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QUÍMICA ORGÁNICA

QUÍMICA ORGÁNICA • Se define como el estudio de la química de los compuestos de carbono. • Los compuestos orgánicos provienen de fuentes vegetales y animales, de combustibles fósiles. • En su constitución más básica están compuestos por carbono e hidrógeno. • Muchos compuestos contienen además N, O, P, S, Cl u otros elementos. • El C tiene la capacidad de formar cadenas y anillos.

¿Quién es el Carbono? • El carbono es tetravalente de configuración electrónica 1s2 2s2 2p2. • En la formación de sus compuestos el carbono forma con los demás elementos ENLACES COVALENTES. • Los cuatro enlaces del C tienen direcciones espaciales específicas.

Hibridación sp3 o tetraédrica sp3 (Cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del C)

CH4 (metano)

C-H : 438 KJ/mol (105 Kcal/mol) d C-H : 1,10 Å

CH3CH3 (etano)

Enlace sigma

σ σ

C-H : 420 KJ/mol (100 Kcal/mol) C-C: 376 KJ/mol (90Kcal/mol)

HIBRIDACIÓN sp2

sp2

(Tres regiones de densidad electrónica alrededor del C)

+2

C2H4 (eteno)

π

σ

C=C: 611 KJ/mol (146Kcal/mol) d C=C = 1,33 Å C-H = 444 KJ/ mol (106Kcal/mol) d C- H = 1,07 Å ∠ H-C=C = 121,7º ∠ H-C- H = 116,6º

HIBRIDACIÓN sp

sp (Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C)

π

C2H2 (etino) σ

π

C≡C: 835 KJ/mol (200Kcal/mol) C-H: 552 KJ/mol ( 132 Kcal/mol) d C≡C = 1,20 Å d C- H = 1,06 Å ∠ H- C≡C = 180º

Comparación de los enlaces C-C y C-H en el metano, etano, etileno (eteno) y acetileno (etino)

Grupos funcionales •Las características estructurales que hacen posible clasificar los compuestos por su reactividad se llaman grupos funcionales. •Un grupo funcional es un conjunto de átomos en una molécula que tiene un comportamiento químico característico. • La química de toda molécula orgánica está determinada por los grupos funcionales que contiene.

Estructura de algunos grupos funcionales más comunes

Todo compuesto orgánico posee una raíz que indica el número de átomos de carbonos. RAIZ

Nº C

R.

Nº C

R.

NºC

MET

1

OCT

8

ICOS

20

ET

2

NON

9

TRIACONT

30

PROP

3

DEC

10

TETRACONT

40

BUT

4

UNDEC

11

PENTACONT

50

PENT

5

DODEC

12

OCTACONT

80

HEX

6

TRIDEC

13

NONACONT

90

HIDROCARBUROS ALIFATICOS

SATURADOS

ALCANOS

sp3

NO SATURADOS

NO SATURADOS

ALQUENOS

ALQUINOS

sp2

sp

ALCANOS Son hidrocarburos alifáticos saturados que poseen enlaces simples, sus carbonos tienen hibridación sp3. Su fórmula general es CnH2n+2 Poseen geometría molecular tetraédrica CLASIFICACIÓN DE LOS ALCANOS: • Alcanos Lineales • Alcanos Ramificados • Cicloalcanos

Alc. de cadena ramificada

Alc. Lineal

CH3CH2CH2CH3 n-C4H10 Condensada

Topológica

n-

Estructural

n-

Isopentano

Neopentano

Isómeros (iso: igual; meros: partes): son compuestos con la misma cantidad y clase de átomos, pero difieren en la manera en que se ordenan. Aquellos compuestos cuyos átomos están unidos de modo diferente, se denominan isómeros constitucionales. Los isómeros constitucionales son compuestos distintos con propiedades diferentes pero con la misma fórmula.

Tipos de isómeros constitucionales

ALCANOS LINEALES-ALCANOS RAMIFICADOS ALCANOS LINEALES Corresponden a las cadenas lineales y se nombran agregando el término “ano” a la raíz del nombre.

Nombres de alcanos de cadena recta

ALCANOS RAMIFICADOS: Estos compuestos están formados por dos tipos de cadenas: Cadena principal y cadena secundaria. Cadena secundaria: Se le llama también radicales o grupos, y corresponden a aquellas cadenas o grupos que al unirse a una cadena principal pierden un hidrógeno. Se denominan: ALQUILOS

Grupos alquilo

Algunos grupos alquilo de cadena recta

Generación de grupos alquilo de cadena recta y ramificada a partir de n-alcanos

C 2º

1

C 1º

1

H 2º

C 3º

H 3º 1

1

H 1º

Clasificación de Alcanos

ALCANOS

CADENAS LINEALES

CADENAS RAMIFICADAS

CnH2n+2

CnH2n+2

CICLOALCANOS

CnH2n

NOMENCLATURA DE ALCANOS

REACCIONES La combustión de hidrocarburos sólo se efectúa a temperaturas elevadas, como las que proporcionan una llama o una chispa. Sin embargo, una vez iniciada, la reacción desprende calor, que a menudo es suficiente para mantener la alta temperatura y permitir que la combustión continúe. La cantidad de calor que se genera al quemar un mol de un hidrocarburo a dióxido de carbono y agua se llama calor de combustión: para el metano es 213 kcal.

CH4 + O2

6 CH4 + O2

CH4 + H2O

Llama

1500 ºC

850 ºC Ni

CO2 + 2 H2O (213 Kcal/mol) Combustión

HC≡CH + 2 CO + 10 H2

CO + 3 H2

Cloración del metano

Esta reacción puede continuar, en cada etapa se necesita luz o calor

Se obtiene una mezcla de productos clorados.

Mecanismo El paso de iniciación de la reacción de la cloración es la ruptura homolítica del enlace Cl-Cl para formar dos radicales de cloro. La ruptura está inducida por el calor o la luz.

El radical de cloro puede abstraer un hidrógeno del metano. Existe una ruptura homolítica del enlace dejando un radical en un átomo de carbono, ahora denominado radical metilo.

El radical metilo puede combinarse con una molécula de cloro para formar clorometano y un átomo de cloro. Este átomo de cloro puede volver al primer paso de propagación.

Finalización

Reacción terminal: paso que produce menos intermediarios reactivos (radicales libres) de los que consume

Si por cualquier causa se consume alguno de los intermediarios radicalarios sin generar otros nuevos, la reacción en cadena disminuirá o se detendrá. Los ejemplos son posibles reacciones terminales de la cloración del metano.

PROPIEDADES FÍSICAS DE ALCANOS Punto de fusión y punto de ebullición: aumentan gradualmente con el peso molecular, debido a las fuerzas de atracción débiles entre las moléculas A medida que aumenta la ramificación de las cadenas, mas bajo resulta el PE. PE

PE

Pentano

36,1

Octano

125,7

Isopentano (1 ramif.)

27,8

2,2,4-trimetilpentano

99,3

Neopentano (2 ramif.)

9,5

Cicloalcanos Si bien hasta aquí sólo se han considerado alcanos de cadena abierta, desde hace más de 100 años se sabe que también existen compuestos con anillos de átomos de carbono. Tales compuestos se denominan cicloalcanos o compuestos alicíclicos. Puesto que los cicloalcanos consisten en anillos de unidades de -CH2-, tienen la fórmula general (CH2)n o CnH2n, y se representan como polígonos las estructuras de esqueleto:

ciclopropano ciclobutano

ciclopentano

ciclohexano

cicloheptano

P.Fusión: aumenta irregularmente con el PM (diferente eficiencia de empaquetamiento de las moléculas). P.Ebullición: muestra un aumento regular en función del PM.

NOMENCLATURA

Isomería cis - trans en los cicloalcanos En contraste con la libre rotación posible alrededor de los enlaces sencillos en los alcanos de cadena abierta, en los cicloalcanos existe mucho menor libertad, porque están geométricamente restringidos. Por ejemplo, el ciclopropano está geométricamente restringido a ser una molécula planar con estructura rígida, debido a que tres puntos definen un plano. No es posible la rotación alrededor de un enlace carbono-carbono en el ciclo propano sin romper el anillo. Libre rotación alrededor de enlaces C-C

Rotación restringida alrededor de enlaces C-C

La consecuencia más importante de su estructura cíclica es que los cicloalcanos tienen dos caras o lados, “arriba” y “abajo”, lo cual abre la posibilidad de la isomería en los cicloalcanos sustituidos.

≠ cis-1,2-dimetilciclopropano

trans-1,2-dimetilciclopropano

Ninguno se puede convertir en el otro sin romper y establecer enlaces químicos

ESTEREOQUÍMICA DE ALCANOS Y CICLOALCANOS La estereoquímica es la rama de la química relacionada con los aspectos tridimensionales de las moléculas. Los compuestos cuyos átomos están conectados en el mismo orden, pero difieren en su orientación en el espacio se llaman estereoisómeros.

Las diferentes configuraciones de los átomos debidas a la rotación alrededor de un enlace sencillo se denominan conformaciones, y una conformación específica recibe el nombre de confórmero (isómero conformacional). Sin embargo, a diferencia de los isómeros constitucionales, los distintos confórmeros no suelen poder aislarse debido a que se interconvierten con rapidez.

En realidad no se observa una rotación perfectamente libre en el etano. En experimentos se ha demostrado que existe una ligera barrera (2.9 kcal/mol; 12 kJ/mol) a la rotación, y que algunas conformaciones son más estables (tienen menos energía) que otras. La conformación más estable (de más baja energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-hidrógeno están lo más alejados posible entre sí (alternados). La conformación menos estable (de más alta energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-hidrógeno están lo más cercano posible (eclipsados). Entre estas dos conformaciones extremas existe por supuesto un número infinito de posibilidades.

Conformaciones y Estabilidad de los Cicloalcanos Ciclohexano Los ciclohexanos sustituidos son los más importantes de todos los cicloalcanos, debido a su amplia distribución en la naturaleza. Un gran número de compuestos, incluyendo muchos agentes farmacéuticos importantes, contienen anillos de ciclohexano. Datos experimentales de calores de combustión demuestran que los anillos de ciclohexano están libres de tensión, tanto angular como torsional. Los anillos de ciclohexano no son planos, sino que están plegados en una conformación tridimensional que alivia todas las tensiones. Los ángulos C-C-C del ciclohexano pueden alcanzar el valor tetraédrico libre de tensión si el anillo adopta la conformación de silla

El ciclohexano puede adoptar una conformación de bote, igualmente libre de tensión angular. Sin embargo, el ciclohexano en conformación de bote (ciclohexano bote) es mucho menos estable que el ciclohexano silla.

ALQUENOS (olefinas) • Los alquenos son hidrocarburos no saturados con hibridación sp2, y geometría molecular trigonal. • Los alquenos poseen en su estructura dobles enlaces entre carbonos. • Los alquenos se nombran agregando el termino ENO, a la raíz del nombre. NOMENCLATURA DE ALQUENOS • Se busca la cadena más larga que contenga el doble enlace. • La cadena se numera de tal forma que al doble enlace le queden los números localizadores más pequeños posibles (excepto cuando hay otra función que domine) • Si hay sustituyentes, se les asigna los números localizadores que les correspondan. En caso de haber dos numeraciones equivalentes, se tomará aquella que da los números localizadores más pequeños a los sustituyentes. • En cicloalquenos, la numeración comienza por el doble enlace y se sigue el sentido de giro que da los números localizadores más pequeños posibles a los sustituyentes.

Preparación industrial y usos de los alquenos 850-900 ºC

CH3-(CH2)n-CH3

Vapor S/ catal.

Etileno

H2 + CH4 + H2C=CH2 + CH3-CH=CH2 + CH3-CH2-CH=CH2 Propileno

H 900 ºC

CH3-CH2-CH2-CH3

∆Gº = ∆Hº-T ∆Sº ∆H(dis)= 375 KJ/mol

2 CH2-CH2

∆S >0 y T∼ 900 ºC

2 H2C=CH2 + H2

T ∆Sº> ∆Hº ⇒

∆Gº < 0