Modulo Quimica 6to Final Total

Transcript

ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Contenido ............................................................................................................................. . 4 QUÍMICA ORGÁNICA. .............................................................................................................................. ................................................................................................................... .......................................... 4 EL ÁTOMO DE CARBONO ......................................................................... QUÍMICA ORGÁNICA. ......................................................................................................................4 ................................................................................................... .......................... 4 LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS ......................................................................... Estructura del átomo de carbono ..................................................................................................5 ..................................................................................... .............. 5 Propiedades fundamentales del carbono ....................................................................... .............................................................................................................. ..........................................6 Formas de representación .................................................................... ................................................................................................................. .......................................... 8 Teoría de la hibridación. ....................................................................... Orbitales moleculares. .......................................................................................................................10 ...........................................................................................................................10 10 Orbital sigma (σ). ........................................................................................................................... ................................................................................................................................... .....................................................11 Orbital pi (π) .............................................................................. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL METANO ............................................................................11 ........................................................................................................................................ .................................................................. 12 Esqueleto ...................................................................... CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS ................................................................. 14 Fórmulas empleadas en química orgánica .................................................................................15 ............................................................................................................................. .....................................................16 Serie homóloga ........................................................................ Función química y grupo funcional: ............................................................................................16 ..................................................................................................................................... .....................................................17 Nomenclatura ................................................................................ ................................................................................................................ ........................................17 Nomenclatura I.U.P.A.C ........................................................................ ............................................................................................................................................. .................................................................. 18 Isómeros ........................................................................... CUESTIONARIO 1:. ............................................................................................................................19 ....................................................................................................................... ........................................2 1 Hidrocarburos saturados............................................................................... ................................................................................................................... ........................................ 21  ALCANOS O PARAFINAS ........................................................................... ................................................................................................................ ........................................ 21 PROPIEDADES FÍSICAS ........................................................................ ............................................................................................................ ........................................ 22 PROPIEDADES QUÍMICAS .................................................................... ............................................................................................................................... ..................................................... 22 LOS FREONES: .......................................................................... 1 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ............................................................................................................. ........................................ 23 Nomenclatura de alcanos ..................................................................... Nombres comunes de los alcanos.. .............................................................................................23 OBTENCIÓN. ...................................................................................................................................25 ........................................................................................................................ ..................................................... 27 CUESTIONARIO N° 2 ................................................................... ................................................................................................................... ........................................ 29 Hidrocarburos insaturados insaturados ...........................................................................  ALQUENOS U DEFINAS DEFINAS .....................................................................................................................29 Estructura del doble enlace. .........................................................................................................29 .......................................................................................................................................... .................................................................. 29 Isomería ........................................................................ ............................................................................................................................ ..................................................... 30 Grupos idénticos ....................................................................... Nomenclatura de alquenos. ..........................................................................................................30 ................................................................................................................ ........................................ 31 PROPIEDADES FÍSICAS ........................................................................ ............................................................................................................ ........................................ 31 PROPIEDADES QUÍMICAS .................................................................... ................................................................................................................. ........................................ 33 Obtención de alquenos ......................................................................... .................................................................................................................. ........................................3 3  Alcadienos y derivados derivados.......................................................................... .............................................................................................................. ........................................ 34  ALQUINOS O ACETILENOS ACETILENOS ...................................................................... .......................................................................................................... ........................... 34 Estructura del triple enlace ............................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 35 Propiedades físicas ................................................................... .................................................................................................................... ........................................3 5 Propiedades químicas............................................................................ .................................................................................................................. ........................................ 36 Obtención de alquinos .......................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 37 CUESTIONARIO N° 3 ................................................................... .................................................................................................................... ........................................ 40 Hidrocarburos aromáticos ............................................................................ ......................................................................................................................................... ..................................................................41 El benceno ....................................................................... ....................................................................................................................... ........................................44 Propiedades físicas: ............................................................................... .................................................................................................................... ........................................4 4 Propiedades químicas............................................................................ ........................................................................................................................ ..................................................... 45 CUESTIONARIO N° 4 ................................................................... ................................................................................................................... ........................................ 47 FUNCIONES OXIGENADAS ........................................................................... ........................................................................................................................................ ..................................................................47  ALCOHOLES ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 47 NOMENCLATURA ...................................................................... 2 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ............................................................................................................. ........................................ 23 Nomenclatura de alcanos ..................................................................... Nombres comunes de los alcanos.. .............................................................................................23 OBTENCIÓN. ...................................................................................................................................25 ........................................................................................................................ ..................................................... 27 CUESTIONARIO N° 2 ................................................................... ................................................................................................................... ........................................ 29 Hidrocarburos insaturados insaturados ...........................................................................  ALQUENOS U DEFINAS DEFINAS .....................................................................................................................29 Estructura del doble enlace. .........................................................................................................29 .......................................................................................................................................... .................................................................. 29 Isomería ........................................................................ ............................................................................................................................ ..................................................... 30 Grupos idénticos ....................................................................... Nomenclatura de alquenos. ..........................................................................................................30 ................................................................................................................ ........................................ 31 PROPIEDADES FÍSICAS ........................................................................ ............................................................................................................ ........................................ 31 PROPIEDADES QUÍMICAS .................................................................... ................................................................................................................. ........................................ 33 Obtención de alquenos ......................................................................... .................................................................................................................. ........................................3 3  Alcadienos y derivados derivados.......................................................................... .............................................................................................................. ........................................ 34  ALQUINOS O ACETILENOS ACETILENOS ...................................................................... .......................................................................................................... ........................... 34 Estructura del triple enlace ............................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 35 Propiedades físicas ................................................................... .................................................................................................................... ........................................3 5 Propiedades químicas............................................................................ .................................................................................................................. ........................................ 36 Obtención de alquinos .......................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 37 CUESTIONARIO N° 3 ................................................................... .................................................................................................................... ........................................ 40 Hidrocarburos aromáticos ............................................................................ ......................................................................................................................................... ..................................................................41 El benceno ....................................................................... ....................................................................................................................... ........................................44 Propiedades físicas: ............................................................................... .................................................................................................................... ........................................4 4 Propiedades químicas............................................................................ ........................................................................................................................ ..................................................... 45 CUESTIONARIO N° 4 ................................................................... ................................................................................................................... ........................................ 47 FUNCIONES OXIGENADAS ........................................................................... ........................................................................................................................................ ..................................................................47  ALCOHOLES ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 47 NOMENCLATURA ...................................................................... 2 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ........................................................................................................................ ..................................................... 49 Propiedades físicas ................................................................... Métodos de obtención. ..................................................................................................................49 ......................................................................................................... ...........................51 Reacciones de los alcoholes .............................................................................. ............................................................................................................................................. .................................................................. 53 FENOLES ........................................................................... ................................................................................................................................. ..................................................... 53 Nomenclatura ............................................................................ .................................................................................................................. ........................................ 53 Propiedades químicas: .......................................................................... .................................................................................................................... ........................................ 54 Obtención de fenoles ............................................................................ ........................................................................................................................ ..................................................... 55 CUESTIONARIO N° 5 ................................................................... .............................................................................................................................. ..................................................... 57 GRUPO CARBONILO ......................................................................... .................................................................................................................. ........................................ 58  ALDEHIDOS Y CETONAS CETONAS .......................................................................... Nomenclatura de los aldehidos. ...................................................................................................59 ....................................................................................................................... ........................................ 59 Propiedades físicas. ............................................................................... ............................................................................................................................................ .................................................................. 59 CETONAS .......................................................................... Nomenclatura de las cetonas. ......................................................................................................60 ........................................................................................................................ ..................................................... 60 Propiedades físicas ................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 61  ÁCIDOS ORGÁNICOS ORGÁNICOS ................................................................... ÉTERES. ...............................................................................................................................................62 ................................................................................................. ........................6 2 Propiedades físicas de los éteres......................................................................... ................................................................................................................................. ..................................................... 62 Nomenclatura ............................................................................ .......................................................................................................... ........................... 64 FUNCIONES NITROGENADAS NITROGENADAS ............................................................................... .................................................................................................................................. ..................................................... 65 Isomería óptica ............................................................................. PRIORIDADES A LOS DIFERENTES GRUPOS QUE SUSTITUYEN AL CARBONO ..................................................................................................................................6 6  ASIMÉTRICO. .................................................................................................................................. ........................................................................................................................ ..................................................... 66 CUESTIONARIO Nº 6 ................................................................... 3 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica QUÍMICA ORGÁNICA EL ÁTOMO DE CARBONO QUÍMICA ORGÁNICA La química orgánica es rama de la química en la que se estudian el carbono, sus compuestos y reacciones. La química orgánica se encarga del estudio de los compuestos que contienen carbono, sean de origen orgánico o sintético. La aparición de la química orgánica se asocia a menudo al descubrimiento, en 1828, por el químico alemán Friedrich Wöhler, de que la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en urea, una sustancia orgánica que se encuentra en la orina de muchos animales. La aparición de la química orgánica se asocia a menudo al descubrimiento, en 1828, por el químico alemán Friedrich Wöhler, de que la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en urea, una sustancia orgánica que se encuentra en la orina de muchos animales. Antes de este descubrimiento, los químicos creían que para sintetizar sustancias orgánicas, era necesaria la intervención de lo que llamaban ‘la fuerza vital’, es decir, los organismos vivos. LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Existe una amplia gama de sustancias (medicamentos, vitaminas, plásticos, fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas) formadas por moléculas orgánicas. Aproximadamente un 90% de los compuestos que se conocen contienen carbono en sus moléculas. Gran parte de los compuestos orgánicos que se hallan en la naturaleza son producto de la fotosíntesis de los vegetales; otras fuentes de compuestos orgánicos son: el carbón, materia prima tradicional y la hulla, que al destilarla en ausencia de aire a altas temperaturas se desprenden sustancias volátiles, gas y alquitrán de hulla y como residuo se obtiene carbón coque. El petróleo es la primera fuente de compuestos orgánicos. Al destilarlo se obtienen compuestos como la gasolina, aceites, lubricantes, disolventes y otros compuestos utilizados como materia prima en la industria. La síntesis orgánica se realiza en el laboratorio y consiste en la obtención de un compuesto orgánico a partir de otros compuestos mediante reacciones químicas. 4 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Diferencias entre compuestos Orgánicos e Inorgánicos La capacidad del carbono para formar enlaces covalentes (en un enlace covalente, los dos átomos enlazados comparten electrones) con otros átomos de carbono en largas cadenas y ciclos, distingue al carbono de los demás elementos. Los puntos de fusión y ebullición en compuestos orgánicos son bajos debido a su formación por enlace covalente. Los compuestos inorgánicos poseen puntos de ebullición altos comparados con los orgánicos. Las reacciones de los compuestos orgánicos, por ser moleculares, son lentas y trascurren a temperaturas bajas, mientras en los compuestos inorgánicos las reacciones son iónicas y generalmente rápidas. Los compuestos orgánicos son poco solubles dentro del agua y malos conductores de la electricidad. Los compuestos inorgánicos se disuelven en agua, formando soluciones buenas conductoras de la electricidad. Son combustibles y casi todos los compuestos se descomponen a temperaturas inferiores a los 300°C. Están constituidos por un número reducido de elementos. Aparte del carbono: hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; en menor proporción cloro, bromo, iodo, azufre y fósforo. Estructura del átomo de carbono El carbono es el primer elemento del grupo IV del sistema periódico y el más pequeño que posee cuatro electrones de valencia. Se encuentra en el segundo período, su número atómico es 6 (Z=6), o sea que tiene seis electrones repartidos en dos niveles de energía; los externos son los cuatro electrones de valencia. Su configuración electrónica es: 1s2 2s2 2p3 6C ó 1s 2s 2px 2py 2pz Propiedades fundamentales del carbono Las propiedades fundamentales del carbono son: 1. Tetravalencia. Para adquirir la estructura de gas noble puede ganar o perder cuatro electrones. Pero, en la mayoría de los casos, se comporta como electronegativo; la estructura electrónica de gas noble la adquiere por covalencia (compartición de electrones con otros átomos), por lo cual se combina fácilmente con el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o con otros carbonos para formar cadenas. 5 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 2. Estabilidad de los enlaces . Por el reducido volumen del átomo de carbono los enlaces covalentes son fuertes y estables. Esta estabilidad origina la solidez de la covalencia C-C, lo cual permite la formación de cadenas con número de átomos de carbono ilimitado. 3. Estructura tetratónica. El átomo de carbono es tetraédrico: los cuatro electrones de valencia se hallan situados 2 en el orbital 2s y 2 en los orbitales p x y py, respectivamente; esto implica que los cuatro electrones poseen diferente valor en energía. Sin embargo, el análisis mediante rayos X demuestra que los cuatro enlaces formados por el átomo de carbono se encuentran en direcciones preestablecidas. Los cuatro enlaces se disponen espacialmente en las direcciones de los vértices de un tetraedro, cuyo centro está ocupado por el átomo de carbono. Formas de representación Existen varias formas de representar la disposición de los enlaces en los compuestos orgánicos. Los principales son (Como ejemplo el átomo de metano): 1. Modelo geométrico. Destaca la forma geométrica del carbono y la dirección de sus enlaces. 2. Modelo de barras y esferas. Indica la dirección de los enlaces y los ángulos que ellos forman. 3. Modelo escalar o compacto. Indica las proporciones existentes entre los átomos e ilustra la forma real de la molécula. 6 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 4. Representación espacial. Representa la estructura tridimensional en dos dimensiones. Los enlaces que quedan en el plano del papel se señalan con una línea más acentuada; los orientados hacia atrás, en línea punteada, y los dirigidos hacia el observador, con una línea que aumenta en grosor progresivamente. Se le conoce como cuña o aleta. H C H H H 5. Representación convencional. H H C H H El átomo de carbono forma cuatro enlaces con otros átomos (esto indica la valencia). Uno de los fundamentos en química orgánica es la tetracovalencia del átomo de carbono.  Esto se explica mediante la teoría de la hibridación, para lo cual hemos de tener en cuenta el estado fundamental del  carbono y el estado excitado. El estado fundamental de un átomo es la distribución electrónica que presenta cuando se halla en estado libre. En la distribución electrónica del átomo de carbono en estado fundamental, no aparecen electrones en el orbital 2pz. Esto nos llevaría a deducir que el átomo de carbono presenta dos valencias, las correspondientes a los orbitales 2px  y 2py  que contienen un solo electrón cada uno. Sin embargo, en el momento de entrar en combinación, e carbono modifica su estructura electrónica fundamental: uno de los dos electrones del orbital 2s adquiere energía del medio y salta pasando al 7 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica estado de orbital 2p. Ahora el átomo de carbono presenta cuatro electrones impares, disponibles para el enlace, que representan las cuatro valencias que posee. De esta manera cambia a un estado denominado excitado. 1s 2s 2px 2py 2pz El estado excitado lo adopta el carbono para entrar en combinación. Distribución espacial de los orbitales del átomo de carbono en estado excitado. Teoría de la hibridación. Hibridación del átomo de carbono: la hibridación es la entremezcla de orbitales con diferente cantidad en energía para originar nuevos orbitales híbridos que posean igual cantidad de energía entre sí. La excitación ocurre en forma casi simultánea con la nueva reestructuración en las características energéticas de los electrones que conducen a una modificación en la forma y orientación de los orbitales. La hibridación del átomo de carbono puede realizarse de tres maneras, dependiendo del tipo de compuesto que va a formar: tetraedral o tetragonal, trigonal y diagonal. 1. Hibridación tetraedral o sp3: en esta clase de hibridación, los orbitales de valencia 2s y los 2px, 2py y 2pz se entremezclan para formar cuatro nuevos orbitales, los cuales tienen la misma cantidad de energía con un electrón girando en cada uno de ellos. Los nuevos orbitales se denominan sp3 y están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular con un ángulo de 109° 28' entre cada par de orbitales. Esta hibridación del carbono la adopta en la formación de enlaces covalentes simples. El símbolo sp 3  indica que para la formación de este orbital participaron un orbital s y 3 orbitales p. 8 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 2. Hibridación tetraedral. La mezcla de los orbitales es: 1 (2s)+1(2px)+1(2py)+1 (2pz) 4(sp3) Hibridación trigonal o sp2: en esta hibridación se mezclan los orbitales 2s, 2px, 2py, quedando el orbi tal 2pz en estado puro, sin sufrir hibridación. Se obtiene en la hibridación sp2, formando entre sí ángulos de 120°, situados en un mismo plano y dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero. El orbital 2p se ubica perpendicular al plano de los orbitales hibridizados. Esta estructura la realiza el carbono en los enlaces covalentes dobles. Esta hibridación la realiza el carbono cuando se forman dobles enlaces carbono-carbono. La mezcla de los orbitales es: 1(2s)+1(2px)+1(2py) 3(sp2) 3. Hibridación digonal o sp: se presenta cuando se mezclan los orbitales 2s y 2p, para originar dos orbitales colineales híbridos denominados sp. Los dos orbitales resultantes sp se ubican formando un ángulo de 180° entre sí y los orbitales py y pz se sitúan perpendiculares al plano de los orbitales hibridizados. Esta estructura la adopta el carbono al formar enlaces covalentes triples. Hibridación Digonal o sp. La participación de los orbitales es: 1(2s)+1(2px) 2(sp) 9 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Orbitales moleculares El par de electrones compartidos en un enlace covalente no se mantienen estacionarios entre los átomos, sino que ocupan orbitales algo similares a los atómicos, denominados orbitales moleculares. Estos orbitales que retienen pares de electrones están dispuestos en el espacio en torno a dos o más centros atómicos o núcleos, en vez de estar alrededor de uno como en el caso de orbitales atómicos. Se puede tener una idea aproximada de las formas de los orbitales moleculares si se considera que están formados por solapamiento de orbitales atómicos de los átomos que intervienen. Hay dos tipos generales de orbitales moleculares: orbitales sigma ( σ ) y orbitales pi ( π) Orbital sigma (σ) Los orbitales sigma son uniformemente simétricos en torno al eje internuclear, la línea que pasa por los centros de los átomos enlazados. El enlace sencillo  son orbitales sigma ocupados por dos electrones que forman un enlace sigma. En la geometría general de la molécula; los enlaces sigma constituyen el esqueleto molecular. Los orbitales sigma se forman por el solapamiento o superposición de cualesquiera dos de los siguientes tipos de orbitales hibridizados o sin hibridación: s, p, sp, sp 2 y sp3. Cada orbital sigma es simétrico en torno a la línea que pasa por los centros de ambos átomos y que cada uno predice mayor probabilidad de electrones entre los centros de los átomos que en cualquier otro lugar. La densidad de electrones (probabilidad) entre los núcleos cuando el orbital está ocupado por electrones, da la carga negativa que mantiene unidos a los núcleos positivos. Solapamiento de orbitales atómicos para formar orbitales moleculares con enlaces sigma ( σ) 10 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Orbital pi (π) Un orbital molecular pi no es uniformemente simétrico en torno del eje ínter nuclear, pero es simétrico a un plano que contiene ese eje, es decir, tiene dos mitades idénticas, una por encima y otra por debajo del eje ínter nuclear. El segundo trazo del doble enlace y los trazos segundo y tercero del triple enlace en la fórmula representan, cada uno, un orbital pi ocupado. Los orbitales moleculares pi (enlaces pi,) se forman por el solapamiento de los orbitales p paralelos de dos, tres y cuatro átomos. Este enlace formado sólo a partir de dos orbitales p y  y entre dos átomos, se denomina enlace localizado. Los enlaces en que intervienen más de dos orbitales p y más de dos centros atómicos se denominan enlaces deslocalizados. En todos los orbitales pi representados hay cierta probabilidad electrónica por encima y por debajo de, y entre cada par de núcleos. La carga negativa resultante tiende a mantener unidos los núcleos. Sólo dos electrones pueden ocupar un orbital molecular, por ello, la probabilidad electrónica entre cada dos centros representa sólo una contribución fraccionaria ala multiplicidad del enlace entre cualquiera de dos átomos involucrados. Solapamiento de orbitales atómicos para formar orbitales moleculares de enlace pi (π). ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL METANO La molécula del metano, CH 4, tiene cuatro enlaces sencillos. El átomo de carbono tiene hibridación sp3 y la siguiente estructura electrónica orbital para el enlace: C (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1 Cada orbital molecular que interviene en el enlace es un orbital sigma, formado por el solapamiento de un orbital s de un átomo de hidrógeno y un orbital sp 3  del átomo de carbono. Los orbitales sp 3 están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular, así como orbitales moleculares. La molécula 11 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica es tridimensional y el ángulo entre cada par de electrones enlaces es igual al ángulo tetraédrico, 109º 28'. Esqueleto El esqueleto de una molécula orgánica es la esquematización de la manera como se unen los átomos de carbono, representando sus cuatro valencias, sin tener en cuenta los átomos que las saturan. Los átomos distintos del carbono son parte del esqueleto cuando hacen parte de la cadena. Cadena es el conjunto de átomos (principalmente de carbono) unidos de tal forma que la fórmula estructural puede recorrerse continuamente. Cuando un esqueleto está constituido por una sola cadena se denomina normal o lineal; ramificado, cuando tienen cadenas secundarias; cíclicos, cuando forma una cadena cerrada o anillo. Los esqueletos pueden tener en sus cadenas otros átomos: La estructura de un esqueleto carbonado sería: 12 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica  Esqueleto normal o lineal a) Cadenas carbonadas Las cadenas pueden ser lineales o normales, ramificadas o arborescentes, y cíclicas o cerradas. Cadena lineal. Está constituida por átomos de carbono unidos cada uno máximo a dos carbonos. b) Cadena ramificada. Uno o varios átomos de carbono se unen a tres o cuatro carbonos, o cuando aparece una cadena lateral unida a otra cadena de mayor longitud.  Cadena cíclica. Los átomos de carbono forman un anillo o c iclo. 13 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Debido a su alta capacidad para constituir estructuras abiertas o cerradas, el átomo de carbono se encuentra formando más de dos millones de compuestos orgánicos que se agrupan en dos series de la siguiente forma: Clases de carbono: teniendo en cuenta a cuántos carbonos o grupos sustituyentes se encuentra unido, el carbono se clasifica en: Carbono primario: cuando se encuentra unido a un solo carbono o a un grupo sustituyente a través de un enlace simple. Carbono secundario: si se encuentra unido a dos carbonos o a dos grupos sustituyentes a través de enlaces covalentes simples. Carbono terciario: es el que se encuentra enlazado a tres átomos de carbono o tres grupos sustituyentes por enlace covalente simple. Carbono cuaternario: cuando se encuentra unido a cuatro átomos de carbono o cuatro grupos sustituyentes por medio de enlaces covalentes sencillos. El siguiente ejemplo ilustra los conceptos anteriores: 14 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Fórmulas empleadas en química orgánica Una fórmula química es una representación con símbolos dé cada uno de los elementos que hacen parte de un compuesto. En orgánica, se usan las siguientes fórmulas: Fórmula empírica. Es una expresión que representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico. Es por tanto la representación más sencilla de un compuesto.1 Por ello, a veces, se le llama fórmula mínima. Puede coincidir o no con la fórmula molecular, que indica el número de átomos de cada clase presentes en la molécula. Fórmula molecular. Presenta el número real de átomos en la molécula. Se ha determinado que el acetileno tiene un peso molecular de 26 g, mientras que el benceno de 78 g. Conociendo el peso molecular y la fórmula empírica podemos deducir que la fórmula molecular de los anteriores compuestos es C2H2 para el acetileno y C 6H6 para el benceno. Fórmula estructural. Nos dice cómo están unidos los átomos en la molécula. Así para el acetileno, indica que los dos átomos de carbono están ubicados en el centro unidos por un triple enlace y que a cada lado de los carbonos se une un átomo de hidrógeno a través de un enlace covalente simple. En el benceno observamos a los seis átomos de carbono unidos entre sí formando un anillo, en donde se alternan los enlaces simples y dobles y a cada carbono está unido un átomo de hidrógeno por medio de un enlace covalente simple: 15 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica También se acostumbra utilizar la llamada fórmula estructural condensada o simplificada. En el caso del acetileno y del 1-butanol se pueden representar a través de la fórmula estructural condensada así: Serie homóloga Una serie homóloga es la que está constituida por compuestos en la que cada uno de sus miembros se distingue del inmediatamente superior o inferior por un grupo metileno (CH 2-): Serie homóloga de los alcanos Serie homóloga de los alquenos Fórmula general CnH2n+2 Fórmula general CnH2n CH4 metano CH2=CH2 eteno CH3CH3 etano CH3-CH=CH2 propeno CH3CH2CH3 propano CH3-CH2CH=CH2 1-buteno CH3CH2CH2CH3 butano CH3-CH=CH-CH3 2-buteno Series homólogas Función química y grupo funcional: Para una mayor comprensión en el estudio de los compuestos orgánicos se han agrupado por funciones de acuerdo con su grupo funcional. El grupo funcional es un átomo o grupo de átomos cuya presencia en la molécula determina las propiedades características de la función. CH3 - OH + Na + Metanol CH3-O-Na metóxido de sódio o metanolato de sodio 16 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CH3-CH2-OH + Na+ etanol CH3-CH2-O-Na etóxido de sodio o etanolato de sodio El OH es el grupo funcional hidroxilo y corresponde a la función alcohol. En las dos reacciones la forma como se produce la reacción es igual y los productos son similares. Sin embargo, la primera se realiza a mayor velocidad, dado que el grupo CH- tiene mayor influencia sobre el hidrógeno del OH. Nomenclatura Nomenclatura I.U.P.A.C En la nomenclatura IUPAC el nombre de un compuesto orgánico consta de: 1. Raíz o prefijo. Indica el número de átomos de carbono que constituyen la molécula. 2. Terminación o sufijo. Enuncia la naturaleza del grupo funcional o el grado de instauración; en el caso de los alcanos se utiliza el sufijo ano. 17 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Los cuatro primeros nombres se tomaron de la nomenclatura sistemática, los siguientes de la numeración griega o latina, que indica el número de carbonos en la cadena. Ejemplo: penta, cinco; hexa, seis; hepta, siete, etc. El sufijo -ano se utiliza cuando el compuesto presenta enlaces sencillos; cuando los enlaces son dobles, se cambia por -eno y en caso de enlaces triples por -ino. Ejemplos CH3—CH3 CH2 = CH2 etano, eteno o etileno Isómeros Dos o más compuestos diferentes con idéntica fórmula molecular y diferente fórmula estructural se llaman isómeros esto se debe a que los átomos pueden organizarse de manera diferente formando compuestos diferentes. Existen diferentes clases de isomería, pero sólo mencionaremos dos, la isomería de posición y la isomería de cadena. La isomería de posición se presenta en los alquenos y los alquinos, tomando en cuenta el lugar donde se encuentra la doble o triple ligadura. Ejemplos: 18 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Hay que tener presente que: El número 1 generalmente se omite pero se debe utilizar con el fin de evitar confusiones: /os números siempre se separan del nombre por medio de un guión. El sentido de numeración de la cadena lo determina el dígito menor donde aparece el grupo funcional  numerando la cadena por el extremo donde se halle más cerca el grupo funcional principal. La isomería de cadena la presentan compuestos con igual número de átomos de carbono e hidrógeno, pero la estructura es distinta en la cadena debido a la presencia de arborescencias. Ejemplo: CUESTIONARIO 1: 1. Complete: La química orgánica es rama de la química en la que se estudian el……………, sus reacciones y……………... La aparición de la ………….. …………….. se asocia con el descubrimiento de que , la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en…………... que es una sustancia………………….  Esto fue descrito por el químico alemán…………………en …………….. Todos los compuestos orgánicos de la naturaleza son producto de la……………………de las plantas, el carbón, y la………. El……………..es la primera fuente de compuestos orgánicos  usados por el hombre. 19 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Configuración electrónica del Carbono: …..2 2….2 2p…. Es el primer elemento del …………… periodo en el sistema periódico y el más…………… que posee………..… …………….. de oxidación. Las propiedades fundamentales del carbono son: La………………… que le permite adquirir la estructura de…………….. la que adquiere por covalencia (esto es la……………..de electrones con otros………………) puede ganar o perder……………………... Pero, en la mayoría de los casos, se comporta como electronegativo; la estructura electrónica de gas noble, por lo cual se combina fácilmente con el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o con otros carbonos para formar cadenas. A demás los enlaces son………………...  por el reducido volumen del átomo de carbono y sus enlaces ……………….. fuertes y ………………. Esta estabilidad origina la solidez de la …………….. C -C, lo cual permite la formación de …………….. con número de átomos de carbono ……………….. Una estructura ……………... en la que el átomo de carbono es ……………: los cuatro ……………..de…………….. se hallan situados 2 en el orbital …….y……. en los   orbitales px y py; esto implica que los cuatro electrones poseen diferente valor en energía. 2. Responda correcta y concretamente:  ¿Qué es la química orgánica?  ¿Qué es la teoría de la hibridación?  ¿Cuántos enlaces forma el átomo de carbono con otros átomos y esto que indica?  ¿Cuál es la diferencia entre el estado fundamental y el estado excitado del carbono?  ¿Cuántas y en que orbitales se encuentran las valencias del carbono?  ¿Como cambia la estructura electrónica del carbono al entrar en combinación?  ¿Cuál es la diferencia entre los orbitales sigma ( σ ) y orbitales pi (π)?  ¿Qué es el metano? Descríbalo. 3. Enumere las formas de representar la disposición de los enlaces en los compuestos orgánicos con un gráfico de cada uno 4. Complete: 1s …… 2px …. 2pz Distribución electrónica del carbono en estado excitado …………..: de cadena ………….. ………..... Alicíclicos: de cadena ……………... 20 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica …………………: ……………formados solamente de …………….. Aromáticos …………………: Anillos formados de …………..y …………………. Hidrocarburos saturados ALCANOS O PARAFINAS Son compuestos de cadena abierta, los carbonos están unidos por enlaces simples, por lo que son compuestos saturados. Están conformados por carbono e hidrógeno, unidos entre sí por enlaces covalentes simples del tipo sigma. Las cadenas de carbono de estos compuestos pueden ser: Lineal: Cuando sólo existe una cadena de carbonos, como por ejemplo el Butano CH3-CH2-CH2-CH3 Arborescente o ramificación: Cuando la cadena principal presenta ramificaciones. El compuesto más sencillo de esta serie es el metano, ya visto con anterioridad. Su fórmula molecular es CH4 Presenta cuatro enlaces tipo sigma carbono —hidrógeno que se forman por el solapamiento de un orbital s con un orbital sp 1  en cada caso. Este compuesto presenta en el átomo de carbono hibridación tetraedral. PROPIEDADES FÍSICAS En condiciones normales de temperatura y presión los alcanos de uno a cuatro átomos de carbono son gases incoloros generalmente sin olor. De cinco a 16 átomos, son líquidos, y los demás son sólidos sin olor, insolubles en agua, pero solubles en alcohol, éter y benceno. Los puntos de ebullición, fusión, viscosidad y densidad generalmente aumentan conforme aumenta el peso molecular. En general son poco reactivos. 21 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica PROPIEDADES QUÍMICAS Los alcanos son poco reactivos químicamente porque sus moléculas están formadas por enlaces sigma, difíciles de romper. Las reacciones de estos compuestos ocurren en condiciones muy fuertes o por el ataque de reactivos fuertes como átomos o radicales libres. 1. Combustión: Todos los hidrocarburos alcanos reaccionan con el oxígeno puro o en el aire, para producir dióxido de carbono y vapor de agua; esta combustión se denomina fuerte. 2. Halogenación:  cuando un alcano con un halógeno (Cl, Br,l) se expone a la luz solar y altas temperaturas, reacciona presentando la sustitución de uno o más hidrógenos por átomos de halógeno, formando como productos derivados haluros o halogenuros de alquilo: 3. Nitración:  con ácido nítrico los alcanos se combinan, originando productos de gran valor como combustibles o solventes. En esta reacción se presenta ruptura considerable de enlaces C —C y sustitución de hidrógenos por grupos NO 2: De estos productos el que se obtiene en mayor cantidad es el 2-nitropropano. LOS FREONES: Los alcanos con un numero reducido de carbonos son muy estables a la acción de los diferentes reactivos (ácidos y agentes oxidantes en condiciones ordinarias). El yodo no les ataca, pero lo hacen el flúor, cloro y bromo, dando por reacciones de sustitución compuestos como el CCl 3 (cloroformo), el CCl4 (tetracloruro de carbono) y los llamados freones, CFCl 3 y CF2Cl2, que son de particular interés. Recientemente ha surgido la inquietud de que algunos contaminantes del aire estén agotando la barrera protectora de ozono; ésta es una capa formada por dicho gas que rodea la Tierra en la estratosfera. Esta capa nos protege principalmente de las radiaciones ultravioleta que en dosis elevadas nos pueden producir quemaduras e incrementar las posibilidades de cáncer en la piel. Por 22 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ejemplo, el CFCl3 en un impelente de las latas de aerosoles, por lo que todo el material fabricado por ese uso debe dispersarse en la atmósfera. También el CF 2Cl2 es un refrigerante que cuando se deterioran o aherrumbran los refrigeradores viejos se dispersa en el aire. Todos estos compuestos son bastante estables a temperaturas bajas. Sin embargo, pueden dispersarse en la estratosfera, donde se producen reacciones que dañan el ambiente. El cloro atómico puede eliminar el ozono: El resultado es que, finalmente, el CFCl 3 elimina el ozono. Se ha calculado que si se llegan a realizar los incrementos proyectados respecto del uso de estos compuestos, si éstos no se destruyen en la atmósfera inferior, la abundancia total del ozono puede disminuir más del 20% en los próximos cincuenta años. Nomenclatura de alcanos Para nombrar estos compuestos se aplican las reglas que dicta la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC en inglés), que dice que los primeros cuatro hidrocarburos tienen nombres triviales. Fórmula condensada Cadena Nombre CH4 CH4  Metano C2H6 CH3-CH3  Etano C3H8 CH3-CH2-CH3  Propano C4H10 CH3-CH2-CH2-CH3  Butano Nombres comunes de los alcanos. Del término de cinco átomos de carbono en adelante se utilizan prefijos numerales de acuerdo al número de átomos de carbono y la terminación ANO, como por ejemplo: 23 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Fórmula condensada Número de Cadena 1 2 3 4 5 6 7 Nombre Átomos de Carbono C5 H12 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Pentano 5 C6 H14 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Hexano 6 C7 H16 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3  Heptano 7 Para nombrar los alcanos, por ende, procederemos a nombrar siguiendo el siguiente patrón: Note que la formula condensada los CH2 entre paréntesis indican la condensación de estos para no repetirlos.  Alcanos Ramificados Para nombrar los alcanos con ramificaciones se deben seguir las siguientes reglas: 1. Se numera la cadena principal a partir del extremo más cercano al punto de ramificación. 2. Se indica el nombre y posición de cada uno de los radicales teniendo en cuenta a qué carbono de la cadena principal se halla unido. 3. Cuando hay dos o más radicales iguales, se indica el número de veces que se encuentra, usando prefijos di, tri, tetra,..., para 1, 2, 3, 4, ...7. 4. El nombre de los radicales sustituyentes se escribe en orden de complejidad antes del correspondiente al hidrocarburo base. La cadena mayor es de 7 carbonos y se debe comenzar a numerar por el extremo izquierdo. Los grupos o radicales metil se encuentran unidos al carbono 2 y 4; el radical etil se une al carbono 5 y el radical isopropil en el 4. Por tanto, el nombre del compuesto es: 2, 4—dimetil—5, etil—4-isopropil heptano 24 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica OBTENCIÓN El petróleo es la mayor fuente para obtener alcanos mediante su destilación fraccionada. En el laboratorio se hace uso de las siguientes síntesis:  Síntesis de Wurtz: consiste en adicionar lentamente haluro de alquilo a trocitos de sodio. éter Síntesis de Wurtz  Por hidratación del reactivo de Grignard: al tratar los haluros de alquilo con el magnesio en presencia de éter se forma el reactivo de Grignard el cual, por hidratación, produce la parafina correspondiente:  La destilación de la hulla: permite obtener alcanos líquidos a partir de la reducción catalítica del monóxido de carbono por hidrógeno, a presión normal y temperaturas de 200 °C. En el proceso resulta una mezcla de varios alcanos. Una ecuación simplificada es la siguiente: 25 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 26 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CUESTIONARIO N° 2 1. Coloque el número que corresponda a las siguientes reacciones: Fórmula Reacción de: Combustión (….) Halogenación (….) Nitración (….) Síntesis de Wurtz (….) Reactivo de Grignard (….) Destilación de la hulla (….) 2. Determine a qué clase de carbono corresponden los siguientes ejemplos: 3. Enumere los tipos de fórmulas empleadas en química orgánica con un ejemplo diferente al usado en el módulo. 4. ¿Qué es una función química y grupo funcional? 5. Señale a que función química y grupo funcional pertenecen los siguientes compuestos: Compuesto Orgánico Función química (2-Buteno) ó Grupo funcional alquenos (Propano) 27 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica (2-Pentino) (1-Propanol) (Metilpentilcetona) (ácido fórmico) (etanoanina) 6. Complete los espacios en blanco Fórmula Cadena 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nombre Número de Átomos de condensada 1 C8H18 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 ___________ __________  _________ CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 ___________ __________ C10H22 ____________________________________ ___________ __________ Carbono 7. De numere y de nombre a los siguientes hidrocarburos alcanos ramificados: 28 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 8. Complete: La síntesis de Wurtz consiste en adicionar lentamente ……………. a trocitos de……… Se puede obtener alcanos al tratar los …………de………… con el ………………..en presencia de……….. formándose el reactivo de……………….. y al hidratarlo, produce la parafina correspondiente. Los alcanos líquidos también se obtienen de la …………de la…………. gracias al una reducción ……………..del monóxido de carbono por…………….., a ……………normal y …………….de ……… °C. 9. Responda brevemente:  ¿Cuál es la reacción más importante de los alcanos? Escribir un ejemplo.  Indique cuales son las propiedades físicas de los alcanos.  ¿Por qué los alcanos son poco reactivos químicamente?  ¿Cuál es la mayor fuente de obtención de alcanos?  ¿Cómo es la combustión, halogenación y nitración en los alcanos? 10. Realice un resumen de la nomenclatura de los alcanos. Hidrocarburos insaturados ALQUENOS U DEFINAS Los alquenos presentan como fórmula general C nH2n  y poseen como característica estructural estar formados de carbono e hidrógeno con uno o varios enlaces dobles carbono —carbono. Estructura del doble enlace Teniendo en cuenta el alqueno más simple, eteno, el doble enlace está constituido así: un enlace sigma por solapamiento de 2 orbitales 5p2 y un enlace pi, π , por solapamiento de los orbitales pz. Isomería Cuando en un compuesto se presenta un doble o triple enlace son posibles más ordenaciones de los átomos en la molécula, porque los enlaces múltiples pueden ocupar diferentes posiciones en la cadena de carbono. Por ejemplo, en una cadena de cuatro carbonos, un doble enlace puede estar entre los carbonos 1 y 2, o entre los carbonos 2 y 3, como sigue: CH3=CHCH2CH3 o CH3CH=CHCH3 1 -buteno 2 -buteno 29 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Los isómeros de esta clase, que sólo difieren en la posición del grupo funcional, se denominan isómeros de posición. En los alquenos existe también un tipo de isomería que no es posible entre los alcanos, debido al doble enlace carbono —carbono, rígido, que no puede efectuar rotación, impidiendo se muevan los átomos en el plano geométrico. Por ejemplo, hay dos alquenos diferentes de cuatro carbonos con la misma fórmula estructural CH3CH=CHCH3. Grupos idénticos Los dos grupos metil o los dos átomos de hidrógeno, en este ejemplo, pueden aparecer en el mismo lado de un plano que pasa por los dos carbonos y es perpendicular al plano de la molécula (compuesto Cis) o pueden aparecer en lados opuestos de ese plano (compuesto Trans). Los dos compuestos cis-2buteno y trans-2-buteno se denominan isómeros geométricos cis —trans. “El término configuración se usa para especificar la ordenación espacial de los átomos en una molécula. Los isómeros geométricos pertenecen a uno de los tipos de estereoisómeros y difieren uno de otro en su configuración”. Como las fórmulas estructurales especifican sólo el orden de sucesión de los átomos en una molécula, estos isómeros, en los cuales los mismos grupos están unidos a las mismas posiciones de la misma estructura, se denominan estéreo-isómeros y difieren sólo en la configuración. Nomenclatura de alquenos El sistema I.U.P.A.C de nomenclatura para alquenos se fundamenta en las siguientes reglas: 1. El sufijo característico de los alquenos es eno. Los prefijos son los mismos de los alcanos correspondientes, de igual número de carbonos: met, et, prop, but, etc. 2. Para alquenos ramificados, se selecciona la cadena que contenga mayor número de carbonos y que en ella quede incluido el doble o los dobles enlaces. 3. El compuesto se nombra como derivado del alqueno de igual número de carbonos. 30 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 4. Se numera la cadena comenzando por el extremo a donde se halle más cerca un doble enlace. La posición de los grupos sustituyentes o ramificaciones se denota por el número del carbono al que estén unidas; si se tienen varias ramificaciones de la misma clase, a su nombre se antepone el prefijo correspondiente: di, tri, tetra, etc. Ejemplos de alquenos ramificados: PROPIEDADES FÍSICAS Son compuestos débilmente polares; esta propiedad es resultado de los electrones pi del doble enlace. En sus propiedades físicas son bastante parecidos a los alcanos. A temperatura ambiente son gases los cuatro primeros; del penteno al octadeceno se encuentran en estado líquido y del nonadeceno en adelante son sólidos. PROPIEDADES QUÍMICAS La diferencia más notable entre alcanos y alquenos radica en que los primeros reaccionan por sustitución y los segundos por adición: 31 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 1.  Adición de hidrógeno: en presencia de níquel o platino el hidrógeno se combina al alqueno formando un alcano: 2. Halogenación: los halógenos bromo y cloro se combinan rápidamente a alquenos para formar un derivado dihalogenado. La reacción del bromo con el eteno, cuando se burbujea el gas por una solución de bromo en tetracloruro de carbono es: 3.  Adición de haloácidos o ácidos halogenhídricos: el HCI, Hl y HBr se adicionan al doble enlace para producir halogenuros de alquilo. El orden de reactividad es el siguiente: HI>HBr>HCl. Como ejemplo tenemos la adición de ácido clorhídrico al propeno: En estos casos se debe tener en cuenta la regla de Marconicoff: al adicionar un reactivo asimétrico a un compuesto insaturado, la parte positiva es atraída por el carbono del enlace múltiple que contenga mayor número de hidrógenos y la parte negativa se une al carbono del enlace múltiple con menor número de hidrógenos. Polimerización: ocurre en compuestos con múltiple enlace carbono—carbono. En alquenos ocurre por la autoadición de n moléculas de alqueno denominado monómero, en presencia de catalizadores, para formar macromoléculas de alto peso molecular llamadas polímeros de adición. La autoadición de eteno nos sirve de ejemplo. Una molécula de eteno (A) se une a otra molécula de eteno (B) para producir 1-buteno. El 1-buteno está formado por 2 moléculas de monómero; por tanto, se considera un dímero. Pero el 1buteno tiene un doble enlace al cual puede agregarse una tercera molécula de eteno (C); 32 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica La autoadición prosigue indefinidamente para dar un polímero de muchas unidades denominado polietileno: El polietileno es un plástico tenaz y flexible usado para hacer vasos, empaques y productos similares. Obtención de alquenos El eteno se obtiene cuando se calienta a alta temperatura una sustancia orgánica en ausencia de aire. Actualmente se obtienen alquenos por el proceso del cracking, usado para obtener mayor porcentaje de gasolina del petróleo. Los productos obtenidos a partir de estos y otros subproductos del petróleo se denominan productos petroquímicos. La síntesis de alquenos en el laboratorio se lleva a cabo mediante procesos de eliminación. Algunas formas de obtenerlos son:  Deshidratación de alcoholes: consiste en la separación de una molécula de agua en un alcohol. Cuando se somete al calentamiento, los alcoholes a una temperatura de 160ºC y presencia de ácido sulfúrico se obtienen alquenos de la siguiente forma: + En la deshidratación del etanol para formar eteno, el H 2SO4 suministra el H  que cataliza la reacción.  Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo: cuando átomos de carbono adyacentes de un compuesto saturado tienen por lo menos un átomo de H y un átomo de halógeno unido a ellos, se pueden retirar del compuesto los elementos de un haloácido. Por ejemplo, la deshidrohalogenación del 1-cloropropano:  Alcadienos y derivados Muchas moléculas de hidrocarburos insaturados pueden presentar varios dobles enlaces; se denominan polienos. Los alcadienos o dienos presentan dos dobles enlaces. Si estos dobles enlaces se ubican en carbonos adyacentes se denominan dienos conjugados, y si están separados por más de dos carbonos son dienos no conjugados. 33 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ALQUINOS O ACETILENOS Los alquinos son hidrocarburos que contienen uno o varios triples enlaces carbono —carbono en sus moléculas. Responden a la fórmula general: CnH2n-2. Nomenclatura: se nombran sustituyendo en el nombre del hidrocarburo saturado correspondiente, el sufijo ano por la terminación ino. La posición del triple enlace en la molécula se fija siguiendo las reglas vistas para el caso de alquenos. Ejemplo: RECUERDE QUE: Para hidrocarburos insaturados (alquenos y alquinos)  se determina la cadena con mayor número de carbonos, y en ella deben quedar incluidos el doble o triple enlace. Se numeran los carbonos de la cadena comenzando por el extremo donde esté más cerca el enlace múltiple. Se indica la posición del enlace múltiple anteponiéndole al nombre el número correspondiente. Estructura del triple enlace Los dos átomos que participan del triple enlace presentan hibridación digonal. Es decir, poseen: a) dos orbitales híbridos sp, cada uno con un electrón; b) dos orbitales puros, sin hibridar, cada uno con un 34 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica electrón en el px y en py. La molécula de acetileno o etino forma el triple enlace a través de un enlace sigma, σ, y dos enlaces pi, π. Propiedades físicas A condiciones normales de presión y temperatura son gaseosos hasta el butano; líquidos hasta el de 14 carbonos; los siguientes son sólidos. Son menos densos que el agua y solubles en solventes orgánicos. Sus puntos de fusión y ebullición son más elevados en relación con los alquenos. Propiedades químicas Las reacciones de los alquinos guardan un gran paralelismo con las reacciones de adición de los alquenos.  Hidrogenación: de manera análoga a los alquenos, los alquinos adicionan hidrógeno en presencia de níquel o platino, generando un alqueno o un alcano, según sea la cantidad de hidrógeno adicionado: Hibridación digonal en la molécula del acetileno para formar enlaces sigma (σ ) y enlaces pi (π). Aunque la hidrogenación puede parar en un alqueno:   Adición de hidrácidos: es un proceso semejante al visto para los alquenos. Los alquinos pueden adicionar hidrácidos halogenados, en un proceso de dos etapas claramente diferenciado: 35 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica   Adición de halógenos: escogiendo de manera cuidadosa las condiciones de reacción, los alquinos pueden adicionar una o dos moléculas de bromo o cloro, formando el correspondiente dihalogenal-queno o tetrahalogenoalcano:   Adición de agua: los alquinos adicionan agua en presencia de ácido sulfúrico diluido y con sulfato mercúrico como catalizador, dando un producto de adición inestable, eno/, que sufre un cambio de estructura de manera espontánea para producir una cetona; excepto con el acetileno, que produce un aldehido: Obtención de alquinos a) El primer término de la serie se obtiene a partir de reactivos inorgánicos. En un horno eléctrico se obtiene carburo de calcio, CaC¡, al calentar el carbonato calcico y coque: El carburo calcico reacciona con agua, generando acetileno: b) Por deshidrohalogenación: en presencia de una base fuerte, KOH, sufren los dihalogenalcanos un proceso de eliminación de hidrácido, produciendo alquinos: 36 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CUESTIONARIO N° 3 1. Escriba las características de los alquenos con un ejemplo. 2. Realiza 3 ejemplos de someros de posición 3. Enumera las reglas para nombrar alquenos 4. Indique la diferencia entre:  Alquenos y alquinos  Alcadienos conjugados y no conjugados 5. ¿Cuáles son las propiedades físicas de los alquenos y alquinos? 6. Dibuja las fórmulas de las propiedades químicas de los alquenos con sus respectivas nominaciones. 7. Ejercicios: Escribe la formula semidesarrollada de los siguientes alquenos.  3 etil 6 metil 2 hepteno  1,3 pentadieno  1,3,5 hexatrieno  1-penteno.  4- isobutil-2,3-dimetil-1,3,5-heptatrieno.  2-3-dietihexeno. 8. Escribe el nombre de las siguientes formulas. 37 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 9. Señala el nombre correcto para estos compuestos: 1. 2. a) 3-repentino a) 1,3-pentino b) 3-pentino b) 1,3-pentadiino c) 2-pentino c) 1,3-pentenilo 4. 3. a) 4-metil-2-hexino a) 4-(2-propinil)-1-pentino b) 4-etil-2-pentino b) 4-metil-1,6-heptadiino c) 2-etil-3-pentino c) 4-metil-1,6-heptino 38 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 5. 6. a) 3-etinil-4-pentino a) 3-etinil-1,5-hexadiino b) 3-etinil-1-pentino b) 3-(2-pentinil)-1,4-pentadiino c) 3-etil-1,4-pentadiino c) 4-etinil-1,5-hexadiino 8. 7. a) 2-hexen-5-ino a) 2-hexin-4-eno b) 4-hexen-1-ino b) 4-hexen-2-ino c) 1-hexin-4-eno c) 2-hexen-4-ino 9. 10. a) 3-etil-4-hexen-1-ino a) 4-metil-2-hexin-4-eno b) 4-etil-2-hexen-5-ino b) 3-metil-2-hexen-4-ino c) 3-etil-1-hexin-4-eno c) 4-metil-4-hexen-2-ino 10. Formula los siguientes alquinos a) 7,7 dimetil 3 etil 4 nonino b) 1 buten 3 ino c) 3 propil 1,5 heptadiino 11. Escribe el nombre de los siguientes alquenos y alquinos 39 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Hidrocarburos aromáticos Los hidrocarburos aromáticos presentan la característica común de poseer uno o más anillos de benceno en su molécula. Por esta razón, el benceno es la estructura fundamental de esta serie de compuestos llamados aromáticos (algunos de los primeros, compuestos descubiertos tenían un olor agradable). Los hidrocarburos aromáticos se utilizan extensamente como materias primas en la manufactura de numerosos productos, tales como colorantes, insecticidas, dro gas, esencias y explosivos. Ejemplos fenilo bencilo 40 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica cumeno estireno naftaleno antraceno fenantreno bifenilo El benceno El benceno, el tolueno y alquilbencenos se emplean también como disolventes industriales. El análisis y la determinación del peso molecular del benceno nos da como fórmula molecular C 6H6; esta proporción relativa de C a H hace pensar en una estructura muy insaturada. Cuando se deshidrogena el ciclohexano a 500 °C, en presencia de un catalizador de óxido de cromo, se forma el benceno: Esto nos permite suponer que su estructura es un anillo hexagonal con tres dobles enlaces, como lo propuso Kekulé en 1865: La fórmula del benceno no es ni la una ni la otra, sino un estado intermedio o híbrido de resonancia entre ellas. La resonancia se indica separando las fórmulas por una flecha en doble sentido. Estas estructuras también se pueden representar omitiendo tos átomos de carbono e hidrógeno en la siguiente forma: 41 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Nomenclatura: cada molécula de benceno es simétrica: los seis átomos de hidrógeno son equiva- lentes. Así se puede sustituir cualquiera de ellos por otro átomo o grupo sustituyente y se obtiene siempre el mismo compuesto. Muchos derivados se nombran utilizando el nombre del átomo o grupo sustituyente como prefijo más la palabra benceno. Otros derivados monosustituidos tienen nombre propio. Ejemplos: Dado que los seis átomos de carbono en el anillo son equivalentes, sólo hay tres derivados disustituidos. Para indicar las posiciones relativas de los dos sustituyentes se usan los términos orto(o), meta (m-) y para (p-), o mediante números. En el caso de los tres isómeros de posición del dimetilbenceno o xileno, tendremos: Cuando alguno de los derivados le da nombre especial a la molécula, el compuesto se nombra como derivado de él. Ejemplos: Algunos derivados disustituidos reciben nombres comunes: 42 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Derivados de tres o más grupos sustituyentes Si hay tres o más grupos sustituyentes en el benceno, se utiliza el sistema de numeración, tomando como posición 1 la del sustituyente que le dé nombre al compuesto. Ejemplos: } 43 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Propiedades físicas: En condiciones ambientales, el benceno y sus derivados de hasta 12 átomos de 7. Alcoholes carbono son líquidos y los de mayor peso molecular, sólidos. Como el anillo bencénico es muy compacto, la densidad de este tipo de hidrocarburos es mayor que la de los hidrocarburos estudiados anteriormente sin llegar a la unidad; si aparecen dos o más anillos aromáticos en una molécula, la densidad es superior a la unidad. Propiedades químicas Conocida la dificultad de los hidrocarburos aromáticos para dar reacciones de adición, sus reacciones más características son reacciones de sustitución, que consisten en sustituir uno o más hidrógenos del anillo bencénico por átomos o grupos sustituyentes. Las más importantes son: Halogenación: el benceno, bajo la acción catalítica del hierro o de sales férricas, reacciona fácilmente con el cloro o el bromo, formando el derivado halogenado correspondiente: Nitración: es la sustitución de uno o más hidrógenos del anillo por el grupo nitro, -N0¿. Sulfonadón: es la sustitución en un anillo aromático de uno o más hidrógenos, por el grupo sulfónico (- HS03>, con eliminación de agua, por reacción con ácido sulfúrico concentrado: 44 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Obtención: en general, los hidrocarburos aromáticos no se sintetizan en el laboratorio, ya que pueden obtenerse en forma fácil y abundante a partir del alquitrán de la hulla o del petróleo. CUESTIONARIO N° 4 1. Indique la diferencia entre:  Ciclohexano y benceno. Grafique sus fórmulas.  Catalizador y reactivo 2. Formule los siguiente hidrocarburos aromáticos:  o bromotolueno  m nitrotolueno  p isopropiltolueno  o diclorobenceno  4 etil 5 fenil 3 metildecano 3. Escribe el nombre de los siguientes hidrocarburos aromáticos. 45 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica 4. Señala con una x según corresponda. 6. a) m-trimetilbenceno a) m-dimetilbenceno b) trimetilbenceno b) 1,2-dimetilbenceno c) 1,3,5-trimetilbenceno c) p-xileno 8. 7. a) 2,3-dietil-1-metilbenceno a) 2-etil-1,4-dimetilbenceno b) 1,2-dietil-3-metilbenceno b) 1,4-dimetil-2-etilbenceno c) 3-metil-1,2-dietilbenceno c) 1,4-dimetil-3-etilbenceno 10. 9. a) antraceno a) 4-etil-1-isopropil-3-metilbenceno b) naftaleno b) 2-etil-5-isopropil-1-metilbenceno c) fenantreno c) 1-etil-4-isopropil-2-metilbenceno 46 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica FUNCIONES OXIGENADAS ALCOHOLES Un alcohol resulta de sustituir en un hidrocarburo alifático uno o varios hidrógenos, en carbonos diferentes, por grupos hidroxilos (-OH). Si un radical alquílico cualquiera es R, la fórmula general de un alcohol será R—OH. Se puede suponer, también, que un alcohol es un derivado del agua, donde se ha remplazado un hidrógeno por un grupo alquílico, H-OH  R-OH. La estructura de un alcohol está relacionada con la del agua y la de los hidrocarburos; las propiedades de los alcoholes confirman la existencia de esta semejanza. Dependiendo del número de grupos hidroxilo insertos en una molécula, los alcoholes se clasifican en mono, di, tri y polihidroxilicos. Ejemplos: CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -OH (monohidroxilicos: pentanol) CH3 - CH2 - CH - CH 2 - CH2 -OH (dihidroxilicos: 1,3 pentanol) OH CH3 - CH2 - CH - CH - CH 2 -OH (trihidroxilicos: 1,2,3 pentanol) OH OH En el hidrocarburo el grupo hidroxilo se puede sustituir en un carbono primario, secundario o terciario, por lo que los alcoholes se pueden dividir, atendiendo a este hecho, en primarios, secundarios y terciarios: CH3-CH-CH3 OH 2-propanol (alcohol secundario) OH CH3-C-CH3 OH 2-metil-2-propanol NOMENCLATURA  Alcoholes con un solo grupo funcional Estos alcoholes pueden ser  primarios, secundarios o terciarios, según esté unido el grupo funcional (OH) a un carbono primario, secundario o terciario). 47 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica RECUERDE QUE: Los átomos de carbono pueden ser:  primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios según estén unidos, respectivamente, a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono. (No pueden existir, lógicamente, alcoholes cuaternarios).  Alcoholes con varios grupos funcionales Si se trata de un polialcohol, al nombrarlo se colocan los sufijos di, tri, tetra, etc., para indicar el número de grupos -OH. En cuanto a la numeración de la cadena, se sigue el criterio indicado anteriormente. Ejemplos: Para nombrar los alcoholes se considera que se ha sustituido un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo por un radical -OH, el alcohol así obtenido se nombra añadiendo la terminación ol  al hidrocarburo de que procede. Ejemplo: Si el alcohol es secundario o terciario, se numera la cadena principal de tal modo que corresponda al carbono unido al radical -OH el localizador más bajo posible. La función alcohol  tiene preferencia al numerar sobre las instauraciones y sobre los radicales. Ejemplos: 48 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Propiedades físicas El parentesco de los alcoholes y fenoles con el agua se pone de manifiesto en muchas de sus propiedades fisicoquímicas. Así, por ejemplo, los primeros términos de la serie de los alcoholes, de uno a tres átomos de carbono, son completamente miscibles con el agua, con la que forman enlaces de hidrógeno, análogos a los que existen entre las propias moléculas de agua o de los alcoholes entre sí. Al aumentar el número de átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada, se hace cada vez menor la influencia relativa del grupo hidroxilo, por lo que disminuye mucho su solubilidad en agua, siendo ya prácticamente insolubles los alcoholes con diez o más átomos de carbono. En estado sólido y en estado líquido, las moléculas de los alcoholes y fenoles están muy asociadas mediante enlaces de hidrógeno, formando cadenas de varias moléculas, lo que explica sus puntos de fusión y de ebullición anormalmente elevados Como ocurre, en general, en todas las series homólogas, los puntos de fusión y de ebullición de los alcoholes de cadena lineal aumentan con el número de átomos de carbono. Así, los alcoholes inferiores son líquidos incoloros, muy fluidos y relativamente volátiles; los de 6 a 11 átomos de carbono son ya líquidos viscosos; y el dodecanol, esto es, con 12 átomos de carbono ( alcohol laurílico), es el primer alcohol de cadena lineal que es sólido a la temperatura ambiente. Métodos de obtención Los principales métodos de obtención de alcoholes son: a) Hidratación de alquenos Se trata de una reacción de adición electrófila, que esquemáticamente puede representarse mediante la ecuación: 49 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica R—CH=CH2 + H2O →    R—CHOH—CH3 El grupo OH (parte negativa de la molécula de agua, HO ... H ) se adiciona al átomo de carbono más sustituido del doble enlace. Por ello, éste es un método muy apropiado para la obtención de alcoholes secundarios y terciarios, algunos de los cuales se preparan así industrialmente a partir de las fracciones de olefinas procedentes del craqueo del petróleo. Asimismo, éste es el método industrial más importante de fabricación de alcohol etílico, por hidratación del etileno, CH 2=CH2 en presencia de ácido sulfúrico. b) Hidrólisis de halogenuros de alquilo Se lleva a cabo normalmente en disolución de etanol acuoso y en presencia de catalizadores básicos, como KOH, AgOH, CO3Ca, etc. R—CH2—Cl + AgOH →  AgCl + R —CH2OH  c) Reducción de compuestos carbonílicos Esta reacción puede realizarse industrialmente con hidrógeno, en presencia de catalizadores, o bien en el laboratorio, mediante el hidruro de litio y aluminio, H 4LiAl. Con aldehídos se obtienen alcoholes primarios y con cetonas alcoholes secundarios, según las siguientes ecuaciones: R - OH H4LiAl aldehído R | ff C=O | 'R alcohol primario H4LiAl Cetona alcohol secundario d) Mediante reactivos de Grignard La adición de un magnesiano o reactivo de Grignard a un compuesto carbonílico da lugar a un halogenuro de alcoximagnesio, que por hidrólisis conduce a un alcohol. Cuando se emplea formaldehído, H2C=O, como producto de partida, se obtiene un alcohol primario; con los restantes aldehídos se obtienen alcoholes secundarios y con las cetonas alcoholes terciarios. e) Métodos especiales Los dos primeros miembros de la serie de alcoholes alifáticos, metanol y etanol, se obtienen también por métodos especiales que conviene mencionar. El metanol se obtenía antiguamente por destilación seca de la madera, de donde procede el nombre de alcohol de madera con que a veces se le conoce. 50 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Modernamente, casi todo el metanol que se consume en la industria se obtiene por hidrogenación catalítica del monóxido de carbono, según la reacción: CO + 2H2 CH3OH Esta se lleva a cabo a unos 400 °C y 200 atm, en presencia de catalizadores formados corrientemente por una mezcla de óxidos de cromo y de cinc. El alcohol metílico es muy venenoso. Por ello, el consumo humano de alcohol etílico para usos industriales, que está desnaturalizado con metanol produce graves lesiones en la vista, ceguera e incluso la muerte. El etanol (alcohol del vino) se ha venido produciendo desde la antigüedad por fermentación de los azúcares (como glucosa), contenidos en jugos de frutos, para la fabricación de bebidas alcohólicas. La fermentación se produce por la acción de enzimas (o fermentos), que son catalizadores orgánicos complejos segregados por las células de levaduras, obteniéndose, como productos finales, etanol y CO2, según la reacción global: C6H12O6 2CO2 + 2CH3 - CH2OH glucosa  etanol Además de la glucosa pueden también fermentar por la acción de levaduras otros azúcares más complejos y el almidón, contenido en la patata y cereales, que primero se desdoblan en azúcares simples, antes de la fermentación alcohólica propiamente dicha. Una concentración elevada de alcohol impide el proceso de fermentación, por lo que sólo pueden obtenerse concentraciones del 10 al 18 % en etanol, que son típicas de los vinos naturales. Por destilación fraccionada puede lograrse aumentar la riqueza en etanol hasta el 95 %, con 5% de agua, que es la composición que circula en el comercio y se vende en las farmacias como alcohol « puro». Reacciones de los alcoholes 1. ESTERIFICACIÓN Los alcoholes reaccionan con los ácidos oxácidos inorgánicos y con los ácidos carboxílicos dando lugar a la formación de ésteres. CH3OH + HONO2 H2O + CH3ONO2 metanol ácido nítrico CH3 - CH2OH + HOSO2OH etanol ácido sulfúrico nitrato de metilo H2O + CH3 - CH2OSO2OH sulfato ácido de etilo La formación de ésteres con ácidos inorgánicos  es un proceso rápido y el equilibrio está muy desplazado hacia la formación de ésteres. La formación de ésteres de ácidos orgánicos no transcurre de modo completo sino que se alcanza una situación de equilibrio (lentamente en ausencia de catalizadores). 51 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CH3COOH + HOCH2—CH3 H2O + CH3—COOCH2—CH3 ácido acético etanol acetato de etilo Un éster inorgánico muy importante es el trinitrato de glicerina, llamado comúnmente nitroglicerina, y que se obtiene por cuidadosa reacción de una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados con  propanotriol (glicerina). La nitroglicerina es un líquido aceitoso incoloro y extraordinariamente explosivo. Para poderla manejar con cierta seguridad se impregna con ella un polvo inerte ( tierra de diatomeas), lo que constituye la dinamita, descubierta por el célebre químico sueco A. Nobel, creador, con los intereses de su fortuna, de los famosos premios Nobel. Reacción con los halogenuros de hidrógeno Los alcoholes reaccionan con los halogenuros de hidrógeno para dar lugar a la formación de halogenuros de alquilo, por ejemplo: CH3 - CH2OH + HCl etanol ZnCl2 H2O + CH3 - CH2Cl cloruro de etilo Con un alcohol determinado el IH reacciona más rápidamente que el BrH y éste más que el ClH. Con un halogenuro de hidrógeno determinado, los alcoholes terciarios reaccionan más rápidamente que los secundarios y éstos más que los primarios. Así, la reacción entre el ClH y un alcohol primario conviene catalizarla con Cl2Zn a fin de que tenga lugar con velocidad apreciable. Formación de alcoholatos Los metales alcalinos reaccionan con los alcoholes con producción de alcoholatos según: (RR'R'')C—OH + Na alcohol 1/2 H2 + (RR'R'')C—ONa alcoholato de sodio Los alcoholes primarios reaccionan más rápidamente que los secundarios y éstos más que los terciarios. 2. OXIDACIÓN Cuando los alcoholes se calientan en el aire o en oxígeno, arden formando CO 2 y H2O, siendo más fácil la combustión de los términos inferiores. Los calores de combustión de los alcoholes son bastante menores que los de los hidrocarburos correspondientes, lo que es lógico, puesto que los alcoholes se encuentran ya en un estado de oxidación superior al de los hidrocarburos. No obstante, se pueden emplear como combustibles, en particular los dos primeros términos (metanol y etanol), y a veces se añaden también como aditivos a los carburantes ordinarios. Aparte de la combustión, que supone la oxidación completa, se puede realizar una oxidación controlada, que suele llevarse a cabo en el laboratorio con la ayuda de dicromato o  permanganato 52 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica  potásico en medio sulfúrico diluido. Así, los alcoholes primarios se transforman en aldehídos, aunque el proceso suele continuar hasta la formación de ácidos carboxílicos. Los alcoholes secundarios bajo la acción del mismo agente oxidante dan lugar a cetonas y la oxidación no prosigue. Deshidratación A excepción del metanol, los alcoholes se deshidratan en caliente por la acción del ácido sulfúrico dando lugar a olefinas. Los alcoholes terciarios son los que se deshidratan con mayor facilidad, seguidos de los secundarios y los primarios por este orden: H2SO4 HCH2—CH2OH H2O + CH2=CH2 150 °C etanol Eteno FENOLES Resultan de la sustitución, en un anillo aromático, de uno o varios hidrógenos por grupos hidroxilos. Los fenofes se clasifican, atendiendo al número de grupos hidroxilos en la molécula, en monohidroxifenoles, dihidroxifenoles, trihidroxife-noles, polihidroxifenoles, según tengan uno, dos, tres o varios grupos hidroxilos. Nomenclatura A continuación se pueden ver las estructuras y nombres comunes de algunos fenoles, que no se ajustan a reglas sistemáticas de denominación: La nomenclatura IUPAC nombra a los fenoles como hidroxiderívados del hidrocarburo aromático, al cual están unidos. Los ejemplos anteriores, de acuerdo con este criterio, reciben el nombre de hidroxibenceno, 3-hidroxitolueno, 1, 4-dihidroxi-benceno y 1-hidroxinalftaleno. Propiedades químicas: Son semejantes a las de los alcoholes, dada la similitud del grupo funcional en ambos compuestos: Sustitución del hidrógeno del grupo hidroxilo: debido a la presencia de un anillo aromático, el hidrógeno del grupo hidroxilo presenta mayor acidez que el de los alcoholes. Esta movilidad del hidrógeno permite a los fenoles reaccionar con metales muy activos en soluciones acuesas de bases fuertes: 53 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica En las mismas condiciones de esterificación, vistas ya en los alcoholes, los fenoles producen también ésteres: Obtención de fenoles Algunos fenoles forman parte de los aceites ligeros procedentes de la destilación seca de la hulla, de donde se extraen con disolución acuosa de sosa cáustica, tratamiento posterior con ácido sulfúrico y destilación fraccionada. El propio fenol, que es el más importante de todos por su empleo para la fabricación de plásticos (baquelita), suele obtenerse también por síntesis, bien por fusión con NaOH del ácido bencenosulfónico C6H5SO3H, o por hidrólisis del clorobenceno, a temperatura y presión elevadas (350 °C y 200 atm). Modernamente se obtiene también por oxidación catalítica del isopropilbenceno (cumeno), proceso en donde, además del fenol, se produce acetona, que es también un producto muy cotizado industrialmente. 54 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica CUESTIONARIO N° 5 1. Complete …………………………………….. …………………………………….. Alcoholes: …………………………………….. FUNCIONES OXIGENADAS Sustitución …………… en un anillo aromático de uno o varios hidrógenos por hidroxilos. Alcoholes con un solo ………. …………. pueden ser  primarios, ……………. o …………….., según esté unido el …………………. ( -OH). Los …………… resultan de la …………….., en un anillo aromático, de uno o varios hidrógenos por grupos ……………... y se clasifican según el número de grupos ………………. en la molécula, en monohidroxifenoles (con un grupo …..), dihidroxifenoles (con….. grupos OH), ………………. (con 3 grupos OH), etc. 2. Complete las siguientes reacciones: H2SO4 CH3 - CH2OH H2O + ……………….. 150º ……………..  Eteno ………. CH3 - CHOH - CH2 - CH2OH H2O + ............................... 300º ............................... ......... butadieno H2SO4 ............................................. H2O + CH3 - CH2 – CH = CH CH 2 - CH2 – CH3 300º 3 hepteno ….. heptanol H2SO4 …………………………….. ……. + ………………………………….. 742º 1, 2 butadieno ………………………. CH2OH - CH2 - CH2 - CH2OH + HI ZnCl2 H2O + ……………………………. 55 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ……………………… ………………………………. +   …………………………. HBr ZnCl2 .......................... ………………………………. +   H2O + ……………………………. bromuro de pentilo HBr ZnCl2 butanol H2O + ………………………….. cloruro de butilo 3. Realice un mapa conceptual de los métodos de obtención de alcoholes. 4. Responda brevemente:  ¿Por qué razón no pueden existir alcoholes cuaternarios?  ¿Qué productos se obtiene de la oxidación de los alcoholes? Coloque 2 ejemplos.  ¿Qué es la deshidratación y que cambios produce en los alcoholes? 5. Indique cómo se forman los esteres y cuál es el uso más importante 6. Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos: a) 2-metil-3-hexanol. b) 2-fenil-2-propanol. c) 2,6-diterc-butilfenol. d) 2-buten-1-ol. e) o-nitrofenol. f) 3-propanol-1,5-heptadiino; g) 2-metilpropanol; 7. Nombre los siguientes compuestos: c) CH3 - OH - CH 2 - CH3 d) CH OH – CH2OH e) CH3 - CHOH - CH2OH 56 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica f)…………….. g)……............. h)…………………. 8. Completar las siguientes reacciones: a) CH3-CH=CH2 + HOCl  b) (CH3)3COH + HCl  c) CH3CH2OH + H2SO4  d) C2H5OH + Na  GRUPO CARBONILO Los aldehídos y cetonas, junto con los ácidos carboxílicos, los ésteres, las amidas y los cloruros de ácido, se caracterizan por presentar en su estructura al grupo funcional carbonilo (C=O) . El átomo de carbono y el átomo de oxígeno que forman el grupo carbonilo se encuentran unidos mediante dos enlaces: uno sigma y otro pi. El átomo de carbono del grupo carbonilo presenta 57 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica hibridación sp2 y está enlazado al átomo de oxígeno y a otros dos átomos mediante tres enlaces sigma coplanares, separados entre sí 120°. El segundo enlace entre el carbono y el oxígeno, el enlace pi, se forma por solapamiento del orbital p no hibridizado del carbono con un orbital p del átomo de oxígeno. ALDEHIDOS Y CETONAS La polarización del grupo carbonilo crea atracciones dipolo-dipolo entre las moléculas de cetonas y aldehídos, por lo que estos compuestos tienen mayores puntos de ebullición que los hidrocarburos o éteres de peso molecular semejante. Sin embargo, las cetonas y aldehídos no tienen enlaces O-H o NH, y por lo tanto, sus moléculas no pueden formar puentes de hidrógeno entre sí. Por esta razón, los puntos de ebullición de los aldehídos y cetonas son menores que los de los alcoholes o aminas de peso molecular semejante. A continuación, se indican a modo de comparación, los puntos de ebullición de una serie de compuestos orgánicos entre los que figuran un aldehído, el propanal, y una cetona, la acetona. Las cetonas y los aldehídos no pueden formar puentes de hidrógeno entre sí tienen pero la presencia de dos pares de electrones no compartidos sobre el átomo de oxígeno permite la formación de puentes de hidrógeno con otros compuestos que tengan enlaces O-H o N-H. Por ejemplo, los aldehídos y las cetonas pueden formar enlaces por puentes de hidrógeno con las moléculas del agua o las de los alcoholes, tal y como se representa esquemáticamente a continuación: Debido a estos puentes de hidrógeno, los aldehídos y las cetonas son buenos disolventes de sustancias polares, como los alcoholes. De hecho, los aldehídos y las cetonas de bajo peso molecular mo lecular son solubles en agua. 58 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Nomenclatura de los aldehidos Los nombres sistemáticos de los aldehidos se construyen cambiando la -o final del nombre de alcano por la terminación -al. El carbono aldehídico es el del extremo de la cadena y por tanto se le asigna el número 1 como localizador. Si el grupo aldehído está unido a un anillo se puede usar el sufijo carbaldehído. El grupo carbonilo de aldehído se puede nombrar como sustituyente en una molécula que contenga un grupo funcional de mayor prioridad. Al grupo -CHO se le designa con el nombre de formilo. Propiedades físicas. No es de sorprender que los aldehídos y las cetonas se asemejen en la mayoría de sus propiedades como consecuencia de poseer el grupo carbonilo. Sin embargo, en los aldehídos el grupo carbonilo esta unido a un átomo de hidrógeno, mientras que en las cetonas se une a dos grupos orgánicos. Esta diferencia estructural afecta a sus propiedades de dos formas fundamentales: Los aldehídos se oxidan con facilidad mientras que las cetonas lo hacen con dificultad Los aldehídos suelen ser más reactivos que las cetonas en adiciones nucleofílicas, que es la reacción más característica de este tipo de compuestos Los aldehídos son compuestos de fórmula general R-CHO. Este compuesto tiene una amplia aplicación tanto como reactivos y disolventes así como su empleo en la fabricación de telas, perfumes, plásticos y medicinas. En la naturaleza se encuentran ampliamente distribuidos como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos tanto en el reino animal como vegetal, controlando el proceso para evitar que el aldehído pase a ácido. CETONAS 59 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica En el caso de las cetonas contienen el grupo carbonilo (CO) y que responden a la fórmula general R — CO—R’, en la que R y R’ representan radicales orgánicos y donde los grupos R y R´ pueden ser alifáticos o aromáticos. Nomenclatura de las cetonas Los nombres de las cetonas se construyen cambiando la -o final en el nombre de alcano por la terminación -ona. El nombre alcano se transforma en alcanona. En las cetonas de cadena abierta, se numera la cadena más larga de forma que al grupo carbonilo se le asigne el localizador más bajo posible. En las cetonas cíclicas al grupo carbonilo se le asigna el localizador 1. Para nombrar las cetonas tenemos dos alternativas: El nombre del hidrocarburo del que procede terminado en -ona .Como . Como sustituyente debe emplearse el prefijo oxo-. Citar los dos radicales que están unidos al grupo carbonilo por orden alfabético y a continuación la palabra cetona. Propiedades físicas Los compuestos carbonílicos presentan puntos de ebullición más bajos que los alcoholes de su mismo peso molecular .No hay grandes diferencias entre los puntos de ebullición de aldehídos y cetonas de igual peso molecular. 60 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Los compuestos carbonílicos de cadena corta son solubles en agua y a medida que aumenta la longitud de la cadena disminuye la solubilidad. El grupo funcional de las cetonas es: R | C=O | 'R Al grupo carbonilo se debe la disolución de las cetonas en agua. Son compuestos relativamente reactivos, y por eso resultan muy útiles para sintetizar otros compuestos; también son productos intermedios importantes en el metabolismo de las células. Se obtienen a partir de los alcoholes secundarios. La cetona más simple, la propanona o acetona, CH 3COCH3, es un producto del metabolismo de las grasas, pero en condiciones normales se oxida rápidamente a agua y dióxido de carbono. Sin embargo, en la diabetes mellitus la propanona se acumula en el cuerpo y puede ser detectada en la orina. Otras cetonas son el alcanfor, muchos de los esteroides, y algunas fragancias y azúcares. ÁCIDOS ORGÁNICOS El término ácidos orgánicos engloba aquellos ácidos cuya estructura química se basa en el carbono. Se añaden al pienso por su capacidad para reducir el pH de los alimentos, favoreciendo su conservación. Simultáneamente ejercen una influencia positiva a nivel digestivo y metabólico, mejorando los rendimientos productivos de los animales. Los de mayor interés en producción animal son el acético, butírico, cítrico, fórmico, láctico, málico, propiónico, y sórbico. El modo de acción de los ácidos orgánicos no es totalmente conocido. Su acción beneficiosa parece estar relacionada con un incremento en la digestibilidad y retención de diversos nutrientes (minerales, proteína y energía), acompañado de una alteración de la población microbiana del tracto . La efectividad de inhibición del crecimiento microbiano depende no sólo de su poder acidificante sino también de la capacidad del ácido para penetrar a través de la pared celular del microorganismo en forma no disociada. Una vez dentro, el ácido se disocia y presenta un doble mecanismo de acción: El hidrogenión (H+) reduce el pH del citoplasma, lo que obliga a la célula a incrementar sus gastos energéticos a fin de mantener su equilibrio osmótico El anión (A-) perjudica la síntesis de DNA, evitando la replicación de los microorganismos. En principio pues, serían más interesantes los ácidos orgánicos de cadena corta con un pKa superior al pH fisiológico ya que permitiría que una mayor cantidad de ácido en forma no disociada penetrara en el interior del microorganismo. 61 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica ÉTERES Los Éteres son un grupo de compuestos orgánicos que responden a la fórmula general R —O—R’, en donde O es un átomo de oxígeno, y R y R’ representan los mismos o distintos radicales orgánicos. La mayoría de los éteres son líquidos volátiles, ligeros e inflamables, solubles en alcoholes y otros disolventes orgánicos. Desde el punto de vista químico, son compuestos inertes y estables; los álcalis o los ácidos no los atacan fácilmente. Están estrechamente relacionados con los alcoholes, y se obtienen directamente de ellos. El compuesto más típico y más utilizado de este grupo es el éter común o etílico, normalmente denominado éter. Propiedades físicas de los éteres Debido a que el ángulo del enlace C-o-C no es de 180º, los momentos dipolares de los dos enlaces C-O no se anulan; en consecuencia, los éteres presentan un pequeño momento dipolar neto (por ejemplo, 1.18 D para el dietil éter). Esta polaridad débil no afecta apreciablemente a los puntos de ebullición de los éteres, que son similares a los de los alcanos de pesos moleculares comparables y mucho más bajos que los de los alcoholes isómeros. Comparemos, por ejemplo, los puntos de ebullición del n-heptano (98 °C), el metil n-pentil éter (100 °C) y el alcohol hexílico (157 °C). Los puentes de hidrógeno que mantienen firmemente unidas las moléculas de alcoholes no son posibles para los éteres, pues éstos sólo tienen hidrógeno unido a carbono. Por otra parte, los éteres presentan una solubilidad en agua comparable a la de los alcoholes: tanto el dietil éter como el alcohol n-butílico, por ejemplos, tienen una solubilidad de unos 8 g por 100g de agua. La solubilidad de los alcoholes inferiores se debe a los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua y de alcohol; es probable que la solubilidad de los éteres en agua se debe a la misma causa. Nomenclatura Para nombrar los éteres tenemos dos alternativas: Considerar el grupo alcoxi como un sustituyente (siendo R el radical más sencillo). Citar los dos radicales que están unidos al O por orden alfabético y a continuación la palabra éter. Un caso particular de éteres son los epóxidos, cuyo esquema es el siguiente: 62 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Para nombrarlos se utiliza el prefijo epoxi- seguido del nombre del hidrocarburo correspondiente, e indicando los carbonos a los que está unido el O , con dos localizadores lo más bajos posibles, en caso de que sea necesario. Estructuralmente los éteres pueden considerarse derivados del agua o alcoholes, en los que se han reemplazado uno o dos hidrógenos, respectivamente, por restos carbonados. La estructura angular de los éteres se explica bien asumiendo una hibridación sp3 en el oxígeno, que posee dos pares de electrones no compartidos. No puede establecer enlaces de hidrógeno consigo mismo y sus puntos de ebullición y fusión son muchos más bajos que los alcoholes referibles. Un caso muy especial lo constituyen los epóxidos, que son éteres cíclicos de tres miembros. El anillo contiene mucha tensión, aunque algo menos que en el ciclopropano. Ciclopropano Epóxido de etileno Pero la presencia del oxígeno, que polariza los enlaces, y la existencia de la tensión, hace que los epóxidos, al contrario que los éteres normales, sean muy reactivos y extremadamente útiles en síntesis. Los éteres son alcanos que poseen un sustituyente alcoxi (RO-). El resto alcano más grande (cadena principal) da el nombre al alcano y el pequeño se considera parte del grupo alcóxi. 63 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Para nombrar éteres cíclicos se usa el prefijo oxa. 2-metiloxaciclopropano 1,4,7,10-tetraoxaciclododecano (epóxido de propileno) (éter 12-corona-4) Los éteres son en general poco reactivos y se utilizan como disolventes. Éteres, grupo de compuestos orgánicos que responden a la fórmula general R —O—Rð, en donde O es un átomo de oxígeno, y R y Rð representan los mismos o distintos radicales orgánicos..La mayoría de los éteres son líquidos volátiles, ligeros e inflamables, solubles en alcoholes y otros disolventes orgánicos. Desde el punto de vista químico, son compuestos inertes y estables; los álcalis o los ácidos no los atacan fácilmente. Están estrechamente relacionados con los alcoholes, y se obtienen directamente de ellos. El compuesto más típico y más utilizado de este grupo es el éter común o etílico, normalmente denominado éter. Los éteres se caracterizan por el grupo oxi , —O—, en el que el átomo de oxígeno se encuentra unido a dos átomos de carbono, C —O—C. FUNCIONES NITROGENADAS Cuando sustituimos el -OH de un alcohol por un grupo amino -NH 2, los compuestos resultantes son las aminas primarias. La amina primaria más sencilla es la metilamina.  La siguiente en la serie es la etilamina.  Encontramos grupos sustituyendo a dos carbonos a la vez como por ejemplo en la etilendiamina. Cuando uno de los hidrógenos del grupo amino queda sustituído por otro radical, tendremos las aminas secundarias. Es el caso de la piperidina. El grupo amino tiene una gran importancia entre las biomoléculas. Es el caso de los aminoácidos, monómeros de las proteínas. En los aminoácidos proteicos, un mismo carbono aparece sustituído por un grupo amino y un grupo carboxilo. Podemos verlo en la molécula de alanina. 64 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica Podemos ver que el grupo amino de esta última aparece protonado, en forma de -NH 3+, que es la forma en la que habitualmente se presenta el grupo amino al pH de los medios biológicos. Igualmente podemos observar que el grupo carboxilo aparece disociado, en forma de -COO -. Otro grupo importante de aminas son las catecolaminas, un importante conjunto de neurotransmisores y hormonas. ISOMERÍA ÓPTICA La naturaleza tetraédrica del átomo de carbono saturado permite un cuarto tipo de isomería, la Isomería óptica. Cuando cuatro grupos distintos sustituyen a un mismo carbono, se pueden disponer en torno al mismo de dos maneras diferentes, siendo una la imagen especular de la otra. Tal es el caso del gliceraldehido,  en el cual el carbono 2: está sustituído por cuatro grupos distintos: un grupo aldehido (carbono 1); un grupo alcohol primario (carbono 3); un grupo hidroxi; y un hidrógeno. El modelo que tenemos en la imagen recibe convencionalmente el nombre de D-gliceraldehido. Con sólo cambiar dos sustituyentes cualesquiera sobre el carbono 2, por ejemplo, el hidroxi y el hidrógeno, obtendremos su enantiómero, el L-gliceraldehido, en el que la disposición en torno al carbono 2 es especular   respecto al isómero D-. Podremos comparar los dos enantiómeros al verlos uno frente a otro: A la derecha, el D-gliceraldehido; a la izquierda, el L-gliceraldehido. Se llaman isómeros ópticos  porque los compuestos con carbonos asimétricos, como el D- y el Lgliceraldehido, son capaces de desviar el plano de polarización de la luz. Una pareja enantiomérica, 65 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica como los dos citados, desvían dicho plano en una magnitud igual pero de signo opuesto. En este caso, el isómero D- es dextrorrotatorio (+), mientras que el L- es levorrotatorio (-). Aunque la nomenclatura D- y L- se utiliza ampliamente en el campo bioquímico, se prefiere definir la situación en torno a un carbono asimétrico de forma absoluta. Para ello se utiliza la nomenclatura de Cahn, Ingold y Prelog. Para ello, se asignan según determinadas reglas (que podemos encontrar en cualquier texto de Química Orgánica) . HALURO DE ÁCIDO Haluro de ácido Un haluro de ácido (o haluro de acilo) es un compuesto derivado de un ácido al sustituir el grupo hidroxilo por un halógeno. Si el ácido es un ácido carboxílico, el compuesto contiene un grupo funcional -COX. En ellos el carbono está unido a un radical o átomo de hidrógeno (R), a un oxígeno mediante un doble enlace y mediante un enlace simple (sigma) a un halógeno (X). Al resto procedente de eliminar el grupo OH se lo llama grupo acilo.  Los halogenuros de ácido se nombran, entonces, anteponiendo el nombre del halógeno al del resto acilo, el cual se nombra reemplazando la terminación "oico" del ácido del que deriva por "ilo" Por ejemplo, el resto acilo derivado del ácido acético (CH3-CO-) es el acetilo. El cloruro de ácido derivado del acetico, se nombrara por lo tanto, cloruro de acetilo. Estos compuestos dan reacciones de sustitución nucleofílica con mucha facilidad y son utilizados en reacciones de acilación (como la de Frieldel-Crafts). El grupo hidroxilo del ácido sulfónico también puede ser reemplazado por un halogeno, dando lugar a un ácido halosulfonico. Por ej., el ácido clorosulfonico resulta de reemplazar un grupo hidroxilo por un átomo de cloro. PRIORIDADES A LOS DIFERENTES GRUPOS QUE SUSTITUYEN AL CARBONO Cuando en un compuesto existen varios grupos funcionales es necesario establecer un orden de prioridad con el fin de numerar la cadena, de manera que al grupo funcional de mayor prioridad se le asigne el localizador más bajo posible y sirva de base para nombrar el compuesto. Este orden de prioridad creciente es el siguiente: 1. Sales 2. Ácidos carboxílicos 3. Derivados de ácidos carboxílicos 4. Nitrilos 66 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica (esteres y amidas) 5. Aldehídos 6. Cetonas 7. Alcoholes 8. Aminas 9. Haloalcanos 10. Nitroderivados 11. Eteres 12. Peróxidos Los grupos funcionales tienen prioridad respecto a los enlaces múltiples. CUESTIONARIO Nº 6 1. Nombre los siguientes compuestos e indique a que grupo carbonilo pertenece: GRUPO ……………………… a) ……………… b) ………………….. c)……………………. GRUPO ……………………… d) ……………. e) ……………… f) …………………… GRUPO ……………………… g) ………………………. h) ……………..………… i)………………..……………. k)…………… ………….. l)…………………………… GRUPO ………………………  j) …………………… GRUPO ……………………… 67 ro Módulo 3  de Bachillerato Química Orgánica m) …………. n)………………… 2. Realice la formula semidesarrollada y escriba los nombres de:     (b) 3. Escriba las fórmulas estructurales de: (a) metil isobutil cetona (b) fenilacetaldehido (c) 2-metil-3-pentanona (d) 3-hexenal 4. Enumere las propiedades físicas de los aldehídos, cetonas y éteres. 5. Realice un cuadro sinóptico de los grupos carboxilados y nitrogenados con sus nombres, fórmulas generales y por lo menos 3 ejemplos de cada uno. 6. Conteste brevemente:  ¿Qué son los epoxidos?  ¿Qué son los ácidos orgánicos? Indique su importancia biológica  ¿Qué es la isomería óptica y cuál es su importancia? 7. Nombre los siguientes éteres: 68