Upload
guillermo-hernandez
View
567
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
Introducción a la Química Orgánica
Guillermo Hernández
Colegio INEM Francisco de Paula Santander
NúcleoCubierta electrónica
MODELO MECANOCUÁNTICO DE ÁTOMO
ORBITALES
Carácter ondulatorio de los electrones
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Caracterizados por números cuánticos:
n : número cuántico principal
l : número cuántico secundario
m: número cuántico magnético
NIVELES Y SUBNIVELES EN LA CUBIERTA ELECTRÓNICA
ORBITALES 1s y 2s
ORBITAL s
ORBITALES 2p
ORBITALES 3 d
ENERGÍA DE LOS ORBITALES
Regla cuántica de (n+l):
Entre dos orbitales tendrá menor energía aquél en el que la suma de los números cuánticos n y l sea menor. Si el resultado fuese el mismo para ambos, tendrá menor energía aquél de menor número cuántico principal n
¿EN QUÉ ORDEN SE LLENAN LOS ORBITALES?
Principio de construcción (Aufbau):
En su estado fundamental la distribución electrónica de un elemento se construye a partir del inmediato anterior, adicionándole un electrón de modo que le confiera la máxima estabilidad (menor energía)
¿CUÁNTOS ELECTRONES CABEN EN UN ORBITAL?
Principio de exclusión de Pauli (1925):
En un determinado sistema cuántico (átomo o molécula) no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos idénticos
Por tanto, en un orbital sólo caben dos electrones que compartirían tres números cuánticos y se diferenciarían en el número cuántico de spin (s)
¿CÓMO SE LLENAN LOS GRUPOS DE ORBITALES DE IGUAL ENERGÍA?
Regla de la máxima multiplicidad de Hund:
Cuando una serie de orbitales de igual energía (p, d , f) se están llenando con electrones, éstos permanecerán desapareados mientras sea posible, manteniendo los espines paralelos
EjercicioRealiza la notación electrónica para un átomo con numero atómico 40 y para uno con numero 62
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
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.
1820’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.
1830’s
Los radicales orgánicos como un principio de ordenación. El descubrimiento y la profusión de los radicales orgánicos.
1830’s-1840’sOrden entre los radicales orgánicos: la sustitución. Definición de radicales derivados.
Breve Historia de la Química Orgánica
1850’s• Estructura interna de los radicales: la
tetravalencia del carbono y su capacidad para formar cadenas.
1860’s • Primeras formulaciones modernas.
1870’s• Estructura tetraédrica del carbono: isomería
optica.
1880’s • Estructura hexagonal del benceno.
1930’s-1940’s• Planteamiento de la Teoría de la Resonancia. • Desarrollo de la Espectroscopía de rayos X. • Desarrollo de la Espectrometría de masas.
1950’s
• Análisis conformacional: estereoquímica del ciclohexano.
• Descubrimiento de la Resonancia Magnética Nuclear.
1840’s-1850’s• Ordenación por tipos de compuestos. • La unificación de radicales y tipos.
15
Berzelius (1807)
Compuestos
OrgánicosInorgánicos
Sintetizados por losseres vivos
Tienen “Fuerza Vital”
16
Friedrich Wölher (1828)
• Primera Síntesis orgánica::
calor
NH4OCN NH2CONH2
(cianato de amonio) (urea)
17
August Kekulé (1861)
• QUÍMICA ORGÁNICA:
– La Química de los “Compuestos del Carbono”.
18
Química orgánica en la actualidad:
• La Química de los “Compuestos del Carbono”.
• También tienen hidrógeno.
• Se exceptúan CO, CO2, carbonatos,
bicarbonatos, cianuros...• Pueden tener otros elementos: O, N,
S, P, halógenos...
19
Actualidad:
• Número de compuestos:
– Inorgánicos: unos 100.000– Orgánicos: unos 7.000.000
(plásticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles...)
Propiedades Orgánicos Inorgánicos
Fuentes Pueden extraerse de materias primas que se encuentran en la naturaleza, de origen animal o vegetal, o por síntesis orgánica.
Se encuentran libres en la naturaleza en forma de sales, óxidos.
Elementos Básicos: C, HOcasionales: O, N, S, y halógenosTrazas: Fe, Co, P, Ca Zn
Todos los elementos de la tabla periódica (104)
Enlace predominante
Covalente Iónico, algunas veces covalente
Estado Físico Gases, líquidos o sólidos Son generalmente sólidos
Reacciones Lentas y rara vez cuantitativas Instantáneas y cuantitativas
Volatilidad Volátiles No volátiles
Puntos de fusión Bajos: 300º C Altos: 700º C
Solubilidad en agua No solubles Solubles
Solubilidad en solventes orgánicos
Solubles No solubles
La posición del carbono en la Tabla Periódica
Grupo
Periodo
22
• Electronegatividad intermedia– Enlaza fácilmente tanto con metales como con no
metales
• Posibilidad de unirse a sí mismo formando cadenas.
• Enlaces muy fuertes, se desprenden 830 kJ/mol al formar 2 enlaces C–H
• Tamaño pequeño, por lo que es posible que los átomos se aproximen lo suficiente para formar enlaces dobles y triples (esto no es posible en el Silicio).
Características del Carbono
Formas alotrópicas del carbono
Diamante Cada átomo de carbono se une a otros cuatro (geometría
tetraédrica) formando una red tridimensional cuya estructura
rígida es virtualmente irrompible.
Existen tres alótropos principales del carbono elemental de los cuales dos son naturales (diamante y grafito) y uno sintético ( fullereno )
Buckminsterfullerenoo Los átomos se disponen en anillos que a su vez forman moléculas curvas (pelotas de Buck)
o Su nombre es en honor de Buckminster Fuller, ingeniero creador de los domos geodésicos
Formas alotrópicas del carbono
El fullereno (C60) posee 32 caras y se forman por 20 hexágonos y 12 pentágonosFue descubierto (sintetizado) en 1985 por H. Kroto, R. Smalley y R. Curl
Buckminsterfullereno
Formas alotrópicas del carbono
Grafito
• Cada átomo de carbono se une a otros 3, formando capas planas.
• Cada capa es poco rígida deslizándose una sobre otra fácilmente.
Formas alotrópicas del carbono
El enlace C-C: Estructura del electrónica del CEl enlace C-C: Estructura del electrónica del C
Orbitales atómicos:
Orbitales Híbridos
El enlace C-C: Estructura del electrónica del CEl enlace C-C: Estructura del electrónica del C
C: 1s2 2s2 2p2= [He] 2s2 2p2
Solo 2 e- desapareados ¿solo puede formar dos enlaces?
Estado fundamental Estado “excitado”
Se produce hibridación (mezcla) de orbitales!!
sp3 Cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del C
Enlace C-C, Hibridación de orbitalesEnlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp3:
Enlace C-C, Hibridación de orbitalesEnlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp3:
sp3
sp3sp3
sp3
Geometría (forma) molecular tetraédricaLos 4 orbitales sp3 tienen ángulos de 109,5º
entre sí y forman un tetraedro.
Enlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp2:
p
Enlace C-C, Hibridación de orbitalesEnlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp2:
Geometría (forma) molecular triangular plana Los 3 orbitales sp2 están en el mismo plano con ángulos de 120º
entre sí y formando un triangulo.El orbital p restante se sitúa perpendicular a este plano.
Vista superior
Vista lateral
sp2
sp2
sp2
sp2sp2
sp2
p
Enlace C-C, Estructura del electrónica del CEnlace C-C, Estructura del electrónica del C
Enlace C-C, Hibridación de orbitalesEnlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp:
p
p
Enlace C-C, Hibridación de orbitales
Orbitales híbridos sp:
sp sp
p
p
Geometría (forma) molecular lineal Los 2 orbitales sp están alineados (180º). Los 2 orbitales p restantes se sitúa perpendiculares a esta línea.
Enlace C-C, Hibridación de orbitales, Resumen
Las formas de las moléculas enlazadas por orbitales híbridos está determinada por los por los ángulos entre estos orbitales:
o Hibridación sp: forma lineal con ángulos de 180° (ej: etino C2H2)o Hibridación sp²: forma trigonal (triángulo) plana con ángulos de 120°.
Por ejemplo: BCl3, eteno (C2H4)?. o Hibridación sp³: forma tetraédrica con ángulos de 109.5°. Por
ejemplo CCl4, Metano (CH4)?.
El tipo de hibridación determina la geometría molecular la cual se resume en el siguiente cuadro:
Geometría molecular tetraédrica.- El carbono se encuentra en el centro de un tetraedro y los enlaces se dirigen hacia los vértices.
Geometría triangular plana.- El carbono se encuentra en el centro de un triángulo. Se forma un doble enlace y dos enlaces sencillos.
Geometría lineal.- Se forman dos enlaces sencillos y uno triple.
Enlace C-C, Hibridación de orbitales, Resumen
40
H − C − C − C − C − H
H|
H|
|H
|H
|C|
H
− HH −
H|
H|
C C
C H
HH
H
HH H
H
H H
C C
H − C − C − C − C − C − H
H|
H|
H|
H|
H|
|H
|H
|H
|H
|H
Cadena abierta lineal
Cadena abierta ramificada
Cadena cerrada: ciclo
41
La tetravalencia del carbono se debe a que posee 4 electrones en su última capa, de modo que formando 4 enlaces covalentes con otros átomos consigue completar su octeto
C••
••
• •• •
H
HH
H
C C•• ••
••
••
••
H
H H
H••
C C•••••••• ••H H
Metano
CH4
Eteno
CH2 = CH2
Etino
CH ≡ CH
Metano
Enlaces del etano
Etano
45
CONCEPTO DE GRUPO FUNCIONAL
Un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos presente en una molécula orgánica que determina las propiedades químicas de dicha molécula
•
• El grupo funcional es el principal responsable de la reactividad química del compuesto, por eso todos los compuestos que poseen un mismo grupo funcional, muestran las mismas propiedades
H − C − C − H
H|
H|
|H
|H
etano H − C − C − OH
H|
H|
|H
|H
etanol
PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES
47
Representación de moléculas orgánicas. Tipos de fórmulas.
• Empírica. Ej. CH2O
• Molecular o Global Ej. C3H6O3
• Semidesarrollada o condensada (Es la más utilizada en la orgánica) Ej. CH3–CHOH–COOH
• Desarrollada Ej. H O–H
(no se usa demasiado) H–C–C–C=O
H H O–H
• Con distribución espacial (utilizadas en estereoisomería)
No sirven para identificar compuestos
• Las fórmulas estructurales condensadas reducen el volumen con poco sacrificio de la información
H H | |H—C—C—H se convierte en | | H H
CH3 —CH3 ó
HC3 —CH3
Es posible “sobreentender” incluso a la mayoría de los enlaces sencillos. CH3CHCH2CH2CH3
|
CH3
• En ocasiones se usan paréntesis para condensar más las estructuras.
CH3CHCH2CH2CH3 (CH3)2CHCH2CH3 |
CH3
CH3 CH3 | | CH3CCH2CHCH3 (CH3)3CCH2CH(CH3)2
| CH3
50
• Primarios (a) CH3 CH3| |• Secundarios (b) CH3–C–CH2–CH–CH3
| • Terciarios (c) CH2|• Cuaternarios (d) CH3
a a
a
a
a
Tipos de átomos de carbono(en las cadenas carbonadas)
b
b
d
c
Isomería estructural ó constitucional
a) Funcional: Compuestos que difieren en sus grupos funcionales.
b) de posición: la presentan aquellos compuestos que tienen el mismo esqueleto carbonado y el mismo grupo funcional, pero el GF ocupa posiciones distintas.
c) de esqueleto: la presentan aquellos compuestos que teniendo el mismo GF tienen esqueleto carbonado diferente.
52
CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS
Alcanos Alquenos Alquinos
Alifáticos Aromáticos
H I D R O C A R B U R O S
Saturados Insaturados
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AromáticosAromáticosAromáticosAromáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticos
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AromáticosAromáticosAromáticosAromáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticos
AlcanosAlcanosAlcanosAlcanosAlquinosAlquinosAlquinosAlquinosAlquenosAlquenosAlquenosAlquenos
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AlifáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticos
AlcanosAlcanosAlcanosAlcanos
• Los alcanos son hidrocarburos que tienen enlaces simples.
CC CCHH HH
HH HH
HH HH
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AlifáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticos
AlquenosAlquenosAlquenosAlquenos
• Los alquenos son hidrocarburos que contienen un doble enlace carbono-carbono.
CC CC
HH HH
HH HH
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AlifáticosAlifáticosAlifáticosAlifáticos
AlquinosAlquinosAlquinosAlquinos
• Los Alquinos son hidrocarburos que contienen un triple enlace carbono-carbono.
HCHC CHCH
HidrocarburosHidrocarburosHidrocarburosHidrocarburos
AromáticoAromáticoAromáticoAromático
• Los hidrocarburos aromáticos más comunes son aquellos que contienen un anillo de benceno.
HH
HH
HH
HH
HH
HH