INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA CONTENIDOS. 1.2.3.4.5.6.7.- Primeros pasos de la Química Orgánica. Características del carbono y de los compuestos orgánicos. Tipos de enlaces del carbono. Representación de moléculas orgánicas. Tipos de fórmulas. Conceptos de grupo funcional y serie homóloga. Principales grupos funcionales. Clasificación de los compuestos del carbono. nomenclatura: 7.1. Hidrocarburos. Formulación y 7.1.1. Hidrocarburos alifáticos: alcanos, alquenos y alquinos. 7.1.2. Hidrocarburos aromáticos y cíclicos. 8.- 7.2. Compuestos con oxígeno: aldehido, cetona, ácido, éster, alcohol y éter. 7.3. Compuestos con nitrógeno: amina, amida, nitrilo. Isomería. 8.1. 8.2. Estructural: de cadena, de posición y de función. Estereoisomería: cis-trans, óptica. PRIMEROS PASOS DE LA QUÍMICA ORGÁNICA. Berzelius (1807) Clasifica la química en Inorgánica y Orgánica. Les llamó así porque pensaba que los compuestos orgánicos solo eran producidos por los seres vivos. Todos los compuesto orgánicos poseen en su composición átomos de carbono. Sin embargo, existen muchos compuesto con carbono en su composición que son típicamente inorgánicos, tales como el CO2 o los carbonatos. Título del diagrama COMPUESTOS INORGANICOS ORGANICOS Sintetizados por los seres vivos Tienen "Fuerza vital" Friedrich Wölher (1828) Produce la primera Síntesis orgánica a partir de un compuesto inorgánico: calor NH4OCN (cianato de amonio) NH2CONH2 (urea) August Kekulé (1861) Define la Química Orgánica como la Química de los “Compuestos del Carbono”. 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... En la actualidad el número de compuestos inorgánicos es de unos 100.000, mientras que el número de compuestos orgánicos es de unos 8.000.000 y se siguen sintetizando muchísimos nuevos cada año. Entre estos últimos se encuentran plásticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles... Ejemplo: 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 Inorgánicos: CaCO3; KCN; NH4Cl Orgánicos: CH3-COOH; CH3-CN; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3 CARACTERÍSTICAS DEL CARBONO Y DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS. La estructura de los compuestos orgánicos depende de una serie de propiedades que son específicas del átomo de carbono: Electronegatividad intermedia lo que permite formar enlace covalente tanto 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. Tetravalencia: s2p2 s px py pz aportando tan sólo 400 kJ/mol Los compuestos orgánicos poseen las siguientes características: Solubilidad en disolventes orgánicos como acetona, benceno… En cambio, no suelen ser solubles en agua, con algunas excepciones. Se descomponen a temperaturas no muy altas y arden fácilmente, en contraposición con los compuestos inorgánicos. La velocidad de las reacciones en las que intervienen suele ser muy lenta y suelen precisar una elevada energía para comenzar a reacción. TIPOS DE ENLACE DEL CARBONO. 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 REPRESENTACIÓN DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS. TIPOS DE FÓRMULAS. Empírica. Es la forma más reducida. Sólo da idea de la proporción de átomos de cada tipo en la molécula. No sirve pues para identificar compuestos Ejemplo: CH2O Molecular Indica el número de átomos de cada tipo existentes en la molécula. Tampoco sirve para identificar compuestos, ya que hay muchos compuestos distintos con la misma fórmula molecular (isómeros). Ejemplo: C3H6O3 Semidesarrollada Es la más utilizada en la química orgánica. Indica únicamente los enlaces que constituyen la cadena carbonada. Ejemplo: CH3–CHOH–COOH Desarrollada Indica todos los enlaces que conforman la molécula. No se usa demasiado aunque al principio es muy útil. Ejemplo: H O–H H–C–C–C=O H H O–H Con distribución espacial Utilizada exclusivamente en estereoisomería. Ejemplo: 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. La masa molecular debe ser un múltiplo (entero) de la masa expresada por la fórmula empírica: 12 2 5 1 14 43 130 3 (aprox). Luego la fórmula molecular será: C6H15N3 43 Ejercicio A: 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. CADENAS CARBONADAS. Título del diagrama TIPOS DE CADENAS ABIERTAS (alifaticas) LINEALES RAMIFICADAS CERRADAS ALICICLICAS AROMATICAS TIPOS DE ÁTOMOS DE CARBONO (en las cadenas carbonadas) Los átomos de carbono se clasifican en primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios según se encuentren unidos a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono respectivamente. Ejemplo: a Primarios (a) a CH3 CH3 a d b c a CH3–C–CH2–CH–CH2OH b CH2 a CH3 Secundarios (b) Terciarios (c) Cuaternarios (d) Ejercicio B: Indica el tipo de carbono, primario (a), secundario (b), terciario (c) o cuaternario (d) que hay en la siguiente cadena carbonada: CH3 CH3 CH3–C – CH–CH2 – C – CH2 –CHCl–CH3 CH2 CH2OH CH3 CH3 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” PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES (por orden de prioridad) Ácido carboxílico Éster Amida Nitrilo Aldehído Cetona Alcohol Fenol Amina Éter Doble enlace Triple enlace Nitro R–COOH R–COOR’ R–CONR’R’’ R–CN R–CH=O R–CO–R’ R–OH OH (primaria) (secundaria) (terciaria) R–NH2 R–NHR’ R–NR’R’’ R–O–R’ R–CH=CH–R’ R– CC–R’ R–NO2 Halógeno Radical R–X R– HIDROCARBUROS TIPOS DE HIDROCARBUROS CADENA ABIERTA CADENA CERRADA RAMIFICADOS LINEALES ALICÍCLICOS ALCANOS (Sólo tienen enlaces sencillos) Fórmula: CnH2n+2 ALQUENOS (olefinas) (Tienen al menos un enlace doble) Fórmula: CnH2n ALQUINOS (Tienen al menos un enlace triple) Fórmula: CnH2n-2 AROMÁTICOS (Tienen al menos un anillo bencénico) 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. FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA: Prefijos según nº de átomos de C. Nº átomos C Prefijo Nº átomos C Prefijo 1 met 6 hex 2 et 7 hept 3 prop 8 oct 4 but 9 non 5 pent 10 dec 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 Numeración de cadenas hidrocarbonadas Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional (doble o triple enlace). Esta regla será válida para cualquier compuesto orgánico aunque no sea hidrocarburo. En el caso de que haya un doble y un triple enlace se da prioridad al doble (principal). Por ejemplo, CH3–CH2–CH=CH2 se nombra 1 buteno y no 3 buteno 4 3 2 1 Hidrocarburos ramificados. La cadena principal es la más larga que contiene el grupo funcional (el doble o triple enlace). Esta regla también será válida para cualquier compuesto orgánico aunque no sea hidrocarburo. 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. Hidrocarburos cíclicos y aromáticos CÍCLICOS: Se nombran igual que los de cadena abierta, pero anteponiendo la palabra “ciclo”. Ejemplo: CH2–CH2 | | : CH =CH ciclo buteno AROMÁTICOS: Son derivados del benceno (C6H6) y se nombran anteponiendo el nombre del sustituyente. Ejemplo: –CH3 : metil-benceno (tolueno) Ejercicio C: Formular los siguientes hidrocarburos: Pentano, 2-hexeno, propino, metil-butino, 3-etil-2penteno. Ejercicio D: Nombrar los siguientes hidrocarburos: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3,CH2=CH–CH2–CH3, CH3–CC–CH2–CCH, CH3–CH–CH2–CH3, CH3–C =CH–CH–CH3 | | | CH2–CH3 CH3 CH3 Compuestos oxigenados. 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”. Se producen por la reacción de deshidratación entre un ácido y un alcohol: Ácido orgánico + alcohol éster + agua Ejemplo: CH3–COOH + CH3OH CH3–COO–CH3 (etanoato de metilo) + H2O Numeración de cadenas Se numera por el extremo más próximo al grupo funcional. En el caso de que haya varios grupos funcionales se da prioridad al principal. Ejemplo: CH3–CO–CH2–CH3 se nombra butanona simplemente y no 2-butanona, ya que sólo es posible dicha cetona Sólo se numera si es necesario diferenciar los compuestos Ejemplo, CH3–CH2OH se nombra etanol simplemente y no 1 etanol, ya que no es posible el 2etanol Ejercicio E: Formular los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres: ácido pentanoico, butanoato de metilo, ácido 2-butenoico, ácido metil-propanoico, metil-propanoato de metilo. Ejercicio F: Nombrar los siguientes ácidos carboxílicos y ésteres: CH3–CC–COOH, CH3–CH2–COO– CH2–CH3, HOOC–CH2–COOH, CH3–CH–COO–CH2–CH3, CH3–CH–CH2–COO–CH3 | | CH2– CH3 CH3 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 Ejercicio G: Formular los siguientes aldehídos y cetonas: butanal, propanodial, 4-penten-2-ona, metil-propanal, dimetil-butanona. Ejercicio H: Nombrar los siguientes aldehídos y cetonas: CH2=CH–CH2–CHO, HCHO, CH3–CO–CH2–CO–CH3, CH3–CH–CO–CH3, CH3–CH–CH–CHO. | | | CH3 CH3 CH3 ALCOHOLES: [Grupo –OH (hidroxilo)]: Número del C en el que está el grupo (si es necesario) + Prefijo (nº C) + sufijo “ol”. ¡ATENCIÓN!: 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 Ejercicio I: Formular los siguientes alcoholes y éteres: 1-butanol, propanotriol, 2-penten-1-ol, metil-1-propanol, 3,3-dimetil-1-butanol. Ejercicio J: Nombrar los siguientes alcoholes y éteres: CH2=CH–CHOH–CH3, CH3 –CHOH–CH2OH, CH3–O–CH3, CH3–CH–CHOH–CH3, CH3–CH2–CH–CH2OH | | CH3 CH3 Compuestos nitrogenados. NRR’ AMIDAS [Grupo –C=O]: Prefijo (nº C) + sufijo “amida”. Se producen por la reacción de deshidratación entre un ácido y un amina: Ácido orgánico + amina amida + agua Ejemplo: CH3–COOH + CH3– NH2 CH3–CO–NH–CH3 (N-metil-propanamida) + H2O 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 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 Ejercicio K: Formular los siguientes derivados nitrogenados: pentanamida, etil-metil-amina, 2-butenonitrilo, N-metil-propanamida, trietilamina, metil-propanonitrilo. Ejercicio L: Nombrar los siguientes derivados nitrogenados: CH3–CH=CH–CONH–CH3, CH3–CN, CH3–CONH–CH2–CH3, CH3–CH2–CON–CH2–CH3, CH3–CH–CH2–NH2 | | CH3–CH2–CH2–NH–CH3, CH2–CH3 CH3 Otros derivados 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 metilbutano 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. ISOMERÍA a Se llaman isómeros a los compuesto distintos que tienen la misma fórmula molecular. Esto sucede por estar unidos los átomos de manera distinta, por lo que los compuestos tienen propiedades distintas. TIPOS DE ISOMERÍA ESTRUCTURAL ESTEREOISOMERÍA De cadena cis-trans De posición Isomería óptica De función dextro (+) ISOMERÍA ESTRUCTURAL levo (-) mezcla racémica Tienen distinta fórmula semidesarrollada. De cadena: Ejemplo: Con la fórmula molecular C4H10 existen los compuestos: CH3 Metilpropano: CH3–CH–CH3 y butano: CH3–CH2–CH2–CH3 De posición: Ejemplo: Con la fórmula molecular C3H6O existen los compuestos: 1-propanol: CH3–CH2–CH2OH y 2-propanol: CH3–CHOH–CH3 De función: Propanal: CH3–CH2–CHO y propanona: CH3–CO–CH3 Ejercicio M: Formula y nombra todos los isómeros estructurales que conozcas del 1-buteno, indicando el tipo a que pertenece cada uno. ISOMERÍA CIS-TRANS Tienen igual fórmula semidesarrollada pero distinta fórmula desarrollada. Sucede cuando hay dobles enlaces o ciclos que impiden que la cadena gire y hay dos sustituyentes iguales unidos a los dos carbonos que forman el doble enlace que están al mismo lado del doble enlace (cis) o a lados contrarios (trans). Ejemplo: Cis-2-buteno: H H \ / C=C / \ H3C CH3 Trans-2- buteno: H CH3 \ / C=C / \ H3C H Ejercicio N: Formula y nombra la pareja de isómero cis-trans del ácido butenodioico. 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). 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. Ejemplo de isomería óptica El ácido láctico (2-hidroxi-propanoico) presenta dos estereoisómeros: R-ácido láctico OH C…H /\ H3C COOH S-ácido láctico COOH C…H /\ H3C OH Ejercicio Ñ: Formula y nombra todos los isómeros posibles (estructurales y geométricos) del 2-butanol indicando el tipo de isomería en cada caso.
