Química orgánica

QUÍMICA DEL CARBONO

(Versión breve)

COLEGIO INMACULADA

GIJON

2

QUÍMICA ORGÁNICA

Es la parte de la Química que estudia los compuestos del carbono

Más del 95%de las sustancias químicas conocidas son compuestos del carbono

Todos los compuestos responsables de la vida (ac. Nucléicos, proteinas, enzimas, hormonas, azucares, lípidos, etc.) son sustancias orgánicas.

La Q. Orgánica Permite conocer mejor los procesos vitales.

La industria Química Orgánica juega un papel importantísimo en la economía mundial (fármacos, pesticidas, polímeros, etc.)

Estos productos inciden directamente en nuestra calidad de vida

3

Características del Carbono Electronegatividad intermedia

– Enlace covalente con metales como con no metales

Posibilidad de unirse a sí mismo formando cadenas. Tetravalencia: Promoción + Hibridación

Tamaño pequeño, por lo que es posible que los átomos se aproximen lo suficiente para formar enlaces “”, formando enlaces dobles y triples (esto no es posible en el Silicio).

RECUERDA

RECUERDA

4

Tipos de enlace Enlace simple: Los cuatro pares de electrones se comparten

con cuatro átomos distintos. Ejemplo: CH4, CH3–CH3

Enlace doble: Hay dos pares electrónicos compartidos con el mismo átomo.

Ejemplo: H2C=CH2, H2C=O

Enlace triple: Hay tres pares electrónicos compartidos con el mismo átomo.

Ejemplo: HCCH, CH3–CN

RECUERDA

RECUERDA

5

Tipos de hibridación y enlace. El carbono puede hibridarse de tres maneras distintas: Hibridación sp3:

– 4 orbitales sp3 iguales que forman 4 enlaces simples de tipo “” (solapamiento longitudinal).

Hibridación sp2:– 3 orbitales sp2 iguales que forman enlaces “” + 1 orbital “p”

puro (sin hibridar) que formará un enlace “” (solapamiento lateral)

Hibridación sp:– 2 orbitales  sp  iguales que forman enlaces “” + 2 orbitales “p”

(sin hibridar) que formarán sendos enlaces “”

6

Hibridación sp3

4 orbitales sp3 iguales que forman 4 enlaces simples de tipo “” (frontales).

Los cuatro pares de electrones se comparten con cuatro átomos distintos.

Geometría tetraédrica: ángulos C–H: 109’5 º y distancias C–H iguales.

Ejemplo: CH4, CH3–CH3

7

HIBRIDACIÓN sp3 Metano

8

Hibridación sp2

3 orbitales sp2 iguales que forman enlaces “” + 1 orbital “p” (sin hibridar) que formará un enlace “” (lateral)

Forma un enlace doble, uno “” y otro “”, es decir, hay dos pares electrónicos compartidos con el mismo átomo.

Geometría triangular: ángulos C–H: 120 º y distancia C=C < C–C

Ejemplo: H2C=CH2,  H2C=O

9

Etileno HIBRIDACIÓN sp2

10

Hibridación sp

2 orbitales  sp  iguales que forman enlaces “” + 2 orbitales “p” (sin hibridar) que formarán sendos enlaces “”

Forma bien un enlace triple –un enlace “” y dos “”–, es decir, hay tres pares electrónicos compartidos con el mismo átomo, o bien dos enlaces dobles, si bien este caso es más raro.

Geometría lineal: ángulos C–H: 180 º y distancia CC < C=C < C–C

Ejemplo: HCCH, CH3–CN

11

Acetileno (etino) hibridación sp

12

HIBRIDACIÓN sp: molécula CO2

13EN RESUMEN

14Ejercicio : Indica la hibridación que cabe esperar en cada uno de los átomos de carbono que participan en las siguientes moléculas:

CHC–CH2 –CHO; CH3 –CH=CH–CN sp sp sp3 sp2 sp3 sp2 sp2 sp

15

Clasificación compuestos

compuestos del carbono

Cadenas abiertas

(alifáticos)

Cadenas cerradas

(cíclicos)

Saturados Insaturados Heterocíclicos Carbocíclicos

Con dobles enlaces

Con triples enlaces

16

Clasificación carbonos

Unido directamente a cuatro átomos de carbono

Cuaternario

Unido directamente a tres átomos de carbono

Terciario

Secundario

Unido directamente a un solo átomo de carbono

Primario

Fórmula estructuralDefiniciónCarbono

Unido directamente a dos átomos de carbono

17Principales grupos funcionales(por orden de prioridad) (1)

Función Nom. grupo

Grupo Nom.(princ.)

Nom.(secund)

Ácido carboxílico

carboxilo R–COOH ácido …oico

carboxi (incluye C)

Éster éster R–COOR’ …ato de …ilo

…oxicarbonil

Amida amido R–CONR’R

amida amido

Nitrilo nitrilo R–CN nitrilo ciano (incluye C)

Aldehído carbonilo R–CH=O …al formil (incluye C)

Cetona carbonilo R–CO–R’ …ona oxo

Alcohol hidroxilo R–OH …ol hidroxi

Fenol fenol –C6H5OH …fenol hidroxifenil

18Principales grupos funcionales(por orden de prioridad) (2)

Función Nom. grupo

Grupo Nom.(princ.) Nom(sec)

Amina (primaria) (secundaria) (terciaria)

Amino  “    “

R–NH2

R–NHR’R–NR’R’’

…ilamina…il…ilamina…il…il…ilamina

amino

Éter Oxi R–O–R’ …il…iléter oxi…ilHidr. etilénico alqueno C=C …eno …enHidr. acetilénico

alquino CC …ino Ino (sufijo) Nitrocompuestro

Nitro R–NO2 nitro… nitroHaluro halógeno R–X X… XRadical alquilo R– …il …il

19

Reacciones químicas principales Sustitución:Sustitución:

– un grupo entra y otro sale.

CH3–Cl + H2O CH3–OH + HCl

Adición:Adición: a un doble o triple enlace

CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl–CH2Cl

Eliminación:Eliminación: de un grupo de átomos. – Se produce un doble enlace

CH3–CH2OH CH2=CH2 + H2O

Redox:Redox: (cambia el E.O. del carbono).

CH3OH + ½ O2 HCHO + H2O

MUY IMPORTANTE

MUY IMPORTANTE

20

Ejemplos de Sustitución Sustitución de derivados clorados:Sustitución de derivados clorados:

(CH3)3C–Cl + NaOH (CH3)3C–OH + NaCl

Sustitución de alcoholes:Sustitución de alcoholes:CH3–CH2–OH + HBr CH3 CH2–Br + H2O

21

Reacciones de adición. ElectrófilaElectrófila: : (a doble o triple enlace)

– Siguen la regla de Markownikoff:“La parte positiva del reactivo se adiciona al carbono más hidrogenado”.

Nucleófila:Nucleófila: En sustancias orgánicas con dobles enlaces fuertemente polarizados.

Ej.– C=O Nivel complementario

Nivel complementario

22

Ejemplos de reacciones de adición. CH3–CH=CH2 + H2 CH3–CH2–CH3

CH3–CH=CH2 + Cl2 CH3–CHCl–CH2Cl

CH3–CH=CH2 + HBr CH3–CHBr–CH3

(mayor proporción) CH3–CH=CH2 + H2O CH3–CHOH–CH3

(mayor proporción)

23 Ejercicio F: a)a) Formule y nombre todos los posibles hidrocarburos de fórmula C5H10 que sean

isómeros de cadena abierta. b)b) Escriba las reacciones que tendrán lugar al adicionar HBr a cada uno de los isómeros de cadena lineal del apartado a).a)a) CH2 =CH—CH2—CH2—CH3 1-penteno

CH3—CH=CH—CH2—CH3 2-penteno (cis y trans)

CH2 =C—CH2—CH3 2-metil-1-buteno | CH3

CH2 =CH—CH—CH3 3-metil-1-buteno | CH3

CH3—C=CH—CH3 metil-2-buteno|

CH3

H H cis H CH2—CH3 trans C=C C=CCH3 CH2— CH3 CH3 H

Cuestión de Selectividad (Reserva 98)

Cuestión de Selectividad (Reserva 98)

24Ejercicio F: a)a) Formule y nombre todos los posibles hidrocarburos de fórmula C5H10 que sean

isómeros de cadena abierta. b)b) Escriba las reacciones que tendrán lugar al adicionar HBr a cada uno de los isómeros de cadena lineal del apartado a).

b)b) alqueno + HBr bromoderivado mayoritario

CH2 =CH–CH2–CH2–CH3 CH3 –CHBr–CH2–CH2–CH3

CH3–CH=CH–CH2–CH3 CH3 –CHBr–CH2–CH2–CH3 + CH3 –CH2–CHBr–CH2–CH3

CH2 =C–CH2–CH3 CH3 –CBr–CH2–CH3 | | CH3 CH3

CH2 =CH–CH–CH3 CH3 –CHBr–CH–CH3 | | CH3 CH3

CH3–C=CH–CH3 CH3 –CBr–CH2–CH3 | | CH3 CH3

Cuestión de Selectividad (Reserva 98)

Cuestión de Selectividad (Reserva 98)

25

Reacciones de eliminación

Del compuesto orgánico se elimina una pequeña molécula; así, se obtiene otro compuesto con un nuevo enlace doble.

Siguen la regla de Saytzeff:“En las reacciones de eliminación el hidrógeno sale del carbono adyacente al grupo funcional que tiene menos hidrógenos”

Nivel complementario

Nivel complementario

26

Reacciones de eliminación

Deshidrohalogenación de halogenuros Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo.de alquilo.– Se produce en medio básico.CH3–CH2–CHBr–CH3 + NaOH CH3–CH=CH–CH3

Deshidratación de alcoholes.Deshidratación de alcoholes.– Se produce en medio ácido.CH3–CH2–CHOH–CH3 + H2SO4 CH3–CH=CH–CH3

27

Reacciones Redox. En Orgánica existen también reacciones redox. En una misma cadena, cada átomo de C puede tener un

estado de oxidación distinto. Como consecuencia de ello, al calcular el estado de

oxidación total, en ocasiones salen números fraccionarios, que son las medias aritméticas de los estados de oxidación de cada uno de los átomos de carbono.

Habitualmente, se sigue utilizando el concepto de oxidación como aumento en la proporción de oxígeno y reducción como disminución en la proporción de oxígeno.

28

Reacciones Redox más comunes.

oxidación

reducción

CH4 ↔ CH3OH ↔  HCHO ↔  HCOOH ↔ CO2

E.O.: –4 –2 0 +2 +4% O: 0 50 53,3 69,6 72,7

Alcano – Alcohol – Aldehído – Ácido – CO2

29

Oxidación de alcoholes. Los alcoholes se oxidan por acción del

KMnO4 o del K2Cr2O7 a aldehídos o cetonas dependiendo de si se trata de un alcohol primario o secundario, respectivamente.

Ejemplo:CH3–CHOH–CH2–CH3 CH3–CO–CH2–

CH3

KMnO4

30Oxidación y reducción de aldehídos y cetonas. Ejemplos.

O2

Pt o Pd

Oxidación:

CH3–CH2–CHO CH3–CH2–COOH

(aldehido) (ácido)

Reducción:

CH3–CO–CH3+ H2 CH3–CHOH–CH3

(cetona) (alcohol)

31

Combustión

Constituyen un caso especial dentro de las reacciones redox.

Se forma CO2 y H2O y liberándose gran cantidad de energía..

Ejemplo:

CH2=CH2 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O + energía

32

EsterificaciónEsterificación

Entre ácidos y alcoholes:

R–COOH + R’–OH R–CO–O–R’+ H2O

Se forman ésteres y se desprende agua. La molécula de agua se forma con el OH- del alcohol y

H+ del ácido Se trata de una reacción reversible. Ejemplo:

CH3–COOH + CH3–CO–O–CH2–CH3 CH3–CH2–OH

+ H2O

33Ejemplo: Escriba las reacciones completas de: a)a) Deshidratación del etanol. b)b) Sustitución del OH del etanol por un halogenuro. c)c) Oxidación del etanol. d) d) Ácido acético con etanol.a) CH3–CH2OH+ H2SO4 CH2=CH2 + H2O

b) b) CH3–CH2OH + HI CH3–CH2– I + H2O

c) c) CH3–CH2OH + O2 CH3–COOH + H2O

d) d) CH3–COOH CH3–COO–CH2–CH3 + +

CH3–CH2OH H2O

34Ejemplo PAU

35

Ejemplo PAU

Septiembre 2009

36

Ejemplo PAU

Junio 2009

37

PolímerosSon moléculas de gran tamaño formadas por la unión de compuestos orgánicos (monómeros) mediante enlaces covalentes.

La Química de polímeros es una de las principales especialidades de la Química Orgánica:

- por el número de Químicos Orgánicos que la desarrollan

- por ser la que exige una formación más específica en Química Orgánica y

- por su importancia económica e industrial .

38

Es una macromolécula formada por la unión de moléculas de menor tamaño que se conocen como monómeros.

1 MONOMEROn

n 2 DIMERO3 TRIMERO4 -20 OLIGOMEROS> 20 POLIMERO

Polímero

39Tipos de polímeros: Naturaleza de los monómeros HomopolímerosTodos los monómeros que los constituyen son iguales .

CopolímerosEstán formados por 2 o más monómeros diferentes.

40Tipos de polímeros: Copolímeros Copolímero aleatorio: Está formado por una disposición aleatoria de dos ó más monómeros.

Copolímeros de injerto: Poseen una cadena principal de un solo tipo de monómero con ramas de otros monómeros.

Copolímero en bloques: Tiene bloques de monómeros del mismo tipo.

41Tipos de polímeros: Estructura de la cadena Lineal: Se repite siempre el mismo tipo de unión .

Ramificado:Con cadenas laterales unidas a la principal.

Entrecruzado:Si se forman enlaces entre cadenas vecinas.

42Tipos de polímeros: Ramificados

Hay muchos tipos entre los que cabe destacar las estructuras:

En árbol o en estrella

Dendrímeros: Polímeros con un alto grado de ramificación.

43

Términos importantes Elastómero: polímeros de cadena larga que pueden

aumentar su longitud cuando se estiran y recuperar su forma original. Caucho

Termoplástico: se funden por el calor y se pueden moldear de nuevo ya que no pierden sus propiedades. Polímeros lineales, o poco ramificados, poliamidas celofán.

Termoestables: no pueden moldear de nuevo, al calentarse se endurecen o descomponen. Baquelita

44

Polímeros naturales• Polisacáridos:

Almidón: (-glucosa)Celulosa: (-glucosa)

45

Polisacáridos:

Almidón: (-glucosa)

Celulosa: (-glucosa) Proteinas Caucho

Polímeros naturales

46

CauchoCaucho Natural : Este se obtiene a partir de un fluido lácteo llamado látex hallado en algunas especies vegetales típicas de regiones tropicales.

Vulcanización: (Charles Goodyear, 1839) al calentar el caucho con azufre genera puentes disulfuro entre las cadenas que mejoran mucho sus propiedades y su estabilidad.

Caucho sintético : Este se obtiene a partir del procesamiento de hidrocarburos

Caucho de Estireno Butadieno, caucho SBR, es un copolímero del Estireno y el 1,3-Butadieno, es el caucho sintético mas utilizado a nivel mundial.

47

Procesos de polimerización AdiciónCada monómero se añade junto al anterior pasando integro a formar parte del polímero (adición a un doble enlace)

48

Polímeros de condensación: Usos Polietileno: bolsas, manteles, cortinas Policloruro de vinilo (PVC):

recubrimientos, tubos, impermeables, techos, aislantes, ventanas

Poliestireno: embalajes, juguetes, muebles

49

Polipropileno

50

Procesos de polimerización Condensación

Con el enlace de unión de cada monómero se libera una molécula (agua)

NH2-(CH2)-6-NH2 + HOOC-(CH2)4-COOHn n NH-(CH2)6-NHCO-(CH2)4-CO-NH-(CH2)6-NH

NYLON 66: polimerización por condensación del ácido hexanodioico con la 1,6 hexadiamina