Departamento de Ciencias y Tecnología Subsector: Química

Profesor: Carlos Donoso E. Nivel: 2° año Medio

Año: MMXIII

Guía de Apoyo nº5: Química Orgánica. Hidrocarburos

Introducción

Todo organismo vivo está formado por sustancias orgánicas. Las proteínas que

forman el pelo, la piel y los músculos, el ADN que está involucrado en la herencia, los alimentos que nos nutren, las prendas que nos mantienen calientes y las medicinas que

nos curan son sustancias orgánicas. Las bases de la química orgánica datan desde el siglo XVIII. En 1770 Torbern Bergman,

químico sueco, fue el primero en señalar que existía una diferencia entre las sustancias “orgánicas” e “inorgánicas”. De esta manera, el término química orgánica se refirió a la

química de los compuestos que se encuentran en los organismos vivos.

La explicación que los químicos de aquella época daban para la existencia de esta clase de compuestos, se relacionaba con una “fuerza vital” que era propia de las sustancias

vivas, lo que hacía imposible repetir en el laboratorio la obtención de aquellos compuestos.

En 1928, la teoría vitalista quedó en tela de

juicio, cuando Friedrich Wöhler descubrió

que es posible convertir el cianato de amonio-una sal “inorgánica” – en urea, -una

sustancia “orgánica”- que se había encontrado en la orina humana.

Así, la química orgánica, es la química del carbono.

Configuración electrónica del Carbono. La hibridación

La configuración electrónica del Carbono es 1s22s22p2. Esto significa, que posee en el

segundo nivel (su nivel o capa más externa), 4 electrones que están distribuidos de la siguiente manera:

Sin embargo el Carbono debe reordenar sus orbitales

atómicos para poder enlazarse adecuadamente. Esto se denomina hibridación y lo consigue moviendo uno de los

electrones del orbital 2s al orbital 2p vacío.

Objetivos:

Definir los hidrocarburos alifáticos: alcanos alquenos y alquinos. Describir sus isómeros. Conocer su nomenclatura y escribir sus fórmulas estructurales. Reconocer y nombrar los radicales asociados a ellos. Definir los principales hidrocarburos alicíclicos. Definir sus isómeros. Conocer la nomenclatura de esta clase de hidrocarburos y escribir sus fórmulas estructurales. Conocer los hidrocarburos aromáticos. Describir sus isómeros. Conocer la nomenclatura de estos compuestos y escribir sus fórmulas estructurales

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Hibridaciones del Carbono

Hibridación sp3

Este tipo de reordenamiento

permite al carbono formar cuatro enlaces simples.

Cada uno de ellos corresponde a un

enlace tipo σ

Por ejemplo: el metano CH4.

Hibridación sp2

Este tipo de reordenamiento permite al carbono formar dos enlaces simples y

uno doble. El enlace doble está formado por un enlace tipo σ y uno tipo .

Ejemplo: el eteno o etileno

C2H4.

Hibridación sp

Este tipo de reordenamiento permite al carbono formar un enlace simple y uno

triple. El enlace triple está formado por un enlace tipo σ y dos enlaces tipo

Ejemplo: el etino o acetileno. C2H2.

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Funciones orgánicas

Los diferentes compuestos orgánicos se clasifican según el grupo funcional que posean.

Esto es lo que se denomina funciones orgánicas. Esto permite clasificar a los compuestos orgánicos en: hidrocarburos, alcoholes, aminas,

éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres, amidas.

Los alcanos

Son hidrocarburos alifáticos, es decir, forman cadenas abiertas, tanto lineales

como ramificadas. Se les conoce como parafinas que significa poca actividad, ya que no presentan muchas reacciones químicas asociadas a ellos.

Dado que presentan uniones simples carbono-carbono, presentan la máxima cantidad de

hidrógenos unidos a ellos. Esto hace que también sean conocidos como saturados.

La fórmula general que los caracteriza es: n 2n 2C H

Los alcanos lineales se denominan alcanos normales o n-alcanos, para diferenciarlos de

los alcanos ramificados.

Las hibridaciones de cualquiera de los carbonos presentes en un alcano, ya sea lineal o

ramificado, son del tipo sp3. Por lo tanto, la geometría tetraédrica, propia de esta clase de

hibridación, se presentará en cada carbono haciendo que la molécula tenga una disposición espacial característica.

Veamos algunos ejemplos

La molécula de metano (CH4), tendría la siguiente disposición geométrica:

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La molécula del pentano (C5H12), lineal se vería de la siguiente forma:

Tipos de átomos de carbono

Es conveniente reconocer la cantidad de carbonos que pueden estar unidos, en

una estructura, a un átomo de carbono determinado. Para esto, podemos clasificarlos en

primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios. En el ejemplo siguiente se indica cada uno de esos carbonos.

Isomería

La isomería es un fenómeno común en la química del carbono y una de las

razones que hacen aumentar el número de compuestos orgánicos en la naturaleza.

Se denominan isómeros a los compuestos que poseen una misma fórmula molecular, pero que presentan diferente fórmula estructural.

Isómeros estructurales

Veamos algunos ejemplos de esta clase de compuestos orgánicos: Podemos observar que

el compuesto de fórmula C5H12 (pentano) posee 3 isómeros estructurales. Si contamos el

número de carbonos e hidrógenos, nos daremos cuenta que en todos ellos es la misma cantidad

Isómeros funcionales

Esta es otra clase de isómeros en los cuales los compuestos tienen la misma fórmula molecular, pero representan funciones químicas distintas. Veamos un ejemplo

de estos isómeros.

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Isómeros de posición o posicionales

Esta situación se presenta en compuestos que tienen dobles o triples enlace y en

los que, por el largo de la cadena principal, pueden estar ubicados en distintos lugares. Veamos algunos ejemplos.

Los dos primeros tienen la fórmula molecular C4H8, mientras que los dos últimos, C4H6.

Isómeros geométricos

En ellos la disposición espacial de la misma molécula puede tener dos “versiones”.

Esto se da en compuestos con dobles enlaces, en que los grupos unidos a los carbonos

que forman el doble enlace pueden presentarse en dos orientaciones distintas. Vemos un ejemplo de ello.

Isómeros ópticos

Se trata de compuestos que en apariencia parecen ser el mismo, pero puesto “uno

al lado del otro”, parecen imágenes de espejo. Observemos el siguiente ejemplo.

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Grupos alquílicos

En cadenas ramificadas podemos distinguir, como veremos más adelante, una cadena principal. Unida a ella aparecen una gran variedad de estructuras, que

llamaremos sustituyentes o radicales. Un grupo de estos radicales está asociado a los alcanos, por lo que usaremos el término

radicales alquílicos.

Como dichas estructuras están unidas a la cadena principal del compuesto, podemos hacer la analogía de que dicha cadena alquílica es similar a algunos de los compuestos

alcanos a los que se les ha quitado un hidrógeno.

Por ejemplo, la estructura CH3—, se asemeja al alcano CH4, pero sin uno de sus hidrógenos, o la estructura CH3-CH2—, es equivalente a CH3-CH3, pero sin uno de sus

hidrógenos.

De esta manera, no sólo podemos identificar un radical determinado, sino además nombrarlo.

Para nombrar un radical, se utiliza el nombre del alcano del cual se origina, terminado

en il(o). De esta manera, el radical que proviene del metano se denomina metilo, el que proviene

del etano, etilo, el que proviene del propano, propilo, etc.

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Nomenclatura de alcanos

Para designar el nombre de un

alcano ramificado, se siguen los siguientes pasos:

1.- Se elige la cadena más larga. Esto

es, la cadena que posea la mayor

cantidad de carbonos. Si existiera más de una cadena con el

mismo número de carbonos, se elegirá aquella que contenga más

sustituyentes (no importando su tipo ni complejidad)

Ejemplo:

2.- La cadena principal se debe numerar de tal manera que los sustituyentes queden ubicados con la más baja numeración

Si hubiese dos numeraciones equivalentes, se elegirá aquella donde esté el grupo sustituyente que alfabéticamente inicie primero.

3.- Se identifican los grupos alquílicos y se ordenan en forma alfabética.

4.- Con respecto a lo anterior se debe tener en cuenta lo siguiente:

Cuando existan dos o más sustituyentes iguales, se emplearán los prefijos di, tri, tetra, penta, etc., según corresponda

Los prefijos ter- y sec- no se utilizan para ordenar. La primera letra del prefijo iso, neo y ciclo, si se utilizan para ordenar

alfabéticamente, pues se consideran parte del nombre.

Cuando se desea indicar la posición de los grupos alquílicos en la cadena, es preciso tener en cuenta que los números se separan por comas entre sí, y con un

guión para separarlos del nombre.

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En los sustituyentes complejos (ramificados) y que no se puedan nombrar

sencillamente, como isopropil, ter-butil, sec-pentil u otros similares, se elige la cadena carbonada más larga, la que se numera desde el carbono que está unido a

ella. Luego se nombran sustituyentes presentes en ella, seguido del nombre de la cadena del sustituyente terminada en il y todo ello se encierra entre paréntesis.

4.- Finalmente se da nombre a la cadena carbonada más larga, como si fuera un alcano de cadena normal, de acuerdo con el número de átomos de carbono que posea

colocándolo enseguida del nombre del último sustituyente sin separarlo.

Cicloacanos

Los cicloalcanos son hidrocarburos saturados que reciben el nombre de

alicíclicos, ya que provienen de la familia de los alifáticos, pero poseen estructuras cerradas o cicladas. También se puede usar el término cadena cerrada para definir a

esta clase de alcanos. Poseen la fórmula general CnH2n.

Los hidrocarburos cíclicos alifáticos se nombran de manera semejante a los alcanos de cadena normal, pero se antepone el prefijo ciclo al nombre del hidrocarburo.

Una forma sencilla de representar algunos de estos cicloalcanos es usando formas

poligonales relacionadas a cada compuesto. Por ejemplo, el ciclopropano, se puede representar por un triángulo, el ciclobutano por un cuadrado, etc.

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Nomenclatura de cicloalcanos

1.- Cuando hay un solo sustituyente resulta innecesario el uso de un número para

designar su posición.

2.- Cuando hay más de un sustituyente del mismo tipo unido al ciclo, se utilizan

números, cuya secuencia sea la más baja posible.

3.- Cuando hay dos o más sustituyentes diferentes, éstos se numeran tomando en cuenta el orden alfabético.

4.- Si la cadena carbonada es mayor que la del cicloalcano, éste último para a ser

radical cicloalquilo del primero. Ejemplos:

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Los alquenos

También llamados olefinas, pertenecen a la familia de los hidrocarburos. Se

caracterizan por la presencia de dobles enlaces carbono-carbono. Si en cada uno de ellos existe uno solo de estos enlaces, la fórmula obedecerá a la siguiente relación

matemática:

n 2nC H

Para nombrarlos se usa el profijo asociado a la cantidad de carbonos que posee y se agrega el sufijo eno.

Fórmula molecular Nombre

C2H4 Eteno

C3H6 Propeno

C4H8 Buteno

C5H10 Penteno

C6H12 Hexeno

C7H14 Hepteno

C8H16 Octeno

C9H18 Noneno

C10H20 Deceno

Una de las situaciones interesantes que sucede con los alquenos es que al considerar

alquenos de cadena mayor a tres carbonos, debemos indicar mediante ubicación numérica, la posición del doble enlace, como ocurre con el buteno.

Veamos algunas estructuras de alquenos:

Veamos la estructura del eteno:

El doble enlace hace que todos los átomos estén ubicados en el mismo plano, como se observa en la siguiente representación de esta molécula

Según la ubicación del doble enlace podemos tener isómeros posicionales o de lugar, pero además, en torno a dicho doble enlace, se pueden presentar un tipo de

estereoisómeros llamados isómeros geométricos. Es el caso, por ejemplo, del 2-buteno.

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Digamos, además, que algunos alquenos presentan nombres comunes. Veamos la siguiente tabla

Nomenclatura de alquenos

1.- Se selecciona la cadena más larga de átomos de carbono que contenga el doble enlace. Por ejemplo, si la cadena que contiene el doble enlace presenta 5 carbonos, la

estructura principal se llama penteno.

2.- Se enumeran los carbonos por el extremo donde el doble enlace quede más cerca, es

decir, que posea el número más pequeño. En los alquenos, la insaturación es la que

tiene la mayor prioridad.

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3.- Se nombran os grupos alquílicos unidos a la cadena principal y se colocan en orden

alfabético, indicando por medio de un número su posición en la cadena y finalmente se da nombre a la cadena principal, indicando la posición del doble enlace.

Los alquinos

Son hidrocarburos cuya característica es presentar uno o más triple enlace

carbono-carbono. Si sólo presentan un triple enlace, la relación entre los carbonos e

hidrógenos es:

n 2n 2C H

Para nombrarlos, se toma el prefijo asociado a la cantidad de carbonos que presenta el

compuesto y se hace terminar en ino. Igual que en el caso de los alquenos, al crecer la

cadena, se hace necesario indicar la posición del triple enlace. Es decir, encontraremos isómeros posicionales.

Fórmula molecular Nombre

C2H2 Etino

C3H4 Propino

C4H6 Butino

C5H8 Pentino

C6H10 Hexino

C7H12 Heptino

C8H14 Octino

C9H16 Nonino

C10H18 Decino

Los alquinos más sencillos, se pueden nombrar como derivados del acetileno, que es el nombre común que se le da al etino.

Así

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Nomenclatura de alquinos

Es idéntica a la de los alquenos. Veamos algunos ejemplos:

Hidrocarburos Aromáticos

El hidrocarburo que se conoce actualmente como benceno,

fue aislado por primera vez por Michael Faraday en 1825, a partir de un condensado oleoso del gas de alumbrado. Años más tarde

Eilhard Mitscherlich estableció la fórmula molecular del compuesto (C6H6).

El establecimiento de una fórmula estructural que diera cuenta de las propiedades del benceno, fue un problema muy difícil para los químicos de la mitad

del siglo XIX. Muchos científicos intentaron sin éxito, dibujar una

estructura lineal para este compuesto. En 1865, Friedrich August Kekulé fue capaz de dar respuesta al

problema estructural del benceno. Planteó que en una molécula de benceno, los seis átomos de carbono se

encuentran ordenados formando un anillo con un átomo de hidrógeno enlazado a cada átomo de carbono.

Esto también era confuso, ya que los enlaces dobles son muy reactivos y los experimentos demostraban que el benceno reaccionaba poco y no efectuaba las

reacciones típicas de los alquenos.

Kekulé sugirió que los enlaces dobles se encuentran en una oscilación rápida (resonancia) dentro de la molécula y que, por lo tanto, el benceno tiene dos fórmulas

estructurales que se alternan una con otra. Estas se representan en la siguiente forma:

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La molécula de benceno, actualmente se concibe como un hibrido de las dos. Hoy en día

por conveniencia, lo químicos usualmente escriben la estructura del benceno, utilizando un círculo en el centro del hexágono, para indicar que los electrones se comparten por

igual entre los seis carbonos del anillo.

Los orbitales p de cada carbono interaccionan formando enlaces tipo . Estos se

deslocalizan por sobre y bajo el plano del anillo, como lo muestran las siguientes figuras

Nomenclatura de derivados del benceno

En el sistema IUPAC, los derivados del benceno se nombran combinando el prefijo del sustituyente con la palabra benceno.

Benceno monosustituido

Los nombres se escriben formando una sola palabra. En el benceno

monosustituido no se necesita numerar la posición; puesto que todos sus átomos de hidrógeno son equivalentes, el grupo puede estar en cualquier posición, como se muestra

en la siguiente figura.

Varios derivados monosustituidos del benceno poseen nombres especiales que son muy

comunes y que por esa razón tiene la aprobación de la IUPAC, por ejemplo

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Es importante recalcar que cuando el benceno actúa como sustituyente, cambia su

nombre a fenil(o).

Benceno disustituido

Cundo hay dos o más sustituyentes, se necesita especificar su posición. El

sistema de numeración es sencillo, se puede numerar en el sentido de las manecillas del reloj o en el sentido contrario, siempre que se obtengan los números más bajos posibles:

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Veamos un ejemplo

Comúnmente, estos derivados disustituidos del benceno se nombran haciendo uso de los prefijos griegos: orto, meta y para (que se abrevian a menudo: o-, m- y p-,

respectivamente). Veamos los mismos ejemplos, en esta modalidad:

Benceno polisustituido

En bencenos polisustituidos, se utiliza el sistema de numeración y los grupos de

sustituyentes se colocan en orden alfabético. Por ejemplo:

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Otros compuestos derivados del benceno