QUÍMICA ORGÁNICAQUÍMICA ORGÁNICACAPÍTULO 2

PROFESORA: Quím. ELVA CUEVA TALLEDO.

CAPÍTULO 2

• Isomería

• Mecanismos de Reacción

• Reactivos nucleófilos y electrófilos

IsómerosCompuestos diferentes con igual fórmula molecular pero diferente estructura y generalmente distintas propiedades.

EJEMPLO: Fórmula global ; C4H8

CH2

CH3

CH3

CH3

1-butano 2-butano

CLASES DE ISÓMEROS

Los diversos tipos de isomería se pueden clasificar en dos grandes grupos :

1. Estructurales o Constitucionales - De cadena o esqueletoDe cadena o esqueleto - De posición - De función2. Estereoisómeros - EnantiómerosEnantiómeros - Geométricos - Diastereómeros

CLASES DE ISÓMEROS

ESTRUCTURALES ESTEREOISÓMEROS

CADENA

POSICION

FUNCIONAL

ENANTIÓMEROS

DIASTERÓMEROS

ISÓMEROS GEOMÉTRICOS

OTROS DIASTERÓMEROS

1. Isómeros Estructurales

• Se denominan también isómeros constitucionales.• Son moléculas que tienen los mismos átomos pero

el orden en que están enlazados los átomos es diferente.

• Estos isómeros presentan distinta fórmula estructural pero igual fórmula global .

Fòrmula global : C7H16

Heptano 3-metilhexano

Existen tres tipos de isómeros dentro de esta clase:

a) Isomería de cadena o esqueleto Tienen esqueletos carbonados con igual número de

carbonos pero arreglados de manera diferente.

CLASES DE ISÓMEROS ESTRUCTURALES

Butano Metilpropano

Fórmula Global : C4H10

b) Isomería de posición

                                                                                                                                                                                                                   

La presentan aquellos compuestos que teniendo las mismas funciones químicas, los grupos funcionales tienen diferente posición en la cadena de carbonos

Fòrmula global : C4H10O

2-butanol 1-butanol

Grupo funcional Grupo funcional : Es por lo común el lugar donde ocurren las reacciones características de una clase específica de compuestos.Ejemplo : -C=O, -OH , -NH2

ISOMERÍA DE POSICIÓN: otro ejemplo

Grupo carbonilo en distintas posiciones

IsomeríaEjercicio 1Ejercicio 1: Escriba las fórmulas de los tres isómeros de cadena de C5H12

Ejercicio 2Ejercicio 2: Dibuje dos isómeros de posición para cada uno de los compuestos siguientes:

(a) Propanol (C3H8O)

(b) Buteno

C4H8

p.eb. 36°C p.eb. 27.7°C p.eb. 9.5°C

                                                                                                                                                                         

Fórmula molecular : C3H8O

CH3 O

CH3

CH3

OH

Eter etilmetílico 1-propanol

Grupo funcional diferente

c) ISOMERÍA DE FUNCIÓN

La presentan aquellos compuestos que tienen distinta función química o grupo funcional.

IsomeríaNOTANOTA: Los alcanos que contienen tres o menos carbonos no presentan ningún tipo de isomería. En cada uno de

los tres casos, no existe más que un solo modo de disponer los átomos de carbono e hidrógeno.

Propiedades de los isómeros estructurales

• Los isómeros de posición y de esqueleto (o cadena) tienen propiedades físicas y químicas similares.

• Los isómeros de función tienen propiedades físicas y químicas diferentes.

2. Estereoisómeros

Compuestos que tienen la misma secuencia de enlaces, pero difieren en la orientación de algunos átomos en el espacio.

Este tipo de isómeros presentan diferencias considerables en sus propiedades físicas,químicas y biológicas.

Clases de Estereoisómeros

a) a) ENANTIÓMEROS Isómeros ópticos : Isómeros que son idénticos en cuanto a estructura pero el compuesto y su imagen en el espejo no se puede superponer.

CARBONO QUIRAL: Un átomo de carbono tetraédrico (un átomo de carbono sp3)enlazado a 4 sustituyentes distintos puede ser denominado como centro quiral, átomo de carbono quiral, centro asimétrico o en términos modernos centro estereogénico. Se marca con asterisco.

Ejemplo de carbonos quirales

¿Cómo debe ser la molécula para que tenga un Enantiómero?

Debe tener:

• Por lo menos, un átomo de carbono quiral.

• Imagen especular no superponible

No debe tener:

• Plano de simetría

Propiedades de los enantiómeros

Las diferencias entre un par de enantiómeros son sutiles; sus propiedades físicas, como punto de fusión, punto de ebullición e índice de refracción, son idénticas. Difieren sólo en una propiedad física su actividad óptica : el sentido en el que hacen girar la luz polarizada en un plano.

También sus propiedades químicas son iguales, salvo aquellas que se pueden denominar quirales: comportamiento frente a disolventes o reactivos quirales, como las enzimas.

Importancia biológica

¿Es importante todo esto?

La isomería óptica es muy frecuente en moléculas biológicas. Así como una mano derecha se ajusta bien a un guante derecho pero no a un guante izquierdo, las moléculas biológicas ópticamente activas exhiben diferentes relaciones con otras moléculas ópticamente activas.

Aplicación biológicaLa enzimas de los seres vivos son quirales y son capaces de distinguir entre enantiómeros.Generalmente sólo uno de los enantiómeros encaja adecuadamente en el sitio activo quiral de la enzima (receptor)

Ejemplo: La epinefrina es una de las principales hormonas segregadas por las glándulas adrenales. Si se suministra (-) epinefrina sintética a un paciente tiene el mismo efecto que la hormona natural, eleva la presión sanguínea. La (+) epinefrina es tóxica.

Aplicación biológicaIncluso la nariz es capaz de distinguir entre algunos enantiómeros.

Por ejemplo, la (-) carvona es la sustancia responsable de la fragancia asociada al aceite esencial de menta, mientras que la (+) carvona tiene el olor fuerte de la semilla de alcaravea.

Por tanto los receptores olfatorios deben ser quirales, igual que el sitio activo de la mayoría de las proteínas enzimáticas es quiral.

aroma parecido al anís

Menta Alcaravea

Aplicación biológica

El ácido láctico es un ejemplo de compuesto con una imagen especular no superponible ,es decir existe como un par de enantiómeros.

El enantiómero de la izquierda se produce en los músculos durante el ejercicio y es la causa de que se sientan adoloridos. El otro enantiómero está presente en la leche agria

Aplicación biológica

Enantiómeros y Mezclas racémicas

Una mezcla que contiene iguales cantidades de dos enantiómeros (50/50) se conoce como mezcla racémica o racemato.

+

-

Enantiómeros y Mezclas racémicas

Muchos fármacos que se utilizan en el mercado son mezclas racémicas.

La ketamina, por ejemplo, es un agente anestésico potente, pero su uso está limitado porque es alucinógeno.

El isómero (S) es responsable de los efectos anestésicos, mientras que el isómero (R) produce los efectos alucinógenos.

+

-

Diastereómeros

Diastereómeros : : Son estereoisómeros que no son Son estereoisómeros que no son imágenes especularesimágenes especulares..

La mayoría de los diastereómeros son o bien isómeros La mayoría de los diastereómeros son o bien isómeros geométricos o compuestos que tienen dos o más geométricos o compuestos que tienen dos o más centros quirales.centros quirales.

Clases de Diastereómeros

Isómeros geométricos Llamados también isómeros cis y trans.

Se presenta en sólo dos clases de compuestos: alquenos y compuestos cíclicos.

H

CH3

CH3

H H

CH3 CH3

H

Isòmeros cìclicos: trans cis

Isómeros Geométricos• La isomería geométrica resulta de la rigidez de las

moléculas,• Los grupos unidos por un doble enlace no pueden girar

alrededor del doble enlace sin romper el enlace pi. Como consecuencia de la rigidez de un enlace pi, los grupos sobre los átomos de carbono unidos por enlaces pi están fijos en el espacio unos respecto a otros.

Los grupos unidos a los carbonos sp2 están fijos unos con relación a otros

Isómeros geométricos

Un requisito para que haya isomería cis-trans en los alquenos es que los grupos de átomos enlazados a cada carbono del doble enlace deben ser diferentes.

Isómeros geométricos y la visión

Diasterómeros de moléculas con dos o más centros quirales

• Cuando dos compuestos no son imágenes especulares uno de otro pero tienen dos o más carbonos quirales ,entonces son diastereómeros.

Propiedades de los diasterómeros

•Tienen propiedades físicas diferentes y propiedades químicas similares.

CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS

Según cambio estructural producido en los reactivos

ADICIÓN

ELIMINACIÓN

SUSTITUCIÓN

TRANSPOSICIÓN

Ocurren cuando las moléculas poseen dobles o triples enlaces y se le incorporan dos átomos o grupos de átomos disminuyendo la insaturación de la molécula original.

C C

sustrato reactivo producto

+

AB C C

A B

Ejemplos:

propeno bromo 1,2-dibromopropano CH CH2CH3 + Br Br CH CH2CH3

Br Br

2-butino bromo 2,2,3,3-tetrabromobutano

C CCH3 CH3 + Br Br C CCH3

Br Br

Br

CH3

Br

2

2-butino bromo 2,3-dibromo-2-buteno

C CCH3 CH3 + Br Br

C C

CH3

Br CH3

Br

Son aquéllas en las que un átomo o grupo de átomos del sustrato son sustituidos por un átomo o grupo de átomos del reactivo.

R – X + Y R – Y + X

Ejemplos:

+ KC N KBrCH2 BrCH3 C NCH2CH3 +

bromoetano cianuro de potasio

propanonitrilo bromurode potasio

LuzCH CH3CH3

H

+ Cl Cl CH CH3CH3

Cl

H Cl+ propano cloro 2-cloropropano cloruro de

hidrógeno

Reaccciones de eliminación

Dos átomos o grupos de átomos que se encuentran en carbonos adyacentes se eliminan generándose un doble o triple enlace. Es la reacción opuesta a la adición.

C C

sustrato reactivo productos

+

ZC C

A B

ZAB +

Reaccciones de eliminación

2,3-dibromobutano

+CH CH CH3CH3

BrBr

C C CH3CH32 KOH 2 KBr 2 HOH+ +

2-butinohidróxido de potasio

Ejemplos:

2-clorobutano

etanol+CH CH CH3CH3

HCl

CH CH CH3CH3KOH KCl HOH+ +

2-buteno(mayoritario)

hidróxido de potasio

Reaccciones de transposición

Esta clase de reacciones consisten en un reordenamiento de los átomos de una molécula que origina otra con estructura distinta

CH3 CH2 CH2 CH3

cat. CH3 CH

CH3

CH3

REACCIÓN DE ADICIÓN

REACCIÓN DE ELIMINACIÓN

REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN

REACCIÓN DE TRANSPOSICIÓN

RESUMENRESUMEN

LAS REACCIONES COMUNES PUEDEN SER COMBINACIÓN DE DIVERSOS TIPOS DE REACCIÓN

OTRAS MANERA DE CLASIFICAR LAS REACCIONES ORGÁNICAS

Según la manera en que se rompen los enlaces

Reacciones de homólisis Reacciones de heterólisis

A : B A + B

. . A : B A: + B- +

anión catión1)

A : B A + B:-+

catión anión

2)

radicales

Rupturas homolíticas

* Se forman radicales libres

A : B A + B. . Los productos pueden ser átomos libres o grupos de átomos.

radical metilo

átomo de cloro

CH3 Cl CH3 . + Cl .

Por ejemplo:

Para la ruptura de un enlace se necesita aporte de energía: calor, luz, presencia de un radical, etc.

Rupturas heterolíticas

* Se forman iones

Puede ocurrir de dos formas:

bromuro de terc-butilo catión terc-butilo ion bromuro

C BrCH3

CH3

CH3

CCH3

CH3

CH3

+ + Br-

A : B A: + B- +

anión catión1)

A : B A + B:-+

catión anión

2)

Por ejemplo:

Tipos de reactivos.Homolíticos:Homolíticos: Radicales libres.

Son especies químicas que tienen átomos con electrones desapareados.

Se forman en la reacciones con ruptura homolítica.Nucleófilos:Nucleófilos: Tienen uno o más pares de

electrones libres (bases de Lewis).Atacan a partes de molécula con deficiencia de

electrones.Electrófilos:Electrófilos: Tienen orbitales externos vacíos

(ácidos de Lewis)Atacan a zonas con alta densidad electrónica (dobles o

triples enlaces)

Ejemplos de reactivos nucleófilos y electrófilos.

NUCLEÓFILOSNUCLEÓFILOSR–OHR–O–

H2OR–NH2

N≡C-

R–COO–

NH3

OH–

halogenuros: Cl–, Br–

ELECTRÓFILOSELECTRÓFILOSH+

NO2+

NO+ BF3, AlCl3

cationes metálicos: Na+

R3C+

SO3

CH3Cl, CH3–CH2Clhalógenos: Cl2 , Br2

Función Fórmula Reacciones características

Alcanos C–C,   C–HSustitución (de H, comúnmente por Cl o Br)Combustión (conversión a CO2 y H2O)

Alquenos C=C–C–HAdiciónSustitución (de H)

Alquinos C≡C–HAdición Sustitución (de H)

Haluros de alquilo H–C–C–XSustitución (de X)Eliminación (de HX)

Alcoholes H–C–C–O–HSustitución (de H); Sustitución (de OH)Eliminación (of HOH); Oxidación (eliminación de 2H)

Éteres (α)C–O–R Sustitución (de OR); Sustitución (de α–H)

Aminas C–NRHSustitución (de H);Adición (a N); Oxidación (de N)

REACCIONES CARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES GRUPOS FUNCIONALES

RESUMENRESUMEN

Benceno (anillo) C6H6 Sustitución (de H)

Aldehidos (α)C–CH=OAdiciónSustitución (de H or α–H)

Cetonas (α)C–CR=OAdiciónSustitución (de α–H)

Ácidos Carboxílicos (α)C–CO2H

Sustitución (de H); Sustitución (de OH)Sustitución (de α–H); Adición (a C=O)

Derivados Carboxílicos(α)C–CZ=O(Z = OR, Cl, NHR, etc.)

Sustitución (de Z); Sustitución (de α–H)Adición (a C=O)

RESUMENRESUMEN