Química Orgánica

PRIMERA UNIDAD INTRODUCCION A LA QUIMICA ORGANICA 1.1 Antecedentes Lavoisier en 1789 hizo notar que los compuestos de origen vegetal o animal contenían carbono En 1807 Berzelius fué el primero en describir a las sustancias de los materiales vivos como compuestos orgánicos y que contenían una fuerza vital

Friedrich Wöhler en 1828 sintetizó accidentalmente la urea (un constituyente de la orina) a partir del cianato de amonio, lo obtuvo calcinando huesos, de ahí que los científicos de su época consideraron que dichos huesos seguían teniendo aún fuerza vital. NH4-O-CºN D H2NCONH2 En 1858 Augusto Kekulé (1829-1896) disipó las dudas de los químicos orgánicos al establecer que el átomo de carbono tenia una valencia de 4 y propuso la teoría del enlace carbono-carbono para formar cadenas y la teoría de cadena cerrada o anillo en el benceno. - C – C – C – C -

PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE COMPUESTOS COMPUESTOS INORGÁNICOS COMPUESTOS ORGÁNICOS 1.- Están constituidos por combinaciones entre los elementos del sistema periódico. 1.- Contienen carbono, hidrógeno y con frecuencia oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre, halógenos 2.- El enlace más frecuente es covalente 2.- El enlace más frecuente es el iónico 3.- Los átomos de carbono tienen capacidad de combinarse entre si por enlace covalente, formando largas cadenas, propiedad llamada concatenación. 3.- No presentan concatenación 4.- Presentan isomería; es decir, una fórmula molecular puede referirse a dos o más compuestos. Ejemplo: la fórmula C2H6O puede representar al alcohol etílico o al éter dimetílico 4.- No presentan isomería 5.- La mayoría son combustibles 5.- Por lo general no arden 6.- Se descomponen fácilmente por el calor 6.- Resisten temperaturas elevadas

PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE COMPUESTOS COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPUESTOS INORGÁNICOS 7.- Son gases, líquidos o sólidos de bajos puntos de fusión 7.- Por lo general, son sólidos de puntos de fusión elevados 8.- Generalmente son solubles en disolventes orgánicos como éter, alcohol, benceno, cloroformo, etc., 8.- Generalmente son solubles en agua 9.- Pocas soluciones de sus compuestos se ionizan y conducen la corriente eléctrica 9.- En solución la mayoría se ionizan y conducen la corriente eléctrica 10.- El número de compuestos que contienen carbono es mucho mayor que el de los compuestos que no lo contienen 10.- El número de compuestos es mucho menor que el de los compuestos orgánicos 11.- Las reacciones son lentas y rara vez cuantitativas 11.- Reaccionan casi siempre rápida y cuantitativamente

PRINCIPALES TIPOS DE ESQUELETOS O CADENAS DE CARBONOS 1.- Esqueletos de cadena abierta, saturados Saturados sólo existen enlaces sencillos entre carbono y carbono, es decir sólo tienen enlaces simples, pueden ser normales o lineales por no contener ramificaciones o arborescentes por tener ramificaciones C C C - C - C - C C - C - C – C C – C – C – C – C C 2.-Esqueletos de cadena abierta no saturados No saturados porque en un par o en varios pares de carbonos vecinos intercambian más de una valencia. C - C – C = C - C - C= C - C – C C – C – C º C - C

3.-Esqueletos de cadena cerrada, homogéneo saturados. Están caracterizados por tener exclusivamente átomos de carbono que cambian una valencia entre si. estos pueden ser normales o arborescentes. C C C C C C C C C C normal arborescente 4.-Esqueletos de cadena cerrada homogéneos, no saturados Tienen exclusivamente átomos de carbono, pueden ser normales o arborescentes. C C C C C C C C C C C C C C C

3.-Esqueletos de cadena cerrada, heterogéneo, saturado. Es heterogéneo porque en el núcleo se encuentra un átomo que no es carbono C O C S C C C C C C normal arborescente 4.-Esqueletos de cadena cerrada heterogéneos, no saturados C N C C C O C C C P C C C C C

Fórmulas moleculares, desarrolladas y semidesarrolladas La fórmula molecular indica la clase y el número de átomos que constituyen a una molécula, sin describir el arreglo que existe entre ellos. La fórmula semidesarrollada o condensada es una forma abreviada de la fórmula desarrollada que indica únicamente las uniones entre átomos de carbono o entre átomos de carbono y grupos funcionales La fórmula desarrollada indica cómo están unidos entre si, cada línea representa una unión entre dos átomos. FÓRMULA MOLECULAR FÓRMULA SEMIDESARROLLADA FÓRMULA DESARROLLADA C3H8 CH3 - CH2 - CH3 H H H H - C - C - C - H C3H6 CH3 - CH = CH2 H H - C - C = C - H C3H4 CH3 - C º CH H - C - C º C - H

Isomería CH3 - CH2 - OH CH3 - O – CH3 Isómeros son sustancias distintas que tienen la misma fórmula molecular pero poseen una estructura diferente. Existen isómeros estructurales de cadena porque los compuestos difieren en el esqueleto o cadena de carbonos. ejs: CH3 CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3 Existen isómeros estructurales funcionales debido a que tienen un grupo funcional diferente y por tanto el tipo de compuesto es diferente. ej: CH3 - CH2 - OH CH3 - O – CH3 Existen isómeros de posición debido a que cambia de lugar el doble o triple enlace. ej: CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3

HIBRIDACIÓN El rearreglo energético entre diferentes tipos de orbitales formando orbitales equivalentes Hibridación de orbitales: Son aquellos que resultan de la combinación de los orbitales s, p, d, f. Orbitales híbridos sp3 o tetraedrica. Considerando por ej: el metano. El carbono tiene un electrón no apareado en dos orbitales P. 6C 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz Para disponer de 4 electrones no apareados promovemos uno de los electrones 2s a un orbital 2p vacío 1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1 Este modelo ya explica la tetravalencia, pero no la equivalencia de los 4 enlaces, porque al formarse las uniones habría 3 enlaces iguales (con los orbitales p) y uno diferente ( con el orbital s) lo que es contrario a la equivalencia formada. El átomo de carbono debe sufrir algún cambio en sus orbitales que explique la equivalencia de los cuatro enlaces. Los orbitales del átomo de carbono se combinan y dan lugar a la formación de orbitales híbridos; es decir orbitales que resultan de un rearreglo entre orbitales puros. En este caso se rearreglan el orbital 2s y los tres orbitales 2p formándose cuatro orbitales híbridos

1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1 1s2, (2sp3)1, (2sp3)1 (2sp3)1 (2sp3)1 4 orbitales híbridos sp3 Estos orbitales híbridos son llamados sp3, porque surgen de la combinación de un orbital s y tres orbitales p, Están distribuidos en el espacio de tal manera que quedan entre si lo más alejados posibles formando un tetraedro regular con ángulos de 109.5 º y se les conoce como orbitales sigma (s )

Orbitales híbridos sp2 o trigonal Partiendo del estado basal del carbono, se promueve por medio de energía un electrón del orbital 2s al 2pz que está vacío 6C 1s2 2s2 2px1 2py12pz 1s22s12px1 2py1 2pz1 Se rearreglan 3 orbitales puros, el 2s, el 2px, y el 2py, dando lugar a 3 orbitales híbridos sp2 que son equivalentes entre si con un ángulo de 120 º y queda un orbital puro, el 2pz 1s2, (2sp2)1, (2sp2)1 (2sp2)1 2pz 3 orbitales híbridos sp2 orbital puro

Orbitales híbridos sp o lineal Siguiendo la secuencia de la hibridación sp3, sp2 y rearreglando sólo 2 orbitales, el 2s y el 2px, tenemos: 6C 1s2 2s2 2px1 2py12pz 1s22s12px1 2py1 2pz1 Dando lugar a 2 orbitales híbridos sp que son equivalentes entre si con un ángulo de 180 º y quedan dos orbitales puros, el 2py y el 2pz 1s2, (2sp)1, (2sp)1 2py 2pz 2 orbitales 2 orbitales híbridos sp puros

Principales clases de compuestos y grupos funcionales En general los compuestos orgánicos se clasifican de acuerdo con el grupo funcional que contienen. El grupo funcional corresponde a la parte más reactiva de la molécula y consta de un átomo o grupo de átomos que imparten la mayoría de las propiedades físicas y químicas a los miembros de una clase de compuestos, en donde la R corresponde a un grupo alquilo que puede sustituirse por un grupo arilo excepto con los alcanos CLASE GRUPO FUNCIONAL ALCANO R - H - C – C - – CH2 – CH2 - R - CH2 – CH2 - R ALQUENO - C = C - - CH = CH - R - CH = CH - R ALQUINO - C º C - R - C º C - R AROMÁTICO Ar – H

HALOGENURO R - X X = F, Cl, Br, I ALCOHOL R –OH R – CH2 – OH PRIMARIO R – CH – OH SECUNDARIO R R TERCIARIO R – C - R OH ÉTER R – O – R ALDEHIDO R – CHO R – CH = O

CETONA R – C – R R – CO – R O ACIDO CARBOXILICO R – COOH R – C – OH O HALOGENURO DE ACILO R – COO – X R – C – X O AMIDA R – CO – NH2 R – C – NH2 O ESTER R – COO – R R –C – O - R O

Ruptura homolítica y heterolítica AMINA R – NH2 PRIMARIA R – NH – R SECUNDRIA R – N – R TERCIARIA R Ruptura homolítica y heterolítica Ruptura homolítica.- Al efectuarse la ruptura cada uno de los átomos arrastra consigo un electrón formando radicales libres o átomos que son partículas de una elevada reactividad debido a la existencia de electrones desapareados. Las rupturas homolíticas se producen en general en las reacciones que se efectúan en fase gaseosa, o en disolventes no polares. son catalizadas por acción de la luz, del calor o por la adición de otros radicales o átomos.

A : B A . + B . C : C C . + C . C : H C . + H . Ruptura heterolítica.- Al efectuarse la ruptura los dos electrones del enlace covalente son arrastrados por uno de los átomos formándose iones A : B A .+ + B : – El átomo B que arrastra al par de electrones queda con carga negativa, debido a que además de recuperar el electrón que aportó al enlace gana el del otro átomo. El átomo A queda con carga positiva puesto que pierde su electrón original. Un carbono que tiene carga negativa se llama carbanión y uno que tiene carga positiva se llama carbocatión o ión carbonio, ninguno es estable pero son las especies intermediarias que se producen durante el transcurso de las reacciones. Las rupturas heterolíticas se llevan a cabo preferentemente en fase líquida, en el seno de los disolventes polares, en presencia de ácidos o bases de Lewis. C : C C + + C : – H : C H + + C : –