INTRODUCCIÓN
El C tiene una estructura única que explica: - Su configuración electrónica (1s2 2s2 2p6)
- Se combina por promoción e hibridación, dispone de 4e- de valencia en sus cuatro orbitales de valencia.
- Tetravalencia: da estabilidad a sus compuestos, le permite formar fuertes enlaces covalentes con átomos de otros elementos.
- Posibilita la existencia de largas cadenas de carbono muy estables (largas, cortas, anillos…) - El C puede unirse mediante enlace sencillo (-), doble (=) y triple (≡).
LOS COMPUESTOS DEL CARBONO
Dadas las características de los enlaces que forma el C (covalentes) los compuestos orgánicos presentan algunas propiedades comunes:
• Los puntos de fusión y de ebullición suelen ser bajos (debido a la existencia de fuerzas intermoleculares débiles). Estas fuerzas y por tanto los puntos de fusión y ebullición aumentan conforme aumentan el tamaño de la cadena, la polaridad de las moléculas o la presencia de puentes de hidrógeno.
• Suelen ser poco solubles en agua, mientras que son solubles en disolventes orgánicos (benceno, hexano, dietil éter…). Esto se debe a la escasa polaridad que presentan en general aunque la presencia de puentes de hidrógeno aumenta su solubilidad en agua.
• La energía de activación de las reacciones en que intervienen suele ser muy elevada, lo que
se traduce en una pequeña velocidad de reacción. Por tanto se suele recurrir al uso de
catalizadores en las reacciones orgánicas.
Clases de fórmulas:
Las fórmulas de los compuestos orgánicos pueden expresarse en varias formas:
• Empírica: los subíndices indican la proporción de los átomos en una molécula. CH3.
• Molecular: los subíndices indican el número de átomos de cada elemento en una molécula: C2H6.
• Semidesarrollada o condensada: muestra todos los átomos de la molécula y algunos enlaces de la misma CH3 – CH3.
• Desarrollada: Expresa la totalidad de los enlaces presentes en la molécula, desarrollados en
un plano.
• Tridimensional: indica de un modo convencional la disposición de los átomos y los enlaces en el espacio.
Isomería:
• Estructural o plana: los isómeros difieren en el orden en que están enlazados los átomos den la molécula. Puede ser:
o De cadena: difieren en la colocación de algún átomo o grupo de átomos en la cadena. Ej: 1-buteno CH3-CH2-CH = CH2 y metilpropeno (CH3)2-C= CH2.
o De posición: difieren en la posición del grupo funcional. Ej: 1-propanol CH3-CH2-CH2OH
y 2- propanol CH3-CH (OH)-CH3.
o De función: difieren en el grupo funcional. Ej: CH3-CO-CH3 y CH3-CH2-CHO.
• Estereoisomería: los isómeros difieren en la disposición tridimensional de sus átomos. Puede ser:
o Geométrica, cis-trans, Z-E: característica de compuestos de doble enlace. Por ejemplo el 2-buteno:
o Óptica: se da en moléculas con átomos de carbono asimétricos o quirales, es decir unido a cuatro sustituyentes distintos. Ej ácido 2-hidroxipropanoico (láctico):
GRUPOS FUNCIONALES
Las moléculas orgánicas están constituidas por una cadena hidrocarbonada de gran estabilidad química y uno o más grupos de átomos denominados grupos funcionales, donde se localiza la reactividad específica del compuesto.
Se hace necesario cladificarlos atendiendo a tres conceptos:
- Función orgánica: todo el conjunto de compuestos que tienen unas determinadas propiedades en común (alcoholes).
- Grupo funcional es un grupo de átomo unidos de forma característica al cual la molécula debe sus propiedades químicas fundamentales. Centro activo que hace que un grupo de átomos pertenezca a la misma función orgánica (ver tabla libro pag 289)
- Serie homóloga: dentro de cada familia o función orgánica aparecen grupos de compuestos de gran semejanza debido a que sus cadenas moleculares sólo difieren en el nñumero de grupos metileno –CH2- presentes en ella. Dentro de cada serie se aprecia una variación
regular en sus propiedades física y en su comportamiento químico, lo que permite predecir las características de un miembro determinado de la serie.
DESPLAZAMIENTOS ELECTRÓNICOS EN LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS
• GRAN ESTABILIDAD DE LOS ENLACES QUE FORMA EL CARBONO
• LA REACTIVIDAD DE LOS COMPUESTOS DE CARBONO ES BAJA COMPARADA CON LOS COMPUESTOS INORGÁNICOS
¿DÓNDE? Puntos de las moléculas dónde existen enlaces múltiples
Puntos de las moléculas dónde están enlazados los elementos con cierta diferencia de electronegatividad.
Estas circunstancias hacen que una molécula orgánica presente zonas con alta y baja densidad electrónica debido a desplazamientos permanentes o temporales que experimentan los e- del enlace.
Estos desplazamientos son consecuencia de los denominados EFECTOS ELECTRÓNICOS:
EFECTO INDUCTIVO: DESPLAZAMIENTO PERMANENTE de los e- compartidos en un enlace simple hacia el elemento más electronegativo:
Polarización del enlace covalente:
EFECTO MESÓMERO O DE RESONANCIA, M: DESPLAZAMIENTO PERMANENTE de los e- del enlace π, perteneciente a un enlace = o un enlace ≡. Como resultado puede representarse la estructura real del compuesto como un híbrido en resonancia entre la estructura normal y la polarizada.
EFECTO INDUCTÓMERO Y ELECTRÓMERO: DESPLAZAMIENTO TEMPORALES de los e- producidos a causa de la proximidad de otras moléculas.
Si el desplazamiento tiene lugar en un enlace simple: EFECTO INDUCTÓMERO Si el desplazamiento tiene lugar en un enlace múltiple: EFECTO ELECTRÓMERO
∂+ ∂- │ ∂- │ ∂+ ─ C ─Cl ─ C ─ CH3
CLASES DE REACCIONES ORGÁNICAS (SEGÚN RUPTURA DE LOS ENLACES)
• RUPTURA DE LOS ENLACES
Una reacción supone la ruptura de algún enlace en las moléculas de las sustancias reaccionantes y la redistribución de los e- de valencia para formar nuevos enlaces en los productos de reacción.
RUPTURA HOMOLÍTICA: se produce cuando un enlace covalente A
׃
B se rompe de modo que cada átomo conserva un e- del par de enlace. Se obtienen dos radicales libres:A
׃
B A• + B•Este tipo de ruptura es propio de los compuestos de baja o nula polaridad y requiere suministrar energía.
RUPTURA HETEROLÍTICA: se produce cuando el enlace covalente A
׃
B se rompe de tal modo que uno de los átomos conserva el par de e- de enlace. Se obtienen dos iones: uno positivo y otro negativo.A
׃
B A+ +׃
B-Cuando el átomo de C conserva los dos e- se le denomina carbanión R- y cuando los pierde se le denomina carbocatión R+:
R
׃
A R׃
- + A+ (carbanión) R׃
B R+ +׃
B- (carbocatión)Este tipo de ruptura se realiza en condiciones más suaves, tiene lugar en presencia de disolventes polares.
CLASES DE REACTIVOS
Se denomina sustrato y reactivo a las dos sustancias que intervienen en las reacciones químicas. SUSTRATO: molécula reaccionante de mayor tamaño que es atacada por una molécula más pequeña (reactivo).
REACTIVO: interacciona con el sustrato dando lugar a la reacción química.
• RADICALES LIBRES: se forman en las rupturas homolíticas, son muy reactivos e interaccionan con otros radicales o moléculas neutras. Ej:
Iniciación: formación de radicales Cl2 – energía 2Cl•
Propagación: los radicales reaccionan con moléculas neutras produciendo nuevos radicales Cl• + CH4 CH3Cl + H•
H• + CH4 H2 + CH3•
CH3• + CH3Cl CH3CH3 + Cl•
CH3• + Cl2 CH3Cl + Cl•
Terminación: los radicales se combinan entre sí para producir moléculas neutras H• + CH3• CH4
CH3• +Cl• CH3Cl
TIPOS DE RADICALES ORGÁNICOS:
RADICAL METILO RADICAL PRIMARIO RADICAL SECUNDARIO RADICAL TERCIARIO
R │
•CH3 R – 2 *
H
C R – CH
*
R – C • │ │ R R
• REACTIVOS ELECTRÓFILOS: son ácidos de Lewis, es decir sustancias capaces de aceptar e-. Poseen algún átomo con baja densidad electrónica. Son cationes o moléculas con algún orbital vacío.
Ejs: H+, NO2+, BF3, AlCl3, SO3, carbocationes …
• REACTIVOS NUCLEÓFILOS: son bases de Lewis es decir sustancias capaces de donar pares de e-. Poseen algún átomo con gran densidad de caga electrónica.
Ej: Teniendo en cuenta la estabilidad de los radicales formados, razona la ruptura hemolítica más probable del compuesto: R3C–CH2–CH3
Ej: Conociendo la electronegatividad de los sustituyentes deduce la forma más probable de ruptura heterolítica en los siguientes compuestos:
CLASES DE REACCIONES QUÍMICAS (GENERAL)
• SUSTITUCIÓN: un átomo o grupo de átomos enlazados a un átomo de C se sustituye por otro en su lugar (desplazamiento)
CH3–CH2–Cl + K(OH) CH3–CH2–OH + KCl
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl (halogenación)
R–H + HO-NO2 (ac. nítrico) R–NO2 + H2O (nitración)
• ADICIÓN (a = y ≡ enlaces ): se añade una molécula al enlace doble convirtiéndolo en sencillo (si es triple en uno doble). Suele ser con H2 (hidrogenación), con halógenos o derivados
halogenados (halogenación), con H2O (hidrólisis).
Regla de Markovnikov: si el alqueno no es simétrico, el Carbono del doble enlace unido a más átomos de H es el que polariza negativamente.
La hidrólisis de alquenos da lugar a alcoholes: CH2=CH2 + H2O CH3–CH2OH
La hidrólisis de alquinos da lugar a aldheídos:
CH≡CH + H2O CH2=CHOH + H2O CH3–CHO - H2O
• ELIMINACIÓN: pérdida de una molécula pequeña en el seno de una molécula grande (mayor) y la consiguiente formación de un enlace múltiple.
CH3–CH2Br CH2=CH2 + HBr
• HIDRÓLISIS (ataque con agua): esterificación es la reacción inversa caso concreto
• ESTERIFICACIÓN: ÁCIDO + ALCOHOL ÉSTER + AGUA (reacción inversa hidrólisis)
• COMBUSTIÓN:
Hidrocarburo + O2 CO2 + H2O (SIEMPRE!!!)
C4H10 + 13/2O2 4CO2 + 5H2O
CH3 – CH2OH + 3O2 2CO2 + 3H2O (ALCOHOLES)
CH3 – CHO + 5/2O2 2CO2 + 2H2O (ALDHEÍDOS)
CH3–CO–CH3 + 4O2 3CO2 + 3H2O (CETONAS)
CH3–CH2–COOH + 7/2O2 3CO2 + 3H2O (ÁCIDOS)
• OXIDACIÓN: normalmente son con O2 o con algún oxidante como el KMnO4.
ALCOHOL (1ario) (-ol) ALDHEÍDO (-al) ÁCIDO (-oico) CO2.
ALCOHOL (2ario) (-ol) CETONA (-ona)
Oxidación de aldheídos da lugar a ácidos: R–CHO + O2 RCOOH
Oxidación de cetonas da lugar a dos ácidos de cadena más corta (solo tiene lugar si el oxidante empleado es muy enérgico)
• REDUCCIÓN (adición al doble enlace pero con H2, recibe un nombre especial): contrario de
oxidación, se reduce el ≡ al = y el = a – .
R–CH2–C=CH2 + H2 R–CH2–CH2–CH3
R–C≡CH + H2 R–CH=CH2 –H2 R–CH2–CH3
“ino eno ano”
Reducción de aldheídos da lugar a alcoholes 1arios. Reducción de cetonas da lugar a alcoholes 2arios.
• NEUTRALIZACIÓN: ÁCIDO + BASE SAL + AGUA
CH3–COOH + NaOH CH3–COONa + H2O
• SAPONIFICACIÓN: ÉSTER + HIDRÓXIDO SAL + ALCOHOL
R–COO–R’ + NaOH R–COO–Na + OH–R’
REACCIONES TÍPICAS (PAU)
Nombrar los reactivos y productos de las siguientes reacciones e indicar el tipo de reacción
1) CH3-CH=CH-CH3 + Cl2
2) CH≡CH + HCl
3) CH3-COOH + NaOH
4) CH2=CH2 + H2O
5) HCOOH + CH3-OH
6) CH3-CH2I + NH3
7) CH3-CH2-CH2-Cl + K(OH)
8) CH2=CH2 + CH2=CH2
9) CH3-CH=CH2 + Br2
10) CH3-CH2-OH + NaOH
11) CH3-CH2-OH + O2 + O2
12) CH3-CH2-OH – calor + catalizador (H2SO4) (éter)
13) CH3-CH2-OH – calor + catalizador (H2SO4) (alqueno)
14) CH3-CH-CH2-CH3 – oxidante (KMnO4)
│ OH
15) CH≡CH + H2 +H2
17) CH2=CH-CH2-CH3 + H2
18) CH3-COO-CH3 + H2O
19) CH3-CH2-Cl + KOH (aq)
20) CH3-CH=CH-CH3 + Cl2
21) nCH2=CH2 – catalizador + calor
22) CH3-C≡C-CH3 + HCl
23) C6H5-CH3 +HNO3 –H2SO4+calor
24) CH3-COOH –reductor (LiAlH4)
25) CH3-CH=CH2 + Br2
26) CH3-CH2OH + HCOOH –H+
27) CH3-CH2Cl + NH3
28) CH3-CH2- CH2-Cl + KOH (aq)
29) CH3-CH=CH-CH3 + HCl
30) CH≡C-CH3 + HBr
31) CH3-CH2-CH2-CH(OH)-CH3 –+H2SO4
32) CH3-CH=CH2 + Cl2
33) CH3-COOH + CH3-CH2OH
34) CH2=CH-CH2-CH3 + H2
36) CH2 = CH2 + Cl2
37) CH3 – CH2I + NH3
38) CH3 – CH2OH (en medio MnO4- / H+)
39) CH3 – CH2 – CH2OH (en medio H2SO4 concentrado + calor
40) CH3 – CH2 – COOH + CH3OH
41) CH2 = CH – CH3 + H2 (catalizador)
42) CH3 – CH2 – CO– CH2 – CH3 + H2 (catalizador)
43) CH3 – COO – CH2 – CH3 + H2O (en medio ácido)
44) CH2 = CH2 + H2O (en medio ácido)