PROF. RODRIGO NAVAS F.CURSO: IVº MEDIO FECHA: NOMBRE:

RETROALIMENTACIÓN DE FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ORGÁNICA

OBJETIVOS: Recordar conceptos básicos y fundamentales en química orgánica. Comprender y reconocer la geometría asociada a los distintos tipos de compuestos orgánicos. Aplicar las reglas de nomenclatura a los distintos tipos grupos funcionales.

I. INTRODUCCIÓN

La química orgánica es un área que se caracteriza por el estudio de los compuestos que contienen carbono. Aunque existen compuestos inorgánicos que contienen carbono, como por ejemplo el CO y el CO2, estos son parte de una minoría muy pequeña. Dado que la orgánica se centra en el carbono, es adecuado comenzar su análisis a partir de las propiedades de sus átomos. El carbono es un elemento escaso, que mayoritariamente existe en forma combinada, sin embargo existe en diferentes formas ALOTRÓPICAS, tales como el diamante, grafito, grafeno entre otros.

Figura nº1: Formas en las cuales se encuentra el carbono elemental en la naturaleza. El carbono tiene un Z=6 (6C), si consideramos su configuración electrónica: 2s2 2p1p1p0, notamos que tiene cuatro electrones de valencia, la misma cantidad le hacen falta para completarla. Por otro lado, se podría esperar que esta capacidad de combinación correspondiera por ejemplo a dos covalentes y uno de tipo coordinado en el cual el carbono aportaría con su orbital p vacío, sin embargo, uno de los electrones del orbital 2s salta al orbital p, de modo que la configuración queda 2s1p1p1p1, generando una capa semillena de mayor estabilidad energética que el caso anterior, de lo anterior se infiere que el átomo de carbono es TETRAVALETE, dicho de otro modo, puede formar 4 enlaces.

Figura nº2: El átomo de carbono tiene cuatro orbitales híbridos sp3 formando un tetraedro regular

En este fenómeno además, se produce una hibridación de los orbitales de la capa de valencia, pues estos orbitales se mezclan generando orbitales de geometría intermedia. Así, en el caso del átomo de carbono, de la hibridación resultan cuatro orbitales de tipo sp3 (3 orbitales p + 1 orbital s) que se orientan en los vértices de un tetraedro regular debido a la repulsión entre los pares de electrones involucrados en los distintos enlaces.

Otro aspecto relevante que se debe considerar es la electronegatividad (EN) del carbono, cuyo valor de 2,5 lo sitúa al medio de la escala de Pauling [0,7; 4,0]. Esta propiedad le permite formar enlaces de tipo covalente con otros elementos y con otros átomos de carbono para formar largas cadenas, fenómeno central de la química orgánica.

II. FÓRMULA ESTRUCTURAL E ISOMERÍA

Para la correcta descripción química de un compuesto orgánico no solo es necesario especificar la cantidad total de átomos de cada elemento en sus moléculas usando su FÓRMULA MOLECULAR (FM), como por ejemplo en el etano (C2H6), sino que además es necesario indicar, usando la estructura de Lewis, cómo están unidos los átomos por medio de su FÓRMULA ESTRUCTURAL (FE), de modo tal que se especifique, entre las distintas posibilidades que puedan existir, la exacta geometría que tienen las moléculas de dicho compuesto. Entre esas posibilidades tenemos la generada por: 1) el tipo de cadena:

Figura nº3: geometría producida por el tipo de cadena de la molécula.

2) los tipos de enlaces que pueden haber dentro de la molécula. Es claro que este caso requiere un mayor análisis, pues se deben introducir dos elementos nuevos: el doble y el triple enlace. Como ya sabemos, el átomo de carbono forma cuatro enlaces, sin embargo, no se especificó de qué tipos. Inicialmente diremos que esos cuatro enlaces pueden ser simples, dobles o triples.

Figura nº4: geometría producida por el tipo de enlaces que hay dentro de la molécula.

Cuando un átomo de carbono tiene solo enlaces simples, sus 4 orbitales como ya vimos, presentan una hibridación sp 3, con una geometría tetraédrica, y se dice que sus enlaces son de tipo sigma (σ). En tanto que un átomo de carbono que tenga un doble enlace presenta un orbital de tipo p y tres orbitales híbridos sp2 (1orbital s + 2 orbitales p), tiene una geometría angular y se dice que el enlace doble se compone de un enlace σ y uno pi (π).

Figura nº5: proceso de hibridación sp2 y formación del enlace σ y π.

En el caso que un átomo de carbono tenga un triple enlace presenta dos orbitales de tipo p y dos orbitales híbridos sp (1orbital s + 1 orbital p), tiene una geometría lineal y se dice que el enlace triple se compone de 1 enlace σ y 2 π. Para una mayor claridad: Los enlaces σ corresponden a orbitales moleculares que se ubican entre los núcleos de los átomos enlazados y se forman por el traslape de orbitales s, sp, sp2 o sp3; en tanto que los enlaces π, son orbitales moleculares que se ubican lateralmente respecto del enlace sigma y se forman por el traslape de dos orbitales p.

Figura nº6: proceso de hibridación sp y formación del enlace σ y de los dos π.

De la figura nº4 se puede inferir cómo no es posible, por razones geométricas, que el átomo de carbono presente un enlace cuádruple, debido a que no tiene más espacio para acomodar un orbital que se agregue al enlace triple.

Otra razón de central importancia para considerar la FE de una molécula orgánica, surge de sutiles diferencias estructurales que puedan presentar compuestos con igual FM pero químicamente diferentes, es decir, compuestos cuyas moléculas tienen la misma FM, pero distinta FE. A este tipo de compuestos se les denomina isómeros, ejemplos de ellos son los isómeros estructurales. Existen otras formas como la estereoisomería, pero su análisis escapa a los propósitos de este módulo.

Figura nº7: Clasificación de distintos tipos de isomería estructural.

III. TIPOS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Y REGLAS DE NOMENCLATURA

Entre los distintos tipos de compuestos orgánicos los más simples son los hidrocarburos, que son compuestos constituidos solo por carbono e hidrógeno y se clasifican de acuerdo a la figura nº6 del siguiente modo:

Figura nº8: Clasificación de los Hidrocarburos.

1) Alcanos: Son hidrocarburos en los que solo existen enlaces simples, se les denomina también como saturados responden a la expresión CnH2n+2 (solo si es de cadena abierta).

Figura nº9: Uso de prefijos y sufijos para hidrocarburos con distinta cantidad de carbonos.

De acuerdo a la tabla de la figura nº6, el nombre que le corresponde a un alcano de 4 carbonos es butano y uno de 6 carbonos es hexano, en tanto que si fuera un alqueno de 6 carbonos, sería hexeno.

Si hubiere ramificaciones en las cadenas de hidrocarburos estos se nombran de acuerdo a ciertas reglas IUPAC, de las cuales se darán las más importantes y generales:

1º Se debe identificar la cadena más larga. Si eventualmente hubiese más de una opción se elige aquella cadena que tenga más sustituyentes. 2º Se identifican y nombran los sustituyentes (radicales). Los sustituyentes mantienen el prefijo según su número de carbonos y se usa como sufijo il o ilo, por ejemplo butil cuando tiene 4 carbonos. Cuando hay más de un mismo tipo de radical se usan los prefijos di, tri, tetra, etc.3º Se enumera la cadena de modo que los sustituyentes tengan la menor numeración posible. Si existe más de una opción en la que los sustituyentes tienen la misma numeración, otorgue la menor posición al sustituyente que tenga prioridad alfabética.4º Escriba el nombre del compuesto nombrando los radicales en orden alfabético antecedido por su posición y separado por un guion. Si existe más de un radical del mismo tipo se especifican las posiciones separadas por una coma. Los prefijos di, tri, tetra no modifican el orden alfabético del radical.5º La puntuación es muy importante al escribir los nombres de la IUPAC. Los nombres para los hidrocarburos se escriben como una sola palabra. Los números se separan unos de otros por medio de comas, y se separan de las letras mediante guiones. No se dejan espacios entre el nombre del último sustituyente y el nombre del alcano de referencia que le sigue.6º En el caso de hidrocarburos cíclicos se utiliza la palabra ciclo delante del prefijo que denota el número de carbonos, por ejemplo un alcano cíclico no ramificado se denomina ciclopentano.

Figura nº10: Aplicación de las reglas de nomenclatura para un alcano ramificado y cíclico.

2) Alquenos: Corresponden a hidrocarburos que poseen uno o más dobles enlaces carbono-carbono, se dice que son insaturados y que responden a la fórmula CnH2n (solo si es una cadena abierta con un doble enlace). La serie se nombra del mismo modo que los alcanos, solo se reemplaza la terminación ano por eno. Dentro de las reglas de nomenclatura tenemos:1º Se busca la cadena más larga que contenga al o los doble(s) enlace(s).2º Se enumera de modo que el o los doble(s) enlace(s) tenga(n) la menor numeración posible.3º Se nombra del mismo modo anterior, pero al final se debe identificar la o las posición(es) del o de los doble(s) enlace(s).

Figura nº11: Aplicación de las reglas de nomenclatura para alquenos ramificado y cíclico.

3) Alquinos: Hidrocarburos con uno o más triples enlaces, responden a la fórmula CnH2n-2 (solo si es cadena abierta con un triple enlace), en todo lo demás se le aplica el análisis usado para los alquenos

4) Hidrocarburos aromáticos: Corresponden a compuestos relacionados al benceno y se determinan según la regla de Hückel, que relaciona la aromaticidad con el número de electrones delocalizados en un sistema π conjugado de una molécula plana y cíclica. En concreto, indica que una molécula de este tipo es aromática si tiene 4n+2 electrones delocalizados, siendo n un natural cualquiera. Un análisis de la nomenclatura

Figura nº12: Los electrones del sistema π se deslocalizan, tal como se especifica en la molécula de benceno.

Otros tipos de compuestos orgánicos se generan cuando a una cadena de hidrocarburos se agregan ciertos fragmentos moleculares, que le dan a esta molécula un comportamiento químico determinado, estos fragmentos se denominan grupos funcionales, que son especificados a continuación.

Figura nº13: Tabla de fragmentos moleculares que otorga una identidad química específica a una molécula.

IV. ACTIVIDADES

1. A partir de la fórmula estructural señale: a) su FM y un dibujo con su geometría aproximada; b) los distintos tipos de enlaces y su hibridación y c) un isómero de cadena, uno posición y uno de función.

2. Escriba el nombre de los siguientes compuestosa) b)

c) 3-etil-1,4-hexadiino d) metilciclopentano

3. Averigûe qué son los alótropos de un elemento.

4. ¿El 1,3,5,7-ciclooctatetraeno es un compuesto aromático?

5. Identificar y nombrar los grupos funcionales que presentan las moléculas