3.1 EL ATOMO DE CARBONO

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1 3.1 EL ATOMO DE CARBONO La química orgánica es la química de los compuestos del carbono El nombre engañoso orgánica es una reliquia de los tiempos en que los compuestos químicos se dividían según su origen, en dos clases: orgánicos e inorgánicos. Actualmente se considera que la química orgánica estudia, además de los tradicionales compuestos orgánicos (animales y vegetales) miles de compuestos sintéticos producidos en el laboratorio.- La química orgánica es un campo inmensamente importante para la tecnología, es la química de los colorantes y las drogas, del papel y las tintas, de las pinturas y los plásticos, de la gasolina u los neumáticos, etc. La química orgánica es fundamental para la medicina y la biología. Los organismos vivos están constituidos principalmente por agua y sustancias orgánicas, la biología molecular es básicamente química orgánica.- Todos los compuestos orgánicos tienen algunas características comunes, algunas de ellas son: En su constitución intervienen principalmente (96%) C, H, O y N. El resto está formado por N, P, Ca, CI, I, Na, etc.- El número de sustancias orgánicas conocidas supera ampliamente las inorgánicas.- Son termolábiles, fotosensibles y los oxidantes pueden destruirlas con facilidad.- Difícilmente se ionizan.- Sustancias orgánicas distintas poseen la misma composición centesimal y peso molecular. (isómeros).- Qué tiene de especial el Carbono para formar tantos compuestos? La existencia de una inmensa variedad de compuestos orgánicos, se debe principalmente a: 1- la capacidad del átomo de carbono para formar enlaces entre sí.- 2- la facilidad con que el átomo de carbono puede formar cadenas lineales, ramificadas, cíclicas, con enlaces sencillos, dobles y triples COMPUESTOS ORGANICOS Existen varios tipos de cadenas carbonadas, a saber: Cadenas simples: son aquellas en que los átomos de carbono se disponen uno a continuación de otro. Estas cadenas pueden ser lineales o no.- Cadenas ramificadas: son aquellas en las que dos o más cadenas simples se unen entre sí por átomos de carbono que no están en sus extremos.- Cadenas abiertas: son aquellas en las que existen carbonos terminales.- Cadenas cerradas: son cadenas en donde los extremos se unen entre sí formando ciclos o anillos.- Se emplea el término alifático, para englobar a todos los hidrocarburos no aromáticos, es decir, todos los que no tengan el anillo bencénico Vamos a intentar definir todos estos nuevos términos : Los compuestos ALIFATICOS, son todos los compuestos que no poseen en sus moléculas anillos bencénicos.- Los compuestos CICLICOS son aquellos de cadena cerrada.- Los compuestos CARBOCICLICOS son aquellos donde todos los átomos del anillo son átomos de carbono. Se los divide en: a- CARBOCICLICOS ALIFATICOS: todas las uniones entre los carbonos son simples.- b- CARBOCICLICOS AROMATICOS: se caracterizan por presentar aromaticidad. Es un grupo constituido por el benceno y los compuestos de comportamiento químico similar. Los compuestos HETEROCICLICOS, son aquellos cuyos ciclos están compuestos por otros átomos diferentes del carbono.- PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 1

2 3.3 TIPOS DE ÁTOMOS DE CARBONO Según la posición que un átomo de carbono ocupe en la cadena, podemos clasificarlos en: C 1 ario. son terminales y están unidos a un solo átomo de C. C 2 ario. no son terminales y están unidos a dos átomos de C. C 3 ario. no son terminales y están unidos a tres átomos de C. La presencia de un C terciario da origen a ramificaciones en la cadena.- C 4 ario. no son terminales y están unidos a cuatro átomos de C. 3.4 HIDROCARBUROS Los hidrocarburos son una familia de compuestos orgánicos constituidos solamente por carbono e hidrógeno. Partiendo de su estructura se los divide en dos grupos principales: alifáticos y aromáticos. Los primeros se dividen en familias: alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos (cicloalcanos) 3.5 ALCANOS Es la familia más sencilla de hidrocarburos. Responden a la fórmula general C n H 2n+2. En este tipo de hidrocarburos, cada Carbono establece con sus vecinos, cuatro enlaces simples Por este motivo se los denomina alcanos o hidrocarburos saturados, ya que no admiten más átomos de hidrógeno.- Características de los alcanos HIBRIDIZACION DEL CARBONO: sp 3 ANGULO DE ENLACE 109.5º DISTANCIA C-C 1.53ºA ENLACE C-C- σ (sp 3 - sp 3 ) ENLACE C-H σ (sp 3 s) LIBRE ROTACION C-C- (forma escalonada de mayor estabilidad) NOMENCLATURA Los cuatro primeros compuestos de la serie tienen nombres especiales: metano CH 4 CH 4 etano CH 3 - CH 3 C 2 H 6 propano CH 3 -CH 2 - CH 3 C 3 H 8 butano CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 C 4 H 10 Los alcanos se nombran con un prefijo que indica el número de carbonos, seguido de la terminación ano pentano CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 3 C 5 H 12 hexano CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 -CH 3 C 6 H 14 Para la denominación de estructuras complejas se siguen los siguientes pasos: 1 Se busca la cadena carbonada más larga (no significa lineal) y se la enumera desde el extremo más próximo a los sustituyentes.- 2 Se identifica a los radicales sustituyentes. Se indica la cantidad de cada uno de ellos con los prefijos di, tri, tetra, etc. y la posición de los mismos con un número localizador: 2, 3, 4, etc.- 3 Para nombrar el compuesto, se escriben primero las cadenas laterales como radicales, en orden alfabético o en orden de complejidad, seguido del nombre del hidrocarburo principal. Cada radical va precedido de un número, que indica el carbono de la cadena principal al que se encuentra unido. Entre dicho número y el nombre del radical se escribe un guión.- 4 Cuando hay dos cadenas de igual longitud que pueden seleccionarse como cadena principal, se escoge la que permita mayor número de sustituyentes.- PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 2

3 En realidad, las reglas de la IUPAC permiten elegir el orden en que los grupos sustituyentes son citados. Se pueden nombrar por orden alfabético o por orden de complejidad creciente.- Este apunte utiliza simultáneamente los dos criterios a la hora de nombrar los compuestos.- Ejemplo: 2, 4, 5, 5 tetrametil 6 etil octano (orden de complejidad) 6 etil 2, 4, 5, 5 tetrametil octano PROPIEDADES FISICAS: Las propiedades físicas de los compuestos orgánicos dependen de su estructura: Los alcanos presentan enlaces covalentes y están constituidos por elementos de electronegatividades muy semejantes (C e H). Esto hace que las moléculas de alcanos sean débidamente polares y que las fuerzas que las mantienen unidas sean débiles (Van der Waals). Estas fuerzas intermoleculares, son tanto más fuertes cuando mayor sean las cadenas carbonadas.- Punto de Fusión y Punto de Ebullición: el Punto de Fusión y el Punto de Ebullición aumenta a medida que aumenta el P.M. y disminuye con las ramificaciones de la cadena Solubilidad: Dada la regla lo semejante disuelve a lo semejante, los alcanos son insolubles en medios polares como el agua, pero son solubles en solventes apolares como el benceno, éter, cloroformo, etc.- PROPIEDADES QUIMICAS: Dada la gran estabilidad de los enlaces C C los alcanos son muy poco reactivos, a ello se debe la denominación de parafinas (poca afinidad, poca reactividad).- Se los conoce como Hidrocarburos Saturados, ya que los carbonos están unidos a la máxima cantidad posible de hidrógenos.- Si a un hidrocarburo se le suprime un hidrógeno, la agrupación atómica resultante se denomina radical, que generalmente actúa como sustituyente de moléculas más complejas. a RADICAL ALQUILO (si proviene de un hidrocarburo alifático) b RADICAL ARILO (si proviene de un hidrocarburo aromático) Se nombran sustituyendo la terminación ano del alcano por la terminación ilo Ejemplo: CH 3 metilo (metano) CH 3 -CH 2 -CH 2 propilo (propano) fenilo (benceno) 3.6 ALQUENOS Los alquenos son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un doble enlace carbonocarbono (C=C). Como todos sus carbonos no están saturados con átomos de hidrógenos, se denominan también hidrocarburos insaturados. Los átomos de carbono que participan en el doble enlace, están en hibridización sp 2. Responden a la fórmula general C n H 2n. Características de los alquenos HIBRIDIZACION DEL CARBONO sp 2 ANGULO DE ENLACE 120º DISTANCIA C-C 1.33ºA ENLACE C=C σ (sp 2 - sp 2 ) ; π (p p) ENLACE C-H σ (sp 2 - s) NOMENCLATURA: Existen pocos nombres comunes, a excepción de los primeros de la serie: eteno CH 2 = CH 2 C 2 H 4 (etileno) propeno CH 2 = CH-CH 3 C 3 H 6 (acetileno) La mayoría se denominan con el sistema IUPAC: 1 Se busca la cadena carbonada más larga (que contenga el doble enlace) y se la enumera desde el extremo más próximo a la insaturación.- PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 3

4 2 Se indica la posición de la insaturación mediante un número que corresponde al primer carbono que participa en el doble enlace.- 3 Se identifican a los radicales sustituyentes. Se indica la cantidad de los mismos con los prefijos di, tri, tetra, etc. y la posición de los mismos con números 2, 3, 4, etc.- 4 El nombre del compuesto está dado por los sustituyentes en orden de complejidad o en orden alfabético seguido del nombre del hidrocarburo principal sustituyendo la terminación ano del alcano correspondiente, por la terminación eno característica de los alquenos. Ejemplo: 4, 4, 5, 7 tetrametil 3 etil 2 - octeno (orden de complejidad) 3 etil 4, 4, 5, 7 tetrametil 2 - octeno (orden alfabético) LOS DIENOS Son alquenos que contienen dos dobles enlaces carbono-carbono. Según la distribución de los dobles enlaces, se dividen en : a- Dienos acumulados: tienen los dos dobles enlaces continuos H 2 C=C=C H 2 b- Dienos conjugados: tienen las uniones dobles alternadas con enlaces simples C H 2 =CH-CH=CH- CH 3 c- Dienos aislados: las uniones dobles están separadas por más de un enlace simple: C H 2 =CH-C H 2 -CH=CH-C H 2 -CH 3 PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DE ALQUENOS: Ver final de Alquinos 3.7 ALQUINOS Los alquinos son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un triple enlace carbono-carbono (C=C). Como todos sus carbonos no están saturados con átomos de hidrógenos, se denominan también (al igual que los alquenos) hidrocarburos insaturados. Los átomos de carbono que participan en el triple enlace, tienen hibridización sp 1 Responden a la fórmula general C n H 2n-2 Características de los alquinos HIBRIDIZACION DEL CARBONO sp 1 ANGULO DE ENLACE 180º DISTANCIA C-C 1.20ºA ENLACE C C σ(sp 1 - sp 1 ) ; 2 π(p p) ENLACE C-H (sp 1 - s) NOMENCLATURA: El sistema de nomenclatura de alquinos es idéntico al de los alquenos, sólo debemos reemplazar la terminación eno de los alquenos por la terminación ino de los alquinos. Ejemplo: 4, 4, 5, 7 tetrametil 3 etil octino (orden de complejidad) 3 etil 4, 4, 5, 7 tetrametil octino (orden alfabético) _ Si en una molécula existen dobles y triples enlaces: ۷ Se comienza a enumerar la cadena por el extremos más cercano a una insaturación, ya sea un doble o un triple enlace. En caso de igualdad se comienza a enumerar por el extremo más cercano al doble enlace. ۷ Siempre se citan en primer lugar los dobles enlaces CH C - CH 2 CH = CH CH 3 CH C CH = CH 2 4-hexen-1-ino 1-buten-3-ino PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 4

5 PROPIEDADES FISICAS DE ALQUENOS Y ALQUINOS: Los Puntos de Fusión y de Ebullición de Alquenos y Alquinos son muy similares a los de los Alcanos (levemente superiores) y al igual que en éstos últimos, aumentan a medida que aumenta la cadena carbonada. PROPIEDADES QUIMICAS DE ALQUENOS Y ALQUINOS: * La función principal del enlace simple C-C es la de actuar como cemento para mantener unidos los átomos de carbono, motivo por el cual los alcanos son de muy baja reactividad química. Los dobles y y triples enlaces, en cambio, dado que poseen una nube de electrones π por encima y por debajo del plano de los átomos enlazados, tornan a los alquenos y alquinos en compuestos mucho más reactivos, comportándose generalmente como buenos reductores y buenas bases de Lewis, dado que pueden ceder electrones a alguna sustancia ávida de los mismos. * Sufren Reacciones de Adición: Y Z Y Z - C C- + YZ -C = C - + YZ - C C Y Z alquino alqueno alcano 3.8 HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS En los compuestos estudiados hasta ahora, los átomos de carbono están unidos entre si formando cadenas, estos se denominan acíclicos o de cadena abierta. Sin embargo, en muchos compuestos, los átomos de carbono forman anillos y se llaman cíclicos. Se los conoce con el nombre general de CICLOALCANOS y se los nombran colocando el prefijo ciclo al nombre del alcano correspondiente. La fórmula general es C n H 2n Ejemplos: CH 2 H 2 C C H 2 H 2 C CH 2 H 2 C CH 2 Ciclopropano Ciclobutano 3.9 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Se conocen como Hidrocarburos Aromáticos a un conjunto de compuestos cíclicos muy insaturados, que muestran reacciones características del benceno. Las molécula del benceno es una molécula muy especial. Se sabe que tiene la fórmula molecular C 6 H 6, lo que implica que una estructura muy insaturada. Sin embargo, a diferencia de alquenos y alquinos no sufre reacciones de adición sino de sustitución. Para poder justificar este comportamiento anómalo fue necesario crear un nuevo concepto químico denominado resonancia. La hibridización de los átomos de C en la molécula de benceno es sp 2, por lo tanto cada carbono forma con sus vecinos un enlace σ (sp 2 - sp 2 ) y con cada H un enlace σ (sp 2 - s) En cada átomo de carbono queda un electrón p, perpendicular al anillo bencénico, que se unen entre sí formando una nube electrónica π por arriba y por abajo del anillo.- Con esta teoría todos los átomos de carbono están igualmente enlazados, siendo la molécula regular y simétrica. Actualmente el modelo más apropiado para representar al benceno es: O mejor aún PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 5

6 NOMENCLATURA: Para nombrar las distintas estructuras formadas a partir del benceno, se usan las siguientes reglas IUPAC: 1 Los compuestos derivados del benceno que presentan un solo sustituyente, se nombran anteponiendo el nombre del sustituyente a la palabra benceno CH 3 CH 3 Br NO 2 HSO 3 Metilbenceno Bromobenceno Nitrobenceno Acido (Tolueno) Bencensulfónico 2 Cuando los sustituyentes son dos, se suelen utilizar prefijos como orto, meta y para con el objetivo de indicar la posición de los mismos. Br Br Br Br Br orto-dibromo-benceno meta-dibromo-benceno para-dibromo-benceno o-dibromo-benceno m-dibromo-benceno p-dibromo-benceno 1-2 dibromobenceno 1-3 dibromobenceno 1-4 dibromobenceno Br Finalmente cabe aclarar que existen estructuras más complejas formadas por condensación de varios anillos bencénicos Naftaleno Antraceno Fenantreno Función Formula Compuesto general ejemplo nombre alcano R CH 3 CnH 2 n+2 CH 3 -CH 3 etano alqueno R CH 3 CH 2 = CH 3 C n H 2n CH 2 =CH 2 eteno alquino R-CH 2 = CH 3 C n H 2n-2 CH=CH etino R CH 2 -OH alcohol CH 3 -CH 2 -OH etanol aldehído R CH CH 3 CH etanal R C R R C OH cetona ácido CH 3 C CH 3 CH 3 C OH R CH 2 O CH 2 R éter CH 3 C O CH 3 R C O R R C O C R R NH 2 R NH R R N R R R C NH R éster anhídrido primaria secundaria terciaria amida CH 3 C O CH 3 CH 3 C O C CH 3 CH 3 NH 2 propanona etanoico etano oximetano etanato de metilo anhidrido etano metanoico metil CH 3 NH CH 2 CH 3 metil-etil CH 3 N CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 C NH CH 3 dimetil-etil anhídrido etano metanoico Alcohol+alcohol ácido+alcohol ácido+ácido amoníaco sustituido amoníaco disustituido amoníaco trisustituido ácido + PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL BAJO CUALQUIER SISTEMA 6