Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 1Objetivos
Examinar las escasas diferencias existentes entre la Qumica Orgnica y la Qumica Inorgnica para llegar a la conclusin de que mantener la separacin existente entre estas dos disciplinas se basa ms en razones pedaggicas que en cientficas. Distinguir entre sustancias y molculas, iniciarse en el conocimiento de los ms importantes mtodos de separacin y purificacin que sern estudiados en la asignatura prctica. Comenzar por unas mnimas nociones de cmo llegar a establecer la estructura de un compuestos orgnico, empezando por establecer su frmula emprica y su frmula molecular, as como el concepto de grado de insaturacin, para llegar inmediatamente al convencimiento de que se requieren tcnicas ms precisas y refinadas para conocer el esqueleto carbonado y la situacin de los grupos funcionales. Conocer los diferentes tipos de hibridacin del tomo de carbono y las consecuencias geomtricas que ello tiene en la estructura de la molcula. Repasar finalmente, los conceptos de cido y base, examinando los diversos factores que influyen en la acidez y la basicidad para terminar introduciendo el concepto de pKA como medida de la fuerza de la acidez. Si bien la mayor parte de las veces se har referencia a cidos y bases en agua, conviene no perder de vista que en numerosos casos las reacciones de la Qumica Orgnica se efectan en disolventes no acuosos y la fuerza cida de una especie puede variar mucho en funcin del medio en que se encuentre.
1770. Tobern Bergman.- Diferenciacin entre Qumica Orgnica y Qumica Inorgnica.
Qumica Orgnica.- Qumica de los compuestos de los compuestos presentes en los organismos vivientes.
Teora Vitalista.- Los compuestos orgnicos slo podan ser preparados por los seres vivos que posean una fuerza vital indispensable para la sntesis y elaboracin de estos productos.
Michel Chevreul.- 1816. Preparacin de compuestos orgnicos (cidos grasos y glicerina)) a partir del jabn:
Grasa Animal NaOH Glicerina
H3O+ Acidos Grasos
+ac +
+Jabn
Jabn
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 2
Friedrich Whler. 1828. Preparacin de la Urea a partir del cianato amnico.
H4N+ H2NCONH2Cianato amonico Urea
OCN( ) ( )-
O C NC
O
H
H
H4N+
El enlace entre O y N es inico
(Anin lineal) Catin tetradrico
Los enlaces N-H son covalentes
. .
. .
: :-
Urea. Se crean nuevos enlaces(pi entre C = O, un sigma entre C-Ny dos sigma H-N) y se rompen dosenlace pi C=N y dos enlace H-N.Seponen en juego en total 8 electrones
Molcula plana, con los tomosO, C y los dos N en el mismo plano,formando entre ellos ngulos de 120.Los H estn unidos a los N a travs de ngulos de 109,5 y estn en el mismo plano como tampoco lo est el par deelectrones.
. .
H2N N
: :
. .
120
120 120.
109,5
109,5
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 3En toda transformacin qumica ocurren cambios ms o menos profundos de diversa ndole, que se basan
en la reorganizacin electrnica de los electrones de valencia. En base a esta nueva organizacin, se deben romper enlaces para dejar disponibles sus electrones que luego son compartidos entre tomos diferentes para dar origen a nuevos enlaces. En numerosos casos, la nueva organizacin molecular entraa un cambio de geometra respecto al compuesto de partida que puede ser ms o menos acusada.
William Brande.- 1848. Falta de lmites claros entre la Qumica Orgnica y la Qumica Inorgnica.
Sntesis Orgnica.
Propiedades diferenciales entre los compuestos orgnicos e inorgnicos.
Qumica Orgnica como qumica del enlace covalente.
C a r b o x i l a t o s o d i c o
O N a- + OL i
- +
R C O O - N a + C H 3 C H 2 O - N a +
E t x id o s d ic oF e n x id o s d ic oF e n o la to s d ic o E n o la to d e l i t io
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 3
Conversin del cianato amnico en urea
C NOH3N - H NH3 C NOH :..
CN O H CN
O H
NH3O
CHN
O
NH2 CH2N NH2
H..
..
:
....
:
..
Urea
:
:
:::..
..-
+
+
..
+
Catin amonio Anin cianato Amoniacocido cinico
..
:- ..
H3N + : ..
..
:+
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 4Productos Sntesis Orgnica. Productos Naturales.
Sustancias y Molculas.
Separacin y Purificacin de sustancias.
Tcnicas de separacin:Filtracin, Decantacin, Sedimentacin, etc. Extraccin (lquido - lquido, slido liquido). Destilacin (a vaco, fraccionada, arrastre en corriente de vapor, azeotrpica, etc.) Cromatografas (columna, capa fina, capa gruesa, cromatografa en fase lquido de alto rendimiento (CLAR, HPLC), cromatografa de gases, etc.)
Determinacin de estructurasComposicin Centesimal, Formula emprica y Masa Molecular.
Tcnicas Espectroscpicas (Infrarrojo, Ultravioleta, RMN de H y C-13).
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 5
O
MgN N
NN
O
HH
O
HO
2
Clorofila A
O
MgN N
NN
O
HH
O
HO
CHO
2
Clorofila B
N
N
O
OO
NH
O
NH2CO
CoN
N
H
N
H
O
CONH2
CONH2
CONH2
H
N
NH2CO
H
H P
H
HOH2C H
H
HNH2CO
OH
CN
-
+ Cianocobalamina Vitamina B12Frmula molecularC64H92O13N14PCo
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 6
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 7
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 8Clculo de la Formula Emprica.- Una sustancia desconocida compuesta por C, H, N y O, tiene el siguiente anlisis elemental: 59,10% de C; 4,94% de H y 22,91% de N. Cul es su frmula emprica?.
Clculo del porcentaje de oxgeno: O = 100 (59,10 + 4,84 + 22,91) = 13,15 %
Calculo del nmero de moles de cada elemento:
C = 59,10 / 12,01 = 4, 92 moles; H = 4,94 / 1,008 = 4,90 moles;
N = 22,91 / 14,01 = 1,63 moles; O= 13,15 / 16 = 0,82
Relacin ms sencilla entre los nmeros de moles:
C = 4,92 / 0,82 = 6,0; H = 4,90 / 0,82 = 5,97; N = 1,63 / 0,82 = 1,98; O = 1
C = 6; H = 6; N = 2; O = 1
Frmula Emprica: C6H6ON2 ; Masa Molecular: 122-123
Frmula Molecular: (C6H6ON2) . n = 122; n = 1; C6H6ON2
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 9Frmula molecular C3H6O
OCH2 CH CH3
CH2H2C
CH2O
CH3C
CH3
OCH2CH3
CH3 - O - CH = CH2 CH3C CH3
OH
CH
O
CH2=CH - CH2OH
CHCH2CH2
OH CH3CH
COH
H
Etenil, metil, ter, un ter
Metiloxirano,un epxido
Oxaciclobutano, un oxetano
Propanona,una cetona
Propanal,un aldehdo
Enol de la propanona, inestable
2-propenol, un alcohol allico
Ciclopropanol,un alcohol cclico
Enol del propanal, inestable
Conclusin.- Varios compuestos diferentes pueden tener la misma frmula molecular siendo conocidos como ismeros.
Tipos de enlaces: Enlaces sigma.
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 10
Enlace sigma s-s. Presente en la molcula de H2
Enlace sigma p-p. Presente en molculas tipo X X (X = halgeno)
+
Orbital 1s Orbital npOrbital molecularenlazante sigma
HXH X Enlace sigma s-p. Presente en molculas como H X (X = halgeno)
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 11Enlaces pi: Estn formados por solapamiento paralelo de dos orbitales p.
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 12ORBITALES DEL TOMO DE CARBONO
126C (1s22s22p2)
Orbital 2s Orbital 2p
Orbital 2pz
Orbital 2px
Orbital 2py 0 X
Y
Z
El tomo de Carbono contiene cuatro orbitales donde se alojan los electrones de valencia. Uno de ellos es 2s y los otros tres son 2p y se hallan perpendiculares entre si.
ORBITALES HBRIDOS DEL CARBONO. Orbitales sp. Los orbitales hbridos sp del C se forman por combinacin de dos orbitales atmicos, uno 2s y otro 2p. Son dos y son lineales, es decir formando entre si un ngulo de 180. Se encuentran en molculas inorgnicas como BeH2 y BeF2 y en molculas orgnicas como los alquinos, los nitrilos, los cumulenos, etc.
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 13
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 14El Acetileno (Etino) es un ejemplo de molcula orgnica con orbitales hbridos sp. Contiene un enlace
sigma C-C formado por dos orbitales sp, dos enlaces sigma C-H formados por solapamiento de orbitales 1s-sp y dos enlaces pi formados por solapamiento paralelo de dos orbitales p. Los enlaces pi estn en color azul y verde y los enlaces sigma en color violeta. El cianuro de hidrgeno, los alquinos, los nitrilos y los dienos acumulados contienen orbitales sp.
CC HH CC HR CC RR
NCH NCR CH2C CH2 CRHC CHR
acetileno (etino) alquino terminal alquino interno
cianuro de hidrgeno nitrilos propadieno dieno acumulado
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 15Orbitales hbridos sp2.- Son tres orbitales formados por la combinacin de un orbital atmico 2s con dos orbitales atmicos 2p. Los tres orbitales sp2 son coplanares y forman entre s ngulos de 120, situndose el orbital 2p que queda sin utilizar perpendicularmente a este plano. Se encuentran formando parte de los dobles enlaces, es decir en los alquenos, dienos no conjugados, aldehdos, cetonas, cidos carboxlicos, cloruros de cidos, anhdridos de cido, steres, amidas, iminas, etc.
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 16Un ejemplo de molcula orgnica que contiene un enlace pi es el etileno o eteno. Existe un enlace sigma
C-C formado por dos hbridos sp2 sp2, dos enlaces sigma C-H formados por orbitales sp2-1s (en violeta) y un enlace pi (en verde) formado por el solapamiento paralelo de dos orbitales p paralelos.
RC
H
O
RC
R
O
RC
O - H
O
RC
Cl
O
OC
RRCO O
RC
O - R
O
RC
R
N
RC
NH2
OR
aldehdos cetonas cidoscarboxlicosclorurosde cido
anhdridosde cido steres
iminasamidas
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 17Orbitales hbridos sp3. Se hallan formados por la combinacin lineal de un orbital 2s con tres orbitales 2p. En conjunto son cuatro los orbitales sp3 del carbono que se hallan dispuestos hacia los vrtices de un tetraedro regular, por lo que forman entre s ngulos de l09,5. Entran a formar parte de numerosas molculas inorgnicas (agua, amoniaco, fosfina, etc.) y orgnicas. Entre estas ltimas citaremos a todos los compuestos que contengan enlaces C-C, C-H (los alcanos por ejemplo), enlaces C-X (los haluros de alquilo), enlaces C-O (los alcoholes y los teres), enlaces C-N (las aminas), enlaces C-S (los tioles) y en general en casi todos los compuestos orgnicos ya que en la inmensa mayora de stos se encuentran siempre enlaces tipo C-H y C-C.
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 18
OH H N
H
HHN
H
HH
H +
C CH
H
H
C
H
HH
aguaamoniaco catin
amoniopropenosp
3
sp2
sp3
sp3sp3
sp2
:
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 19La molcula de metano CH4 es el ejemplo orgnico ms sencillo de compuesto orgnico que contiene
cuatro enlaces sigma C-H formados por solapamiento de orbitales sp3 y 1s. Otros ejemplos inorgnicos son las molculas de agua y amoniaco, el ion amonio, etc. La figura siguiente muestra los ms comunes ejemplos de enlaces sigma C-C y C-H:
sp - sp
C - H C - H
sp - 1s
C - H
sp3 - 1s
C - C C - C C - C
sp3 - sp3
C - X
sp3 - p
sp2 - 1s
sp2 - sp2
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 20REPRESENTACIN TRIDIMENSIONAL DE LAS MOLCULAS ORGNICAS
CH
H
HH
Enlaces en el plano del papel
Enlace que se aleja del observador;dirigido hacia atrs
Enlace que se acerca al observador; dirigido hacia delante
Representacin de la molcula del metano, con dos enlaces C-H en el plano del papel, un enlace que se aleja y otro que se acerca al observador
109,5
H
H
H
HH
HC C
HH
H
H
HH
Molcula de etano con seis enlaces C-H y un enlace sigma C-C. Cuatro tomos (los 2C y 2H; color magenta) son coplanares y de los 4H restantes, dos se dirigen hacia adelante (representados por trazos gruesos de color violeta) y dos hacia atrs (representados por trazos discontinuos de color azul).
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 21H H
CH3 CH3
HH HH
HH
H H
HHCH3
CH3Propano
Butano
Polaridad de los enlaces. Momento dipolar (m)
= q . d (q = fraccin de carga; d = longitud de enlace) (D)
El valor de m depende de diversos factores, entre ellos la diferencia de electronegatividad entre los tomos del enlace, su tamao, la geometra de la molcula y la presencia de electrones sin compartir. Es unamagnitud vectorial y si en una molcula hay varios enlaces dipolares, el momento dipolar de la molcula es la suma vectorial de los momentos dipolares individuales. Se comprende por tanto, que una molcula puedetener enlaces dipolares, pero carecer de momento dipolar neto, por anularse la suma de los momentosdipolares individuales. Un ejemplo sencillo lo tenemos en las molculas lineales que contienen enlaces dipolares tal como el dixido de carbono.
C OO CO O: :....
= 0
dixido de carbono momentos dipolares individuales
momento resultante nulo
Qumica orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 22El momento dipolar tiene carcter vectorial y por ello puede utilizarse para obtener informacin acerca
de la geometra de las molculas. As, un enlace C-Cl siempre presenta momento dipolar, pero las molculas ClCH3, Cl2CH2 y Cl3CH presentan momento dipolar neto, mientras que el del Cl4C es nulo. En conclusin, la geometra del Cl4C deber ser tal que la suma vectorial de los cuatro vectores iguales se anule y ello slo es posible en una geometra tridimensional para un tetraedro regular:
HCl
C
Cl
Cl
CH H
Cl
HCl
C
H
Cl
H Cl
ClClC
Cl
cloroformo
distinto de 0
diclorometano
= 0
tetraclorurode carbonocloruro de metilo
PARES ELECTRNICOS SIN COMPARTIR
NH3: NH2R: NHR2: NR3: NH4+
Cl-
14N7 (1s22s22p3) Electrones de valencia (2s2p3)(cinco) Valencia tres; Electrones sin compartir dos
Amoniaco Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria Cloruro amnico
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 23
H O H..
..
R O H..
..
CRR
O :Cetona
CRH
OAldehdo..
:
CRO
O
H
cido carboxlico :..
..
..
16O8 (1s22s22p4)Electrones de valencia (2s22p4)(seis). Valencia dos. Electrones sin compartir cuatro
Agua
Alcohol..
CH3 -
O
ClBrH3 C CIH H N Cl
19F9 (1s22s22p5)Electrones de valencia (2s22p5); (siete)Valencia uno. Electrones sin compartir (seis)
Yoduro de hidrgeno
..
..
:
Bromuro de metilo
Cloramina
..
Cloruro de acetilo
:..
..
:..
..
:
:..
..
2
..
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 24
NF F
F
..
NH H
H
..
El momento dipolar del NH3 es mayor que el del F3N porque si bien la geometra de las molculas es idntica, la orientacin de los dipolos es contraria. En el NH3 los vectores se suman y en el NF3 se restan. El momento dipolar del par electrnico se representa en color rojo.
= 1,47 D
Qumica orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 25GRADO DE INSATURACIN DE UN COMPUESTO ORGNICO
Alcanos CnH (2n + 2) ; Ca H b ; b = (2a + 2);
Alquenos = CnH2n = Cicloalcanos
Alquinos = CnH (2n 2) = Dienos no cclicos = Cicloalquenos
Ca Hb; Ciclos + Insaturaciones = c + i = (2 a + 2 b) / 2
Eteno (CH2 = CH2); (C2H4); (i + c) = (2 . 2 + 2 4) / 2 = 1
Ciclopropano (C3H6); (i + c) = (2 . 3 + 2 6) / 2 = 1
1,3-Ciclohexadieno Biciclo-[4,4,0]-3-deceno
C6H8 C10H16
i + c = 3; un ciclo y dos insaturaciones
i + c = 3; dos ciclos y una insaturacin
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 26Cuando la molcula contiene uno o varios tomos de O pueden eliminarse y hacer el clculo
con la frmula resultante.
Etanol (C2H6O); Equivale a (C2H6) ; i + c = 0Etanodiol [(CH2OH - CH2OH); Equivale a C2H6O2 C2H6]; i + c = 0
Cuando la molcula contiene uno o varios tomos de halgeno hay que aadir un H por cada uno de los halgenos eliminados.
Cloroformo; Cl3CH; Equivale a H3CH (CH4); i + c = 0
Si la molcula contiene uno o varios tomos de N, hay que restar un H por cada N eliminado.
La metilamina es CH3NH2, o sea CH5N equivalente a CH4 ; i + c = 0.
La ciclohexilamina es C6H13N equivalente a C6H12; i + c = 1. Existe un ciclo.
NN
C5H5N C9H15N
PiridinaNH2
C6H13N
CH3NH2
CH5N i + c = 4 i + c = 3
Biciclo-[4,4,0]-1-aza-3-decenociclohexilamina
i + c = 1
metilamina
i + c = 0
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 27Para una molcula compleja, el clculo de (i+c) no permite casi nunca establecer una nica estructura
pues son compatibles varias alternativas. As para C4H4O se tiene ( i + c) = 3, con lo que hay varias posibilidades: (a) tres insaturaciones (b) dos insaturaciones y un ciclo (c) una insaturacin y dos ciclos (d) tres ciclos.
Tres Insaturaciones
O O
OHOH
OH
O
H
metil, etinil, cetonaetinil, vinil, ter 3-butinal
3-in-1-buten-2-ol 3-in-1-trans-buten-1-ol 3-in-1-cis-buten-1-ol
Dos insaturaciones y un Ciclo.
O
OH
O
OO
O
HO
HO
O
2-metilen-ciclopropanona
4-metiln-2- oxepeno ciclobutadienol furano2-ciclobutenona
2-metil-ciclopropenona2'-ciclopropenil-
etanal1'-ciclopropenil- etanal
vinil-oxireno
Qumica Orgnica 2 LECCIN 1 Antonio Galindo Brito 28Una insaturacin y dos ciclos.
OBiciclo-[1,1,0]-2-butanona
O
O
prismano xido deprismano
Tres Ciclos.
O: :
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