1.- Introducción a la química del Carbono.

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Tema 6: Química Orgánica

Se entiende como Química Orgánica a la disciplina de la Química que estudia los compuestos del carbono.

El átomo de carbono presenta Z =6. Si realizamos su configuración electrónica resulta la siguiente: 1s2_-

2s2_{, 2p}2

Como consecuencia de éstas características los átomos de carbono pueden enlazar entre sí de tres formas distintas:

Enlace simple: los dos átomos comparten un par de electrones, quedando a cada uno de ellos 3 valencias libres. Se representa:

Enlace doble: Los átomos de carbono comparten dos pares de electrones , quedando 2 valencias libres a cada uno

Enlace triple: Los átomos de carbono comparten tres pares de electrones, por lo que cada uno de ellos presenta una sóla posibilidad de enlace

Los electrones que no participan en los enlaces se disponen de tal manera que la repulsión entre ellos es mínima, con lo que el sistema resultante es muy estable.

Los átomos de carbono pueden unirse entre sí formando cadenas carbonadas que, atendiendo a su forma, pueden clasificarse como:

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Cadena alifática o abierta:

ramificada

lineal

Cadena cerrada o cíclica:

cerrada con ramificaciones

Grupos funcionales.

Un “grupo funcional” es un átomo o conjunto de átomos que le confieren a la molécula características específicas. Todas las moléculas que presenten un mismo “grupo funcional”, actuarán químicamente de manera similar. Grupo funcional

Compuesto Grupo funcional Compuesto Grupo funcional

Alcanos (parafinas) C-C _Cetonas

Grupo carbonilo

Alquenos (olefinas) C=C Ácidos carboxílicos

Grupo carboxilo

Alquinos (acetilenos)

Ésteres

Derivados halogenados

R-X

(X=halógeno)

Aminas R-NH2

Alcoholes

R-OH

grupo hidroxilo

Amidas

Éteres R-O-R´ Nitrilos

Aldehídos

grupo carbonilo

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Series Homólogas.

Una serie homóloga es un conjunto de compuestos que poseen el mismo grupo funcional, y cada término de la serie difiere del anterior y del posterior en el grupo (-CH2-).Los miembros de una serie homóloga

poseen propiedades químicas similares y propiedades físicas que varían de forma gradual. Por ejemplo:

CH3-CH2-OH ; CH3-CH2-CH2-OH ; CH3-CH2-CH2-CH2-OH

3. Isomería.

Isomería es el fenómeno por el que dos sustancias distintas presentan la misma fórmula molecular. Cuando dos o más sustancias presentan isomería, se dice que son isómeros

Existen dos tipos de isomería:

1.- Isomería estructural: se debe a diferencias en la estructura del compuesto, así podemos ver:

Isomería de cadena: la diferencia reside en su cadena hidrocarbonada

Isomería de posición: presentan la misma cadena hidrocarbonada, mismo grupo funcional, pero situado en una posición distinta

Isomería de función: la diferencia se debe al grupo funcional distinto, propia de alcoholes-éteres o aldehídos-cetonas

2.- Esteroisomería: en este caso la estructura de las dos sustancias es la misma , la diferencia radica en su orientación espacial, así distinguimos dos tipos:

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Isomería óptica: la luz polarizada es aquella que vibra en un solo plano. Hay sustancias que al ser atravesadas por luz polarizada son capaces de hacer girar al plano en el que vibra la luz. Se dice que estas sustancias presentan actividad óptica.

El plano de luz se puede desviar a la derecha (sustancias dextrógiras) o hacia la izquierda (sustancias levógiras). Para que una sustancia presente actividad óptica es necesario que presente un carbono asimétrico o quiral, es decir con los 4 sustituyentes distintos. Estos 4 sustituyentes se pueden orientar de dos formas distintas que no se pueden superponer como ocurre las imágenes especulares, formando unos isómeros llamados enantiómeros, que tendrán actividades óptica contrarias

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5 4.- Reacciones en Química Orgánica

Una gran parte de las reacciones en Química Orgánica se pueden clasificar en:

A) Reacciones de sustitución:Un átomo o un grupo de átomos de una molécula, sustrato, es sustituido por otro átomo o grupo de átomos de otra, denominada reactivo. El reactivo puede ser un radical libre, un nucleófilo o un electrófilo. Destacamos dos tipos:

A.1. Reacciones de sustitución alifática: En la mayoría de las reacciones de sustitución que experimentan los alcanos, el reactivo es un radical.

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

Esta reacción puede continuar, precisando en cada etapa luz o calor y formándose, también en cada etapa, HCl :

La reacción del metano con el cloro, por tanto, conduce a una mezcla de productos clorados, cuya composición depende de la proporción de cloro y de las condiciones de la reacción.

A.2. Reacciones de sustitución aromática: Hay cuatro tipos:

Nitración: consiste en la sustitución de un hidrógeno del anillo aromático por un grupo nitro, se lleva a cabo con ácido sulfúrico que actúa como catalizador:

Halogenación: consiste en la sustitución de un hidrógeno del anillo aromático por un halógeno, se lleva a cabo en presencia de un ácido de Lewis (AlCl3, FeCl3) que actúa como catalizador:

Sulfonación: consiste en la sustitución de un hidrógeno del anillo aromático por un grupo – SO3H. se realiza con ácido sulfúrico concentrado:

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B) Reacciones de adición: Una molécula incorpora a su estructura otra molécula. Este tipo de reacciones ocurren sobre sustratos con dobles o triples enlaces originando un producto con mayor grado de saturación. Estudiaremos los siguientes tipos:

B.1 Adición de Hidrógeno (hidrogenación):

Esquema:

Ejemplos:

Hidrogenación de un alqueno:

Pt

Alqueno Alcano

Hidrogenación de un alquino:

Alquino Alqueno Alcano

B.2 Adición de halógenos (halogenación)

Esquema:

Ejemplos:

Halogenación de un alqueno:

Halogenación de un alquino:

B.3 Adición de agua (hidratación)

Esquema:

Ejemplos:

Hidratación de un alqueno:

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7

La hidratación sigue la Regla de Markovnikov, según la cual, la adición de un reactivo del tipo HX (H2O,

HCl …) a un doble enlace de un alqueno da lugar a un producto mayoritario en el que el hidrógeno del reactivo se ha unido al átomo de carbono que inicialmente tenía mayor número de átomos de hidrógeno.

B.4 Adición de haluros de hidrógeno: También sigue la regla de Markovnikov

Esquema:

Ejemplos:

Reacción sobre un alqueno:

Reacción sobre un alquino:

C) Reacciones de eliminación: Una molécula pierde algunos átomos de posiciones adyacentes y origina una nueva molécula con un enlace múltiple, doble o triple.

C.1 Deshidratación de alcoholes

C.2 Deshidrohalogenación de haluros de alquilo

C.3 Deshalogenación de dihaluros vecinales

Regla de Saytzeff: En las reacciones de eliminación, usualmente predominan los alquenos más sustituidos, como productos de la reacción.

D) Reacciones de oxidación-reducción: Vamos a estudiar estas reacciones en compuestos con funciones oxigenadas:

Si el alcohol es primario, las oxidaciones provocan:

Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas y los terciarios no pueden oxidarse:

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E) Reacción de combustión:

La combustión de un hidrocarburo es una reacción química muy exotérmica que se produce en presencia de oxígeno que, en cantidad abundante, origina dióxido de carbono y agua como productos.

F) Reacción de esterificación:

Es una reacción donde obtenemos un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol. El esquema es el siguiente:

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9 Los reactivos electrofílicos o electrófilos (del griego, amante de

electrones) son moléculas cargadas positivamente (iones),

moléculas neutras con átomos sin el octeto completo (ácidos de

Lewis) o con enlaces muy polarizados, y por lo tanto, aceptan

electrones del sustrato.

Atacan a zonas con alta densidad electrónica (dobles o triples

enlaces).

protón ion nitronio

H+

N O

O +

catión terc-butilo

C CH3

CH₃

CH3 +

tricloruro de aluminio

Cl Cl Cl Al Br Br Br Fe

tribromuro de hierro

Electrófilos cargados

Electrófilos neutros

Los reactivos nucleofílicos o nucleófilos (del griego, “que aman

los núcleos”) son moléculas cargadas negativamente (aniones)

o moléculas neutras que tienen pares de electrones no

compartidos y pueden cederlos a átomos deficientes de

electrones.

Atacan a partes de molécula con deficiencia de electrones.

Nucleófilos cargados:

Nucleófilos neutros:

:NH3

amoníaco

R O H H O H

alcohol agua ion cloruro Cl -HO -ion hidróxido

ANEXO

A) Radicales libres:

Los enlaces covalente de alta energía de los compuestos orgánicos pueden romperse de dos maneras distintas:

Homolítica: Suele producirse en presencia de luz UV pues se necesita un aporte de energía

elevado. El enlace covalente se rompe de manera simétrica (1e–_{para cada átomo) formándose}

radicales libres (átomos con e–_{desapareados).}

A : B +luz  A· + B·

Heterolítica: El enlace se rompe de manera asimétrica (uno de los átomos se queda con los

dos e– que compartían). Es la ruptura más habitual, quedando con carga negativa el elemento

más electronegativo y con positiva el menos. A : B  A:–_{+ B}+

B) Electrófilos: Los reactivos electrofílicos o electrófilos (del griego, amante de electrones) son moléculas cargadas positivamente (iones), moléculas neutras con átomos sin el octeto completo (ácidos de Lewis) o con enlaces muy polarizados, y por lo tanto, aceptan electrones del sustrato. Atacan a zonas con alta densidad electrónica.

Electrófilos con carga 

Nucleófilos neutros 

C) Nucleófilos: Los reactivos nucleofílicos o nucleófilos (del griego, “que aman los núcleos”) son moléculas cargadas negativamente (aniones) o moléculas neutras que tienen pares de electrones no compartidos y pueden cederlos a átomos deficientes de electrones. Atacan a

partes de molécula con deficiencia de electrones.  

Nucleófilos con carga 