Química de los compuestos de carbono

Capítulo 24. Química de los compuestos de carbono
1.- El átomo de carbono y sus compuestos
1.1.- El carbono
1.2.- Formas alotrópicas del carbono
1.3.- Tipos de hibridaciones y enlaces
1.4.- Polaridad de enlaces con heterátomos
1.5.- Compuestos orgánicos y grupos funcionales
2.- Hidrocarburos
2.1.- Alcanos
2.2.- Alquenos
2.3.- Alquinos
2.4.- Reacciones de alqueno y alquinos
2.5.- Hidrocarburos aromáticos
3.- Otros grupos funcionales
3.1.- Alcoholes
3.2.- Éteres
3.3.- Aldehídos y cetonas
3.4.- Ácidos carboxílicos
3.5.- Derivados de acidos carboxílicos
3.6.- Aminas
4.- Isomería
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1.- El átomo de carbono y sus compuestos
Química orgánica
Rama de la Química que se dedica al estudio de los compuestos de carbono
1.1.- El carbono
‰0,09% de la corteza terrestre
‰En pequeña proporción está presente en forma elemental como
grafito o diamante, en su mayoría se encuentra combinado
Carbonatos
Hulla
Petróleo
Gas natural
‰Está presente en todos los organismos vivos
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1.2.- Formas alotrópicas del carbono
Diamante
Grafito
Grafito
Otras formas alotrópicas
Fureleno, C60
Nanotubos
Diamante
sintético
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OTRAS FORMAS DE CARBONO
Negro de Humo
Se obtiene calentado hidrocarburos con un aporte limitado de
hidrocarburos
CH4(g) + O2(g)
C(s) + 2H2O(g)
Carbón vegetal
Se obtiene al calentar la madera en ausencia de aire, dando lugar a una
estructura abierta con gran área superficial por unidad de masa
Carbón activado
Forma pulverizada del carbón activado cuya superficie se limpia por
calentamiento con vapor
Coque
Forma impura del carbono que se forma cuando la hulla se calienta en
ausencia de aire
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1.3.- Tipos de hibridaciones y enlaces
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1.4.- Polaridad de los enlaces con heteroátomos
Enlace covalente no polar: los electrones se comparten equitativamente por
los dos átomos del enlace
Enlace covalente polar: uno de los átomos del enlace ejerce una atracción
mayor sobre los electrones de enlace que el otro
Electronegatividad es la capacidad de un átomo en una molécula para
atraer electronnes hacia él mismo.
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L. Pauling desarrollo una escala de electronegatividad basada en datos
electroquímicos
En un nivel la electronegatividad aumenta al aumenta el número
atómico Z
En un grupo la electronegatividad disminuye con el número
atómico Z, a excepción de algunos metales de trasición
1A
1
H
8A
2A
3A
4A
5A
6A
7A
2
He
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
13
14
15
16
17
18
Al
Si
P
S
Cl
Ar
32
33
34
35
36
Ge
As
Se
Br
Kr
11
12
Na
Mg
3B
4B
5B
6B
7B
8B
8B
8B
1B
2B
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
31
Ga
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
55
56
57
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
87
88
89
Fr
Ra
Ac
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Heteroátomos que intervienen en los compuestos orgánicos
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1.5.- Compuestos orgánicos y grupos funcionales
GRUPO FUNCIONAL
Grupo de átomos responsable del comportamiento químico de la
molécula que lo contiene
Organizar los compuestos orgánicos en familias de grupos funcionales
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2.- Hidrocarburos
Hidrocarburo
Compuesto orgánico que contiene exclusivamente en su
estructura átomos de C e H
El carbono es el único átomo capaz de formar
cadenas largas y estable de átomos
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Clasificación de hidrocarburos
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™PROPIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBUROS
™C e H difieren poco en electronegatividad, por tanto, las moléculas de
hidrocarburos son poco polares
™Insolubles en agua y solubles en disolventes apolares
™Las fuerzas de dispersión de London determinan sus puntos de fusión
e ebullición
Masa molar elevada son líquidos y sólidos
Masa molar baja son gases
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2.1.-Alcanos
Alcanos
Hidrocarburos que contienen sólo enlaces sencillos
Fórmula general
CnH2n+1
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ESTRUCTURA DE ALCANOS
De acuerdo a la Teoría de Enlace de Valencia la hibridación de los carbono
es sp3, por tanto, la geometría en torno a cada carbono es tetraédrica
La rotación en torno al enlace sencillo C-C requiere muy poco energía
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ISÓMEROS CONSTITUCIONALES
Los hidrocarburos se pueden clasificar:
-Cadena lineal
-Cadena ramificada
Isómeros constitucionales
Compuestos con la misma fórmula molecular pero distinta disposición de
enlaces y, por tanto, diferente estructura
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ISÓMEROS ESTRUCTURALES DE PENTANO
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
CH3 H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
n-pentano
2-metilbutano
Tf=-130ºC
Te=36ºC
Tf=-160ºC
Te=28ºC
H
H
CH3 H
C
C
H
CH3 H
C
H
H
2,2-dimetilpropano
Tf=-20ºC
Te=+9ºC
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ISÓMEROS ESTRUCTURALES DE PENTANO
n-pentano
2-metilbutano
Tf=-130ºC
Te=36ºC
Tf=-160ºC
Te=28ºC
2,2-dimetilpropano
Tf=-20ºC
Te=+9ºC
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CICLOALCANOS
Alcanos en los que los átomos de carbono forman un ciclo
Fórmula general
CnH2n+1
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REACTIVIDAD DE ALCANOS
Combustión
CO2 (g) + 2H2O (l) ∆H0 = -890.4 kJ
CH4 (g) + 2O2 (g)
Halogenación
luz
CH4 (g) + Cl2 (g)
CH3Cl (g) + HCl (g)
Cl2 + energy
Cl• + Cl•
H
H
Cl• + H
C
H
H
•C
H
H
H
C• + Cl
H
H + HCl
H
Cl
H
C
H
Cl + Cl•
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2.2.-Alquenos
Alquenos
Hidrocarburos no saturados que contienen en su estructura enlaces C=C
¾La hibridación de los C que participan en el doble
enlace es sp2.
¾El doble enlace se compone de un enlace σ y un
enlace π.
¾La rotación en torno al doble enlace C=C es sólo
posible si previamente el enlace se rompe
Fórmula general
CnH2n
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ISÓMEROS GEOMÉTRICOS (DIESTEREOISÓMEROS)
Compuestos con la misma fórmula molecular y los mismos grupos unidos
unos a otros, pero con diferente disposición espacial de los grupos.
CH3
C
H
CH3
CH3
C
C
H
cis-2-buteno
H
H
C
CH3
trans-2-buteno
Los isómeros geométricos tienen distintas propiedades físicas y también
distintas propiedades químicas.
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REACTIVIDAD DE ALQUENOS
Craqueo
C2H6 (g)
Pt
catalyst
CH2
CH2 (g) + H2 (g)
Reacciones de adición
CH2
CH2 (g) + HBr (g)
CH3
CH2
CH2 (g) + Br2 (g)
CH2Br
CH2Br (g)
CH2Br (g)
Cuando se burbujea etileno en
una disolución acuosa de
bromo, el color rojizo de la
disolución de bromo
desaparace debido a la
formación de 1,2-dibromoetano
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2.3.-Alquinos
Alquinos
Hidrocarburos no saturados que contienen en su estructura enlaces C≡C
¾La hibridación de los C que participan en el doble
enlace es sp.
¾El triple enlace se compone de un enlace σ y dos
enlaces π.
¾La rotación en torno al triple enlace C≡C es sólo
posible si previamente el enlace se rompe
Fórmula general
CnHn
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CH
C CH2
1-butino
CH3
CH3
C
C
2-butino
CH3
Producción of acetileno
CaC2 (s) + 2H2O (l)
C2H2 (g) + Ca(OH)2 (aq)
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REACTIVIDAD DE ALQUINOS
Los alquinos son moléculas muy reactivas por lo que no se encuentran en la
naturaleza como alcanos y alquinos
Hidrogenación
CH
CH (g) + H2 (g)
CH2
CH2 (g)
Reacciones de adición
CH
CH (g) + HBr (g)
CH2
CH
CH (g) + Br2 (g)
CHBr
CH
CH (g) + 2Br2 (g)
CHBr2
CHBr (g)
CHBr (g)
CHBr2 (g)
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2.4.- Hidrocarburos aromáticos
El miembro más sencillo de la serie es el benceno, molécula plana y
simétrica con un alto grado de insaturación que en lugar de ser muy
reactivo y muy estable.
La establidad química de los
hidrocarburos aromáticos en
comparación con alquenos y
alquinos se debe a la
estabilización de los orbitales
π por deslocalización en los
orbitales π
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etilbenceno
CH2CH3
Cl
aminobenceno
NH2
NO2
clorobenceno
nitrobenceno
Br
Br
Br
Br
1,2-dibromobenceno
1,3-dibromobenceno
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HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS
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REACTIVIDAD DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
Reacciones de sustitución
H
Br
H
H
+ Br2
H
H
H
FeBr3
catalizador
+ HBr
H
H
H
H
H
H
CH2CH3
H
+ CH3CH2Cl
H
H
+ HCl
H
H
H
H
H
AlCl3
catalizador
Reacción de Friedel-Crafts
H
H
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3.- Otros grupos funcionales
3.1.- Alcoholes
Alcoholes
Derivados de hidrocarburos en los cuales uno o más hidrógenos del
hidrocarburo inicial se remplazan por un grupo funcional hidroxilo o alcohol
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Acerca de los alcoholes
™Los enlaces C-O y O-H son polares por lo que los alcoholes son mucho
más solubles en disolventes polares, como el agua, que los hidrocarburos
™A través del grupo O-H lo alcoholes pueden formar enlaces de
hidrógeno, así la temperatura de ebullición es más alta que la de los
correspondientes hidrocarburos
SÍNTESIS DE ALCOHOLES
Producción biológica del etanol
C6H12O6 (aq)
enzima
2CH3CH2OH (aq) + 2CO2 (g)
Producción comercial del etanol
CH2 CH2 (g) + H2O (g)
H2SO4
CH3CH2OH (g)
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3.2.- Éteres
Alcoholes
Compuestos en los que dos grupos hidrocarburos están unidos a un oxígeno
Reacción de Condensación
CH3OH + HOCH3
H2SO4
catalizador
CH3OCH3 + H2O
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3.3.- Aldehídos y cetonas
C
O
Aldehídos y cetonas
Derivados que contienen un grupo carbonilo
O
• aldehídos: fórmula general R C H
O
• cetonas: fórmula general R C R’
O
O
O
H C H
H C CH3
H3C C CH3
formaldehído
acetaldehído
acetona
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3.4.- Ácidos carboxílicos
Ácidos carboxílicos
Ácidos que contienen grupos carboxilo –COOH
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3.5.- Derivados de ácidos carboxílicos
ÉSTERES
Ésteres
Derivados de ácidos carboxílicos de fórmula general R-COOR’, donde R
puede ser H o un grupo hidrocarbonado y R’ es un grupo hidrocarbonado
Síntesis
Se preparan por reacción de ácidos carboxílicos con alcoholes
O
CH3COOH + HOCH2CH3
CH3 C O CH2CH3 + H2O
Saponificación
Hidrólisis alcalina de un éster
C17H35COOC2H5 + NaOH
C17H35COO-Na+ + H2O
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AMIDAS
Amidas
Derivados de ácidos carboxílicos de fórmula general R-CNR’R’’, donde R, R’
y R’’ pueden ser H o un grupo hidrocarbonado
HALOGENUROS DE ÁCIDO
Halogenuros de ácido
Derivados de ácidos carboxílicos de fórmula general R-COCl’’, donde R
puede ser H o un grupo hidrocarbonado
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3.6.- Aminas
Aminas
Bases orgánicas que tienen la fórmula general R3N donde R puede ser H o
un grupo hidrocarbonado
CH3NH2 + H2O
CH3CH2NH2 + HCl
RNH3+ + OH-
CH3CH2NH3+Cl-
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4.- Isomería
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ISÓMEROS CONSTITUCIONALES
n-pentano
2-metilbutano
Tf=-130ºC
Te=36ºC
Tf=-160ºC
Te=28ºC
2,2-dimetilpropano
Tf=-20ºC
Te=+9ºC
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DIASTEREOISÓMEROS
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ENANTIÓMEROS
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achiral
chiral
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