Download MÓDULO A: E t t i d d fí i Estructura y propiedades físicas, ácido

MÓDULO A:
E t
Estructura
t
y propiedades
i d d
fí i
físicas,
ácido-base y espectroscópicas de los
compuestos
t
orgánicos
á i
MÓDULO A:
E t
Estructura
t
y propiedades
i d d
fí i
físicas,
ácido-base y espectroscópicas de los
compuestos
t
orgánicos
á i
Tema 2. Naturaleza, formulación y nomenclatura de los
compuestos orgánicos
Tema
3. Estructura y
orgánicas
propiedades
de
las
moléculas
Tema 4. Caracterización mediante técnicas instrumentales (I)
Tema 5. Caracterización mediante técnicas instrumentales (II)
Módulo A.
A Estructura , propiedades físicas,
físicas
ácido-base y espectroscópicas de los
compuestos
co
puestos o
orgánicos
gá cos
Tema 2. Naturaleza,, formulación y nomenclatura de
los compuestos orgánicos
Las imágenes utilizadas para la preparación de este tema
proceden de dos libros de Química Orgánica:
•L.G. Wade, Organic Chemistry, 6ªEd.Pearson International, 2005
•K P C Vollhardt,
•K.P.C.
Vollhardt Organic Chemistry,
Chemistry 4ªEd,
4ªEd Freeman 2003
LA QUÍMICA ORGÁNICA
Compuestos orgánicos (CO)
derivados de nuestros
órganos
Proteínas de la piel
Proporciona CO para
reemplazar nuestros
órganos
fibras
pinturas
DNA
núcleo
célula
plásticos
pesticidas
Prod. farmaceúticos
ú
Glucógeno
del hígado
¿Qué es un compuesto orgánico?
La Química Orgánica es la Química de los compuestos de
carbono
Vitalismo: los productos naturales necesitan de una fuerza vital
para ser creados
XIX 1828 Wöhler
NH4+-OCN

H2NCONH2
¿Qué tiene de especial el carbono?
Enlaces fuerte
Variadas cadenas
La formación de un enlace.
iónico
covalente no p
polar
covalente p
polar
Enlace iónico: los electrones son transferidos
Enlace covalente: se comparte un par de electrones
Lewis. La regla del octeto
H
H C O
H
H
electrones no enlazantes
Estructura de Lewis
Lewis. Carga formal
Carga formal
Dibujar la Estructura de Lewis:
1. Contar el número de electrones de valencia
2. Restar los electrones no enlazantes
3. Restar la mitad de los electrones que forman los enlaces
3-
H O
H C C O
H
O
O
P
O
O
Enlace covalente.
covalente Enlace múltiple
Fórmulas estructurales
H O
Fórmula estructural completa
p
H C
C O H
H
Fórmula lineoangular
Estructura condensada
Fórmula molecular
Fórmula empírica
CH3COOH
C2H4O2
CH2O
Cálculo de Fórmulas Empíricas
Se supone que la muestra pesa 100g en total, los
valores porcentuales dan el nº de gramos de
cada elemento.
1.
Se pasan los gramos a número de moles.
2
2.
Se divide por el número de moles más
pequeño para obtener la relación.
La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula
empírica.
P bl
Problema
Un compuesto tiene la siguiente composición: 40.0% C,
6 67% H,
6.67%
H y 53.3%
53 3% O.
O Encuentra la fórmula empírica
empírica.
40.0 gC
 3.33 molC
12.0 gC / molC 3.33
6.67 gH
 6.60 molH
1.01 gH / molH 3.33
53.5 gO
 3.33 molO
16.0 gO / molO 3.33
= 1
= 1.98 = 2
= 1
CH2O
C
Ángulos
g
de enlace e hibridaciones
Los ángulos de enlace no se pueden explicar
teniendo en cuenta orbitales s y p
p.
Los orbitales híbridos son más bajos en
energía porque los pares de electrones se
encuentran más alejados.
alejados
La hibridación
L
hib id ió es una combinación
bi
ió lineal
li
l de
d
orbitales atómicos.
¿Cómo es el átomo de carbono y porqué da
lugar a tantos compuestos orgánicos?
C 2s22p2
Hibridaciones
Orbitales híbridos sp3
• Geometría tetraédrica
• Ángulo de enlace 109.5°
Orbitales híbridos sp2
• Geometría trigonal
g
p
plana
• Ángulo de enlace 120°
Orbitales híbridos sp
p
• Geometría lineal
• Ángulo de enlace 180°
Un compuesto orgánico es una entidad molecular que se le
añaden eventualmente heteroátomos (oxígeno, nitrógeno,
halógenos, azufre y fósforo).
Grupo funcional: agrupación atómica que comunica unas
propiedades características a los compuestos que lo
portan.
Grupos funcionales más usuales
Tipo de compuesto Estructura general
Grupo funcional
Tipo de compuesto Estructura general
Grupo funcional
Compuestos carbonilos
Hidrocarburos
O
R-H
Alcanos
Aldehídos
R-CHO
H
O
H(R)
Alquenos
(R)H
R1-CO-R2
Iminas
R1-CNR2-R3
N
H(R)
(R)H
Compuestos carboxílicos
(R)H
Alquinos
Cetonas
O
H(R)
( )
Ácidos carboxílicos
H(R)
R COOH
R-COOH
OH
Derivados de compuestos carboxílicos
(R)H
H(R)
(R)H
H(R)
Aromáticos
Ésteres de
ácido carboxílico
H(R)
O
R1-COO-R2
O
O
O
Derivados de los hidrocarburos
Halogenuros de alquilo
R-X/Ar-X (X=F,Cl,Br,I)
X
Anhídridos de
ácido carboxílico
R1-CO-O-CO-R2
Halogenuros de
ácido carboxílico
R-COX
Amidas
R-CONH2, R1-CONH(R2), R-CO-N
Nitrilos
R-CN
X
O
Derivados de agua
Alcoholes y fenoles
O
O
R-(Ar)-CH2-OH y Ar-OH
N
OH
Derivados y análogos de los alcoholes
Éteres
R1-O-R2
O
Tioles
R-(Ar)-SH
SH
C
Derivados del amoniaco
Aminas
R-NH2, R1-NH-R2, R-N
N
N
Grupos funcionales más usuales
Alcanos (hidrocarburos saturados)
Enlace covalente sencillo, 
Tipos:
Ti
• Alcanos lineales
• Alcanos ramificados
• Cicloalcanos
CH4
CH3CHCH3
CH3
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3
CH3CHCHCH3
CH3
CH3CH2CH2CH3
CH3CHCH2CH2CH3
CH3
Grupos
p
funcionales más usuales
Alcanos (hidrocarburos saturados)
Por eliminación de uno o varios átomos de hidrógeno a partir
de una molécula de alcano se obtiene un grupo
g p
hidrocarbonado que posee un enlace sencillo.
Grupos alquilo, Rmetilo
metileno
etilo
propilo
isopropilo
isobutilo
sec-butilo
tert-butilo
ciclopropilo
l
l
ciclohexilo
Me-
CH3-CH2EtC2H5PrC3H7i-Pr(CH3)2CHi Bu
i-Bu(CH3)2CHCH2s-Bu- CH3CH2CHCH3
t-Bu
(CH3)3Cc-Pr
c-He
Grupos
p
funcionales más usuales
Alquenos (u olefinas)
Son hidrocarburos insaturados acíclicos que poseen uno o
varios dobles enlaces C=C.
Distintas categorías de olefinas:
• Olefinas simples
CH2=CH2
CH2=CH-CH3
CH2=CH-CH2CH3
CH3-CH=CH-CH3
• Dienos, trienos, polienos no conjugados
CH2=C=CH-CH2
CH2=CH-CH2-CH=CH2
• Dienos, trienos, polienos conjugados
CH2=CH-CH=CH
CH CH CH2
CH2=CH-CH=CH-CH=CH
CH CH CH CH CH2
Productos derivados de etileno y sus aplicaciones
polietilenos
cloruro de vinilo
LDPE (polimerización radicalaria;
1000-2000 atm; 200ºC)
etanol
PVC (polimerización radicalaria)
HDPE (polimerización tipo Ziegler;
1 atm; 60-70ºC)
acetato de vinilo
PVA
óxido de etileno
H2C=CH2
alcohol p
polivinílico
esterilizante
detergentes no iónicos
estireno
intermedio de síntesis
a partir de etilbenceno
preparación de etilenglicol
otros
acetaldehído
preparación de n-butanol
monómero del PS
preparación de copolímeros
(cauchos)
CH3CH2COOH
CH3CH2Cl
preparación de ácido acético
Grupos funcionales más usuales
Alquenos (u olefinas)
Grupos alquenilo:
• Vinilo
CH2=CH
CH2-
• Alilo
ll
CH2=CHCH2-
Alquinos
Son los hidrocarburos insaturados acíclicos que poseen uno o
varios triples enlaces.
Acetileno o etino
HC CH
Grupos
p
funcionales más usuales
Aromáticos
Son hidrocarburos insaturados mono- o policíclicos planos que
tienen electrones q
que se deslocalizan p
por efecto mesómero,,
efecto que les confiere una estabilidad química considerable.
Y
R
Y
H
N
H
N
O
S
N
N
Grupos arilo
Fenilo:
l Ph-,
h C6H5Bencilo: C6H5CH2-
N
N
H
Productos químicos derivados de XILENOS
Aplicaciones
disolvente; gasolinas; productos de oxidación
COOH
[Ox.]
obtención de poliésteres
COOH
ácido tereftálico
O
[Ox.]
O
obtención de poliésteres; plastificantes; pinturas
O
anhídrido ftálico
COOH
[Ox.]
mejora la resistencia a disolventes en resinas y
poliésteres
é
COOH
ácido isoftálico
Grupos funcionales más usuales
Halogenuros (derivados de los hidrocarburos)
Son
S
compuestos
t
orgánicos
á i
h l
halogenados
d
que
pueden
d
considerarse como derivados de los hidrocarburos porque se
obtienen al reemplazar un átomo o varios átomos de
hidrógeno de la molécula de hidrocarburo por uno o varios
átomos de halógeno
R-CH3
R-CH2X
• Los halogenuros de alquilo (o haloalcanos)
CH3-Br
CH3CHClCH3
• Los halogenuros de alquenilo
ClCH2=CH2Cl
CH2=CH-CH2Cl
• Los halogenuros aromáticos (o de arilo)
F
Cl
Br
N
Br
DDT
Grupos
p
funcionales más usuales
Alcoholes y fenoles
(d i d del
(derivados
d l agua o compuestos
t hidroxílicos)
hid íli
)
HOH
R(Ar)-CH2-OH
Ar-OH
Compuestos
Comp
estos orgánicos
o gánicos oxigenados
o igenados que
q e pueden
p eden considerarse
conside a se
como derivados del agua, HOH, porque se obtienen al
desplazar un átomo de hidrógeno de la molécula de agua por
un grupo alquilo o arilo.
En el caso de los alcoholes, este g
grupo
p se une a la p
parte
saturada de un grupo alquilo, R-CH2-.
En el caso de los fenoles, este grupo se une directamente al
núcleo aromático.
Grupos funcionales más usuales
Alcoholes y fenoles
hidroxílicos)
(derivados
Según el grupo hidrocarbonado:
• Alcoholes saturados
• Alcoholes insaturados
• Alcoholes aromáticos
del
agua
o
compuestos
R-CH2-OH
R-CH=CH-CH
R
CH CH CH2-OH
OH
Ar-CH2-OH
Según el número de funciones hidroxilo:
• Monoalcoholes
CH3-OH
• Polialcoholes: los dialcoholes (o glicoles) y los trioles
CH2-OH
OH
CH2-OH
etilenglicol
CH2-OH
propanotriol HC-OH
CH2-OH
OH
Según el tipo de carbono que lleva el grupo funcional:
• Alcoholes p
primarios
R-CH2-OH
• Alcoholes secundarios
R1R2CH-OH
• Alcoholes terciarios
R1R2R3C-OH
Grupos funcionales más usuales
Alcoholes y fenoles
(derivados del agua o compuestos hidroxílicos)
Los alcoholes insaturados de tipo
p vinílico se denominan enoles
y son intermedios de reacción importantes.
En lo que concierne a los fenoles, se pueden clasificar según el
número de grupos funcionales –OH:
Monofenoles
OH
Polifenoles (di-, trifenoles, …)
HO
OH
o cresol
o-cresol
OH
OH
CH3
OH
OH
hidroquinona
pirogalol
Alcohol
Fenol
Obtención de resinas (condensación de fenol y formaldehído)
OH H CO
2
OH
OH
+
+
H
CH2OH HOH2C
H+
OH
OH
OH
p
polímero
cruzado
OH
Grupos
p
funcionales más usuales
Éteres (o derivados de los alcoholes)
Los éteres son compuestos orgánicos oxigenados que pueden
considerarse como derivados de los alcoholes, se obtienen al
reemplazar el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo,
hidroxilo -OH
de un alcohol por un grupo alquilo, R- o arilo, Ar-.
R O H
R-O-H
R O R(A )
R-O-R(Ar)
Hay que señalar la existencia de:
• Éteres acíclicos
CH3OCH3 C6H5OCH3
CH3OCH2CH2OCH3
Nerolin II
O
• Éteres cíclicos: cicloalcanos en los que un átomo de carbono
se ha reemplazado un carbono por un heteroátomo
O
O
O
O
O
Grupos
p
funcionales más usuales
Tioles (o análogos de los alcoholes)
Son compuestos orgánicos sulfurados se pueden considerar
análogos a los alcoholes porque se obtienen por reemplazo
del átomo del oxígeno del grupo hidroxilo,
hidroxilo -OH de un alcohol
por un átomo de azufre. El grupo funcional obtenido se
denomina mercapto o grupo sulfhidrilo, -SH.
R-O-H

R-S-H
Grupos
p
funcionales más usuales
Aldehídos y cetonas (o compuestos carbonílicos)
Son compuestos orgánicos oxigenados que contienen el grupo
O
funcional carbonilo en la molécula,
C
O
H
O
• Aldehídos
formaldehído
H
H
p-clorobenzaldehído
Cl
O
O
• Cetonas
acetona
acetofenona
ACROLEÍNA
OHC
Aplicación
Obtención de glicerina
OHC
Aplicaciones
H2
Cd-Zn
HOH2C
H2O2
O
alcohol alílico
H 2O
farmacia, cosmética
resinas alquídicas
trinitrato de glicerina
CH2OH
HOH2C
CH2OH
glicerina OH
Grupos
p
funcionales más usuales
Ácidos carboxílicos e hidroxiácidos
Los ácidos carboxílicos son compuestos oxigenados que
contienen en la molécula el grupo funcional -COOH.
-COOH
Según el número de grupos funcionales:
• Ácidos monocarboxílicos
• Ácidos policarboxílicos
Los hidroxiácidos son compuestos polifuncionales porque sus
moléculas cuentan con un g
grupo
p carboxilo, -COOH y uno o
varios grupos hidroxilo, -OH que se puede unir a la parte
saturada de un grupo alquilo o arilo o bien directamente al
núcleo aromático.
ACIDO ACRÍLICO
HOOC
Aplicación
espesantes de cauchos
preparación de ésteres
acrilato de etilo
pinturas al agua
Grupos
p
funcionales más usuales
Aminoácidos
Los aminoácidos son compuestos polifuncionales que cuentan
además de un grupo carboxilo, -COOH con uno o varios
grupos amino,
amino -NH2..
Grupos
p
funcionales más usuales
Ésteres (derivados de ácidos carboxílicos)
Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al
reemplazar un átomo de hidrógeno de la función carboxilo,
carboxilo COOH de un ácido por un radical alquilo R- o arilo, Ar-.
CH3COOCH3
C6H5COOCH2C6H5
Vitamina C
ACETATO DE VINILO
O
O
Aplicación
Preparación de ALCOHOL POLIVINÍLICO y de POLIVINILBUTIRAL
O
OH
OH
OH
OH
H
n
O
O
O
O
n
Grupos
p
funcionales más usuales
Anhídridos de ácido carboxílico
Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al
reemplazar un átomo de hidrógeno de la función carboxilo,
carboxilo COOH, de un ácido, por otro grupo acilo, -COR.
O
O
R
O
O
O
OH

R
O
O
O
anh acético
anh succínico
O
O
R
O
O
O
anh ftálico
ANHIDRIDO MALEICO
O
O2
V2O5
400ºC;
400
C; 3 atm.
atm
O
O
+ CO2 + H2O
QUITAR
ANHIDRIDO MALEICO
O
O
+
O
copolímero en la preparación de poliésteres
obtención de disolventes (por hidrogenación)
intermedio de síntesis: medicamentos, herbicidas e insecticidas
Grupos
p
funcionales más usuales
Haluros de ácido (derivados de ácidos carboxílicos)
Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al
reemplazar el grupo hidroxilo, -OH, del grupo carboxilo por
un átomo de halógeno,
halógeno -X.
-X
O
R
OH
O

R
X
O
O
cloruro
l
d
de acetilo
til
H3C
Br
Cl
b
bromuro
d
de b
benzoilo
il
Grupos
p
funcionales más usuales
Amidas
Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al
reemplazar el grupo hidroxilo,
hidroxilo -OH,
-OH del grupo carboxilo por
un átomo de nitrógeno que lleva o no sustituyentes.
O
R

OH R
O
O
NH2 R
O
NHR
R
NR'R''
Grupos
p
funcionales más usuales
Nitrilos
Se pueden considerar como derivados de ácidos carboxílicos.
Se obtienen al reemplazar el oxígeno doblemente unido y el
grupo hidroxilo,
hid
il -OH,
OH de
d un ácido
á id carboxílico
b íli
por un átomo
át
de nitrógeno.
O
R
OH
R-C
N
• Nitrilos saturados, RCN
acetonitrilo
• Nitrilos insaturados, RCH=CHCN
acrilonitrilo
• Nitrilos aromáticos,
aromáticos ArCN
CH3CN
CN
CN
benzonitrilo
ACRILONITRILO
NC
Aplicación
plásticos y cauchos sintéticos: ABS
SAN
fibras acrílicas
intermedio de síntesis
H 2O
preparación de adiponitrilo: CN-(CH2)4-CN
Ácido adípico: HOOC-(CH2)4-COOH
Hexametilendiamina: H2N-(CH
( 2)6-NH2
Red.
NYLON
Grupos
p
funcionales más usuales
Aminas (o derivados del amoniaco)
Son compuestos orgánicos que contienen un átomo
nitrógeno y que se pueden considerar como derivados
amoniaco porque se obtienen a partir del amoniaco
reemplazo parcial o total de los átomos de hidrógeno
uno o varios radicales orgánicos.
de
del
por
por
Según el número de átomos de hidrógeno reemplazados
Aminas primarias
H
N
R1
H
aminas secundarias
H
N
R1
R2
aminas terciarias
R3
N
R1
R2
Grupos
p
funcionales más usuales
Aminas (o derivados del amoniaco)
Según el número de funciones amina:
• Monoaminas
• Diaminas, triaminas y poliaminas
Según
ú el radical orgánico:
á
• Aminas saturadas
H3C
• Aminas aromáticas
N
H
H
H3C
H
N
N
H
CH3 H3C
N
N
N
NH2
CH3
N
CH3
N
H
N
AMINAS
anfetamina
adrenalina
nicotina
ANILINA
NH2
intermedio de síntesis
industria de colorantes
i d t i ffarmacéutica
industria
é ti
aditivo del caucho
N C O
poliuretanos
preparación de isocianatos
R
Módulo A.
A Estructura , propiedades físicas,
físicas
ácido-base y espectroscópicas de los
compuestos
co
puestos o
orgánicos
gá cos
Tema 2. Naturaleza,, formulación y nomenclatura de
los compuestos orgánicos
Las imágenes utilizadas para la preparación de este tema
proceden de dos libros de Química Orgánica:
•L.G.
L G Wade,
Wade Organic Chemistry,
Chemistry 6ªEd.Pearson
6ªEd Pearson International,
International 2005
•K.P.C. Vollhardt, Organic Chemistry, 4ªEd, Freeman 2003