Química Orgánica Básica

1. MC. José Alfredo De la Fuente Ortegón Escuela de Medicina Universidad Anahúac Mayab Curso Propedéutico Química Orgánica Básica

2. Química Orgánica Básica ¿Qué es Química? Es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que ésta experimenta durante reacciones químicas ¿Qué es Química Orgánica? La Química orgánica o Química del carbono es la rama de la química que estudia una clase numerosa de moléculas que contienen carbono formando enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno, también conocidos como compuestos orgánicos

3. Símbolos y estructuras El carbono puede formar más compuestos que ningún otro elemento. Los compuestos orgánicos se encuentran formados principalmente por los elementos C, H, O, N, P, S Las clases de los compuestos orgánicos se distinguen de acuerdo con los grupos funcionales que contienen. Un grupo funcional es un grupo de átomos responsables del comportamiento químico de la molécula que lo contiene La representación de estos grupos funcionales se realizan mediante el símbolo de los elementos y los electrones de la capa de valencia o de enlace mediante puntos o líneas

4. Estructuras de puntos de Lewis Símbolos de Lewis: Son una representación gráfica para comprender donde están los electrones en un átomo, colocando los electrones de valencia como puntos alrededor del símbolo del elemento:

5. Estructura de Lewis y estructura desarrollada del metano Mientras que en las estructuras de Lewis un enlace se representa con dos puntos, en la fórmula desarrollada se representa con una línea. Cada línea cuenta con dos electrones, por lo que un enlace sencillo es una línea (2 electrones), un enlace doble se representa mediante dos líneas (4 electrones) y un enlace triple a través de tres líneas (6 electrones).

6. Representaciones de las moléculas • Fórmulas condensadas • Fórmula semidesarrollada • Fórmula desarrollada • Representaciones lineoangulares • Representaciones tridimensionales

7. Tipos de cadena • Abierta o acíclica: Los átomos de carbono extremos no están unidos entre sí. No forman anillos o ciclos. • Lineal. No llevan ningún tipo de substitución. Los átomos de carbono pueden escribirse en línea recta. Aunque también se poden escribir retorcidas para ocupar menor espacio. Es importante saber ver que aunque esté torcida es una cadena lineal • Ramificada. De alguno de los carbonos de la cadena lineal sale otra o otras cadenas secundarias o ramas. • 2. Cerrada o cíclica: El último carbono de la cadena se une al primero, formando un ciclo o anillo. • Homocíclica. Los átomos del ciclo son átomos de carbono. • Heterocíclica. Algún átomo de carbono del ciclo fue substituido por otro átomo, por ejemplo N, S, O, etc. • Monocíclica. Sólo hay un ciclo. • Policíclica.Hay varios ciclos unidos.

8. Tipos de cadena

9. Grupos funcionales Los fragmentos moleculares que incluyen átomos de no metales distintos a C e H, o que poseen enlaces dobles y triples, son los sitios específicos de los compuestos orgánicos que atacan más frecuentemente otras sustancias químicas. Estas unidades estructurales químicas se llaman grupos funcionales. Las partes de las moléculas que constan sólo de C, H y enlaces sencillos se denominan grupos no funcionales

10. Grupos alifáticos Alcanos. Sin grupo funcional, compuestos de sólo enlaces covalentes simples entre átomos de carbono e hidrógeno. Los alcanos tienen la fórmula molecular general CnH2n+2. El término saturado se utiliza para describir los alcanos, ya que tienen el número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a los carbonos, de ahí el término hidrocarburos saturados

11. Grupos alifáticos Los alcanos no son rígidos debido al giro alrededor del enlace C-C. Se llaman conformaciones a las múltiples formas creadas por estas rotaciones.

12. Grupos alifáticos • Los alcanos de C1 a C4 son gases a temperatura ambiente, del C5 (n-pentano) al C16 (n-hexadecano) son líquidos, y los alcanos de C17 o más átomos de C son sólidos a temperatura ambiente. • Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el peso molecular del alcano, los alcanos lineales tienen mayores puntos de ebullición que los ramificados con similar peso molecular. • Los alcanos son compuestos no polares, por lo tanto son solubles en solventes no polares e insolubles en polares como el agua. • Los alcanos son menos densos que el agua, por lo tanto flotan en ella.

13. Grupos alifáticos • Alquenos. Conocidos con el nombre de hidrocarburos olefínicos, se caracterizan por estar formados por carbono e hidrógeno unidos por enlaces covalentes simples y presentar uno o más enlaces covalentes dobles carbono-carbono • Fórmula General • CnH2n

14. Grupos alifáticos

15. Grupos alifáticos Cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno está formado por el solapamiento de un orbital híbrido sp2 del carbono con el orbital 1s del átomo de hidrógeno. La longitud del enlace C-H en el etileno (1.08 Å) es ligeramente más corta que la del enlace C-H en el etano (1.09 Å), ya que el orbital sp2 en el etileno tiene más carácter s (1/3 de s) que un orbital sp3 (1/4 de s). El orbital s está más próximo al núcleo que el orbital p, contribuyendo a acortar los enlaces El carbono sp3 tiene una geometría tetraédrica con ángulos de 109.5°. Los carbonos de enlace doble tienen hibridación sp2, por lo que tienen una geometría trigonal con ángulos de casi 120°. El solapamiento de los orbitales p sin hibridar acorta la distancia entre los carbonos desde 1.54A en alcanos hasta 1.33A en alcanos

16. Grupos alifáticos

17. Grupos alifáticos El enlace p en el etileno está formado por el solapamiento de los orbitales p sin hibridar de los átomos de carbono con hibridación sp2. Este solapamiento requiere que los dos extremos de la molécula sean coplanares Los orbitales p sin hibridar (uno en cada carbono) contienen un electrón cada uno. Cuando se solapan forman el orbital molecular p enlazante

18. Grupos alifáticos

19. Isomería Cis - Trans Grupos alifáticos Si dos grupos iguales enlazados a los carbonos del doble enlace están al mismo lado del enlace, el alqueno es el isómero cis. Si los grupos iguales están a los lados opuestos del enlace, el alqueno es trans

20. Grupos alifáticos No todos los alquenos son capaces de mostrar isomería cis-trans. Si cualquiera de los dos carbonos del enlace doble tiene dos grupos idénticos, la molécula no puede tener forma cis-trans. En la figura se muestran algunos alquenos cis y trans y otros alquenos que no pueden mostrar isomería cis-trans.

21. Sistema E-Z Grupos alifáticos La nomenclatura cis-trans para los isómeros geométricos a veces falla, ya que da un nombre ambiguo; por ejemplo, los isómeros del 1-bromo-1-cloropropeno no son claramente cis o trans, ya que no es obvio a qué sustituyentes se refieren como cis o trans Como en el caso de cis y trans,  si los grupos más importantes de cada carbono están en el mismo lado del enlace doble, el alqueno tendría una geometría Z. Si están en lados opuestos al enlace doble, la geometría es E

22. Grupos alifáticos • Los primeros 4 alquenos son gases a temperatura ambiente, los que contienen de 5 a 16 átomos de C son líquidos y los de más de 17 átomos de C son sólidos. • Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el peso molecular del alqueno, los alquenos lineales tienen mayores puntos de ebullición que los ramificados con similar peso molecular. • Los alquenos son insolubles en agua pero son solubles en solventes no polares como los éteres, hexano, tetracloruro de carbono, etc. • Los alquenos son menos densos que el agua por lo tanto flotan en ella.

23. Grupos alifáticos Alquinos. son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un triple enlace carbono-carbono, característica distintiva de su estructura Los alquinos no cíclicos tienen la fórmula molecular CnH2n-2. Tienen una proporción de hidrógeno menor que los alquenos por esto presentan un grado mayor de insaturación

24. Grupos alifáticos

25. Grupos alifáticos El triple enlace es relativamente corto debido al solapamiento de los tres pares de electrones y al elevado carácter s de los orbitales hidridos sp (50% de carácter s), lo que aproxima más a los átomos de carbono que forman el enlace σ del acetileno

26. Grupos alifáticos • Son compuestos de baja polaridad • Son muy similares en sus propiedades físicas a los alcanos y alquenos • Son menos densos que el agua e insolubles en ella • Se solubilizan en sustancias de baja polaridad como tetracloruro de carbono, éter, benceno • Sus puntos de ebullición crecen con el aumento del número de carbonos • Los alquinos generalmente tienen puntos de ebullición ligeramente más altos que los correspondientes alquenos y alcanos • Las ramificaciones disminuyen el punto de ebullición • Los tres primeros alquinos son gases a temperatura ambiente

27. Grupos hidróxilos • El grupofuncional de un alcohol es el grupohidroxilo (–OH) enlazado a un carbono con hibridaciónsp3 • Los ángulos de enlace del átomos de oxígenoes de aproximadamente 109.5° • El oxígeno del grupohidroxilopresentahibridaciónsp3 • Dos orbitaleshibridossp3forman enlaces s con el hidrógeno y el carbono • El resto de los orbitaleshibridossp3contienecadauno un par de electrones no enlazantes

28. Grupos hidróxilos Los alcoholes se clasifican por el número de átomos de carbono que están unidos al cual está enlazado el grupo –OH 3-metil, 1-butanol 3-metil, 2-butanol 2-metil, 2-butanol

29. Grupos hidróxilos Los alcoholes son compuestospolares • Interactúan entre moléculas del mismotipo y con otroscompuestospolaresmedianteinteraccionesdipolo-dipolo InteraccionesDipolo-dipolo: Interacción de un polo positivo de unamolécula con el polo negativo de otra.

30. Grupos hidróxilos

31. C H C H O H C H O C H 3 2 3 3 bp 78° C Grupos hidróxilos • El etanol y el dimetiléter son isómerosconstitucionales • Cadaunocuenta con puntos de ebulliciónextremadamentediferentes • El etanol forma puentes de hidrógenointermoleculares los cualesincrementan la fuerza de atracción entre lasmoléculasresultando en un alto punto de ebullición • No existenestasfuerzas de interacción en el dimetiléter Dimetil éter Etanol bp 24°C

32. Grupos hidróxilos • En comparación a los alcanos de igualtamaño y similar peso molecular, los alcoholes • Tienenpuntos de ebulliciónmayores • Son solubles en agua • La presencia de los grupos -OH en la moléculaincrementa la solubilidad en el agua y los puntos de ebullición

33. Grupos hidróxilos

34. Grupos amino El amoniaco tiene una estructura tetraédrica algo distorsionada, con una de las posiciones del tetraedro ocupada por un par de electrones no enlazantes. Esta geometría es debida a la hibridación sp3 del nitrógeno, de forma que el par de electrones solitario hace que el ángulo H-N-H se comprima desde 109,5º (ángulo de la estructura tetraédrica perfecta) hasta 107º

35. Grupos amino Según se sustituyan uno, dos o tres hidrógenos, las aminas serán primarias, secundarias o terciarias, respectivamente. Amoníaco Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria

36. Grupos amino Las aminas son fuertemente polares debido a que el gran momento dipolar del par de electrones solitario se suma a los momentos dipolares de los enlaces C-N y H-N El enlace de hidrógeno N-H es más débil que el enlace de hidrógeno O-H, por tanto las aminas tienen puntos de ebullición más bajos que los alcoholes con masas moleculares similares

37. Grupos amino

38. Grupos amino La naturaleza polar del enlace N-H provoca la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de las aminas Implicaciones: - Altos puntos de fusión y ebullición comparados con los alcanos - Alta solubilidad en medio acuoso

39. Grupos amino

40. Grupos amino • Una amina es un nucleófilo (una base de Lewis) debido a que el par solitario de electrones no enlazantes pueden formar un enlace con un electrófilo. Una amina también puede actuar como base de Brönsted-Lowry, aceptando un protón de un ácido • Cuando una amina actúa como un nucleófilo, se forma un enlace N-C. Cuando actúa como una base, se forma un enlace N-H

41. Grupos amino

42. Grupos amino

43. Grupos amino La mayoría de las aminas, que contienen más de seis átomos de carbono, son relativamente insolubles en agua. En presencia de ácido diluido (en disolución acuosa), estas aminas forman las sales de amonio correspondientes, por lo que se disuelven en agua. Cuando la solución se transforma en alcalina, se regenera la amina La amina regenerada o bien se separa de la solución acuosa, o se extrae con un disolvente orgánico

44. Grupos amino La mayoría de las aminas, que contienen más de seis átomos de carbono, son relativamente insolubles en agua. En presencia de ácido diluido (en disolución acuosa), estas aminas forman las sales de amonio correspondientes, por lo que se disuelven en agua. La formación de una sal soluble es una de las características de las pruebas para el grupo funcional amina Una amina puede convertirse en sal de amonio mediante un tratamiento con ácido. La sal de amonio es soluble en agua. Al tratar la sal de amonio con soluciones básicas la volverá a convertir en la amina

45. Grupos carbonilo • El grupo carbonilo consiste en un átomo de carbono trigonal unido a un átomo de oxígeno a través de un enlace doble, C=O, por lo que los dos enlaces sobrantes pueden usarse para conectarse a una o a dos ramas de hidrocarburo • En los aldehídos un grupo unido al carbonilo es el hidrógeno, y el otro un grupo alquil o aril. La única excepción es el formaldehído, los dos grupos unidos al carbonilo son hidrógenos • En las cetonas, siempre van unidos dos grupos alquil o aril

46. Grupos carbonilo El orbital sin hibridar p del carbono se solapa con un orbital p del oxígeno para formar un enlace pi. El doble enlace entre el carbono y el oxígeno es similar al doble enlace C=C en un alqueno, excepto en que el doble enlace carbonilo es más corto, más fuerte y está polarizado El enlace C=O es más corto porque está polarizado. Esta polarización también es responsable de la reactividad del grupo carbonilo

47. Grupos carbonilo La geometría alrededor del grupo carbonilo es trigonal con un ángulo de 120º

48. Grupos carbonilo El doble enlace del grupo carbonilo tiene mayor momento dipolar debido a que el oxígeno es más electronegativo que el carbono y los electrones enlazantes no están igualmente compartidos Los nucleófilos atacarán al grupo carbonilo porque es electrofílico, como sugiere la estructura de resonancia minoritaria

49. Grupos carbonilo Forman puentes de hidrógeno con el agua. Los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular son más solubles en agua que en solventes no polares

50. Grupos carbonilo La cetona y el aldehído son más polares, y tienen puntos de ebullición más altos que el éter y el alcano, pero puntos de ebullición más bajos que los de los alcoholes, los cuales forman enlaces de hidrógeno El momento dipolar del grupo carbonilo es responsable de los puntos de ebullición más altos para los aldehídos y las cetonas. El enlace de hidrógeno tiene una interacción más fuerte, por lo que los alcoholes tendrán una ebullición a temperaturas más elevadas