UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA

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1 UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA COMPETENCIAS E INDICADORES DE DESEMPEÑO Entiende las particularidades estructurales del átomo de carbono, que le permiten ser la base del inmenso número de compuestos orgánicos. Indica la importancia de los grupos funcionales como base fundamental del comportamiento químico de los compuestos orgánicos. Nombra y representa hidrocarburos saturados e insaturados de acuerdo a las reglas de nomenclatura IUPAC. Reconoce y describe comportamientos físicos y químicos de alcanos, alquenos y alquinos. HISTORIA DE LA QUÍMICA ORGÁNICA Es la rama de la química en la que se estudian los compuestos del carbono y sus reacciones. Existe una amplia gama de sustancias (medicamentos, vitaminas, plásticos, fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas) formadas por moléculas orgánicas. Los químicos orgánicos determinan la estructura de las moléculas orgánicas, estudian sus reacciones y desarrollan procedimientos para sintetizar compuestos orgánicos. Fórmulas y enlaces químicos La fórmula molecular de un compuesto indica el número de cada tipo de átomos contenidos en una molécula de esa sustancia. La fructosa, o azúcar de uva (C6H12O6), consiste en moléculas que contienen 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 6 átomos de oxígeno. Como existen al menos otros 15 compuestos con esta misma fórmula molecular, para distinguir una molécula de otra, se utiliza una fórmula estructural que muestra la distribución espacial de los átomos. La Práctica de la Ciencia. A lo largo de la Historia han existido diversas formas de practicar la Ciencia y de todas ellas lo más importante es comprender los métodos y los procedimientos científicos para investigar fenómenos, investigar problemas y seguir intereses concretos. Esta es una de las tareas que busca desarrollar la enseñanza de las Ciencias y de la Química, de ahí que se planteen Proyectos en Clase. Las ventajas de saber interpretar el mundo de manera científica a través de proyectos se resume en que puedes lograr: Diseñar y planificar preguntas y cuestionamientos de interés, a los cuales puedes dar tus propias respuestas o alternativas basadas en un fundamento teórico, ideando procedimientos experimentales si es necesario. Poner en práctica diferentes operaciones y recoger tus propios datos. Interpretar tus hallazgos experimentales 1

2 desde diferentes puntos de vista teóricos. Registrar y elaborar un escrito o ensayo donde puedas colocar los procedimientos llevados a cabo, los datos, las interpretaciones y las conclusiones que se han obtenido como logros personales o familiares. Para cada Proyecto de Clase necesitamos que apliques los siguientes criterios: Identificar el objeto de la investigación. (El fenómeno que deseas estudiar). Revisar los hechos científicos. (Síntesis de los datos empíricos y teóricos) Plantear el problema.(puede surgir como una observación o inquietud de un grupo de trabajo). Delimitar el problema. (Descomponerlos en sus partes más sencillas). Revisar la bibliografía. (Es necesaria la consulta bibliográfica ya que ningún proyecto arranca de cero). Formular hipótesis. (Al formular el problema deben incluirse suposiciones o explicaciones tentativas). Plantear un experimento. (Que permita contrastar las hipótesis planteadas). Interpretar los resultados experimentales. Plantear una solución. (Respuesta al problema planteado) Aplicación en la vida cotidiana los resultados obtenidos. Predecir el planteamiento de nuevos problemas. Responde: Cuál debe ser tu papel como estudiante de química orgánica? Qué valores destacas del trabajo que realiza la comunidad científica? Te interesa el trabajo de la ciencia en general y el de la química orgánica en especial? El Mapa Conceptual Es el instrumento que nos permite interpretar y relacionar de manera sencilla los conceptos tratados en un tema, y además facilita la comparación entre los nuevos conocimientos con lo que ya se conoce. Partes de un Mapa Conceptual. Las proposiciones: Dos o más conceptos unidos por palabras enlazantes. Las palabras enlazantes: Aclaran la relación entre los conceptos. La jerarquías: Los conceptos más generales se ubican en la parte superior y los más específicos en la parte inferior. 2

3 ELEMENTO CARBONO El carbono es único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los otros elementos combinados. El Carbono (símbolo C) es un elemento crucial para la existencia de los organismos vivos, y que tiene muchas aplicaciones industriales importantes. Su número atómico es 6; y pertenece al grupo 14 (o IVA) del sistema periódico. Propiedades La masa atómica del carbono es 12, Las tres formas de carbono elemental existentes en la naturaleza (diamante, grafito y carbono amorfo) son sólidos con puntos de fusión extremadamente altos, e insolubles en todos los disolventes a temperaturas ordinarias. Las propiedades físicas de las tres formas difieren considerablemente a causa de las diferencias en su estructura cristalina. En el diamante, el material más duro que se conoce, cada átomo está unido a otros cuatro en una estructura tridimensional, mientras que el grafito consiste en láminas débilmente unidas de átomos dispuestos en hexágonos. El carbono amorfo se caracteriza por un grado de cristalización muy bajo. Puede obtenerse en estado puro calentando azúcar purificada a 900 C en ausencia de aire. El carbono tiene la capacidad única de enlazarse con otros átomos de carbono para formar compuestos en cadena y cíclicos muy complejos. Esta propiedad conduce a un número casi infinito de compuestos de carbono, siendo los más comunes los que contienen carbono e hidrógeno. Sus primeros compuestos fueron identificados a principios del siglo XIX en la materia viva, y debido a eso, el estudio de los compuestos de carbono se denominó química orgánica. A temperaturas normales, el carbono se caracteriza por su baja reactividad. A altas temperaturas, reacciona directamente con la mayoría de los metales formando carburos, y con el oxígeno formando monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). El carbono en forma de coque se utiliza para eliminar el oxígeno de las menas que contienen óxidos de metales, obteniendo así el metal puro. El carbono forma también compuestos con la mayoría de los elementos no metálicos, aunque algunos de esos compuestos, como el tetracloruro de carbono (CCl4), han de ser obtenidos indirectamente. Cómo se mantienen unidos los Átomos de Carbono? Por los medio de las distintos. 3

4 Tipos de Enlace y Propiedades El comportamiento químico de los sólidos, líquidos y gases que nos rodean está determinado por las formas en que los átomos se unen entre sí, lo que a su vez depende de las interacciones entre sus electrones más externos. Los electrones pueden transferirse de un átomo a otro (enlace iónico), compartirse entre átomos vecinos (enlace covalente) o moverse libremente de átomo en átomo (enlace metálico). El moderno conocimiento de la estructura y comportamiento de la materia a escala atómica explica con éxito las propiedades de la materia a gran escala. El Enlace Químico Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en una molécula son los enlaces químicos, y pueden ser de tres tipos: iónico, covalente y metálico. La capacidad del carbono para formar enlaces covalentes con otros átomos de carbono en largas cadenas y ciclos, distingue al carbono de los demás elementos. No se conocen otros elementos que formen cadenas con más de ocho átomos. Esta propiedad del carbono, y el hecho de que pueda formar hasta cuatro enlaces con otros átomos, explica el gran número de compuestos conocidos. 4

5 Enlace Metálico Los átomos enlazados son elementos metálicos. Los electrones son compartidos por los átomos, pero pueden moverse a través del sólido proporcionando conductividad térmica y eléctrica, brillo, maleabilidad y ductilidad. Enlace Covalente Apolar Si los átomos enlazados son no metales e idénticos (como en N2 o en O2), los electrones son compartidos por igual por los dos átomos. Si los átomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones son compartidos en forma desigual y el -polar porque la molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los átomos comparten los electrones, aunque sea en forma desigual. Estas sustancias no conducen la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad. Cuando una molécula de una sustancia contiene átomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de diferente signo se atraen electrostáticamente, formando Enlaces Iónicos. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando están en estado líquido o en disoluciones acuosas, pero no en estado cristalino, porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal. Estructura tetraédrica del átomo de carbono. El carbono pertenece al grupo IV de la tabla periódica, lo que nos indica que tiene cuatro electrones de valencia y que puede completar su octeto cuando comparte dichos electrones, ya sea con otro átomo de carbono o con un átomo de un elemento distinto. En otras palabras el CARBONO FORMA CUATRO ENLACES COVALENTES. Cuando los cuatro enlaces del carbono son simples, los ángulos de enlace son de 109.5º y la estructura es tetraedral. Los átomos de carbono reciben igual denominación. Cuando hay un enlace doble, los ángulos de enlace son de 120º y la estructura es plana. Los carbonos son trigonales. Cuando hay un enlace triple, los ángulos de enlace son de 180º y la estructura es lineal. Los carbonos son diagonales. Diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos Qué son los Compuestos Orgánicos? Un compuesto es o no es orgánico por la presencia del Carbono. Este elemento tiene la característica de poco usual, de enlazarse consigo mismo, formando largas cadenas o anillos de átomos, además forma fuertes enlaces con otros no metales como el Hidrógeno, el Nitrógeno, el Oxígeno, el Azufre y los Halógenos. Gracias a estas características existe un gran número de compuestos, llamados compuestos orgánicos fundamentales para la conservación de la vida. Breve perspectiva histórica de la Química Orgánica. Esta rama de la química ha afectado profundamente a la vida en el siglo XX: ha perfeccionado los materiales naturales y ha sintetizado sustancias naturales y artificiales que, a su vez, han 5

6 mejorado la salud, han aumentado el bienestar y han favorecido la utilidad de casi todos los productos utilizados en la actualidad. La aparición de la química orgánica se asocia a menudo al descubrimiento en 1828 por parte del químico alemán Friedrich Wöhler, de que la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en urea, una sustancia orgánica que se encuentra en la orina de muchos animales. Antes de este descubrimiento, los químicos creían que para sintetizar sustancias orgánicas, era necesaria la intervención de lo que llamaban 'la fuerza vital' es decir, los organismos vivos. El experimento de Wöhler rompió la barrera entre sustancias orgánicas e inorgánicas. Los químicos modernos consideran compuestos orgánicos a aquellos que contienen carbono y otros elementos (que pueden ser uno o más), siendo los más comunes: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y los halógenos. En la actualidad, a la química orgánica se la llama también química del carbono. Entre las diferencias más importantes se encuentran: Todos los compuestos orgánicos utilizan como base de construcción al átomo de carbono y unos pocos elementos más, mientras que en los compuestos inorgánicos participan a la gran mayoría de los elementos conocidos. En su origen los compuestos inorgánicos se forman ordinariamente por la acción de las fuerzas fisicoquímicas: fusión, sublimación, difusión, electrolisis y reacciones químicas a diversas temperaturas. La energía solar, el oxígeno, el agua y el silicio han sido los principales agentes en la formación de estas sustancias. Las sustancias orgánicas se forman naturalmente en los vegetales y animales pero principalmente en los primeros, mediante la acción de los rayos ultravioleta durante el proceso de la fotosíntesis: el gas carbónico y el oxígeno tomados de la atmósfera y el agua, el amoníaco, los nitratos, los nitritos y fosfatos absorbidos del suelo se transforman en azúcares, alcoholes, ácidos, ésteres, grasas, aminoácidos, proteínas, etc., que luego por reacciones de combinación, hidrólisis y polimerización entre otras, dan lugar a estructuras más complicadas y variadas. La totalidad de los compuestos orgánicos están formados por enlace covalentes, mientras que los inorgánicos lo hacen mediante enlaces iónicos y covalentes. La mayoría de los compuestos orgánicos presentan isómeros (sustancias que poseen la misma fórmula molecular pero difieren en sus propiedades físicas y químicas); los inorgánicos generalmente no presentan isómeros. Los compuestos orgánicos encontrados en la naturaleza, tienen origen vegetal o animal, muy pocos son de origen mineral; un buen número de los compuestos inorgánicos son encontrados en la naturaleza en forma de sales, óxidos, etc. Los compuestos orgánicos forman cadenas o uniones del carbono consigo mismo y otros elementos; los compuestos inorgánicos con excepción de algunos silicatos no forman cadenas. El número de los compuestos orgánicos es muy grande comparado con el de los compuestos inorgánicos. 6

7 Clasificación de los Compuestos Orgánicos Concepto de radical y grupo funcional. Series homólogas. 2. Principales tipos de compuestos orgánicos. Formulación y nomenclatura. Concepto de radical y grupo funcional. Series homólogas En Química Orgánica se conoce como grupo funcional al átomo, o grupo de átomos, que define la estructura de una familia particular de compuestos orgánicos y al mismo tiempo determina sus propiedades. Para cada una de las siguientes familias se señalan en negrita el grupo funcional y se representa con una R la parte alquílica (cadena de átomos de carbono). Las reacciones típicas de la familia ocurren en el átomo, o grupo de átomos, que constituyen el grupo funcional. Hidrocarburos Los alcanos, o hidrocarburos saturados, son compuestos que sólo contienen carbono e hidrógeno. La unión entre los átomos de carbono se realiza mediante enlaces simples C-C. Son los principales componentes de los combustibles (gas natural y gas licuado de petróleo), la gasolina, el aceite para motores y la parafina. CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Heptano CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3-CH3 3-metilhexano Los alquenos, son hidrocarburos que contienen al menos un enlace doble C-C. Se denominan también olefinas. CH3-CH2-CH=CH2 1-buteno CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH3 2-hexeno Los alquinos, denominados también hidrocarburos acetilénicos, se caracterizan por poseer al menos un triple enlace C-C en su estructura. HC CH Acetileno H3C-C C-CH3 2-butino 7

8 Compuestos Halogenados Los haluros orgánicos Resultan de la unión de uno o varios átomos de halógeno a una cadena carbonada. Se nombran considerando el grupo haluro como sustituyente de la cadena carbonada a la que está unido. Los nombres de los sustituyentes son: Fluoro, cloro, bromo e iodo. Compuestos Oxigenados Los alcoholes Son sustancias orgánicas que resultan de la unión de un grupo hidroxilo (-oh) a una cadena carbonada. Dependiendo del número de sustituyentes (uno, dos o tres) que tenga el carbono al que se une el grupo -oh se habla de alcoholes primarios, secundarios o terciarios. Los alcoholes se nombran sustituyendo el sufijo -o del hidrocarburo de procedencia por el sufijo -ol. Éteres Los éteres son sustancias en las que dos cadenas carbonadas se encuentran separadas por un átomo de oxígeno (r-o-r*). Para entender su nomenclatura se supone que: La cadena carbonada más larga es la cadena principal La cadena carbonada más corta junto con el átomo de oxígeno forman un radical alcoxi (r-o-) (Según la iupac el nombre del éter se obtiene suponiendo que el radical alcoxi es un sustituyente de la cadena principal (r*). Ch3 ch2 o ch3 En esta sustancia la cadena carbonada más corta tiene un átomo de carbono, por tanto, junto con el oxígeno forma el radical metoxi. La cadena más larga tiene dos átomos de carbono, por tanto, la cadena principal es etano. Metoxietano 8

9 Aldehídos Son sustancias orgánicas que tienen un grupo carbonilo (c=o) en un carbono terminal. En general se nombran sustituyendo la terminación -o del hidrocarburo de procedencia por la terminación -al. PROPANAL Cetonas Son sustancias orgánicas que tienen un grupo carbonilo (c=o) en un carbono que no es terminal. En general se nombran sustituyendo la terminación -o del hidrocarburo de procedencia por la terminación - ona. Pentan-2-ona Ácidos carboxílicos Son sustancias orgánicas que tienen un grupo carboxilo (-cooh) en uno de sus carbonos. En general se nombran sustituyendo la terminación -o del hidrocarburo de procedencia por la terminación - oico, además se antepone la palabra ácido. Ácido pentanoico Ésteres Son compuestos orgánicos que pueden ser considerados como el resultado de sustituir el hidrógeno del grupo carboxilo por un radical r*. Por ello se nombran terminando en -oato el nombre del supuesto ácido seguido del nombre del radical a él unido. Etanoato de etilo 9

10 Haluros de Ácilo Son sustancias orgánicas que pueden ser considerados como el resultado de sustituir el grupo -oh de los ácidos carboxílicos por un halógeno -x. Se nombran sustituyendo la terminación -o del alcano original por oilo. Cloruro de butanoilo Anhídridos de ácido Estas sustancias orgánicas pueden ser considerados como el resultado de la condensación de dos moléculas de ácido carboxílico después de perder una molécula de agua entre ambas. Los anhídridos de ácido simétricos se nombran sustituyendo la palabra ácido por anhídrido. Los anhídridos de ácido asimétricos se nombran con la palabra anhídrido seguido de cada componente del ácido carboxílico en orden alfabético (sin la palabra ácido). Compuestos Nitrogenados Aminas Son sustancias orgánicas que pueden entenderse como resultado del acoplamiento de una cadena carbonada y el grupo amino -nh 2 o sus derivados -nr 2 * En general se nombran sustituyendo la terminación -o del hidrocarburo de procedencia por la terminación - amina Propan-2-amina 10

11 Amidas Son sustancias orgánicas que pueden entenderse como resultado de la sustitución del grupo -oh de los ácidos carboxílicos. Por el grupo amino -nh 2 o sus derivados -nr 2 * En general se nombran sustituyendo la terminación -o del hidrocarburo de procedencia por la terminación amida. Etanamida (acetamida) Nitrilos Familia de sustancias orgánicas en las que aparece el grupo nitrilo (-c n). Su fórmula general es: R-c n Los nitrilos se nombran terminando el nombre de la cadena carbonada con el sufijo -nitrilo GRUPOS FUNCIONALES Butanonitrilo Hemos visto que los hidrógenos de los hidrocarburos pueden ser sustituidos por átomos de otro metal o por un agrupamiento de átomos para obtener compuestos derivados que poseen propiedades muy diferentes y que presentan estructuras muy distintas (el átomo o grupo de átomos sustituyentes les confieren otras propiedades físicas y químicas). Pues bien, a ese átomo o grupo de átomos que representan la diferencia entre un hidrocarburo y el nuevo compuesto, se le llama grupo funcional. Como corolario, podemos decir que un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos que caracteriza a una clase de compuestos orgánicos. Cada grupo funcional determina las propiedades químicas de las sustancias que lo poseen; es decir determina su función química. Entonces, se llama función química a las propiedades comunes que caracterizan a un grupo de sustancias que tienen estructura semejante; es decir, que poseen un determinado grupo funcional. Etanol 11

12 Por ejemplo, en un alcano, los átomos de hidrógeno pueden ser sustituidos por otros átomos (de oxígeno o nitrógeno, por ejemplo), siempre que se respete el número correcto de enlaces químicos (recordemos que el oxígeno forma dos enlaces con los otros átomos y el nitrógeno forma tres). El grupo OH en el alcohol etílico y el grupo NH 2 en la etilamina son grupos funcionales. Cuadro de Microsoft En un alcano, los átomos de hidrógeno pueden ser sustituidos por otros átomos (de cloro, oxígeno o nitrógeno, por ejemplo), siempre que se respete el número correcto de enlaces químicos (el cloro forma un enlace sencillo con los otros átomos, el oxígeno forma dos enlaces y el nitrógeno forma tres). El átomo de cloro en el cloruro de etilo, el grupo OH en el alcohol etílico y el grupo NH2 en la etilamina se llaman grupos funcionales. Estos grupos funcionales determinan la mayoría de las propiedades químicas de los compuestos. 12

13 TIPOS DE REACCIONES QUÍMCAS ORGÁNICAS Los compuestos orgánicos son objetos de múltiples reacciones de las cuales se forman gran cantidad de productos absolutamente imprescindible en el mundo actual, tales como medicinas, plásticos, detergentes, colorantes, insecticidas. Su reactividad se debe a fundamentalmente a la presencia de los grupos funcionales y puede ser debida a: La alta densidad electrónica (doble o triple enlace) La fracción de carga positiva en el átomo de carbono (enlaces C Cl, C=O, CºN). Para entender porqué o cómo se produce una determinada reacción (mecanismo) es necesario comprender los desplazamientos electrónicos, que son de dos tipos: Efecto inductivo. Efecto mesómero. HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS Son los compuestos orgánicos no derivados del benceno. Están formados por átomos de carbono e hidrógeno, formando cadenas, las cuales pueden ser abiertas o cerradas. Su fórmula general el R-H. Los hidrocarburos pueden encontrarse unidos por enlaces simples, dobles o triples. Como el carbono es tretavalente, está compartiendo dos electrones en cada enlace, y el hidrógeno, que solamente tiene un electrón, sólo necesita un enlace para poder juntarse con el carbono. Los hidrocarburos alifáticos son ampliamente utilizados como disolventes, pues pueden disolver sustancias aceitosas, grasas, resinas o incluso caucho y otras sustancias, hecho muy útil en la industria de obtención de sustancias como pinturas, pegamentos, y un largo etc., así como también son de gran utilidad en la síntesis en química orgánica, donde son a menudo utilizados como materia prima. Dentro del grupo de hidrocarburos alifáticos de cadena abierta tenemos a los alcanos, alquenos y alquinos, diferentes en base a la naturaleza de sus enlaces, y dentro del grupo de hidrocarburos de cadena cerrada, tendremos a aquellos compuestos que se cierran su cadena formando un anillo sin ser derivados del benceno, como por ejemplo, los cicloalcanos. Los hidrocarburos alifáticos pueden ser no saturados, en los casos de las cadenas unidas con dobles o triples enlaces, o saturados, cuando todos los enlaces que conforman la molécula son de tipo simple. 13

14 Los hidrocarburos alifáticos se subdividen en: alcanos, alquenos y alquinos. Los hidrocarburos alifáticos saturados, siguen la fórmula de tipo CnH2n+2, de donde n hace referencia al número de átomos de carbono. Estos compuestos que poseen el mismo grupo funcional (el enlace), pero tienen diferente número de átomos, forman lo que se conoce como serie homóloga. Cuando los hidrocarburos pierden un átomo de hidrógeno, se forman un radical, el cual se nomina de la misma manera pero cambiando la terminación ano, por ilo (si nombramos el nombre aisladamente) o il (si se encuentra formando parte de un compuesto), por ejemplo: CH3 metilo CH3-CH2 etilo CH3-CH2-CH2 propilo. Alquenos: Son hidrocarburos alifáticos que no se encuentran saturados, en cuya molécula se encuentra presente un doble enlace. Responden a la fórmula CnH2n, donde n es el número de carbonos. Se nombran como los alcanos pero cambiando la terminación ano, por eno. Alquinos: Son hidrocarburos alifáticos no saturados, que siguen la fórmula CnH2n-2, en cuya estructura se encuentra presente un triple enlace. Se nombran igual que los alcanos o alquenos, pero cambiando la terminación por ino. Los hidrocarburos alifáticos cíclicos son los compuestos orgánicos que se encuentran formando un ciclo, representado con formas geométricas que dependen del número de carbonos que constituyan a la molécula. Estos se nombran anteponiendo el prefijo ciclo, a nombre del hidrocarburo, como por ejemplo, ciclobutano, ciclopropano, etc. Estructura de los Hidrocarburos Los hidrocarburos se pueden dividir según el esquema siguiente: 1. Alifáticos (cadena abierta) Saturados: alcanos Insaturados: alquenos Alquinos 14

15 2. Cíclicos (cadena cerrada) Saturados: cicloalcanos Aromáticos (anillo bencénico) Las reacciones de los hidrocarburos se clasifican en los siguientes tipos: a) De sustitución: Un átomo (o un grupo) enlazado a un átomo de carbono se sustituye por otro que entra en su lugar. Br-Br + CH 4 CH 3-Br + HBr b) De eliminación: Se caracterizan por la pérdida de una molécula pequeña del seno de una molécula mayor, produciéndose la formación de un enlace múltiple en esta última. H 1C 1 CH 3-CH-CH 2 CH 3-CH=CH 2 + HCl c) De adición: Inversas a las de eliminación, se adiciona una molécula al doble enlace de otra, convirtiéndolo en uno sencillo. H 2 + CH 2=CH 2 CH 2-CH 2 Estos tipos de reacciones pueden transcurrir mediante un mecanismo homolítico o heterolítico. En la ruptura homolítica de un enlace covalente se originan unas especies muy reactivas, denominadas radicales. Su reactividad se debe a que tienen electrones desapareados. En la ruptura heterolítica, uno de los átomos conserva el par de electrones, produciéndose dos iones. homolitica A: B A + B heterolitica A: B A + + B - : Propiedades Físicas de los Hidrocarburos Punto de ebullición: el punto de ebullición aumenta con el tamaño del alcano porque las fuerzas intermoleculares (fuerzas de Van der Waals y de London), son más efectivas cuando la molécula presenta mayor superficie. Es así, que los puntos de fusión y ebullición van a aumentar a medida que se incrementa el número de átomos de carbono. 15

16 Los alcanos que se presentan a la izquierda, tienen el mismo número de carbonos pero sus puntos de ebullición son distintos. Esto se debe a que la superficie efectiva de contacto entre dos moléculas disminuye cuanto más ramificadas sean éstas. Las fuerzas intermoleculares son menores en los alcanos ramificados por ello tienen puntos de ebullición más bajos. Punto de fusión: El punto de fusión también aumenta con el tamaño del alcano por la misma razón que aumenta el punto de ebullición. Los alcanos con número impar de carbonos se empaquetan en una estructura cristalina y poseen puntos de ebullición un poco menores de lo esperados en los pares. Densidad: a medida que aumenta el número de carbonos, las fuerzas intermoleculares son mayores y por lo tanto la cohesión intermolecular. Esto da como resultando un aumento de la proximidad molecular y, por tanto, de la densidad. Solubilidad: Los alcanos por ser compuestos apolares no se disuelven en agua, sino en solventes no polares como el benceno, éter y cloroformo. A temperatura ambiente es posible encontrar alcanos en diferentes estados físicos así: De metano a butano son gaseosos. De pentano a hexadecano son líquidos De heptadecano en adelante son sólidos. Propiedades químicas Oxidación completa (Combustión): los alcanos se oxidan en presencia de aire u oxígeno y el calor de una llama, produciendo dióxido de carbono, luz no muy luminosa y calor. Ese calor emitido puede ser calculado y se denomina calor de combustión. Reacciones Químicas de los Hidrocarburos Adición de Hidrógeno o Hidrogeneración: La adición de hidrógeno se realiza en presencia de un catalizador. Esta reacción es una de las más importantes desde el punto de vista industrial, se emplea para transformar ciertos alquenos provenientes del cracking del petróleo en compuestos saturados (alcanos), componente de la gasolina de alto octanaje, también la hidrogenación de aceites vegetales es el proceso fundamental en la fabricación de margarinas. 16

17 Ejemplos: 2 butino Hidrógeno Butano 3 Metil 1 Buteno + Hidrógeno 2 Metil Butano b) Halogenación: Es la adición de un halógeno a un hidrocarburo. El cloro y el bromo se adicionan fácilmente al doble o al triple enlace, formando los derivados halogenados correspondientes. Ejemplos: Adición de Agua o Hidratación Este tipo de reacción se produce tanto en alquenos como en alquinos. a) El agua se adiciona al doble enlace de los alquenos, produciendo un alcohol secundario. Ejemplo: 17

18 b) En alquinos la adición de agua se produce en presencia de sulfato de mercurio (II) (Hg SO4) su producto es un alcohol secundario, un enol, denominado etenol o alcohol vinilico. Ejemplos: Nomenclatura de Alcanos Las reglas de la IUPAC para nombrarlos son: a. Se nombran colocando el prefijo ciclo al nombre del hidrocarburo de cadena abierta correspondiente. También se pueden representar por medio de figuras geométricas. b. Cuando hay sustituyentes en el anillo se nombran en orden alfabético, indicando sus posiciones por números, anteponiéndoles el nombre de ciclo. c. Cuando los compuestos en su estructura, tienen más de un anillo y poseen puentes entre los carbonos; se nombran teniendo en cuenta el número de ciclos: Biciclo, si tiene en su configuración dos anillos. Nomenclatura de Alquenos a) Se nombran sustituyendo la terminación ano de los hidrocarburos saturados por la terminación eno, que indica el doble enlace. b) Se numerará la cadena de modo que el carbono que tiene signado el doble enlace tenga el localizador más bajo. CH2 = CH2 eteno (etileno) CH2 = CH - CH3 propeno CH3 - CH - CH = CH2 3-metil-1-buteno CH3 18

19 Nomenclatura de Alquinos a. Reciben nombres similares a los de los alquenos, reemplazando la terminación eno por ino. Se indica la posición de triple enlace en la cadena principal, la cual se enumera empezando por el extremo donde está más cerca de la insaturación. b. La posición de los grupos sustituyentes en los alquinos ramificados también se indica por medio de números. c. Cuando hay más de un triple enlace se emplean los términos diino, triino, tetraino. d. Si la molécula contiene un enlace doble y uno triple, lleva ambas terminaciones, eno e ino, y se enumera la cadena con el número más bajo posible al doble enlace. e. Si hay sustituyentes, se nombran primero indicando el número del átomo de C donde están ubicados. Luego se menciona la cadena más larga posible y la posición de las insaturaciones, empezando con eno y luego con ino. f. Si hay dos cadenas con el mismo número de insaturaciones, se toma aquella que presente más dobles enlaces, no importa que no sea la más larga. Origen y Estado Natural del Petróleo El petróleo se encuentra relativamente distribuido en todas partes del mundo, almacenado formando grandes yacimientos en el interior de la tierra, a profundidades desde cerca de la superficie hasta 2000 y más metros, y su composición varía mucho de acuerdo a su procedencia. En el interior de la tierra se encuentra formando bolsones y acompañado generalmente por una capa inferior de agua salada y una superior de gas a presión. El petróleo se extrae por perforación del suelo. A veces de los agujeros abiertos por las sondas, surge el petróleo directamente a causa de la presión interna que reina en la bolsa, pero más tarde se termina la explotación por bombeo. Teoría Inorgánica: Según los trabajos de Berthelot (1886), Mendeleieve (1897) y Moissan (1902), la formación de los aceites minerales se debería a la descomposición de carburos metálicos por la acción del agua. Las aguas de filtración, en contacto con los carburos metálicos contenidos en las profundidades del suelo, darían hidrocarburos acetilénicos de cadena corta, que se transformarían en hidrocarburos saturados, cada vez más complejos, por polimerización y condensación. Teoría Orgánica: Según el naturalista alemán Hunt, los petróleos se habrían formado en el curso de los siglos por descomposición de plantas y de animales marinos. En apoyo de esta hipótesis se invoca generalmente la presencia de sal gema y de restos orgánicos en los sondajes petrolíferos. La destilación bajo presión del aceite de hígado de bacalao o de cuerpos grasos provenientes de 19

20 animales marinos mostraría, según el químico Egler, que los petróleos se originan por la acción del calor central, ejercido bajo fuertes presiones, sobre los cadáveres fósiles de estos animales. Teoría Microorgánica: Sería muy posible que la génesis de los petróleos derivase, al menos en parte, de formas animales y vegetales de organización muy primitiva, como las algas, las diatomeas, los protozoarios (foraminíferas). La descomposición por el agua de plancton marino, y sobre todo del Faulschlamm, limo de las profundidades constituido por plantas y animales microscópicos, podría proporcionar petróleo en ciertas condiciones. Lo que parece confirmar esta idea es la coexistencia de antiguas líneas costeras o de formaciones marinas, con ciertos yacimientos. El caucho y sus propiedades Polímero de origen natural o sintético, de composición química orgánica o inorgánica según que contenga o no carbono en la cadena principal, casos del poliisopreno en el caucho natural o de la silicona, y que mediante el proceso de vulcanización pueden conseguir una gran elasticidad y elevada resistencia, al unir las cadenas moleculares entre sí formando un retículo. Propiedades físicas y químicas El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro. El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2- metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8. A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, el caucho adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone. El caucho puro es insoluble en agua, álcali o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente. 20