Universidad Interamericana de Puerto Rico Recinto de Bayamón PRONTUARIO

Universidad Interamericana de Puerto Rico
Recinto de Bayamón
Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas
PRONTUARIO
I. INFORMACIÓN GENERAL
Título del Curso
Código y Número
Créditos
Término Académico
Profesor
Horas de Oficina
Teléfono de la Oficina
Correo Electrónico
Requisito
: Química Orgánica I
: CHEM 2221
: Cuatro (4) créditos
: 2014-50
: Omar Cueto T.
:
: 2116
: [email protected]
: QUIM 1111
II. DESCRIPCIÓN DEL CURSO
Estudio teórico y experimental de las características estructurales, físicas,
químicas de compuestos orgánicos. Se enfatiza en la nomenclatura, la isomería,
la síntesis y las reacciones de hidrocarburos, alcoholes, halogenuros de alquilo y
de los compuestos aromáticos.
III. OBJETIVOS
1.
Aspectos Generales de la Estructura – Determinar las características
fundamentales del enlace químico de los compuestos del carbono y su
relación con la estructura molecular: isomerismo (constitucional,
conformacional, estereoisomería).
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Representar las configuraciones electrónicas de los elementos de los
períodos I y II de la tabla periódica en forma desarrollada, de diagrama y
utilizando las configuraciones de los gases nobles correspondientes.
Clasificar los orbitales atómicos de los elementos del primer y segundo
período en función de su energía y simetría.
Representar gráficamente la formación de enlaces químicos por
interacción de orbitales atómicos.
Describir el tipo y las características geométricas de los orbitales híbridos
sp, sp2 y sp3 para los elementos del segundo período.
Predecir la geometría molecular de los compuestos hidrogenados de los
elementos del segundo período usando el modelo de repulsión de pares
electrónicos.
Describir el tipo y las características geométricas de los enlaces en los
compuestos saturados e insaturados del carbono: alcanos, alquenos,
2
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
1.17.
1.18.
1.19.
1.19
2.
carbonilos, alquinos, alenos, nitrilos y compuestos aromáticos a base de
orbitales híbridos
Representar estructuras moleculares escribiendo los diferentes tipos de
fórmulas químicas: molecular, estructural, de línea y fórmulas de Lewis
incluyendo las cargas formales.
Identificar los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares y predecir sus
efectos en las propiedades físicas de diversos compuestos y estados de la
materia.
Escribir las proyecciones de Newman de los isómeros conformacionales
en compuestos acíclicos y determinar sus energías potenciales relativas.
Dibujar los isómeros conformacionales del ciclohexano y determinar sus
energías relativas.
Dibujar los isómeros geométricos de los cicloalcanos 1,2-, 1,3- y 1,4disustituídos. Identificarlos como cis-trans y determinar sus estabilidades
relativas.
Dibujar los isómeros geométricos de los alquenos, identificarlos como cistrans, E-Z y determinar sus estabilidades relativas.
Identificar los átomos asimétricos o centros estereogénicos. Dibujar un par
de enantiómeros en sus proyecciones de Fischer y tridimensional.
Determinar la configuración absoluta (R,S) de cada enantiómero y su
efecto sobre la luz polarizada en el plano.
Calcular la rotación específica de un enantiómero.
Definir el concepto de mezcla racémica.
Calcular la rotación específica de enantiómeros puros y/o de sus mezclas.
Determinar el porciento de exceso enantiómero (%ee).
Dibujar las proyecciones de Fischer de los diastereoisómeros y de los
compuestos meso con por lo menos dos centros quirales.
Predecir las reacciones que pueden producir compuestos ópticamente
activos.
Establecer la correlación entre reactividad química y estructura molecular
de los derivados monosustituídos y algunos disustituídos del benceno.
Aspectos de Nomenclatura – Nombrar los compuestos orgánicos
aplicando las reglas sistemáticas IUPAC y a través de algunos nombres
triviales.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Identificar los grupos funcionales más importantes en los compuestos
orgánicos.Escribir el nombre IUPAC de los alcanos y cicloalcanos.
Escribir el nombre IUPAC de los alcoholes y clasificarlos como primarios,
secundarios o terciarios.
Escribir el nombre IUPAC de los alcanos y cicloalcanos halogenados,
clasificarlos como primarios, secundarios, terciarios, bencílicos, arílicos,
vinílicos.
Escribir el nombre IUPAC de las aminas y clasificarlas como primarias,
secundarias o terciarias.
Escribir el nombre IUPAC de los éteres simétricos y no simétricos más
comunes.
3
2.6
2.7
2.8
2.9
3.
Mecanismos de Reacción – Escribir los mecanismos y predecir la
estructura de los productos de reacciones de sustitución nucleofílica,
eliminación, sustitución electrofílica aromática y radicalaria, adición
electrofílica, reducción y transposiciones moleculares.
3.1
3.2
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
4.
Escribir el nombre IUPAC de los alquenos y cicloalquenos.
Escribir el nombre IUPAC de los alquinos.
Escribir el nombre IUPAC de los compuestos aromáticos derivados del
benceno y de los principales anulenos.
Escribir el nombre IUPAC de compuestos con más de un grupo funcionale
incluyendo centros estereoisoméricos.
Escribir el mecanismo de las reacciones de adición electrofílica: adición
de halogenuros de hidrógeno, adición de H2SO4, adición de borano,
adición de halógenos.
Aplicar la regla de Markovnikov a los alquenos no simétricos.
Identificar los pasos en la preparación de compuestos de tipo antiMarkovnikov, determinando en cada caso la regioquímica
(regioselectividad) y la estereoquímica (estereoselectividad) de las
reacciones.
Escribir el mecanismo y determinar la estereoquímica de la hidrogenación
catalítica de alquenos.
Escribir el mecanismo de la halogenación de un alcano. Identificar los
pasos determinantes de la reacción radicalaria.
Escribir los mecanismos de las reacciones de sustitución en los
halogenuros de alquilo, alcoholes y éteres. Discutir los aspectos
competitivos que determinan la regioquímica y estereoselectividad de las
reacciones a base de los siguientes factores: la estructura del sustrato, la
naturaleza del nucleófilo, la naturaleza del grupo saliente, la
naturaleza del disolvente y la temperatura de la reacción.
Escribir los mecanismos de las reacciones de eliminación en los
halogenuros de alquilo y alcoholes. Discutir los aspectos competitivos que
determinan la regioquímica y estereoselectividad de las reacciones a base
de los siguientes factores: la estructura del sustrato, la naturaleza de la
base, la naturaleza del grupo saliente, la naturaleza del disolvente y la
temperatura de la reacción o el catalizador.
Escribir el mecanismo general de la sustitución electrofílica en un sistema
aromático y aplicando a la descripción de las siguientes reacciones:
halogenación, nitración, alquilación y acilación Friedel-Crafts,
sulfonación.
Cinética y termodinámica – Determinar las características fundamentales
de cinética de reacciones de primer y segundo orden, sus parámetros
termodinámicos y de activación.
4.1
Describir las reacciones de adición electrofílica por medio de perfiles
energéticos, identificando reactantes, estados de transición, especies
4
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.
intermedias y productos. Identificar el paso determinante de cada reacción
comparando sus energías de activación y considerando los rearreglos o
transposiciones.
Describir las reacciones unimoleculares y bimoleculares de sustitución
nucleofílica por medio de perfiles energéticos, identificando reactantes,
estados de transición, especies intermedias y productos. Identificar el
paso determinante de cada reacción comparando sus energías de
activación.
Describir las reacciones unimoleculares y bimoleculares de eliminación
por medio de perfiles energéticos, identificando reactantes, estados de
transición, especies intermedias y productos. Identificar el paso
determinante de cada reacción comparando sus energías de activación.
Determinar los factores que favorecen el curso unimolecular o bimolecular
de una reacción de sustitución nucleofílica tomando en cuenta como
criterios decisivos las estabilidades relativas de las especies químicas
intermedias y de los estados de transición.
Determinar los factores que favorecen el curso unimolecular o bimolecular
de una reacción de eliminación tomando en cuenta como criterios
decisivos las condiciones de reacción, las estabilidades relativas de las
especies químicas intermedias y la de los estados de transición. Discutir
el estado de transición anti-periplanar y enfatizar la distribución de los
productos de tipo Hofmann y Zaitsev.
Relacionar las estructuras moleculares de los estados de transición con
las especies intermedias, reactantes o productos a base del postulado
Hammond.
Establecer la relación cinética entre los halógenos (selectividad) y la
reactividad de hidrógenos primarios, secundarios, terciarios, y bencílicos.
Describir las reacciones de sustitución electrofílica aromática por medio
de perfiles energéticos, identificando reactantes, estados de transición,
especies intermedias y productos. Identificar el paso determinante de
cada reacción comparando sus energías de activación.
Comparar y contrastar los perfiles energéticos de las reacciones
bimoleculares de sustitución nucleofílica y de eliminación con los de la
reacciones de sustitución electrofílica aromática.
Síntesis Orgánica – Proponer métodos sintéticos para la obtención de
halogenuros de alquilo, alquenos, alquinos, alcoholes y compuestos
organometálicos, incluyendo secuencias sintéticas de nivel moderado.
5.1
5.2
5.3
5.3
Escribir las ecuaciones químicas de los diferentes métodos de obtención
de alquenos: eliminación de halogenuros de alquilo y deshidratación de
alcoholes.
Dada una reacción química, diagramar la ecuación química
correspondiente.
Explicar los mecanismos y leyes de rapidez de las reacciones de
sustitución y eliminación.
Explicar las consecuencias estereoquímicas de esas reacciones.
5
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
6.
Ilustrar los perfiles energéticos e identificar los reactantes, los estados de
transición, los intermediarios y los productos.
Escribir las ecuaciones químicas de los diferentes métodos de obtención
de alquinos: eliminación de dihalogenuros de alquilo y halogenuros
vinílicos; por reacciones de tipo SN2 usando aniones acetiluros.
Escribir los productos y determinar la estereoquímica de: la hidrogenación
catalítica de alquinos y la reducción con metales alcalinos (Li, Na).
Escribir la estructura de los productos de deshidratación de los alcoholes
no simétricos y determinar el producto principal.
Ilustrar por medio de reacciones específicas, el uso de la Nbromosuccinimida (NBS) en la síntesis de bromuros orgánicos.
Escribir las ecuaciones químicas de los diferentes métodos de obtención
de halogenuros de alquilo: halogenación de alcanos, halogenación alílica,
hidrohalogenación de alquenos, hidrohalogenación de alquinos,
sustitución en alcoholes.
Clasificar las sustituciones nucleofílicas en reacciones unimoleculares y
bimoleculares. Escribir sus ecuaciones, mecanismos, leyes de rapidez de
reacción, explicar sus consecuencias estereoquímicas.
Escribir la estructura de los productos de deshidrohalogenación de
halogenuros de alquilo no simétricos y determinar el producto principal.
Escribir la estructura de los productos de sustitución electrofílica en el
benceno y derivados monosustituídos y algunos disustituidos.
Escribir la secuencia de reacciones para la síntesis de compuestos en un
mínimo de dos o tres pasos
Correlación de Reactividad Química y Estructura Molecular –
Establecer la relación entre la reactividad química y la estructura molecular
de varios sistemas.
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
Identificar los ácidos y las bases según las teorías de Brønsted-Lowry y
de Lewis.
Identificar los ácidos y las bases fuertes y débiles a base de las
constantes pKa, pKb, Ka y Kb.
Escribir ecuaciones ácido-base y determinar la dirección del equilibrio de
cada reacción usando los valores de las constantes de acidez.
Predecir y comparar las propiedades físicas de los alcoholes, los éteres,
las aminas y los halogenuros de alquilo frente a los alcanos.
Discutir los aspectos competitivos que determinan el curso de las
reacciones de sustitución nucleofílica y de eliminación a base de los
siguientes factores: la estructura del sustrato, la naturaleza del nucleófilo o
de la base, la naturaleza del grupo saliente, la naturaleza del disolvente y
la temperatura de la reacción.
Comparar la estabilidad relativa entre alquenos a base del grado de
sustitución, el calor de hidrogenación y/o cálculos computacionales.
Aplicar la regla de Hückel para predecir la aromaticidad de anulenos y sus
iones.
Establecer las diferencias entre el carácter aromático, no-aromático y
6
6.9
6.10
6.11
7.
anti-aromático.
Establecer la correlación entre fuerza ácida y estructura molecular de
fenoles usando efectos inductivos y/o de resonancia.
Clasificar los sustituyentes del benceno en activantes y desactivantes en
función de la velocidad de la reacción y de su efecto orientador para
determinar los productos de di- y tri-sustitución electrofílica aromática.
Establecer la correlación entre fuerza ácida y estructura molecular de fenoles
usando efectos inductivos y/o de resonancia.
Técnicas
experimentales
de
preparación,
purificación
e
identificación de compuestos orgánicos a nivel del laboratorio.
Utilizar técnicas experimentales en la preparación, purificación e
identificación de compuestos orgánicos.
7.1
7.2
7.3
Aislar productos orgánicos y someterlos a técnicas de purificación tales
como: extracción, destilación, recristalización y cromatografía (columna y
capa delgada).
Aplicar métodos sintéticos en la preparación de compuestos orgánicos
simples.
Escoger entre fuentes y formas de acceso a información bibliográfica
relacionada con las constantes físicas, y las propiedades químicas de los
compuestos orgánicos.
IV. CONTENIDO TEMÁTICO
A. INTRODUCCIÓN Y REPASO (3HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Orígenes de la Química Orgánica
Estructura Atómica
Formación de enlaces
Estructuras Lewis
a.
Enlaces Múltiples
Electronegatividad y Polaridad de enlaces
a.
Cargas Formales
b.
Estructuras iónicas
Resonancia
Fórmulas estructurales, moleculares y empíricas
Acido-base
a.
Arrhenius
b.
Brönsted-Lowry
c.
Lewis
7
Ejercicios.
1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-7, 1-12, 1-14, 1-15, 1-17, 1-18, 1-20, 1-24, 1-25,
1-28, 1-29, 1-33, 1-36, 1-37, 1-40, 1-42, 1-43, 1-44, 1-46
B.
ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6
7.
Orbitales atómicos y moleculares
Orbitales σ y π
Hibridación y geometría de moléculas
Rotación de enlaces e isomerismo
Polaridad de enlaces y de moléculas (Fuerzas intermoleculares)
Hidrocarburos
Compuestos orgánicos con O y N
Ejercicios.
2-2a, 2-3, 2-4, 2-5, 2-8, 2-15, 2-16, 2-19, 2-20, 2-24, 2-27, 2-35, 2-40, 2-41
C.
ESTRUCTURA Y ESTEREOQUÍMICA DE ALCANOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
Clasificación de hidrocarburos
Alcanos
a.
Fórmulas moleculares
b.
Nomenclatura
c.
Propiedades físicas
d.
Usos y procedencia
e.
Reacciones
f.
Estructuras y conformaciones
Cicloalcanos
a.
Isomerismo cis/trans
b.
Estabilidad
c.
Conformaciones
Ejercicios:
3-32, 3-33, 3-34, 3-37, 3-38, 3-40, 3-42, 3-43, 3-44.
8
D.
REACCIONES QUÍMICAS (3 HRS.)
1.
2.
3.
Cloración de Metano
a.
Reacciones en cadena de radicales libres
Constantes de Equilibrio y Energía Libre
a.
Entalpía y Entropía
Cinética
a.
Ley de rapidez
b.
Energía de Activación
c.
Estados de Transición
d.
Reacciones en multipasos
e.
Selectividad en la halogenación
f.
Principio de Hammond
g.
Intermediarios
Ejercicios:
4-34, 4-35, 4-36, 4-37, 4-39, 4-40, 4-41, 4-43, 4-44, 4-48.
E.
ESTEREOQUÍMICA (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Quiralidad
Nomenclatura (R) y (S)
Actividad Optica
Mezclas racémicas
Proyecciones Fisher
Diatereómeros
Estereoquímica de moléculas con dos o más centros carbonos asimétricos
Compuestos Meso
Configuraciones absolutas y Relativas
Ejercicicos:
5-25, 5-26, 5-28, 5-29, 5-30, 5-31, 5-33.
F.
HALUROS DE ALQUILO-SUBSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS Y ELIMINACIONES (6 HRS.)
1.
Haluros de Alquilo
a.
Nomenclatura
b.
Usos comunes
c.
Estructura
d.
Propiedades físicas
9
2.
3.
e.
Síntesis
Reacciones de Substitución Nucleofílica SN1 y SN2
a.
Mecanismo
b.
Factores
c.
Cinética
d.
Estereoquímica
e.
Rearreglos
Reacciones de Eliminación E1 y E2
a.
Mecanismo
b.
Estereoquímica
c.
Regla de Zaitsev
Ejercicios:
6-41, 6-42, 6-43, 6-44, 6-45, 6-48, 6-49, 6-53, 6-56, 6-60,
G.
ESTRUCTURA Y SÍNTESIS DE ALQUENOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Orbitales envueltos en un doble enlace
Nomenclatura de alquenos
Nomenclatura Cis-Trans
Estabilidad de Alquenos
Propiedades físicas
Síntesis de alquenos por eliminación de haluros de alquilo
Síntesis de alquenos por deshidratación de alcoholes
Ejercicios:
7-30, 7-31, 7-32, 7-33, 7-35, 7-36, 7-38, 7-41, 7-44, 7-46,
H.
REACCIONES DE ALQUENOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Adición Electrofílica a Alquenos
Mecanismo
Adición de Haluros de Hidrógeno
Adición de Agua
Oximercuriación
Hidroboración
Halogenación
Hidrogenación Catalítica
Epoxidación
Polimerización
10
Ejercicios:
8-46, 8-47, 8-50, 8-55
I.
ALQUINOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Nomenclatura
Propiedades Físicas
Orbitales en el enlace triple
Acidez
Síntesis
Oxidación
Ejercicios:
9-26, 9-27, 9-28, 9-29, 9-30, 9-33, 9-36
J.
ESTRUCTURA Y SÍNTESIS DE ALCOHOLES (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Estructura y Clasificación de alcoholes
Nomenclatura
Propiedades físicas
Acidez
Síntesis
Reactivos organometálicos
a.
Adición de organometálicos a carbonilos
b.
Reacciones de Grignard-Mecanismo
Reducción de carbonilos
Tíoles
Ejercicios:
10-30, 10-31, 10-33, 10-34, 10-35, 10-36, 10-38, 10-39, 10-42, 10-49, 10-51
K.
REACCIONES DE ALCOHOLES (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Estados de oxidación de alcoholes
Oxidación
Alcoholes como nucleófilos y electrófilos
Reducción de alcoholes
Reacción de alcoholes con haluos de hidrógeno, haluros de fósforo,
cloruro de tíonilo.
Deshidratación de alcoholes
Esterificación
11
8.
Reacciones de alcóxidos
Ejercicios:
11-39, 11-40, 11-41, 11-43, 11-44, 11-49, 11-50
L.
COMPUESTOS AROMÁTICOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
M.
Estructura, propiedades y orbitales moleculares de benceno
Ciclobutadieno
Compuestos aromáticos, antiaromáticos y noaromáticos
Regla de Hűckel
Iones aromáticos
Compuestos heterocíclicos aromáticos
Hidrocarburos polinucleares aromáticos
Nomenclatura de derivados de benceno
Propiedades físicas de benceno y derivados
REACCIONES DE COMPUESTOS AROMÁTICOS (3 HRS.)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Substitución Electrofílica Aromática
Nitración y sulfonización de benceno
Nitración de tolueno. Efecto de substituyentes alquílicos
Grupos activantes y desactivantes. Orientación de la substitución`
Efecto de múltiples substituyentes
Alquilación y acilación Friedel-Crafts
V. ACTIVIDADES
1.
2.
3.
4.
5.
Conferencia-discusión
Solución de problemas
Prácticas de laboratorio
Ejercicios de repaso
Tutorías
12
VI. EVALUACIÓN
El material de la clase se evaluará con exámenes parciales, pruebas cortas
y un examen final. El laboratorio tendrá un valor de 25% en la nota de la clase.
VII. NOTAS ESPECIALES
1)
Servicios auxiliares o necesidades especiales
Todo estudiante que requiera servicios auxiliares o asistencia especial deberá
solicitar los mismos al inicio del curso o tan pronto como adquiera conocimiento de
que los necesita, a través del registro correspondiente, en el Decanato de
Estudiantes.
2) Honradez, fraude y plagio
La falta de honradez, el fraude, el plagio y cualquier otro comportamiento
inadecuado con relación a la labor académica constituyen infracciones mayores
sancionadas por el Reglamento General de Estudiantes. Las infracciones mayores,
según dispone el Reglamento General de Estudiantes, pueden tener como
consecuencia la suspensión de la Universidad por un tiempo definido mayor de un
año o la expulsión permanente de la Universidad, entre otras sanciones.
3) Uso de dispositivos electrónicos
Se desactivarán los teléfonos celulares y cualquier otro dispositivo electrónico que
pudiese interrumpir los procesos de enseñanza y aprendizaje o alterar el ambiente
conducente a la excelencia académica. Las situaciones apremiantes serán
atendidas, según corresponda. Se prohíbe el manejo de dispositivos electrónicos
que permitan acceder, almacenar o enviar datos durante evaluaciones o exámenes.
VIII.
RECURSOS EDUCATIVOS
Libro de Texto
Wade, L.G.Jr. (2013). Organic Chemistry. Eighth Edition. Pearson.
Lecturas suplementarias
Bruice, P.Y.(2008). Química Orgánica. 5⁰ Edición Mexico. Pearson Education.
Wade.L.G.Jr. (2009) Química Orgánica. 5⁰ Edición Mexico. Pearson
Education
IX. BIBLIOGRAFÍA
13
Carey, F.A. (2008). Organic Chemistry. Boston. McGraw- Hill Higher Education.
McMurry, J.(2008). Organic Chemistry. Belmont, Ca. Thomson Brooks.
Recursos Electrónicos
http://www.chemhelper.com
http://www.prenhall.com/bruice
http://www.pearsoneducacion.net/bruice
http://www.prenhall.com/wade
http://www.chem.uic.edu/web1/OCOL-II/WIN/STEREO.HTM
Revisado por O. Cueto
Mayo 2014