LECCION1 Nomenclatura.pdf

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 1Objetivos

Examinar las escasas diferencias existentes entre la Qumica Orgnica y la Qumica Inorgnica para llegar a la conclusin de que mantener la separacin existente entre estas dos disciplinas se basa ms en razones pedaggicas que en cientficas. Distinguir entre sustancias y molculas, iniciarse en el conocimiento de los ms importantes mtodos de separacin y purificacin que sern estudiados en la asignatura prctica. Comenzar por unas mnimas nociones de cmo llegar a establecer la estructura de un compuestos orgnico, empezando por establecer su frmula emprica y su frmula molecular, as como el concepto de grado de insaturacin, para llegar inmediatamente al convencimiento de que se requieren tcnicas ms precisas y refinadas para conocer el esqueleto carbonado y la situacin de los grupos funcionales. Conocer los diferentes tipos de hibridacin del tomo de carbono y las consecuencias geomtricas que ello tiene en la estructura de la molcula. Repasar finalmente, los conceptos de cido y base, examinando los diversos factores que influyen en la acidez y la basicidad para terminar introduciendo el concepto de pKA como medida de la fuerza de la acidez. Si bien la mayor parte de las veces se har referencia a cidos y bases en agua, conviene no perder de vista que en numerosos casos las reacciones de la Qumica Orgnica se efectan en disolventes no acuosos y la fuerza cida de una especie puede variar mucho en funcin del medio en que se encuentre.

1770. Tobern Bergman.- Diferenciacin entre Qumica Orgnica y Qumica Inorgnica.

Qumica Orgnica.- Qumica de los compuestos de los compuestos presentes en los organismos vivientes.

Teora Vitalista.- Los compuestos orgnicos slo podan ser preparados por los seres vivos que posean una fuerza vital indispensable para la sntesis y elaboracin de estos productos.

Michel Chevreul.- 1816. Preparacin de compuestos orgnicos (cidos grasos y glicerina)) a partir del jabn:

Grasa Animal NaOH Glicerina

H3O+ Acidos Grasos

+ac +

+Jabn

Jabn

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 2

Friedrich Whler. 1828. Preparacin de la Urea a partir del cianato amnico.

H4N+ H2NCONH2Cianato amonico Urea

OCN( ) ( )-

O C NC

O

H

H

H4N+

El enlace entre O y N es inico

(Anin lineal) Catin tetradrico

Los enlaces N-H son covalentes

. .

. .

: :-

Urea. Se crean nuevos enlaces(pi entre C = O, un sigma entre C-Ny dos sigma H-N) y se rompen dosenlace pi C=N y dos enlace H-N.Seponen en juego en total 8 electrones

Molcula plana, con los tomosO, C y los dos N en el mismo plano,formando entre ellos ngulos de 120.Los H estn unidos a los N a travs de ngulos de 109,5 y estn en el mismo plano como tampoco lo est el par deelectrones.

. .

H2N N

: :

. .

120

120 120.

109,5

109,5

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 3En toda transformacin qumica ocurren cambios ms o menos profundos de diversa ndole, que se basan

en la reorganizacin electrnica de los electrones de valencia. En base a esta nueva organizacin, se deben romper enlaces para dejar disponibles sus electrones que luego son compartidos entre tomos diferentes para dar origen a nuevos enlaces. En numerosos casos, la nueva organizacin molecular entraa un cambio de geometra respecto al compuesto de partida que puede ser ms o menos acusada.

William Brande.- 1848. Falta de lmites claros entre la Qumica Orgnica y la Qumica Inorgnica.

Sntesis Orgnica.

Propiedades diferenciales entre los compuestos orgnicos e inorgnicos.

Qumica Orgnica como qumica del enlace covalente.

C a r b o x i l a t o s o d i c o

O N a- + OL i

- +

R C O O - N a + C H 3 C H 2 O - N a +

E t x id o s d ic oF e n x id o s d ic oF e n o la to s d ic o E n o la to d e l i t io


Conversin del cianato amnico en urea

C NOH3N - H NH3 C NOH :..

CN O H CN

O H

NH3O

CHN

O

NH2 CH2N NH2

H..

..

:

....

:

..

Urea

:

:

:::..

..-

+

+

..

+

Catin amonio Anin cianato Amoniacocido cinico

..

:- ..

H3N + : ..

..

:+

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 4Productos Sntesis Orgnica. Productos Naturales.

Sustancias y Molculas.

Separacin y Purificacin de sustancias.

Tcnicas de separacin:Filtracin, Decantacin, Sedimentacin, etc. Extraccin (lquido - lquido, slido liquido). Destilacin (a vaco, fraccionada, arrastre en corriente de vapor, azeotrpica, etc.) Cromatografas (columna, capa fina, capa gruesa, cromatografa en fase lquido de alto rendimiento (CLAR, HPLC), cromatografa de gases, etc.)

Determinacin de estructurasComposicin Centesimal, Formula emprica y Masa Molecular.

Tcnicas Espectroscpicas (Infrarrojo, Ultravioleta, RMN de H y C-13).


O

MgN N

NN

O

HH

O

HO

2

Clorofila A

O

MgN N

NN

O

HH

O

HO

CHO

2

Clorofila B

N

N

O

OO

NH

O

NH2CO

CoN

N

H

N

H

O

CONH2

CONH2

CONH2

H

N

NH2CO

H

H P

H

HOH2C H

H

HNH2CO

OH

CN

-

+ Cianocobalamina Vitamina B12Frmula molecularC64H92O13N14PCo

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 8Clculo de la Formula Emprica.- Una sustancia desconocida compuesta por C, H, N y O, tiene el siguiente anlisis elemental: 59,10% de C; 4,94% de H y 22,91% de N. Cul es su frmula emprica?.

Clculo del porcentaje de oxgeno: O = 100 (59,10 + 4,84 + 22,91) = 13,15 %

Calculo del nmero de moles de cada elemento:

C = 59,10 / 12,01 = 4, 92 moles; H = 4,94 / 1,008 = 4,90 moles;

N = 22,91 / 14,01 = 1,63 moles; O= 13,15 / 16 = 0,82

Relacin ms sencilla entre los nmeros de moles:

C = 4,92 / 0,82 = 6,0; H = 4,90 / 0,82 = 5,97; N = 1,63 / 0,82 = 1,98; O = 1

C = 6; H = 6; N = 2; O = 1

Frmula Emprica: C6H6ON2 ; Masa Molecular: 122-123

Frmula Molecular: (C6H6ON2) . n = 122; n = 1; C6H6ON2

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 9Frmula molecular C3H6O

OCH2 CH CH3

CH2H2C

CH2O

CH3C

CH3

OCH2CH3

CH3 - O - CH = CH2 CH3C CH3

OH

CH

O

CH2=CH - CH2OH

CHCH2CH2

OH CH3CH

COH

H

Etenil, metil, ter, un ter

Metiloxirano,un epxido

Oxaciclobutano, un oxetano

Propanona,una cetona

Propanal,un aldehdo

Enol de la propanona, inestable

2-propenol, un alcohol allico

Ciclopropanol,un alcohol cclico

Enol del propanal, inestable

Conclusin.- Varios compuestos diferentes pueden tener la misma frmula molecular siendo conocidos como ismeros.

Tipos de enlaces: Enlaces sigma.


Enlace sigma s-s. Presente en la molcula de H2

Enlace sigma p-p. Presente en molculas tipo X X (X = halgeno)

+

Orbital 1s Orbital npOrbital molecularenlazante sigma

HXH X Enlace sigma s-p. Presente en molculas como H X (X = halgeno)

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 11Enlaces pi: Estn formados por solapamiento paralelo de dos orbitales p.

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 12ORBITALES DEL TOMO DE CARBONO

126C (1s22s22p2)

Orbital 2s Orbital 2p

Orbital 2pz

Orbital 2px

Orbital 2py 0 X

Y

Z

El tomo de Carbono contiene cuatro orbitales donde se alojan los electrones de valencia. Uno de ellos es 2s y los otros tres son 2p y se hallan perpendiculares entre si.

ORBITALES HBRIDOS DEL CARBONO. Orbitales sp. Los orbitales hbridos sp del C se forman por combinacin de dos orbitales atmicos, uno 2s y otro 2p. Son dos y son lineales, es decir formando entre si un ngulo de 180. Se encuentran en molculas inorgnicas como BeH2 y BeF2 y en molculas orgnicas como los alquinos, los nitrilos, los cumulenos, etc.

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 14El Acetileno (Etino) es un ejemplo de molcula orgnica con orbitales hbridos sp. Contiene un enlace

sigma C-C formado por dos orbitales sp, dos enlaces sigma C-H formados por solapamiento de orbitales 1s-sp y dos enlaces pi formados por solapamiento paralelo de dos orbitales p. Los enlaces pi estn en color azul y verde y los enlaces sigma en color violeta. El cianuro de hidrgeno, los alquinos, los nitrilos y los dienos acumulados contienen orbitales sp.

CC HH CC HR CC RR

NCH NCR CH2C CH2 CRHC CHR

acetileno (etino) alquino terminal alquino interno

cianuro de hidrgeno nitrilos propadieno dieno acumulado

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 15Orbitales hbridos sp2.- Son tres orbitales formados por la combinacin de un orbital atmico 2s con dos orbitales atmicos 2p. Los tres orbitales sp2 son coplanares y forman entre s ngulos de 120, situndose el orbital 2p que queda sin utilizar perpendicularmente a este plano. Se encuentran formando parte de los dobles enlaces, es decir en los alquenos, dienos no conjugados, aldehdos, cetonas, cidos carboxlicos, cloruros de cidos, anhdridos de cido, steres, amidas, iminas, etc.

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 16Un ejemplo de molcula orgnica que contiene un enlace pi es el etileno o eteno. Existe un enlace sigma

C-C formado por dos hbridos sp2 sp2, dos enlaces sigma C-H formados por orbitales sp2-1s (en violeta) y un enlace pi (en verde) formado por el solapamiento paralelo de dos orbitales p paralelos.

RC

H

O

RC

R

O

RC

O - H

O

RC

Cl

O

OC

RRCO O

RC

O - R

O

RC

R

N

RC

NH2

OR

aldehdos cetonas cidoscarboxlicosclorurosde cido

anhdridosde cido steres

iminasamidas

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 17Orbitales hbridos sp3. Se hallan formados por la combinacin lineal de un orbital 2s con tres orbitales 2p. En conjunto son cuatro los orbitales sp3 del carbono que se hallan dispuestos hacia los vrtices de un tetraedro regular, por lo que forman entre s ngulos de l09,5. Entran a formar parte de numerosas molculas inorgnicas (agua, amoniaco, fosfina, etc.) y orgnicas. Entre estas ltimas citaremos a todos los compuestos que contengan enlaces C-C, C-H (los alcanos por ejemplo), enlaces C-X (los haluros de alquilo), enlaces C-O (los alcoholes y los teres), enlaces C-N (las aminas), enlaces C-S (los tioles) y en general en casi todos los compuestos orgnicos ya que en la inmensa mayora de stos se encuentran siempre enlaces tipo C-H y C-C.


OH H N

H

HHN

H

HH

H +

C CH

H

H

C

H

HH

aguaamoniaco catin

amoniopropenosp

3

sp2

sp3

sp3sp3

sp2

:

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 19La molcula de metano CH4 es el ejemplo orgnico ms sencillo de compuesto orgnico que contiene

cuatro enlaces sigma C-H formados por solapamiento de orbitales sp3 y 1s. Otros ejemplos inorgnicos son las molculas de agua y amoniaco, el ion amonio, etc. La figura siguiente muestra los ms comunes ejemplos de enlaces sigma C-C y C-H:

sp - sp

C - H C - H

sp - 1s

C - H

sp3 - 1s

C - C C - C C - C

sp3 - sp3

C - X

sp3 - p

sp2 - 1s

sp2 - sp2

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 20REPRESENTACIN TRIDIMENSIONAL DE LAS MOLCULAS ORGNICAS

CH

H

HH

Enlaces en el plano del papel

Enlace que se aleja del observador;dirigido hacia atrs

Enlace que se acerca al observador; dirigido hacia delante

Representacin de la molcula del metano, con dos enlaces C-H en el plano del papel, un enlace que se aleja y otro que se acerca al observador

109,5

H

H

H

HH

HC C

HH

H

H

HH

Molcula de etano con seis enlaces C-H y un enlace sigma C-C. Cuatro tomos (los 2C y 2H; color magenta) son coplanares y de los 4H restantes, dos se dirigen hacia adelante (representados por trazos gruesos de color violeta) y dos hacia atrs (representados por trazos discontinuos de color azul).

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 21H H

CH3 CH3

HH HH

HH

H H

HHCH3

CH3Propano

Butano

Polaridad de los enlaces. Momento dipolar (m)

= q . d (q = fraccin de carga; d = longitud de enlace) (D)

El valor de m depende de diversos factores, entre ellos la diferencia de electronegatividad entre los tomos del enlace, su tamao, la geometra de la molcula y la presencia de electrones sin compartir. Es unamagnitud vectorial y si en una molcula hay varios enlaces dipolares, el momento dipolar de la molcula es la suma vectorial de los momentos dipolares individuales. Se comprende por tanto, que una molcula puedetener enlaces dipolares, pero carecer de momento dipolar neto, por anularse la suma de los momentosdipolares individuales. Un ejemplo sencillo lo tenemos en las molculas lineales que contienen enlaces dipolares tal como el dixido de carbono.

C OO CO O: :....

= 0

dixido de carbono momentos dipolares individuales

momento resultante nulo

Qumica orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 22El momento dipolar tiene carcter vectorial y por ello puede utilizarse para obtener informacin acerca

de la geometra de las molculas. As, un enlace C-Cl siempre presenta momento dipolar, pero las molculas ClCH3, Cl2CH2 y Cl3CH presentan momento dipolar neto, mientras que el del Cl4C es nulo. En conclusin, la geometra del Cl4C deber ser tal que la suma vectorial de los cuatro vectores iguales se anule y ello slo es posible en una geometra tridimensional para un tetraedro regular:

HCl

C

Cl

Cl

CH H

Cl

HCl

C

H

Cl

H Cl

ClClC

Cl

cloroformo

distinto de 0

diclorometano

= 0

tetraclorurode carbonocloruro de metilo

PARES ELECTRNICOS SIN COMPARTIR

NH3: NH2R: NHR2: NR3: NH4+

Cl-

14N7 (1s22s22p3) Electrones de valencia (2s2p3)(cinco) Valencia tres; Electrones sin compartir dos

Amoniaco Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria Cloruro amnico


H O H..

..

R O H..

..

CRR

O :Cetona

CRH

OAldehdo..

:

CRO

O

H

cido carboxlico :..

..

..

16O8 (1s22s22p4)Electrones de valencia (2s22p4)(seis). Valencia dos. Electrones sin compartir cuatro

Agua

Alcohol..

CH3 -

O

ClBrH3 C CIH H N Cl

19F9 (1s22s22p5)Electrones de valencia (2s22p5); (siete)Valencia uno. Electrones sin compartir (seis)

Yoduro de hidrgeno

..

..

:

Bromuro de metilo

Cloramina

..

Cloruro de acetilo

:..

..

:..

..

:

:..

..

2

..


NF F

F

..

NH H

H

..

El momento dipolar del NH3 es mayor que el del F3N porque si bien la geometra de las molculas es idntica, la orientacin de los dipolos es contraria. En el NH3 los vectores se suman y en el NF3 se restan. El momento dipolar del par electrnico se representa en color rojo.

= 1,47 D

Qumica orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 25GRADO DE INSATURACIN DE UN COMPUESTO ORGNICO

Alcanos CnH (2n + 2) ; Ca H b ; b = (2a + 2);

Alquenos = CnH2n = Cicloalcanos

Alquinos = CnH (2n 2) = Dienos no cclicos = Cicloalquenos

Ca Hb; Ciclos + Insaturaciones = c + i = (2 a + 2 b) / 2

Eteno (CH2 = CH2); (C2H4); (i + c) = (2 . 2 + 2 4) / 2 = 1

Ciclopropano (C3H6); (i + c) = (2 . 3 + 2 6) / 2 = 1

1,3-Ciclohexadieno Biciclo-[4,4,0]-3-deceno

C6H8 C10H16

i + c = 3; un ciclo y dos insaturaciones

i + c = 3; dos ciclos y una insaturacin

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 26Cuando la molcula contiene uno o varios tomos de O pueden eliminarse y hacer el clculo

con la frmula resultante.

Etanol (C2H6O); Equivale a (C2H6) ; i + c = 0Etanodiol [(CH2OH - CH2OH); Equivale a C2H6O2 C2H6]; i + c = 0

Cuando la molcula contiene uno o varios tomos de halgeno hay que aadir un H por cada uno de los halgenos eliminados.

Cloroformo; Cl3CH; Equivale a H3CH (CH4); i + c = 0

Si la molcula contiene uno o varios tomos de N, hay que restar un H por cada N eliminado.

La metilamina es CH3NH2, o sea CH5N equivalente a CH4 ; i + c = 0.

La ciclohexilamina es C6H13N equivalente a C6H12; i + c = 1. Existe un ciclo.

NN

C5H5N C9H15N

PiridinaNH2

C6H13N

CH3NH2

CH5N i + c = 4 i + c = 3

Biciclo-[4,4,0]-1-aza-3-decenociclohexilamina

i + c = 1

metilamina

i + c = 0

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 27Para una molcula compleja, el clculo de (i+c) no permite casi nunca establecer una nica estructura

pues son compatibles varias alternativas. As para C4H4O se tiene ( i + c) = 3, con lo que hay varias posibilidades: (a) tres insaturaciones (b) dos insaturaciones y un ciclo (c) una insaturacin y dos ciclos (d) tres ciclos.

Tres Insaturaciones

O O

OHOH

OH

O

H

metil, etinil, cetonaetinil, vinil, ter 3-butinal

3-in-1-buten-2-ol 3-in-1-trans-buten-1-ol 3-in-1-cis-buten-1-ol

Dos insaturaciones y un Ciclo.

O

OH

O

OO

O

HO

HO

O

2-metilen-ciclopropanona

4-metiln-2- oxepeno ciclobutadienol furano2-ciclobutenona

2-metil-ciclopropenona2'-ciclopropenil-

etanal1'-ciclopropenil- etanal

vinil-oxireno

Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 28Una insaturacin y dos ciclos.

OBiciclo-[1,1,0]-2-butanona

O

O

prismano xido deprismano

Tres Ciclos.

O: :

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