Jöns Jacob von Berzelius

9. Química del carbono
Jöns Jacob von Berzelius
(Väversunda Sörgård, Suecia, 1779 - Estocolmo, 1848) fue un químico sueco, uno de los
fundadores de la química moderna.
En 1807 Berzelius fue nombrado profesor de química y farmacia en el Instituto Karolinska.
El actual sistema de notación química se adoptó gracias a Berzelius, que fue quien lo propuso en
1813.
En 1818, Berzelius fue elegido secretario de la Real Academia Sueca de Ciencias, y ocupó el cargo
hasta 1848.
Gonzalo Mora Pérez
Reacciones en la Química Orgánica
Reactividad de los compuestos orgánicos
Va a depender, básicamente, de los grupos funcionales. Así, las zonas de enlaces sencillos C-C y C-H,
serán poco reactivas pero las C=C, C≡C, C-Cl, C-O, C-N,... van a generar zonas de inestabilidad
que favorecen el ataque de reactivos.
También se pueden producir desplazamientos electrónicos, permanentes o temporales, en ciertos
enlaces.
Desplazamientos electrónicos
EFECTO INDUCTIVO
Cuando los dos átomos que forman el enlace sencillo σ, tienen diferentes electronegatividades, provoca
un desplazamiento del par electrónico compartido hacia el átomo más electronegativo.
Esta distorsión también influye en los enlaces adyacentes, aunque su efecto decrece rápidamente.
Tomando el hidrógeno como referencia:
Efecto inductivo aceptor, -I, aceptan o retiran electrones:
-NO2 > -CN > -COOH > -F > -Cl > -Br > -OH
Efecto inductivo dador, +I, aportan electrones:
-O- > -COO- > -C(CH3) > -CH(CH3)2 > -CH2-CH3 > -CH3
fluoretano
ácido 2,2-dimetilpropanoico
EFECTO MESÓMERO O RESONANCIA
Es característico del doble enlace C=C o C=O, y supone el desplazamiento de los dos electrones π
hacia uno de los átomos enlazados. Se representa con una flecha curva.
Resonancia
Efecto –M: atraen hacia ellos la nube electrónica del enlace π
-NO2 > -COOH > -COOR > -CHO > -CO-R
Efecto +M: se puede producir por el desplazamiento de un par de electrones SIN COMPARTIR
de un átomo contiguo, formando un doble enlace.
OH- > -O-R > -NH2 > -halógenos
El efecto mesómero también se transmite a lo largo de la cadena, y es significativa su propagación
cuando existen dobles enlaces alternos (conjugados) en la cadena carbonada.
Estos efectos nos sirven para determinar qué zonas de las moléculas son susceptibles de ataque por
parte de los reactivos.
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Gonzalo Mora Pérez
Principales reactivos orgánicos
ESPECIES QUÍMICAS QUE INTERVIENEN EN UNA
REACCIÓN ORGÁNICA
SUSTRATO
REACTIVO
molécula reaccionante más grande y que en la
reacción varía su grupo funcional o experimenta
un cambio estructural
especie que ataca a la molécula del
sustrato, originando la formación de
nuevos enlaces
TIPOS DE
REACTIVOS
Radicales libres
especies que poseen un
electrón sin aparear.
Son muy reactivos
Reactivos nucleófilos
grupos de átomos que
poseen zonas de alta
densidad electrónica
R tivos elec
Reac
l ttrófil
ófilos
especies que poseen
zonas con deficiencia
de electrones
Radicales libres
Son sustancias que poseen un electrón sin aparear.
Son muy reactivos y actúan en las reacciones radicálicas.
H• ; CH3• ; CH3 - CH2 •
; Cl•
Reactivos nucleofílicos
Los reactivos nucleofílicos o nucleófilos (del griego, “que aman los núcleos”) son aniones o moléculas
que tienen pares de electrones no compartidos (bases de Lewis) y pueden cederlos a átomos
deficientes de electrones
Nucleófilos cargados
Nucleófilos neutros
Reactivos electrofílicos
Los reactivos electrofílicos o electrófilos (del griego, amante de electrones) son iones positivos, moléculas
con átomos sin octeto completo, capaces de aceptar un par de electrones (ácidos de Lewis) o con
enlaces muy polarizados, y por lo tanto, aceptan electrones del sustrato.
Tienden a atacar zonas de alta densidad electrónica como son las insaturaciones C=C y C≡C .
Electrófilos cargados
Electrófilos neutros
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Gonzalo Mora Pérez
Ruptura de los enlaces
a) REACCIONES RADICALARIAS: RUPTURA HOMOLÍTICA U HOMOPOLAR.
La ruptura de un enlace covalente se llama homolítica cuando cada átomo que se separa retiene un ede los dos que constituían dicho enlace. Origina dos especies eléctricamente neutras, pero muy reactivas
A• + B•
debido a la presencia de un e- desapareado: A−B
La ruptura homolítica de un enlace
requiere una alta aportación
energética
 temperaturas altas
 luz ultravioleta (UV)
La ruptura homolítica es típica de enlaces apolares, aunque, en condiciones adecuadas, también
es posible que ocurra en un enlace polar
(son neutras)
Los radicales libres tienden a adquirir un e- y completar su octeto, por ello son muy reactivos.
Cuando un radical libre reacciona con una molécula, se produce otro radical libre, que hace que la
reacción siga propagándose en cadena: reacción autocatalítica. Suele proporcionar una mezcla muy
variadas de productos.
b) REACCIONES IÓNICAS: RUPTURA HETEROLÍTICA O HETEROPOLAR.
La ruptura de un enlace se denomina heterolítica u heteropolar cuando uno de los átomos que se separa se
lleva los dos electrones que constituían dicho enlace:
A B
A+ + B o bien A- + B+
La ruptura heterolítica origina un catión y un anión
reacciones iónicas
La ruptura heterolítica es típica de enlaces polares, por lo que las reacciones iónicas suelen
p
, que
q solvatan a los iones
ocurrir en disolventes polares,
Si en una ruptura heterolítica el átomo que se lleva los
electrones es un átomo de carbono, el ion negativo formado
se denomina carbanión:
RC A
Base Lewis
C- + A+
Si, por el contrario, el átomo de carbono soporta la carga
positiva, el ion resultante se denomina carbocatión o
ion carbonio:
RC B
−C+ + B -
Ácido Lewis
Los aniones formados en una ruptura heterolítica
pueden aportar su par electrónico no compartido
para formar nuevos enlaces; y los cationes, su orbital
vacío:
B- + XZ
BX + ZA+ + XY
AX + Y+
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Mecanismos básicos de las reacciones orgánicas
Según la manera en que se forman y rompen los enlaces, las reacciones se pueden clasificar en radicalarias,
concertadas y no concertadas.
REACCIONES RADICALARIAS
Las rupturas homolíticas generan radicales libres provocando reacciones de CINÉTICA COMPLICADA,
con gran variedad de productos.
Aunque suelen necesitar catalizadores (UV), una vez iniciada las reacciones se producen en
cadena.
luz( hν )

→ CH3Cl + CH2Cl 2 + CHCl3 + CCl 4 + HCl
CH4 + Cl 2 
REACCIONES CONCERTADAS O BIMOLECULARES
La rotura y formación de enlaces se produce simultáneamente, en una sola etapa, con un sólo complejo
activado. Son bimoleculares o de 2º orden, ya que la velocidad de reacción es proporcional a la
concentración de ambas sustancias, sustrato y reactivo.
C
C
+
A
B
C
C
C
C
A
B
A
B
REACCIONES NO CONCERTADAS O UNIMOLECULARES
La rotura y formación de enlaces se produce en etapas separadas. Se forman especies intermedias más
o menos estables. Son unimoleculares o de primer orden, la velocidad de la reacción en su conjunto
depende básicamente de la concentración del sustrato.
Siempre hay una etapa más lenta, con mayor Ea, que condiciona la velocidad global de la reacción.
1ª etapa
C
+
C
A
B
C
C
+
B
A
2ª etapa
C
A
C
+
B
C
C
A
B
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Gonzalo Mora Pérez
Principales tipos de reacciones orgánicas:
En general son lentas y necesitan altas temperaturas y catalizadores.
 Echamos unas gotas de bromo en dos tubos, uno con pentano y otro con penteno
observando que el bromo no reacciona con el pentano (por eso cambia de color),
reaccionando con el penteno (permaneciendo incoloro):
no reacciona
reacciona
pentano
penteno
Br2
 Los hidrocarburos saturados (alcanos) son poco reactivos
 Los hidrocarburos insaturados (alquenos y alquinos) dan fácilmente reacciones de adición.
1.-REACCIONES DE SUSTITUCIÓN O DESPLAZAMIENTO
Un átomo o grupo de átomos del sustrato son sustituidos por un átomo o grupo de átomos del reactivo.
C C
+
A
sustrato
C C
ZB
+
B
reactivo
ZA
productos
A) Por radicales libres: el reactivo atacante es un radical libre producido en una ruptura homolítica.
Se suele producir por etapas: inicio, propagación (reacción en cadena) y terminación, produciendo una
mezcla de productos. Por ejemplo, la halogenación de los alcanos
luz( hν )

→ CH3Cl + CH2Cl 2 + CHCl3 + CCl 4 + HCl
CH4 + Cl 2 
H
C H
3
C H
C H
3
C l
+
p ro p a n o
Lu z
C l
Calor
c lor o
C l
C H
3
C H
C H
+
3
2 -c lo ro p ro p a n o
H
C l
+
otros
c l o r u ro d e h i d r ó g e n o
B) Nucleófila (SN): el reactivo es una especie nucleófila que ataca a las zonas del sustrato con deficiencia
electrónica (ruptura heterolítica)
CH3−CH2 −Cl + NaOH
CH3−CH2 −OH + NaCl (compite con la de ELIMINACIÓN)
CH3–CH2–OH + HBr
CH3 CH2–Br + H2O
C) Electrófila (SE): el reactivo atacante es una especie electrófila que ataca a las zonas del sustrato con
abundancia electrónica, como los dobles enlaces de los aromáticos.
* Halogenación del benceno:
AlCl3
C6H6 (benceno) + Cl2 → C 6H5Cl + HCl
* Alquilación FRIEDEL-CRAFTS:
H
+
R −X
* Nitración del benceno:
AlCl3
R
H2SO4
+ HNO3 
benceno
+
HX
+ H2O
Nitrobenceno
NO2
(NO2- ion nitronio)
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Gonzalo Mora Pérez
2.-REACCIONES DE ADICIÓN
Ocurren cuando las moléculas poseen dobles o triples enlaces (enlaces π) , se le incorporan dos átomos
o grupos de átomos disminuyendo la insaturación de la molécula original.
+
C C
sustrato
AB
C C
reactivo
A B
producto
A) Electrófila: el reactivo es una especie electrófila que ataca los puntos con alta densidad electrónica
(C=C o C≡C). Son reacciones por etapas de cinética unimolecular
Br
CH3
CH CH2 +
Br
propeno
CH3
Br
bromo
Br
CH CH2
1,2-dibromopropano
Br
+
C C CH3
CH3
but-2-ino
Br
C C
Br
Br
CH3
2,3- dibromobut-2-eno
bromo
H2SO4
CH =CH + H O
2
2
2
CH CH OH
3
2
Catalizador
CH3CH CH2 + H2
propeno
etino
CH

CH + 2 H
CH3
Pt/P
2
H
H
CH3CHCH2
propano
CH CH
3
3
etano
Adición de halogenuros de hidrógeno, se obtienen diferentes isómeros, el mayoritario sigue la regla
de MARKOVNIKOV (1870): el hidrógeno se adiciona al carbono con mayor número de hidrógenos.
Cl H
CH3CH CH2 + H Cl
propeno
(mayoritario)
CH3−CH−CH2
2-cloropropano
Br H
CH3−CH =CH2 + H −Br
propeno
CH3−CH−CH2
(mayoritario)
2-bromopropano
B) Nucleófila: el reactivo atacante es una especie nucleófila que busca puntos con baja densidad electrónica,
como los dobles enlaces polarizados C=O de aldehídos y cetonas y como los triples enlaces de los nitrilos
-C≡N (transcurren por etapas).
δ+
CH3 C
etanal
CH3 C
etanal
O
H
O
H
δ-
OH
+ H CN
CH3  C  H
ácido cianhídrico
CN
cianhidrina
OH
+ H −Cl
CH3  C  H
1-cloroetanol
Cl
C) Adición radicalaria: es poco frecuente y necesitan catalizadores. (Intervienen en la formación de
polímeros).
H Br
CH3−CH =CH2 + H −Br
propeno
Luz(UV)
Peróxidos
CH3−CH−CH2
1-bromopropano
regla de antiMarkovnikov
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3.-REACCIONES DE ELIMINACIÓN
Dos átomos o grupos de átomos que se encuentran en carbonos adyacentes se eliminan
generándose un doble o triple enlace (o cierra un ciclo). Es la reacción opuesta a la adición.
C C
A B
sustrato
+
C C
Z
reactivo
+
ZAB
productos
También se puede obtener diferentes isómeros, pero para saber el mayoritario:
•Siguen la regla de Saytzeff (1875):
“En las reacciones de eliminación el hidrógeno sale del carbono adyacente al grupo
funcional que tiene menos hidrógenos”
Saytzeff: este no
OH H
deshidratación de
un alcohol
CH3 CH CH CH3
H2SO4
Calor
CH3HCCHCH3 + H2O
but-2-eno (Mayoritario)
Butan-2-ol
Es unimolecular: se da en varias etapas.
deshidrohalogenación
de halogenuros de
alquilo
H
Cl
CH3 CH CH2 + KOH
Etanol
CH3CH CH2 + KCl + H2O
1-cloropropano
Propeno
Es bimolecular: se da en una sóla etapa.
Br H
doble
eliminación
CH3 C CH + 2KOH
CH3 C  CH + 2KBr + 2H2O
H Br
1,2-dibromopropano
Propino
Las reacciones de sustitución nucleófila y de eliminación son competitivas entre sí y pueden
dar lugar a una mezcla de productos no deseados.
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Gonzalo Mora Pérez
4.-REACCIONES REDOX
•
•
•
•
En Orgánica existen también reacciones redox.
Es más complejo determinar el número de oxidación del C, ya que en una misma cadena,
cada átomo de C puede tener un estado de oxidación distinto.
Como consecuencia de ello, al calcular el estado de oxidación, en ocasiones salen números
fraccionarios, que no son sino las medias aritméticas de los estados de oxidación de cada
uno de los átomos de carbono.
Habitualmente, se sigue utilizando el concepto de oxidación como aumento en la proporción
de oxígeno y reducción como disminución en la proporción de oxígeno.
COMBUSTIÓN: son procesos de oxidación violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire
que se producen con gran desprendimiento de luz y calor
4CO2 + 5H2O + energía (ΔH<0)
CH3CH2CH2CH3 + 13/2O2
REACCIONES REDOX SIN RUPTURA DE LA CADENA: son oxidaciones (y reducciones)
más suaves, sin que se rompa la cadena carbonada. Como oxidantes: KMnO4, K2Cr2O7,...
Los alquenos se oxidan con formando dialcoholes:
KMnO4
CH3–CH=CH–CH3
medio ácido
but-2-eno
Otro ejemplo:
CH3 –CHOH–CHOH–CH3
butan-2,3-diol
KMnO4
-2
CH3–OH
Metanol
oxidación
reducción
0
H–CHO
Metanal
+2
oxidación
reducción
H–COOH
ácido metanoico
5.-REACCIONES DE CONDENSACIÓN
Dos moléculas orgánicas se unen desprendiéndose una molécula pequeña, generalmente agua. (Equivale
a una adición más una eliminación).
Es importante en la formación de los POLÍMEROS.
Por ejemplo, la formación de una amida a partir de un ácido carboxílico y una amina:
O
CH3 C
OH
O
+ CH3 CH2 N H
CH3 CN  CH2 CH3 + H2O
H
H
ácido etanoico etilamina
N-etilacetamida
Otros ejemplos: la formación de hidratos de carbono a partir de monosacáridos y también, la formación
de proteínas a partir de aminoácidos.
6.-REACCIONES DE TRANSPOSICIÓN
Consisten en un reordenamiento de los átomos de una molécula que origina otra con estructura
distinta.
CH3
CH2
butano
CH2
CH3
cat.

CH3
(calor)
CH
CH3
CH3
2-metilpropano
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7.-REACCIONES DE ESTERIFICACIÓN
Los ácidos carboxílicos reaccionan con los alcoholes formando ésteres y agua (en presencia
de ácido sulfúrico):
RC
ácido
CH3−C
O
O
OH
H2SO4
+ R’  
+
alcohol
esterificación
hidrólisis
RC
éster
esterificación
+ CH3-CH2OH
OH
ácido acético
+ etanol
hidrólisis
O
+ 
O  R’
+
agua
O
CH3−C
O −CH2-CH3
Acetato de etilo
+ 
+
agua
 Este tipo de reacciones, llamadas de esterificación, son reversibles.
 La reacción en sentido inverso, es decir, la hidrólisis ácida del éster, permite recuperar el ácido y el
alcohol.
8.-REACCIONES DE SAPONIFICACIÓN (hidrólisis del éster, en medio básico)
Es una reacción de hidrólisis de las grasas (triésteres de la glicerina o propanotriol)
con una disolución acuosa alcalina (NaOH o KOH). Es una reacción irreversible.
Cola apolar: Lipófila
CH2–O–CO–R
Agua
Cabeza polar: Hidrofílica
R–COO–Na+
CH2OH
CH–O–CO–R’+3 NaOHCalor R’–COO–Na+ + CHOH
CH2–O–CO–R’’
GRASA
+ BASE
ÉSTER
+ BASE
R’’–COO–Na+
JABÓN
Sal del ácido
CH2OH
GLICERINA(1,2,3-propanotriol)
Alcohol
La acción limpiadora de los jabones se debe a su doble carácter LIPÓFILO o hidrófoba
(cadena carbonada apolar) y LIPÓFOBA o hidrófila (extremo polar carboxilato)
Micela:
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