APUNTES SOBRE LOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y LAS REACCIONES MÁS IMPORTANTES DE LA QUÍMICA DEL CARBONO

Transcripción

1 APUNTES SOBRE LOS ONEPTOS UNDAMENTALES Y LAS REAIONES MÁS IMPORTANTES DE LA QUÍMIA DEL ARBONO ONEPTOS Grupo funcional: Se denomina grupo funcional al átomo o grupo de átomos que le confieren a un compuesto orgánico una serie de propiedades específicas. Por ejemplo, un grupo funcional puede ser el grupo amino N 2 de las aminas, el grupo =O de las cetonas etc. Serie homóloga: Es el conjunto de compuestos orgánicos que tienen el mismo grupo funcional y cuya cadena carbonada se va incrementando con grupos intermedios 2. Las propiedades químicas asociadas al grupo funcional apenas varían dentro de una serie homóloga, aunque si lo hacen sus propiedades físicas (punto de fusión y ebullición, densidad...), dependientes en gran medida de la masa molecular del compuesto. uriosidad: en las series homólogas, el punto de ebullición aumenta a medida que aumenta la longitud de la cadena, pero disminuye según aumentan las ramificaciones de la cadena, ya que las moléculas ramificadas disminuyen la superficie de contacto con respecto a las moléculas lineales, lo que desfavorece las interacciones de Van der Waals. Así, por ejemplo, el punto de ebullición de los alcanos es: n pentano 36º ; 2 metilbutano, 28º y 2, 2 dimetilpropano, 10º. REAIONES DE ALANOS 1. Reacciones de sustitución por radicales libres: El reactivo atacante suele ser un radical libre, producido en una ruptura homolítica (sobre todo, halógenos). La mayoría de las reacciones que experimentan los alcanos suelen ser de este tipo: l 2.) Luz ( u. v 3 2 l + l 2. Reacciones de combustión: Son procesos violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire, que se producen con desprendimiento de luz o calor. uando hay abundante oxígeno, los productos de la combustión de los hidrocarburos son O 2 y 2 O, desprendiéndose gran cantidad de energía: O2 4 O O 2 REAIONES DE ALQUENOS O ALQUINOS A. REAIONES DE ADIIÓN 1. ON IDROGENO ( 2 ): En presencia de un catalizador (Pt, Pd, Ni, etc.): R = R + 2 Pd R 2 2 R Resumiendo: Alqueno + 2 Alcano Alquino + 2 Alqueno 1

2 2. ON ALÓGENOS (X 2 ): Br 2, l 2 En alquenos: 3 = 2 + Br 2 3 Br 2 Br (Regla de Markovnikov) En alquinos: + 2 Br 2 Br 2 Br 2 3. ON ALUROS DE IDRÓGENO (X): Simétrico: 3 = 3 + l 3 l 2 3 No simétrico: 2 = l aben dos posibilidades: 2 l l 2 3 válido según Markovnikov uando el reactivo es asimétrico, se pueden formar diferentes isómeros, pero experimentalmente se comprueba que siempre uno de ellos es mayoritario. En estos casos, se sigue la regla de Markovnikov: uando se adiciona un reactivo asimétrico, como los haluros de hidrógeno, sobre un enlace múltiple carbono carbono, se realiza de manera que la parte electropositiva del reactivo (el ) se adicione al átomo de carbono más hidrogenado. 4. ON AGUA: Disolviendo un alqueno en sulfúrico y luego añadiendo agua se convierte en alcoholes secundarios: 3 = O Á. SULÚRIO 3 O 3 B. REAIONES DE ELIMINAIÓN Son inversas a la adición. Se separan átomos o grupos de átomos, formando doble o triples enlaces: A B = + AB 1. Deshidrohalogenación de un haluro de alquilo: Se elimina un átomo de hidrógeno y un átomo de halógeno unidos a carbonos contiguos. Se llama deshidrohalogenación. Se produce por tratamiento de KO disuelto en etanol (potasa alcohólica). Resulta un alqueno: 3 2 Br KO / EtO 2 = 2 + Br 1 cloropropano + KO / EtO propeno + agua Si se parte de haluros asimétricos, se origina una mezcla de alquenos isómeros. Generalmente, el producto que se forma mayoritariamente es el que tiene menor número de átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono del doble enlace (regla de Saytzeff). Regla de Saytezff: Dice que el que sale del sustrato, lo hace del carbono más ramificado, es decir del que tiene menos : 2 Bromobutano + KO / EtO 2 buteno (cis, trans) [producto mayoritario] + 1 buteno [producto minoritario] + KBr + agua 2. Deshidratación de alcoholes: Se elimina un átomo de hidrógeno y un grupo O unidos a átomos de carbono contiguos. Se realiza calentando suavemente en presencia de ácido sulfúrico concentrado (potente agente deshidratante) y se obtiene un alqueno: 2

3 O 2 SO 4 conc 2 O + O 2-2 Etanol 2 SO 4 conc O Etileno o eteno + 3. Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales: Pueden experimentar doble eliminación. Si los dos átomos de halógeno están unidos a un mismo carbono o a carbonos contiguos, la doble deshidrohalogenación da lugar a un alquino: Ejemplo: 1, 2 Dibromopropano + 2 KO propino + 2 KBr + 2 agua REAIONES DEL BENENO A. REAIONES DE SUSTITUIÓN 1. alogenación catalizada por All 3 : Al l 3 l + l2 + 2 l O 2. Sulfonación: con ácido sulfúrico concentrado: S O SO O 3. Nitración: con NO 3 concentrado disuelto en ácido sulfúrico concentrado: N O 2 + NO 3 2 SO O 3

4 B. ORIENTAIONES DE LA SUSTITUIÓN EN EL BENENO Va a depender de los sustituyentes. ay dos tipos de sustituyentes: activantes y desactivantes. Activantes: aumentan la reactividad del benceno. ORIENTAN a orto (1,2) y para (1,4): O, N 2, R, X Desactivantes: ORIENTAN a meta (1,3):, O, OO Ejemplos: + NO 3 Orienta en meta (1 y 3) NO 3 + Mezcla de orto y para 3 NO 3 REAIONES DE OMBUSTIÓN Son procesos violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire, que se producen con desprendimiento de luz o calor: ompuesto orgánico + oxigeno dióxido de carbono + agua REAIONES DE OXIDO REDUIÓN Los compuestos orgánicos también pueden sufrir oxidaciones y reducciones, más suaves, sin rotura de la cadena carbonada. Por ejemplo, los agentes oxidantes típicos (KMnO 4, K 2 r 2 O 7 ) oxidan un alcohol primario a aldehído, el cual, a su vez, se oxida formando el correspondiente ácido carboxílico. Inversamente, los agentes reductores pueden reducir a los ácidos carboxílicos y a los aldehídos y formar el correspondiente alcohol primario: 4

5 Oxidación Oxidación R 2 O R O R OO Reducción Reducción La oxidación de un alcohol secundario produce la correspondiente cetona. Inversamente, la reducción de una cetona da lugar a un alcohol secundario: Oxidación R O R` R O R` Reducción Por su parte, los alquenos se oxidan con KMnO 4 en frío o con OsO 4, formando dialcoholes: KMnO 3 = O O 3 OTRAS REAIONES ORGÁNIAS 1. Esterificación o hidrólisis ácida: Se produce entre ácidos carboxílicos cuando reaccionan con alcoholes. Se forman ésteres y se desprende una molécula de agua. Se trata de una reacción reversible y se considera como un tipo de reacción de condensación: R OO + R O R O O R + 2 O 2. Saponificación o hidrólisis básica: Es la reacción inversa a la anterior, obteniéndose un jabón y glicerina: 2 O O R R OO Na + 2 O O O R + 3 NaO R OO Na + + O 2 O O R R OO Na + 2 O 3. ondensación: Son reacciones en las que dos moléculas orgánicas se unen, desprendiéndose una molécula pequeña, generalmente agua. Las reacciones de condensación se pueden considerar como un tipo específico de reacciones de sustitución: 3 O + N 2 O 3 =N O + 2 O 5

6 TIPOS DE ISOMERÍA A. Isomería estructural: ay de varios tipos: 1. Isomería de cadena: Tipo de isomería estructural en la cual los isómeros difieren únicamente en la disposición de los átomos de en la cadena carbonada. Por ejemplo: el butano y el metil propano: ( 4 10 ) y 3 3 ( 4 10 ) 3 2. Isomería de posición: Se produce cuando un mismo grupo funcional puede estar colocado en diferente posición dentro de la cadena carbonada. Ejemplo: buta 2 ol y buta 1 ol. 3. Isomería de función: La presentan aquellos compuestos que, teniendo la misma fórmula molecular, poseen grupos funcionales distintos. Por ejemplo: etilmetil éter ( 3 6 O) y propenol ( 3 6 O): 3 O = 2 y 2 = 2 O B. Isomería espacial o esteroisomería: Se presenta en aquellos compuestos que únicamente se diferencian en la orientación espacial de sus átomos en la molécula. Es decir, la molécula tiene los mismos átomos, las mismas cadenas y los mismos grupos funcionales, pero difieren en alguna de sus orientaciones espaciales. Esta clase de isomería puede ser: 1. Isomería geométrica o cis trans: Tipo de isomería espacial o esteroisomería característica de las sustancias con un doble enlace, donde los isómeros tienen diferente disposición espacial de los átomos o grupos de átomos en torno al doble enlace. Ejemplo: = = cis 1, 2 difluoroeteno trans 1, 2 difluoroeteno 2. Isomería óptica o enantiomería: Surge de la existencia de moléculas tridimensionales que no son superponibles con las imágenes que darían en un espejo. Estas moléculas se denominan quirales y se caracterizan por no tener plano, ni centro de simetría. Es lo que ocurre con los átomos de carbono que tienen hibridación sp 3 y los cuatro sustituyentes son diferentes. A estos carbonos se les llama asimétricos o quirales y se simbolizan con un asterisco (*). Un compuesto con un carbono quiral puede formar dos moléculas diferentes, en cuanto que no son superponibles y los cuatro sustituyentes se colocan de forma que una molécula es imagen especular de la otra. Estos dos posibles isómeros ópticos se denominan enantiómeros y siempre uno es imagen especular del otro. 6

7 Así, para el 2 cloropropanal ( 3 l O) se obtienen dos isómeros ópticos, al ser moléculas no idénticas en cuanto que no son superponibles: O O 3 l l 3 Espejo En las moléculas de un solo carbono quiral se comprueba experimentalmente que la mayoría de las propiedades físicas de los enantiómeros son idénticas (punto de fusión y de ebullición, solubilidad, densidad...); sin embargo, uno de ellos desvía el plano de la luz polarizada en el sentido de giro de las agujas del reloj, que se considera sentido positivo (+), por lo que se le considera dextrógiro y el otro, en el sentido contrario a las agujas de reloj, se considera sentido negativo ( ) y se le denomina levógiro. Es decir, los dos isómeros tienen actividad óptica, pero de signo contrario. Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros se denomina mezcla racémica y es ópticamente inactiva ya que se compensan los giros dextrógiros con los levógiros de la luz polarizada. 7