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TECSUP - PFR Qumica Orgnica

ndice

INTRODUCCIN ................................................................................................. 1

Unidad I: ESTRUCTURAS Y ENLACES EN QUMICA ORGNICA 1. Enlace Qumico ............................................................................................. 3 2. Orbitales Atmicos ......................................................................................... 4 3. Orbitales Moleculares ..................................................................................... 4 4. Hibridacin Orbital ......................................................................................... 5 5. Representacin Molecular ............................................................................... 8 6. Conformacin ................................................................................................ 8 7. Isomera ....................................................................................................... 8 8. Grupos funcionales y series Homlogas ........................................................... 9 9. Fuerzas Intermoleculares ............................................................................. 12 10. Formas de Ruptura del Enlace Covalente ....................................................... 13 11. Energa de Activacin y Estado de Transicin ................................................. 15 12. Diagrama de Energa ................................................................................... 15 Unidad II: HIDROCARBUROS 1. Hidrocarburos Alifticos................................................................................ 17

1.1 Alcanos ............................................................................................... 17 1.2 Cicloalcanos ........................................................................................ 27 1.3 Alquenos ............................................................................................. 31 1.4 Alquinos .............................................................................................. 38

2. Hidrocarburos Aromticos ............................................................................ 46 2.1 Estructuras Resonantes ........................................................................ 47 2.2 Nomenclatura ...................................................................................... 48 2.3 Propiedades Fsicas .............................................................................. 49 2.4 Criterios de Aromaticidad ...................................................................... 49 2.5 Reacciones .......................................................................................... 49

Unidad III: COMPUESTOS ORGNICOS QUE CONTIENEN OXGENO 1. Alcoholes .................................................................................................... 59

1.1 Tipos de Alcoholes ............................................................................... 60 1.2 Acidez de los alcoholes ......................................................................... 60 1.3 Alcoholes Importantes .......................................................................... 62 1.4 Fenoles ............................................................................................... 63 1.5 Reaccin de los Alcoholes ..................................................................... 64

2. teres y Epxidos........................................................................................ 75 2.1 Epxidos ............................................................................................. 78 2.2 Reaccin de los teres ......................................................................... 79 2.3 Reaccin de los Epxidos ...................................................................... 79

Qumica Orgnica TECSUP - PFR

3. Aldehdos y Cetonas ..................................................................................... 80 3.1 Aldehdos Importantes .......................................................................... 80 3.2 Cetonas Importantes ............................................................................ 81 3.3 Reacciones de los Carbonillos ................................................................ 81

4. cidos Carboxlicos ....................................................................................... 87 4.1 cidos Carboxlicos Importantes ............................................................ 87 4.2 Reacciones de los cidos Carboxlicos .................................................... 88

5. Derivados de cidos Carboxlicos .................................................................. 91 5.1 steres ................................................................................................ 91 5.2 Haluros de cido .................................................................................. 92 5.3 Anhdridos de cido .............................................................................. 92 5.4 Amidas ................................................................................................ 92 5.5 Derivados Importantes ......................................................................... 93 5.6 Reacciones de los derivados de cido .................................................... 94

Unidad IV: COMPUESTOS ORGNICOS QUE CONTIENEN NITRGENO 1. Aminas........................................................................................................ 97

1.1 Ejemplos de Aminas ............................................................................. 98 1.2 Caractersticas de las Aminas................................................................. 98 1.3 Basicidad de las Aminas ........................................................................ 99 1.4 Aminas Industrialmente Importantes ................................................... 103 1.5 Reacciones de las Aminas ................................................................... 104

2. Amidas...................................................................................................... 107 2.1 Basicidad de las Amidas ...................................................................... 108 2.2 Reaccin de las Amidas....................................................................... 109

3. Iminas ...................................................................................................... 109 4. Enaminas .................................................................................................. 110 5. Nitrocompuestos ........................................................................................ 111

5.1 Reacciones de los Nitrocompuestos Aromticos ..................................... 112 5.2 Reacciones de los Nitrocompuestos Alifticos ........................................ 113

6. Azo y Diazocompuestos .............................................................................. 115 6.1 Sales de Diazonio Aromticas .............................................................. 116 6.2 Reacciones de las Sales de Diazonio Aromticas ................................... 119 6.3 Azocompuestos Imporantes ................................................................ 120

7. Oximas ..................................................................................................... 122 7.1 Reacciones de las Oximas ................................................................... 123

8. Azidas ....................................................................................................... 123 9. Nitrilos ...................................................................................................... 125

9.1 Reacciones de los Nitrilos .................................................................... 126 Unidad V: POLMEROS 1. Propiedades Bsicas ................................................................................... 129 2. Procesos de Polimerizacin ......................................................................... 130

2.1 Adicin .............................................................................................. 130 2.2 Condensacin .................................................................................... 133

3. Tipos de Polmeros ..................................................................................... 134


3.1 Homopolmero ................................................................................... 134 3.2 Copolmero ........................................................................................ 134

4. Clasificacin de los Polmeros ..................................................................... 134 4.1 Fibras ............................................................................................... 135 4.2 Eastmeros ....................................................................................... 135 4.3 Plsticos ............................................................................................ 135

Unidad VI: CARBOHIDRATOS 1. Funciones ................................................................................................. 139 2. Clasificacin .............................................................................................. 140

2.1 OSAS ................................................................................................ 140 2.2 xidos .............................................................................................. 147

3. Reacciones................................................................................................ 153 3.1 Epimerizacin de la Glucosa ................................................................ 153 3.2 Reordenamiento Enodiol ..................................................................... 153 3.3 Oxidacin de las Aldosas .................................................................... 154 3.4 Oxidacin con cido Ntrico ................................................................. 154 3.5 El Ensayo de Tollens .......................................................................... 155 3.6 Ensayo de Fehling .............................................................................. 155 3.7 Formacin de teres .......................................................................... 156 3.8 Formacin de steres ......................................................................... 156 3.9 Reaccin de Oscurecimiento ............................................................... 157

Unidad VII: LPIDOS 1. Funciones en los Seres Vivos ...................................................................... 159 2. Saponificacin de los Lpidos ...................................................................... 160 3. Clasificacin .............................................................................................. 160

3.1 Acilglicridos ..................................................................................... 160 3.2 cidos Grasos .................................................................................... 162 3.3 Ceras ................................................................................................ 163 3.4 Fosfolpidos ....................................................................................... 164 3.5 Glucolpidos ....................................................................................... 165 3.6 Esteroides ......................................................................................... 165 3.7 Termpodes ...................................................................................... 168 3.8 Prostaglandinas ................................................................................. 170 3.9 Tromboxanos .................................................................................... 171 3.10 Leucotrienos ...................................................................................... 172

4. Reacciones de Acilglicridos ....................................................................... 172 4.1 Hidrlisis cida .................................................................................. 172 4.2 Hidrlisis Bsica (saponificacin) ......................................................... 172 4.3 Transestrificacin ............................................................................... 173 4.4 Hidrogenacin ................................................................................... 173 4.5 Halogenacin..................................................................................... 174


Unidad VIII: PROTENAS 1. Otra Clasificacin ....................................................................................... 178 2. Aminocidos .............................................................................................. 179 3. Enlace Peptdico. ........................................................................................ 182 4. Pptidos .................................................................................................... 182 5. Estructura de las Protenas. ........................................................................ 182 6. Propiedades .............................................................................................. 183


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INTRODUCCIN

Los orgenes de la qumica orgnica (o qumica del carbono) se remontan al siglo XVIII, cuando Jns Jacob Berzelius dio el nombre de compuestos orgnicos a los sintetizados por los seres vivos, lo que hizo creer que estos compuestos posean una fuerza vital: la esencia de la vida. Un siglo ms tarde se comprob que el trmino fuerza vital o esencia vital careca de bases cientficas, cuando Friedrich Wohler, qumico alemn (1800-1882), calent cianato de amonio, un compuesto inorgnico, y produjo urea, la cual haba sido aislada de la orina por Rouelle en 1773. As, sta primera sntesis realizada en el laboratorio corresponde a la preparacin de un compuesto tpico de los organismos vivos a partir de materia inorgnica.

NH4+

+ NCO-NH2 NH2

O

En la actualidad a la qumica orgnica se la considera la qumica de los compuestos del C. Los compuestos orgnicos tambin contienen H y otros elementos tales como: O, N, S, P, halgenos, etc. En la actualidad el nmero de compuestos inorgnicos es de unos 100 000, mientras que el nmero de compuestos orgnicos es de unos 15 000 000 y se siguen sintetizando muchsimos nuevos cada ao. Entre estos ltimos se encuentran plsticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles... La razn de la existencia de tantos compuestos orgnicos se debe a la capacidad del C de enlazarse con otros tomos de C, llegando a formar cadenas muy largas. Este proceso de formacin de cadenas se denomina concatenacin. El Si tiene tambin la propiedad de dar cadenas de ste tipo, pero el enlace Si Si es dbil, y sus compuestos se oxidan con facilidad dando enlaces Si O mucho ms estables (recordar el SiO2). Los compuestos orgnicos tienen propiedades muy distintas de los inorgnicos: sus temperaturas de fisin son bajas o muy bajas, son casi todos combustibles y, en general, se descomponen a temperaturas poco altas, comparece por ejemplo la cera y el mrmol. Puede decirse que los compuestos son, fundamentalmente, los de enlaces covalentes.


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Para los ingenieros y tecnlogos, el conocimiento de la qumica orgnicas es fundamental, ya sea a los que dirigen su atencin a la industria qumica como tambin a la industrias mecnica y electrnica, ingeniera civil, arquitectura, etc., porque stas son dependientes de materiales orgnicos, siempre innovados, cada da ms complejos y dotados de propiedades especficas difciles de entender y aprovechar sin su conocimiento qumico. Para las tecnologas biolgicas (agronoma, biotecnologa, industria de alimentos, etc.) el conocimiento de la qumica orgnica es indispensable para entender el comportamiento de los seres vivos, de sus productos y de las transformaciones de stos.


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UNIDAD I

ESTRUCTURAS Y ENLACES EN QUMICA ORGNICA

1. ENLACE QUMICO

El enlace qumico son las fuerzas que mantienen unidos a los tomos en los compuestos. En 1916 se definieron dos tipos de enlaces:

- Enlace inico - Enlace covalente

Enlace inico: Es de naturaleza electrosttica y viene a ser la atraccin de iones de carga opuesta. Estas fuerzas de atraccin electrostticas son muy intensas, de donde resulta que los enlaces inicos son muy fuertes. Los compuestos inicos no forman molculas. Enlace covalente: Se forma por comparticin de electrones. Ejemplo:

H + H H H

La naturaleza del enlace es la atraccin electrosttica entre ncleo y electrones comunes. Estas fuerzas de atraccin electrosttica son mucho ms dbiles que las atracciones entre iones de carga opuesta, por lo que los enlaces covalentes son considerados ms dbiles que los enlaces inicos. En la formacin de enlaces covalentes comunes, cada tomo aporta un e-. La diferencia entre las electronegatividades de los tomos en un enlace covalente genera polaridades en la molcula.

+ H ClClH

+ H FFH


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2. ORBITALES ATMICOS

Un orbital atmico es una regin del espacio en torno al ncleo en la cual existe una alta probabilidad de encontrar un e-. Planteando la probabilidad de encontrar una e-, en torno al ncleo se generan las formas caractersticas de los orbitales s, p, d, f, etc. Orbitales s: Son esfricamente simtricos en torno al ncleo. Corresponden al subnivel de menor energa dentro de cada nivel energtico.

Orbitales p: Estos orbitales atmicos son asimtricos con respecto al ncleo, presentan los lbulos propiamente esfricos. El subnivel p presenta tres orbitales p, los cuales presentan el mismo nivel energtico por lo cual se dice que estn degenerados.

3. ORBITALES MOLECULARES

Un enlace covalente se forma por la superposicin o traslapo (fusin) de dos orbitales atmicos, uno de cada tomo; sta superposicin produce un nuevo orbital denominado orbital molecular, O. M.


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Existen dos clases de uniones covalentes sigma y pi: Enlace sigma u orbital sigma, : son el resultado de la unin axial (traslapo frontal) de orbitales atmicos, que se efecta a lo largo de la recta que pasa por los centros de los tomos y que viene a ser el eje de simetra del O. M. .

Los orbitales son simtricos en torno al eje internuclear.

+

+

+

Enlace pi u orbital pi, : corresponde a una superposicin lateral (traslapo lateral) de dos orbitales p. La unin es generalmente ms dbil que la unin , debido a que el enlace est por encima y por debajo del eje de

simetra internuclear; en tal sentido los e- vibrarn ms lejos del ncleo (deslocalizados) que los e- del enlace que se encuentra en el eje de

simetra internuclear, es decir vibrando cerca al ncleo (localizados).

+

4. HIBRIDACIN ORBITAL

Es la combinacin de orbitales atmicos del mismo nivel de energa en un solo tomo. Los orbitales de diferentes o iguales subniveles de energa de diferentes tomos se combinan pero no forman orbitales hbridos. Se conocen tres tipos de orbitales hbridos sp3, sp2 y sp:


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Hibridacin sp3 en el tomo de C: Estos orbitales son degenerados y asimtricos. Debido a que presentan un 25 % de carcter s son ms compactos que un orbital p. El C sp3 es tetradrico y posee un ngulo de hibridacin de 109 28 y adopta esta forma para mantener la mxima separacin posible.

Figura 1. Representaciones del metano, CH4

Hibridacin sp2 en el tomo de C: Estos orbitales son degenerados y asimtricos. Debido a que presentan un 33 1/3 % de carcter s son ms compactos que un orbital sp3. El C sp2 es trigonal ya que stos se disponen en un plano orientado hacia los vrtices de un tringulo equiltero, siendo por tanto el ngulo de hibridacin de 120.

a)


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b)

Figura 2. a) orbitales hibridos sp2 b) Representaciones del etileno

Hibridacin sp en el tomo de C:

Estos orbitales son degenerados y simtricos. Debido a que presentan un 50 % de carcter s son ms compactos que un orbital sp2. El C sp es diagonal es decir disponen a lo largo de una lnea recta, siendo por tanto el ngulo de hibridacin de 180.

Fig.3. Orbitales hibridos sp

Figura 4. Represetnaciones del metano (CH4), etileno (C2H6) y acetileno (C2H2).


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5. REPRESENTACIN MOLECULAR

Figura 5. Diferentes representaciones de una frmula molecular

6. CONFORMACIN

Se presenta en molculas que presentan tomos con slo enlace . Se da debido a que ste enlace est posibilitado de girar con cierta facilidad en torno al eje internuclear. Las posiciones relativas adoptadas por la molcula debida a estas rotaciones se conocen como conformaciones.

eclipsada escalonada

7. ISOMERA

Isomera es un fenmeno que consiste en que dos o ms compuestos tienen la misma frmula molecular pero con distintas estructuras moleculares, y en consecuencia poseern distintas propiedades fsicas y qumicas. A los compuestos que presentan el fenmeno de isomera se les denomina ismeros. Existen varios tipos de isomera. Con respecto a la estructura, tenemos la isomera de cadena, de posicin y de funcin. Isomera esqueletal o de cadena: Los ismeros de este tipo se caracterizan por la diferente posicin de los tomos de C que forman la cadena carbonada. C4H10


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CH3CH3

CH3 CH3

CH3

Isomera de posicin: Los ismeros de este tipo se caracterizan porque tienen la misma cadena carbonada, pero se diferencian en la posicin que ocupa el grupo funcional. C4H8

CH2CH3 CH3

CH3

Isomera geomtrica: Es tpica del doble enlace de los alquenos. Un doble enlace es rgido y no permite el libre giro. C4H8

CH3 CH3CH3

CH3

Isomera ptica: Los ismeros pticos son aquellos que son asimtricos, entendindose por asimetra aquellos en los que en su molcula, al menos uno de sus tomos estn unidos a cuatro sustituyentes distintos. Los tomos de C que gocen de esta propiedad, se denominan C asimtricos o quirales. C4H9OCl

CH3

CH3

Cl

OH

CH3

OH

Cl

CH3

Isomera de funcin: Los ismeros de este tipo tiene la misma cadena carbonada, pero poseen grupos funcionales distintos. Si tenemos en cuenta la disposicin espacial, podemos encontrarnos con isomera geomtrica e isomera ptica. C4H10O.

CH3 OH CH3

OCH3

8. GRUPOS FUNCIONALES Y SERIES HOMLOGAS

Un grupo funcional se puede definir como un tomo o grupo de tomos cuya presencia en una molcula le confiere un comportamiento qumico caracterstico. Ejemplo de grupos funcionales son: los aldehdos, las cetonas, los steres, etc.


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Una serie homloga es un conjunto de compuestos que poseen el mismo grupo funcional, y cada trmino de la serie difiere del anterior y del posterior en el grupo metileno, - CH2 -. Los miembros de una serie homloga poseen propiedades qumicas similares y propiedades fsicas que varan en forma gradual. Hay compuestos orgnicos que poseen ms de un grupo funcional, y sus propiedades derivan de la coexistencia de dichos grupos funcionales.


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Tabla 1. Grupos funcionales orgnicos

Nombre de la

funcin

Grupo funcional

Alcano C C

R

R R

R

R

R

Alqueno

C CR

R

R

R

Alquino

C CR R

Aromtico R

R

R

R

R

R

Alcohol

C OH

R

R R

ter

R O

R

Aldehdo

R C

H

O

Cetona

R C

R

O

cido carboxlico

R COH

O

Anhdrido de

cido

RC

O

O

C

R

O

ster R C

O

O

R

Amina

R NR

R

Amida

R N

C

R

R

O

Nitrilo

C NR


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9. FUERZAS INTERMOLECULARES

Son las fuerzas de atraccin existentes entre las molculas de las sustancias covalentes cuando se encuentran en estado liquido o slido. Los puntos de fusin y ebullicin proporcionan una medida de la magnitud de estas fuerzas: cuanto ms bajo aquel menor son las fuerzas. Las fuerzas intermoleculares pueden ser de dos clases: fuerzas de Van der Waals o enlaces de hidrogeno. Fuerzas de Van der Waalls: Son fuerzas de naturaleza electrosttica. En general son muy dbiles y su magnitud depende de la forma y el tamao molecular. Cuanto mayor es la molcula ms fuertes son, ya que ms fcil es polarizar la molcula. Pueden ser de tres tipos.

- Fuerzas dipolo-dipolo: son fuerzas de atraccin que aparecen entre los

dipolos de las molculas polares. Cuanto mayor es el momento dipolar mayores son las fuerzas.

- Fuerzas dipolo-dipolo inducido: Aparecen cuando una molcula polar prxima a una molcula no polar, produce en esta un desplazamiento de carga originando un dipolo inducido. Se establece entre ellas una atraccin electrosttica.

- Fuerzas de dispersin o de London: Son fuerzas de atraccin que aparecen entre molculas no polares. Se explican admitiendo que las vibraciones de las molculas pueden provocar una asimetra en la distribucin de electrones, lo que crea un dipolo instantneo. Este dipolo puede polarizar una molcula cercana formndose un dipolo inducido.

Enlaces por puente de hidrgeno: Son un tipo especial de atracciones electrostticas dipolo-dipolo que aparecen cuando un tomo de hidrogeno acta de puente entre dos tomos muy electronegativos (F, O, S N), unidos al hidrogeno por un enlace covalente muy polarizado. Forman enlaces de hidrgeno sustancias como el agua o los alcoholes. Estos enlaces explican los altos puntos de fusin y ebullicin del agua.


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Tabla 2. Propiedades de algunos compuestos orgnicos

Compuesto Punto de fusin C

Punto de ebullicin C

Masa molecular g/mol

H2O 0 100 18

CH4 - 183 - 162 16

CH3CH3 - 172 - 89 30

CH3CH2OCH2CH3 34 72

CH3CH2OH 78 46

10. FORMAS DE RUPTURA DEL ENLACE COVALENTE:

En enlace covalente se puede romper de dos formas: Ruptura homoltica (se forma radicales libres):

Ruptura heteroltica (se forman iones):

Intermediarios reactivos:

Los intermedios de reaccin son especies de tiempo de vida media corto y no estn presentes nunca en altas concentraciones debido a que reaccionan tan rpidamente como se forman. Los carbocationes ms estables son los ms sustituidos. Por tanto, el orden de estabilidad de los carbocationes es:


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carbocation radical carbanin carbeno

Fig.6 Intermediarios reactivos del carbono y sus estabilidades relativas

La estabilidad de los radicales libres, al igual que ocurre con los carbocationes, aumenta con la sustitucin.

El orden de estabilidad de los carbaniones es opuesto al de los carbocationes y al de los radicales: (ver figura 7)

Figura 7. Orden de estabilidad de los intermediarios reactivos del carbono


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11. ENERGA DE ACTIVACIN Y ESTADO DE TRANSICIN

La energa de activacin, Ea, es la energa cintica mnima que deben poseer las molculas para vencer las repulsiones entre sus nubes electrnicas cuando chocan. La energa de activacin Ea representa la diferencia de energa entre los reactivos y el estado de transicin, que es el estado de mayor energa en el curso de la reaccin. La energa de activacin es la barrera que tienen que superar los reactivos para convertirse en los productos de la reaccin. El valor de Ea siempre es positivo y su magnitud depende de la energa relativa del estado de transicin. El trmino estado de transicin implica que esta configuracin es el trnsito entre los reactivos y los productos, y que las molculas pueden ir hacia los productos o regresar hacia los reactivos.

Un estado de transicin es inestable y no se puede aislar. No es un intermedio de la reaccin, porque un intermedio tiene al menos cierta estabilidad y es una especie que existe durante un tiempo finito, aunque sea muy breve. El estado de transicin se representa con frecuencia con una doble cruz. Los estados de transicin tienen altas energas porque los enlaces deben comenzar a romperse antes de que comiencen a formarse otros.

12. DIAGRAMA DE ENERGA

Los conceptos de estado de transicin y de energa de activacin se comprenden con mayor facilidad grficamente. En el esquema que se da a continuacin se representa el perfil de energa para una reaccin exotrmica de un paso.

Figura 8. Diagrama de energia de una reaccin exotrmica


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El eje vertical del diagrama representa la energa potencial total de todas las especies o sustancias implicadas en la reaccin. El eje horizontal se conoce como coordenada de reaccin y simboliza el progreso de la reaccin, que va desde los reactivos, en la izquierda, hacia los productos, en la derecha.

El estado de transicin es el punto mximo de la grfica. La energa de activacin es la diferencia de energas entre los reactivos y el estado de transicin. El calor de reaccin (H) es la diferencia entre la energa de los reactivos y la de los productos.

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