dado que en los principios de la qumica orgnica moderna es fundamental la

estructura o secuencia de unin de los tomos en las molculas como tambin su

ordenamiento espacial o geometra tridimensional, se hace nfasis desde al comienzoen el manejo de frmulas de compuestos orgnicos, en sus variadas

representaciones.

Tambin se estudian en esta Unidad la naturaleza de los enlaces y su

incidencia en la polaridad de las molculas y cmo dicha polaridad influye o

determina las propiedades fsicas de las sustancias (por ejemplo: punto de fusin,

punto de ebullicin, solubilidad, etc.). Igualmente se revisan los conceptos cido-base

por considerarse un aspecto fundamental en la comprensin de muchas reacciones

de la qumica orgnica. Adems se describe con cierto detalle la naturaleza de los

orbitales que participan en los enlaces simple, doble y triple, carbono-carbono y como

las interpretaciones tericas explican la geometra de las molculas.


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" La qumica Orgnica actual est a punto de enloquecerme.

Se me figura como un bosque tropical primigenio lleno de las

cosas mas notables, una selva infinita y terrible en la que

uno no se atreve a penetrar porque parece que no hay

salida" Friedrich Wohler, 1835.

1.1 Origen de los Compuestos Orgnicos.

Es hoy la Qumica como la vea Wohler hace siglo y medio? Veamos: la selva contina all,

infinita, llena de interrogantes y respuestas a manifestaciones y comportamientos

maravillosos de la naturaleza, pero sobre todo mucho mas densamente poblada,

especialmente considerando que para mediados del siglo XIX solo se conocan varias

decenas de compuestos orgnicos, mientras que hoy se sabe que este nmero superafcilmente los diez millones de Compuestos del Carbono y lo sorprendente es que este

nmero aumenta en casi medio milln cada ao! Sin embargo esta selva no es tan terrible,

an nos atrevemos a penetrar en su manigua y esto gracias a que existe un mapa o ruta que

se conoce como la Teora Estructural, que permite guiarnos con relativa solvencia a travs de

ella.

La Teora Estructural es el resultado del acumulamiento sistemtico de millones de

antecedentes sobre cientos de miles de compuestos individuales. Es la base sobre la cual

estos hechos pueden explicarse y comprenderse mejor. Adems sirve de marco de ideas

sobre el papel de los electrones en la unin y, orientacin espacial de los tomos y sobre el

tamao y geometra de las molculas que generan dichos tomos.

Actualmente la Qumica Orgnica es la ciencia que estudia los compuestos que

contienen carbono. Es una de las reas ms excitantes y progresistas de la Qumica, la cual

se ocupa de las estructuras, reacciones y propiedades de los compuestos orgnicos. Estos

compuestos constituyen la coleccin ms impresionante de sustancias distintas que pueda

encontrarse sobre la tierra, originados principalmente en la composicin mayoritaria de dos

elementos; carbono (C) e hidrgeno (H).

Podra decirse sin exageracin alguna que el hombre ha sintetizado en el laboratorio

cada compuesto qumico que ha aislado y caracterizado de fuentes naturales, adems de

innumerables compuestos que solo existen en su imaginacin. Esto es particularmente



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evidente cuando se considera a la Qumica como la ciencia de las molculas y al qumico

sinttico como el artista molecular.

Por supuesto que el carbono y el hidrgeno no son los nicos elementos que

contienen los compuestos orgnicos. Su espectro es mucho mas extenso e incluye:

Hidrocarburos simples que solamente contienen carbono e hidrgeno como el metano,

etano, eteno, benceno, etc.

Compuestos orgnicos con O, N, S, P y halgenos. Estos compuestos pueden ser

clasificados sistemticamente por sus rasgos estructurales caractersticos y por su

comportamiento qumico en mono, di, tri y polifuncionales.

El ltimo grupo est constituido por innumerables sustancias de origen natural y sinttico de

uso comn y familiares a cualquier individuo, tales como pinturas, fertilizantes, drogas,

alimentos, fibras, plsticos, insecticidas, fertilizantes, cosmticos, etc.

El espectro de compuestos casi interminable que cubre esta disciplina cientfica se

evidencia al notar que la materia viviente est constituida por molculas orgnicas complejas

como carbohidratos, protenas, lpidos o grasas, etc. Las protenas por ejemplo han

desarrollado una sorprendente diversidad de formas y funciones en el curso de la evolucin.

Son molculas muy complicadas con pesos moleculares que van desde varios miles hasta los

millones. Por otro lado el cido desoxirribonucleico (ADN) est constituido por molculas

orgnicas gigantes que contienen toda la informacin gentica de una especie en particular.

Estas molculas determinan las caractersticas fsicas de los seres vivos como sexo, color de

los ojos, tipo de cabello, etc. En sntesis a nivel molecular la biologa es qumica orgnica. Es

por ello que la qumica orgnica es fundamental para la Biologa y la Medicina. Citando las

palabras del Dr. Peter Newmark editor asociado de la revista Nature en su discurso sobre el

resumen del simposio "Perspectivas de la Qumica en la Medicina" ( Santaf de Bogot, junio

6 de 1986), deca:Ahora que la Qumica se volvi interesante la llaman Biologa Molecular.


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Primeras Molculas Orgnicas

La atmsfera primitiva de la tierra estaba constituida principalmente por gas metano, vapor de

agua, amoniaco e hidrgeno. Esta atmsfera carente de oxgeno libre, permita el paso de

alta radiacin energtica que fue suficiente para la transformacin de las molculas existentes

en fragmentos altamente reactivos, que se combinaron para formar formaldehdo,

aminocidos, bases nitrogenadas de los cidos nucleicos, etc., que fueron arrastrados al mar

por la lluvia. Con el paso del tiempo el mar se convirti en la despensa que contena todos las

sustancias orgnicas necesarias para el surgimiento de la vida ( Teora bsica de AI. Oparin,

1923 ).

Los aminocidos se combinaron entre si para formar las protenas. El formaldehdo se

transform en carbohidratos, igualmente los carbohidratos, las bases nitrogenadas (purinas y

pirimidinas) y los grupos fosfatos se combinaron para originar las sorprendentes molculas

del ADN. En algn punto y de alguna forma an no comprendida, estas molculas gigantes

se reunieron para formar las primeras "clulas" vivientes, surgiendo los organismos

unicelulares, cuya diversificacin ampli la cadena hasta organismos pluricelulares mas

complejos.

El proceso de la interaccin de la radiacin solar y las molculas de la atmsfera

primitiva fue experimentado en la dcada de los 50's por Stanley Miller (Universidad de

Chicago) al simular las condiciones de la tierra de aquella poca, en un equipo especialmente

diseado. Miller gener algunos aminocidos haciendo saltar una chispa sobre una mezcla

de los gases CH4, H20(v), MI3, H2.

Que particularidad tiene el tomo de carbono que le permite formar tan extenso

y variado nmero de molculas de origen natural y todas las ilimitadamente

concebibles por el hombre y sintetizadas en el laboratorio'}. Indudablemente esto se

debe a su estructura electrnica !!! El carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia,

cada uno podra aparearse con los electrones de la capa de valencia de otros elementos

hasta completarla, formando cuatro enlaces covalentes. De este modo pueden enlazarse al

carbono el hidrgeno, nitrgeno, oxgeno, azufre, fsforo, los halgenos (F, CI, Br, I), etc.


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Son ejemplos muy sencillos:

La caracterstica mas peculiar del tomo de carbono que lo distingue de los dems

elementos (excepto silicio) y que explica en cierta forma su papel protagnico a nivel molecular

en el origen y evolucin de la vida, es su capacidad de compartir pares electrnicos con otros

tomos de carbono a travs de enlaces covalentes. Estos compuestos poseen cadenas de

longitud variable, ramificaciones diversas y tambin estructuras anulares.

Ciclopropano 2-MetiI pentano Piperidina Cubano

1.2 Desarrollo histrico de la Qumica Orgnica como Ciencia

El hombre ha usado los compuestos orgnicos y sus reacciones desde la prehistoria.

Probablemente su primera experiencia deliberada con una reaccin orgnica, data desde el

descubrimiento del fuego. Los antiguos egipcios por ejemplo, preservaban los cadveres

usando un lquido para embalsamar (solucin de formalina o formaldehdo), adems tean

sus vestidos con los colorantes naturales ndigo y alizarina. Por su parte los fenicios usaban el

colorante conocido como prpura real el cual extraan de los moluscos.

Tambin los hombres antiguos conocieron la sacarosa (CuffeOn), el constituyente

dulce del azcar de caa; el alcohol etlico (C2H5OH), obtenido de la fermentacin del jugo de

uva y las calidades acdicas del cido actico (CH3COOH) del vinagre. Ellos convirtieron los

aceites vegetales y las grasas en jabones utilizando cenizas de madera, siglos antes que

los



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cientficos conocieran la estructura del palmitato de sodio [CH3(CH2)14COONa+] y de

otros jabones.

Durante la edad media los alquimistas en su implacable bsqueda de La piedra

filosofal para convertir el plomo en oro, descubrieron algunas de las tcnicas

experimentales para manejar los compuestos orgnicos. Es as que mediante la

destilacin en seco de la madera separaron metanol (CH3OH) y acetona (CH3COCH3),

tambin a partir de las hormigas rojas obtuvieron el cido frmico (HCOOH).

En el siglo XVII los qumicos obtuvieron nuevos compuestos, es as que

Rovelle en 1773 mediante extracciones sucesivas con agua y luego con etanol, aisl

la rea de la orina, Cari Scheele, un farmaceuta sueco implemento las tcnicas para

manipular compuestos orgnicos sensibles, aislando (1775-1785) los cidos

naturales: tartrico de las uvas, ctrico de los limones y rico de la orina, a travs de

su conversin en sales insolubles de calcio y magnesio.


ac tartrico ac ctrico ac mlico

ac. rico

ac. lctico

Entre 1775 y 1777 Lavoisier estudi y explic el fenmeno de la combustin,

tan caracterstico de los compuestos producidos por organismos vivientes,

demostrando en 1784 que al quemarse estos compuestos desprenden dixido de

carbono (C02) y agua (H20).


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Compuesto orgnico + CO2 CO2+ H2O+ Energa (1.1)

En 1794 investigadores holandeses obtuvieron el eteno al calentar etanol con cido

sulfrico. Green en 1797 en sus Fundamentos de Qumica distingui los compuestos

minerales de los producidos por organismos vivos y en 1807 Berzelius design por primera vez con el

nombre de compuestos orgnicos al conjunto de sustancias obtenidas de la materia viva. Green,

Berzelius y otros qumicos contemporneos consideraron que tales compuestos posean adems de

sus elementos qumicos, una fuerza vital ntimamente ligada con el origen orgnico de dichas

sustancias, siendo imposible obtenerlas en el laboratorio a partir de sus elementos. Hacerlo sera

como convertir material inorgnico en una criatura viviente. Sin embargo , la popularidad de esta teora

fue declinando a medida que la informacin de datos analticos daban clara evidencia de que las leyes

qumicas usuales que gobernaban el comportamiento de la materia inorgnica, como la Ley de las

Proporciones Mltiples eran tambin validas para los compuestos orgnicos.

En realidad la Qumica Orgnica como ciencia tiene menos de 200 aos y puede decirse que

como tal comienza a partir del siglo XDC. Para este tiempo los compuestos orgnicos aumentaron de

una centena a mas de un millar. En 1805 Sertuner aisl del opio, la morfina (un alcaloide) y

Branconnot los aminocidos glicina y leucina. Entre 1818 y 1821 Pelletier y Caventou aislaron los

alcaloides estricnina y brucina de la nuez vmica y la quinina y cinchonina de la corteza del rbol

de la quina. En 1828 Whler demostr que la rea (orina de los mamferos), poda obtenerse por

calentamiento del cianato de amonio.

NCO- NH4+ H2NCONH2 (12)


Esta transformacin se constituy en la primera sntesis de un compuesto orgnico tpico,a partir de una sal inorgnica caracterstica, sin el concurso directode un organismo vivo.

En 1837 escribi Liebig "La extraordinaria y en parle inexplicable, produccin de

rea sin la asistencia de funciones vitales, por la que estamos en deuda con Whler, debe


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considerarse como uno de los descubrimientos con los que comienza una nueva era de la

ciencia.'" Mas tarde Whler y Liebig en un artculo conjunto sobre el cido rico, llegaron a la

conclusin que todos los compuestos orgnicos son susceptibles de sntesis. En 1844 Kolbe

sintetiz el cido actico y en 1855 Berthelot le dio el golpe de gracia a la teora de la fuerza

vital al sintetizar el metano.

Por otro lado durante los aos 1811 y 1831, se desarrollaron mejores mtodos

analticos, por Gay-Lussac, Thenard y Dumas en Pars, Berzelius en Estoeolmo y Liebig en

Geisen (Alemania), considerado el pionero del anlisis orgnico. Los qumicos aprendieron a

determinar no solo la clase de elementos presentes en un compuesto, sino tambin su

proporcin. Hacia la mitad del siglo XIX, estaban suficientemente desarrollados tanto los

mtodos analticos para la determinacin de los elementos y grupos sustituyentes de un

compuesto orgnico, como la metodologa sinttica para obtenerlo a partir de materiales mas

sencillos. La estructura de los compuestos orgnicos era sin embargo un aspecto de la

Qumica que se resista a los esfuerzos de la mente mas brillante. Por ejemplo se saba que

tanto el alcohol etlico como el ter dimetlico tenan la misma frmula (C2H6O), pero mientras el

primero hierve a 78 C, el otro es un gas a condiciones ambientales. Es decir, ambos

compuestos tienen el mismo nmero y clase de tomos, pero se diferencian en la forma

como se ordenan, dando origen a diferentes estructuras moleculares. El dilema puede

apreciarse mejor observando las estructuras correctas de estos compuestos.

Alcohol etlico Dimetileter

Los qumicos de aquel tiempo se enfrentaron a un problema excesivamente difcil

queran entender las estruc turas de las molculas orgnicas contando nicamente con las

reacciones qumicas que transformaban dichas molculas en otras que a su vez, les eran

tambin desconocidas.



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Afortunadamente entre 1858 y 1861 Kekul en Heidelberg, Couper en la Sorbona de

Pars y Butlerov en la Universidad de Kasan sentaron las bases de una de las ideas

fundamentales de la Qumica Orgnica: La Teora Estructural. Ellos propusieron que el

carbono era tetravalente, esto es, que forma cuatro enlaces en sus compuestos y lo mas

importante, que poda enlazarse con otros tomos de carbono.

Mas tarde en 1874 J. A. Vant'Hoff y J. A. Le Bel, trabajando independientemente

representaron estas frmulas en tres dimensiones y demostraron que los cuatro enlaces del

metano por ejemplo, estn ordenados de tal forma que apuntan hacia las esquinas de un

tetraedro regular, con el tomo de carbono en el centro (Figura 1.1).

Figura 1.1 a) Modelo de bolas y varillas del metano b) Metano proyectando el

tetraedro. c) Proyeccin tridimensional del metano. El enlace de trazo grueso sale

del plano del papel, el de trazo interrumpido est por detrs.

1.3 Estado actual y Proyecciones de la Qumica Orgnica

En este siglo la Qumica Orgnica ha evolucionado asombrosamente tanto en la comprensin

de las propiedades de los compuestos, orgnicos como tambin la naturaleza de sus

reacciones a travs de exhaustivos estudios mecansticos soportados con datos que ofrece la

Cintica, la Termodinmica y la Teora Mecnico-Cuntica.

El avance tecnolgico de la instrumentacin como auxiliar del anlisis qumico le hapermitido a los qumicos dilucidar con exactitud las estructuras de los compuestos orgnicos en

tiempos relativamente cortos y separarlos de otros compuestos en mezclas de reaccin y en

extractos de origen natural de plantas, insectos y fluidos biolgicos. Hoy es posible preparar

en el laboratorio la mayor parte de los compuestos que la naturaleza produce y otros tantos

producto de la imaginacin del hombre. Ni siquiera el complejo lenguaje que describen las



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reacciones qumicas se ha sustrado al progreso de los computadores. Es as como en los

laboratorios mas sofisticados del mundo se trabaja con la Sntesis Programada de compuestos

orgnicos.

El qumico orgnico estudia entonces las estructuras (Como son?) y propiedades de los

compuestos orgnicos (Que hacen? Como se comportan? ). Tambin los prepara y los transforma

a travs de reacciones qumicas, generalmente en materiales tiles. De esta forma se han sintetizado

las vitaminas, el colesterol, la clorofila, la morfina, la estricnina, numerosas prostaglandinas,

carbohidratos, hormonas, protenas e innumerables polmeros.

Los bioqumicos estn atacando las enfermedades a travs de aquellos rasgos

moleculares que pueden ser tiles en su control. Constantemente se ensayan nuevas drogas para

tratar enfermedades cardiovasculares, gastrointestinales, infecciones, tifoidea, artritis reumtica,

malaria, disentera, esquizofrenia, etc. Algunas formas de cncer han podido controlarse con xito

a travs de la quimioterapia, igualmente se est trabajando en la consecucin de la vacuna contra

el virus del SIDA. Tambin se trabaja intensamente en el entendimiento de las funciones cerebrales

y del sistema nervioso central para el control del dolor y de trastornos degenerativos de origen

neurolgico. En general se ha llegado a comprender mejor los procesos bioqumicos y en muchos

casos a remediar sus deficiencias.

La manufactura de alimentos procesados y preservativos para su conservacin ha

prosperado en las dos ltimas dcadas, igualmente se han encontrado nuevas fuentes de

protenas y nutrientes. Asimismo se ha logrado un mejor control de la reproduccin humana y de

algunos insectos, a fin de evitar sus acciones dainas.

Un objetivo fundamental y prioritario en las polticas progresistas de cualquier nacin es el

control de la contaminacin del medio ambiente y paradjicamente al lado de la extraordinaria

actividad qumica de las fbricas, la contaminacin es tal que el aire se ha tornado ftido y los ros

estn llenos de desechos, entre los cuales se encuentran toneladas de detergentes y materiales

plsticos no biodegradables. Como consecuencia de esto, en extensos tramos de nuestros ros, los

peces han muerto. Los mares tambin estn contaminados con desperdicios industriales y miles de

toneladas de hidrocarburos. Los cultivos no se escapan al uso de insecticidas, herbicidas y

pesticidas, lo cual se ha devuelto en contra nuestra debido a


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que la mayora son txicos a los mamferos. A todo lo anterior se suma la destruccin parcial

de la capa protectora de ozono por el uso incontrolado de aerosoles que expiden grandes

cantidades de freones (gases fluoroclorocarbonados) a la atmsfera. En resumen, aunque no

acabaramos de enumerar las consecuencias adversas del progreso de la industria qumica,

es definitivo que ha cambiado nuestro mundo para bien y para mal.

El informe Pimentel "Oportunities in Chemistry" de 1985, hace nfasis en que "La

necesidades de la sociedad, incluyendo aquellas que determinan nuestra calidad de

vida y nuestra fuerza econmica". Este informe resalta el avance qumico en el futuro con

los siguientes beneficios sociales:.

Nuevos procesos.

Nuevas fuentes de energa.

Desarrollo de nuevos materiales.

Mas alimentos para la poblacin mundial.

Prevencin, deteccin, control y curacin de las enfermedades.

Monitoreo y proteccin del medio ambiente.

En otro nivel, existe una efervescencia intelectual que se deriva de la habilidad

creciente para probar y comprender las etapas elementales del cambio qumico y al mismo

tiempo tratar con la complejidad molecular. Nuevas tcnicas instrumentales poderosas estn

en una dimensin crucial. Pueden anticiparse grandes descubrimientos en numerosas

fronteras de la qumica.

Se espera que con este breve recorrido hayan podido visualizar la intervencin de los

compuestos orgnicos en cada faceta de nuestras vidas y obviamente el papel protagnico de

la Qumica Orgnica.A continuacin, los invito a penetrar en la selva de Whler para alcanzar

un mejor entendimiento de esta apasionante rama de la Qumica.

1.4 Estructuras de Lewis y Frmulas en Qumica Orgnica

Las uniones qumicas entre los tomos de carbono consigo mismo y con otros tomos en las

molculas orgnicas tienen carcter especialmente covalente, el cual se produce por el


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compartimiento de un par de electrones enlazantes entre dos tomos. Los electrones

compartidos resultan de la combinacin de orbitales atmicos (OA), cuya superposicin da

origen a los llamados orbitales moleculares (OM).

En principio se usarn puntos para representar los electrones enlazantes. Las

frmulas moleculares en las cuales se muestran todos los electrones de valencia

(compartidos y no compartidos), se denominan estructuras de puntas de Lewis y estas deben

cumplir la regla del octeto. Para cumplir con la regla del octeto, dos tomos pueden compartir

uno, dos o an tres pares de electrones. El compartimiento de un par de electrones entre dos

tomos se denomina enlace simple y de dos y tres pares, enlace doble y triple

respectivamente. Es corriente y mas cmodo representar con lneas los pares electrnicos

enlazantes en las estructuras moleculares. Por lo tanto las molculas de etano, eteno y etino

pueden representarse como:


Etano Eteno Etino

A las estructuras con lneas se les ha llamado estructuras de lneas de Lewis,

frmulas de enlace de valencia o frmulas estructurales completas. Los pares

electrnicos no compartidos se representan como en:

Agua Amonaco Formaldehdo Metanol


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Ejercicio 1.1 Haga un crculo para mostrar los ocho electrones asociados con el tomo de

carbono en cada una de las siguientes estructuras

Ejercicio 1.2 Para las estructuras del problema anterior, circunde el par de electrones

asociados con cada tomo de hidrgeno y los ocho electrones asociados con cada tomo de

nitrgeno u oxgeno

Otro concepto til del enlace qumico es lo que se entiende por Valencia:

La Valencia es el nmero de electrones que el tomo pierde, gana o comparte. En un enlace

covalente, la valencia es el nmero de enlaces covalentes que dicho tomo forma.

El carbono tiene cuatro electrones de enlace y forma cuatro enlaces covalentes para

alcanzar la configuracin de gas noble. En consecuencia, puede decirse que la valencia del carbono

es cuatro y que las estructuras de Lewis para compuestos del carbono reflejan que el nmero de

enlaces a cada tomo de carbono tiene que ser siempre cuatro.

Por ejemplo la estructura (I) para el propano (C3Hj) es correcta, mientras que (II) y (EOT)

no, debido a que en ellas algunos tomos de carbono poseen tres o cinco enlaces.

I II III

Correcta Incorrecta Incorrecta

La Tabla 1.1 muestra las valencias tpicas de los elementos que mas se combinan con el carbono en loscompuestos orgnicos.



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Tabla 1.1Valencias comunes de algunos elementos.

Elemento Valencia Elemento Valencia

H 1 P 3

C 4 Cl 1

0 2 Br 1

S 2y6 I 1

N 3 F 1

Es importante ahora destacar que dentro de la representacin que podemos darle a

las molculas orgnicas encontramos varias clases de frmulas:

Frmulas Empricas.Son aquellas que nos dicen el tipo de tomos y su razn numrica en

una molcula. As una molcula de etano (C2H6) contiene tomos de carbono e hidrgeno en la

razn de 1:3, lo que produce la frmula emprica CH3.

Frmulas Moleculares.Son las que adems de la razn o proporcin, nos dicen el nmero

real de tomos en una molcula. As la frmula molecular del etano es C2H6, la del propano

C3H8, la del etanol C2H6O.

Frmulas Estructurales. Estas nos muestran o insinan la verdadera estructura de las

molculas, esto es , el orden de unin de los tomos. La utilidad de las frmulas estructurales

radica en que a travs de ellas es posible explicar y predecir la reactividad qumica de un

determinado compuesto orgnico.

Las frmulas de lneas de Lewis o frmulas estructurales completas son un tipo de

frmula estructural, que suelen condensarse o reducirse a frmulas mas cortas. En las

frmulas condensadas, los enlaces (o lneas) no se indican siempre y tomos del mismo tipo

que estn enlazados a otros tomos se agrupan. Por ejemplo:

CH3CH2OH es la frmula estructural condensadade



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Ejercicio 1.3 Escriba: a) La frmula estructural completa b) La frmula estructural

condensada para cada una de las siguientes estructuras de puntos de Lewis:

Solucin

Observe que los dobles y triples enlaces se muestran generalmente en una frmula

estructural condensada. Estas frmulas pueden condensarse an ms si la molcula tiene dos o

ms grupos de tomos idnticos. En estos casos, se usan parntesis para encerrar el grupo detomos repetitivo. El subndice que sigue al parntesis indica el nmero de veces que el grupo

completo se encuentra en aquella posicin en la molcula. As:



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Ejercicio 1.4Para cada una de las siguientes frmulas escriba otra ms condensada (el

grupo ciano o nitrilo -CN, normalmente se representa como -CN)

Solucin

a) (CH3)2CHCH2CL b) (CH3)CHCL2 c)(CH3)2C=C(CH3)2 d) CH2(CN)2

Compuestos Cclicos (o Alicclicos) Las estructuras cclicas se representan

usualmente, mediante frmulas poligonales, las cuales son otro tipo de frmula

estructural condensada. Por ejemplo, para representar un anillo de tres miembros se

usa un tringulo, mientras que un anillo de seis miembros se representa con un

hexgono, uno de cinco con un pentgono etc.

En estas frmulas poligonales, un vrtice representa un tomo de carbono y sus

hidrgenos, los lados del polgono representan los enlaces que unen a los carbonos. Si un


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tomo o grupo diferente al hidrgeno est unido a un tomo de carbono del anillo, el nmero

de hidrgenos en aquella posicin se reduce.


Los anillos pueden contener otros tomos diferentes al carbono, stos tomos y

los hidrgenos unidos a ellos deben indicarse en la frmula del polgono. Los dobles

enlaces tambin deben indicarse. Ejemplos:

Ejercicio 1.5 (de estudio)

Dibuje frmulas estructurales completas para las siguientes estructuras mostrando cada

carbono, cada hidrgeno y cada enlace.

Ejercicio 1.6.Dibuje frmulas poligonales para las siguientes estructuras.


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Una vez que nos hemos familiarizado con la representacin de las molculas de los

compuestos orgnicos con sus enlaces covalentes a travs de las frmulas de valencia, o

estructuras de Lewis es importante considerar la naturaleza de tales enlaces y su incidencia

en las propiedades fsicas de los compuestos orgnicos. Al final del captulo volveremos otra

vez sobre la estructura molecular en una forma ms rigurosa, considerando los orbitales

atmicos y moleculares y su papel en el enlace covalente.

1.5 Longitudes y ngulos de Enlace

La longitud de enlace es la distancia promedia entre dos ncleos enlazados

covalentemente, se mide en angstrom (1A equivale a 10"8cm) y su rango se extiende

aproximadamente entre

0.74 A y 2 A .A mayor nmero de enlaces covalentes, menor longitud de enlace. Es as las

longitudes de enlace C-C en etano, etileno y acetileno son respectivamente:

etano H3CCH3, 1.54 A ; etileno H2C=CH2 1.34 A ; acetileno HC=CH 1.20 A

Si hay mas de dos tomos en una molcula, los enlaces forman un ngulo llamado

ngulo de enlace que vara entre 60 y 180 . Las molculas de agua (H20), amonaco (NH3) y

metano (CH4) tienen ngulos de enlace H-O-H: 104.5, H-N-H: 107.3, H-C-H: 109.5, lo cual es

consecuencia de geometras angular, piramidal y tetraedral respectivamente. (Figura 1.2)

Geometra Angular Geometra Piramidal Geometra TetraedralLong, de enlace 0.96 A Long, de enlace 1.008 A Long, de enlace 1.09 A

ngulo de enlace 104.5 ngulo de enlace 107.3 ngulo de enlace 109.5

Figura 1.2. Geometra de algunas molculas



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La mayor parte de las molculas orgnicas contienen mas de tres tomos y

generalmente hay que representarlas tridimensionalmente. Las frmulas estructurales indicadas arriba

para NH3y CH4ilustran una forma de hacerlo, es as que la lnea sencilla representa un enlace en elplano del papel, la cua slida representa un enlace que sale del plano del papel hacia el observador

y la cua interrumpida representa tambin un enlace que sale del plano del papel, pero alejndose

del observador.

La geometra de las diferentes molculas se ha inferido de las propiedades de los enlaces y

ngulos de enlace determinadas experimentalmente. Pero tericamente es posible explicarla a travs

de las propiedades direccionales de los orbitales hbridos del tomo central.

1.6 Energa de disociacin de enlace: Homlisis y Heteriisis

Cuando los tomos se unen para formar una molcula, se libera energa (usualmente luz o calor).

Por el contrario, cuando la misma molcula se disocia en sus tomos, debe suministrarse

energa. De esta forma:

La cantidad de energa que se consume o libera a al formar o romper un enlace, es la Energa de

Disociacin de Enlace, (smbolo D, unidades en kcal /mol o kJ /mol.)

Un enlace qumico puede disociarse o romperse de dos maneras: Homlisis o

rompimiento homoltico y Heteriisis o rompimiento heteroltico ( del griego homo el mismo, hetero

diferente y lysis prdida). Para un qumico lisis significa ruptura, por ejemplo hidrlisis: ruptura por

agua" En la homlisis, cada tomo implicado en el enlace covalente que se rompe, se queda con

un electrn del par electrnico original- As resultan tomos o grupos elctricamente neutros.

Para ilustrar esta ruptura se utilizan flechas curvas con media cabeza en un extremo, como

un anzuelo. El electrn representado con un punto en cada tomo ( H* y CL*), o un grupo de

tomos (CH3 *), es un electrn desapareado y las especies que lo llevan se denominan radicales

libres. Observe que el cloro radical es simplemente el tomo de cloro, en el cual no se muestran los

otros electrones de valencia, igualmente el radical hidrgeno es el mismo tomo de hidrgeno.



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Generalmente los radicales libres son elctricamente neutros, adems son especies

de alta energa y como consecuencia de ello, muy inestables y reactivos.

Tabla 1.2Energas de Disociacin Homoltica de Enlaces Seleccionados (kcal/mol)

Miscelnea Enlace C-H Enlace C-X Enlace C-C

H-H 104 H3C-H 104 H3C-Cl 84 H3C-CH3 88

N-N 226 CH3C(H2)H 98 CH3C(H2)Cl 81 C2H5CH3 85

F-F 37 (CH3)2C(H)H 95 (CH3)2C(H)Cl 81 (CH3)2CHCH3 84

Cl-Cl 58 (CH3)3CH 91 (CH3)3CCl 79 H2C=CHCH3 92

Br-Br 46 H2C=C(H)H 108 H2C=C(H)Cl 84

I-I 36 H2CCHC(H2)H 88 CH2C(H2)Cl 60

En el proceso de la Heterlisis, ambos electrones enlazantes son retenidos por uno

de los tomos. El resultado de esta clase de ruptura es un par de iones. Aqu se usa una

flecha curva con cabeza completa para mostrar la direccin en que se mueven los electrones

enlazantes en el proceso de rompimiento. Se debe destacar que en la heterlisis los

electrones de enlace se transfieren a los tomos mas electronegativos.


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La Tabla 1.3 contiene algunas energas de disociacin heteroltica. Observe que

estos valores son considerablemente mayores que los contenidos en la Tabla 1.2.

Tabla 1.3 Energas de Disociacin Heteroltica de Enlaces Seleccionados (kcal/mol)

Miscelnea Enlace C-H Enlace C-X Enlace C-0

H-H 401 ClH2C-H 227 H3C-Br 219 H3C-OH 274

H-F 370 CH3CHCI-H 191 CH3C(H2)Br 184 CH3C(H2)OH 242

H-CI 334 (CH3)2C(Cl)-H 170 (CH3)2C(H)Br 64 (CH3)2C(H2)OH 222

H-Br 324 (CH3)3C-H 91 (CH3)3C-Br 149 (CH3)3C-OH 208

H-OH390 H2C=C(H)-H 157 H2C=C(H)Br 200

Ejercicio 1.7 Para las siguientes molculas, ilustre el rompimiento a) homoltico y b)

heteroltico de los enlaces indicados, mostrando sobre cual tomo reposa la carga positiva o

negativa en los iones formados.

El rompimiento homoltico permite determinar mas fcilmente los valores de energas de

disociacin de enlace, debido a que los clculos no se complican por las atracciones inicas

entre los fragmentos. Tales valores se han obtenido de la disociacin de enlaces en

molculas en estado gaseoso a altas temperaturas.

En la heterlisis por el contrario, la separacin de partculas con carga opuesta

consume aproximadamente 100 kcal /mol mas que la separacin de partculas neutras. Como

consecuencia, en fase gaseosa la disociacin de enlaces, generalmente sucede por

homlisis, mientras que en solucin el modo preferido de ruptura, es la heterlisis.

Debe anticiparse que la mayor parte de las reacciones en qumica orgnica se llevan a

cabo en solucin a travs de rompimientos heterolticos.



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1.7 Enlaces Covalentes Polares y Polaridad Molecular.

Los elementos con electronegatividades iguales o similares ejercen atracciones iguales o

similares. Por lo tanto el enlace formado por esta clase de tomos se denomina enlace

covalente no-polar. En las molculas orgnicas los enlaces C-C y C-H son las clases mas

comunes de enlaces covalentes no-polares.

Los siguientes casos son ejemplos de molculas que contienen enlaces covalentes

relativamente no polares:

Cl - Cl HCCH

En la mayora de los casos, los tomos que hacen parte de las molculas covalentes

en compuestos orgnicos, no comparten sus electrones por igual, tal es el caso del metanol

(CH3OH) y metilamina (CH3NH2). En tales molculas un elemento tiene una electronegatividad

mucho mayor que la del otro al cual est enlazado directamente y la nube electrnica

molecular ser mas densa en torno al tomo mas electronegativo generando un enlace

dipolar. Se obtendr entonces un enlace covalente polarcon una distribucin desigual en la

densidad electrnica del orbital molecular entre los ncleos de los elementos enlazados.

El grado de polaridad de un enlace depende de la diferencia de electronegatividades

de los tomos enlazados. La naturaleza de los diferentes enlaces qumicos hace parte de un

continuo que va desde enlaces covalentes no polares hasta enlaces inicos.

H-H < H3C-0-CH3 < H-0-H < H-Cl Na+ Cl-

Aumento del carcter inico de los enlaces

De los elementos que encontraremos en la qumica orgnica, el flor es el mas

electronegativo, le siguen en orden decreciente el oxgeno, nitrgeno, cloro, bromo y

finalmente el carbono. La electronegatividad del hidrgeno no difiere mucho de la del carbono.



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F > O > CI, N > Br > C, H

Disminucin de la electronegatividad

En una molcula, la polaridad de sus enlaces conduce en muchos casos a una polaridad

molecular que est ntimamente ligada tanto a propiedades fsicas como qumicas y afecta

profundamente los puntos de fusin, ebullicin y la solubilidad. Igualmente determinan los tipos de

reaccin que pueden suceder en dichos enlaces, incluso, tambin llegan a afectar la reactividad de

los enlaces mas cercanos.

Por otro lado la polaridad de los enlaces puede indicarse por cargas parciales, utilizando los

smbolos: +(delta mas) y -(delta menos). Otra forma de representar la polaridad es usando una

flecha cruzada, que apunta desde el extremo positivo al negativo.

1.7.1 Momentos Dipolares.

El momento dipolar () de un enlace es una medida de la polaridad del enlace y se define como el

producto de la carga e (unidades electrostticas) por la distancia d (A ), , - e x d, La Unidad

patrn del es el Debye (D). En la Tabla 1.4 se reportan los momentos de algunos enlaces.

Ejercicio 1.8_(de estudio) Cul de los enlaces indicados en cada par de compuestos es mas

polar?

a)H3C-NH2 H3C-OH b)H3C-OH o H3CO-H c)H3C-Cl o H3C-F



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Tabla 1.4Momentos Dipolares de enlaces seleccionados.

Enlace (D) Enlace (D)

H-C 0.40 C-Cl 1.46

H-N 1.31 C-Br 1.38

H-O 1.51 C-I 1.19

C-N 0.22 C=O 2.38

C-O 0.74 CN 3.50

C-F 1.41

Ejercicio 1.9(de estudio) Use una flecha cruzada (+ ) para mostrar la direccin

aproximada del (si hay) en los enlaces dobles o triplesde las estructuras siguientes:

a. CH3CN b. c. HCCH

Una molcula es polar cuando el centro de la carga negativa no coincide con el de la

carga positiva. Tal molcula constituye un dipolo y su momento dipolar neto () es la suma

vectorial de los momentos dipolares de todos sus enlaces. Esta suma vectorial toma en

cuenta la direccin como tambin la magnitud de los momentos dipolares individuales. Por lo

tanto para determinar el dipolo neto de una molcula debe conocerse su geometra.

Tambin la presencia de pares electrnicos no compartidos a menudo contribuye

ampliamente al momento dipolar neto. Es el caso de las molculas de H20 y NH3 con sus

pares electrnicos no enlazantes sobre oxgeno y nitrgeno respectivamente (Figura 1.3).


a) Agua b) Amonaco c) Tetracloruro d)Oorometano e) Acetona=1.85D =1.46D de carbono =0 =1.85D =1.85D

Figura 1.3Momentos de Enlace y momento Dipolar neto para varias molculas sencillas


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Observe que aunque cada enlace C-Cl tiene un =1.46 D, el momento dipolar neto del tetracloruro

(CCI4) es cero. La razn es que esta molcula es simtrica alrededor del tomo central y los

momentos de enlace se cancelan resultando una suma vectorial igual a cero.

Si conocemos la electronegatividad de los tomos constituyentes de las molculas de un

compuesto, podemos estimar la polaridad de los enlaces y conociendo la geometra molecular puede

estimarse la polaridad neta de las molculas, la cul tendr implicaciones en otras propiedades

fsicas como el punto de ebullicin, punto de fusin y solubilidad.

Ejercicio1.10 Haga un anlisis como el de la Figura 1.3 para explicar cualitativamente la magnitud

y direccin de los momentos dipolares de:

a) Dixido de carbono (C02,lineal,= 0)

b) Dimetilter [(CH3)2O ] ligeramente angular, = 1.3]

c) Trifluoruro de Nitrgeno (NF3, piramidal, = 0.23)

1.8 Fuerzas intermoleculares

Las molculas se atraen y se repelen unas a otras excepto en un gas altamente disperso. Las

atracciones intermoleculares que mantienen juntas las molculas en el estado slido o lquido, son de

naturaleza electrosttica y se las ha llamado fuerzas o atracciones de van der Waals. . Se

clasifican en tres grupos:

1.8.1 Interacciones Dipolo-Dipolo

Las molculas con un momento dipolar permanente experimentan la interaccin dipolo-dipolo, que es

la atraccin que ejerce el extremo positivo de una molcula polar por el extremo negativo de otra

semejante. En el cido clorhdrico (H-Cl) por ejemplo, el hidrgeno relativamente positivo de una

molcula, es atrado por el cloro relativamente negativo de otra molcula. Lo mismo podra decirse de

las molculas de yoduro de metilo (H3C-I) en el estado lquido:


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Como resultado de esta interaccin dipolar las molculas polares por lo general, se

unen entres s mas firmemente que las no-polares de peso molecular comparable. Esta

diferencia entre la intensidad de las fuerzas intermoleculares se refleja en las propiedades

fsicas de esta clase de compuestos. Las molculas polares pueden representarse entonces

como pequeos dipolos:

1.8.2 Enlace de Hidrgeno

Una clase de atraccin dipolo-dipolo particularmente fuerte, ocurre entre molculas que

contienen un tomo de hidrgeno enlazado a nitrgeno, oxgeno o flor. Cada uno de estos

elementos es electronegativo y tiene electrones de valencia sin compartir. Compuestos tpicos

que contienen un enlace N-H, O-H, F-H son:

En el estado lquido, las molculas de cualquiera de estos compuestos experimentan

fuertes atracciones por las otras, debido a que el tomo de hidrgeno parcialmente positivo


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(hidrgeno acdico) de una molcula, es atrado por un par de electrones no-

compartido, del tomo electronegativo de otra. Esta clase de atraccin se denomina

enlace de hidrgeno:


Los enlaces de hidrgeno pueden formarse tambin entre dos compuestos diferentes

tales como el metanol (CH3OH) y agua o entre metilamina (CH3NH2) y agua. En estos casos,

hay a menudo ms de una posibilidad para el enlace de hidrgeno. As, una solucin demetilamina en agua formara:

Por otro lado, compuestos que tenga hidrgeno parcialmente positivo y dobles enlaces

entre carbono y oxgeno, tambin pueden asociarse a travs de enlaces de hidrgeno con

otros compuestos. Son ejemplos: molculas de cido actico en el estado lquido y soluciones

de acetona en agua.

cido actico lquido sol acetona-gua

En consecuencia, los enlaces de hidrgeno pueden existir en las fases: slida, lquida

(en estado puro o en solucin) y an en la fase gaseosa algunos compuestos forman enlaces

de


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hidrgeno particularmente fuertes. Es el caso de molculas de cido actico que pueden

existir como dmeros en la fase gaseosa a travs de un doble enlace de hidrgeno como se

mostr anteriormente.

La energa promedia de disociacin de un enlace de hidrgeno es de 5 a 10 kcal/mol,mucho ms baja que la energa de disociacin de un enlace covalente tpico (80 a 100

kcal/mol), pero mucho mas fuerte que la mayor parte de las atracciones dipolo-dipolo.

1.8.3 Fuerzas de London

Las fuerzas de London son atracciones dbiles entre molculas que no poseen momento

dipolar permanente. Tales fuerzas surgen por el movimiento continuo de los electrones, el

cual da origen a dipolos inducidos en una molcula, por otra. En este caso, los electrones deuna molcula son atrados dbilmente por un ncleo de una segunda molcula, entonces los

electrones de la segunda molcula son repelidos por los electrones de la primera. El resultado

es una distribucin desigual de electrones donde el extremo de una molcula llega a ser rico

en densidad electrnica, mientras que el otro extremo llega a ser pobre en electrones. Por lo

tanto se presentar una atraccin entre el extremo positivo de un dipolo y el extremo negativo

del otro. La Figura 1.4 describe cmo un dipolo inducido puede surgir cuando dos molculas

se aproximan entre s. Finalmente debe anotarse que la distancia entre las molculas tienen

un efecto importante sobre la fuerza de las atracciones de van der Waals, las cuales

incluyen todas las interacciones que hemos descrito. La distancia a la cual la atraccin es

mas grande se ha llamado radio de van der Waals. Si dos molculas se aproximan entre s,

a una distancia menor que su radio de van der Waals, se desarrollarn repulsiones entre ellas.

Figura 1.4 Dipolos inducidos por molculas no-polares



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Por el contrario, cuando la distancia entre las dos molculas es mayor que el radio de

van der Waals, las fuerzas de atraccin entre las molculas, disminuyen.

1.9 Propiedades fsicas de los compuestos orgnicos

1.9.1 Punto de fusin

En un slido cristalino las partculas que actan como unidades estructurales (iones o

molculas) se hallan ordenadas de algn modo muy regular y simtrico; hay un ordenamiento

geomtrico que se repite a travs de todo el cristal.

La fusin es el cambio del arreglo ordenado de partculas en el retculo cristalino a uno

menos ordenado que caracteriza a los lquidos.

Tal transformacin requiere la adicin de suficiente energa cintica, usualmente en

forma de calor, para desordenar la red cristalina. Por otro lado, la congelacin ocurre

cuando se remueve suficiente energa cintica del lquido, para formar la red cristalina.

l punto de fusin de cualquier sustancia es entonces la temperatura ala cual las fases

slida y lquida de aquella sustancia coexisten en equilibrio.

Debido a que el lquido solidifica a la misma temperatura a la cual el slido funde, el

punto de fusin y el punto de congelacin son los mismos (Figura 1.5)



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Figura 1.5 Proceso de Fusin y de Congelacin

Un compuesto inicoforma cristales en los que las unidades estructurales son iones. La red

cristalina de estos compuestos es sumamente ordenada y las fuerzas electrostticas que

mantienen a cada ion en su posicin son intensas por lo tanto, estas fuerzas interinicas

considerables, slo se superan a una temperatura muy elevada. El cloruro de sodio (NaCl)

por ejemplo, tienen un punto de fusin de 801 C. En general, los compuestos inicos tienen

puntos de fusin muy elevados.

Un compuesto no-inico, en el que todos sus tomos se mantienen unidos entre s,

por enlaces covalentes, forma cristales cuyas unidades estructurales son molculas. Para que

ocurra la fusin, deben superarse las fuerzas que mantienen unidas estas molculas, las

cuales son muy dbiles ( ver Sec. 1.8).

Los puntos de fusin de los compuestos orgnicos (slidos moleculares) son por lo

general menores que aquellos de los compuesto inicos. Sus valores van desde varias

decenas de grados centgrados bajo cero, hasta 400 C. As, el metano funde a -183 C, el

naftaleno a 81-83 C, el cido benzoico a 120-122 C y la 2-aminoantraquinona a 302 C.

1.9.2 Ponto de Ebullicin

Aunque en un lquido las partculas tienen un ordenamiento menos regular y gozan de mayor

libertad de movimiento que en un cristal, cada una de ellas es atrada por muchas otras. La

ebullicin implica la separacin del seno del lquido de molculas individuales, o pares de

iones con carga opuesta (Figura 1.6).



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Figura 1.6Ebullicin de un: a) lquido inico, b) lquido no- inico

El punto de ebullicinde un lquido puro se define como la temperatura a la cual la presin del vapor

del lquido llega a igualar la presin atmosfrica.

Si la presin externa es 680 mm Hg (presin atmosfrica en Cali), el punto de ebullicin de unlquido determinado se alcanza cuando su presin de vapor es igual a esta presin. Un compuesto

inico necesita relativamente mucha energa para que sus iones puedan abandonar la fase lquida, por

lo tanto la ebullicin se produce a temperatura muy alta. Es as, que el punto de ebullicin del

cloruro de sodio (sal comn) es 1413 C.

Sin embargo, los puntos de ebullicin de compuestos orgnicos cuya estructura est

constituida por molculas, son menores, lo cual indica la magnitud de las fuerzas

intermoleculares en el estado lquido. O sea que las interacciones dipolo-dipolo y las fuerzas dedispersin son ms fciles de superar que las fuerzas interinicas.

Los compuestos polares con aproximadamente el mismo peso molecular y constituidos por

molculas que son dipolos permanentes, tienen puntos de ebullicin mas altos que los compuestos

no-polares, esto se debe a que las fuerzas intermoleculares entre molculas polares son mayores.

Dentro de los lquidos polares, aquellos cuyas molculas se mantienen unidas por enlaces

de hidrgeno se denominan lquidos asociados. La ruptura de estos enlaces requiere una energa

considerable, por lo tanto un lquido asociado tiene un punto de ebullicin mucho mayor que podrapredecirse por consideraciones de pesos molecular. Es por ello que el etanol (CH3CH20H) y el dimetil

ter (CH3-O-CH3) con el mismo peso molecular (46) tienen puntos de ebullicin de 78 C. y en -25 C

respectivamente. El etanol tienen un grupo OH que le permite



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a sus molculas asociarse a travs de enlaces de hidrgeno, mientras que el dimetil ter no

tiene esta posibilidad (Figura 1.7).

Figura 1.7Atracciones entre molculas de ctano, cada

molcula tiene un momento de dipolo.

1.9.3 Solubilidad

Cuando un compuesto slido o lquido se disuelve en un solvente, sus unidades estructurales

(iones o molculas) se separan y los espacios entre ellas llegan a ser ocupados por molculas

de solvente.

En el proceso de disolucin como en la fusin o la ebullicin debe suministrase

energa para superar las fuerzas interinicas o intermoleculares.

De dnde viene esta energa? La energa requerida para superar las atracciones

intermoleculares proviene de la formacin de asociaciones" intermoleculares entre

molculas de solvente y molculas de soluto. En otras palabras, las fuerzas de atraccin entre

molculas de soluto-soluto y molculas de solvente-solvente quedan reemplazadas por las

nuevas fuerzas de atraccin entre molculas de solvente -soluto.

Compuestos Inicos. Con relacin a la solubilidad de slidos inicos en agua puede decirse

que ocurre fcilmente ya que las molculas de agua separan los iones rodendolos en un

proceso conocido como "solvatacin" y que para el agua toma el nombre particular de

"hidratacin":

(n+m) H20 + Na+Cl- Na+(H20)n + O(H20)m



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De esta forma, los iones positivos son rodeados por el extremo negativo del dipolo de

las molculas de agua y los iones negativos son solvatados en la forma opuesta. La presencia

del grupo hidroxilo (-OH) permite este comportamiento. Estas interacciones toman el nombre

particular de atracciones in-dipolo_(Figura, 1.8).

Figura 1.8Hidratacin del NaCl

Para disolver un compuesto inico, el solvente debe tener constante dielctrica alta.

La constante dielctrica () es una medida fsica del efecto relativo de un solvente sobre la

fuerza de atraccin existente entre dos cargas opuestas.

El efecto de la constante dielctrica hace que solventes tales como agua (= 80) y

acetonitrilo ( = 39) sean mejores solventes para compuestos inicos que los de baja

constante dielctrica como acetona (= 21) y benceno (= 2.3).

Compuestos No-Inicos (o Moleculares) Las caractersticas de estos compuestos estn

determinadas principalmente por su polaridad. Es as, que los compuestos no-polares o

dbilmente polares se disuelven en solventes similares. Por otro lado, los compuestos polares

se disuelven en solventes polares. Una regla emprica til que predice las solubilidades es

aquella que dice, "lo semejante disuelve lo semejante" . La Tabla 1.5 alista algunos

solventes comunes no-polares o dbilmente polares y tambin polares.



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Tabla 1.5Solventes comunes.

A. Solventes No-Polares o Dbilmente Polares.

Por ejemplo: un slido no-polar como el yodo (I2) se disuelve totalmente en (CCI4) un solvente

no-polar. A su vez, los lquidos no-polares como n-hexano y benceno son miscibles entre s.

La sacarosa (azcar de mesa), un slido molecular polar, es completamente soluble en agua

lo cual se explica fcilmente por los varios grupos hidroxilo (Figura 1.9) enlaces de hidrgenocon las molculas de agua:

Figura 1.9Estructura de la Sacarosa

igualmente los lquidos agua y metanol se mezclan en todas las proporciones a travs de

enlaces de hidrgeno entre los grupos OH que presentan ambas molculas. Sin embargo, a

medida que



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los compuestos orgnicos aumentan de peso molecular en una serie homologa (alcoholes),

disminuyen su polaridad por el aumento de la parte hidrocarbonada.

Debido al papel muy especial del agua como disolvente (particularmente en sistemas

biolgicos) se utilizan los trminos hidrfilo (amante del agua) e hidrfobo (rechazo por el

agua), para designar la solubilidad o insolubilidad en agua. Sin embargo se emplea mejor, el

trmino lipfilo (amante de las grasas), en lugar de hidrfobo, para destacar no tanto la

insolubilidad en agua, sino mas bien la solubilidad en disolventes no-polares.

Muchos compuestos orgnicos, como las protenas, jabones y detergentes contienen

un fragmento no-polar y otro polar. Aquella porcin no-polar o lipoflica ser soluble en

disolventes no polares; y la porcin polar o hidroflica ser soluble en agua. Cuando tales

molculas se colocan en agua ellas se ordenan por s mismas de forma que los extremos

lipoflicos ejercen atraccin sobre otras molculas parecidas y las porciones hidroflicas

quedan expuestas para interaccionar con las molculas polares de agua. En solventes no

polares la situacin es a la inversa: la porcin lipofilica queda expuesta para interaccionar con

el solvente no-polar, mientras que los extremos hidroflicos no estn expuestos sino

asociados con otros. (Figura 1.10)

Figura1.10 Interacciones de las porciones Hidrofbicas e Hidroflicas de ciertas molculas en

agua y en pentano.


Disolventes Prtcos y Aprticos Vimos la accin solubilizadora del agua tanto con

compuestos polares como con compuestos inicos. Existen otros solventes semejantes al

agua


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en su capacidad de solvatacin para compuestos inicos y polares. Se trata de

alcoholes, cidos carboxlicos y aminas de bajo peso molecular, los cuales tienen los

grupos: O-H o N-H. Son ejemplos: metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH). cido

metanoico (HCOOH), etilamina (CH3CH2NH2), etc. El agua y estos solventes se

denominan solventes prticos porque contienen hidrgeno unido a oxgeno o nitrgeno

los cuales, por ser tan electronegativos, concentran la densidad electrnica entre si,

dejando al tomo de hidrgeno mas suelto y con una concentracin de carga positiva

que le da carcter acdico.

En aos recientes sin embargo, se ha desarrollado el uso extenso de los

llamados solventes aprticos polares, los cuales son disolventes con constantes

dielctricas altas sin contener hidrgenos acdico. Son ejemplos:



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Los cuales disuelven tambin compuestos inicos, pero al hacerlo, actan en forma diferente a los

solventes prticos. Como se observa en las frmulas indicadas el polo negativo se halla sobre un

tomo de oxgeno que sobresale d resto de la molcula. Los pares de electrones no compartidos

de estos tomos muy expuestos, ayudan a solvatar los cationesfuertemente Por otra parte, el

polo positivo se halla sumergido dentro de la molcula, lo que trae como consecuencia una

solvatacin muy dbil de los aniones. En esta forma, los disolventes aprticos polares

disuelven los compuestos inicos a travs de la solvatacin de sus cationes, pero al mismo tiempo

dejan mas libres los amones. Adems, estos solventes disuelven las sustancias orgnicas mediante

sus partes Hipoflicas. Es por ello que los solventes aprticos polares permiten una mayor

homogeneidad en una mezcla de reaccin ya que pueden disolver efectivamente sustancias

orgnicas y sustancias inorgnicas (sales), logrndose buenos resultados en reacciones qumicas,

que antes se realizaban en solucin acuosa donde la homogeneidad no era posible por la

insolubilidad de los compuestos orgnicos en agua.

Tambin puede hablarse de los solventes aprticos poco polares como seran ciertos

teres, cetonas y esteres lquidos algunos de los cuales se alistaron en la Tabla 1.5.

Ejercicio 1.11 Bustre el enlace de hidrgeno entre dos molculas de CH3CH2NH2(etilamina).

Ejercicio 1.12 Muestre los tipos de enlaces de hidrgeno (si hay) que se encontraran en: a )

CH3OH y H2O b ) CH3CH2-0-CH2CH3(dietil ter) c) CH2OCH3(dimetil ter y agua)

Ejercicio 1.13 Explique por qu la trimetilamina, (CH3)3N: tiene un punto de ebullicin de 3C,

considerablemente mas bajo que la n-propflamina CH3CH2CH2NH2(49C), de igual peso molecular.

Ejercicio 1.14 Caracterice cada uno de los disolventes siguientes como prtico o aprtico:

a) Dietil ter CH3CH2OCH2CH3 b) Ac. actico CH3COOH c) Ac. actico CH3COOH

d) Acetona CH3COCH3 e) Acetonitrilo CH3CN f) Tetrahidrofurano C4H8O


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Ejercicio 1.15Explique por qu los compuestos orgnicos que contienen oxgeno se disuelven en

cido sulfrico concentrado

Ejercicio 1.16 Como la mayora de las sales inorgnicas el cloruro de amonio es insoluble en

disolventes orgnicos no polares. S los hidrgenos del NH4+Cl-se reemplazan por grupos metilo

(CH3), la sal Cloruro de tetrametil amonio resultante presenta una solubilidad apreciable en estas

sustancias. Cmo explica este contraste?.

cloruro de amonio Cloruro de tetraetilamonio

1.10 Propiedades Qumicas: cidos y Bases

Los vocablos cido y basese han definido en varias formas, correspondiendo cada definicin a un

modo particular de considerar las propiedades de acidez y basicidad.

1.10.1 Teora de Bronsted- Lowry

Un cido de Bronsted Lowry es una sustancia que entrega un protn o un ion hidrgeno cargado

positivamente (el protn H+), y una basees la sustancia que lo acepta. Segn esta definicin, una

molcula debe tener un hidrgeno que pueda donar y una base debe poseer un par de electrones

para compartir con el protn. Son ejemplos de cidos tpicos Bronsted-Lowry los denominados

cidos fuertes que en agua sufren ionizacin completa, como el cido sulfrico (H2S04), el cido

clorhdrico (HCl), el cido ntrico (HN03), etc. Tambin se conocen los cidos dbiles, que slo se ionizan

parcialmente en agua, como el cido carbnico (H2C03), el cido actico (CH3COOH), el cido frmico

(HCOOH), el cido cianhdrico (HCN), etc.

Por su parte, las bases se han clasificado como fuerteshidrxido de sodio (NaOH), etxido

de sodio (CH3CH2ONa), etc. o dbilesamonaco (NH3), acetato de sodio (CH3COONa), carbonato de

potasio (K2C03), etc.



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Al hablar de "donadores de protones" (cidos) y "aceptores de protones" (bases), en

Qumica Orgnica, es convencin general indicar con flechas curvas las acciones de los

electrones y no de los protones. Por tanto, la ecuacin que representa una reaccin cido-

baseBronsted-Lowry se escribe dibujando la flecha desde los electrones no compartidos de

la base hacia el protn que ella est aceptando. Por ejemplo, en la ionizacn del cido fuerte

HCl en agua (una reaccin tpica cido-base), el HCl dona un protn a la base H20 (Ec. 1.3):

(1.3)

El equilibrio descansa hacia la derecha (casi completa ionizacin de HCl, en este caso), debido a que

el agua es una base mas fuerte que Cl-y HCl un acudo mas fuerte que el ion hidronio (H3O+).

En contraste, un cido orgnico dbil como el cido actico (CH3COOH) dona en menor extensin su

protn al agua, debido a que el H30+es el cido mas fuerte y el ion acetato (CH3COO

-), la base mas fuerte.

Por tanto el equilibrio descansa hacia la izquierda (Ec. 1.4):

A su vez, el equilibrio de la reaccin cido-base del cido clorhdrico con amoniaco,

descansada a la derecha ya que es un cido mas fuerte que el ion amonio (NH4+) y el

amonaco (:NH3) una base mas fuerte que el ion cloruro (Cl-)(Ec. 1.5):

Por otro lado, al mezclar cloruro de amonio e hidrxido de sodio acuoso, el cido NH4+

(in amonio) entrega un protn a la base OH+para formar el nuevo cido, H20 y la

nueva base NH3(EcJ.6):



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De acuerdo a Bronsted-Lowry la fuerza de un cidodepende de la tendencia a donar su

protn y la fuerza de la base,depende de su tendencia a aceptar ese protn.

Observe que en las reacciones cido-base descritas por las ecuaciones (1.4) a 0.6), el

equilibrio se desplaza hacia la formacin del cido mas dbil y la base mas dbil. En

consecuencia la fuerza cida y la fuerza bsica relativa, de las sustancias en aquellas

reacciones, sera

Fuerza acida: HCl>H30+> NH4

+> H20

Fuerza bsica: Cl-< H20 < NH3< OH-

Resalta el papel dual del agua como cido por su capacidad de donar protones y como base

al poseer el oxigeno dos pares de electrones sin compartir. As, puede escribirse la ecuacin:

En su mayor parte, el grado de acidez lo determina la clase del tomo unido al

hidrgeno y en particular, la capacidad de ese tomo para acomodar el par de electrones que el ion

hidrgeno saliente abandona. Esta capacidad parece depender de varios factores: a) la

electronegatividad del tomo; b) su tamao. Es as, como, dentro de un determinado periodo o fila de

la tabla peridica, la acidez aumenta con el aumento de la electronegatividad.


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Acidez HCH3 < HNH2 < HOH < HF (segundo periodo)

HSH < HCl (tercer periodo)

Dentro de una familia o grupo determinado de la Tabla Peridica, la acidez aumenta con el

tamao del tomo af cual est unido el hidrgeno:

Acidez HF < HCI < HBr < HI (grupo VIIA)

HOH < HSH < HSeH (grupo VIA)

Entre los compuestos orgnicos, puede esperarse que tengan una acidez preciable (en el

sentido Bronsted-Lowry) aquellos que contengan grupos 0-H, N-H y S-H.De la Teora Acido-Base de Bronsted-Lowry se desprende el concepto cido-base

conjugadoelcual es muy til en la comparacin relativa del grado de acidez y basicidad.

De las ecuaciones anteriores puede verse que la base conjugada de un cido es el ion o

molcula que resulta despus de la prdida del H+del cido. Por ejemplo Cl-es la base conjugada

de HCI (Ec. 1.3), a su vez, el cido conjugado de una base es la forma protonada de la base, por

ejemplo: el cido conjugado de NH3es NH4+(Ec. 1.5 y 1.6). Por otro lado, si un cido es dbil o muy

dbil, su base conjugada es moderadamente fuerte o fuerte dependiendo de la afinidad de la baseconjugada por el H+.

A medida que las fuerzas cidas de una serie de compuestos aumentan, las fuerzas

bsicas de sus bases conjugadas disminuyen.

Ejercido 1.17 (de aplicacin) Pronostique la acidez relativa de a) metanol (CH3OH) y

metitanma(CH3NH2); b) metanol y metanotiol (CH3SH); c) H3O

+

y NH4+

.

Ejercicio 1.18Coloque los componentes de cada grupo en orden de basicidad:



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a) a) Cl-, SH-, F-, Cl-, Br-, I b) HF, H20, NH3

c)Cl-, SH-, F-, Cl-,Br-, I

Ejercicio 1.19 Escribir los pares cido-base conjugado para las sustancias que aparecen en las

ecuaciones 1.2 a 1.5, sealando el cido y la base:

Los alcoholes y aminas muestran comportamiento bsico frente a los cidos.

Las estructuras I y II son especies protonadas del alcohol (in oxonio de etanol) y de la amina (in

etilamonio).

Tambin el carcter cido del etanol y la etilamina quedara evidenciado a travs de su

reaccin con metales activos como sodio (Na) y litio (Li), formando en ambos casos las

correspondientes bases conjugadas: etxido de sodio (CH3CH2O-Na+) y etilamida de litio (CH3CH2NH

-

Li+).

(1.10)

................................................... (1.11)

Las aminas terciarias (R3N) y los teres (R-O-R) solamente exhiben comportamiento bsico. Por

ejemplo:

(1.12)

(1.13)



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Ejercicio 1.20(de aplicacin) Para las ecuaciones (1.8), (1.9), (1.12) y (1.13) escriba los pares

conjugados cido-base y seale en la ecuacin, cuales son el cido y la base mas fuertes y el cido y

la base mas dbiles.

Por otro lado la tendencia de una reaccin cido-base en equilibrio puede determinarse por la

constante de acidez ( Ka), que es el resultado numrico de dividir los productos de las

concentraciones molares en equilibrio de las especies que estn a la derecha entre los productos de

las concentraciones en equilibrio de las especies de la izquierda. Cada concentracin estara afectada

exponencialmente por el respectivo coeficiente estequiomtrico. El valor de Ka depende de la

naturaleza de las especies reaccionantes, del solvente y de la temperatura.

Por ejemplo para la reaccin entre el HCl y el agua, Ka > 10 5, esto significa que la

tendencia de esta reaccin es definitivamente haca la formacin de los productos (derecha) o sea

que el equilibrio est muy desplazado hacia la disociacin del cido. El HCl en solucin acuosa es

considerado un cido fuerte.

Cualquier cido Con una constante de acidez, Ka > 1 se considera cido fuerte. En contraste

los cidos carboxlicos tpicos, tales como el cido frmico, el cido actico, cido benzoico, etc.,

tienen constantes mucho menores que uno. Para el cido actico (CH3COOH, abreviado AcOH) en

agua, Ka = 1.75 x 10-5. As la constante de acidez para la Ec 1.4 se expresara como:



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Tabla1.6Constantes de acidez y valores de pKa para algunos cidos


Frmula Ka pKa

HC1 10

7

H2S04 105

Moderadamente fuerte

H3P04 7.52x103

Dbiles

HCO2H 1.75X10- 4

AcOH 1.75xl0 - 5

Muy dbiles

HCN 4.93xl0- 10

H2O 2.00xl0- 16

-7

-5

-2.12

3.75

4.75

9.31

15.7

El valor de Ka ( pKa = -log Ka) es una medida de la acidez en un determinado

solvente. Observe que si Ka < 1, el equilibrio est desplazado hacia la izquierda, o sea, haca las

concentraciones del cido ms dbil y la base ms dbil. La tabla 1.6 da las constantes de acidez y

valores de pKa de un nmero de cidos Brnsted en agua, puede notarse que entre ms fuerte es

el cido, ms grande es el valor de Ka y ms pequeo el de pKa.

La constante de basicidad (Kb), es homologa a Ka, pero referida a bases dbiles que en

solucin acuosa alcanzan el equibrto con sus iones. Es asi que para la reaccin de amoniaco con

agua:

(1.14)

La expresin de la constante de basicidad sera:


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Con el aumento en la fuerza bsica, el valor para Kb aumenta y el pKb (-log Kb)disminuye. Es as que mientras ms pequeo sea el valor de pKb, ms fuerte es la base (Tabla 1-7)

Tabla 1.7Constantes de basicidad Kb y pKb dealgunas bases

Frmula Kb pKb

NH3 1.75x10- 5 4.75

CH3NH2 4.50x10- 4 3.34

(CH3)2NH 5.40x10 - 4 3.27

(CH3)3N 6.50X10- 5 4.19

Ejercicio 1.21 Calcule el pKa de un cido monoprtico cuya Ka es 1.36x 10 - 3.M

Ejercicio1.22Aliste los siguientes compuestos en orden de basicidad creciente:

a. NH3 b. CH3NH2 c. (CH3)2NH

1.10.2 Teora de Lewis

El concepto de cidos y bases fue ampliado por G. N. Lewis en 1923 al destruir lo que el llam el culto

al protn. Para l no solamente eran cidos los compuestos que pueden donar protones (H+) y

en consecuencia no siempre las reacciones cido-base tienen que involucrar transferencia de

protones. Por definicin:

Un cido de Lewis es la sustancia que puede recibir un par de electrones, para formar un enlace

covalente y una base de Lewis se distingue como la sustancia puede suministrar el par de

electrones.



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El cido de Lewis es entonces una especie deficiente en electrones o con su capa de valencia

incompleta. A su vez, la base de Lewis es una especie rica en electrones que tiene al menos un par

de ellos disponible. Una base en la Teora de Lewis es la misma que en la Teora Bronsted-Lowry.

Tambin puede decirse que el cido de Lewis es un aceptor de un par de electrones y la base es

un donador de un par de electrones. Por ejemplo: el trifluofuro de boro (BF3) y tricloruro de

aluminio (AICI3) son cidos de Lewis porque tanto el Boro como el Aluminio son deficientes en

electrones y requieren un par de ellos para completar el octeto. El protn H* tambin es un cido de

Lewis porque con un par de electrones completara su capa de valencia. Por su parte el * (OH*),

/(NH3), el HjO, el CH3CH2OH, etc. son bases de Lems (o de Bronsted-Lowry) perqu tienen

pares de electrones disponibles para compartir.

(1.15)

(1.16)

En Qumica Orgnica el concepto cido-base Lewis es fundamental y nos ser de mucha

utilidad ya que la mayor parte de las reacciones qumicas en solucin pueden explicarse como

procesos heterolticos donde una especie deficiente en electrones o cido de Lewis y que se

llamar electrfilose combina con otra rica en electrones o base de Lewis, la cual se llamar

nuclefilo.As, encontraremos que muchas reacciones orgnicas pueden explicarse a travs de la

participacin de especies intermediarias conocidas genricamente como carbocationes o iones

carbonio, en las cuales el carbono tiene un sexteto de electrones y por lo tanto son deficientes

en electrones (ver Sec. 4). Tales electrfilos los cuales estn cargados positivamente son

tpicos cidos de Lewis, por ejemplo:



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carbocation carbocation carbocationmetlico isoproplico ter-butlico

Los anteriores cationes (carbocationes) se combinarn oralmente con base de Lewis o

nuclefilos como: H2O, OH- ,CH3O

-, CH3OH, iones haluro ( I-, Cl-, Br-, F- ) formando

respectivamente alcoholes, teres y haluros de alquilo.

1.11 Orbitales de Enlace en Molculas Orgnicas

El modelo de Lewis del enlace covalente como un par de electrones compartidos entre dos

tomos, no es claramente suficiente para educar la estructura molecular. Hay dos importantes

acercamientos al enlace qumico que se basan en los postulalos de la Mecnica Cuntica, teora

que describe el movimiento de los electrones en trminos de su energa. Uno de los acercamientos

es la Teora de Enlace de Valencia, la cual retiene el modelo de tomos individuales que se

aproximan para formar un enlace covalente asociado con dos electrones compartidos en la regin

donde los orbitales atmicos (cada uno aportado por un tomo) hacen el solapamiento (superposicin

o traslapo). Adems esta teora introdujo el concepto de orbitales hbrioas a hibridacinque

consiste en la combinacin de orbitales atmicos para producir otros nuevos, con diferentes

propiedades direccionales de cada tomo que participa en el enlace. Este modelo proporciona en

abundantes casos, una mejor interpretacin de la geometra molecular.

El otro acercamiento al enlace qumico es la Teora de Orbital Molecular que visualiza a la

molcula como un conjunto de ncleos positivos con orbitales moleculares que se extienden a

travs de la molcula como un todo, estos orbitales son ocupados por los electrones en forma

anloga a los orbitales atmicos en un tomo. Las dos teoras son complementarias, es as que en

la interpretacin de los enlaces qumicos en molculas orgnicas indistintamente sern tomados

conceptos de una y otra.



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1.11.1 Estructura del Metano yel Etano: Hibridacin sp3 y orbitalesmoleculares

En la formacin de la molcula del metano, el carbono pasa por un estado devalencia hibridizado, en el cual los cuatro electrones de valencia disponibles, estaran

ubicados en cuatro orbitales hbridos sp3 resultantes de la mezcla (o

combinacin lineal en trminos matemticos) de un orbital atmico 2s y tres

orbitales atmicos 2p de la capa de valencia de carbono.

Cada orbital hbrido sp3resultante contiene entonces, un electrn y tendra

la concentracin mas grande de carga elctrica en el lbulo mas grande de un lado

del ncleo y la carga menor en el lbulo mas pequeo del lado opuesto. (Figura

1.11).


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Figura 1.11 Proceso de hibridacin y estructura de los cuatro orbitales atmicoshbridos sp3

Recordando que estos cuatro orbitales se desprenden del mismo ncleo (el tomo decarbono) y que cargas de la misma clase se repelen, puede predecirse que estas cargas

negativas deben orientarse lo mas separadamente posible, para minimizar las repulsiones.

De esta forma los orbitales hbridos sp3se orientan hacia los vrtices de un tetraedro regular.

Por lo tanto, el carbono sp3es tetraedral, donde los ngulos entre todos los orbitales hbridos

son aproximadamente iguales al ngulo tetradrico (109.5 C).


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Los orbitales sp3 tienen as, mejores propiedades direccionales, y en el metano se

combinan con los electrones 1s de los tomos de hidrgeno para producir una estructura

tridimensional en forma de tetraedro.

Ahora, desde el punto de vista de la Teora Orbital Molecular, el solapamiento de cada orbital

sp3de carbono con un orbital l1s de hidrgeno genera cuatro orbitales moleculares enlazantes

(sp3-s) de simetra aproximadamente cilindrica (Figura 1.12), y cuatro orbitales antienlazantes

(sp3-s), que no se muestran. En total son ocho orbitales moleculares obtenidos de ocho orbitales

atmicos, a travs de la combinacin de cuatro orbitales sp3 y cuatro orbitales 1s. Los ocho

electrones de valencia (4 del carbono y 4 de los cuatro hidrgenos) ocuparan los cuatro orbitales

moleculares enlazantes de energa mas baja.

Figura.1.12Formacin de orbitales moleculares del metano

La Figura 1.13 muestra la combinacin de un orbital atmico de carbono sp3y un orbital

atmico 1s de hidrgeno para formar un orbital de enlace y otro de antienlace.

El ngulo H-C-H de metano calculado experimentalmente dio un valor de 109.5 que

concuerda con lo predicho por la teora, como tambin la existencia de cuatro enlaces idnticos C-H

de longitud 1.09 A, cuya energa de disociacin de enlace es de 104 kcal/mol (435 kJ/).



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Figura 1.13Combinacin de un C(sp3) y un Hidrgeno 1s

Es posible entonces representar de varias formas la molcula de metano (Figura 1.14). La

estructura de puntos de Lewis (1), la frmula estructural completa (2), la estructura condensada

(3), las cuales no muestran la estructura tetradrica, la proyeccin que ilustra un modelo molecular

de bolas y varilla (4) y la representacin espacial (5) (Figura 1.14):

Figura 1.14Diferentes representaciones de la molcula del metano

La molcula de etano por su parte, se forma empleando los orbitales hbridos sp3 de dos

tomos de carbono,: cada uno utiliza tres de los cuatro orbitales sp3 para combinarse con tres

orbitales 1s de los tomos de hidrgeno. Los dos orbitales sp3 restantes (uno de cada tomo de

carbono) se combinan para formar dos orbitales moleculares o (sp3-sp3).de simetra cilndrica, y el

antienlazante(sp3-sp3). La formacin de esta molcula se esquematiza en la Figura 1.15.



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Figura 1.15 formacin del enlace (C-C) en la molcula del etano

La longitud de enlace C-C en las molculas de etano es de 1.54 A y la de los solaces C-H

1.10 A


Frmulaestructuralcondensada

origen importancia estructura propiedades de compuestos organicos

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