Download Química Orgánica Básica

MC. José Alfredo De la Fuente Ortegón
Escuela de Medicina
Universidad Anahúac Mayab
Curso 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 carbonocarbono 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 condensadas
Fórmula semidesarrollada
Fórmula desarrollada
Representaciones lineoangulares
Representaciones 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
1.55 Å
H
1.1 Å
H
H
C
C
H
H
H
C
H
H
H
H
109.5 º
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 carbonocarbono
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 p 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 p 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-1cloropropeno 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
H
O
108.9°
C
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
H3C
OH
3-metil, 1-butanol
CH3
H3C
CH3
3-metil, 2-butanol
HO
HO
CH3
2-metil, 2-butanol
H3C
CH3
Los alcoholes son compuestos polares
O
+
H
+C
H
H
H
 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.
 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
CH 3 CH 2 OH
Dimetil éter
Etanol
bp 78°
CH 3 OCH 3
C
bp 24°C
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
MW
bp
(°C)
Solubility
in Water
Structural Formula
Name
CH 3 OH
Methanol
Ethane
32
30
65
-89
Infinite
Insoluble
CH 3 CH 2 CH 3
Ethanol
Propane
46
44
78
-42
Infinite
Insoluble
CH 3 CH 2 CH 2 OH
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
1-Propanol
Butane
60
58
97
0
Infinite
Insoluble
CH 3 ( CH 2 ) 2 CH 2 OH
1-Butanol
Pentane
74
117
8 g/100 g
72
36
Insoluble
1,4-Butanediol
1-Pentanol
Hexane
90
88
86
230
138
69
CH 3 CH 3
CH 3 CH 2 OH
CH 3 ( CH 2 ) 3 CH 3
HOCH 2 ( CH 2 ) 2 CH 2 OH
CH 3 ( CH 2 ) 3 CH 2 OH
CH 3 ( CH 2 ) 4 CH 3
Infinite
2.3 g/100 g
Insoluble
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
R
O
N
R
H
R
H
H
H
N
N
H
H
N
R
H
R
R
H
Asociación por puente de
hidrógeno de aminas 1rias
O
O
H
H
H
R
N
O
H
H
H
H
H
H
H
N
R
Aceptacion de un protón mediante
un enlace de hidrógeno entre el
agua y una amina 3ria.
Puente de hidrógeno intramolecular
entre una amina 1ria y el agua
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
Tipo
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
Compuesto
 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
El enlace s se forma a partir de
dos orbitales atómicos híbridos
sp2, uno del carbono y otro del
oxígeno, y el orbital p mediante el
solapamiento lateral de los
orbitales p paralelos que no
sufren hibridación
La geometría alrededor del grupo carbonilo es trigonal con un ángulo de 120º
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 p 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’