QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1

ESTRUCTURA Y DIVERSIDAD DE LAS SUSTANCIAS ORGÁNICAS

INTRODUCCIÓN

 Los compuestos orgánicos, a diferencia de los inorgánicos, siempre contienen en su composición al carbono. Precisamente, la Química Orgánica tiene por objetivo el estudio del carbono, su estructura, compuestos, transformaciones y aplicaciones.

Actualmente, se conocen varios millones de compuestos orgánicos, mientras que la cantidad de las sustancias inorgánicas es mucho menor. ¿Por qué el carbono forma una gran variedad de compuestos? ¿Cómo se enlazan o se organizan los átomos de carbono? Las sustancias orgánicas se encuentran en todos los organismos vegetales y animales, entran en la composición de nuestros alimentos (pan, carne, legumbres, etc.), sirven de material para la confección de diversas vestimentas (nailon, seda, etc.), forman diferentes tipos de combustible, se utilizan como medicamentos, materias colorantes, como medio de protección en la agricultura (insecticidas, fungicidas, etc.). Como se puede ver, los compuestos orgánicos son muy importantes en la vida cotidiana y a nivel industrial.

Los logros de la Química Orgánica se utilizan ampliamente en la producción moderna, siendo fundamental su aporte en la economía nacional, ya que al realizar a gran escala los procesos de transformación, no solamente se obtienen sustancias naturales, sino también sustancias artificiales, por ejemplo, numerosas materias plásticas como caucho, pinturas, sustancias explosivas y productos medicinales.

Campo de la Química Orgánica

  QUIMICA ORGÁNICA COMO CIENCIA

Química Orgánica es una rama de la Química que se encarga del estudio del carbono y sus compuestos, tanto de origen natural como artificial, analizando su composición, estructura interna, propiedades físicas, químicas y biológicas, las transformaciones que sufren estos compuestos, así como sus aplicaciones.

Muchos compuestos orgánicos son muy conocidos, entre ellos tenemos: propano, CH3CH2CH3; etanol, CH3CH2OH; acetona, CH3COCH3; ácido acético, CH3COOH; glucosa, C6H12O6; urea, CO(NH2)2; etc. Se observa que todos los compuestos  contienen al átomo de carbono, es por esta razón que la Química Orgánica es conocida también como Química del Carbono

 QUIMICA ORGANICA EN LA INDUSTRIA

Toda la industria química orgánica se alimenta de las industrias químicas pesadas cuyas materias primas son el petróleo, el gas natural y el carbón. Otra gran parte de la IQO se abastece de productos naturales de origen animal o vegetal. Los productos obtenidos en la IQO se utilizan bien como intermedios para otros procesos industriales o bien para consumo directo (fármacos, plásticos…). Estos últimos, es decir, los productos orgánicos industriales utilizados para consumo directo pueden englobarse en dos grandes grupos:

Aquellos que se producen a gran escala, toneladas por año, y su precio por kilogramo es moderado. Como son los plásticos, abonos, detergentes, plaguicidas

Aquellos que se fabrican en cantidades pequeñas, pero su precio es muy alto y, por tanto, el volumen de sus ventas, en dinero, también lo es. La fabricación de estos productos constituye la llamada Industria Química Orgánica fina. La IQO fina en la actualidad es la IQO que posee mayor competencia, mayor gasto en investigación y mayor velocidad de cambio.

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¿Qué es la Petroquímica?

La Petroquímica es el proceso por el cual se obtienen productos derivados de los hidrocarburos, principalmente del petróleo y el gas natural.

Dichos productos se convierten en las materias primas (insumos) de los procesos productivos de otras industrias, como la de la fabricación de plásticos, fertilizantes, asfalto, fibras sintéticas, etc.

Los productos de la petroquímica

El proceso para la obtención de los petroquímicos se inicia en las Refinerías, donde mediante procesos muy complejos, se producen cambios físicos y químicos en los hidrocarburos, haciendo que se separen el petróleo crudo y el gas natural en compuestos más sencillos (o ligeros) de hidrocarburos.

Los compuestos obtenidos a través de los procesos de la refinería (como la nafta, el butano, propano, etano entre otros, los que son insumos básicos de la petroquímica) son procesados a través de lo que se conoce como “Cracking” o desdoblamiento de las moléculas pesadas en moléculas más ligeras, y el reformado, que implica la modificación de la estructura química de los hidrocarburos. A través de estos procesos se obtienen los llamados petroquímicos básicos como: olefinas (etileno, propileno, butileno), aromáticos (benceno, toluenos y xileno) y metanol. Posteriormente, estos petroquímicos básicos sirven de insumo para la realización de procesos distintos, que llevan a nuevos productos, pudiendo ser muchos los pasos para poder llegar al producto final.

Fundamentalmente, los petroquímicos básicos, en combinación con otros insumos químicos, permiten obtener los denominados petroquímicos intermedios entre los que tenemos a los poliuretanos (que sirve para fabricar camas, colchones, borradores, plásticos, etc.), acetaldehídos (lacas, saborizantes, perfumes, etc.), el formaldehído y las resinas que se producen en base al metanol, además de distintos productos finales con los cuales se fabrican productos como los plásticos, gomas, lubricantes, pinturas, detergentes, antidetonantes, etc.

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Importancia de la Química Orgánica

La Química orgánica, rama de la química que se dedica al estudio del carbono, sus compuestos y reacciones, esta rama  ha afectado profundamente a la vida en el siglo XX: ha perfeccionado los materiales naturales y ha sintetizado sustancias naturales y artificiales que, a su vez, han mejorado la salud, han aumentado el bienestar y han favorecido la utilidad de casi todos los productos empleados en la actualidad.

La gran diversidad de compuestos orgánicos

 La química orgánica es muy importante, pues ella estudia la estructura de las moléculas orgánicas, estudia sus reacciones y desarrolla procedimientos para la síntesis de compuestos orgánicos. Actualmente sabemos que la característica común de los compuestos orgánicos es que todos contienen el elemento carbono. Por lo tanto, una definición de la química orgánica es la química de los compuestos del carbono.

   Los átomos de carbono pueden unirse entre sí hasta grados imposibles para los

átomos de cualquier  otro elemento. Pueden formar cadenas de miles de átomos o anillos de todos los tamaños; estas cadenas y anillos pueden tener ramificaciones  y uniones cruzadas. A los carbonos  de estas cadenas  y anillos  se unen otros átomos;  principalmente  de hidrógeno, pero también  de flúor, cloro, bromo, yodo, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y muchos otros

La importancia de la obtención y síntesis de compuestos orgánicos

Aunque aún, hoy muchos compuestos del carbono se aíslan mejor a partir de fuentes vegetales y animales, la mayoría de ellos  se obtienen por síntesis, a veces se sintetizan a partir de sustancias inorgánicas, como carbonatos y cianuros, pero más a menudo se parte de otros compuestos orgánicos. Es así que el número de compuestos orgánicos naturales y sintéticos conocidos en la actualidad sobrepasa los diez millones y que este número aumente  en medio millón cada año. No es de sorprender que el estudio de su química sea un campo especializado.

 Los compuestos orgánicos son obtenidos  por medio de materiales producidos por organismos vivos, pero también son obtenidos, y en gran mayoría, a partir de compuestos inorgánicos.

 Existe una amplia gama de sustancias (medicamentos, vitaminas, plásticos, fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas) formadas por moléculas orgánicas.

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Campos de gran importancia para la química orgánica

Los compuestos orgánicos son tan abundantes que casi todo los que vemos a nuestro alrededor está formado por estos. Veremos algunos campos en donde es importante el desarrollo de la química orgánica:

En la industria química de base: esta trabaja a partir de las materias primas naturales (en gran mayoría sustancias orgánicas). Por ejemplo la fabricación del alcohol por fermentación de azúcares. Las industrias químicas de base toman sus materias primas del agua (hidrógeno), de la tierra (carbón, petróleo y minerales) y de la biosfera (caucho, grasas y madera).

  FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

 En la medicina: los medicamentos han sido utilizados desde la prehistoria. Las civilizaciones de la antigua India, China, el Mediterráneo y Oriente Próximo descubrieron y emplearon gran número de plantas medicinales, entre las que se cuentan algunas, como la ipecacuana, que se siguen utilizando hoy día.

Hoy en día muchos fármacos pueden elaborarse a partir de plantas, animales y mediante síntesis de compuestos orgánicos. Entre ellos tenemos a la penicilina, cortisona y muchos de los antibióticos empleados hoy en día; hormonas como la insulina obtenida de los animales, enzimas, vitaminas, nutrientes, energéticos. Muchos analgésicos, sedantes, psicofármacos y anestésicos de reciente aparición, así como otros productos que antes se obtenían de los animales, se sintetizan de forma artificial en el laboratorio.

Una importante fuente en la industria de la química orgánica

Hay dos grandes fuentes de las que se pueden obtener sustancias orgánicas simples: el Petróleo y el Carbón. Estas sustancias simples se emplean como elementos  básicos, a partir de los cuales se pueden hacer compuestos más complicados. A partir de este compuesto se pueden obtener aceites lubricantes, gasolinas, grasas para maquinaria, parafina y asfalto utilizado en calles y carreteras, entre otros productos

 

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 Los compuestos orgánicos formados principalmente por combinaciones diferentes de

carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, tienen propiedades especiales que son útiles para el ser humano

  CONCLUSIÓNExiste una amplia gama de sustancias como los medicamentos (antibióticos), las

vitaminas, enzimas, hormonas, nutrientes, productos orgánicos están presentes en nuestra vida diaria (la ropa que vestimos, los jabones, shampoo, perfumes, detergentes  limpiadores, antioxidantes, conservadores, colorantes, utensilios de cocina, la comida, etc.), los plásticos (que ha substituido a la madera y al metal), fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas, todas  formadas por moléculas orgánicas.

Actividad de aplicación

1) Explique el siguiente enunciado: “la síntesis orgánica ha portado mayor confort, bienestar y salud a la humanidad.

2) Cual es el elemento principal de los compuestos orgánicos

3) Cuales son las sustancias que forman los seres vivos. Cuales son los componentes de dichas sustancias

4) Cuales son las propiedades de las sustancias orgánicas

5) Realice un cuadro comparativo entre el análisis inmediato y el análisis elemental

6) Busque y pegue recortes de revistas de elementos orgánicos de uso cotidiano, especificando que compuestos tienen cada uno

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QUÍMICA ORGÁNICA

 1. Concepto y origen de la Química Orgánica.

La Química Orgánica se ocupa del estudio de las propiedades y transformaciones de los compuestos que contienen el elemento carbono. El elevado número y complejidad de estos compuestos se debe a las características de enlazamiento del carbono, que puede formar enlaces hasta con cuatro átomos más. Además, este elemento se puede unir a otros átomos de carbono para dar lugar a largas cadenas constituidas por cientos e incluso miles de átomos. El carbono puede formar enlaces estables con muchos átomos distintos de la tabla periódica y además, puede formar diferentes tipos de enlaces: simples, dobles o triples. La diversidad de la química que tiene como base el carbono no es sorprendente si se piensa en las diferencias que presentan las formas del carbono elemental: diamante y grafito. El diamante es duro e incoloro mientras que el grafito es suave y negro. Estas diferencias en las propiedades de las distintas formas del carbono son consecuencia de las diferencias estructurales que presentan dichas formas.

La Química Orgánica, junto con la Bioquímica, es la ciencia básica que permite explicar los procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos. De hecho, el nombre Química Orgánica proviene de la antigua creencia de que ciertas sustancias sólo podían ser producidas por organismos vivos.

2. Evolución histórica de la Química Orgánica.

Los seres humanos han utilizado los compuestos orgánicos y sus reacciones durante miles de años. Los pueblos prehistóricos hicieron uso de las propiedades de algunos compuestos orgánicos y realizaron algunas reacciones químico-orgánicas. Los antiguos egipcios, los romanos y los fenicios emplearon varios colorantes que eran verdaderos compuesto químicos puros: el índigo, la alizarina y la legendaria púrpura de Tiro. Los dos primeros colorantes se aislaron de las plantas y el último se obtuvo en pequeñas cantidades a partir de una especie rara de molusco.

Desde muy antiguo se sabía que la grasa animal se podía convertir en jabón por tratamiento con lejía. Hasta época tan reciente como 1948, los químicos orgánicos no pudieron sintetizar productos que fueran capaces de competir con el jabón (detergentes).

6

QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1La fermentación del almidón y de los azúcares para obtener alcohol se conoce desde tiempos prehistóricos y el método que se aplica en la actualidad no difiere mucho del que se ideó hace cientos de años.

La Química Orgánica, tal y como hoy la conocemos, arranca de finales del siglo XVIII cuando se inició el aislamiento de sustancias orgánicas de extractos de origen natural. En este orden de cosas son dignos de mención los estudios que el alemán Carl Scheele llevó a cabo entre los años 1769 a 1786 sobre aislamiento de diversos compuestos orgánicos de fuentes naturales.

En 1784, Lavoisier ideó un método, basado en la combustión de la materia orgánica, que permitía determinar los porcentajes de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que constituían los compuestos orgánicos.

En 1807, el químico sueco Berzelius denominó, con el nombre de compuestos orgánicos, a aquellos compuestos derivados de los seres vivos o de la materia viva. Durante todo el siglo XIX, Berzelius y otros químicos creyeron que tales compuestos poseían una fuerza vital y que, por tanto, sería imposible sintetizar un compuesto orgánico a partir de materiales inorgánicos. La teoría de la fuerza vital fue declinando a medida que la aportación creciente de datos analíticos evidenciaba que las leyes químicas que gobernaban el comportamiento de la materia inorgánica eran también válidas para los compuestos orgánicos.

La teoría de la fuerza vital sufrió un gran revés en 1828, año en el que Wöhler consiguió sintetizar la urea por descomposición térmica del isocianato amónico. Según la clasificación de Berzelius la urea era un compuesto orgánico, poseedor de fuerza vital y, por tanto, imposible de ser sintetizado a partir de compuestos clasificados como inorgánicos:

La síntesis de la urea obligó a un replanteamiento de la definición de compuesto orgánico, pasándose a denominar como tal todo compuesto que contuviese carbono en su estructura.

Durante el primer tercio de siglo XIX investigadores como Gay-Lussac, Liebig y Berzelius descubrieron y perfeccionaron nuevos métodos analíticos que permitieron determinar la clase de elementos, así como su proporción, que constituían los compuestos orgánicos.

Hacia mitad del siglo XIX, el desarrollo incipiente de la síntesis orgánica permitió la preparación de compuestos orgánicos a partir de materiales de partida relativamente simples.

Uno de los aspectos de la Química que se resistía a los esfuerzos de las mentes más brillantes del siglo XIX era el relacionado con la estructura de los compuestos orgánicos. Se sabía, por ejemplo, que el

alcohol etílico y el dimetiléter tenían la misma fórmula molecular, C2H6O, pero mientras que el primero es un líquido con punto de ebullición 78°C, el segundo es un gas. Los químicos del siglo XIX pensaron que las diferentes propiedades químicas que presentaban compuestos con la misma fórmula molecular se tenían que deber a la forma en la que se ordenaban los átomos en la estructura molecular.

3. Diferencias entre los compuestos orgánicos e inorgánicos en sus diferentes propiedades:

Los compuestos orgánicos ofrecen una serie de características que los distinguen de los compuestos inorgánicos, de manera general se puede afirmar que los compuestos inorgánicos son en su mayoría de carácter iónico, solubles sobre todo en agua y con altos puntos de ebullición y fusión; en tanto, en los cuerpos orgánicos predomina el carácter covalente, sus puntos de ebullición y fusión son bajos, se

7

QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1disuelven en disolventes orgánicos no polares (cómo éter, alcohol, cloroformo y benceno), son generalmente líquidos volátiles o sólidos y sus densidades se aproximan a la unidad.

Los compuestos inorgánicos también se diferencian de los orgánicos en la forma como reaccionan, las reacciones inorgánicas son casi siempre instantáneas, iónicas y sencillas, rápidas y con un alto rendimiento cuantitativo, en tanto las reacciones orgánicas son no iónicas, complejas y lentas, y de rendimiento limitado, realizándose generalmente con el auxilio de elevadas temperaturas y el empleo de catalizadores.

Compuestos Orgánicos

Compuestos Inorgánicos

Elementos constituyentesC, H, O, N, S, P y Halógenos

103 elementos

Estado Físico Líquidos y gaseososSólido, líquido o gaseoso

Volatilidad Volátiles No volátiles

Solubilidad en aguaInsolubles o poco

solublesSolubles

DensidadesAproximadas a la unidad, bajas

Mayor que la unidad, altas

Velocidad de reacción a temperatura ambiente

Lentas con rendimiento limitado

Rápidas con alto rendimiento cualitativo

Temperatura superior

Desde moderadamente rápidas hasta explosivas

Muy rápidas

Necesidad de catalizadores Sí, con frecuencia Generalmente no

Tipo de enlace CovalenteIónicocovalente

4. Orbitales atómicos.

En química general suele estudiarse detenidamente el concepto de orbital, por tanto bastará con recordar que orbital es una región tridimensional alrededor del núcleo atómico donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón. El principio de incertidumbre de Heisenberg indica que la posición y el momento de un electrón no pueden conocerse simultáneamente. Esto significa que nunca podemos saber con total certeza donde se encuentra el electrón pero sí podemos describir su posiblelocalización. El contorno orbitálico indica la existencia de mas de un 90% probabilidad de encontrar al electrón en el espacio definido por dicho contorno.Según la mecánica cuántica, los electrones se colocan en regiones concéntricas al núcleo. Cada región, o nivel, contiene subregiones que son los orbitales atómicos. Cada orbital atómico tiene una energía

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QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1característica que viene dada por la ecuación de Schrödinger. Así, la primera región contiene sólo al orbital s y consiste en una región esférica en cuyo centro se encuentra el núcleo1

La segunda región contiene 1 orbital s (esférico) y 3 orbitales p, que son mutuamente perpendiculares entre sí. En la siguiente figura se indica la forma de cada uno de los orbitales 2p.

El tercer nivel cuántico posee 1 orbital s, 3 orbitales p y 5 orbitales d,

Hibridación de orbitales atómicos en el carbono

a) Enlace Simplesp3

(Cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del C)

Un carbono unido a cuatro átomos siempre tendrá hibridación sp3 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.

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QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1Un carbono unido a menos de cuatro átomos también puede tener hibridación sp3 pero la estructura variará dependiendo del número de sustituyentes.

b) Enlace Doblesp2

(Tres regiones de densidad electrónica alrededor del C)

Un carbono unido a tres átomos, que mantiene un doble enlace con uno de ellos, siempre tendrá hibridación sp2 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 sp2.

c) Enlace Triplesp

(Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C)

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Un carbono unido a dos átomos, que mantiene un triple enlace con uno de ellos, siempre tendrá una hibridación sp y una estructura lineal.

5. Teoría estructural de Kekulé: fórmulas estructurales.

En 1858 Kekulé propuso una teoría estructural que permitía asignar la estructura de los compuestos orgánicos más simples. Esta teoría se basaba en la tetravalencia del átomo de carbono y en el concepto de enlace químico, y fue la base de partida para la asignación de las estructuras de moléculas orgánicas sencillas, tales como el metano, el etano o el propano. La teoría estructural de Kekulé permitió explicar el fenómeno de la isomería, es decir la presencia de diferentes propiedades físicas y/o químicas en compuestos con la misma fórmula molecular.

En 1916, la introducción del concepto de enlace covalente por el químico estadounidense Lewis proporcionó la base que permitió relacionar las estructuras de las moléculas orgánicas y sus propiedades químicas.

6. Representación de Lewis de las moléculas orgánicas.

Según Lewis una capa llena de electrones es especialmente estable y los átomos transfieren o comparten electrones para tratar de alcanzar una capa llena de electrones y alcanzar, así, la estructura electrónica estable similar a la del gas noble más próximo, que normalmente contiene 8 electrones en su capa más externa. La tendencia de los átomos a adquirir la configuración electrónica externa de 8 electrones se la conoce como regla del octeto.

Cuando dos átomos comparten dos electrones entre sí se forma entre ellos un enlace covalente. Los átomos, de acuerdo con su configuración electrónica, pueden cumplir la regla del octeto con pares de electrones compartidos (electrones enlazantes) y pares de electrones sin compartir (electrones no enlazantes).

Las estructuras de Lewis utilizan un punto para representar a un electrón de valencia, y un par de puntos o una línea para representar a pares de electrones. A continuación, se indica la representación de Lewis de algunas moléculas orgánicas, como el etano, la metilamina, el metanol y el clorometano. Nótese que estas tres últimas contienen átomos que consiguen su octeto electrónico mediante la suma de electrones enlazantes y no enlazantes, como el caso del átomo nitrógeno de la metilamina, del átomo de oxígeno del metanol, o del átomo de cloro del clorometano.

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Como se acaba de ver, cuando se comparte un par de electrones entre dos átomos se forma un enlace simple. Muchas moléculas orgánicas contienen átomos que comparten dos pares electrónicos, como la del etileno, y se dice que estos átomos están unidos mediante un enlace doble. También hay estructuras orgánicas con átomos que comparten tres pares de electrones, como los de la molécula de acetileno, y en este caso se dice que el enlace entre los átomos es un triple enlace.

7. Electronegatividad y polarización del enlace.

Cuando dos átomos comparten por igual los dos electrones del enlace covalente se dice que el enlace es no polar, como ocurre en el enlace covalente de la molécula de hidrógeno, en el enlace covalente de la molécula de cloro, o en el enlace covalente carbono-carbono del etano. Sin embargo, la mayor parte de los enlaces covalentes están formados por dos átomos diferentes, de manera que los electrones del enlace son atraídos con mayor intensidad por uno de los dos átomos que forman el enlace. Cuando esto ocurre el enlace covalente se denomina enlace polar. Por ejemplo, cuando el carbono se enlaza al cloro el par de electrones del enlace se encuentra atraído con más intensidad por el átomo de cloro, de manera que sobre el átomo de carbono aparece una pequeña carga parcial positiva y sobre el átomo de cloro aparece una cantidad igual de carga negativa. En la siguiente figura se indica el enlace covalente polar C-Cl de la molécula de clorometano. La polaridad del enlace se indica con una flecha que dirige su punta hacia el extremo negativo del enlace polar y un signo mas (+) en el extremo positivo del enlace.

La polaridad del enlace se mide mediante su momento dipolar (µ) que se define como la cantidad de diferencia de carga multiplicada por la longitud del enlace. El símbolo + quiere decir una pequeña cantidad de carga positiva y el símbolo - quiere decir una pequeña cantidad de carga negativa.

A fin de predecir si un enlace covalente va a ser polar se recurre a la comparación de las electronegatividades de los átomos que forman el enlace. La electronegatividad se define como la tendencia del núcleo atómico a la atracción de electrones.

Pauling desarrolló una escala de electronegatividades relativas para la mayoría de los átomos. En el Sistema Periódico la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha y disminuye al bajar en una

12

QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1columna, por lo que el flúor es el elemento más electronegativo. A continuación, se da una tabla de electronegatividades para los principales átomos de interés en Química Orgánica.

H

2.2Li

1.0

Be1.6

B1.8

C2.5

N3.0

O3.4

F4.0

Na

0.9

Mg1.3

Al1.6

Si1.9

P2.2

S2.6

Cl3.2

Br

3.0I

2.7

Como se deduce de la tabla anterior, un enlace C-H debería estar muy poco polarizado, puesto que la electronegatividad del hidrógeno y del carbono es similar. Sin embargo, los halógenos, el oxígeno y el nitrógeno, que son heteroátomos que suelen aparecer en las estructuras orgánicas, son más electronegativos que el carbono y, por tanto, los enlaces C-halógeno, C-O y C-N son polares. A continuación, se representan las estructuras de Lewis de las moléculas de fluoruro de hidrógeno (HF), agua (H2O) y amoníaco (NH3) con indicación de la polaridad de los enlaces. La molécula de metano se puede considerar que está constituida por enlaces C-H muy poco polarizados:

8. Carga formal.

En los enlaces polares las cargas parciales sobre los átomos son reales. Sin embargo, cuando se dibujan determinadas estructuras químicas, según la representación de Lewis, aparecen cargas eléctricas asociadas a algunos átomos,denominadas cargas formales. Las cargas formales permiten contar el número de electrones de un átomo determinado de una estructura., y se calculan según la siguiente ecuación

A continuación, aparecen indicadas las estructuras de Lewis del anión carbonato y del nitrometano. Se puede apreciar que sobre dos de los átomos de oxígeno del anión carbonato aparecen una carga formal negativa y en la molécula de nitrometano aparece una carga formal positiva sobre el átomo de nitrógeno y una carga parcial negativa sobre uno de los dos átomos de oxígeno.

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En la siguiente figura se indica el cálculo de la carga formal de cada uno de los átomos que integran el anión carbonato:

El mismo cálculo se indica a continuación para los átomos, excepto H, que componen la molécula de nitrometano:

9. Representación de Fórmulas EstructuralesLos químicos orgánicos utilizan una gran variedad de formas para representar las fórmulas estructurales. Las representaciones más comunes son las que aparecen en la figura. La estructura de los puntos muestra todos los electrones de valencia, pero su escritura es tediosa y tardada. Las otras representaciones son más convenientes y, por lo tanto, se usan con más frecuencia.

Para el alcohol propílico

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C

C

C

OH

H

H

H

H

H

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H

H

H

H H

H

C CC H

H

O CH3CH2CH2OH C3H8O

Estructura de guiones Fórmula condensada Formula global

Más y más químicos orgánicos utilizan una formula muy simplificada llamada formula de líneas de enlace para representar las formulas estructurales. Ejemplo:

CH3CH2CH2OH = OH CH3CH(CH3)CH2CH3 =

(CH3)2NCH2CH3 N=

Fórmulas TridimensionalesNinguna de las fórmulas que se han estudiado hasta ahora proporciona información sobre la forma en que los átomos de una molécula están distribuidos en el espacio. Existen varios tipos de representaciones que sí hacen esto. El tipo de formula la que se utilizará se muestra en la figura. En esta representación, los enlaces que se proyectan hacia arriba, hacia fuera del plano del papel, están indicados por medio de una cuña ( ), los que se encuentran por detrás del plano se indican con una cuña punteada ( ) y aquellos que están sobre el plano de la página se indican por medio de una línea ( ).

C

H

H HH

HH

H

H

Co

Metano

o

C

H

HH

H

H

HH

H

C

CC

H

H

H

H

Butano

10. Isómeros

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QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1Dos o más moléculas con composiciones químicas idénticas, pero que difieren en la disposición de los átomos.El termino isómero proviene de: ISO = Igual y MERO = parte. Dos sustancias isómeras pueden diferir en sus propiedades físicas, químicas y biológicas: una puede ser una medicina útil y la otra ineficaz, una inofensiva y la otra explosiva. Los isómeros se clasifican:

De cadenaEstructural De Posición

De funciónIsomería

GeométricaEstereoisomería

Óptica

Al analizar los diferentes tipos de isómeros se recomienda considerar o conocer claramente las llamadas estructuras equivalentes, es decir que no son isómeros, si no dos proyecciones de la misma molécula. Por ejemplo:Estructuras equivalentes:

H OH

C CH

H

H

H H

H

H

H CC OH

H H

OH

C CH

H

H

H

CH3 CH3CH2

CH3

CH CH

CH3

CH2 CH3CH3

Isomería Estructural o plana :La isomería estructural se debe a diferencias de estructuras y puede explicarse mediante fórmulas planas.

a) Isomería de cadenaEs la que presentan las sustancias cuyas formulas estructurales difieren únicamente en la disposición de los átomos de carbono en el esqueleto carbonado, por ejemplo:

Isómeros con fórmula molecular: C4H10

CH3 CH3CH2 CH

CH3

CH3CH3CH2

Para determinar el número de isómeros de una formula global se tiene que emplear la simple deducción, pero en algunos casos existen formulas para su determinación.

En le caso de los alcanos : CnH2n + 2

Nº de isómeros = 2 n – 4 + 1 ; Si : n = 4,5, 6 y 7

Nº de isómeros = 2 n – 4 + n – 6 ; Si : n = 7, 8 y 9

Para n = 4 Nº Isomeros = 2 4 – 4 + 1 = 2

CH3 CH3CH2 CH

CH3

CH3CH3CH2

n – butano iso butano

Para n = 5 Nº Isomeros = 2 5 – 4 + 1 = 3

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CH3 CH3CH2 CH3CH

CH3

CH2

CH3

CH3CH2 CH2 CH3 C

CH3

CH3

n – pentano iso pentano neo pentano

b) Isomería de Posición Son aquellas cuyas formulas estructurales difieren únicamente en la situación de su grupo funcional sobre el esqueleto carbonado.Veamos algún ejemplo:

Isómeros con la formula molecular: C3H8O

CH3 CH2 CHCH3CH2 CH3OH

OH

1 – propanol 2 – propanol

Isómeros con la formula molecular: C6H4Br2

Br Br

Br

Br

Br

Br

o – dibromo m – dibromo p – dibromo Benceno Benceno Benceno

c) Isomería de FunciónEs la que presentan aquellas sustancias que con la misma fórmula molecular, presentan distinto grupo funcional, por ejemplo:

Isómeros con la formula molecular: C2H6O

CH3CH2 CH3CH2OH O

Etanol dimetil eter

Isómeros con la formula molecular: C3H6O

CH2 CH3CH2 CH3CHO CO

Propanal Propanona

Estereoisomería: Isomería geométricaLa estereoisomería la presentan sustancias que con la misma estructura tienen una diferente distribución espacial de sus átomos.

Una de la formas de estereoisomería es la isomería geométrica. La isomería geométrica desde un punto de vista mecánico, se debe en general a que no es posible la rotación libre alrededor del eje del doble enlace. Es característica de sustancias que presentan un doble enlace carbono-carbono, así como ciertos compuestos cíclicos y pueden ser:

H

C C

H

H H

CC

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Cis Trans

Isómeros geométricos para el compuesto CH3CH=CHCOOH

H

C CH

H HCC

H3C COOH H3C

COOH

Ac. Cis – 2 - Butenoico Ac. Trans – 2 – Butenoico Ac. Isocrotónico Ac. crotónico

11. Grupos Funcionales más importantes

Para nombrar correctamente una molécula que contiene grupos funcionales lo primero que hay que hacer es identificarlos:

Clase Grupo funcional Ejemplo

Alcanos ningunoCH3- CH3

Etano

AlquenosCH3CH =CH2

Propeno

(homo) Aromáticos

Tolueno

(hetero) Aromáticos

3-Metilpiridina

Alquinos CH3 – C C – CH3 2-Butino

Haluros de alquilo -halógenoCH3 – CH2 – Br Bromuro de etilo

Alcoholes

Fenoles

– OH

CH3-CH2-OH Etanol

OH

Fenol

Éteres – O –CH3 – CH2 -O-CH2-CH3

Di etil Eter

Aminas primarias – NH2CH3 – NH2 Metilamina

Aminas secundarias – NH –CH3 – NH – CH3

Dimetilamina

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Aminas terciarias N(CH3)3N

Trimetilamina

Tioles – SHCH3 – CH2 – SH

Etiltiol

Sulfuros – S –CH3 – S – CH3 Dimetilsulfuro

Boranos B (CH3)3B Trimetilborano

Organometálicos – metal

(Li, Mg, Al, etc.)

CH3Li Metillitio (CH3)2Mg Dimetilmagnesio

(CH3)3Al Trimetilalano

AldehídosC

H

O

CH

O

H3C Etanal

Cetonas

O

C

O

CH3C CH3

Propanona

IminasC

N

Metilimina de la propanona

Ácidos carboxílicos

Ácido acético

Esteres

Acetato de etilo

Amidas

Acetamida

Cloruros de acilo C

O

Cl

O

CH3C Cl

Cloruro de Acetilo

AnhídridosC

O

O

O

CC

O

H3C CH3O

O

C

Anhídrido Acético

Nitrilos – C NCH3CN

Acetonitrilo

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Nitroderivados – NO2CH3NO2

Nitrometano

Sulfonas – SO2 –CH3SO2CH3

Dimetilsulfona

Ácidos sulfónicos – SO2 – OH CH3CH2CH2SO2OH

Ácido propanosulfónico

    Una vez reconocidos los grupos funcionales que contiene una molécula hay que determinar cuál es la función principal, según el siguiente orden:

Orden de preferencia 1.- Ácidos (carboxílicos > sulfónicos) 2.- Derivados de ácidos (anhídridos > ésteres > haluros de acilo > amidas > nitrilos) 3.- Aldehídos > cetonas 4.- Alcoholes > fenoles > tioles 5.- Aminas 6.- Éteres > tioéteres 7.- Alquenos > alquinosLa función principal determina:  El nombre del compuesto La cadena carbonada principal, que debe ser la más larga posible que contenga la función

principal Los números localizadores de los sustituyentes y funciones secundarias

12. Tipos de reacciones orgánicas

Una reacción química se puede definir como un proceso de interacción entre especies químicas y en el que, como consecuencia de la ruptura y formación de enlaces, se origina una nueva entidad química. A continuación, se indican diferentes métodos de clasificación de las reacciones más usuales en Química Orgánica. Clasificación Las reacciones orgánicas se pueden agrupar y clasificar atendiendo al tipo de transformación que tiene lugar en el compuesto orgánico como: a) Reacciones de adición b) Reacciones de sustitución c) Reacciones de eliminación

a. Reacciones de adición. Este tipo de reacciones consisten en la adición de dos especies químicas al enlace múltiple de una molécula insaturada, tal y como se indica de forma genérica en la siguiente ecuación química:

Este tipo de reacciones es muy común en los compuestos olefínicos y acetilénicos, como ocurre en la adición de bromo a un doble enlace, en la adición de HBr o en el proceso de hidrogenación: a) Adición de bromo a enlace doble

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b) Adición de HBr a enlace doble

c) Hidrogenación de enlace doble

b. Reacciones de sustitución.En las reacciones de sustitución se engloban aquellas en las que un átomo o grupo atómico es sustituido o desplazado por otro. La ecuación general para un proceso de sustitución es:

Ejemplos de este tipo de reacciones son las que experimentan los alcoholes con hidrácidos o las reacciones de sustitución nucleofílica de haluros de alquilo. A continuación, se indican dos ejemplos concretos de reacciones de sustitución. a) Reacción de sustitución de un alcohol por un hidrácido

b) Reacción de sustitución nucleófila

c. Reacciones de eliminación.Este tipo de reacciones constituyen el proceso inverso de las reacciones de adición y consisten en la pérdida de átomos, ó grupo de átomos de una molécula, con formación de enlaces múltiples o anillos. La formulación general de las reacciones de eliminación es:

La reacción de deshidratación de un alcohol para formar un alqueno ó la reacción de deshidrobromación inducida por bases son ejemplos de reacciones de eliminación:

a) Deshidratación ácida de un alcohol

b) Reacción de eliminación básica en un haluro de alquilo

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Las reacciones orgánicas se pueden clasificar atendiendo a la forma en la que se rompen y se forman los enlaces químicos en dos grandes grupos: a) Reacciones de homólisis b) Reacciones de heterólisis

a. Reacciones de homólisis.Estas reacciones tienen lugar cuando el enlace covalente se rompe de manera equitativa; esto es cada uno de los fragmentos que surgen de la ruptura se lleva consigo a uno de los electrones que formaban parte del enlace original. Normalmente, este proceso da lugar a especies radicalarias, que son entidades químicas con un número impar de electrones. La formulación general de un proceso de homólisis es:

b. Reacciones de heterólisis.Este tipo de reacciones se producen cuando la ruptura del enlace es asimétrica, es decir, uno de los dos fragmentos del enlace se queda con los dos electrones del enlace covalente original. Normalmente, este proceso origina una especie cargada negativamente (la que se lleva el par de electrones del enlace) y otra cargada positivamente, tal y como se describe a continuación:

13. Ácidos y Bases

De acuerdo a la definición de Lowry – Bronsted, un acido es una sustancia que entrega un protón y una base es una sustancia que lo acepta.Ejemplo:

H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4 –

Ácido Base Ácido Basefuerte fuerte débil débil

HCl + NH3 NH4+ + Cl -

Ácido Base Ácido Base fuerte fuerte débil débil

Muchos compuestos orgánicos que contienen oxigeno pueden actuar como bases y aceptar protones.

CH3CH2 OH + H2SO4 C H2CH2 O H + HSO4-

H Base Ácido Ácido Base fuerte fuerte débil débil

C2H5 – O – C2H5 + H Cl C2H5 – O – C2H5 + Cl –

H Base Ácido Ácido Base fuerte fuerte débil débil

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+ _

A – B A + B:

A – B A + B. .

QUIMICA II Prof.: M.Isabel Ruiz 2°1Según la definición de Lewis : Una base es una sustancia que puede suministrar un par de electrones par formar un enlace covalente y un ácido, aquel que puede recibir un par de electrones para formar un enlace covalente.De este modo, un ácido es un aceptor de pares de electrones y una base es un donante de pares de electrones.

B

F

F

F NH3+ NH3F

F

F

B

Acido Base

El trifloruro de boro es lo que tiende a aceptar otro par de electrones para completar su octeto.

B

F

F

F + F

F

F

B

Acido Base

O (C2H5)2 O (C2H5)2

Bibliografía

SOLOMONS G. 1995. México. Fundamentos de Química Orgánica. Editorial LIMUSA. MORRISON R. & BOYD R. 1990. México. Química Orgánica. Editorial A.W. Iberoamericana. WADE L.G. 1993. México. Química Orgánica. Editorial Hispano-Americana. VOLLHART C. 1996. España. Química Orgánica. Editorial Omega.

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