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Introducción a la Química Orgánica Unidad 9 1 2 Contenidos (1) 1.2.3.4.- Primeros pasos de la Química Orgánica. El átomo de carbono. Tipos de enlaces. Concepto de grupo funcional. Clasificación de los compuestos del carbono. Formulación y nomenclatura: 5.- Hidrocarburos. 1.5.1. Hidrocarburos alifáticos: alcanos, alquenos y alquinos. 1.5.2. Hidrocarburos aromáticos y cíclicos. 3 Contenidos (2) 6.- Compuestos con oxígeno: aldehido, cetona, ácido, éster, alcohol y éter. 7.- Compuestos con nitrógeno: amina, amida, nitrilo. 8.- Isomería. 8.1. Estructural: de cadena, de posición y de función. 8.2. Estereoisomería: cis-trans, óptica. 4 Berzelius (1807) Título del diagrama COMPUESTOS INORGANICOS ORGANICOS Sintetizados por los seres vivos Tienen "Fuerza vital" 5 Friedrich Wölher (1828) • Primera Síntesis orgánica: calor NH4OCN (cianato de amonio) NH2CONH2 (urea) 6 August Kekulé (1861) • QUÍMICA ORGÁNICA: – La Química de los “Compuestos del Carbono”. 7 Química orgánica en la actualidad: • La Química de los “Compuestos del Carbono”. • También tienen hidrógeno. • Se exceptúan CO, CO2, carbonatos, bicarbonatos, cianuros... • Pueden tener otros elementos: O, N, S, P, halógenos... 8 Actualidad: • Número de compuestos: – Inorgánicos: – Orgánicos: unos unos 100.000 7.000.000 (plásticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles...) Actividad: Dados los siguientes compuestos, identifica cuales de ellos son compuestos orgánicos: CH3-COOH; CaCO3; KCN; CH3-CN; NH4Cl; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3 • CH3-COOH; CH3-CN; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3 9 10 Propiedades del Carbono Estructura de los compuestos orgánicos • Electronegatividad intermedia – Enlace covalente con metales como con no metales • Posibilidad de unirse a sí mismo formando cadenas. • Tamaño pequeño lo que le posibilita formar enlaces dobles y triples hibridación 2 2 • Tetravalencia: s p s px py p z 400 kJ/mol 11 Tipos de enlace • Enlace simple: Los cuatro pares de electrones se comparten con cuatro átomos distintos. Ejemplo: CH4, CH3–CH3 • Enlace doble: Hay dos pares electrónicos compartidos con el mismo átomo. Ejemplo: H2C=CH2, H2C=O • Enlace triple: Hay tres pares electrónicos compartidos con el mismo átomo. Ejemplo: HCCH, CH3 – CN 12 Tipos de hibridación y enlace. • El carbono puede hibridarse de tres maneras distintas: • Hibridación sp3: – 4 orbitales sp3 iguales que forman 4 enlaces simples de tipo “” (frontales). • Hibridación sp2: – 3 orbitales sp2 iguales que forman enlaces “” + 1 orbital “p” (sin hibridar) que formará un enlace “” (lateral) • Hibridación sp: – 2 orbitales sp iguales que forman enlaces “” + 2 orbitales “p” (sin hibridar) que formarán sendos enlaces “” Hibridación sp3 13 • 4 orbitales sp3 iguales que forman 4 enlaces simples de tipo “” (frontales). • Los cuatro pares de electrones se comparten con cuatro átomos distintos. • Geometría tetraédrica: ángulos C–H: 109’5 º y distancias C–H iguales. • Ejemplo: CH4, CH3–CH3 Hibridación sp2 14 • 3 orbitales sp2 iguales que forman enlaces “” + 1 orbital “p” (sin hibridar) que formará un enlace “” (lateral) • Forma un enlace doble, uno “” y otro “”, es decir, hay dos pares electrónicos compartidos con el mismo átomo. • Geometría triangular: ángulos C–H: 120 º y distancia C=C < C–C • Ejemplo: H2C=CH2, H2C=O 15 Hibridación sp • 2 orbitales sp iguales que forman enlaces “” + 2 orbitales “p” (sin hibridar) que formarán sendos enlaces “” • Forma bien un enlace triple –un enlace “” y dos “”–, es decir, hay tres pares electrónicos compartidos con el mismo átomo, o bien dos enlaces dobles, si bien este caso es más raro. • Geometría lineal: ángulos C–H: 180 º y distancia CC < C=C < C–C • Ejemplo: HCCH, CH3–CN Ejercicio A: Indica la hibridación que cabe esperar en cada uno de los átomos de carbono que participan en las siguientes moléculas: CHC–CH2 –CHO; CH3 –CH=CH–CN • sp sp sp3 sp2 sp3 sp2 sp2 sp 16 17 Representación de moléculas orgánicas. Tipos de fórmulas. • Empírica. Ej. CH2O No sirven para identificar compuestos • Molecular Ej. C3H6O3 • Semidesarrollada (Es la más utilizada en la química orgánica) Ej. CH3–CHOH–COOH • Desarrollada Ej. H O–H (no se usa demasiado) H–C–C–C=O H H O–H • Con distribución espacial (utilizadas en estereoisomería) Ejercicio: Sabemos que un compuesto orgánico tiene de fórmula empírica C2H5N y su masa molecular aproximada es de 130 g/mol. Escribe cual será su fórmula molecular. • 12 x 2 + 5 x 1 + 14 = 43 130/43 = 3 (aprox) (Buscar número entero) La fórmula molecular será: C6H15N3 18 19 Ejemplo: Un compuesto orgánico dio los siguientes porcentajes en su composición: 71,7 % de cloro y 4,1 % de hidrógeno. Además, 1 litro de dicho compuesto en estado gaseoso medido a 745 mm Hg y 110 ºC tiene una masa de 3,12 g. Hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular. 71,7 g 4,1 g ———— = 2’02 mol Cl; ———— = 4,1 mol H 35,5 g/mol 1 g/mol 24,2 g ———— = 2,02 mol C 12 g/mol • Dividiendo todos por el menor (2,02) obtenemos la fórmula empírica: CH2Cl • m ·R ·T 3,12 g ·0’082 atm ·L ·383 K 760 mm Hg M= ———— =———————————— ·————— = 100 g/mol p·V mol ·K ·745 mm Hg · 1 L • Luego la fórmula molecular será: 1 atm C2H4Cl2 21 Tipos de átomos de carbono (en las cadenas carbonadas) • Primarios (a) • Secundarios (b) • Terciarios (c) • Cuaternarios (d) a a CH3 CH3 a a d CH3–C–CH2–CH–CH3 c b b CH 2 a CH3 22 Ejercicio: Indica el tipo de carbono, primario (a), secundario (b), terciario (c) o cuaternario (d) que hay en la siguiente cadena carbonada: a • CH3 d a a c b CH3 d b c a CH3–C – CH–CH2 – C – CH2 –CH–CH3 b a CH2 CH3 CH3 a CH3 a CH3 a 23 Grupos funcionales. Series homólogas. • Grupo funcional: “Es un átomo o grupo de átomos unidos de manera característica y que determinan, preferentemente, las propiedades del compuesto en que están presentes”. • Serie homóloga: “Es un grupo de compuestos en los que la única diferencia formal entre sus miembros se encuentra en el número de grupos metileno, -CH2-, que contiene” 24 Principales grupos funcionales (por orden de prioridad) (1) • • • • • • • Ácido carboxílico Éster Amida Nitrilo Aldehído Cetona Alcohol • Fenol R–COOH R–COOR’ R–CONR’R’’ R–CN R–CH=O R–CO–R’ R–OH OH 25 Principales grupos funcionales (por orden de prioridad) (2) • Amina • • • • • • (primaria) (secundaria) (terciaria) Éter Doble enlace Triple enlace Nitro Halógeno Radical R–NH2 R–NHR’ R–NR’R’’ R–O–R’ R–CH=CH–R’ R– CC–R’ R–NO2 R–X R– Principales grupos funcionales (por orden de prioridad) (1) Función Nom. grupo carboxilo R–COOH éster R–COOR’ Amida amido R–CONR’R amida amido Nitrilo nitrilo nitrilo ciano (incluye C) Aldehído carbonilo R–CN R–CH=O …al formil (incluye C) Cetona carbonilo R–CO–R’ …ona oxo Alcohol hidroxilo R–OH …ol hidroxi Fenol fenol –C6H5OH …fenol hidroxifenil Ácido carboxílico Éster Grupo Nom. Nom. (princ.) (secund) ácido carboxi (incluye C) …oico …ato de …oxicarbonil …ilo 26 Principales grupos funcionales (por orden de prioridad) (2) Función Amina (primaria) (secundaria) (terciaria) Nom. grupo Amino “ “ Grupo Nom.(princ.) Nom (sec) amino R–NH2 …ilamina R–NHR’ …il…ilamina R–NR’R’’ …il…il…ilamina Éter Hidr. etilénico Hidr. acetilénico Oxi alqueno alquino R–O–R’ C=C CC …il…iléter …eno …ino oxi…il …en Nitrocompuestro Haluro Radical Nitro halógeno alquilo R–NO2 R–X R– nitro… X… …il nitro X …il Ino (sufijo) 27 28 Hidrocarburos • Son compuestos orgánicos que sólo contienen átomos de carbono y de hidrógeno. • Tienen fórmulas muy variadas: CaHb. • Los átomos de carbono se unen entre sí para formar cadenas carbonadas. 29 Tipos de hidrocarburos HIDROCARBUROS CADENA ABIERTA CADENA CERRADA ALCANOS (Sólo tienen enlaces sencillos) Fórmula: CnH2n+2 CÍCLICOS ALQUENOS (olefinas) (Tienen al menos un enlace doble) Fórmula: CnH2n AROMÁTICOS (Tienen al menos un anillo bencénico) ALQUINOS (Tienen al menos un enlace triple) Fórmula: CnH2n-2 30 Formulación y nomenclatura: hidrocarburos de cadena abierta. • ALCANOS: Prefijo (nº C) + sufijo “ano” – Ejemplo: CH3–CH2–CH3: propano • ALQUENOS: Prefijo (nº C) + sufijo “eno” indicando la posición del doble enlace si éste puede colocarse en varios sitios. – Ejemplo: CH3–CH =CH–CH3: 2-buteno • ALQUINOS: Prefijo (nº C) + sufijo “ino” indicando la posición del trible enlace si éste puede colocarse en varios sitios. – Ejemplo: CH3–CH2–CCH: 1-butino 31 Formulación y nomenclatura: Prefijos según nº de átomos de C. • Nº átomos C Prefijo • 1 met • 2 et • 3 prop • 4 but • 5 pent • Nº átomos C Prefijo • 6 hex • 7 hept • 8 oct • 9 non • 10 dec 32 Formulación y nomenclatura: hidrocarburos ramificados. • La cadena principal es la más larga que contiene el grupo funcional (el doble o triple enlace) • Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional (doble o triple enlace) y si no hubiera por el que la ramificación tenga el nº más bajo. • La ramificación se nombra terminando en “il”. • Ejemplo: CH3–CH–CH=CH2 | CH2–CH3 • se nombra 3-metil-1-penteno. 33 Formulación y nomenclatura: hidrocarburos cíclicos y aromáticos • Cíclicos: Se nombran igual que los de cadena abierta, pero anteponiendo la palabra “ciclo”. – Ejemplo: CH2–CH2 | | : ciclo buteno CH =CH • Aromáticos: Son derivados del benceno (C6H6) y se nombran anteponiendo el nombre del sustituyente. – Ejemplo: –CH3 : metil-benceno (tolueno) 34 Nomenclatura de compuestos orgánicos con más de un grupo funcional. • Se identifica cuál es la función principal (la primera en el nombre de preferencia). Es la que da el nombre al compuesto. • Las funciones secundarias se nombran como prefijos usando el nombre del grupo (“oxo” para carbonilo, “hidroxi” para hidroxilo). • Ejemplo: CH3–CHOH–COOH – – – – Función principal: ácido carboxílico Función secundaria: alcohol Nombre del grupo: hidroxilo. Prefijo: hidroxi. Nombre: Ácido 2 hidróxi-propanoico. Nomenclatura de grupos funcionales secundarios (prefijos). • Ácido Carboxi (como sustituyente) HOOC–CH–CH2–COOH ácido carboxi-dibutanoico | COOH • Éster alcoxicarbonil (como sustituyente) HOOC–CH2–COOCH3 ácido metoxicarbonil etanoico • Amida amido (como sustituyente) CH3–CH–CH2–COOH | CONH2 • Nitrilo ácido 3-amido-butanoico ciano (como sustituyente) NC–CH–CH2–COOCH3 3-cianopropanoato de metilo • Aldehído oxo o formil (como sustituyente) OHC–CH2–CONH2 3-oxo-propanamida 35 36 Nomenclatura de grupos funcionales secundarios (prefijos). • Cetona oxo CH3–CO–CH2–COOH • Alcohol ácido 3-oxo-butanoico hidroxi CH3–CHOH–CH2–CHO 3-hidroxi-butanal • Fenol fenoxi O–CH–CH2–COOH ácido 3-fenoxi-butanoico | CH3 • Amina amino CH3–CH–COOH ácido 2-aminopropanoico | NH2 (alanina) • Éter alcoxi CH3–O–CH2–CHO metoxi-etanal 37 Ejercicio: Formular los siguientes hidrocarburos: • • • • Pentano 2-hexeno propino metil-butino CH3–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH=CH–CH2–CH2–CH3 CHC–CH3 CHC–CH –CH3 | CH3 • 3-etil-2-penteno CH3–CH =C–CH2–CH3 | CH2–CH3 38 Ejercicio: Nombrar los siguientes hidrocarburos: CH3–CH2–CH2– CH2–CH2–CH3 CH3–CC–CH2–CCH CH2=CH–CH2–CH3 CH3–CH–CH2–CH3 | CH2–CH3 hexano CH3–C =CH–CH–CH3 | | CH3 CH3 2,4-dimetil2-penteno 1,4-hexadiino 1-buteno 3-metil-pentano Ejemplo: Al quemar 2,34 g de un hidrocarburo se 39 forman 7,92 g de dióxido de carbono y 1,62 g de vapor de agua. A 85ºC y 700 mm de Hg de presión, la densidad del hidrocarburo gaseoso es 3,45 g·l–1 ; a) Determine la masa molecular y fórmula de dicho hidrocarburo; b) ¿Qué volumen de oxígeno gaseoso a 85ºC y 700 mm de presión, se necesita para quemar totalmente los 2,34 g de este hidrocarburo? Datos: Masas atómicas: O = 16,0 y C = 12,0 CaHb + (a + b/4) O2 a CO2 + (b/2) H2O (12 a + b) g (a + b/4) mol 44 a g 9 b g 2,34 g n 7,92 g 1,62 g 7,92·(12 a + b) = 2,34 x 44 a; 1,62 x(12 a + b) = 2,34 x 9 b Resolviendo el sistema obtenemos que a = b en ambas ecuaciones. M = d x Vmolar = 3,45 g x l–1 x 22,4 l · mol–1 = 77,3 g/mol a) Como 77,3/13 6 la fórm. molecular será: C6H6 41 Formulación y nomenclatura: compuestos oxigenados (1). • OH ÁCIDOS [Grupo –C=O (carboxilo)]: Ácido + Prefijo (nº C) + sufijo “oico”. – Ejemplo: CH3–COOH : ácido etanoico (acético) • O–R ÉSTERES [Grupo –C=O]: Prefijo (nº C) + sufijo “ato” de nombre de radical terminado en “ilo”. – Ejemplo: CH3–COO–CH2–CH3: acetato de etilo 42 Ejercicio: Formular los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres: ácido pentanoico butanoato de metilo ácido 2-butenoico ácido metilpropanoico metil-propanoato de metilo CH3–CH2–CH2–CH2–COOH CH3–CH2–CH2–COO–CH3 CH3–CH=CH–COOH CH3–CH–COOH | CH3 CH3–CH–COO–CH3 | CH3 43 Ejercicio: Nombrar los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres: CH3–CC–COOH CH3–CH2–COO–CH2–CH3 HOOC–CH2–COOH CH3–CH–COO–CH2–CH3 | CH2– CH3 ácido 2-butinoico propanoato de etilo ácido propanodioico 2-metil-butanoato de etilo CH3–CH–CH2–COO–CH3 | CH3 3-metil-butanoato de metilo 44 Formulación y nomenclatura: compuestos oxigenados (2). • ALDEHIDOS [Grupo C=O (carbonilo) en un carbono terminal]: Prefijo (nº C) + sufijo “al”. – Ejemplo: CH3–CH2 –CH2 –CHO: butanal • CETONA [Grupo C=O (carbonilo) en un carbono no terminal]: Número del C en el que está el grupo (si es necesario) + Prefijo (nº C) + sufijo “ona”. – Ejemplo: CH3–CO–CH3: propanona 45 Ejercicio: Formular los siguientes aldehídos y cetonas: pentanal propanodial 4-penten-2-ona metil-propanal dimetil-butanona CH3–CH2–CH2– CH2–CHO CHO–CH2–CHO CH3–CO–CH2–CH=CH2 CH3–CH–CHO | CH3 CH3 | CH3–C–CO–CH3 | CH3 46 Ejercicio: Nombrar los siguientes aldehídos y cetonas: CH2=CH–CH2–CHO CH3–CO–CH2–CO–CH3 CH2O CH3–CH–CO–CH3 | CH3 3-butenal 2,4-pentanodiona metanal metil-butanona CH3–CH–CH–CHO | | CH3 CH3 2,3-dimetil-butanal 47 Formulación y nomenclatura: compuestos oxigenados (3). • ALCOHOLES [Grupo –OH (hidroxilo)]: Número del C en el que está el grupo (si es necesario) + Prefijo (nº C) + sufijo “ol”. – No puede haber dos grupos OH en el mismo C. – Ejemplo: CH3–CH2–CH2OH: 1-propanol • ÉTERES [Grupo –O– (oxi)]: Se nombran los radicales (terminados en“il”) por orden alfabético seguidos de la palabra “éter”. – Ejemplo: CH3–O–CH2–CH3: etil-metil-éter 48 Ejercicio: Formular los siguientes alcoholes y éteres: 1-butanol propanotriol 2-penten-1-ol metil-1-propanol CH3–CH2–CH2–CH2OH CH2OH–CHOH–CH2OH CH3–CH2–CH=CH–CH2OH CH3–CH–CH2OH | CH3 CH3 | 3,3-dimetil-1-butanol CH3–C–CH2–CH2OH | CH3 49 Ejercicio: Nombrar los siguientes alcoholes y éteres: CH2=CH–CHOH–CH3 CH3 – CHOH–CH2OH CH3–O–CH3 CH3–CH–CHOH–CH3 | CH3 3-buten-2-ol 1,2-propanodiol dimetil-éter 3-metil-2-butanol CH3–CH2–CH–CH2OH | CH3 2-metil-1-butanol 50 Formulación y nomenclatura: compuestos nitrogenados (1). • NRR’ AMIDAS [Grupo –C=O]: Prefijo (nº C) + sufijo “amida”. –Ejemplo: CH3–CONH2 : etanamida (acetamida) • AMINAS [Grupo –NH2 (primaria), –NH – (secundaria), o –N– (terciaria)]: Se nombran los radicales (terminados en“il”) por orden alfabético seguidos de la palabra “amina”. Ejemplo: CH3–NH–CH2–CH3: etil metil amina 51 Formulación y nomenclatura: compuestos nitrogenados (2). • NITRILOS (o cianuros) [Grupo –CN] Prefijo (nº C) + sufijo “nitrilo”. También puede usarse cianuro de nombre de radical terminado en “ilo” – Ejemplo: CH3–CH2 –CH2 –CN: butanonitrilo o cianuro de propilo 52 Ejercicio: Formular los siguientes derivados nitrogenados: pentanamida etil-metil-amina 2-butenonitrilo N-metil-propanamida trietilamina CH3–CH2–CH2–CH2–CONH2 CH3–CH2–NH–CH3 CH3–CH=CH–CN CH3–CH2–CONH–CH3 metil-propanonitrilo CH3–CH–CN | CH3 CH3–CH2–N–CH2–CH3 | CH2–CH3 53 Ejercicio: Nombrar los siguientes derivados nitrogenados: CH3–CH=CH–CONH–CH3 CH3–CONH–CH2–CH3 CH3–CN CH3–CH2–CH2–NH–CH3 CH3–CH2–CON–CH2–CH3 | CH2–CH3 CH3–CH–CH2–NH2 | CH3 N-metil-2-butenamida N-etil-etanamida etanonitrilo metil-propilamina N,N-dietilpropanamida 2-metilpropilamina (isobutilamina) Formulación y nomenclatura: Otros derivados (3). 54 • Derivados halogenados: Prefijo (nombre del halógeno) + nombre del compuesto orgánico. – Ejemplo: CH3–CHCl –CH2 –CH3 2-clorobutano. • Nitrocompuestos: Prefijo (nitro) + nombre del compuesto orgánico. – Ejemplo: CH3–CH2 –CH2 –CH2NO2 1-nitrobutano • Compuestos ramificados: Prefijo (nombre del radical) + nombre del compuesto orgánico. – Ejemplo: CH3–CH(CH3)–CH2 –CH3 metil butano • En todos los casos se antepondrá el número del carbono al que va unido en el caso de que sea necesario por haber diferentes compuestos. 55 ISOMERÍA (compuesto distintos con la misma fórmula molecular) a TIPOS DE ISOMERÍA ESTRUCTURAL ESTEREOISOMERÍA De cadena cis-trans De posición Isomería óptica De función dextro (+) mezcla racémica levo (-) 56 ISOMERÍA ESTRUCTURAL (distinta fórmula semidesarrollada). • De cadena: CH3 – (C4H10) metilpropano CH3–CH–CH3 – y butano CH3–CH2–CH2–CH3 • De posición: – 1-propanol CH3–CH2–CH2OH – y 2-propanol CH3–CHOH–CH3 • De función: – propanal CH3–CH2–CHO – y propanona CH3–CO–CH3 57 ISOMERÍA CIS-TRANS (distinta fórmula desarrollada). • Cis-2-buteno H H C=C CH3 CH3 • Trans-2-buteno H CH3 C=C CH3 H 58 ISOMERÍA ÓPTICA • Sólo se observa distinta distribución espacial (en tres dimensiones) de los grupos unidos a un átomo de carbono. • Para que haya isómeros ópticos es necesario que los cuatro sustituyentes unidos a un átomo de carbono sean “distintos” (carbono asimétrico). 59 ISOMERÍA ÓPTICA (cont). • Se asigna un orden de prioridad a los grupos (por número atómico). Si dos de ellos fueran el mismo átomo el orden se determina por la prioridad de sus sustituyentes. • Se sitúa el sustituyente 4 hacia atrás y se observa el triángulo que forman los otros tres. Si el orden 1-2-3 sigue las agujas del reloj el isómero se denomina R y si sigue el contrario se denomina S. 60 Ejemplo de isomería óptica • R ácido láctico (2 hidroxi-propanoico) OH C H CH3 COOH • S ácido láctico (2 hidroxi-propanoico) COOH C H CH3 OH Ejercicio: Formula y nombra todos los isómeros posibles61 (estructurales y geométricos) del 2-butanol indicando el tipo de isomería en cada caso. 2-butanol CH3–CHOH–CH2–CH3 De cadena: CH3 metil-2-propanol CH3–COH–CH3 De posición: 1-butanol CH3–CH2–CH2–CH2OH De función: Dietil-éter CH3–CH2–O–CH2–CH3 metil-propil-éter CH3–O–CH2–CH2–CH3 Estereoisomería: S-2-butanol R-2-butanol