apuntes tema orgánica parte 1. introducción

QUÍMICA DEL CARBONO
INTRODUCCIÓN. QUÍMICA DEL CARBONO
La química del carbono, también conocida como química orgánica, es una rama de la
química que se ocupa de las propiedades y reacciones de los compuestos del carbono.
El nombre de química orgánica debe su origen a que en un principio se creyó que sólo
los organismos vivos, mediante alguna misteriosa, “fuerza vital”, eran capaces de
formar compuestos orgánicos. De acuerdo con este hecho, los compuestos químicos
se clasificaban en: Orgánicos: si procedían de organismos vivos, animales o plantas, e
inorgánicos: si tenían un origen mineral o podían obtenerse en el laboratorio.
La hipótesis del origen exclusivamente orgánico de estos compuestos duró hasta
1828, cuando Friedrich Wöhler preparó urea, CO(NH2),
(sustancia procedente del
metabolismo animal), a partir de cianato de amonio, NH4O-C ≡ N. En 1845,
Hermann Kolbe, alumno de Wöhler, sintetizó ácido acético, a partir de sus
elementos
y
Marcelin
Berttherlot
sintetizó
metano, CH4;
estos
hechos
corroboraron las conclusiones de Wöhler y determinaron el definitivo y total rechazo
de la teoría de la fuerza vital.
Al trabajar en la materia de Química Orgánica es frecuente, según la necesidad, el
empleo de diferentes tipos de fórmulas:
- Fórmula molecular: Es la fórmula que indica el número de átomos de carbono
que forman la molécula. Ej: C6H12O6 por ejemplo la hexosa glucosa.
- Fórmula empírica: Fórmula que indica la proporción en la que intervienen los
diferentes elementos en la formación de un compuesto, se obtiene por
simplificación de la fórmula molecular. Ejemplo CH2
- Fórmula semidesarrollada Fórmula en la que se representan sólo los enlaces
entre los átomos de carbono. Ejemplo CH3-CH3
- Fórmula desarrollada: Fórmula en la que se representan todos los enlaces
entre los átomos
- Fórmula mixta: Fórmula en la que se representan todos los enlaces del átomo
de carbono que soporta al grupo funcional CH 3C ≡ N
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- Fórmula estructural: Aparece la disposición espacial de los átomos de la
molécula. Es tridimensional
- Modelos de varillas, bolas, compacto
PROPIEDADES GENERALES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS
El análisis de los compuestos orgánicos demostró que el carbono formaba parte de
todos los compuestos orgánicos. A partir de este hecho, Friedrich A. Kekulé sugirió
en 1861 que sería mejor designar la química orgánica como la química de los
compuestos de carbono. Aunque hay sustancias como el dióxido de carbono, el
monóxido de carbono, el ácido carbónico, los carbonatos, los cianuros y los carburos
que contienen carbono y no se estudian como compuestos orgánicos. ¿Qué diferencias
hay entre los compuestos orgánicos y las sales inorgánicas?
Los compuestos orgánicos presentaban características bien marcadas que, en
principio, los diferenciaban de los compuestos minerales (sustancias iónicas). Entre
ellas podemos hablar de su:
-
Solubilidad: Los compuestos orgánicos se disuelven generalmente en otros
compuestos orgánicos, como éter, cloroformo o benceno; mientras que los
iónicos suelen ser solubles en agua.
-
Estabilidad: Los compuestos orgánicos suelen descomponerse a temperaturas
relativamente bajas y suelen tener puntos de fusión y ebullición bajos; sin
embargo, los compuestos iónicos resisten altas temperaturas.
-
Reactividad: Las reacciones de los compuestos orgánicos suelen ser en general
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lentas y complicadas, a diferencia de las reacciones de los compuestos iónicos
que suelen ser sencillas y casi instantáneas.
Estas diferencias cada vez son menores, puesto que el número de sustancias
orgánicas con carácter iónico es cada vez mayor.
En la actualidad se conocen más de siete millones de compuestos de carbono y cada
año se descubren miles de nuevos compuestos. Junto con esta cantidad, destaca su
variedad, pues son los componentes esenciales de toda la materia viva; son la base de
todos los hidratos de carbono, proteínas y grasas; de todos los combustibles... Entre
ellos se encuentran casi todos los plásticos, tintes, medicamentos, perfumes, fibras
naturales y sintéticas... de ahí la importancia de su estudio.
EL ÁTOMO DE CARBONO. ENLACES C – C .
Todos los compuestos orgánicos se caracterizan por contener átomos de carbono en sus
moléculas. Junto al carbono, los elementos que con mayor frecuencia intervienen en su
constitución son: el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno. También pueden formar
parte de los mismos, aunque con mucha menor frecuencia, los halógenos, el azufre, el
fósforo, el silicio o el boro y en algunas ocasiones incluso metales como el sodio, el
calcio o el cinc.¿Cómo es posible que un número tan pequeño de elementos como
forman parte de la materia orgánica pueda formar un número tan elevado de
compuestos? ¿qué tiene de especial el carbono, que él sólo es capaz de formar una rama
de la química?
El gran número y la diversidad de los compuestos orgánicos son una consecuencia de
las características especiales que muestra el átomo de carbono:
-
La electronegatividad que presenta el átomo de carbono (2,5), intermedia entre la de
cesio (0,7) y la de flúor (4,0). Esta electronegatividad permite al átomo de carbono
combinarse con facilidad con elementos muy diferentes de la tabla periódica, por
lo que puede formar enlace covalente tanto con metales como con no metales como
O, N, O, S , F, Cl, Br, I y As en las mismas moléculas en las que se enlaza con otros
átomos de carbono en una serie infinita de formaciones.
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-
La tetravalencia del átomo de carbono s 2 p 2 ⇒ s1 p1x p1y p1z debida a la promoción
electrónica desde el orbital 2s al orbital 2pz, obteniéndose 4 electrones desapareados
en la última capa o nivel, así como el elevado valor de la energía del enlace
simple C-C, (347 KJ/mol), permite explicar la tendencia del átomo de carbono para
formar enlaces covalentes con otros átomos de carbono en largas cadenas y ciclos,
(este valor es el más alto de todas las energías de enlace homonucleares, exceptuando
la del enlace hidrógeno-hidrógeno (435 KJ/mol))
-
El reducido volumen del átomo hace que los electrones de valencia estén
fuertemente atraídos por el núcleo y posibilita
la formación de enlaces
dobles y triples, ya que es posible que los átomos se aproximen lo
suficiente para formar enlaces “π”, hecho que no es posible, por ejemplo, en
el Si..
TIPOS DE HIBRIDACIÓN Y ENLACE.
El carbono puede experimentar tres hibridaciones diferentes:
Hibridación sp3: La promoción de un electrón del orbital 2s al orbital 2pz y
la posterior hibridación del orbital 2s y los tres orbitales 2p da lugar a la
formación de 4 orbitales híbridos, isoenergéticos, denominados sp3,
albergando cada uno de ellos un electrón, y quedando todos los electrones
con sus espines desapareados, de acuerdo con
el principio de máxima
multiplicidad de Hund (mecánica cuántica).
Los 4 orbitales a t ó m i c o s , h í b r i d o s , sp 3 , equivalentes energética y espacialmente,
están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro formando entre sí ángulos de 109,50 y
distancias C-H iguales, y cada uno de ellos está ocupado con un electrón, dando lugar,
siempre por solapamiento frontal, con orbitales de otros átomos, híbridos o no, por
ejemplo con un orbital híbrido de otro átomo de C, el orbital 1s del átomo de H o bien con
un orbital p de un átomo de Cl a la formación de orbitales moleculares tipo σ , e n l a c e s
s i m p l e s C - C , C - H , C - C l . (Es interesante hacer notar que además del orbital
molecular σ , enlazante, que alberga dos electrones, y rebaja la energía del sistema,
también se formará un orbital molecular σ *, antienlazante, vacío, por lo que la molécula
queda estabilizada. Ejemplos de moléculas con enlaces simples, orbitales moleculares σ ,
son: CH 3 − CH 2 − CH 3 , Propano; CH 3 − C (CH 3 )2 − CH 3 , Dimetilpropano.
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Hibridación sp2: La promoción de un electrón del orbital 2s al orbital 2pz y
la posterior hibridación del orbital 2s y dos de los tres orbitales 2p da
lugar a la formación de 3 orbitales híbridos isoenergéticos, denominados
sp2,
albergando
un
electrón
cada uno
de ellos,
con
sus
espines
desapareados, de acuerdo con el principio de la mecánica cuántica de
máxima multiplicidad de Hund; el cuarto electrón ocupa el orbital pz sin
hibridar.
Los 3
orbitales
a t ó m i c o s , h í b r i d o s , sp 2 , equivalentes,
están dirigidos
hacia los vértices de un triángulo equilátero, con ángulos de 1200 y distancias C-H
iguales, y cada uno de ellos está ocupado con un electrón, dando lugar, por solapamiento
frontal con orbitales, híbridos o no,
de otros átomos, a la
formación de orbitales
moleculares tipo σ , e n l a c e s s i m p l e s C - C . (Es interesante hacer notar que además
del orbital molecular σ , enlazante, que alberga dos electrones, y rebaja la energía del
sistema,,
también se formará un orbital molecular σ *, antienlazante, vacío.
El
solapamiento lateral del orbital atómico p sin hibridar con otro de la misma naturaleza de
otro átomo da lugar a la formación de un orbital molecular del tipo π , que también
rebaja la energía del sistema, aunque menos que el orbital molecular tipo σ , decimos que
el orbital molecular tipo π es lábil y será fácilmente atacable; (reseñar que la formación
del orbital molecular π conlleva también la formación de un orbital molecular π *) Ten
en cuenta que nunca se formará un enlace π , por solapamiento lateral de orbitales
atómicos, sin haber tenido lugar la formación de un enlace σ (siempre será posible un
solapamiento frontal , y una vez que ha tenido lugar éste, se producirá el solapamiento
lateral) Por tanto, cuando un átomo de carbono tiene hibridación sp2 compartirá dos
pares de electrones con otro átomo. Por último señalar que la distancia de enlace en el
enlace doble es menor que en el enlace simple y que un enlace doble es más fuerte que el
enlace simple porque se ha rebajado la energía del sistema por la formación de los enlaces
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σ yπ.
Ejemplo: CH 2 = CH 2 , CH 3 − CO − CH 3
Hibridación sp: La promoción de un electrón del orbital 2s al orbital 2pz y la
posterior hibridación del orbital 2s y uno
de los tres orbitales 2p da
lugar a la formación de 2 orbitales híbridos isoenergéticos, denominados
sp, albergando un electrón cada uno de ellos, con sus espines desapareados,
de acuerdo con el principio de máxima multiplicidad de Hund (mecánica
cuántica); los otros dos electrones ocupan sendos orbitales py,
pz sin
hibridar.
Los 2 orbitales a t ó m i c o s , h í b r i d o s , sp , equivalentes, están dirigidos hacia las
bases de un cilindro, con ángulos de 1800 y distancias C-H iguales, y cada uno de ellos
está ocupado con un electrón, dando lugar, por solapamiento frontal, con orbitales híbridos
o no, de otros átomos, a la formación de orbitales moleculares tipo σ , e n l a c e s s i m p l e s
C - C . (Es interesante hacer notar que por cada orbital molecular σ , enlazante, que
alberga dos electrones, y rebaja la energía del sistema, también se formará un orbital
molecular σ *, antienlazante, en este caso vacío. El solapamiento lateral de los orbitales
atómicos p sin hibridar con otros de la misma naturaleza de otro átomo u átomos da lugar
a la formación de orbitales moleculares del tipo π , que también rebajan la energía del
sistema, aunque menos que el orbital molecular tipo σ , decimos que los orbitales
moleculares tipo π son lábiles y serán fácilmente atacables; (reseñar que la formación
de los orbitales moleculares π conlleva también la formación de orbitales moleculares
π *) Ten en cuenta que nunca se formará un enlace π sin haber tenido lugar la formación
de un enlace σ ( siempre será posible y prioritario un solapamiento frontal, y una vez que
ha tenido lugar éste, se producirá el solapamiento lateral)
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Por tanto, cuando un átomo de carbono tiene hibridación sp compartirá tres pares de
electrones, enlace triple, con otro átomo adyacente que también emplea hibridación sp,
caso del acetileno o etino, HC≡CH,
o bien dos pares de electrones con un átomo de
carbono adyacente, enlace doble, y otros dos pares de electrones con otro átomo de
carbono, también adyacente, caso del 1,2-propadieno CH2=C=CH2 .La distancia de
enlace C≡C es men o r q u e l a d i s ta n ci a d e en l a ce C=C d e b i d o a q u e u n
enlace triple es más fuerte que un enlace doble porque se ha rebajado la energía del
sistema por la formación de un enlace σ y dos enlaces π , lo que no impide que esta
zona de la molécula sea fácilmente atacable debido a la labilidad de de los enlaces π
Estructura del Propadieno: El C central
emplea hibridación sp dejando dos orbitales
p sin hibridar, perpendiculares entre sí. Los
C laterales emplean hibridación
sp2 ,
mantienendo un orbital p sin hibridar.
Se produce solapamiento frontal de cada uno de los orbitales híbridos sp del átomo central con
los orbitales híbridos sp2
de los C adyacentes y después se produce el solapamiento lateral
de los orbitales p no híbridos del C-2 con cada uno de los orbitales p restantes de los átomos
de C laterales. Los H de los C (C-1 y 3-C) quedan en planos perpendiculares como resultado
de la direccionalidad de los orbitales p no híbridos del C central.
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Enlace
d. de enlace
E. enlace
Hibridación Disposición de los orbitales híbridos.
Enlaces en los que participa el átomo de C
sp3
Simple R3C – CR3
1,54 Å
Tetraédrica
347 KJ/mol
4 enlaces σ
2
sp
Doble R2 C = CR2
1,35 Å
598 KJ/mol
Plana triangular
3 enlaces σ y 1 enlace
Lineal
sp
Triple R − C ≡ C − R
1,20 Å
812 KJ/mol
π
Cada C participa de 2 enlaces σ y dos enlaces
π
CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos son compuestos formados por C e H. la electronegatividad de ambos es
muy parecida “2,5 para el C y 2,1, para el H, razónpor la qie los enlaces C-H son
apolares, este hecho es determinante en sus propiedades físicas
-Atendiendo a la saturación de átomos de H en la cadena, podemos clasificarlos:
Hidrocarburos saturados (alcanos o parafínicos) : Todos los enlaces C–C son simples,
quedando el resto de los enlaces posibles cubiertos por hidrógeno. Responde a la
expresión CnH2n+2
Hidrocarburos insaturados: Poseen enlaces dobles C=C (alquenos u olefínicos) (CnH2n) o
triples C ≡ C (alquinos o acetilénicos), (CnH2n-2), con lo que el número de átomos de
hidrógeno es inferior al de un hidrocarburo saturado.
Otras formas de clasificación:
-
Atendiendo a la forma de la cadena (abierta: acíclicos o cerrada: cíclicos)
-
Atendiendo a su relación con el benceno: aromáticos, alifáticos
-
Atendiendo a las ramificaciones: lineales o ramificados
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ALCANOS
ALIFÁTICOS
ACÍCLICOS
SATURADOS
(cadena abierta)
Propano
CnH2n+2
INSATURADOS
ALQUENOS
(OLEFINAS)
Eteno o Etileno
CnHn
ALQUINOS
(ACETILÉNICOS)
Acetileno o Etino
CnH2n-2
CÍCLICOS
SATURADOS
(Cadena cerrada)
CICLOALCANOS
Ciclohexano
CnH2n
INSATURADOS
CICLOQUENOS
Ciclohexeno
CnH2n-2
CICLOALQUINOS:
Ciclohexino
CnH2n-4
AROMÁTICOS
MONOCÍCLICOS
ARENOS: Benceno y sus derivados
POLICÍCLICOS
AISLADOS: Bifenilo
CONDENSADOS:
,
Fenantreno,
Antraceno
…y análogamente se podrían clasificar los ramificados.
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Existe una fórmula que nos permite conocer el número total de ciclos + Insaturaciones
n º (ciclos + insaturaciones ) = nº atC −
¡
n º H ( monovalentesCl...) n º (trivalentesvalentesN ...)
+
+1
2
2
Propiedades de los hidrocarburos saturados (alcanos o parafinas)
Solubilidad: Los enlaces simples C–C son apolares y los C–H tienen baja polaridad (4%
de carácter iónico). Los alcanos son, pues compuestos apolares, insolubles en agua, pero
solubles en disolventes apolares como el benceno.
Reactividad: En los alcanos, todos los enlaces son σ, con solapamiento frontal, lo que
confiere gran estabilidad al enlace. Esto hace que, en general, sean poco reactivos. Sólo
dan reacciones de sustitución radicalariao radicálica y combustión
Puntos de fusión y ebullición: Dada la baja polaridad de los enlaces, las fuerzas de
unión intermoleculares son débiles, sólo existen enlace de Van de Waals, por lo
que estos compuestos poseen temperaturas de fusión T.F. y de ebullición y T.E bajas;
siendo, en general, mayores al aumentar el nº de átomos de carbono de la cadena. En
los hidrocarburos lineales el punto de fusión y ebullición aumenta al aumentar el
número de eslabones del hidrocarburo porque aumentan las fuerzas de Van der
Waals. En los hidrocarburos ramificados, al aumentar el número de eslabones de la
cadena
aumenta el punto de fusión porque aumenta el empaquetamiento, pero
disminuye el punto de ebullición porque las ramificaciones dificultan el
establecimiento de las fuerzas de Van der Waals
Propiedades de los hidrocarburos insaturados (alquenos, alquinos)
Solubilidad: Los hidrocarburos insaturados también son apolares, por lo que son
insolubles en agua, y solubles en disolventes orgánicos.
Reactividad: Los enlaces π (solapamiento lateral) que componen los dobles y triples
enlaces son menos estables que los σ, con lo que estos compuestos presentan una mayor
reactividad, sufriendo reacciones de adición (electrofílica), en las que se rompen enlaces
múltiples, incorporándose radicales, sustituyentes, a la cadena.
TF, TE: Más elevadas que en los alcanos. Mayores en alquinos que en alquenos.
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En los hidrocarburos aromáticos los átomos de C poseen hibridación sp2 lo que les
confiere buen empaquetamiento, además presentan las interacciones de la nube π , razón
por la que tienen elevados puntos de fusión y ebullición
GRUPOS FUNCIONALES. SERIE HOMÓLOGA. FAMILIA DE COMPUESTOS
La presencia en la cadena de átomos de otros elementos (fundamentalmente O
y N), y su disposición en la misma, es la causa de las diferentes propiedades a los
compuestos orgánicos.
Grupo funcional: Átomo o grupo de átomos, unidos de la misma forma entre sí y al resto
de la cadena
carbonada del compuesto. Su presencia
confiere a la molécula
un
comportamiento característico.
Terminación en la
cadena principal
Grupo
Nombre
funcional
sustituyente
Ácido carboxílico
Ácido …oico
R–COOH
Carboxi
Anhidrido de ácido
Anhidrido de…..
R-CO-O-CO-R´
Éster
Haluros de ácido
Amida
Nitrilo
….ato de …ilo
Haluro de …ilo
…..amida
….nitrilo
Cianuro de …..
….al
R–COOR’
R-CO-X
R–CONR’R
R–C≡N
…iloxicarbonil…
Haloformil
Carbamoil
Ciano
R–CH=O
Cetona
Alcohol
Fenol
Amina primaria secundaria
terciaria)
….ona
....ol
fenol
…amina
Éter
Alqueno
…éter
Oxi…
…eno
R–CO–R’
R–OH
–C6H5OH
R–NH2
R–NHR’
R–NR’R’’
R–O–R’
Formil
oxo
Oxo
hidroxi
fenoxi
-amino
Alquino
Función
Aldehído
como
-oxi
C=C
-enilo
…ino
C ≡C
-inilo
Derivados halogenados
Haluro de …ilo
R–X
Flúor,cloro, bromo
Nitroderivados
Nitro…
R–NO2
nitro
Alcanos
…ano
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-il, -ilo
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Serie homóloga: Conjunto de compuestos que poseen el mismo grupo funcional,
diferenciándose cada término de la serie del anterior en el número de eslabones de la
cadena hidrocarbonada, grupos metileno( –CH2-).
CH 3OH
C6 H 5OH
CH 3CH 2OH
C6 H 5CH 2OH
Los miembros de
metanol, etanol
Fenol, Alcohol bencílico (Fenilmetanol )
una serie homóloga poseen propiedades químicas
similares y propiedades físicas que varían de
compuestos orgánicos que poseen
más de
forma gradual. Hay
un
grupo
funcional,
y sus propiedades derivan de la coexistencia de ambos grupos.
Familia de compuestos: Conjunto de sustancias que tienen el mismo grupo funcional
característico. Cada sustancia se diferencia de los demás compuestos de la misma
familia en el resto de la cadena carbonada.
Dentro de una misma familia puede haber varias series homólogas, es el caso de los
ejemplos anteriores: metanol etanol, fenol, alcohol bencílico pertenecen a la misma
familia de compuestos
Propiedades de los hidrocarburos que contienen grupos funcionales:
Las propiedades de los compuestos vienen marcadas fundamentalmente por el grupo
funcional que caracteriza al compuesto. Además, podemos destacar otros dos factores:
-
la longitud de la cadena
-
la polaridad de la molécula
Polaridad: Esta propiedad está muy relacionada con el grupo o grupos funcionales
que contenga la molécula, ya que son estos los que pueden aportar átomos con
suficiente electronegatividad (F, O, N, Cl) como para crear separación de cargas (las
cadenas hidrocarbonadas suelen ser apolares o muy poco polares).
Una mayor polaridad implica mayor solubilidad en agua y disolventes polares y
mayores puntos de fusión y ebullición, la razón estriba en que
las fuerzas
intermoleculares son más intensas, pudiendo existir, incluso, enlaces por puente de
hidrógeno entre las propias moléculas y las del disolvente.
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Longitud de la cadena: La cadena carbonada tiene una polaridad muy baja por lo que
una mayor longitud trae consigo un descenso en el carácter polar de la molécula. No
obstante, un mayor tamaño de la molécula hace que haya más posibilidades de
interacción con otras moléculas. Una mayor longitud de la cadena significa: menor
solubilidad en agua y disolventes polares y mayores puntos de fusión y ebullición.
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