La Química Orgánica es la parte de la química que estudia los Compuestos de Carbono

Transcripción

1 1. Introducción

2 La Química Orgánica es la parte de la química que estudia los Compuestos de Carbono Más del 95% de las sustancias químicas conocidas son compuestos del carbono y más de la mitad de los químicos actuales en el mundo se denominan a sí mismos químicos orgánicos. Todos los compuestos responsables de la vida ( ácidos nucleicos, proteínas, enzimas, hormonas, azúcares, lípidos, vitaminas, etc.) son sustancias orgánicas. La industria química (fármacos, polímeros, pesticidas, herbicidas, etc.) juega un papel muy importante en la economía mundial e incide en muchos aspectos de nuestra vida diaria con sus productos.

3 1.1.- Breve Historia de la Química Orgánica Finales del XVIII El enigma de la Química Orgánica: La fuerza vital. Se observa que los compuestos orgánicos están formados por un número muy limitado de elementos. Principios del XIX Se intuyen ciertos visos de ordenamiento estructural. Se establece la ley de proporciones múltiples s Síntesis de la urea: se tiende el puente entre la Química Inorgánica y la Orgánica. Se mejora la precisión del análisis elemental. Se produce una complicación insospechada: la isomería s Los radicales orgánicos como un principio de ordenación. El descubrimiento y la profusión de los radicales orgánicos s-1840 s Orden entre los radicales orgánicos: la sustitución. Definición de radicales derivados.

4 1840 s-1850 s Ordenación por tipos de compuestos. La unificación de radicales y tipos s 1860 s Estructura interna de los radicales: la tetravalencia del carbono y su capacidad para formar cadenas. Primeras formulaciones modernas s Estructura tetraédrica del carbono: isomería optica s Estructura hexagonal del benceno s-1940 s Planteamiento de la Teoría de la Resonancia. Desarrollo de la Espectroscopía de rayos X. Desarrollo de la Espectrometría de masas s Análisis conformacional: estereoquímica del ciclohexano. Descubrimiento de la Resonancia Magnética Nuclear.

5 2. Estructura de los átomos

6 CAPA DE VALENCIA DE LOS 18 PRIMEROS ELEMENTOS CONECTIVIDAD

7 Grupos del Sistema Periódico

8 PROPIEDADES PERIÓDICAS: RADIO ATÓMICOS

9 PROPIEDADES PERIÓDICAS: ELECTRONEGATIVIDAD

10 3. Enlace y moléculas

11 3.1.- ENLACE IÓNICO ENLACE COVALENTE IÓNICO COVALENTE APOLAR COVALENTE POLAR

12 ENLACE IÓNICO ENLACE COVALENTE NO POLAR POLAR

13 TIPO DE ENLACE Y ELECTRONEGATIDAD

14 CONTORNOS DE POTENCIAL ELECTROSTATICO Rojo < Naranja < Amarillo < Verde < Azul

15 3.3.-TEORÍA DE LEWIS Átomos Los átomos forman moléculas porque compartiendo electrones alcanzan el octeto electrónico Moléculas Diatómicas

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17 En el establecimiento de las estructuras de Lewis es muy importante tener en cuenta tres aspectos 1.- Asignar cargas formales a los átomos 2.- Valorar la existencia de formas resonantes 3.- Hay átomos que no cumplen la regla del octeto

18 Cargas formales Para determinar cargas formales sobre los átomos: Carga Formal = Número e Capa valencia - Número e Desapareados + Mitad e compartidos

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20 Resonancia. No siempre existe una única estructura de Lewis que pueda explicar las propiedades de una molécula o ión. A cada una de ellas se le denomina forma resonante y al conjunto híbrido de resonancia

21 En el caso del ion CO 3 2, se podrían formar tres estructuras de Lewis en las que el doble enlace se forma con cada uno de los átomos de oxigeno, siendo las tres válidas. Cada una de estas formas contribuye por igual al la estructura del ion CO 3 2, siendo la verdadera estructura una mezcla de las tres.

22 Condiciones para escribir formas resonantes: 1. Para pasar de una forma resonante a otra solamente puedo mover electrones, nunca átomos. 2. Todas las estructuras resonantes que yo escriba deben ser estructuras de Lewis válidas. 3. Las estructuras resonantes deben poseer el mismo número de electrones desapareados. 4. Las estructuras resonantes más importantes son las de menor energía potencial.

23 Ejercicio: Escribir las formas resonantes del nitrometano y DMAP Nitrometano (N,N-dimetilamino)piridina DMAP

24 Cuál de todas las estructuras resonantes se parece más al compuesto real? 1. Aquella en la que todos los átomos tienen el octete completo. 2. Aquellas en las que no existe separación de carga es más importante que la que en la que existe separación de carga. 3. Cuando en dos formas resonantes existe separación de carga es más estable aquella que tiene las cargas más alejadas.

25 4. Las estructuras de resonancia que lleven carga negativa sobre un átomo electronegativo contribuye más que cuando esa carga va sobre otro átomo. 5. Si hay dos formas resonantes iguales la resonancia será más importante. Cuando una forma resonante es muchísimo más estable que las demás la resonancia no existe y la molécula real se parece mucho a esta forma. Cuando todas las formas resonantes son importantes, entonces la molécula real sí es un híbrido de todas las formas resonantes.

26 3.4.- TEORÍA DEL ENLACE-VALENCIA. HIBRIDACIÓN Los enlaces covalentes se producen por solapamiento de orbitales atómicos semiocupados de distintos átomos Orbital 1s semiocupado de un átomo de H Orbital 1s semiocupado de un átomo de H Molécula de hidrógeno

27 Tipos de enlace covalente según el solapamiento Enlace tipo sigma σ: solapamiento frontal Enlace tipo pi π: solapamiento lateral

28 3.4.- HIBRIDACIÓN: Geometría molecular según TEV HIBRIDACIÓN sp 3 METANO Todos los enlaces C-H del metano son idénticos El carbono sólo podría formar dos enlaces C-H

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30 4 enlaces sencillos. Ejemplo: metano 3 enlaces sencillos + 1 par e sin compartir. Ej: NH 3 2 enlaces sencillos + 2 par e sin compartir. Ej: H 2 O

31 Un carbono unido a cuatro átomos siempre tendrá hibridación sp 3 y una estructura tetraédrica. Así son los alcanos, haluros de alquilo, alcoholes, éteres y aminas, entre otros. Todos estos compuestos tienen estabilidad suficiente como para poder ser almacenados sin problemas especiales. Un carbono unido a menos de cuatro átomos también puede tener hibridación sp 3 pero la estructura variará dependiendo del número de sustituyentes: Estructura Tipo de compuesto Carbaniones Carbenos Geometría Piramidal Angular Los carbaniones y carbenos son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.

32 HIBRIDACIÓN sp 2 ETENO Hibridación sp 2 sp 2 2p z

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34 3 enlaces sencillos. Ejemplo: BF 3 1 enlace doble y 2 sencillos. Ejemplo: eteno

35 Un carbono unido a tres átomos, que mantiene un doble enlace con uno de ellos, siempre tendrá hibridación sp 2 y una geometría trigonal plana. Así son compuestos estables tales como olefinas, hidrocarburos aromáticos, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílcos y derivados, entre otros. Existen otras situaciones donde un átomo de carbono unido a tres átomos también posee hibridación sp 2 : Estructura Tipo de compuesto Carbocatión (ion carbenio) Radical Geometría Trigonal plana Trigonal plana Carbocationes y radicales son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.

36 HIBRIDACIÓN sp 2 BENCENO C 6 H 6 Kekule Problema: El benceno es mucho más estable que lo que cabría esperar de la estructura propuesta por Kekule La hidrogenación del benceno libera mucha menos energía que la esperable

37 Hibridación sp 2 sp 2 2p z Estabilidad debida a la deslocalización de los electrones del anillo (aromaticidad)

38 HIBRIDACIÓN sp2 GRUPO CARBONILO Átomo carbono: Hibridación sp 2 Átomo oxígeno: Hibridación sp 2

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40 HIBRIDACIÓN sp ACETILENO (Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C)

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42 2 enlaces sencillos. Ejemplo: BeF 2 2 enlaces dobles. Ejemplo: CO 2 1 enlace triple y 1 sencillo. Ejemplo: etino

43 Un carbono unido a dos átomos, que mantiene un triple enlace con uno de ellos, siempre tendrá una hibridación sp y una estructura lineal. Existen otras posibilidades: Estructura Tipo de compuesto Aleno Acetiluro Geometría Lineal Lineal Los alenos son compuestos estables. Los acetiluros son especies reactivas (intermedios de reacción).

44 Electronegatividad del carbono en función de su hibridación El carbono tiene mayor electronegatividad a medida que aumenta el carácter s de la hibridación. Por tanto los carbonos del etano (sp 3 ) son menos electronegativos que los del eteno (sp 2 ) y éstos a su vez menos electronegativos que los del etino (sp). El cálculo de las densidades electrónicas en estos tres compuestos refleja claramente este hecho: (azul +, rojo -) Etano Eteno Etino Los hidrógenos tienen una coloración azul más acusada desde el etano al etino, prueba de su menor densidad electrónica como consecuencia de la electronegatividad creciente del carbono.

45 HIBRIDACIÓN DE ORBITALES ATÓMICOS EN NITRÓGENO Y OXÍGENO sp 3 Nitrógeno Oxígeno Estructura Tipo Aminas Sales de amonio Alcoholes Éteres Alcóxidos Geometría Piramidal Tetraédrica Angular - Las aminas, sales de amonio, alcoholes y éteres son especies estables. Los alcóxidos son especies muy reactivas (intermedios de reacción).

46 sp 2 Nitrógeno Oxígeno Estructura Tipo Iminas Sales de imonio Carbonilos Geometría Trigonal plana Trigonal plana Trigonal plana Los tres tipos de compuestos tienen en general estabilidad suficiente como para poder almacenarse sin problemas especiales. Los compuestos con grupos carbonilo son muy variados: pueden ser aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, haluros de ácido, anhídridos, ésteres y amidas, entre otros.

47 sp. Nitrógeno Estructura Tipo Nitrilos Geometría Lineal Los nitrilos son compuestos estables

48 PARÁMETROS DE ENLACE Enlace Longitud típica (A) Momento dipolar (D) Energía de disociación (kcal/ mol) C-H X-H 1.01(N) 0.96(O) 1.31(N) 1.51(O) 93(N) 111(O) C-C C=C C C C-N C=N C N C-O C=O C-Cl C-Br C-I

49 3.5.-TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR La mezcla de N orbitales atómicos da lugar a N orbitales moleculares Ej.: Hidrógeno La combinación de dos orbitales atómicos 1s da lugar a un orbital molecular enlazante σ y a un orbital antienlazante σ*. Los dos electrones de la molécula ocupan el orbital molecular enlazante

50 Los orbitales moleculares tipo σ también se pueden formar por solapamiento frontal de orbitales p o de orbitales híbridos

51 Los orbitales moleculares tipo π se producen por solapamiento lateral de orbitales p

52 Formación de dos orbitales π por solapamiento lateral de orbitales p. Triple enlace carbono-carbono.

53 3.6.- Enlace covalente polar: Polaridad de los enlaces y las moléculas Un enlace covalente será polar si los átomos enlazados tienen cierta diferencia de electronegatividad

54 Cada enlace tiene un momento dipolar µ (magnitud vectorial que depende la diferencia de electronegatividad entre los átomos cuya dirección es la línea que une ambos átomos y cuyo sentido va del menos electronegativo al más electronegativo).

55 Enlace Momentos Dipolares de enlaces Momento Dipolar, D Enlace Momento Dipolar, D H-F 1.7 C-F 1.4 H-Cl 1.1 C-O 0.7 H-Br 0.8 C-N 0.4 H-I 0.4 C=O 2.4 H-C 0.3 C=N 1.4 H-N 1.3 C N 3.6 H-O 1.5 La dirección del momento dipolar es hacia el átomo más electronegativo.

56 La polaridad de las moléculas depende de dos factores: a) La existencia de enlaces covalentes polares b) Una geometría que lo permita

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58 CO 2 BF 3 CH 4 H 2 O NH 3

59 4. REPRESENTACIÓN DE LAS MOLÉCULAS EN QUÍMICA ORGÁNICA

60 4.1.- TIPOS DE FÓRMULAS Fórmula Molecular C 2 H 6 O C 4 H 10 Formula Estructural Fórmula Desarrollada Formula Esqueletal En 2 D En 3 D

61 4.2.- PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES. Clase Grupo funcional Ejemplo alcanos ninguno CH 3 -CH 3 Etano alquenos CH 3 CH=CH 2 Propeno alquinos CH 3 -C C-CH 3 2-Butino haluros de alquilo -halógeno CH 3 -CH 2 -Br Bromuro de etilo

62 Clase Grupo funcional Ejemplo (homo) aromáticos Tolueno (hetero) aromáticos 3-Metilpiridina

63 Clase Grupo funcional Ejemplo alcoholes fenoles éteres -OH -O- CH 3 -CH 2 -OH Etanol Ph-OH Fenol CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 Dietiléter aldehídos Etanal cetonas Propanona

64 Clase Grupo funcional Ejemplo ácidos carboxílicos Ácido acético ésteres Acetato de etilo amidas Acetamida haluros de acilo anhídridos Cloruro de acetilo Anhídrido acético

65 Clase Grupo funcional Ejemplo nitrilos -C N CH 3 CN Acetonitrilo nitroderivados -NO 2 CH 3 NO 2 Nitrometano iminas tioles sulfuros -SH -S- Metilimina de la propanona CH 3 -CH 2 -SH Etiltiol (CH 3 ) 2 S Dimetilsulfuro sulfonas -SO 2 - ácidos sulfónicos -SO 2 -OH CH 3 SO 2 CH 3 Dimetilsulfona CH 3 CH 2 CH 2 SO 2 OH Ácido propanosulfónico

66 Clasificación de los compuestos orgánicos Clasificación de los compuestos orgánicos Solo con C-H C-H y otros elementos hidrocarburos Cadena abierta Cadena cerrada Saturados insaturados ciclos aromáticos alcanos alquenos Ciclo alcano alquinos Ciclo alqueno Ciclo alquino

67 5. ISOMERÍA

68 QUE SON ISOMEROS? Dos especies químicas diferentes se dice que son isómeras cuando tienen la misma composición elemental y el mismo peso molecular Los isómeros no son superponibles y tienen el mismo número de átomos de cada tipo

69 TIPOS DE ISOMERIA TIPOS FUNDAMENTALES DE ISOMEROS: ESTRUCTURALES ESTEREOISOMEROS

70 TIPOS DE ISOMERÍA

71 5.1.- ISOMERÍA ESTRUCTURAL Son isómeros que difieren entre sí en que sus átomos están unidos de diferente forma Isomería de cadena Isomería de posición Isomería de función - No todos los grupos están unidos a los mismos centros -Son moléculas muy diferentes tanto en sus propiedades físicas como químicas

72 ISOMERÍA DE CADENA Los isómeros de cadena difieren en la forma en que están unidos los átomos de carbono entre sí para formar una cadena Cuántos isómeros tiene el butano? Cuántos isómeros tiene el pentano?

73 ISOMERÍA DE POSICIÓN Los isómeros de posición difieren en las posiciones que ocupan sus grupos en la estructura carbonada Hay dos isómeros estructurales con la fórmula molecular C 3 H 7 Br Del alcohol con fórmula molecular C 4 H 9 OH se obtienen: Dos isómeros de posición Dos isómeros de cadena

74 En los derivados del benceno se dan casos muy importantes de isomería de posición Fórmula molecular C 7 H 8 Cl

75 ISOMERÍA DE FUNCIÓN Los isómeros de función difieren en sus grupos funcionales - La forma en que están unidos los átomos da lugar a grupos funcionales distintos Fórmula molecular C 3 H 6 O Fórmula molecular C 3 H 6 O 2 2-propen-1-ol

76 4.3.- EL NOMBRE DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS ALCANOS Nombre Molecular Formula Estructural Formula Isomeros Nombre Molecular Formula Estructural Formula Isomeros Metano CH 4 CH 4 1 hexano C 6 H 14 CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 5 Etano C 2 H 6 CH 3 CH 3 1 heptano C 7 H 16 CH 3 (CH 2 ) 5 CH 3 9 propano C 3 H 8 CH 3 CH 2 CH 3 1 octano C 8 H 18 CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 18 butano C 4 H 10 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 2 nonano C 9 H 20 CH 3 (CH 2 ) 7 CH 3 35 pentano C 5 H 12 CH 3 (CH 2 ) 3 CH 3 3 decano C 10 H 22 CH 3 (CH 2 ) 8 CH 3 75 GRUPOS ALQUILO Grup o Nom bre CH 3 C 2 H 5 CH 3 CH 2 CH 2 (CH 3 ) 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH 3 CH 2 CH(CH 3 ) (CH 3 ) 3 C R Metil Etil Propil Isopropill Butil Isobutil sec-butil tert-butil Alquil

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78 CICLOALCANOS Nombre Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Cicloheptano Cicloalcano Molecular Formula C 3 H 6 C 4 H 8 C 5 H 10 C 6 H 12 C 7 H 14 C n H 2n Estructural Formula (CH 2 ) n Esqueletal Formula

79 Reglas IUPAC para nombrar alcanos 1. Encuentre y nombre la cadena continua más larga de carbonos. 2. Identifique y nombre los grupos unidos a esta cadena. 3. Numere la cadena empezando por el extremo más próximo a un sustituyente. 4. Designe la localización de cada grupo sustituyente por el apropiado número y nombre. 5. Construya el nombre, listando los grupos en orden alfabético. Los prefijos di, tri, tetra etc., usados para designar varios grupos iguales, no se consideran en la ordenación alfabética. 3-metilhexano 3,4-dicloro-4-etil-5-metilheptano

80 Carbono 1rio, 2rio, 3rio, 4rio

81 Reglas IUPAC para la nomenclatura de Alquenos 1. El sufijo -eno indica un alqueno o cicloalqueno. 2. La cadena principal debe incluir los dos átomos de carbono unidos por el doble enlace. 3. La cadena principal debe ser numerada por el extremo más próximo al doble enlace. Si la insaturación está en el centro de la cadena se empieza a numerar por el extremo que tenga más próximo un sustituyente. 4. El más pequeño de los números asignados a los átomos del doble enlace se utiliza para indicar la posición de la insaturación. Si hay más de un doble enlace el compuesto es denominado dieno, trieno,.. 5. En los cicloalquenos a los carbonos del doble enlace se les asigna los números 1 y 2. El número 1 puede ser determinado por la regla de los sustituyentes. 6. Grupos sustituyentes más importantes conteniendo doble enlace son: H2C=CH Grupo vinilo H2C=CH CH2 Grupo alilo

82 Cuál es el nombre de los siguientes alquenos? 1.- (CH 3 ) 2 C=CHCH 2 C(CH 3 ) (CH 3 CH 2 CH 2 ) 2 C=CH (C 2 H 5 ) 2 C=CHCH(CH 3 ) CH 2 =C(CH 3 )CH(CH 3 )C(C 2 H 5 )=CH 2

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84 Reglas IUPAC para la Nomenclatura de Alquinos 1. El sufijo -ino indica alquino o cicloalquino. 2. La cadena principal debe contener a los dos carbonos unidos por el triple enlace. 3. La cadena principal debe ser numerada desde el extremo más próximo al triple enlace. Si el triple enlace está situado en el centro de la cadena se aplica la regla de los sustituyentes. 4. El menor número de los carbonos unidos por triple enlace debe ser usado como localizador de la insaturación. 5. Si están presentes varios enlaces múltiples, cada uno debe tener su localizador. Los dobles enlaces preceden a los triples en los nombres IUPAC, pero la cadena debe ser numerada a partir del extremo que tenga más próximo un enlace múltiple sea cual sea su naturaleza. 6. A causa de su carácter linear, los anillos que pueden acomodar un triple enlace deben tener al menos diez carbonos. En los cicloalquinos simples los carbonos unidos por el triple enlace son numerados con el 1 y el 2. El número 1 se determina por la proximidad de los sustituyentes. 7. Grupos sustituyentes conteniendo triple enlace son: HC C Grupo Etinil HC CH CH2 Grupo Propargil

85 Ejemplos alquenos y alquinos

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87 PROBLEMAS DE MORRISON & BOYD pag. 120

88 PROBLEMAS DE MORRISON & BOYD pag.290