MÓDULO A: E t Estructura t y propiedades i d d fí i físicas, ácido-base y espectroscópicas de los compuestos t orgánicos á i MÓDULO A: E t Estructura t y propiedades i d d fí i físicas, ácido-base y espectroscópicas de los compuestos t orgánicos á i Tema 2. Naturaleza, formulación y nomenclatura de los compuestos orgánicos Tema 3. Estructura y orgánicas propiedades de las moléculas Tema 4. Caracterización mediante técnicas instrumentales (I) Tema 5. Caracterización mediante técnicas instrumentales (II) Módulo A. A Estructura , propiedades físicas, físicas ácido-base y espectroscópicas de los compuestos co puestos o orgánicos gá cos Tema 2. Naturaleza,, formulación y nomenclatura de los compuestos orgánicos Las imágenes utilizadas para la preparación de este tema proceden de dos libros de Química Orgánica: •L.G. Wade, Organic Chemistry, 6ªEd.Pearson International, 2005 •K P C Vollhardt, •K.P.C. Vollhardt Organic Chemistry, Chemistry 4ªEd, 4ªEd Freeman 2003 LA QUÍMICA ORGÁNICA Compuestos orgánicos (CO) derivados de nuestros órganos Proteínas de la piel Proporciona CO para reemplazar nuestros órganos fibras pinturas DNA núcleo célula plásticos pesticidas Prod. farmaceúticos ú Glucógeno del hígado ¿Qué es un compuesto orgánico? La Química Orgánica es la Química de los compuestos de carbono Vitalismo: los productos naturales necesitan de una fuerza vital para ser creados XIX 1828 Wöhler NH4+-OCN H2NCONH2 ¿Qué tiene de especial el carbono? Enlaces fuerte Variadas cadenas La formación de un enlace. iónico covalente no p polar covalente p polar Enlace iónico: los electrones son transferidos Enlace covalente: se comparte un par de electrones Lewis. La regla del octeto H H C O H H electrones no enlazantes Estructura de Lewis Lewis. Carga formal Carga formal Dibujar la Estructura de Lewis: 1. Contar el número de electrones de valencia 2. Restar los electrones no enlazantes 3. Restar la mitad de los electrones que forman los enlaces 3- H O H C C O H O O P O O Enlace covalente. covalente Enlace múltiple Fórmulas estructurales H O Fórmula estructural completa p H C C O H H Fórmula lineoangular Estructura condensada Fórmula molecular Fórmula empírica CH3COOH C2H4O2 CH2O Cálculo de Fórmulas Empíricas Se supone que la muestra pesa 100g en total, los valores porcentuales dan el nº de gramos de cada elemento. 1. Se pasan los gramos a número de moles. 2 2. Se divide por el número de moles más pequeño para obtener la relación. La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula empírica. P bl Problema Un compuesto tiene la siguiente composición: 40.0% C, 6 67% H, 6.67% H y 53.3% 53 3% O. O Encuentra la fórmula empírica empírica. 40.0 gC 3.33 molC 12.0 gC / molC 3.33 6.67 gH 6.60 molH 1.01 gH / molH 3.33 53.5 gO 3.33 molO 16.0 gO / molO 3.33 = 1 = 1.98 = 2 = 1 CH2O C Ángulos g de enlace e hibridaciones Los ángulos de enlace no se pueden explicar teniendo en cuenta orbitales s y p p. Los orbitales híbridos son más bajos en energía porque los pares de electrones se encuentran más alejados. alejados La hibridación L hib id ió es una combinación bi ió lineal li l de d orbitales atómicos. ¿Cómo es el átomo de carbono y porqué da lugar a tantos compuestos orgánicos? C 2s22p2 Hibridaciones Orbitales híbridos sp3 • Geometría tetraédrica • Ángulo de enlace 109.5° Orbitales híbridos sp2 • Geometría trigonal g p plana • Ángulo de enlace 120° Orbitales híbridos sp p • Geometría lineal • Ángulo de enlace 180° Un compuesto orgánico es una entidad molecular que se le añaden eventualmente heteroátomos (oxígeno, nitrógeno, halógenos, azufre y fósforo). Grupo funcional: agrupación atómica que comunica unas propiedades características a los compuestos que lo portan. Grupos funcionales más usuales Tipo de compuesto Estructura general Grupo funcional Tipo de compuesto Estructura general Grupo funcional Compuestos carbonilos Hidrocarburos O R-H Alcanos Aldehídos R-CHO H O H(R) Alquenos (R)H R1-CO-R2 Iminas R1-CNR2-R3 N H(R) (R)H Compuestos carboxílicos (R)H Alquinos Cetonas O H(R) ( ) Ácidos carboxílicos H(R) R COOH R-COOH OH Derivados de compuestos carboxílicos (R)H H(R) (R)H H(R) Aromáticos Ésteres de ácido carboxílico H(R) O R1-COO-R2 O O O Derivados de los hidrocarburos Halogenuros de alquilo R-X/Ar-X (X=F,Cl,Br,I) X Anhídridos de ácido carboxílico R1-CO-O-CO-R2 Halogenuros de ácido carboxílico R-COX Amidas R-CONH2, R1-CONH(R2), R-CO-N Nitrilos R-CN X O Derivados de agua Alcoholes y fenoles O O R-(Ar)-CH2-OH y Ar-OH N OH Derivados y análogos de los alcoholes Éteres R1-O-R2 O Tioles R-(Ar)-SH SH C Derivados del amoniaco Aminas R-NH2, R1-NH-R2, R-N N N Grupos funcionales más usuales Alcanos (hidrocarburos saturados) Enlace covalente sencillo, Tipos: Ti • Alcanos lineales • Alcanos ramificados • Cicloalcanos CH4 CH3CHCH3 CH3 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3 CH3CHCHCH3 CH3 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH2CH3 CH3 Grupos p funcionales más usuales Alcanos (hidrocarburos saturados) Por eliminación de uno o varios átomos de hidrógeno a partir de una molécula de alcano se obtiene un grupo g p hidrocarbonado que posee un enlace sencillo. Grupos alquilo, Rmetilo metileno etilo propilo isopropilo isobutilo sec-butilo tert-butilo ciclopropilo l l ciclohexilo Me- CH3-CH2EtC2H5PrC3H7i-Pr(CH3)2CHi Bu i-Bu(CH3)2CHCH2s-Bu- CH3CH2CHCH3 t-Bu (CH3)3Cc-Pr c-He Grupos p funcionales más usuales Alquenos (u olefinas) Son hidrocarburos insaturados acíclicos que poseen uno o varios dobles enlaces C=C. Distintas categorías de olefinas: • Olefinas simples CH2=CH2 CH2=CH-CH3 CH2=CH-CH2CH3 CH3-CH=CH-CH3 • Dienos, trienos, polienos no conjugados CH2=C=CH-CH2 CH2=CH-CH2-CH=CH2 • Dienos, trienos, polienos conjugados CH2=CH-CH=CH CH CH CH2 CH2=CH-CH=CH-CH=CH CH CH CH CH CH2 Productos derivados de etileno y sus aplicaciones polietilenos cloruro de vinilo LDPE (polimerización radicalaria; 1000-2000 atm; 200ºC) etanol PVC (polimerización radicalaria) HDPE (polimerización tipo Ziegler; 1 atm; 60-70ºC) acetato de vinilo PVA óxido de etileno H2C=CH2 alcohol p polivinílico esterilizante detergentes no iónicos estireno intermedio de síntesis a partir de etilbenceno preparación de etilenglicol otros acetaldehído preparación de n-butanol monómero del PS preparación de copolímeros (cauchos) CH3CH2COOH CH3CH2Cl preparación de ácido acético Grupos funcionales más usuales Alquenos (u olefinas) Grupos alquenilo: • Vinilo CH2=CH CH2- • Alilo ll CH2=CHCH2- Alquinos Son los hidrocarburos insaturados acíclicos que poseen uno o varios triples enlaces. Acetileno o etino HC CH Grupos p funcionales más usuales Aromáticos Son hidrocarburos insaturados mono- o policíclicos planos que tienen electrones q que se deslocalizan p por efecto mesómero,, efecto que les confiere una estabilidad química considerable. Y R Y H N H N O S N N Grupos arilo Fenilo: l Ph-, h C6H5Bencilo: C6H5CH2- N N H Productos químicos derivados de XILENOS Aplicaciones disolvente; gasolinas; productos de oxidación COOH [Ox.] obtención de poliésteres COOH ácido tereftálico O [Ox.] O obtención de poliésteres; plastificantes; pinturas O anhídrido ftálico COOH [Ox.] mejora la resistencia a disolventes en resinas y poliésteres é COOH ácido isoftálico Grupos funcionales más usuales Halogenuros (derivados de los hidrocarburos) Son S compuestos t orgánicos á i h l halogenados d que pueden d considerarse como derivados de los hidrocarburos porque se obtienen al reemplazar un átomo o varios átomos de hidrógeno de la molécula de hidrocarburo por uno o varios átomos de halógeno R-CH3 R-CH2X • Los halogenuros de alquilo (o haloalcanos) CH3-Br CH3CHClCH3 • Los halogenuros de alquenilo ClCH2=CH2Cl CH2=CH-CH2Cl • Los halogenuros aromáticos (o de arilo) F Cl Br N Br DDT Grupos p funcionales más usuales Alcoholes y fenoles (d i d del (derivados d l agua o compuestos t hidroxílicos) hid íli ) HOH R(Ar)-CH2-OH Ar-OH Compuestos Comp estos orgánicos o gánicos oxigenados o igenados que q e pueden p eden considerarse conside a se como derivados del agua, HOH, porque se obtienen al desplazar un átomo de hidrógeno de la molécula de agua por un grupo alquilo o arilo. En el caso de los alcoholes, este g grupo p se une a la p parte saturada de un grupo alquilo, R-CH2-. En el caso de los fenoles, este grupo se une directamente al núcleo aromático. Grupos funcionales más usuales Alcoholes y fenoles hidroxílicos) (derivados Según el grupo hidrocarbonado: • Alcoholes saturados • Alcoholes insaturados • Alcoholes aromáticos del agua o compuestos R-CH2-OH R-CH=CH-CH R CH CH CH2-OH OH Ar-CH2-OH Según el número de funciones hidroxilo: • Monoalcoholes CH3-OH • Polialcoholes: los dialcoholes (o glicoles) y los trioles CH2-OH OH CH2-OH etilenglicol CH2-OH propanotriol HC-OH CH2-OH OH Según el tipo de carbono que lleva el grupo funcional: • Alcoholes p primarios R-CH2-OH • Alcoholes secundarios R1R2CH-OH • Alcoholes terciarios R1R2R3C-OH Grupos funcionales más usuales Alcoholes y fenoles (derivados del agua o compuestos hidroxílicos) Los alcoholes insaturados de tipo p vinílico se denominan enoles y son intermedios de reacción importantes. En lo que concierne a los fenoles, se pueden clasificar según el número de grupos funcionales –OH: Monofenoles OH Polifenoles (di-, trifenoles, …) HO OH o cresol o-cresol OH OH CH3 OH OH hidroquinona pirogalol Alcohol Fenol Obtención de resinas (condensación de fenol y formaldehído) OH H CO 2 OH OH + + H CH2OH HOH2C H+ OH OH OH p polímero cruzado OH Grupos p funcionales más usuales Éteres (o derivados de los alcoholes) Los éteres son compuestos orgánicos oxigenados que pueden considerarse como derivados de los alcoholes, se obtienen al reemplazar el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo, hidroxilo -OH de un alcohol por un grupo alquilo, R- o arilo, Ar-. R O H R-O-H R O R(A ) R-O-R(Ar) Hay que señalar la existencia de: • Éteres acíclicos CH3OCH3 C6H5OCH3 CH3OCH2CH2OCH3 Nerolin II O • Éteres cíclicos: cicloalcanos en los que un átomo de carbono se ha reemplazado un carbono por un heteroátomo O O O O O Grupos p funcionales más usuales Tioles (o análogos de los alcoholes) Son compuestos orgánicos sulfurados se pueden considerar análogos a los alcoholes porque se obtienen por reemplazo del átomo del oxígeno del grupo hidroxilo, hidroxilo -OH de un alcohol por un átomo de azufre. El grupo funcional obtenido se denomina mercapto o grupo sulfhidrilo, -SH. R-O-H R-S-H Grupos p funcionales más usuales Aldehídos y cetonas (o compuestos carbonílicos) Son compuestos orgánicos oxigenados que contienen el grupo O funcional carbonilo en la molécula, C O H O • Aldehídos formaldehído H H p-clorobenzaldehído Cl O O • Cetonas acetona acetofenona ACROLEÍNA OHC Aplicación Obtención de glicerina OHC Aplicaciones H2 Cd-Zn HOH2C H2O2 O alcohol alílico H 2O farmacia, cosmética resinas alquídicas trinitrato de glicerina CH2OH HOH2C CH2OH glicerina OH Grupos p funcionales más usuales Ácidos carboxílicos e hidroxiácidos Los ácidos carboxílicos son compuestos oxigenados que contienen en la molécula el grupo funcional -COOH. -COOH Según el número de grupos funcionales: • Ácidos monocarboxílicos • Ácidos policarboxílicos Los hidroxiácidos son compuestos polifuncionales porque sus moléculas cuentan con un g grupo p carboxilo, -COOH y uno o varios grupos hidroxilo, -OH que se puede unir a la parte saturada de un grupo alquilo o arilo o bien directamente al núcleo aromático. ACIDO ACRÍLICO HOOC Aplicación espesantes de cauchos preparación de ésteres acrilato de etilo pinturas al agua Grupos p funcionales más usuales Aminoácidos Los aminoácidos son compuestos polifuncionales que cuentan además de un grupo carboxilo, -COOH con uno o varios grupos amino, amino -NH2.. Grupos p funcionales más usuales Ésteres (derivados de ácidos carboxílicos) Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al reemplazar un átomo de hidrógeno de la función carboxilo, carboxilo COOH de un ácido por un radical alquilo R- o arilo, Ar-. CH3COOCH3 C6H5COOCH2C6H5 Vitamina C ACETATO DE VINILO O O Aplicación Preparación de ALCOHOL POLIVINÍLICO y de POLIVINILBUTIRAL O OH OH OH OH H n O O O O n Grupos p funcionales más usuales Anhídridos de ácido carboxílico Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al reemplazar un átomo de hidrógeno de la función carboxilo, carboxilo COOH, de un ácido, por otro grupo acilo, -COR. O O R O O O OH R O O O anh acético anh succínico O O R O O O anh ftálico ANHIDRIDO MALEICO O O2 V2O5 400ºC; 400 C; 3 atm. atm O O + CO2 + H2O QUITAR ANHIDRIDO MALEICO O O + O copolímero en la preparación de poliésteres obtención de disolventes (por hidrogenación) intermedio de síntesis: medicamentos, herbicidas e insecticidas Grupos p funcionales más usuales Haluros de ácido (derivados de ácidos carboxílicos) Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al reemplazar el grupo hidroxilo, -OH, del grupo carboxilo por un átomo de halógeno, halógeno -X. -X O R OH O R X O O cloruro l d de acetilo til H3C Br Cl b bromuro d de b benzoilo il Grupos p funcionales más usuales Amidas Son derivados de ácidos carboxílicos porque se obtienen al reemplazar el grupo hidroxilo, hidroxilo -OH, -OH del grupo carboxilo por un átomo de nitrógeno que lleva o no sustituyentes. O R OH R O O NH2 R O NHR R NR'R'' Grupos p funcionales más usuales Nitrilos Se pueden considerar como derivados de ácidos carboxílicos. Se obtienen al reemplazar el oxígeno doblemente unido y el grupo hidroxilo, hid il -OH, OH de d un ácido á id carboxílico b íli por un átomo át de nitrógeno. O R OH R-C N • Nitrilos saturados, RCN acetonitrilo • Nitrilos insaturados, RCH=CHCN acrilonitrilo • Nitrilos aromáticos, aromáticos ArCN CH3CN CN CN benzonitrilo ACRILONITRILO NC Aplicación plásticos y cauchos sintéticos: ABS SAN fibras acrílicas intermedio de síntesis H 2O preparación de adiponitrilo: CN-(CH2)4-CN Ácido adípico: HOOC-(CH2)4-COOH Hexametilendiamina: H2N-(CH ( 2)6-NH2 Red. NYLON Grupos p funcionales más usuales Aminas (o derivados del amoniaco) Son compuestos orgánicos que contienen un átomo nitrógeno y que se pueden considerar como derivados amoniaco porque se obtienen a partir del amoniaco reemplazo parcial o total de los átomos de hidrógeno uno o varios radicales orgánicos. de del por por Según el número de átomos de hidrógeno reemplazados Aminas primarias H N R1 H aminas secundarias H N R1 R2 aminas terciarias R3 N R1 R2 Grupos p funcionales más usuales Aminas (o derivados del amoniaco) Según el número de funciones amina: • Monoaminas • Diaminas, triaminas y poliaminas Según ú el radical orgánico: á • Aminas saturadas H3C • Aminas aromáticas N H H H3C H N N H CH3 H3C N N N NH2 CH3 N CH3 N H N AMINAS anfetamina adrenalina nicotina ANILINA NH2 intermedio de síntesis industria de colorantes i d t i ffarmacéutica industria é ti aditivo del caucho N C O poliuretanos preparación de isocianatos R Módulo A. A Estructura , propiedades físicas, físicas ácido-base y espectroscópicas de los compuestos co puestos o orgánicos gá cos Tema 2. Naturaleza,, formulación y nomenclatura de los compuestos orgánicos Las imágenes utilizadas para la preparación de este tema proceden de dos libros de Química Orgánica: •L.G. L G Wade, Wade Organic Chemistry, Chemistry 6ªEd.Pearson 6ªEd Pearson International, International 2005 •K.P.C. Vollhardt, Organic Chemistry, 4ªEd, Freeman 2003