química orgánica básica
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MC. José Alfredo De la Fuente Ortegón Escuela de Medicina Universidad Anahúac Mayab Curso Propedéutico. Química Orgánica Básica. Química Orgánica Básica. ¿Qué es Química? - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MC. José Alfredo De la Fuente OrtegónEscuela de MedicinaUniversidad Anahúac MayabCurso Propedéutico
¿Qué es Química?Es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que ésta experimenta durante reacciones químicas
¿Qué es Química Orgánica?La Química orgánica o Química del carbono es la rama de la química que estudia una clase numerosa de moléculas que contienen carbono formando enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno, también conocidos como compuestos orgánicos
El carbono puede formar más compuestos que ningún otro elemento. Los compuestos orgánicos se encuentran formados principalmente por los elementos C, H, O, N, P, S
Las clases de los compuestos orgánicos se distinguen de acuerdo con los grupos funcionales que contienen. Un grupo funcional es un grupo de átomos responsables del comportamiento químico de la molécula que lo contiene
La representación de estos grupos funcionales se realizan mediante el símbolo de los elementos y los electrones de la capa de valencia o de enlace mediante puntos o líneas
Símbolos de Lewis:Son una representación gráfica para comprender donde están los electrones en un átomo, colocando los electrones de valencia como puntos alrededor del símbolo del elemento:
Mientras que en las estructuras de Lewis un enlace se representa con dos puntos, en la fórmula desarrollada se representa con una línea. Cada línea cuenta con dos electrones, por lo que un enlace sencillo es una línea (2 electrones), un enlace doble se representa mediante dos líneas (4 electrones) y un enlace triple a través de tres líneas (6 electrones).
Fórmulas condensadasFórmula semidesarrolladaFórmula desarrolladaRepresentaciones
lineoangularesRepresentaciones
tridimensionales
1. Abierta o acíclica: Los átomos de carbono extremos no están unidos entre sí. No forman anillos o ciclos.
a. Lineal. No llevan ningún tipo de substitución. Los átomos de carbono pueden escribirse en línea recta. Aunque también se poden escribir retorcidas para ocupar menor espacio. Es importante saber ver que aunque esté torcida es una cadena lineal
b. Ramificada. De alguno de los carbonos de la cadena lineal sale otra o otras cadenas secundarias o ramas.
2. Cerrada o cíclica: El último carbono de la cadena se une al primero, formando un ciclo o anillo.
a. Homocíclica. Los átomos del ciclo son átomos de carbono. b. Heterocíclica. Algún átomo de carbono del ciclo fue substituido por
otro átomo, por ejemplo N, S, O, etc. c. Monocíclica. Sólo hay un ciclo. d. Policíclica. Hay varios ciclos unidos.
Los fragmentos moleculares que incluyen átomos de no metales distintos a C e H, o que poseen enlaces dobles y triples, son los sitios específicos de los compuestos orgánicos que atacan más frecuentemente otras sustancias químicas. Estas unidades estructurales químicas se llaman grupos funcionales. Las partes de las moléculas que constan sólo de C, H y enlaces sencillos se denominan grupos no funcionales
Alcanos. Sin grupo funcional, compuestos de sólo enlaces covalentes simples entre átomos de carbono e hidrógeno. Los alcanos tienen la fórmula molecular general CnH2n+2. El término saturado se utiliza para describir los alcanos, ya que tienen el número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a los carbonos, de ahí el término hidrocarburos saturados
H
C
H H
H1.1 Å
109.5 º
C C
H
H
H
H
H
H
1.55 Å
Los alcanos no son rígidos debido al giro alrededor del enlace C-C. Se llaman conformaciones a las múltiples formas creadas por estas rotaciones.
Los alcanos de C1 a C4 son gases a temperatura ambiente, del C5 (n-pentano) al C16 (n-hexadecano) son líquidos, y los alcanos de C17 o más átomos de C son sólidos a temperatura ambiente.
Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el peso molecular del alcano, los alcanos lineales tienen mayores puntos de ebullición que los ramificados con similar peso molecular.
Los alcanos son compuestos no polares, por lo tanto son solubles en solventes no polares e insolubles en polares como el agua.
Los alcanos son menos densos que el agua, por lo tanto flotan en ella.
Alquenos. Conocidos con el nombre de hidrocarburos olefínicos, se caracterizan por estar formados por carbono e hidrógeno unidos por enlaces covalentes simples y presentar uno o más enlaces covalentes dobles carbono-carbono
Fórmula General CnH 2n
Cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno está formado por el solapamiento de un orbital híbrido sp2 del carbono con el orbital 1s del átomo de hidrógeno. La longitud del enlace C-H en el etileno (1.08 Å) es ligeramente más corta que la del enlace C-H en el etano (1.09 Å), ya que el orbital sp2 en el etileno tiene más carácter s (1/3 de s) que un orbital sp3 (1/4 de s). El orbital s está más próximo al núcleo que el orbital p, contribuyendo a acortar los enlaces
El carbono sp3 tiene una geometría tetraédrica con ángulos de 109.5°. Los carbonos de enlace doble tienen hibridación sp2, por lo que tienen una geometría trigonal con ángulos de casi 120°. El solapamiento de los orbitales p sin hibridar acorta la distancia entre los carbonos desde 1.54A en alcanos hasta 1.33A en alcanos
El enlace en el etileno está formado por el solapamiento de los orbitales p sin hibridar de los átomos de carbono con hibridación sp2. Este solapamiento requiere que los dos extremos de la molécula sean coplanares
Los orbitales p sin hibridar (uno en cada carbono) contienen un electrón cada uno. Cuando se solapan forman el orbital molecular enlazante
Si dos grupos iguales enlazados a los carbonos del doble enlace están al mismo lado del enlace, el alqueno es el isómero cis. Si los grupos iguales están a los lados opuestos del enlace, el alqueno es trans
No todos los alquenos son capaces de mostrar isomería cis-trans. Si cualquiera de los dos carbonos del enlace doble tiene dos grupos idénticos, la molécula no puede tener forma cis-trans. En la figura se muestran algunos alquenos cis y trans y otros alquenos que no pueden mostrar isomería cis-trans.
La nomenclatura cis-trans para los isómeros geométricos a veces falla, ya que da un nombre ambiguo; por ejemplo, los isómeros del 1-bromo-1-cloropropeno no son claramente cis o trans, ya que no es obvio a qué sustituyentes se refieren como cis o trans
Como en el caso de cis y trans, si los grupos más importantes de cada carbono están en el mismo lado del enlace doble, el alqueno tendría una geometría Z. Si están en lados opuestos al enlace doble, la geometría es E
Los primeros 4 alquenos son gases a temperatura ambiente, los que contienen de 5 a 16 átomos de C son líquidos y los de más de 17 átomos de C son sólidos.
Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el peso molecular del alqueno, los alquenos lineales tienen mayores puntos de ebullición que los ramificados con similar peso molecular.
Los alquenos son insolubles en agua pero son solubles en solventes no polares como los éteres, hexano, tetracloruro de carbono, etc.
Los alquenos son menos densos que el agua por lo tanto flotan en ella.
Alquinos. son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un triple enlace carbono-carbono, característica distintiva de su estructura
Los alquinos no cíclicos tienen la fórmula molecular CnH2n-2. Tienen una proporción de hidrógeno menor que los alquenos por esto presentan un grado mayor de insaturación
El triple enlace es relativamente corto debido al solapamiento de los tres pares de electrones y al elevado carácter s de los orbitales hidridos sp (50% de carácter s), lo que aproxima más a los átomos de carbono que forman el enlace σ del acetileno
Son compuestos de baja polaridad Son muy similares en sus propiedades físicas a los alcanos y
alquenos Son menos densos que el agua e insolubles en ella Se solubilizan en sustancias de baja polaridad como
tetracloruro de carbono, éter, benceno Sus puntos de ebullición crecen con el aumento del número
de carbonos Los alquinos generalmente tienen puntos de ebullición
ligeramente más altos que los correspondientes alquenos y alcanos
Las ramificaciones disminuyen el punto de ebullición Los tres primeros alquinos son gases a temperatura ambiente
El grupo funcional de un alcohol es el grupo hidroxilo (–OH) enlazado a un carbono con hibridación sp3
Los ángulos de enlace del átomos de oxígeno es de aproximadamente 109.5°
El oxígeno del grupo hidroxilo presenta hibridación sp3
Dos orbitales hibridos sp3 forman enlaces s con el hidrógeno y el carbono
El resto de los orbitales hibridos sp3 contiene cada uno un par de electrones no enlazantes
108.9°O
CH H
H
H
Los alcoholes se clasifican por el número de átomos de carbono que están unidos al cual está enlazado el grupo –OH
CH3 OH
CH3
CH3
CH3
CH3
OH
CH3
CH3
CH3OH
3-metil, 1-butanol
3-metil, 2-butanol
2-metil, 2-butanol
Los alcoholes son compuestos polares
Interactúan entre moléculas del mismo tipo y con otros compuestos polares mediante interacciones dipolo-dipolo
Interacciones Dipolo-dipolo: Interacción de un polo positivo de una molécula con el polo negativo de otra.
O
HH
H
CH
+-
+
El etanol y el dimetil éter son isómeros constitucionales Cada uno cuenta con puntos de ebullición
extremadamente diferentes El etanol forma puentes de hidrógeno intermoleculares
los cuales incrementan la fuerza de atracción entre las moléculas resultando en un alto punto de ebullición
No existen estas fuerzas de interacción en el dimetil éter
bp 24°C
Etanol Dimetil éter
En comparación a los alcanos de igual tamaño y similar peso molecular, los alcoholes Tienen puntos de ebullición mayores Son solubles en agua
La presencia de los grupos -OH en la molécula incrementa la solubilidad en el agua y los puntos de ebullición
Structural FormulaName bp(°C)
Solubilityin Water
Methanol 32 65 InfiniteEthane 30 -89 Insoluble
Ethanol 46 78 InfinitePropane 44 -42 Insoluble
1-Propanol 60 97 InfiniteButane 58 0 Insoluble
1-Pentanol 88 138 2.3 g/100 g1,4-Butanediol90 230 Infinite
Hexane 86 69 Insoluble
8 g/100 g117741-ButanolPentane 72 36 Insoluble
CH3CH2 CH2OH
CH3CH2 CH2CH3
CH3OH
CH3CH3
CH3CH2 OH
CH3CH2 CH3
CH3(CH2)3CH2 OH
HOCH2(CH2)2CH2 OH
CH3(CH2)4CH3
CH3(CH2)2 CH2OH
CH3(CH2)3CH3
MW
El amoniaco tiene una estructura tetraédrica algo distorsionada, con una de las posiciones del tetraedro ocupada por un par de electrones no enlazantes. Esta geometría es debida a la hibridación sp3 del nitrógeno, de forma que el par de electrones solitario hace que el ángulo H-N-H se comprima desde 109,5º (ángulo de la estructura tetraédrica perfecta) hasta 107º
Según se sustituyan uno, dos o tres hidrógenos, las aminas serán primarias, secundarias o terciarias, respectivamente.
Amoníaco Amina primaria Amina secundaria
Amina terciaria
Las aminas son fuertemente polares debido a que el gran momento dipolar del par de electrones solitario se suma a los momentos dipolares de los enlaces C-N y H-N
El enlace de hidrógeno N-H es más débil que el enlace de hidrógeno O-H, por tanto las aminas tienen puntos de ebullición más bajos que los alcoholes con masas moleculares similares
N R
H H
N R
H H
N R
H H
N R
H H O
H H
O H H
O H H
N R
H H
Asociación por puente de hidrógeno de aminas 1rias
Puente de hidrógeno intramolecular entre una amina 1ria y el agua
Aceptacion de un protón mediante un enlace de hidrógeno entre el agua y una amina 3ria.
O H H
N R
R R
La naturaleza polar del enlace N-H provoca la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de las aminas
Implicaciones:
- Altos puntos de fusión y ebullición comparados con los alcanos
- Alta solubilidad en medio acuoso Compuesto P.eb. P.f. Compuesto P.eb. P.f.
CH3CH2CH3 -42º -188º (CH3)3N 3º -117º
CH3CH2CH2NH2 48º -83º (CH3CH2CH2)2NH 110º -40º
CH3CH2CH2OH 97º -126º (CH3CH2CH2)3N 155º -94º
CompuestoTipo Peso
molecular
Punto de ebullición (°C)
(CH3)3N Amina terciaria 59 3
CH3-NH-CH2-CH3
Amina secundaria
59 37
CH3-O-CH2-CH3 Éter 60 8
CH3CH2CH2-NH2 Amina primaria 59 48
CH3CH2CH2-OH Alcohol 60 97
Una amina es un nucleófilo (una base de Lewis) debido a que el par solitario de electrones no enlazantes pueden formar un enlace con un electrófilo. Una amina también puede actuar como base de Brönsted-Lowry, aceptando un protón de un ácido
Cuando una amina actúa como un nucleófilo, se forma un enlace N-C. Cuando actúa como una base, se forma un enlace N-H
La mayoría de las aminas, que contienen más de seis átomos de carbono, son relativamente insolubles en agua. En presencia de ácido diluido (en disolución acuosa), estas aminas forman las sales de amonio correspondientes, por lo que se disuelven en agua. Cuando la solución se transforma en alcalina, se regenera la amina
La amina regenerada o bien se separa de la solución acuosa, o se extrae con un disolvente orgánico
La mayoría de las aminas, que contienen más de seis átomos de carbono, son relativamente insolubles en agua. En presencia de ácido diluido (en disolución acuosa), estas aminas forman las sales de amonio correspondientes, por lo que se disuelven en agua. La formación de una sal soluble es una de las características de las pruebas para el grupo funcional amina
Una amina puede convertirse en sal de amonio mediante un tratamiento con ácido. La sal de amonio es soluble en agua. Al tratar la sal de amonio con soluciones básicas la volverá a convertir en la amina
El grupo carbonilo consiste en un átomo de carbono trigonal unido a un átomo de oxígeno a través de un enlace doble, C=O, por lo que los dos enlaces sobrantes pueden usarse para conectarse a una o a dos ramas de hidrocarburo
En los aldehídos un grupo unido al carbonilo es el hidrógeno, y el otro un grupo alquil o aril. La única excepción es el formaldehído, los dos grupos unidos al carbonilo son hidrógenos
En las cetonas, siempre van unidos dos grupos alquil o aril
El orbital sin hibridar p del carbono se solapa con un orbital p del oxígeno para formar un enlace pi. El doble enlace entre el carbono y el oxígeno es similar al doble enlace C=C en un alqueno, excepto en que el doble enlace carbonilo es más corto, más fuerte y está polarizado
El enlace C=O es más corto porque está polarizado. Esta polarización también es responsable de la reactividad del grupo carbonilo
La geometría alrededor del grupo carbonilo es trigonal con un ángulo de 120 º
El enlace se forma a partir de dos orbitales atómicos híbridos sp2, uno del carbono y otro del oxígeno, y el orbital mediante el solapamiento lateral de los orbitales p paralelos que no sufren hibridación
El doble enlace del grupo carbonilo tiene mayor momento dipolar debido a que el oxígeno es más electronegativo que el carbono y los electrones enlazantes no están igualmente compartidos
Los nucleófilos atacarán al grupo carbonilo porque es electrofílico, como sugiere la estructura de resonancia minoritaria
Forman puentes de hidrógeno con el agua.Los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular son más solubles en agua que en solventes no polares
La cetona y el aldehído son más polares, y tienen puntos de ebullición más altos que el éter y el alcano, pero puntos de ebullición más bajos que los de los alcoholes, los cuales forman enlaces de hidrógeno
El momento dipolar del grupo carbonilo es responsable de los puntos de ebullición más altos para los aldehídos y las cetonas. El enlace de hidrógeno tiene una interacción más fuerte, por lo que los alcoholes tendrán una ebullición a temperaturas más elevadas
La molécula es prácticamente plana. El átomo de carbono carbonílico tiene hibridación sp2, con ángulos de enlace prácticamente trigonales. El enlace O-H también se encuentra en este plano, eclipsado con el enlace C=O
El átomo de oxígeno sp3 tiene un ángulo C-O-H de 106°
Uno de los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno del grupo hidroxilo está deslocalizado en el sistema electrofílico del grupo carbonilo
La estructura de resonancia mayoritaria es neutral, mientras que las formas minoritarias tienen separación de carga
Los puntos de ebullición de los ácidos carboxílicos son el resultado de la formación de un dímero, con enlace de hidrógeno, estable. Este dímero contiene un anillo de ocho miembros con dos enlaces de hidrógeno, que en efecto dobla el peso molecular de las moléculas que abandonan la fase líquida.
Para romper los enlaces de hidrógeno y vaporizar el ácido es necesario que la temperatura sea más elevada.
Un ácido carboxílico se puede disociar en agua para dar lugar a un protón y a un ión carboxilato. A la constante de equilibrio de esta reacción, Ka, se le denomina constante de disociación ácida.
El ácido se disociará mayoritariamente si el pH de la disolución es mayor que el pKa del ácido
Cada enlace C-O tiene un orden de enlace de 3/2 (un enlace σ y la mitad de un enlace π). Cada átomo de oxígeno tiene la mitad de la carga negativa
La deslocalización de la carga negativa sobre los dos átomos de oxígeno hace que el ión acetato sea más estable que un ión alcóxido
Las cetonas, los aldehídos y los ácidos carboxílicos contienen el grupo carbonilo, a pesar de que las reacciones de los ácidos son bastante diferentes de las de las cetonas y los aldehídos. Las cetonas y los aldehídos generalmente reaccionan mediante adición nucleofílica al grupo carbonilo, pero los ácidos carboxílicos lo suelen hacer por sustitución nucleofílica en el grupo acilo, donde un nucleófilo reemplaza a otro en el átomo de carbono carboxílico
Los derivados de los ácidos carboxílicos incluyen haluros de acilo, anhídridos, esteres y amidas
La reactividad de los derivados de ácido respecto al ataque nucleofílico depende de su estructura y de la naturaleza del nucleófilo atacante
Los cloruros de ácido son los derivados más reactivos, mientras que el ión carboxilato es el derivado menos reactivo
Un tiol es un compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH). Siendo el azufre análogo de un grupo alcohol (-OH), este grupo funcional es llamado grupo tiol o grupo sulfhidrilo. Tradicionalmente los tioles son denominados mercaptanos
La mayoría de los tioles son líquidos incoloros que tienen un olor parecido al del ajo. El olor de tioles es a menudo fuerte y repulsivo, en particular los de bajo peso molecular
Debido a la pequeña diferencia de electronegatividad entre el azufre y el hidrógeno, un enlace S-H es prácticamente no polar. Por lo tanto, el enlace S-H en los tioles tiene menor momento dipolar en comparación con el enlace O-H del alcohol. Los tioles muestran poca asociación por enlaces de hidrógeno con el agua y las moléculas entre sí. Por lo tanto tienen puntos de ebullición inferiores y son menos solubles en agua y otros disolventes polares que los alcoholes de similar peso molecular
La oxidación es la única reacción de los tioles que es importante dentro del estudio de las proteínas. Los tioles se pueden oxidar a disulfuros, compuestos cuyas moléculas poseen dos átomos de azufre unidos por un enlace covalente, R-S-S-R’
