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UNIDAD 5 ESTRUCTURA DE COMPUESTOS
ORGÁNICOS
INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA
La Química Orgánica es el estudio de los compuestos del carbono, en cuanto a su composición, propiedades, obtención, transformaciones y usos.
Química orgánica nació como tal a principios de siglo XIX. Lavoisier demostró que la combustión era característica de la química orgánica, la cual siempre contenia carbono, en tanto que la inorgánica, por no tener este elemento no era combustible;sin embargo, existían excepciones, como el azufre elemental. El término “orgánico “ se empezó a emplear para caracterizar a los compuestos químicos de origen animal y vegetal, en contraposición con los diversos compuestos llamados inorgánicos, pertenecientes al mundo inanimado.
La principal diferencia que se atribuía entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos era que, los orgánicos tenían un carácter vital, se pensaba que para su formación se requería de una cierta “fuerza vital” (“vis vitalis”), esta teoría llamada vitalismo, fue propuesta por Sthal. Tal concepto fue deshechado gradualmente gracias a un cúmulo de de pruebas que demostraron comportamientos y propiedades opuestas entre ambos tipos de compuestos. El químico alemán Bergmann, a principios del siglo XIX, propuso dividir el estudio de la química en dos ramas: la orgánica, que se ocuparía del conocimiento de la materia relacionada con los organismos vivos, y la inorgánica, que trataría a los demás elementos y tipo de materia.
En 1828,Friedrich Wöhler (1800 –1882), químico alemán, descubrió que la evaporación de una solución acuosa de una sal inorgánica, cianato de amonio, daba por resultado la producción de urea, que era idéntica al producto obtenido de seres vivos.
Wöhler trató cianato de plomo Pb(CON)2 , con amoníaco con el fin de obtener cristales de ciananto de amonio, NH4CON; se formó en efecto ese compuesto, pero al hervir la disolución para cristalizar esta sustancia ocurrió algo sorprendente: la sal inorgánica era convertida por el calor en urea. Tal cambio se debe a un reacomodamiento interno de la molécula orgánica a una estructura más estable.
NH4CON NH2-CO-NH2
cianato de amonio urea
Los químicos han podido acceder progresivamente al conocimiento de la composición, estructura, propiedades y transformaciones de los compuestos orgánicos, gracias a la evolución de los métodos experimentales y a las técnicas de análisis.Un compuesto orgánico es aquel que contiene carbono, ya sea de origen natural o sintético; en la actualidad se conocen millones de compuestos orgánicos diferentes.
La aplicación y el desarrollo de la química orgánica cada vez es más grande, sobre todo en beneficio de la humanidad, ya que hay una gran disponibilidad de productos orgánicos, como son: medicamentos, fertilizantes, insecticidas, detergentes, textiles, aceites, combustibles, plásticos, etc., sin olvidar multitud de aplicaciones en la conservación y preparación de alimentos. Sin embargo, también
le han generado graves problemas de contaminación, el uso de drogas y se han propiciado guerras.
4.2 DIFERENCIA ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOSEn la siguiente tabla se muestran algunas diferencias que existen entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos.
DIFERENCIA ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS.
ORGÁNICOS INORGÁNICOS
Contienen carbono, hidrógeno, con frecuencia oxígeno y a veces
también se encuentra nitrógeno, azufre, halógenos y fósforo.
Están constituidos por combinaciones de los elementos que se encuentran en la
tabla periódica.
El número de compuestos que carbono, es mucho mayor que el de los
compuestos que no lo contienen.
El número de compuestos es mucho menor que el de los compuestos orgánicos.
El enlace más frecuente es el covalente. El enlace más frecuente es el iónico.
Son solubles en solventes orgánicos (no polares), como éter, alcohol, benceno,
cloroformo, etc.
Por lo general, son solubles en agua.
No son buenos conductores de la electricidad.
Son buenos conductores de la electricidad.
Sus puntos de fusión son bajos. Sus puntos de fusión son altos.
No son muy estables, se descomponen fácilmente.
Son muy estables.
Por lo general, sus reacciones son lentas y rara vez cuantitativas.
Sus reacciones son rápidas (casi instantáneas) y cuantitativas.
Forman estructuras complejas de elevado peso molecular.
No forman estructuras complejas y sus pesos moleculares son bajos.
Presentan concatenación , que es la capacidad que presentan los átomos de
carbono de combinarse entre sí por enlace covalente, formando largas cadenas.
No presentan concatenación.
Presentan isomería, que es un fenómeno común del cual derivan diferentes
propiedades en los compuestos de igual forma molecular, pero diferente arreglo
atómico.
Es muy raro que presenten isomería, este fenómeno, pero sí existe
La mayoría son combustibles Por lo general, no arden.
4.3 HIBRIDACIÓN DEL CARBONO.
La hibridación es la mezcla de orbitales atómicos de un átomo ( comúnmente un átomo central) para generar un conjunto de nuevos orbitales atómicos , llamados orbitales híbridos.
Los orbitales híbridos, que son orbitales atómicos que se obtienen cuando dos o más orbitales no equivalentes del mismo átomo se combinan, se usan para formar enlaces covalentes.
Hibridación sp3
Al analizar los electones de valencia de carbono, en estado basal, se puede representar el diagrama orbital de la configuración electrónica C6: 1s2, 2s2, 2p2, como:
C6: 1s 2s 2px 2py 2pz
Como el átomo de carbono tiene dos electrones desapareados (uno en cada uno de los orbitales 2p), sólo se pueden formar dos enlaces con el hidrógeno en su estado basal.Para explicar los cuatro enlaces C-H en el metano, CH4 (alcano) se puede promover (esto es excitarenergéticamente) un electrón del orbital 2s al orbital 2p.
C6: 1s 2s 2px 2py 2pz
Se pueden generar , entonces, cuatro orbitales híbridos mezclando un orbital s y tres orbitales p, se denomina orbitales híbridos sp3 Se pronuncia “ese – pe – tres”.
Ahora hay cuatro electrones desapareados en el carbono y se pueden formar cuatro enlaces C – H .
Los cuatro orbitales híbridos (sp3) son equivalentes y se dirigen hacia los vértices de un tetraedro regular.y que forman 109.28° entre orbitales.
Hibridación sp2.Se combina un orbital s con dos orbitales p y queda un orbital p sin hibridizarse, por lo tanto, se forman tres orbitales híbridos sp2 y un orbital puro p.
En el etileno,C2H4 (alqueno) los átomos de carbono se hibridizan para formar tres orbitales sp2 equivalentes, que son planos y forman unos con otros un ángulo de 120°. Los enlaces de C – H se forman por la superposición de dos de esos orbitales sp2 de cada carbono con los orbitales 1s de dos átomos de hidrógeno.
En este tipo de hibridación se forma un doble enlace entre C – C.
Hibridación spSe combinan un orbital s con un orbital p, y quedan dos orbitales p puros sin combinar. Por lo que se obtiene dos orbitales híbridos sp y dos orbitales puros p. Estos orbitales híbridos se separan uno de otro con un ángulo de 180°.
En el acetileno,C2H2 (alquino),los átomos de carbono forman orbitales sp híbridos colineales, dejando sin hibridación dos orbitales puros p.Los orbitales sp se superponen con orbitales 1s de hidrógeno y entre sí, para formar enlaces sigma.Los orbitales puros py y pz que son mutuamente perpendiculñares, se superponen uno al otro y forman dos enlaces pi. Rel resultado total es la formación de un enlace triple.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS.
Los compuestos orgánicos presentan el fenómeno de concatenación, es decir, la formación de cadenas constituidas por un esqueleto básico de átomos de carbono, unidos entre sí por enlaces covalentes, a los cuales se unen átomos de carbono, generalmente.
Los criterios que se aplican para clasificar las diferentes estructuras que forman a los compuestos orgánicos son cuatro, y son los siguiente:
1. Clasificación de cadenas de acuerdo con la conformación del esqueleto.
a) Abierta.- muestra dos extremos.b) Cerrada.- No tiene extremos, la cadena forma un anillo o ciclo.
TIPO DE CADENACadena abierta Cadena cerrada
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH2=CH-CH2-CH3
CH2-CH2 CH2
| | / \ CH2-CH2 CH2 - CH2
2. Clasificación de cadenas de acuerdo con el tipo de enlaces en el esqueleto.
a) Saturada.- Los átomos de la cadena sólo se unen por un enlace covalente simple.
b) No saturada (insaturada).- Además del enlace simple, muestran doble o triple enlace covalente.
TIPO DE CADENACadena saturada Cadena no saturada
CH3-CH2-CH2-CH3CH2-CH| ||
CH2-CH CH2 - CH2
| | CH2 - CH2
CH3-CH=CH-CH2-CH3
3. Clasificación de cadenas según la presencia de grupos sustituyentes.
a) Lineal o normal.- No tienen grupos sustituyentes.b) Ramificada o arborescente.- contienen grupos consituyentes.
TIPO DE CADENACadena lineal o normal Cadena ramificada o
arborescente
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3 CH3
| |CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH3
CH2
/ \CH2 CH2
| |CH2 - CH2
CH2-CH2
| | CH2-CH-CH2 – CH3
4. Clasificación de cadenas según el tipo de átomos que constituyen el esqueleto.
a) Homogénea.- Todos los átomos que forman la cadena, son de carbono. Se considera que los átomos de hidrógeno quedan fuera del esqueleto.
b) Heterogénea.- Entre los átomos que constituyen la cadena participan otros elementos distintos del carbono, como son: átomos de oxígeno, azufre, nitrógeno, etc..
TIPO DE CADENACadena homogénea Cadena heterogénea
CH3-CH2-C-CH3
|| O
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-CH2-O-CH2-CH3
CH2
/ \ CH2 CH-Cl
| |CH2 CH2
\ /CH2
NH/ \
CH2 CH2
| |CH2 - CH2
Ejemplos:
1. CH3-CH2-CH2-CH-CH3
| CH3
Cadena abierta, saturada, ramificada, homogénea.
2. CH2-CH | || CH2-CH
Cadena cerrada, no saturada, lineal, homogénea.
3. NH
/ \ CH2 CH-CH3
| | CH2 - CH2
Cadena cerrada, saturada, ramificada, heterogénea.
4. CH3-CH=CH-CH-CH3
| CH3
Cadena abierta, no saturada, ramificada, homogénea.
5. CH3-CH2-O-CH-CH3
| CH3
Cadena abierta, saturada, ramificada, heterogénea.
Clasificación estructural de los compuestos orgánicos.
Existen dos tipos de compuestos orgánicos: acíclicos (cadena abierta) y cíclicos (cadena cerrada). Los compuestos cíclicos se subdividen en homocíclicos (con anillos homogéneos) y heterocíclicos ( con anillos heterogéneos).
Los compuestos homocíclicos pueden ser derivados de compuestos alifáticos cíclicos que no contienen anillo bencénico, y son llamados alicíclicos. Por otro lado, los compuestos con anillo bencénico se les llama aromáticos. El siguiente cuadro nos muestra la clasificación estructural de los compuestos orgánicos.
CLASIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS.
LINEALESSATURADOS
(enlace sencillo) RAMIFICADOSACÍCLICOS
(cadena abierta)NO SATURADOS LINEALES(enlaces dobles y
triples)RAMIFICADOS
LINEALESSATURADOS
ALICÍCLICOS RAMIFICADOS(lineales)
HOMOCÍCLICOS LINEALES(sólo átomo de
carbono)NO SATURADOS
RAMIFICADOS
AROMÁTICOS(benceno)
CÍCLICOS(cadena cerrada)
LINEALESSATURADOS
HETEROCÍCLICOS RAMIFICADOS(además de C, otros
elementos)LINEALES
NO SATURADOSRAMIFICADOS
Clasificación de átomos de carbono.
El átomo de carbono siempre es tetravalente, es decir, establece cuatro enlaces, existe igual número de posibilidades de que los elementos involucrados en las uniones sean iguales o diferentes. Existen cuatro tipos de carbonos: primario, secundario, terciario y cuaternario.
Carbono primario es aquel que se encuentra unido a un átomo de carbono o a cuatro elementos diferentes de él.
H | C-C-H C-CH3
|1°
H
Carbono secundario es aquel que se encuentra enlazado a dos átomos de carbono.
H | C-C-C C-CH2-C |2°
H
Carbono terciario es aquel que se enlaza a otros tres átomos de carbono.
C C | | C-C-C C-CH-C |3°
H
Carbono cuaternario es aquel que está unido a cuatro átomos de carbono.
C | C-C-C |4°
C
EJERCICIO. EN LOS SIGUIENTES EJEMPLOS, INDIQUE EN CADA UNO DE LOS CARBONOS, A QUE TIPO DE CARBONO CORRESPONDE.
1. CH3 CH3
| |CH3-CH-CH-CH3
2. CH3 CH2-CH3
| |CH3-CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH3
3. CH3 CH2-CH3
| |CH3-CH2-C-CH2-CH-CH3
| CH3-CH-CH3
ISOMERÍA
Los isómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero diferente distribución de los átomos y por lo tanto van a presentar distintas propiedades.
La siguiente tabla resume los tipos de isomería que presentan los compuestos orgánicos.
ISÓMEROS ESTRUCTURALES.
Son los isómero que difieren en el acomodo de
los átomos, pero con respecto a la distribución
tridimencional de los átomos en el espacio.
a) Isómeros de cadena.
Compuestos que difieren en la distribución del esqueleto de los átomos
de carbono de la molécula.
Ejemplo:
CH3-CH2-CH2-CH3
CH3-CH2-CH3
| CH3
b) Isómeros de posición.
Compuestos que difieren en la posición del grupo funcional a lo largo del esqueleto de átomos de carbono.
Ejemplo:
CH3-CH2-CH2-Cl
CH3-CH2-CH3
| Cl
c) Isómeros funcionales.
Compuestos que difieren en la naturaleza del grupo funcional.
Ejemplo:
CH3-CH2-OH
CH3-O -CH3
ESTEREOISÓMEROS.
Son isómeros que muestran el mismo orden de colocación de átomos, pero que difieren sólo en la posición tridimensional
de los átomos en el espacio.
a) Isómeros geométricos,(cis-trans).
Compuestos que resultan de la libertad restringida de rotación alrededor de los
dobles enlaces o en una estructura cíclica. Tales isómeros tiene propiedades
físicas diferentes.
Ejemplo:
H Cl H Cl \ / \ / C C || || C C / \ / \ H Cl Cl H cis trans
b) Isómeros ópticos.
Se encuentran en compuestos capaces de producir rotación del plano de la luz polarizada. Las moléculas quirales, que
son imágenes estructurales que no pueden superponerse, son ejemplos de isómeros ópticos; ellos desvían la luz polarizada en un plano en direcciones
opuestas.
Ejemplo:
CHO | H / \ HO CH2OH
OHC | / \ H
HOH2C OH
EJERCICIO. ANOTA SOBRE LA LÍNEA DE LA DERECHA EL TIPO DE ISOMERÍA ( DE CADENA, DE POSICIÓN, FUNCIONAL Y GEOMÉTRICA) QUE PRESENTAN LOS SIGUIENTES COMPUESTOS.
1. CH3 CH2-CH3 CH3-CH2 H \ / \ / C = C ; C = C / \ / \ H H H CH3 _______________________
2. CH3-CO-CH3 ; CH3-CH2-CHO
_______________________
3. CH3-CH-CH2-CH2-CH3 ; CH3- CH2-CH-CH2-CH3
| | OH OH
_______________________4.
CH3-CH-CH3 ; CH3-CH2-CH2-CH3
| CH3
_______________________
5. CH C-CH2-CH3 ; CH3-C CH-CH3
_______________________
6. CH2=CH-CH-CH2-CH3 ; CH3-CH=C- CH2-CH3
| | CH3 CH3
_______________________
7. CH3 CH3
| | CH3 - C -CH3 ; CH3-CH-CH2-CH3
| CH3
_______________________
8. CH3 CH3 CH3 H \ / \ / C = C ; C = C / \ / \ H H H CH3 _______________________
FÓRMULAS QUÍMICAS.
La expresión que se emplea para describir los números relativos de átomos de distintos elementos presentes en una sustancia, recibe el nombre de fórmula.
Las fórmulas moleculares proporcionan la relación cuantitativa atómico molecular, es decir, indican, por medio de subíndices, el número de átomos de cada elemento presentes en la molécula del compuesto. El número uno no se escribe.
Las fórmulas moleculares son muy útiles en química inorgánica, pero en quimica orgánica no son de gran utilidad en virtud de que los compuestos orgánicos presentan el fenómeno de isomería. También, no resulta conveniente el uso de las fórmulas desarrolladas, ya que los compuestos de carbono forman largas cadenas de átomos de carbono.En química orgánica se ha recurrido al uso de fórmulas semidesarrolladas, pues su uso es más factible para destacar aquellos aspectos estructurales de los compuestos orgánicos.
Las fórmulas desarrolladas, indican la estructura total de la molécula, es decir, cómo se unen los átomos entre sí.
Las fórmulas semidesarrolladas proporcionan la estructura parcial de la mólecula, es decir, muestran como se enlazan algunos átomos.
Ejemplos:
Nombre del compueto
Fórmula molecular(Condensada)
Fórmula semidesarrollada
Fórmula desarrolladaLewis Langmuir
Metano CH4 CH4
HH : C : H
H
H|
H – C – H|H
Etano C2H6 CH3-CH3 H HH : C : C : H
H H
H H| |
H – C – C – H| |
H H
Eteno C2H4 CH2=CH2
H HC : : C
H H
H H\ /C = C
/ \H H
Etino C2H2 CHCH H : C : : C : H H – C C – H
Etanol C2H6O CH3-CH2-OH H HH : C : C : O : H H H
H H| |
H – C – C – OH| |
H H
EJERCICIO. ESCRIBE LAS FÓRMULAS MOLECULAR, SEMIDESARROLLADA Y DESARROLLADA PARA LOS SIGUIENTES COMPUESTOS:
Nombre del compueto
Fórmula molecular(Condensada)
Fórmula semidesarrollada
Fórmula desarrolladaLewis Langmuir
PROPANO
1-PROPENO
1-PROPINO
PROPANOL
2-PROPANONA
CLOROETANO
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 cada clase de compuestos. Moléculas diferentes que tienen la misma clase de grupo o grupos funcionales reaccionan de modo semejante.
Una función química orgánica la componen el conjunto de compuestos orgánicos que presentan el mismo grupo funcional.
A continuación, se presenta una Tabla con las funciones químicas orgánicas y sus respectivos grupos funcionales:
365
TABLA 1. FUNCIONES QUÍMICAS ORGÁNICAS Y GRUPOS FUNCIONALES .
FUNCIÓN QUIMICA ORGÁNICA GRUPO FUNCIONAL
FÓRMULA GENERAL EJEMPLO
NOMBRE SISTEMÁTICO
Nombre FórmulaHALOGENUROS DE
ALQUILO Halógeno– X
X = F, Cl, Br, IR – X
CnH2n+1 X CH3-CH2-Cl CLORO ETANO
ALCOHOLES Oxhidrilo – OH R – OHCnH2n+1 OH
CH3-CH2-OH ETANOL
ALDEHÍDOS Carbonilo– C = O
| R – CHOCnH2n+1 CHO
CH3-CHO ETANAL
CETONAS Carbonilo– C = O
|R – C – R’
||O
CH3-CO-CH3 PROPANONA
ACIDOS CARBOXÍLICOS
Carboxilo– C = O
|O –
R – COOH CH3-COOH ÁCIDO ETANOICO
SALES ORGÁNICAS Carboxilo– C = O
|O –
R – COOMM = metal
CH3-COONa ETANOATO DE SODIO
ÉSTERES Carboxilo– C = O
|O –
R – COO– R’ CH3-COO-CH3 ETANOATO DE METILO
ÉTERES Oxi – O – R – O – R’ CH3- O - CH3 METOXI DE METILO
AMINAS Amina
NH2 – Primaria
Secundaria
Terciaria
R N – H H
CH3
N – H H
METIL AMINA
R N – HR’
CH3
N – HCH3
DIMETIL AMINA
R N – R’’ R’
CH3
N – CH3
CH3 TRIMETIL AMINA
AMIDAS Amida– C = O | NH2
R – CONH2 CH3-CO NH2 ETANO AMIDA
EJERCICIO. COMPLETA LA SIGUIENTE TABLA, ANOTANDO LA FÓRMULA GENERAL DEL GRUPO FUNCIONAL Y LA FUNCIÓN QUÍMICA PARA CADA UNA DE LOS SIGUIENTES COMPUESTOS.
FÓRMULA QUÍMICA GRUPO FUNCIONAL FUNCIÓN QUÍMICA1)
CH3-CH2-CH2-Br
2)CH3-CH2-CH2-CHO
3)CH3-CH2-CH2 -COOH
4)CH3- CH2-CH2 -CO-CH3
5)CH3-CH2-CH2 -CONH2
6)CH3-CH2-CH2-OH
7)CH3-CH2-CH2 –COO-CH2-CH2-CH3
8)CH3-O-CH-CH3
|CH3
9)Ca(CH3-CH2-CH2-COO)2
10)CH3-CH-CH3
| CH3CH2-NH
