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TEMA 1. QUÍMICA DEL CARBONO

1. Química Orgánica o química del carbono

2. Configuración electrónica del átomo de carbono. Tipos de hibridación

3. Representación de las moléculas orgánicas

4. Isomería

4.1. Isomería estructural o plana: de cadena, de posición y de función

4.2. Estereoisomería: geométrica y óptica

5. Clasificación de los compuestos orgánicos

6. Formulación y nomenclatura de los compuestos orgánicos

6.1. Hidrocarburos

6.2. Compuestos con grupos funcionales formados por otros elementos

6.3. Compuestos con varios grupos funcionales7. Efectos electrónicos8. Resonancia

QUÍMICA ORGÁNICA

1. Química Orgánica o química del carbono

● Los compuestos de carbono son de extraordinaria importancia en la naturaleza.

● Son la base de todos los seres vivos así como sustancias imprescindibles en la sociedad(medicamentos, plásticos, …).

● El elmento principal de estos compuestos es el C; también lo acompañan O, H, N y S fundamentalmente

2. Configuración electrónica del átomo de carbono. Tipos de hibridación

● C (Z = 6): 1s22s2p2

2s 2p 2p 2p(capa de valencia)

La proximidad energética entre el orbital atómico puro 2s (completo) y uno delos orbitales 2p vacío posibilita que mediante un pequeño aporte energéticoexterno pueda promocionarse 1e- 2s a 2p:

2s 2p 2p 2p

Cada C siempre estáunido a otros cuatroelementos en la moléculasorgánicas

TEMA 1. Química del carbono

● Posibles hibridaciones del carbono:

-C sp3: en compuestos con enlaces sencillos. El C establece 4 enlaces covalentes sencillos de tipo б dirigidos hacia los vértices de un tetraedro. Ejemplo: CH4

-C sp2: enlaces dobles C=C y C=O

-C sp: enlaces triples C≡C y C≡N

Estructuras del metano, el etileno y el acetileno.

Los ángulos entre los orbitales p son todos de 90°, pero pocos compuestos orgánicos tienen ángulos de enlace de 90°. Sus ángulos de enlace normalmente están próximos a 109°, 120° o 180°.

El ángulo de enlace de los orbitales híbridos sp3 es 109.5°; el ángulo de enlace para los orbitales híbridos sp2 está alrededor de 120°; el ángulo de enlace para los orbitales híbridos sp es de 180°.


Orbitales híbridos sp3.

La hibridación de un orbital s con los tres orbitales p da lugar a cuatro orbitales híbridos sp3 con geometría tetraédrica y ángulos de enlace de 109.5°.

Cada orbital híbrido sp3 se orienta hacia las esquinas del tetraedro en un ángulo de 109.5° uno respecto al otro


Representaciones del metano.

El metano tiene geometría tetraédrica, al usar cuatro orbitales híbridos sp3 para formar enlaces sigma con los cuatro átomos de hidrógeno


Enlace del etano.

El etano está formado por dos grupos metilo enlazados mediante el solapamiento de sus orbitales híbridos sp3. Estos grupos metilo pueden rotar uno respecto al otro.


Representación de estructuras tridimensionales.

La estructura tridimensional del etano, C2H6, tiene la forma de dos tetraedros unidos. Cada átomo de carbono tiene hibridación sp3, con cuatro enlaces sigma formados por los cuatro orbitales híbridos sp3. Los trazos de rayas paralelas representan enlaces que se alejan del observador, los enlaces representados por cuñas se orientan hacia el observador y las otras líneas de enlace, rectas, están en el plano de la página. Todos los ángulos de enlace tienen un valor próximo a 109.5°.


Orbitales híbridos sp2.

La hibridación de un orbital s con dos orbitales p da un conjunto de tres orbitales híbridos sp2. Los ángulos de enlace asociados a esta disposición trigonal son aproximadamente de 120°. El orbital pque sobra es perpendicular al plano que forman los tres orbitales híbridos.


Enlace del etileno

Los átomos de carbono en el etileno tienen hibridación sp2, con ángulos de enlace trigonales de aproximadamente 120°. El doble enlace contiene un enlace sigma y un enlace pi.

El etileno tiene tres enlaces sigma formados por sus orbitales híbridos sp2 en una geometría trigonal. El orbital p sin hibridar de un átomo de carbono es perpendicular a sus orbitales híbridos sp2 y es paralelo al orbital p sin hibridar del segundo átomo de carbono. El solapamiento de estos dos orbitales p produce un enlace pi (enlace doble) que se encuentra situado por encima y por debajo del enlace sigma


Orbitales híbridos sp.

La adición de un orbital s a un orbital p da lugar a un orbital atómico híbrido sp, con la mayoría de la densidad electrónica a un lado del núcleo. La adición al orbital s del orbital p, de fase opuesta a la del orbital panterior, da lugar a otro orbital atómico híbrido sp, con la mayor parte de su densidad electrónica en el lado opuesto del núcleo en el que se sitúa el primer híbrido.


Enlace del acetilenoLos átomos de carbono en el acetileno tienen hibridación sp, con ángulos de enlace de 180°. El enlace triple contiene un enlace sigma y dos enlaces pi.

Los carbonos del acetileno tienen entre sí un enlace sigma formado por uno de sus orbitales híbridos sp en una geometría lineal. Los dos orbitales p sin hibridar de uno de los átomos de carbono son perpendiculares a su orbital híbrido sp y son paralelos a los orbitales p sin hibridar del segundo carbono. El solapamiento de estos cuatro orbitales p producirá dos enlaces pi (enlace triple) que se encuentran situados por encima y por debajo del enlace sigma.


3. Representación de la moléculas orgánicas

● La fórmula molecular no define unívocamente a un compuesto. Esto es debido a que los átomos pueden unirse de diferentes formas, dando lugar por tanto, a compuestos diferentes.

C2H4O2

Ácido etanoico (CH3-COOH)

Formiato de metilo (H-CO-O-CH3)

Hidroxietanal (H-CO-CH2-OH)

● Las fórmulas estructurales sí definen unívocamente a un compuesto. Los pares de e- de cada enlace se representan mediante un guión. Se suelen omitir algunos enlaces como porejemplo los C-H.


CUESTIÓN 1: Dado el siguiente compuesto, identificar el tipo de hibridación que utilizacada átomo de carbono e indicar cuál (o cuáles) de ellos es primario, secundario,terciario y cuaternario.

HOH2C

C

O

CH

CH3

CH3

Solución: a) C1, C3, C4 y C5 � sp3

C2 � sp2

b) C primarios � 1, 4 y 5C secundario � 2C terciario � 3

1

23

4

5


● La isomería es el fenómeno por el que dos o más sustancias distintas, por tanto con nombres distintos, presentan la misma fórmula molecular.

4. Isomería

● Tipos de isomería: Estructural o plana: de cadena, de posición y de función.Estereoisomería o isomería espacial: geométrica y óptica.

4.1. Isomería estructural o plana

● Se debe a diferencias en la estructura del esqueleto carbonado:

a) De cadena: sus fórmulas estructurales difieren en la disposición de los átomos de carbono.(Isómeros constitucionales)

CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3

CH3Butano2-metilpropano (Metilpropano)


Isómeros constitucionales.

Si se pide representar una fórmula estructural para el C4H10, cualquiera de las siguientes son correctas. De la misma forma, hay tres isómeros constitucionales del pentano (C5H12), que reciben los nombres de n-pentano, isopentano y neopentano. El número de isómeros aumenta rápidamente a medida que aumenta el número de átomos de carbono.


c) De función: sus fórmulas estructurales difieren en el grupo funcional.

CH3-CH2-C-H

O

Propanal

CH3-C-CH3

O

Propanona (Acetona)4.2. Estereoisomería

● La presentan aquellas sustancias que tienen la misma estructura, pero diferente distribución espacial en sus átomos.

a) Geométrica: característica de sustancias que presentan doble enlace, siempre que los sustituyentes unidos a cada átomo de carbono sean diferentes. Se dan dos distribucionesespaciales posibles: CIS y TRANS.

C = C

CH3CH3

HH

C = C

CH3

CH3 H

H

Cis-2-buteno Trans-2-buteno


b) De posición: sus fórmulas estructurales difieren en la situación del mismo grupo funcional sobre la cadena hidrocarbonada.

CH3-CH2-CH2-OH

1-propanol (Propanol)

CH3-CH-CH3

2-propanolOH

Isómeros geométricos: cis y trans.

Los estereoisómeros son compuestos con los átomos unidos en el mismo orden, pero sus átomos tienen distintas orientaciones en el espacio. Cis y trans son ejemplos de estereoisómeros geométricos y se producen cuando hay un enlace doble en el compuesto. Dado que no hay rotación libre a lo largo del enlace doble carbono-carbono, los grupos de estos carbonos pueden señalar distintos sitios en el espacio.


b) Óptica: la presentan las sustancias con átomos de carbono que tienen cuatro sustituyentes distintos (a estos átomos de carbono se les llama centros estereogénicos, asimétricos o quirales). Se dice que son sustancias que presentan actividad óptica porque son capaces de desviar el plano de la luz polarizada.

CH3-CH-CH2-CH3

OH

*

C

OH

HCH3 CH2-CH3

C

HO

H

CH3CH3-CH2

Enantiómeros(imágenes especulares)

2-butanolC asimétrico


CUESTIÓN 2: Escribir tres isómeros posibles de 2-butanol, CH3-CHOH-CH2-CH3, e indicarde qué tipo son.

Solución: C4H10O

a) Posición

HO-CH2-CH2-CH2-CH3; CH3-CHOH-CH2-CH3

b) Ópticos

CH3-CHOH-CH2-CH3 Enantiómeros R y S

c) Función

CH3-CH2-O-CH2-CH3; CH3-CHOH-CH2-CH3

*


5. Clasificación de los compuestos orgánicos

• Los compuestos orgánicos se pueden clasificar en función de distintos criterios. De formageneral se pueden clasificar de la siguiente manera:

Familias de compuestos Analogías

Hidrocarburos Alcanos, alquenos, alquinos, hidrocarburos aromáticos

Constituidos por C e H

Sustancias oxigenadas

Alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ác. carboxílicos, ésteres

Presencia de uniones C-O

Sustancias nitrogenadas

Aminas, amidas, nitrocompuestos, nitrilos

Presencia de uniones C-N

• La base estructural de los compuestos orgánicos es una cadena hidrocarbonada. A estacadena se unen los llamados grupos funcionales, que están formados por un átomo oconjunto de átomos que se unen a esta cadena de carbono y que van a definir elcomportamiento químico del compuesto.


• Así los compuestos orgánicos se pueden clasificar en familias con comportamientoquímico similar, dependiendo de cuál sea su grupo funcional:

FAMILIA GRUPO FUNCIONAL

FÓRMULA GENERAL

EJEMPLO NOMBRE

Alcanos No existe R-H CH3-CH3 Etano

Alquenos R-CH=CH-R’ CH3-CH=CH2 Propeno

Alquinos -C≡C- R-C≡C-R’ CH3-C≡CH Propino

Derivados halogenados

-X R-X CH3-Cl Clorometano(Cloruro de metilo)

Alcoholes -OH R-OH CH3-CH2-OH Etanol

Éteres -O- R-O-R’ CH3-O-CH3 Dimetiléter

Aldehídos R-CHO Etanal(Acetaldehído)

Cetonas R-CO-R’ 2-butanona

Ácidos carboxílicos

R-COOH Ácido etanoico(Ácido acético)

C

O

H

C

O

CO

OH

C

O

HCH3

C C

C

O

CH2 CH3CH3

CO

OHCH3


FAMILIA GRUPO FUNCIONAL

FÓRMULA GENERAL

EJEMPLO NOMBRE

Ésteres R-COO-R’ CH3-CH2-COO-CH3 Propionato

de metilo

Aminas CH3-CH2-NH2 Etilamina

Amidas R-CO-NH2 CH3-CH2-CO-NH2 Propanamida

Nitrilos -C≡N R-C≡N CH3-CH2-C≡N Propanonitrilo(Cianuro de etilo)

Nitrocompuestos R-NO2 CH3-CH2-NO2 Nitroetano

CO

N

O

OC

N

NO2C

NR R'

R''

6. Formulación y nomenclatura de los compuestos orgánicos

6.1. Hidrocarburos

• Son los compuestos orgánicos que están formados por C e H.

• Se clasifican en ALCANOS (todos los enlaces C-C son sencillos), ALQUENOS (en lacadena hidrocarbonada hay algún doble enlace) y ALQUINOS (en la cadena hay algúntriple enlace). Los AROMÁTICOS presentan un anillo bencénico en su estructura.


• Se nombran con un prefijo indicativo del número de carbonos que tiene lo que sedenomina la cadena principal y un sufijo que indica si se trata de un alcano, alqueno oalquino : -ano, -eno o –ino.

Nº de C Estructura Nombre del alcano

1 CH4 Metano

2 CH3-CH3 Etano

3 CH3-CH2-CH3 Propano

4 CH3-CH2-CH2-CH3 Butano

5 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Pentano

6 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Hexano

7 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Heptano

8 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Octano

9 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Nonano

10 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Decano


• El nombre de cualquier compuesto está formado por un prefijo indicativo del número decarbonos que tiene lo que se denomina la cadena principal y un sufijo, que indica elgrupo funcional que contiene.

• Ejemplos de ALQUENOS y ALQUINOS:

6.2. Compuestos con grupos funcionales formados por otros elementos

CH CH CH3CH3CH3 CH2CH Propeno 2-buteno

Propino 2-butino

• Ejemplos de HIDROCARBUROS AROMÁTICOS:

BencenoCH3

Metilbeneceno (tolueno)

• Ejemplos de HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS CÍCLICOS:

CiclohexanoCH3

Metilciclohexano

CH3─C≡C−CH3HC≡C−CH3


Función Ácido Éster Amida Nitrilo Aldehído Cetona Alcohol Amina Alqueno Alquino Alcano

Sufijo -oico -ato -amida -nitrilo -al -ona -ol -amina -eno -ino -ano

• En un compuesto con varias cadenas carbonadas, se elige una de ellas como principal,nombrándose el resto (las ramificaciones) como sustituyentes de ésta. Para elegir lacadena principal hay que seguir los siguientes criterios en orden de priporidad:

- La que tiene el grupo funcional.- La que tiene el mayor número de dobles y triples enlaces.- La que tiene el mayor número de carbonos.- La que tiene mayor número de sustituyentes.- La que tiene los números localizadores más bajos para la función y los sustituyentes.

• El nombre de los sustituyentes o ramificaciones de la cadena principal se obtienecambiando la terminación que tenga la cadena carbonada de la que proceda por el sufijo –ilo. Por ejemplo el sustituyente –CH3 al proceder de CH4, que es el metano, se denominaráMETILO o METIL.

Sustituyente Nombre

CH3- Metilo

CH3-CH2- Etilo

CH3-CH2-CH2- Propilo

C6H5- Fenilo


•Cuando un sustituyente se repite varias veces en un compuesto, se utilizan prefijos de cantidad:di-, tri-, tetra-, etc. que indican el número de veces que aparecen.

•La presencia de sustituyentes o grupos funcionales se señalan en la cadena hidrocarbonadamediante números localizadores: 1, 2, 3, etc. Estos localizadores se separan entre sí mediantecomas, y del resto del nombre con un guión. Por ejemplo: 2,3-dimetilbutano.

CH CH

CH3

CH3

CH3CH3

6.3. Compuestos con varios grupos funcionales

•Cuando un compuesto tiene varios grupos funcionales se establece un orden de prioridadmediante el que se determina cuál es el grupo funcional principal.

•El grupo principal es el que determina el nombre del compuesto, considerándose el resto degrupos funcionales como sustituyentes.

•El orden de prioridad establecido es el siguiente:1) Ácidos carboxílicos 6) Cetonas2) Ésteres 7) Alcoholes3) Amidas 8) Aminas4) Nitrilos 9) Alquenos5) Aldehídos 10) Alquinos


• Efecto inductivo:“Desplazamiento parcial del par electrónico en enlace sencillo “σ” hacia el átomo más electronegativo provocando fracciones de carga”.

• Efecto mesómero o resonancia:“Desplazamiento del par de electrones “π” del doble enlace hacia uno de los átomos por la presencia de pares electrónicos cercanos”.

7. Efectos electrónicosTEMA 1. Química del carbono

EFECTO INDUCTIVO.EFECTO INDUCTIVO.

Se denomina efecto inductivo al desplazamiento de los electrones de los enlaces σ de una molécula orgánica como consecuencia de la diferencia de

electronegatividad de los átomos enlazados

−Cδ+→ Clδ−

El átomo más electronegativo atrae hacia sí el par de electrones del enlace con mayor intensidad, apareciendo sobre él una cierta densidad de carga negativa, δ−; mientras que sobre el átomo más electropositivo aparece una densidad de carga positiva, δ+

Por ejemplo, en el enlace C–Cl


EFECTO MESÓMERO.EFECTO MESÓMERO.

Se denomina efecto mesómero al desplazamiento electrónico producido por la movilidad de los electrones de los enlaces π

Los electrones de un enlace π no están necesariamente localizados entre dos átomos, sino que forman una nube capaz de desplazarse a lo largo de la cadena

Por ejemplo, el enlace carbonilo, C=O, debe considerarse como híbrido de variasformas resonantes. La mejor manera de representarlo es mediante un híbrido delas dos formas resonantes siguientes:

C = O C+ − O −


Cuando existen varios enlaces dobles conjugados, esto es, alternos, el efecto mesómero puede transmitirse, sin debilitarse, a mayor distancia que el inductivo

De forma experimental se ve que en el nitrometano los oxígenos distan por igual del nitrógeno (1.2 Å).¿Cómo puede explicarse este hecho con fórmulas de Lewis?

8. Resonancia

La teoría de la resonancia se desarrolla durante el siglo XX basándose en la

aplicación de la mecánica cuántica.


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