INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Prof. Leandro Díaz Valdés

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1 INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Prof. Leandro Díaz Valdés

2 1. DESARROLLO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
Todo organismo vivo está compuesto de sustancias orgánicas. Está presente en proteínas del cabello, piel, músculos, ADN, alimentos y medicamentos. Torbern Bergman en el año 1777 fue el primero en diferenciar las sustancias orgánicas e inorgánicas. El término orgánica hace referencia a compuestos presentes en organismos vivos. J. Berzeluis, a comienzo del siglo XIX realizó una diferencia entre sustancias que provenían del mundo mineral (inorgánico) y las presentes en un ser vivo (orgánico) Fuerza vital. Michael Eugéne Chevreul en 1816 logra sintetizar jabón a partir de grasa animal y un álcali, echando por tierra la teoría vitalista.

3 Friedrich Wöhler, en 1828 convirtió el cianato de amonio (sal inorgánica) en urea (compuesto orgánico). Actualmente, se sabe que la química orgánica es “aquella que estudia los compuestos del carbono, en cuanto a su composición, estructura, propiedades, obtención, transformaciones y usos”. También llamada, “química del carbono”.

4 2. CARACTERÍSTICAS DEL ÁTOMO DE CARBONO.
Constituye el 0,027% de la corteza terrestre (no es abundante). El carbono elemental existen en cinco formas alotrópicas cristalinas: grafito, diamante, fullerenos, nanotubos y grafeno. Las formas amorfas corresponden a carbón vegetal, carbón coque y carbón negro de humo. El gran número de compuestos orgánicos se explica por su electronegatividad y su tetravalencia.

5 A. Electronegatividad. B. Tetravalencia.
Se ubica en el grupo 14 o IV A y período 2. Electronegatividad 2,5. Se puede unir con otros átomos de carbono y además con H, O, N y halógenos. Comparte sus electrones, formando enlaces covalentes. B. Tetravalencia. Su Z = 6 Configuración electrónica 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 Diagrama de orbital:

6 Para que el carbono alcance estabilidad debe estar unido a través de 4 enlaces covalentes.
La tetravalencia se genera cuando existe promoción de electrones desde el orbital 2s al orbital 2pz, obteniendo una nueva configuración electrónica. ___ ___ ___  ___ ___ ___ ___ ___ 2s 2pz 2px 2py Para lograr una mayor estabilidad y también explicar la forma de las moléculas, se introduce el concepto de hibridación. Esta consiste en la combinación de los orbitales s con los orbitales p, obteniendo híbridos de igual energía.

7 En la imagen se observa que los orbitales híbridos resultantes son iguales entre sí y poseen las propiedades de los dos orbitales que se han combinado. Los orbitales híbridos están formados por dos lóbulos, uno más grande que el otro, y el recubrimiento a lo largo del eje con orbitales de otros átomos es mayor que en orbitales puros sin hibridar, lo que da origen a enlaces más estables.

8 2.1. Tipos de carbono en los compuestos orgánicos.
A. Según el número de carbonos enlazados. Los átomos de carbono presentes en una estructura orgánica pueden ser primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios. Dependerá del número de carbonos enlazados al átomo analizado.

9 Actividad. Copie en su cuaderno e identifique UN CARBONO PRIMERIO, SECUNDARIO, TERCIARIO Y CUATERNARIO, en el siguiente compuesto orgánico.

10 B. Según su hibridación. Los átomos de carbono pueden unirse entre sí mediante enlaces covalentes simples, dobles y triples. Hibridación Enlace Ángulo de enlace Geometría molecular Ejemplo sp3 Simple: C – C 109,5° Tetraédrica CH3 – CH3 sp2 Doble: C = C 120° Trigonal plana CH2 = CH2 sp Triple: C  C 180° Lineal CH  CH

11 . 4 enlaces simples . 2 enlaces simples y 1 enlace doble . 1 enlace simple y 1 enlace triple

12 HIBRIDACIÓN sp3 o TETRAÉDRICA
La combinación del orbital 2s y los tres orbitales 2p produce cuatro orbitales híbridos equivalentes, con la misma energía y forma, denominados orbitales sp3. ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ Hibridación sp sp3 sp3 sp3

13 Esta hibridación ES CARACTERÍSTICA EN LOS ENLACES SIMPLES formados entre carbonos o entre carbono y otro elementos , como carbono e hidrógeno. Los ejes están orientados hacia los vértices de un tetraedro regular y, por lo tanto, los ángulos entre los ejes son de 109,5°.

14 EJEMPLOS DE HIBRIDACIÓN sp3
1. Molécula de metano, CH4: Para que se forme esta molécula, es preciso que los átomos de hidrógeno se acerquen al carbono y se produzca el recubrimiento de los ejes de los orbitales sp3 equivalentes del carbono con el orbital 1s de cada átomo de hidrógeno. A este tipo de enlace se le denomina enlace sigma, .

15 EJEMPLOS DE HIBRIDACIÓN sp3
2. Molécula de agua, H2O: En ella, dos de los cuatro orbitales híbridos del oxígeno (sp3) se traslapan con los orbitales 1s del hidrógeno y forman enlaces covalentes. Los otros dos orbitales híbridos están ocupados por pares de electrones no enlazantes.

16 HIBRIDACIÓN sp2 o TRIGONAL
Este tipo de hibridación se encuentra en los casos en que el carbono participa de un doble enlace, ya sea con otro átomo de carbono o con otro elemento, como oxígeno o nitrógeno. La combinación del orbital 2s con dos orbitales 2p (2px y 2py) produce tres orbitales híbridos sp2 y queda 1 orbital p sin hibridar. ___ ___ ___ ___ ___ sp sp2 sp2 ____ ____ ____ 2pz Hibridación

17 La siguiente figura representa la hibridación sp2
En ella puedes ver como los tres orbitales híbridos se disponen en el mismo plano en forma trigonal para formar un ángulo de 120° entre sí y cómo el orbital 2p sin hibridar se sitúa en forma perpendicular al plano de los orbitales híbridos.

18 EJEMPLO DE HIBRICACIÓN sp2
Eteno, C2H4 : CH2 = CH2 En la formación de los enlaces del eteno, cada átomo de carbono utiliza dos orbitales sp2 para unirse a dos átomos de hidrógeno mediante un enlace , y un orbital sp2 para formar el enlace  C – C. El doble enlace se forma por el recubrimiento lateral del orbital 2p no hibridado de cada átomo de carbono que están orientados paralelamente entre sí. Este recubrimiento lateral de orbitales p produce un enlace π.

19 Un enlace π es también un enlace covalente, pero en él las regiones de recubrimiento están sobre y bajo el eje. Por esta razón, las nubes de electrones del enlace π están muy expuestas, ya que se encuentran fuera del plano de la molécula y de ahí la alta reactividad de los compuestos con enlace doble, C = C.

20 HIBRIDACIÓN sp O LINEAL
Este tipo de hibridación se encuentra en moléculas en que el carbono participa de un enlace triple con otro átomo de carbono o con un átomo de otro elemento, como el nitrógeno. La combinación del orbital 2s con un orbital 2p produce dos orbitales híbridos sp, con lo que quedan dos orbitales 2p sin hibridar. ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ sp sp 2py 2pz

21 La siguiente figura representa la hibridación sp

22 EJEMPLO DE HIBRICACIÓN sp
Etino, C2H2 : CH  CH Los dos orbitales atómicos 2p que no se han empleado en el proceso de hibridación se colocan perpendiculares entre sí y perpendiculares al sistema de orbitales híbridos sp, tal y como se indica en la figura que se da a continuación:

23 El solapamiento frontal de dos orbitales híbridos sp genera el enlace σ C-C de la molécula de acetileno. Los dos orbitales híbridos sp restantes se solapan con los orbitales 1s de dos átomos de hidrógeno para dar lugar a dos enlaces covalentes C-H de tipo σ. El sistema de orbitales σ de la molécula de acetileno se indica a continuación:

24 Sobre cada átomo de carbono quedan dos orbitales atómicos p que se solapan lateralmente para dar lugar a dos enlaces de tipo:

25 Los tres tipos de enlaces que constituyen la molécula de acetileno, enlace σ (solapamiento Csp-Csp), enlace σ (solapamiento Csp-H1s) y enlaces π (solapamiento Cp-Cp) se representan en la figura que se da a continuación:

26 RESUMEN Tipo de hibridación Orbitales Geometría Ángulos Enlace C – C
sp3 4sp3 Tetraédrica 109,5° Sencillo () sp2 3sp2 1p Trigonal Plana 120° Doble (1 y 1π) sp 2sp 2p Lineal 180° Triple (1 y 2π)

27 EJEMPLO DE ACTIVIDAD 1. Determine el tipo de hibridación de los orbitales y la geometría molecular de las moléculas de propeno y el 2 – butino y dibuja en tu cuaderno un modelo de las moléculas considerando los ángulos que se forman en los enlaces. Propeno: H2C = CH – CH3 b) 2 – butino: H3C – C  C – CH3

28 Energía de enlace (kJ  mol–1)
2.2. Longitud y fuerza de enlace. La longitud de un enlace químico resulta de la interacción entre las fuerzas atractivas y repulsivas existentes en átomos que lo forman. La fuerza de un enlace covalente entre dos átomos está determinada por la energía necesaria para romper el enlace. Tipo de enlace Longitud de enlace (A) Energía de enlace (kJ  mol–1) C – C 1,54 348 C = C 1,34 614 C  C 1,20 839

29 3. Los hidrocarburos. Entre los compuestos orgánicos, los hidrocarburos son los más sencillos debido a que están formados solo por átomos de carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos se agrupan en dos grandes tipos: alifáticos y aromáticos.

30 3.1. Hidrocarburos alifáticos.
Los hidrocarburos con estructuras de cadena abierta, tal como se ilustran a continuación, se denominan alifáticos. Este tipo de hidrocarburos incluye los alcanos, conocidos también como parafinas. Se caracterizan por estar formados exclusivamente por enlaces simples carbono-carbono y poseer la capacidad máxima de átomos de hidrógeno por cada carbono. Debido a esta particularidad, se les denomina hidrocarburos saturados. Los alquenos (u olefinas) presentan al menos un doble enlace C=C en su cadena, mientras que los alquinos incluyen en su estructura al menos un enlace triple CC. Los alquenos y alquinos son considerados hidrocarburos insaturados.

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32 Hidrocarburo alicíclico
Hidrocarburos alicíclicos. Entre los hidrocarburos alifáticos destacan los denominados cicloalifáticos o alicíclicos, que corresponden a alcanos, alquenos y alquinos, formando ciclos o cadenas cerradas. Hidrocarburo alicíclico Tipo de enlace Fórmula general Ejemplo Cicloalcano Simple CnH2n Cicloalqueno Doble CnH2n–2 Cicloalquino Triple CnH2n–4

33 3.2. Hidrocarburos aromáticos.
Los hidrocarburos aromáticos son aquellos que incluyen en su estructura un hidrocarburo en particular llamado benceno, cuya fórmula molecular es C6H6. Los compuestos aromáticos o arenos se conocieron en el siglo XIX, cuando se descubrieron varias sustancias de origen vegetal (bálsamos, resinas, esencias, etc.) con aromas intensos y todos ellos derivados sustituidos del benceno o formados por la unión de varios anillos bencénicos (hidrocarburos aromáticos policíclicos).

34 En 1865, August Kekulé propuso una estructura para el benceno.
Debido a que estos electrones ya no se encuentran solo entre dos átomos de carbono sino en todo el anillo, se dice que los electrones están deslocalizados. Esto es lo que otorga gran estabilidad a la molécula de benceno.

35 4. Nomenclatura de los hidrocarburos.
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) desarrolló un sistema para asignar nombres y fórmulas a cada compuesto químico. Esto se conoce como nomenclatura. La IUPAC establece algunas reglas generales y otras específicas para nombrar cada tipo de compuesto. Dentro de las reglas generales podemos mencionar: Identificar la cadena principal, que corresponde a la secuencia que contenga el mayor número de átomos de carbono y el mayor número de cadenas laterales (en el caso de que coincidan dos cadenas con igual número de átomos de carbono). Los grupos de átomos unidos a la cadena principal se denominan sustituyentes, y estos se deben numerar de tal modo que el primero en aparecer reciba el número más bajo posible.

36 4.1. Nomenclatura de los hidrocarburos alifáticos.
El nombrar o construir la estructura de un hidrocarburo alifático dependerá del número de carbonos presentes en la cadena principal y del tipo de enlace existente entre los carbonos.

37 Una vez identificada la cadena principal, procedemos a numerar los
átomos de carbono. Si en la cadena principal solo existen enlaces simples C—C, la numeración debe considerar la posición más baja de los sustituyentes. Si la cadena principal posee insaturaciones, la numeración debe privilegiar la posición de los enlaces dobles o triples y, secundariamente, la ubicación de los sustituyentes si es que existen. Nomenclatura de radicales o sustituyentes: Cuando un hidrocarburo pierde un átomo de H da lugar a un radical, especie reactiva que se une a otras cadenas carbonadas formando una ramificación. Se nombran con el sufijo -ilo (o -il). 

38 Para otorgar el nombre al hidrocarburo alifático, se deben escribir los nombres de los sustituyentes en orden alfabético, además de su posición en la cadena principal. Si un mismo sustituyente se repite, debemos utilizar los prefijos di (dos), tri (tres) o tetra (cuatro) según corresponda. Sustituyentes repetidos en el mismo carbono repiten el número y utilizan prefijos multiplicativos. La posición de las insaturaciones dentro de la cadena principal también debe ser registrada en el nombre del compuesto. Varios enlaces múltiples se indican con localizadores. La terminación –eno se sustituye por –adieno, –atrieno, etc. La terminación –ino se sustituye por –adiino, –atriino, etc.

39 Los prefijos multiplicativos (di-, tri-, tetra, etc) no se alfabetizan.
Los prefijos n-, sec-, tert- no se alfabetizan. Los prefijos iso, neo y ciclo si se alfabetizan y se escriben sin guión.

40 4.2 Nomenclatura de los hidrocarburos alicíclicos.
• Se debe anteponer el prefijo ciclo y luego aplicar las reglas generales descritas anteriormente para los hidrocarburos de acuerdo a si es saturado o insaturado. • Si el ciclo o anillo presenta un sustituyente, no es necesario señalarlo a través de un número, pero si un mismo sustituyente se repite en la estructura, estos se deben numerar de tal forma que alcancen la combinación numérica más baja posible. • En el caso de existir sustituyentes diferentes, aquel que tenga la prioridad alfabética se localizará en el carbono 1. • Finalmente, si el anillo presenta insaturaciones, se empiezan a numerar los carbonos a partir de aquellos con enlace múltiple. Estos son siempre prioridad.

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42 4.3 Nomenclatura de hidrocarburos aromáticos.
Los derivados monosustituidos del benceno se nombran de la misma forma que los hidrocarburos alifáticos, pero considerando como base la palabra benceno, como el metilbenceno (tolueno) y el isopropilbenceno (cumeno).

43 Los bencenos disustituidos se nombran e acuerdo a los siguientes prefijos: orto (o), meta (m) y para (p). Para comprender este tipo de nomenclatura, revisemos la siguiente figura. Un benceno disustituido en posición orto corresponderá a una relación 1,2 según el anillo bencénico. En el caso de la posición meta, la relación será 1,3, mientras que en la posición para, la relación será 1,4.

44 Los bencenos con más de dos sustituyentes se nombran de acuerdo a la posición en que estos se ubican en el anillo, de modo que la combinación numérica sea la más baja posible y en orden alfabético.

45 Los llamados hidrocarburos aromáticos policíclicos, también derivados del benceno, tienen una estructura formada por la unión de varios anillos bencénicos.