LICEO INDUSTRIAL METODISTA DE CORONEL – CHILE

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA

Profesor: HÉCTOR ARANEDA GARCÍA

La Química OrgánicaLa Química Orgánica(o Química del Carbono)(o Química del Carbono)

• El carbono es un elemento químico presente en casi todos los ámbitos de nuestra vida.

• Es el único elemento capaz de unirse a otros átomos de C formando cadenas, y a la mayoría de los elementos no metálicos como H, O, N, S y halógenos principalmente.

• La química orgánica se define simplemente como la química de casi todos los compuestos que contienen carbono.

Orígenes de la química Orígenes de la química orgánicaorgánica

• Los orígenes de la química orgánica se remontan a los trabajos del químico sueco Jöns Jacob Berzelius, quien en el siglo XVIII postuló la teoría vitalista, que afirmaba que los compuestos orgánicos solo podían ser elaborados o sintetizados por los organismos vivos a través de una misteriosa “fuerza vital” que estos poseían.

• Sin embargo, en 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler logró sintetizar un compuesto orgánico (urea) en el laboratorio a partir de un compuesto inorgánico (cianato de amonio) en presencia de agua y calor.

Jons Jacob Berzelius Jons Jacob Berzelius (1779-1848) Químico sueco, considerado uno de los fundadores de la química moderna. Propuso la simbología de los elementos químicos mediante letras del alfabeto latino y determinó la masa atómica de varios elementos tomando como referencia al oxígeno.

Friedrich Wöhler Friedrich Wöhler (1800-1882) Químico alemán, precursor en el desarrollo de la química orgánica.Famoso por la síntesis de la urea.Logró aislar dos importantes elementos químicos: el aluminio y el berilio, y descubrió el carburo de calcio, el cual utilizó para la obtención del acetileno.

Compuestos orgánicos e Compuestos orgánicos e inorgánicosinorgánicos

• Se conocen más de 24 millones de compuestos que contienen carbono; entre ellos, los combustibles, que derivan de importantes compuestos orgánicos llamados hidrocarburoshidrocarburos.

• Entre los compuestos orgánicos presentes en los organismos vivos están los carbohidratos, los lípidos (grasas y aceites), aminoácidos, proteínas, vitaminas, hormonas y enzimas.

• La química inorgánicaquímica inorgánica, en cambio, comprende la química de todos los demás elementos y de aproximadamente 600.000 compuestos inorgánicos.

Principales elementos con los que Principales elementos con los que reacciona el carbonoreacciona el carbono

¿En qué se diferencian ¿En qué se diferencian compuestos orgánicos e compuestos orgánicos e inorgánicos?inorgánicos?

• Un reducido número de compuestos que contienen carbono se clasifican como inorgánicos. Entre ellos están el CO, el CO2 y los compuestos que contienen el ion CO3

-2, el ion bicarbonato, HCO3

-, y el ion cianuro, CN-, todos provienen de los minerales y poseen características de los compuestos inorgánicos.

• Entre los compuestos inorgánicos podemos citar, además, los óxidos, los hidróxidos, los ácidos y las sales.

Formas alotrópicas del carbono

• ¿Es posible que los átomos de un solo elemento puedan ordenarse en el espacio dando lugar a sustancias totalmente distintas?

• Así es, se trata del fenómeno conocido como alotropía.

• Los átomos de carbono pueden ordenarse -que se sepa- de cinco maneras distintas, originando así materiales bastante dispares. Hoy en día siguen descubriéndose alótropos nuevos, pero, para simplificar las cosas, vamos a dejarlas, de momento, en el tintero.   

El carbón amorfo

Es una de las formas más comunes de encontrar carbono. Los átomos adoptan una estructura irregular y desordenada que suele ser producto de la descomposición a través de los siglos de restos de seres vivos.

Suele quemarse para producir energía. También se utiliza como filtro, ya que su estructura reticular le permite captar impurezas en su interior.

Bajo determinadas condiciones, el carbono amorfo puede ordenarse en la que es la forma más estable a temperatura y presión ambiente: el grafito.

El grafito

En el grafito, el carbono se organiza en capas de anillos hexagonales unidas por interacciones débiles.Esta estructura hace que el material sea blando y lubricante y, además, gracias a la presencia de electrones deslocalizados, conductor de la corriente eléctrica.

El diamanteSometido a altas condiciones de presión el grafito puede transformarse en uno de los materiales más preciados del mundo: el diamante.

Además de tener un alto valor como piedra preciosa para joyería, el diamante es el material más duro del mundo.

Esto se debe a una organización cristalina perfecta de los átomos de carbono, en la que cada uno de ellos está conectado a otros cuatro por enlaces covalentes.

Apretando con el puño un lápiz no conseguiremos un diamante, pero sí se fabrican en cámaras de presión diamantes artificiales a partir de grafito utilizados para fabricar herramientas de pulido y corte.

Fullerenos y nanotubos

Desde los años ochenta se han descubierto estructuras cerradas de unos pocos átomos de carbono con forma de esfera (fullerenos) o tubo (nanotubos).Los primeros reciben el nombre del famoso arquitecto Buckminster Fuller, arquitecto de cúpulas esféricas sorprendentemente similares a la estructura de este alótropo. Pueden tener una gran variedad de aplicaciones que van desde la catálisis de reacciones químicas a la creación de nuevos materiales superconductores.

Grafeno

Si se consigue separar una única capa de las que forman el grafito (o, también, cortar y extender un nanotubo) se obtiene un material de un sólo átomo de espesor llamado grafeno.

Sorprendentemente, a pesar de su aparente fragilidad, es un material 200 veces más resistente que el acero y con una conductividad eléctrica muy alta.

Actualmente se está estudiando su aplicación en los circuitos electrónicos, que permitiría unas velocidades mayores que las de los chips actuales.

¿Por qué el Carbono es la base la ¿Por qué el Carbono es la base la química orgánica?química orgánica?

El carbono no es un elemento abundante, solo constituye el 0,027 % de la corteza terrestre.

Como carbono elemental existe en cuatro formas alotrópicas cristalinas: grafito, diamante, fullereno y nanotubos de carbono.

Otras formas con poca cristalinidad son el carbón vegetal, el carbón coque y el carbón negro de humo.

El gran número y diversidad de los compuestos orgánicos se explica por las características únicas que tiene el átomo de carbono: su pequeño tamaño, su su pequeño tamaño, su electronegatividad y su tetravalenciaelectronegatividad y su tetravalencia.

Actividad:Actividad: completa la Tabla con lascompleta la Tabla con lasPropiedades fisicoquímicas del carbonoPropiedades fisicoquímicas del carbonoNúmero atómico, Z 6

Periodo en la TP 2

Grupo o Familia 14 ó 4A

Radio covalente 0,77 Å

Configuración electrónica 1s2 2s2 2px1 2py

1 2pz0

Electrones de valencia 4

Configuración de Lewis :Ċ·

Electronegatividad de Pauling 2,5

ElectronegatividadElectronegatividad

• La electronegatividad del carbono tiene un valor intermedio de 2,5 según la escala de Pauling (que va de 0,7 a 4,0).

• Es el único elemento capaz de unirse a otros átomos de C formando cadenas, y a la mayoría de los elementos no metálicos como H, O, N, S y halógenos principalmente.

• Al unirse no gana ni pierde electrones, sino que los comparte, formando compuestos y enlaces covalentes, (no iónicos).

TetravalenciaTetravalenciaLa configuración electrónica detallada del carbono es:

1s1s22 2s 2s22 2p 2pxx1 1 2p2pyy

11 2p 2pzz00

Y, su estructura de Lewis es: :Ċ·Es decir, el C tiene dos orbitales incompletos (cada uno con 1e- desapareado), por lo tanto, debería unirse a átomos con 2 e- disponibles para alcanzar su máxima estabilidad (Regla del Octeto), sin embargo, en la práctica, el C se enlaza mediante cuatro enlaces covalentes.

¿Cómo se explica eso?

Esta tetravalencia del C se debe a su pequeño tamaño y a la cercanía energética existente entre los orbitales atómicos 2s y 2p. Esto facilita la migración de un electrón del orbital 2s al orbital 2pz, disponiendo así de 4 orbitales desapareados y permitiendo la formación de cuatro enlaces, en un fenómeno conocido como HibridaciónHibridación.

Hibridación del átomo de Hibridación del átomo de carbonocarbono

La mayor estabilidad del carbono y la forma de las moléculas orgánicas se deben al fenómeno conocido como hibridación del carbonohibridación del carbono.

Esta consiste en la combinación de los orbitales atómicos (OA) del carbono debido a la promoción de un electrón del orbital 2s a un orbital 2p, tal como muestra el siguiente esquema:

La configuración hibridizada del átomo de carbono hace que ahora tenga cuatro electrones desapareadoscuatro electrones desapareados, es decir: 1s1s22 2s2s11 2p 2pxx

11 2p2pyy

11 2p 2pzz11..

Los cuatro orbitales que se forman por la combinación de un orbital s con tres orbitales p se denominan orbitales híbridos sporbitales híbridos sp33, y poseen la misma energía.Esta condición permite al carbono formar cuatro enlaces covalentes y configurarse como gas noble; en lo que se llama tetravalenciatetravalencia.Con ello, el átomo de carbono puede enlazarse con otros átomos de carbono o con átomos distintos. Esto explica la tremenda cantidad de compuestos orgánicos que hay.

Tipos de carbono en los Tipos de carbono en los compuestos orgánicoscompuestos orgánicos

Los átomos de carbono constituyentes de las estructuras orgánicas pueden ser clasificados según el número de carbonos enlazados y según su hibridación.

A. Según el número de carbonos A. Según el número de carbonos enlazados.enlazados.Los átomos de carbono presentes en una estructura orgánica pueden ser primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios.Esto dependerá del número de carbonos enlazados al átomo que estemos analizando.

En esta estructura vemos que existen también átomos de hidrógeno que en los compuestos orgánicos pueden, al igual como el carbono, clasificarse en primarios, secundarios o terciarios según el tipo de carbono al cual se enlace.

B. Según su hibridaciónB. Según su hibridación

• HibridaciónHibridación, proceso en que los orbitales atómicos se combinan para formar nuevos orbitales moleculares.

• Al ocurrir este proceso los electrones se vuelven a distribuir en los orbitales híbridos.

• Dependiendo del tipo de orbitales que intervienen en la la hibridación, los átomos de carbono pueden unirse entre sí mediante enlaces enlaces covalentes simples, dobles y triples.covalentes simples, dobles y triples.

• A continuación revisaremos qué ocurre a nivel de los orbitales atómicos y la disposición que adquieren los átomos en el espacio cuando se forma cada uno de estos enlaces.

Hibridación spHibridación sp33 en el etano:

(1) La combinación del OA 2s con los tres OA 2p da como resultado ocho orbitales híbridos sp3 que forman ángulos de 109,5º entre sí. Este tipo de enlace se denomina enlace sigmaenlace sigma (σ), correspondiente a enlaces simples.

(2) El acercamiento frontal de los orbitales híbridos sp3 de cada carbono formará un enlace de tipo σ sp3–sp3.

Hibridación spHibridación sp22 en el eteno:(1) La combinación del OA 2s solo con dos de los tres OA 2p da como

resultado seis orbitales híbridos sp2 que están en un plano y forman ángulos de 120º entre sí.

(2) Cuando dos átomos de carbono con hibridación sp2 se acercan y sus orbitales híbridos sp2 se traslapan de frente, se forma un enlace σ sp2–sp2.

(3) La segunda unión correspondiente al doble enlace se forma por el solapamiento lateral de los orbitales p sin hibridar, el cual se denomina enlaceenlace pipi (π).

Hibridación spsHibridación sps en el etino 1) La combinación del OA 2s solo con uno de los OA 2p da como

resultado cuatro orbitales híbridos sp que se ubican linealmente formando ángulos de 180º entre sí.

2) Cuando dos átomos de carbono con hibridación sp se acercan y sus orbitales híbridos sp se traslapan de frente, se forma un enlace σ sp–sp.

3) Finalmente, el triple enlace se forma por el solapamiento lateral de los orbitales p sin hibridar, detectándose dos tipos de enlace pi: π1 y π2.

• La longitud de un enlace químico resulta de la interacción entre las fuerzas atractivas y repulsivas existentes en los átomos que lo conforman.

• Existe una relación entre la fuerza de enlace y su longitud: cuanto menor es la distancia entre los átomos de carbono, el enlace es más intenso. Por ejemplo, los enlaces covalentes simples carbono-carbono son más largos que los triples, mientras que estos tienen una fuerza de enlace mucho mayor.

• La fuerza de un enlace covalente entre dos átomos está determinada por la energía necesaria para romper el enlace (energía de enlace).

• La tabla 3 muestra la relación entre la longitud y la energía de enlace para los tres tipos de enlaces covalentes carbono-carbono.

Clasificación de los compuestos orgánicos

Es tan grande el número de compuestos orgánicos que para su estudio y aplicación deben agruparse en clases o familias con características estructurales y tipos de enlaces semejantes.

1. Los hidrocarburos1. Los hidrocarburos Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más sencillos, ya que están formados solo por átomos de carbono e hidrógeno.Los hidrocarburos se agrupan en dos grandes tipos: alifáticos y alifáticos y aromáticosaromáticos.

Hidrocarburos alifáticosHidrocarburos alifáticos: alcanos, alquenos y alquinos, y sus análogos Hidrocarburos alicíclicosHidrocarburos alicíclicos: cicloalcanos, cicloalquenos y cicloalquinos.

Hidrocarburos aromáticosHidrocarburos aromáticos: provienen de una molécula llamada benceno, que estudiaremos más adelante.

1.1 Hidrocarburos alifáticos1.1 Hidrocarburos alifáticos• Son hidrocarburos con estructuras de cadena abierta, como

los que se ilustran a continuación:

Cadena lineal Cadena ramificada

• Este tipo de hidrocarburos incluye los alcanosalcanos o parafinasparafinas, que están formados exclusivamente por enlaces simples carbono-carbono y poseen la capacidad máxima de átomos de hidrógeno por cada carbono. Debido a esta particularidad, se les denomina hidrocarburos hidrocarburos saturadossaturados.

• Los alquenosalquenos u olefinasolefinas presentan al menos un doble enlace C=C en su cadena.

• Los alquinosalquinos su estructura tiene, al menos, un enlace triple CΞC.

• Alquenos y alquinos son hidrocarburos hidrocarburos insaturadosinsaturados. .

Fórmula general y algunas propiedades de los hidrocarburos alifáticos

Hidrocarburos alicíclicosHidrocarburos alicíclicos

Entre los hidrocarburos alifáticos destacan los denominados cicloalifáticoscicloalifáticos o alicíclicosalicíclicos, que corresponden a alcanos, alquenos y alquinos, formando ciclos o cadenas cerradas.

1.2 Hidrocarburos 1.2 Hidrocarburos

aromáticosaromáticos • Son aquellos que incluyen en su estructura un

particular hidrocarburo llamado benceno, cuya fórmula molecular es C6H6.

• Su estructura cíclica presenta seis carbonos unidos a través de enlaces covalentes alternados: tres simples y tres dobles.

• Los compuestos aromáticoscompuestos aromáticos o arenosarenos se conocieron en el siglo XIX, cuando se descubrieron varias sustancias de origen vegetal (bálsamos, resinas, esencias, etc.) con aromas intensos y todos ellos derivados sustituidos del benceno o formados por la unión de varios anillos bencénicos (hidrocarburos aromáticos policíclicos).

En 1865, el químico alemán August Kekulé propuso una estructura para el benceno (figura 1): un hexágono regular en cuyos vértices se ubican los átomos de carbono, cada uno de ellos ligado a un átomo de hidrógeno.

Friedrich August Kekulé (1829-1896) Químico alemán reconocido por sus estudios con respecto al comportamiento tetravalente del carbono y la importancia de las cadenas carbonadas en las estructuras orgánicas.

Lewis propuso que el benceno puede representarse mediante dos estructuras equivalentes, llamadas estructuras resonantes (figura 2), que muestran cómo los seis electrones provenientes de los enlaces dobles están en constante movimiento dentro del anillo.En la actualidad, al benceno se le representa a través de un hexágono con un círculo inscrito (figura 3), lo que nos indica que los electrones están distribuidos de manera uniforme dentro del anillo denominado híbrido resonante.

2. Nomenclatura (cómo 2. Nomenclatura (cómo nombrar) de los hidrocarburosnombrar) de los hidrocarburos

En los comienzos de la química orgánica, a los compuestos se les asignaba un nombre basado, por lo general, en su origen o su aplicación. Por ejemplo, limoneno (de los limones), α-pineno (de los pinos) y penicilina (del moho penicillium notatum). No obstante, desde hace algunos años se consideró la necesidad de establecer un método sistemático para nombrar los compuestos y no recurrir a nombres comunes o triviales.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) desarrolló un sistema para asignar nombres y fórmulas a cada compuesto químico. Esto se conoce como nomenclatura.

La IUPAC establece reglas generales y La IUPAC establece reglas generales y específicas para nombrar cada tipo de específicas para nombrar cada tipo de

compuestocompuesto

Reglas generales:1. Identificar la cadena

principal, aquella secuencia con el mayor número de átomos de carbono.

2.Los grupos de átomos unidos a la cadena principal se denominan sustituyentes, y se deben numerar de tal modo que el primero en aparecer reciba el número más bajo posible.

2.1 Cómo nombrar a los 2.1 Cómo nombrar a los hidrocarburos alifáticoshidrocarburos alifáticos

El nombre de un hidrocarburo alifático dependerá del número de carbonos presentes en la cadena principal y del tipo de enlace existente entre los carbonos.

1. Una vez identificada la cadena principal, procedemos a numerar los átomos de carbono.

2. Si en la cadena principal solo existen enlaces simples C—C, la numeración debe considerar la posición más baja de los sustituyentes.

3. Si la cadena principal posee insaturaciones, la numeración debe privilegiar la posición de los enlaces dobles o triples y, secundariamente, la ubicación de los sustituyentes si es que existen. Ver la tabla 5.

Tabla 5:Tabla 5:Estructura y nombre de los principales sustituyentes Estructura y nombre de los principales sustituyentes

alquiloalquilo

Los sustituyentes pueden utilizar el sufijo –il o –ilo.

Cómo nombrar un hidrocarburo

1. Para nombrar un hidrocarburo alifático, se deben escribir los nombres de los sustituyentes en orden alfabético, además de su posición en la cadena principal.

2. Si un mismo sustituyente se repite, debemos utilizar los prefijos di (dos), tri (tres) o tetra (cuatro) según corresponda.

3. La posición de las insaturaciones dentro de la cadena principal también debe ser registrada en el nombre del compuesto.

Revisemos los siguientes ejemplos:

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5

4-etil2,2-dimetil

4-etil-2,2-dimetilhexano2,2,4-dimetilhexano

2.2 Cómo nombrar a los 2.2 Cómo nombrar a los hidrocarburos alicíclicoshidrocarburos alicíclicos

• Para nombrar estos compuestos se debe anteponer el prefijo “ciclo” y luego aplicar las reglas generales descritas anteriormente para los hidrocarburos de acuerdo a si es saturado o insaturado.

• Si el ciclo o anillo presenta un sustituyente, no es necesario señalarlo a través de un número, pero si un mismo sustituyente se repite en la estructura, estos se deben numerar de tal forma que alcancen la combinación numérica más baja posible.

• En el caso de existir sustituyentes diferentes, aquel que tenga la prioridad alfabética se localizará en el carbono 1.

• Finalmente, si el anillo presenta insaturaciones, se empiezan a numerar los carbonos a partir de aquellos con enlace múltiple. Estos son siempre prioridad, al igual que en el caso de los hidrocarburos alifáticos.

4.3 Cómo nombrar a los 4.3 Cómo nombrar a los hidrocarburos aromáticoshidrocarburos aromáticos

El interés por estudiar los compuestos aromáticos comenzó mucho antes de que se estableciera un sistema para nombrarlos y escribir sus estructuras. Por ello, la IUPAC aceptó algunos nombres comunes para este tipo de hidrocarburos; por ejemplo, el tolueno y el cumeno.

El cáncer y su relación con los hidrocarburos aromáticos policíclicos

(PAHs)

Capítulo II Isomería en los compuestos Isomería en los compuestos

orgánicosorgánicos ¿Qué son los isómeros? Son dos o más compuestos que tienen la misma fórmula molecular (notación que indica el número de átomos diferentes en una molécula), pero difieren en su fórmula estructural (representación de la disposición de los átomos).

Etimológicamente, la palabra isomeríaisomería proviene del griego isos = igual y meros = parte.

Aunque coinciden en su notación química, los isómeros presentan diferentes propiedades físicas y químicas entre sí, debido a las diferentes ubicaciones de los átomos dentro de las moléculas. Ello explica el gran número de compuestos orgánicos conocidos.

Los isómeros se pueden clasificar de acuerdo con las siguientes

categorías:

1.1 Las fórmulas estructurales

Seguramente, al realizar la Actividad 5 y construir los isómeros del heptano (C7H16), primero ubicaste los siete átomos de carbono en una cadena continua y luego fuiste incorporando los sustituyentes a la cadena principal.Al elaborar las fórmulas estructurales de los isómeros de algún compuesto debemos considerar algunos pasos elementales.

Utilizaremos como ejemplo la fórmula molecular C4H10:

2. Isómeros estructuralesLos isómeros estructurales o constitucionales corresponden a aquellas moléculas que se diferencian en la disposición en que se pueden enlazar los átomos.Dentro de los isómeros estructurales se encuentran los isómeros de cadena, los de posición y los de función.

3. EstereoisomeríaLos estereoisómeros corresponden a un tipo particular de isómeros que se caracterizan porque sus átomos se distribuyen de manera espacial, es decir, tridimensionalmente.Los estereoisómeros se clasifican en isómeros geométricos e isómeros ópticos.El área de la química que estudia este tipo de isómeros se llama estereoquímica.

3.1 Isomería geométrica El caso más frecuente de isomería geométrica se produce en los alquenos: el doble enlace C=C genera un plano de simetría y los sustituyentes en los carbonos adyacentes pueden ubicarse en el mismo lado del plano o en el lado opuesto. Los isómeros geométricos pueden presentar dos configuraciones: cis o trans.

Las figuras 4 y 5 ilustran el caso de un alqueno hipotético de estructura RCH CHR y sus configuraciones. La isomería geométrica también puede producirse en los cicloalcanos, como se observa en las figuras 6 y 7, que corresponden a isómeros cis-trans del 1,2-dimetilciclopentano.

La isomería geométrica puede intervenir en algunos procesos biológicos. Una molécula cis puede interactuar de forma diferente con una enzima en comparación a su homólogo trans.

Reflexionemos (pág.142)

• Los lípidos o grasas son esenciales en nuestra dieta, ya que son una fuente importante de energía. Sin embargo, su excesivo consumo puede desencadenar serios problemas a la salud.

• Los aceites vegetales originalmente presentan isomería del tipo cis, pero al ser sometidos a un proceso llamado hidrogenación, cambian su configuración a trans. Expertos en nutrición y salud pública de la Organización Panamericana de la Salud (OPS) han advertido que el consumo de grasas hidrogenadas del tipo trans, es riesgoso para la salud humana.

• Averigua a través de diversas fuentes de información (Internet, libros de especialidad, expertos) en qué consiste el proceso de hidrogenación y por qué este se aplica industrialmente.

• Con la ayuda de tu profesor o profesora de Biología, elabora un listado de al menos diez productos que contengan grasas del tipo trans y propón alternativas saludables para remplazar su consumo.

3.2 Isomería óptica