INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA

Transcripción

1 1.- Introducción. 2.- Enlaces del carbono. 3.- Grupos funcionales. 4.- Fórmulas en la química orgánica. 5.- Isomería. 6.- Tipos de reactivos 7.- Tipos de reacciones orgánicas. 1.- INTRDUCCIÓN. INTRDUCCIÓN A LA QUÍMICA RGÁNICA Actualmente se denomina Química del Carbono al estudio de los compuestos de este elemento, tanto los obtenidos a partir de los seres vivos como los sintetizados en los laboratorios. Los compuestos conocidos del carbono superan los dos millones. Las propiedades que diferencian los compuestos orgánicos de los inorgánicos son los siguientes: Solubilidad: Se disuelven preferentemente en compuestos orgánicos (alcohol, éter,...) mientras que los inorgánicos se disuelven preferentemente en agua. Estabilidad: Los compuestos orgánicos se descomponen a temperaturas relativamente bajas, en contra de los compuestos inorgánicos que resisten temperaturas altas. Carácter de las reacciones: Las reacciones de los compuestos inorgánicos suelen ser de tipo iónico, sencillas y prácticamente instantáneas; por el contrario, las reacciones de los compuestos orgánicos suelen ser lentas y complicadas. 2.- ENLACES DEL CARBN. La configuración electrónica del carbono es 1s 2 2s 2 2p 2 ; sin embargo, en el momento de la formación de enlaces tiene lugar la promoción de uno de los electrones 2s al orbital 2p vacío, con lo que la configuración electrónica del último nivel será. 2s 1 1 2p x 2p y 1 2p z 1 Explicándose de este modo la tetravalencia del carbono, aunque estos cuatro enlaces no serían equivalentes, pero experimentalmente se ha comprobado que estos cuatro enlaces son equivalentes, lo cual se explica si estos orbitales se hibridan. Esta hibridación se puede realizar de tres maneras. a) ibridación tetraédrica o sp 3 Se hibridan el orbital 2s y los tres 2p, resultando cuatro orbitales equivalentes sp 3 dirigidos hacia los cuatro vértices de un tetraedro y formando entre sí un ángulo de 109 o 20. Al formar enlaces C-C y C-, los primeros son covalentes puros y los segundos poseen una polaridad muy pequeña (4% de carácter iónico), siendo ambos enlaces muy estables. Los 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 1

2 compuestos saturados formados por carbono e hidrógeno reciben el nombre de alcanos y son muy poco activos, razón por la que se les denomina también parafinas (poca afinidad). b) ibridación trigonal o sp 2 Se hibridan el orbital 2s con dos de los 2p, quedando un orbital 2p sin perturbar; se forman tres orbitales híbridos equivalentes situados en el mismo plano y formando entre sí ángulos de 120 o y queda el orbital 2p no híbrido perpendicular a ellos. Los orbitales híbridos dan lugar a enlaces sigma (σ) y el orbital perpendicular 2p a un enlace pí (π). Esta distribución se presenta en los compuestos con doble enlace como el etileno. C = C c) ibridación digonal o sp En este caso sólo se hibridan el orbital 2s y uno de los 2p, originándose dos orbitales híbridos que forman entre sí 180 o, permaneciendo sin alterar dos orbitales 2p. La hibridación digonal es característica de los compuestos con triple enlace como el acetileno. C C Las cadenas carbonadas, que se forman al unirse entre sí los átomos de carbono, no se disponen en línea recta, sino que adoptan la forma de cadena en zig-zag. 3.- GRUPS FUNCINALES. Los compuestos orgánicos se distribuyen en bloques tales que cada uno de ellos se caracteriza por tener un átomo o agrupamiento atómico definidos, llamados grupos funcionales, que le confiere una serie de propiedades comunes y características. Aparece el concepto de serie homóloga, como el conjunto de compuestos que teniendo el mismo grupo funcional, cada uno de ellos se diferencia del siguiente en que posee un grupo metilo (-C 2 -) menos en su molécula. Todas las sustancias de una serie homóloga presentan las propiedades químicas características de la función a la que pertenecen, pero tienen diferentes propiedades físicas (punto de ebullición, densidad,...). Las funciones orgánicas más importantes se muestran en el cuadro siguiente. 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 2

3 Función Nombre de la Función FUNCINES RGÁNICAS MÁS IMPRTANTES Grupo Funcional Nombre del Grupo Sufijo Prefijo Fórmula Representativa Ejemplo saturado C C alcano -ano R C 2 C 2 R etilénico C = C alqueno -eno R C = C R C 3 C 3 C 2 = C 2 etano eteno I DR GE NA DAS acetilénico C C alquino -ino R C C R C C etino cicloalcan o cicloano- ciclo- -eno C 2 ciclopen- C 2 C 2 tano C 2 C 2 C = C ciclobuteno C 2 C 2 aromático areno :benceno XI GE NA DAS NI TR GE NA DAS primario R C 2 C 3 C 2 : etanol R C C 3 C C 3 Alcohol secundario hidroxilo -ol 2- propanol R hidroxi- R C 3 C C 3 R C metil-2- terciario R C 3 propanol Fenol hidroxilo Ar fenol Aldehído Cetona Ácido Éter Éster Nitrocompuesto Amina Amida C C C carbonilo carbonilo carboxilo oxi -al oxo- -ona oxoácido oico carboxi- -oxi- -éter R C C 3 C etanal R C R R C R R C 3 C C 3 propanona C 3 C ácido etanoico C 3 C 2 C 3 metoxietano C éster -ato de -ilo R C R C 3 C C 3 etanoato de metilo R C 3 C 2 N 2 N nitro nitro- R N 2 nitroetano primaria N 2 R N 2 C 3 N 2 metilamina secundaria terciaria C N N N 2 amino amido Nitrilo C N ciano -amina amino- cicloalqueno idrocarburo -amida carbamoil- -nitrilo cianuro de - ilo R N R R N R R R CN 2 R CN C 3 N C 2 C 3 etilmetilamina C 3 N C 3 C 3 trimetilamina C 3 CN 2 etanamida C 3 C 2 CN propanonitrilo AL halo GENA halo- aluro X (fluoro, R X C 3 Cl clorometano DAS haluro de -ilo cloro, etc.) 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 3

4 4.- FÓRMULAS EN LA QUÍMICA RGÁNICA Las fórmulas de los compuestos orgánicos pueden ser de dos tipos. a) Fórmulas moleculares, que indican la clase y el número de átomos que intervienen en cada molécula de la sustancia. Ejemplo: C 3 8. b) Fórmulas estructurales: son aquellas en las que aparecen explicitados los enlaces existentes entre los átomos. Este tipo de fórmulas pueden ser de tres tipos: b.1.- semidesarrolladas o condensadas: en ellas se hace constar únicamente los enlaces entre los átomos de carbono. C 2 = C 2 C 3 C 2 b.2.- desarrolladas o expandidas: se hace constar en ellas la totalidad de los enlaces existentes entre los átomos de carbono y los de los demás elementos que intervienen en el compuesto. C = C C C b.3.- tridimensionales: en ellas se representa la dirección espacial de los enlaces. 5.- ISMERÍA En química orgánica es frecuente que varios compuestos cuya fórmula molecular es exactamente la misma, presenten propiedades muy diferentes, hecho que recibe el nombre de isomería. Podemos definir a los isómeros como aquellos compuestos de igual fórmula molecular y distinta fórmula estructural. La isomería puede ser de dos tipos: a) Isomería plana: Es aquella en la que se utilizan las fórmulas desarrolladas en el plano para distinguir a los distintos isómeros; a su vez puede ser de tres tipos: a.1.- de cadena: es aquella que se produce por la distinta disposición de los átomos de carbono dentro de la molécula. C 3 C 2 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 C C 3 C 3 a.2.- de posición: es aquella que se debe a la distinta posición del grupo funcional dentro de la molécula. C 3 C 2 C 2 C 3 C C 3 a.3.- de función: los isómeros poseen distinta función química, aunque tengan la misma fórmula molecular. C 3 C 2 C 2 C 3 C 2 C 3 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 4

5 b) Isomería espacial: Para estudiar este tipo de isomería es necesario recurrir a las fórmulas tridimensionales de los compuestos. Nos podemos encontrar dos tipos de estereoisómeros. b.1.- Isomería geométrica o cis-trans. Es característica de los compuestos orgánicos en los que dos átomos de carbono unidos por un doble enlace se encuentran a la vez enlazados, cada uno de ellos, a átomos o grupos de átomos diferentes, uno de los cuales, al menos, suele ser idéntico a uno de los pertenecientes al otro carbono. X X X R C 3 C = C C = C C = C C = C R R R X 3 C C 3 3 C CIS cis 2-buteno trans 2-buteno La existencia de este tipo de isomería se debe a la rigidez del doble enlace que impide la libre rotación, con lo que los dos isómeros constituyen compuestos diferentes, siendo el isómero trans más estable que el cis. b.2.- Isomería óptica. Es característica de aquellos compuestos que poseen uno o más átomos de carbono asimétricos, es decir, átomos de carbono cuyas cuatro valencias están saturadas por átomos o grupos de átomos distintos. Los isómeros ópticos poseen las mismas propiedades físicas y químicas, diferenciándose al desviar el plano de polarización de la luz polarizada en sentidos opuestos. Una de las formas desvía hacia la derecha (dextrógira, D) y otra hacia la izquierda (levógira, L). Estos dos isómeros reciben el nombre de enantiómeros y son imagen especular uno del otro. C TRANS C 3 C C (-) 2-(L)-hidroxipropanal C C 3 (+) 2-(D)-hidroxipropanal Una mezcla de dos isómeros ópticos al 50 % se denomina mezcla racémica y resulta ópticamente inactiva, ya que las actividades de uno y otro se compensan mutuamente. 6.- TIPS DE REACTIVS Toda reacción química implica ruptura de unos enlaces y formación de otros nuevos. Los enlaces que mantienen unidos los átomos de una molécula orgánica son, generalmente, covalentes. Por ello, en el transcurso de una reacción química debe producirse ruptura de enlaces covalentes. La reactividad de los compuestos de carbono depende en gran medida del tipo de enlace covalente existente: si el compuesto sólo posee enlaces simples (σ), su capacidad de reacción es muy escasa; por el contrario, si existen enlaces múltiples, la reactividad aumenta en gran medida, debido a que los enlaces pi (π) son fáciles de romper. En general, entre las especies que intervienen en una reacción orgánica se distingue el sustrato y el reactivo. Se denomina sustrato a la molécula reaccionante más grande, la cual, en el transcurso de la reacción, varía su grupo funcional o experimenta un cambio estructural. La especie que ataca a la molécula del sustrato, originando la formación de nuevos enlaces, se denomina reactivo. Los reactivos que intervienen en las reacciones orgánicas se dividen en tres tipos: radicales libres, reactivos nucleófilos y reactivos electrófilos. 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 5

6 a) Radicales libres. Son átomos o fragmentos moleculares eléctricamente neutros que poseen un electrón sin aparear. Una vez formados, son muy reactivos y atacan rápidamente a otro radical o molécula. Los radicales pueden clasificarse en primarios, secundarios o terciarios, según que el carbono con el electrón sin aparear esté unido a uno, dos o tres átomos de carbono. En general, los radicales terciarios son más estables que los secundarios, y éstos más que los primarios. b) Reactivos nucleófilos. Son átomos, o grupos atómicos, que poseen una alta densidad electrónica, por lo cual atacan a las zonas del sustrato en las que hay una baja densidad electrónica. Los reactivos nucleófilos suelen ser iones negativos, tales como, CN, R C, pero también especies neutras que posean un átomo con un par de electrones sin compartir (bases de Lewis). c) Reactivos electrófilos. Son especies que, por poseer deficiencia de electrones, atacan a las zonas del sustrato en las que hay alta densidad electrónica. Suelen ser, en general, especies catiónicas, tales como +, N 2 +, pero también pueden ser especies neutras capaces de aceptar pares de electrones (ácidos de Lewis). 7.- TIPS DE REACCINES RGÁNICAS Las reacciones orgánicas pueden clasificarse de diversas maneras: 1.- Según el tipo de ruptura de los enlaces: 2.- Según el tipo de reordenamiento atómico: * omolíticas o radicalarias. * Sustituciones. * eterolíticas o iónicas. * Adiciones. * Electrófilas. * Eliminaciones. * Nucleófilas. * Transposiciones SEGÚN EL TIP DE RUPTURA DE LS ENLACES: 1.a.- Reacciones homolíticas o radicalarias. Son aquellas en las que, al romperse el enlace, cada uno de los átomos se queda con uno de los electrones del par, originándose un par de radicales libres. A:B A. +.B 1.b.- Reacciones heterolíticas o iónicas. Uno de los dos átomos se queda con el par de electrones, convirtiéndose en un ion negativo, mientras que el otro átomo se transforma en un ion positivo. A:B A: + B + Las rupturas heterolíticas son típicas de enlaces como los existentes entre el carbono y átomos notablemente electronegativos, como los halógenos. 1.b.1.- Reacciones electrófilas. Son aquellas en las que el reactivo atacante es un electrófilo. El ataque de un ion Br + sobre el doble enlace de un alqueno es un ejemplo de reacción electrófila: C = C + Br + C C + Br 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 6

7 1.b.2.- Reacciones nucleófilas. Son aquellas en las que el reactivo atacante es un nucleófilo. Por ejemplo, el ataque del ion cianuro sobre el carbono de una cetona: δ- - C 3 C C 3 + CN - C 3 C C 3 δ+ CN SEGÚN EL TIP DE RERDENAMIENT ATÓMIC: 2.a.- Reacciones de sustitución. Son aquellas en las que un átomo o grupo atómico X unido a un carbono, es sustituido por otro átomo o grupo diferente Y. Pueden ser de tres tipos: -Por radicales libres: R X + Y R Y + X luz C 3 C 3 + C1 2 C 3 C 2 Cl + Cl -Por sustitución nucleofílica: C 3 C 2 - C1 + - C 3 C 2 + Cl - C 3 C 2 + C1 C 3 C 2 C1 + 2 C 3 -C + 2 C 3 - C + N 3 N 2 C 3 - -Sustitución electrofílica aromática (se dan en hidrocarburos aromáticos): 2 S 4 C N 3 C 6 5 N S 3 C S 4 C 6 5 S FeCl 3 C X 2 (Cl 2 o Br 2 ) C 6 5 X +X A1C1 3 C R-X C 6 5 R + X 2.b.- Reacciones de adición. Aquellas en las que dos átomos unidos por un enlace múltiple, al romperse dicho enlace, se unen a otros átomos o grupos atómicos con formación de enlaces sencillos. C = C + YX C C X Y 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 7

8 - Adición de halogenuros de hidrógeno: 3 C = C 2 + C1 C 3 CC 3 (regla de Markovnikov: el se adiciona al carbono con más hidrógenos) Cl - Adición de halógenos: C 3 C = CC 3 + Br 2 C 3 CCC 3 Br Br - Adición de hidrógeno: Ni C 3 C = CC C 3 C 2 C 2 C 3 Pb C 3 C + 2 C 3 C 2 - Adición de agua: C 2 = C C 3 C 2 2.c.- Reacciones de eliminación. Pueden considerarse como opuestas a las de adición, en ellas se produce la separación de dos átomos o grupos atómicos de una molécula, sin que, al mismo tiempo, tenga lugar la incorporación de otras especies químicas. - Deshidratación de un alcohol: C C C = C + YX X Y C 3 - C 2 C 2 = C Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo: C 3 -C 2 -C 2 Cl + K C 3 -C = C 2 + KC d.- Reacciones de condensación. Son reacciones en las que dos moléculas se unen liberando una pequeña molécula, generalmente de agua. - Formación de ésteres: C 3 C + C 3 C 3 CC Formación de amidas: C 3 C + C 3 N 2 C 3 CNC e.- Reacciones de transposición. Consisten en el cambio de posición de uno o más átomos o grupos atómicos dentro de la molécula. 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 8

9 C 2 = C C 3 C = 2.f.- Reacciones de combustión. Son reacciones redox en las que el oxidante es el oxígeno. C 3 C C C 3 C C (Se debe ajustar) (Se debe ajustar) 2º Bachillerato: Introducción a la Química rgánica Página 9