GRUPOS FUNCIONALES

La Qumica Orgnica IntroduccinProfesor: Dr Edgardo CalandriCTEDRA DE QUMICA ORGNICA I DPTO. DE QUMICA INDUSTRIAL Y APLICADA1Orgnico significa que proviene de organismosHasta principios del siglo XIX se crea que las sustancias que provenan de seres vivos slo podan ser fabricadas por estosSe sostena que los seres vivos posean una fuerza vital necesaria para producirlos (vitalismo)En 1828 Whler sintetiz urea (orgnica) a partir de cianato de amonio (inorgnico) y ech por tierra al Vitalismo.En verdad, el nombre correcto para esta disciplina es Qumica del Carbono.

Dr Edgardo Calandri2Por qu el carbono?Pertenece al grupo IV, puede formar hasta 4 enlaces.Puede enlazarse consigo mismo, formando largas cadenasPero tambin puede unirse con muchos otros elementos qumicosLas dos ltimas propiedades hacen que las posibles combinaciones sean enormes.Todo esto hace que el carbono de por s, haya dado lugar a toda una disciplina dentro de la qumica, que hoy llamamos qumica orgnica pero en rigor deberamos llamar qumica del carbono.Dr Edgardo Calandri3Estructura del CarbonoDr Edgardo Calandri4ZApenAbundancia61266698,9 %6136671,1 %614668< 10-10 %El 14C es radioactivo, con un t1/2= 5700 aosEl t1/2 elevado permite datar material de origen biolgico, con una antigedad no mayor a 50.000 aos.Estructura electrnica del carbonoModelo mecnico-cuntico:Heisemberg: principio de incertidumbreDe Broglie: la materia posee naturaleza dual (onda-partcula)Dr Edgardo Calandri5Schrdinger: Mecnica cunticaConcepto de orbital:Regin del espacio con mayor probabilidad de encontrar un electrnFunciones de ondaNiveles cunticos de energaDr Edgardo Calandri6N cunticoSmboloValorIndicaPrincipaln 1NivelSecundariol0 l n-1Subnivel(s, p, d, etc)Momento angularm-l m lOrbital(s, p, d, etc)spins Spin del electrnEj.: para n=2Nivel: 2Subniveles: 0 y 1 (s y p)Orbitales: -1, 0 y 1 (s y p)

La repulsin entre electrones en un tomo provoca inversiones en el orden de los subniveles, como se observa en este grfico.

Configuracin electrnicaLos niveles y subnivelesDr Edgardo Calandri7

Diagrama de MoellerEl diagrama de Moeller permite encontrar el orden energtico correcto para subniveles y orbitalesPor ej:

Li: 1s2 2s1F: 1s2 2s2 2p5C: 1s2 2s2 2p2Los nmeros indican el nivelLas letras indican el subnivelLos superndices indican la cantidad de electrones que posee el subnivelDr Edgardo Calandri8Antes de continuar: Cmo representamos a las molculas orgnicas?

Cada lnea entre tomos, representa a un par de electrones8Principio de exclusin de Pauli: en un tomo no pueden existir dos electrones con los mismos nmeros cunticosEs lo mismo decir que en un orbital slo pueden encontrarse dos electrones, pero con espines opuestosRegla de Hund: en un subnivel, cada orbital deber ocuparse con un electrn, antes de llenar a ninguno. Ejemplo:Dr Edgardo Calandri9C: 1s2 2s2 2p2Disposicin correcta de los electronesDisposicin incorrecta de los electronesCASILLAS CUNTICASSubnivel pOrbitales atmicosDr Edgardo Calandri10ANIMACIN

sLa mecnica cuntica brinda un modelo probabilstico del tomo, los orbitales descriptos por las funciones de onda son regiones del espacio que rodea el ncleo, con mayor probabilidad de encontrar un electrnLos orbitales representan ondas estacionariasPueden no tener nodos, como el 1sO tenerlos como los 2p, que presentan un plano nodalGeometra e hibridacin: El carbono tetrahdricoDesde la 2 mitad del siglo XIX se saba que el carbono es tetravalenteVarios investigadores de la poca ya haban propuesto la existencia de enlaces dobles y triplesIncluso Vantoff y Le Bel propusieron que el carbono con enlaces simples posee una estructura espacial y tetradrica.Dr Edgardo Calandri11

El ngulo entre los enlaces es de 109,5 si se ubica el carbono en el centro del tetraedroEn la capa de valencia el carbono tiene 4 electrones: 2s2 2p2:Dr Edgardo Calandri12

Con esta configuracin no es posible llegar a 4 enlaces simples y una estructura tetradrica.90Porque:El orbital 2s est llenoHay dos 2p semillenos, con un ngulo de 90 entre ellosHibridizacin: el orbital 2s del carbono hibridiza (se mezcla) con los 3 orbitales 2p:1s22s22p21s22sp3Se obtienen 4 orbitales hbridosCada uno posee 25% de carcter s y 75% de carcter pSe indican los orbitales intervinientescantidad de orbitales que intervienenEl procedimiento antes utilizado para obtener los orbitales hbridos se denomina: combinacin lineal de orbitales atmicos (CLOA)El nmero de orbitales nuevos es siempre igual a los que haba inicialmente.La combinacin de orbitales atmicos en un mismo tomo produce orbitales atmicos hbridos.La combinacin de orbitales pertenecientes a tomos diferentes produce orbitales molecularesDr Edgardo Calandri13

109,5Geometra de los orbitales sp3

Un orbital sp3. Se parece a un p, pero con un lbulo mucho mayor y ms redondeado que el otro.Los tres orbitales atmicos hbridos sp3. Cada uno dirigido hacia uno de los vrtices de un tetraedro imaginario.Dr Edgardo Calandri14La hibridacin permite comprender la geometra del metano:

La hibridacin explica la geometra observada, no slo para carbono; veamos el caso del nitrgeno:Dr Edgardo Calandri151s22s22p27N:1s22sp3

La repulsin electrnica del orbital no enlazante hace que los 3 orbitales presenten un ngulo H-N-H menor que para metanoVeamos ahora lo que sucede con el tomo de oxgeno:Dr Edgardo Calandri168O:

La repulsin ahora es an mayor y hacen que los 2 orbitales presenten un ngulo H-O-H de 104,5

16Dr Edgardo Calandri17

Ejemplo: Formacin de la molcula de hidrgenoCuando los orbitales atmicos se unen sobre su eje de simetra , el orbital molecular enlazante se denomina (sigma) y asterisco al antienlazante (*)En el estado fundamental (estable) los dos electrones permanecen en el orbital enlazante.Si se aporta la energa que media entre orbital enlazante y antienlazante, los electrones son promocionados a este ltimo y el enlace se rompeEl orbital presenta densidad electrnica en el espacio entre ncleosDijimos que al hacer CLOA, se obtienen una cantidad de orbitales igual a los que inicialmente se mezclaronPara formar un enlace molecular, se parte de dos orbitales atmicos, entonces deben formarse dos moleculares: uno es enlazante y el otro, antienlazante.Otras hibridaciones del carbono: Enlace doble181s22s22p21s22sp22p1

Enlace ETILENOSe forman 3 orbitales sp2 semillenosY permanece un orbital p semillenoLos 3 sp2 estn en el mismo plano y poseen un 67% de carcter pEl p es perpendicular a ese plano

Unin de dos carbonos sp2 para formar el etileno El solapamiento en paralelo de los orbitales p semillenos conduce al enlace

ETILENO120Enlace triple: en etino o acetilenoDr Edgardo Calandri191s22s22p21s22sp2p2

Se forman dos orbitales sp, semillenosCada uno posee un 50% de carcter p.Permanecen 2 orbitales p semillenosTodos los orbitales son ortogonales ( pependiculares entre s)

180ACETILENOEnlace dativo o coordinadoEl par no enlazante de un tomo puede ser compartido con otro tomoDr Edgardo Calandri20

Ion amonio

Nivel no enlazante del nitrgenoNivel energtico del protnNivel de energa de enlace dativo. Ambos electrones provienen del nitrgenoNivel de energa de antienlace dativoEnlace dativo

El enlace dativo agrega un cuarto hidrgeno. El amonio se asemeja al metano, con ngulos de 109,520Electronegatividad y polaridad de enlacetomos iguales enlazados muestran igual atraccin por los electrones de valencia:

tomos enlazados, con electronegatividades muy distintas:tomos enlazados, con electronegatividades no muy diferentes:

Dr Edgardo Calandri21HH

Enlace covalente puro o apolar

En un enlace polar no hay separacin de carga netaLos electrones del enlace pasan ms tiempo sobre el elemento ms electronegativoLos smbolos + y - indican deficiencia y exceso de carga negativa, respectivamente.Enlace inicoEnlace covalente polarEstructuras inicasSon consecuencia de la cesin o adquisicin de electrones, generalmente por parte de un tomo dentro de una molcula.Dr Edgardo Calandri22

+- +- Las especies metilamonio y oxidrilo cumplen con la regla del octeto

Estructuras de resonanciaEl cido actico disocia segn un equilibrio bien conocido:Dr Edgardo Calandri23

Las estructuras desarrolladas presentan las siguientes formas:

I

IINo hay modificaciones estructurales entre I y II, slo movimiento de electronesEn realidad se trata de la misma molcula, I y II slo representan ese movimiento electrnico y se denominan formas de resonanciaLas formas de resonancia de una molcula deben separarse con una doble flechaY encerrarse entre corchetesEl in acetato es entonces un hbrido de resonancia, pues no posee una nica representacin para su estructura electrnica.

Todas las estructuras de resonancia tienen la misma importancia?No, no la tienen. Las estructuras ms estables sern las que ms contribuyen con la resonancia.Las mejores estructuras son aquellas que no muestran separacin de cargas:

muy importante poco importanteLas que cumplen con la regla del octeto. En el ejemplo anterior la estructura de la izquierda, adems de la separacin de carga, no cumple con esa regla.Las que poseen mayor nmero de enlaces:Dr Edgardo Calandri24

La estructura de la derecha tiene ms enlacesPero tambin tiene completo el octeto en el carbonoDr Edgardo Calandri25CONTINUAMOS LA PRXIMA CLASE