CURSO: 2º DE BACHILLERATO ASIGNATURA: QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA QUÍMICA ORGÁNICA

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1 CURSO: 2º DE BACHILLERATO ASIGNATURA: QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA QUÍMICA ORGÁNICA La Química Orgánica es la rama de la química que estudia la química del carbono y sus compuestos. El átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, según la regla del octeto necesita ocho para completarla, por lo que forma cuatro enlaces covalente con otros átomos (carbonos, hidrógenos y heteroátomos) En las moléculas orgánicas podemos distinguir dos estructuras. Cadena hidrocarbonada. Grupos funcionales. 1

2 Grupo funcional: átomo o grupo de átomos responsable del comportamiento químico de la molécula. Todos los compuestos químicos que tienen un mismo grupo funcional presentan comportamientos químicos similares. Serie homóloga: conjunto de compuestos que poseen el mismo grupo funcional, y cada término de la serie difiere del anterior y del posterior en el grupo metileno(-ch 2 -). Los miembros de una serie homóloga poseen propiedades químicas similares y propiedades físicas que varían de forma gradual. Hay compuestos orgánicos que poseen más de un grupo funcional, y sus propiedades derivan de la coexistencia de ambos grupos. Cadena principal: Por orden de preferencia la que posee mayor número de grupos principales, mayor número de dobles y triples enlaces, mayor número de átomos de carbono, localizadores más pequeños para los grupos principales, localizadores más pequeños para las insaturaciones y mayor número de sustituyentes. Localizadores: Señalan la posición de un grupo funcional en la molécula. Se separan de otros por comas y del nombre del compuesto por guiones. Los localizadores más pequeños se asignan a los grupos principales, insaturaciones, dobles enlaces y sustituyentes ordenados alfabéticamente. Los prefijos multiplicativos de los sustituyentes no se tienen en cuenta a la hora de ordenarlos alfabéticamente. 2

3 Orden de preferencia de los grupos funcionales: Ácidos carboxílicos Ésteres Amidas Aldehídos Cetonas Nitrilos Alcoholes Aminas Éteres Hidrocarburos insaturados Hidrocarburos saturados 3

4 ISOMERÍA La isomería es el fenómeno por el cual algunos compuestos químicos coinciden en su fórmula molecular, pero difieren en algunas propiedades. Isomería estructural o plana: Isomería de cadena Isomería de posición Isomería de función Isomería espacial o estereoisomería: Isomería geométrica Isomería óptica 4

5 Isomería estructural o plana: Isomería de cadena Los isómeros difieren en la colocación de algún átomo o grupo de átomos en la cadena. H 3 C H 3 C C CH2 CH CH CH 3 2-buteno H 3 C 2-metilpropeno Isomería estructural o plana: Isomería de posición Los isómeros difieren en la posición del grupo funcional o de los enlaces múltiples. H 3 C CH 2 CH 2 OH H 3 C CH CH 3 OH 1-propanol 2-propanol 5

6 Isomería estructural o plana: Isomería de función Los isómeros difieren en los grupos funcionales. C H 3 C O CH 3 propanona o acetona H 3 C O CH 2 C H propanal Isomería espacial o estereoisomería Los isómeros difieren en la disposición de los átomos en el espacio. Isomería geométrica: La isomería geométrica se produce cuando los carbonos que forman un doble enlace tienen sustituyentes diferentes. Isomería óptica: Se produce en compuestos que tienen carbonos asimétricos (carbonos quirales, con los cuatro sustituyentes diferentes). 6

7 Isomería geométrica La isomería geométrica se produce cuando los carbonos que forman un doble enlace tienen sustituyentes diferentes. H H C C H 3 C CH 3 cis-2-buteno H CH 3 C C H 3 C H trans-2-buteno En el primer compuesto los dos hidrógenos están del mismo lado del doble enlace, en el segundo los dos hidrógenos están en distinto lado. El doble enlace impide el libre giro, por lo que los dos compuestos son distintos entre sí y no pueden convertirse el uno en el otro. Isomería espacial o estereoisomería Los isómeros difieren en la disposición de los átomos en el espacio. Isomería geométrica: La isomería geométrica se produce cuando los carbonos que forman un doble enlace tienen sustituyentes diferentes. Isomería óptica: Se produce en compuestos que tienen carbonos asimétricos (carbonos quirales, con los cuatro sustituyentes diferentes). 7

8 Isomería óptica Cuando un compuesto tiene al menos un átomo de carbono asímertrico o quiral, es decir, un átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes, pueden formarse dos variedades distintas llamadas estereoisómeros ópticos, enantiómeros, formas enantiomórficas o formas quirales. Los isómeros ópticos no se pueden superponer, uno es la imagen especular del otro, como ocurre con las manos derecha e izquierda. Presentan las mismas propiedades físicas y químicas pero se diferencian en que desvían el plano de la luz polarizada en diferente dirección: un isómero desvía la luz polarizada hacia la derecha (en orientación con las manecillas del reloj) y se representa con el signo (+): es el isómero dextrógiro o forma dextro. el otro isómero óptico la desvía hacia la izquierda (en orientación contraria con las manecillas del reloj) y se representa con el signo (-)(isómero levógiro o forma levo). CH 3 C H H 5 C 2 OH Enantiómero R CH 3 H C C HO 2 H 5 Enantiómero S 8

9 Hay tres sistemas de nombrar estos compuestos: Según la dirección de desviación del plano de la luz polarizada, distinguimos las formas dextro (+) y levo (-). Según la nomenclatura D-L (Formas D y L), que es inequívoca para isómeros con un solo carbono asimétrico. Según la configuración absoluta R-S (formas R y S), más adecuada para moléculas con varios centros asimétricos. Reglas de Cahn-Ingold-Prelog Las prioridades de los grupos unidos a un átomo se establecen siguiendo unas reglas de prioridad (o reglas de secuencia): La prioridad se establece según el número atómico del átomo sustituyente. Un átomo tiene prioridad sobre otros de número atómico menor. Así pues, el hidrógeno es el que tiene una prioridad más baja. En caso de isótopos el de mayor masa atómica tiene prioridad. Si entre dos o más sustituyentes existe coincidencia en el número atómico del átomo unido directamente a la posición de la cual se quiere establecer su configuración, se sigue a lo largo de la cadena de cada sustituyente hasta poder asignar un orden de prioridades. Por ejemplo, la prioridad del grupo metilo (-CH 3 ) es menor que la del grupo etilo (-CH 2 CH 3 ), ya que el metilo solo tiene átomos de hidrógeno unidos al primer carbono mientras que el etilo tiene un átomo de carbono con un número atómico mayor y por tanto con una prioridad más alta. 9

10 REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Una reacción de sustitución es aquella donde un átomo o grupo en un compuesto químico es sustituido por otro átomo o grupo. Las reacciones de sustitución se clasifican en diferentes tipos según si el reactivo que lleva a cabo la sustitución es un nucleófilo, un electrófilo o un radical libre o si el sustrato es alifático o aromático. En química orgánica las sustituciones nucleófilas o electrófilas son muy importantes. Reacciones de sustitución nucleofílica En química orgánica, una sustitución nucleófila es un tipo de reacción de sustitución en la que un nucleófilo, "rico en electrones", reemplaza en una posición electrófila, "pobre en electrones", de una molécula a un átomo o grupo, denominados grupo saliente. 10

11 Reacciones de sustitución electrofílica Una sustitución electrofílica es un tipo de reacción de sustitución en la que un electrófilo, pobre en electrones", reemplaza en una posición nucleófila, rica en electrones", de una molécula a un átomo o grupo, denominados grupo saliente. 11

12 REACCIONES DE ADICIÓN Una reacción de adición es una reacción donde una o más especies químicas se suman a otra (substrato) que posee al menos un enlace múltiple, formando un único producto, e implicando en el substrato la formación de dos nuevos enlaces y una disminución en el orden o multiplicidad de enlace. Existen tres tipos principales de reacciones de adición: Adiciones electrófilas (o eletrofílicas) Adiciones nucleófilas (o nucleofílicas) Adiciones radicalarias Las reacciones de adición están limitadas a compuestos químicos que contengan enlaces múltiples: Moléculas con dobles o triples enlaces carbono-carbono Moléculas con enlace múltiple carbono-heteroátomo como C=O, C=N o C N Una reacción de adición es lo contrario a una reacción de eliminación. 12

13 Reacciones de adición electrófila En una reacción de adición electrofílica es una reacción de adición donde en un compuesto químico, el sustrato de la reacción, se pierde un enlace pi para permitir la formación de dos nuevos enlaces sigma. En las reacciones de adición electrofílica, los sustratos más comunes tienen enlaces dobles o enlaces triples carbonocarbono. 13

14 Regla de Markovnikov La regla de Markovnikov establece que, con la adición de un reactivo asimétrico del tipo H-X a un alqueno o alquino, el átomo de hidrógeno lábil se une al átomo de carbono del doble o triple enlace con el mayor número de átomos de hidrógeno, y el grupo halogenuro (X) se une al átomo de carbono del doble o triple enlace con el menor número de átomos de hidrógeno. 14

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16 REACCIONES DE ELIMINACIÓN Una reacción de eliminación es el proceso inverso a una reacción de adición. Es una reacción en la que dos sustituyentes son eliminados de una molécula, creándose una insaturación, ya sea un doble o triple enlace, o un anillo. Las reacciones de eliminación más importantes son aquellas en las que los dos grupos que se eliminan están situados en átomos adyacentes, dando lugar a una nueva insaturación en la forma de un alqueno, un alquino o un carbonilo. 16

17 Mecanismo Ejemplos Regla de Saytzeff La regla de Saytzeff, Saytzev o Zaitsev establece que en una reacción de eliminación (β-eliminación) en la que pueda ser formado más de un alqueno será mayoritario el más estable termodinámicamente. El hidrógeno que sale del sustrato o hace del carbono más ramificado, es decir, del carbono que tiene menos hidrógenos. 17

18 REACCIONES DE OXIDACIÓN La oxidación de alcoholes es una reacción orgánica importante. Los alcoholes primarios (R-CH 2 -OH) pueden ser oxidados a aldehídos (R-CHO) o ácidos carboxílicos(r-cooh), mientras que la oxidación de alcoholes secundarios (R 1 R 2 CH- OH), normalmente termina formando cetonas(r 1 R 2 C=O). Los alcoholes terciarios (R 1 R 2 R 3 C-OH) son resistentes a la oxidación. 18

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20 REACCIONES DE REDUCCIÓN Para la reducción de los grupos carbonilos y carboxilos se utilizan hidruros metálicos complejos Alanato de litio o hidruro de litio y aluminio (LiAlH 4 ) Borohidruro de sodio (NaBH 4 ) 20

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22 REACCIONES DE ESTERIFICACIÓN Se denomina esterificación al proceso por el cual se sintetiza un éster. Un éster es un compuesto derivado formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol. REACCIONES DE SAPONIFICACIÓN La saponificación es una reacción química entre un éster de ácido graso (o un lípido saponificable, portador de residuos de ácidos grasos) y una base, en la que se obtiene como principal producto la sal de dicho ácido 22

23 REACCIONES DE CONDENSACIÓN Una reacción de condensación, en química orgánica, es aquella en la que dos moléculas se combinan para dar un único producto acompañado de la formación de una molécula de agua. Las reacciones de condensación siguen un mecanismo de adición-eliminación. REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, o bien una cadena lineal o una macromolécula tridimensional. Los polímeros pueden ser de adición o condensación. 23

24 Polímeros de adición Una polimerización es por adición si la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la suma de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman. 24

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26 Reacciones Radicalarias Polímeros de condensación La polimerización es por condensación si la molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero. Por lo general se pierde una molécula pequeña, como agua. La polimerización por condensación genera subproductos. La polimerización por adición no. 26

27 Los poliésteres tienen cadenas hidrocarbonadas que contienen uniones éster, de ahí su nombre. Los grupos éster en la cadena de poliéster son polares, donde el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una carga negativa y el átomo de carbono del carbonilo tiene una carga positiva. Las cargas positivas y negativas de los diversos grupos éster se atraen mutuamente. Esto permite que los grupos éster de cadenas vecinas se alineen entre sí en una forma cristalina y debido a ello, den lugar a fibras resistentes. Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a esto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras. 27

28 Las siliconas son polímeros inorgánicos, es decir, no contienen átomos de carbono en su cadena principal. Esta es una cadena alternada de átomos de silicio y de oxígeno. Cada silicona tiene dos grupos unidos a la misma y éstos pueden ser grupos orgánicos. 28