QUÍMICA ORGÁNICA MSc. Quim. Alejandro Fukusaki Yoshizawa
orgáni ca. 7ma. Edición. Edici ón. México D. F. F. Editorial Thomson McMURRY, J. 2008. Química orgánica. Learning Academic.
MORRISON R.T. Y ROBERTO NEILSON BOYD. 2000. Química Orgánica 5ta. Edición. Ed. Adison Wesley Iberoamericana Willmington. Delawere. E.U.A.
SOLOMONS SOLOMON S T.W.G. Química Orgánica. 2000. Edición. Limusa. México. SOTO CÁMARA, JOSÉ LUIS. 2003. Química Orgánica (2 Vol) Ed. Síntesis. Madrid, España. 2011. Química Orgánica Person Educación México. Séptima Edición - 2 WADE L.G. 2011. vol.
LEÓN CAM, JUAN JOSÉ. 2011. Introducción a la Química Orgánica. ESERGRAF. Lima - Perú.
orgáni ca. 7ma. Edición. Edici ón. México D. F. F. Editorial Thomson McMURRY, J. 2008. Química orgánica. Learning Academic.
MORRISON R.T. Y ROBERTO NEILSON BOYD. 2000. Química Orgánica 5ta. Edición. Ed. Adison Wesley Iberoamericana Willmington. Delawere. E.U.A.
SOLOMONS SOLOMON S T.W.G. Química Orgánica. 2000. Edición. Limusa. México. SOTO CÁMARA, JOSÉ LUIS. 2003. Química Orgánica (2 Vol) Ed. Síntesis. Madrid, España. 2011. Química Orgánica Person Educación México. Séptima Edición - 2 WADE L.G. 2011. vol.
LEÓN CAM, JUAN JOSÉ. 2011. Introducción a la Química Orgánica. ESERGRAF. Lima - Perú.
La Química Orgánica, es una parte de la química, que se encarga del estudio de los compuestos que tienen átomos de carbono en su composición, con ciertas cier tas excepciones. excepciones. La mayoría de los avances en la investigación en los productos farmacéutico, en la alimentación, en el control de la contaminación ambiental, productos orgánicos sintéticos: fibras y muchos otros, se debe básicamente a la Química Orgánica.
La química orgánica es la química de los compuestos del carbono El término de orgánica significa que pertenece a organismos vegetales o animales. En un principio, se caracterizó a las sustancias orgánicas a las derivadas como compuestos orgánicos, a aquellos que tenían un origen o fuentes vivas; se pensaba que éstas contenían la fuerza vital.
Inicialmente se pensaba que todos los compuestos orgánicos se extraían de los organismos vivos o productos naturales. La teoría vitalista se fundamentaba que todos los productos orgánicos necesitaban de una fuerza vital para ser creado, es decir que deberían proceder de los organismos vivos debido a que éstos eran poseedores de la fuerza vital
Hasta que en 1 828, el Químico alemán Friedrich Whöler demostró que la teoría vitalista era falsa, al sintetizar la urea a partir del cianato de amonio.
Calor
NH4CNO Cianato de amonio
NH2CONH2 urea
(Compuestos inorgánicos)
(Compuestos orgánicos)
Posteriormente. en 1 862, trató el carburo de calcio con agua y obtuvo el compuesto orgánico : el acetileno CaC2 + 2 H2O Carburo de calcio (Compuestos inorgánicos)
C2H2 + Ca(OH)2 Acetileno (Compuestos orgánicos)
Características generales de los compuestos orgánicos 1. Todos los compuestos orgánicos tienen carbono y la gran mayoría de ellos hidrógenos. Existen otros elementos “organógenos” o heteroátomos que acompañan al carbono e hidrógeno como oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo
2. El carbono es tetravalente: los átomos de los elementos en los compuestos orgánicos pueden formar un número fijo de enlaces, en este caso forma cuatro enlaces y tiene la capacidad de unirse entre sí, formando enlaces simples, dobles y triples con diversidad de formas.
H H C H H
3. Se pueden presentar formando cadenas abiertas, ramificadas y anillos 4. El carbono se une a los heteroátomos mediante enlaces covalentes.
Aspartamo
Acesulfame
5. Con pocas excepciones, los compuestos orgánicos son combustibles, en tanto los inorgánicos no lo son.
6. Los puntos de fusión (p.f.) para los compuestos orgánicos se encuentran generalmente por debajo de los 400 (sacarosa 186°C (d), aspirina °C 133,4°C, etc.), en cambio la gran mayoría de los compuestos inorgánicos sobrepasan a esta temperatura ( NaCl : 801 oC, KCl 776 oC, oro 1 063 oC, etc.).
350 330
7.
Una cantidad apreciable de compuestos orgánicos son de baja solubilidad en agua, y en menor número son solubles en solventes polares, como el agua y para ellos es necesario que tengan grupos polares como OH, C=O, COOH, etc. y además, deben tener la cadena carbonada corta. En cambio un mayor porcentaje de compuestos inorgánicos son solubles en agua.
Compuestos Orgánicos polares
CH3CH2OH
Solubilidad en solventes polares Total
CH3COCH3
Total
CH3COOH
Total
Compuestos orgánicos
Solubilidad gramos/100 mL de agua (Index Merck, 1997)
CH3COOH
Total
CH3CH2COOH
Total
CH3CH2CH2COOH
Total
CH3CH2CH2CH2COOH
3,7
CH3CH2CH2CH2CH2COOH
0,4
CH3 (CH2) 10COOH
insoluble
8. En los compuestos inorgánicos se presentan
frecuentemente enlaces iónicos y en los orgánicos predominan los enlaces covalentes. La gran mayoría de las soluciones acuosas de los compuestos inorgánicos son buenos conductores de la electricidad, en cambio las soluciones de los compuestos orgánicos son pobres conductores de la electricidad
9. La mayoría de las reacciones con los compuestos orgánicos son lentas y necesitan de catalizadores. En los inorgánicos son más rápidas y a menudo cuantitativas.
Características
C.orgánico
C.Inorgánico
Punto de fusión
bajo
alto
* Solubilidad en agua
baja
alta
alta
baja
* Solubilidad en disolventes no polares * Conductividad
pobre
buena
* Veloc. de reacción
lenta
rápida
* Tipo de enlace
covalente
iónico
FÓRMULAS 1) FÓRMULA EMPÍRICA: Relación mínima de cada clase de átomos en la molécula 2) FÓRMULAS MOLECULARES : Incluye las clases de átomos y la cantidad de cada uno en la molécula.
Fórmula molecular = (Fórmula empírica) n
n= Peso fórmula molecular/ peso fórmula empírica
3) FÓRMULAS DESARROLLADAS: Muestran todos los enlaces e incluyen los enlaces C-H.
4) FÓRMULAS LINEALES : consideran sólo líneas quebradas. Cada vértice contiene un carbono con suficiente hidrógenos.
5) FÓRMULAS TOPOLÓGICA: Fórmula tridimensional con líneas continuas, entrecortadas y líneas gruesa o cuñas.
Compuesto
Fórmula molecular
Fórmula Fórmula semidesarroll desarrollada ada
Etano
C2H6
CH3-CH3
H H H- C – C-H H H
Fórmula topológica H
H
H
H
H
H
Número de enlaces covalentes que usualmente forman los compuestos orgánicos
Determinar la fórmula empírica y molecular de un compuesto que tiene por peso molecular de 58 y su composición centesimal es C= 82,76 e H = 17,24% r,tc
Encuentre la fórmula empírica y molecular de un compuesto que tiene por peso molecular de 216 y su composición centesimal es C= 44.4 e H = 3.7%, N= 51,9 fff
Determinar la fórmula empírica y molecular de un compuesto de peso molecular 78 si el porcentaje de C = 92,3% e H = 7,69% jj
Determine la fórmula empírica y molecular si el % de C = 52,17% y de Hidrógeno = 13,04% El PM es 92. r,tn,n
Construya la estructura del compuesto de PM de 88 y su composición centesimal es C= 54,54% e H = 9,1%. rfn
EL CARBONO
C
A = 12
Z = 6
GRUPO IVA PERIODO 2
Orbitales
ORBITALES ATÓMICOS (s y p) p
El orbital 2s, es una esfera mayor que el 1s.
x
S
y
z
Existen tres orbitales 2 p ( px, py y pz )de igual energía). Cada orbital p es perpendicular a las otros dos).
Hibridación Es la combinación de dos o más orbitales diferentes para formar nuevos orbitales con características propias.
s
+ np
(n+1)sp n
s
n=3
n=2
n=1
+ n p
(n+1) spn
Cuatro orbitales híbridos sp 3
Formación de enlaces simples ( ) C-C
Formación de enlaces simples ( )
Formación del enlace pi (Enlace doble)
(
Formación del enlace pi Enlace doble
(
Formación del enlace pi Enlace triple
(
Hibridación digonal
Energía de enlace Ruptura de enlaces
C - C + 347 kJ/mol
C +C
Reacción endotérmica
25 20
a í g15 r e10 n E 5
D
H=+
0 1
2
3
4
Progreso de la reacción
5
Formación de enlaces
C + C
C - C + 347 kJ/mol
Reacción exotérmica 25 a 20 í g r 15 e n E 10
Ea
H=-
D 5 0 1
2
3
Progreso de la reacción
4
Efectos inductivos
Se refiere al desplazamiento de los electrones de un enlace en respuesta a la electronegatividad de los enlaces vecinos. La polarización de un enlace por efecto de un enlace adyacente polar o por un grupo se conoce como efecto inductivo.
Efectos inductivos
Tenemos dos tipos de efectos inductivos: •
Electrón-dadores o donadores (+I), los que ceden la densidad electrónica y los
•
Electrón-atrayente o aceptores (- I). El efecto inductivo se pierde a través de la cadena.
EFECTOS INDUCTIVOS
H
•
H
C
(+ I) C
dona
C
H Cl Cl
C Cl
C
C
Atrae (- I)
Ácidos y bases según Bronsted-Lowry
“Un ácido es una sustancia que puede donar un protón (H+)”
CH3CH2-COOH
CH3CH2-COO + H+
“Una base es una sustancia que puede aceptar un protón”
Los ácidos orgánicos son ácidos débiles. Cuando se les pone en agua algunas moléculas se ionizan:
CH3COOH + H2O
K a
=
CH3COO - + H3O+ [ CH3COO - ][ H3O+ ] [CH3COOH] ][H2O ]
A mayor número de Ka la fuerza de acidez es mayor. A menor número de pKa la fuerza de acidez es mayor pKa = -log Ka
Interpretación de los valores de Ka y pKa acidez de los compuestos •
A mayor número de Ka mayor es la acidez
Ka de “X” = 1,75 . 10-5 Ka de “Y” = 136 . 10-5 •
A menor número de pKa la fuerza de acidez es mayor
pKa de “X” = 4,76 pKa de “Y” = 2,87
Efectos estructurales en la acidez
Compuesto H - COO COOH H
Ka 17,7
p Ka
. 10- 3
3,75
CH3 - COO COOH H COOH H ClCH2-COO CH--COO COOH H Cl2CH
1,75 . 10- 5 136 . 10- 5 5 530 . 10- 5
4,74 2,86
COOH H Cl3C- COO
23 200 . 10- 5
0.64
1,26
Acidez de los compuest compuestos os Ka
CH3CH2CH2COOH
Ka Ka p
1,52. 10-5
4,82
2,96. 10-5
4.52
Cl CH2CH2CH2COOH
Cl CH3CHCH2COOH
Cl CH CH CHCOOH
8,90 .10-5
4,05
139,00.10-5
2,86
1. Ordenar de acuerdo al grado de acidez creciente de los siguientes compuestos:
OH
OH
OH
NO2
OH
CH3
NO2 a)
b)
c)
d)
e)
CH3
Resonancia
RESONANCIA
especies tales como moléculas o iones pueden dibujarse en más de una forma de Lewis. :O:
:O:
CH3-C
CH3-C :O:
:O: :O:
CH3- C
El orden decreciente de la electronegatividad para los principales elementos es:
F >> O > Cl = N > Br > I = C > H POLARIDAD MOLECULAR Defínase como la suma vectorial de los momentos de enlace de una molécula, y esto implica la dirección y magnitud. Para determinar la polaridad molecular son necesarios conocer: la electronegatividad y la geometría de las moléculas.
Polaridad molecular Moléculas no polares
Br O = C = O
Br Br
C
Br
=0
=0
Moléculas polares CH3
O
O H
H
CH3
> 0
> 0
FUERZAS INTERMOLECULARES Fuerza de atracción de superficie. CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 CH3 CH2 CH3 CH2 CH2
CH3
CH3
C
C
CH3 CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
FUERZAS INTERMOLECULARES Fuerza de atracción dipolo-dipolo CH3 H O:
CH3
C H
CH3
O CH3
H C
I H
H
I
H
FUERZAS INTERMOLECULARES
FUERZAS INTERMOLECULARES Puente de hidrogeno H O H
H
H H -F
O H O H
H - F
Puentes de hidrógeno en una estructura proteica
GRUPOS FUNCIONALES GRUPOS
\
NOMBRE
/ C=C / \
Enlace doble
-C C-
Enlace
FAMILIA
Alquenos
CH2 =CH2
Alquinos
CH CH
triple Arenos
EJEMPLO
Aromáticos
GRUPOS FUNCIONALES GRUPOS -OH
NOMBRE Hidroxilo
FAMILIA EJEMPLO Alcoholes
CH3OH
Fenoles
OH
\
C=O
Carbonilo
Aldehídos
CH3
/
\
(aldehído)
C=O /
H
GRUPOS FUNCIONALES GRUPOS
NOMBRE
C=O
Carbonilo
FAMILIA
EJEMPLO
Cetonas
CH3 \
(Cetona)
C=O /
CH3 -O-
Oxi
Eteres
CH3 O CH3
GRUPOS FUNCIONALES GRUPOS
O || -C-OH O || -C-O-
NOMBRE
Carboxilo
FAMILIA
Acidos carboxílicos
EJEMPLO
O || CH3 - C-OH
Carbalcoxi Ésteres
O || CH3-C-O-CH3
O O || || -C -O- C- Anhidrido Anhidridos
O O || || CH3-C-O-CCH3
GRUPOS FUNCIONALES GRUPOS
-CH2-N-
NOMBRE
Amino
FAMILIA SUFIJO EJEMPLO
Aminas amina (1o) CH3-CH2NH2 (2o) CH3-CH2NHCH3 (3o)CH3-CH2-N-CH3 CH3
GRUPOS
O || - C-N-
NOMBRE
FAMILIA
SUFIJO
Amido
Amidas
Amida
(1o) CH3-CO-NH2 (2o) CH3-CONHCH3 (3o)CH3-CO-N-CH3 |
CH3
-C N C- Cl
Ciano
Nitrilos nitrilo CH3-C N
Halógeno Halogenuros CH3-CH2 Cl
Reconocimiento de grupos funcionales Método químico
O || CH3-CH2-CH + NH2-NH2 Propionaldehído
N-NH || CH3-CH2-C-H + H2O Fenilhidrazona propionaldehído
HCHO + 2 Cu+2 + Na + + 5 - OH HCOONa + Cu2O
+ 3 H2O
CH3-CH2-OH + Na
CH3-CH2-O Na +
CH2=CH2 + KMnO4 + H2O
CH2- CH2 OH OH
+ MnO2 + KOH
Espectroscopía infrarroja
Esquema simple de un espectrofotómetro infrarrojo •
espejo
Estiramiento y compresión de enlace entre dos átomos
Estiramiento
Equilibrio
Comprimido
Vibraciones moleculares
Tensión y flexiones
http://www.iocd.unam.mx/organica/teoria1411/flash/ir2.sw f
http://www.iocd.unam.mx/organica/teoria1411/flash/ir.swf
http://www.iocd.unam.mx/organica/teoria1411/flash/ir2.swf
GRUPOS
Frecuencias ( ) GRUPOS cm-1
C-H (alcanos)
2800-3000
C – C
1450-1590
=C-H (alquenos)
3000-3100
C=C
1600-1700
C≡C
2100 -2250
Frecuencias ( ) cm-1
C-H (aromáticos)
1 610-2000
C=O
1670 -1780
O-H (hidroxilo)
3200-3650
COOH
1700-1780
(Primario)
1050 cm-1
O=C-O-C=O
1720-1850
(Secundario)
1100 cm-1
NO2
1540
1150
C – F
1400 – 1000
N-H (Amino)
~3310 y 3500
C-Cl
800 – 600
C-N (Amino)
1200
C- Br
600 – 500
C=N
1650
C- I
~ 500
(Terciario)
Aromáticos 1600
1600-2000
Espectro del tolueno Grupos funcionales
Huella digital
C = C
NH2
OH
C-H Anillo
C=C
C=C
C-Cl
1,2-dicloroeteno
Espectro IR de la dimetilcetona
C =O
Espectro infrarrojo del ácido propiónico
OH -clorofenol
p
OH
Aromatico
C=C
Una muestra pura es sometida a un análisis instrumental y da como resultado un compuesto de fórmula molecular de C 6H14O. Señale cuáles son los enlaces y/o grupos funcionales involucrados.
Indique cuál o cuáles de los grupos funcionales están involucrados en la fórmula C 9H12O, conociendo su espectro infrarrojo.
FORMULAS MOLECULARES VERACIDAD DE UNA FORMULA MOLECULAR
a) El número de átomos de hidrógeno es par , si la suma de las valencias de los otros elementos es par . Ej. C6H6, C4H6,OCl2 C2H4Cl2, C6H10Br 2, C4H8NCl, etc.
8
N° de H
Suma de las valencias por el número de átomos
8 (par)
6 (4) +1(3)+ 1(1)= 28 (par)
N° de H
Suma de las valencias por el número de átomos
6 (par)
4(4) +1(2)+2(1) = 20 (par)
FORMULAS MOLECULARES VERACIDAD DE UNA FORMULA MOLECULAR
b) El número de átomos de hidrógeno es impar si la suma de las valencias de los otros elementos es impar . C5H7Cl C2H3Cl, C6H9Br
N° de H
Suma de las valencias por el número de átomos
7 (impar)
5 (4) +1(1) = 21 (impar)
N° de H
Suma de las valencias por el número de átomos
7 (impar)
4(4) +1(2)+1(1) = 19 (impar)
INDICE DE DEFICIENCIA DE HIDROGENO (IDH).
El IDH se emplea para obtener las posibilidades gráficas de las estructuras a partir de una fórmula global. Se utiliza la fórmula general de los hidrocarburos saturados acíclicos Cn H2n +2 y se compara los átomos de hidrógeno correspondiente a la estructura de igual número de carbono.
INDICE DE DEFICIENCIA DE HIDROGENO (IDH).
El IDH 1 significa que faltan dos hidrógenos en relación a la estructura saturada, por lo tanto podemos tener la fórmula: IDH = Diferencia de hidrógenos/2. •
ISÓMEROS Compuestos que poseen la misma fórmula global, pero que se diferencian entre sí por algunas o todas las propiedades físicas y químicas. Y estos dependen de las disposiciones de los átomos en la estructura del compuesto.
ISÓMEROS
I. Isómeros estructurales 1) Isómeros de cadena o esqueleto 2) Isómeros de posición 3) Isómeros de compensación o funcionales
II. Estereoisómeros 1) Isómeros conformacionales 2) Isomería geométrica 3) Isomería óptica
ISÓMEROS Fórmula: C5H10O CH3- CH2 –CH2 –CH=CH- OH Fórmula: C5H10O CH3-CH2 –CH2 –C=CH2 OH
Fórmula: C3H8O
CH3-CH2 -CH2 –CH=CH-OH
REACCIONES QUÍMICAS Ruptura de enlaces: Homolítica y Heterolítica
A• + • B (Radicales) A
B
A A
Homolítica
+ B Heterolítica + B (Iones)
CH3- CH-CH2 CH2
°
CH3
CH3- CH-CH2 CH3 CH3
CH3- CH-CH CH3
°
CH3 CH3- C - CH2 CH3 CH3
°
REACCIONES QUÍMICAS Inestabilidad de los radicales
1° 2° 3°
REACTIVOS NUCLEÓFILOS Reactivo que busca un centro positivo, es decir son iones negativos o moléculas que contienen pares de electrones no compartidos. ••
HO
••
••
, - NH2 , - CN ,
•• ••
H2O
••
-OCH3 ••
••
NH3
••
R-O H ••
;
••
-X
••
REACTIVOS ELECTRÓFILOS
+
H +,
NO2
,
iones positivos O RC CH3
Clasificación de las reacciones Reacción de sustitución (S) Átomo o grupo de átomos de una molécula es reemplazado por otro. H H H Br + Br – Br Luz + HBr HBr
Clasificación de las reacciones Reacción de Adición (Ad) Dos moléculas se cobinan para formar un producto + H
H
H2O
H+ H H
OH H
Clasificación de las reacciones Reacción de Eliminación (E) Una sola molécula compleja se dividen en dos productos más sencillos.
H+ H
OH
+ H2O
Clasificación de las reacciones SUSTITUCIÓN
CH3 - Cl + CN - H + NO2 CH3 – H
+ Br
CH3 – CN + Cl (SN )
- NO2 + H (SE ) CH3 – Br + H (SR )
Clasificación de las reacciones ADICIÓN
E
+ A=B
E- A-B
(AdE )
R
+ A=B
R - A - B
(AdR )
N
+ A-B
N- A-B
(AdN )
Clasificación de las reacciones ADICIÓN
CH3 CH = CH2 + H CH3 CH = CH2 + Br
CH3 CH - O + OCH3
CH3 CH - CH3 (AdE ) CH3 CH - CH2Br (AdR ) OCH3 CH3 CH - O
(AdN )
Clasificación de las reacciones
CH3-CH3 + Br
CH3-CH2- Br + H (SR)
+ H + NO2
NO2 + H+ (SE)
