Qumica Orgnica Bsica

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Química Orgánica Básica

• MC. José Alfredo De la Fuente Ortegón
• Escuela de Medicina
• Universidad Anahúac Mayab
• Curso Propedéutico

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Química Orgánica Básica

• Qué es Química?
• Es la ciencia que estudia la composición,
  estructura y propiedades de la materia, así como
  los cambios que ésta experimenta durante
  reacciones químicas
• Qué es Química Orgánica?
• La Química orgánica o Química del carbono es la
  rama de la química que estudia una clase numerosa
  de moléculas que contienen carbono formando
  enlaces covalentes carbono-carbono o
  carbono-hidrógeno, también conocidos como
  compuestos orgánicos

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Símbolos y estructuras

• El carbono puede formar más compuestos que ningún
  otro elemento. Los compuestos orgánicos se
  encuentran formados principalmente por los
  elementos C, H, O, N, P, S
• Las clases de los compuestos orgánicos se
  distinguen de acuerdo con los grupos funcionales
  que contienen. Un grupo funcional es un grupo de
  átomos responsables del comportamiento químico de
  la molécula que lo contiene
• La representación de estos grupos funcionales se
  realizan mediante el símbolo de los elementos y
  los electrones de la capa de valencia o de enlace
  mediante puntos o líneas

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Estructuras de puntos de Lewis
Símbolos de Lewis Son una representación gráfica
para comprender donde están los electrones en un
átomo, colocando los electrones de valencia como
puntos alrededor del símbolo del elemento
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Estructura de Lewis y estructura desarrollada del
metano
Mientras que en las estructuras de Lewis un
enlace se representa con dos puntos, en la
fórmula desarrollada se representa con una línea.
Cada línea cuenta con dos electrones, por lo que
un enlace sencillo es una línea (2 electrones),
un enlace doble se representa mediante dos líneas
(4 electrones) y un enlace triple a través de
tres líneas (6 electrones).
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Representaciones de las moléculas

• Fórmulas condensadas
• Fórmula semidesarrollada
• Fórmula desarrollada
• Representaciones lineoangulares
• Representaciones tridimensionales

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Tipos de cadena

• Abierta o acíclica Los átomos de carbono
  extremos no están unidos entre sí. No forman
  anillos o ciclos.
• Lineal. No llevan ningún tipo de substitución.
  Los átomos de carbono pueden escribirse en línea
  recta. Aunque también se poden escribir
  retorcidas para ocupar menor espacio. Es
  importante saber ver que aunque esté torcida es
  una cadena lineal
• Ramificada. De alguno de los carbonos de la
  cadena lineal sale otra o otras cadenas
  secundarias o ramas.
• 2. Cerrada o cíclica El último carbono de la
  cadena se une al primero, formando un ciclo o
  anillo.
• Homocíclica. Los átomos del ciclo son átomos de
  carbono.
• Heterocíclica. Algún átomo de carbono del ciclo
  fue substituido por otro átomo, por ejemplo N, S,
  O, etc.
• Monocíclica. Sólo hay un ciclo.
• Policíclica. Hay varios ciclos unidos.

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Tipos de cadena
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Grupos funcionales

• Los fragmentos moleculares que incluyen átomos de
  no metales distintos a C e H, o que poseen
  enlaces dobles y triples, son los sitios
  específicos de los compuestos orgánicos que
  atacan más frecuentemente otras sustancias
  químicas. Estas unidades estructurales químicas
  se llaman grupos funcionales. Las partes de las
  moléculas que constan sólo de C, H y enlaces
  sencillos se denominan grupos no funcionales

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Grupos alifáticos

• Alcanos. Sin grupo funcional, compuestos de sólo
  enlaces covalentes simples entre átomos de
  carbono e hidrógeno. Los alcanos tienen la
  fórmula molecular general CnH2n2. El término
  saturado se utiliza para describir los alcanos,
  ya que tienen el número máximo de hidrógenos que
  es posible enlazar a los carbonos, de ahí el
  término hidrocarburos saturados

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Grupos alifáticos
Los alcanos no son rígidos debido al giro
alrededor del enlace C-C. Se llaman
conformaciones a las múltiples formas creadas por
estas rotaciones.
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Grupos alifáticos

• Los alcanos de C1 a C4 son gases a temperatura
  ambiente, del C5 (n-pentano) al C16
  (n-hexadecano) son líquidos, y los alcanos de C17
  o más átomos de C son sólidos a temperatura
  ambiente.
• Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el
  peso molecular del alcano, los alcanos lineales
  tienen mayores puntos de ebullición que los
  ramificados con similar peso molecular.
• Los alcanos son compuestos no polares, por lo
  tanto son solubles en solventes no polares e
  insolubles en polares como el agua.
• Los alcanos son menos densos que el agua, por lo
  tanto flotan en ella.

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Grupos alifáticos

• Alquenos. Conocidos con el nombre de
  hidrocarburos olefínicos, se caracterizan por
  estar formados por carbono e hidrógeno unidos por
  enlaces covalentes simples y presentar uno o más
  enlaces covalentes dobles carbono-carbono
• Fórmula General
• CnH 2n

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Grupos alifáticos
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Grupos alifáticos

• Cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno está
  formado por el solapamiento de un orbital híbrido
  sp2 del carbono con el orbital 1s del átomo de
  hidrógeno. La longitud del enlace C-H en el
  etileno (1.08 Å) es ligeramente más corta que la
  del enlace C-H en el etano (1.09 Å), ya que el
  orbital sp2 en el etileno tiene más carácter s
  (1/3 de s) que un orbital sp3 (1/4 de s). El
  orbital s está más próximo al núcleo que el
  orbital p, contribuyendo a acortar los enlaces
• El carbono sp3 tiene una geometría tetraédrica
  con ángulos de 109.5. Los carbonos de enlace
  doble tienen hibridación sp2, por lo que tienen
  una geometría trigonal con ángulos de casi 120.
  El solapamiento de los orbitales p sin hibridar
  acorta la distancia entre los carbonos desde
  1.54A en alcanos hasta 1.33A en alcanos

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Grupos alifáticos
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Grupos alifáticos
El enlace p en el etileno está formado por el
solapamiento de los orbitales p sin hibridar de
los átomos de carbono con hibridación sp2. Este
solapamiento requiere que los dos extremos de la
molécula sean coplanares Los orbitales p sin
hibridar (uno en cada carbono) contienen un
electrón cada uno. Cuando se solapan forman el
orbital molecular p enlazante
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Grupos alifáticos
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Isomería Cis - Trans
Grupos alifáticos
Si dos grupos iguales enlazados a los carbonos
del doble enlace están al mismo lado del enlace,
el alqueno es el isómero cis. Si los grupos
iguales están a los lados opuestos del enlace, el
alqueno es trans
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Grupos alifáticos
No todos los alquenos son capaces de mostrar
isomería cis-trans. Si cualquiera de los dos
carbonos del enlace doble tiene dos grupos
idénticos, la molécula no puede tener forma
cis-trans. En la figura se muestran algunos
alquenos cis y trans y otros alquenos que no
pueden mostrar isomería cis-trans.
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Sistema E-Z
Grupos alifáticos
La nomenclatura cis-trans para los isómeros
geométricos a veces falla, ya que da un nombre
ambiguo por ejemplo, los isómeros del
1-bromo-1-cloropropeno no son claramente cis o
trans, ya que no es obvio a qué sustituyentes se
refieren como cis o trans Como en el caso de cis
y trans,  si los grupos más importantes de cada
carbono están en el mismo lado del enlace doble,
el alqueno tendría una geometría Z. Si están en
lados opuestos al enlace doble, la geometría es E
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Grupos alifáticos

• Los primeros 4 alquenos son gases a temperatura
  ambiente, los que contienen de 5 a 16 átomos de C
  son líquidos y los de más de 17 átomos de C son
  sólidos.
• Los puntos de ebullición aumentan al aumentar el
  peso molecular del alqueno, los alquenos lineales
  tienen mayores puntos de ebullición que los
  ramificados con similar peso molecular.
• Los alquenos son insolubles en agua pero son
  solubles en solventes no polares como los éteres,
  hexano, tetracloruro de carbono, etc.
• Los alquenos son menos densos que el agua por lo
  tanto flotan en ella.

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Grupos alifáticos

• Alquinos. son hidrocarburos cuyas moléculas
  contienen al menos un triple enlace
  carbono-carbono, característica distintiva de su
  estructura
• Los alquinos no cíclicos tienen la fórmula
  molecular CnH2n-2. Tienen una proporción de
  hidrógeno menor que los alquenos por esto
  presentan un grado mayor de insaturación

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Grupos alifáticos
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Grupos alifáticos
El triple enlace es relativamente corto debido al
solapamiento de los tres pares de electrones y al
elevado carácter s de los orbitales hidridos sp
(50 de carácter s), lo que aproxima más a los
átomos de carbono que forman el enlace s del
acetileno
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Grupos alifáticos

• Son compuestos de baja polaridad
• Son muy similares en sus propiedades físicas a
  los alcanos y alquenos
• Son menos densos que el agua e insolubles en ella
• Se solubilizan en sustancias de baja polaridad
  como tetracloruro de carbono, éter, benceno
• Sus puntos de ebullición crecen con el aumento
  del número de carbonos
• Los alquinos generalmente tienen puntos de
  ebullición ligeramente más altos que los
  correspondientes alquenos y alcanos
• Las ramificaciones disminuyen el punto de
  ebullición
• Los tres primeros alquinos son gases a
  temperatura ambiente

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Grupos hidróxilos

• El grupo funcional de un alcohol es el grupo
  hidroxilo (OH) enlazado a un carbono con
  hibridación sp3
• Los ángulos de enlace del átomos de oxígeno es de
  aproximadamente 109.5
• El oxígeno del grupo hidroxilo presenta
  hibridación sp3
• Dos orbitales hibridos sp3 forman enlaces s con
  el hidrógeno y el carbono
• El resto de los orbitales hibridos sp3 contiene
  cada uno un par de electrones no enlazantes

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Grupos hidróxilos

• Los alcoholes se clasifican por el número de
  átomos de carbono que están unidos al cual está
  enlazado el grupo OH

3-metil, 1-butanol
3-metil, 2-butanol
2-metil, 2-butanol
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Grupos hidróxilos

• Los alcoholes son compuestos polares
• Interactúan entre moléculas del mismo tipo y con
  otros compuestos polares mediante interacciones
  dipolo-dipolo
• Interacciones Dipolo-dipolo Interacción de un
  polo positivo de una molécula con el polo
  negativo de otra.

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Grupos hidróxilos
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Grupos hidróxilos

• El etanol y el dimetil éter son isómeros
  constitucionales
• Cada uno cuenta con puntos de ebullición
  extremadamente diferentes
• El etanol forma puentes de hidrógeno
  intermoleculares los cuales incrementan la fuerza
  de atracción entre las moléculas resultando en un
  alto punto de ebullición
• No existen estas fuerzas de interacción en el
  dimetil éter

Dimetil éter
Etanol
bp 24C
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Grupos hidróxilos

• En comparación a los alcanos de igual tamaño y
  similar peso molecular, los alcoholes
• Tienen puntos de ebullición mayores
• Son solubles en agua
• La presencia de los grupos -OH en la molécula
  incrementa la solubilidad en el agua y los puntos
  de ebullición

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Grupos hidróxilos
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Grupos amino
El amoniaco tiene una estructura tetraédrica algo
distorsionada, con una de las posiciones del
tetraedro ocupada por un par de electrones no
enlazantes. Esta geometría es debida a la
hibridación sp3 del nitrógeno, de forma que el
par de electrones solitario hace que el ángulo
H-N-H se comprima desde 109,5º (ángulo de la
estructura tetraédrica perfecta) hasta 107º
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Grupos amino
Según se sustituyan uno, dos o tres hidrógenos,
las aminas serán primarias, secundarias o
terciarias, respectivamente.
Amoníaco
Amina primaria
Amina secundaria
Amina terciaria
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Grupos amino
Las aminas son fuertemente polares debido a que
el gran momento dipolar del par de electrones
solitario se suma a los momentos dipolares de los
enlaces C-N y H-N
El enlace de hidrógeno N-H es más débil que el
enlace de hidrógeno O-H, por tanto las aminas
tienen puntos de ebullición más bajos que los
alcoholes con masas moleculares similares
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Grupos amino
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Grupos amino
La naturaleza polar del enlace N-H provoca la
formación de puentes de hidrógeno entre las
moléculas de las aminas
Implicaciones - Altos puntos de fusión y
ebullición comparados con los alcanos - Alta
solubilidad en medio acuoso

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Grupos amino
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Grupos amino

• Una amina es un nucleófilo (una base de Lewis)
  debido a que el par solitario de electrones no
  enlazantes pueden formar un enlace con un
  electrófilo. Una amina también puede actuar como
  base de Brönsted-Lowry, aceptando un protón de un
  ácido
• Cuando una amina actúa como un nucleófilo, se
  forma un enlace N-C. Cuando actúa como una base,
  se forma un enlace N-H

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Grupos amino
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Grupos amino
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Grupos amino
La mayoría de las aminas, que contienen más de
seis átomos de carbono, son relativamente
insolubles en agua. En presencia de ácido diluido
(en disolución acuosa), estas aminas forman las
sales de amonio correspondientes, por lo que se
disuelven en agua. Cuando la solución se
transforma en alcalina, se regenera la amina
La amina regenerada o bien se separa de la
solución acuosa, o se extrae con un disolvente
orgánico
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Grupos amino

• La mayoría de las aminas, que contienen más de
  seis átomos de carbono, son relativamente
  insolubles en agua. En presencia de ácido diluido
  (en disolución acuosa), estas aminas forman las
  sales de amonio correspondientes, por lo que se
  disuelven en agua. La formación de una sal
  soluble es una de las características de las
  pruebas para el grupo funcional amina
• Una amina puede convertirse en sal de amonio
  mediante un tratamiento con ácido. La sal de
  amonio es soluble en agua. Al tratar la sal de
  amonio con soluciones básicas la volverá a
  convertir en la amina

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Grupos carbonilo

• El grupo carbonilo consiste en un átomo de
  carbono trigonal unido a un átomo de oxígeno a
  través de un enlace doble, CO, por lo que los
  dos enlaces sobrantes pueden usarse para
  conectarse a una o a dos ramas de hidrocarburo
• En los aldehídos un grupo unido al carbonilo es
  el hidrógeno, y el otro un grupo alquil o aril.
  La única excepción es el formaldehído, los dos
  grupos unidos al carbonilo son hidrógenos
• En las cetonas, siempre van unidos dos grupos
  alquil o aril

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Grupos carbonilo
El orbital sin hibridar p del carbono se solapa
con un orbital p del oxígeno para formar un
enlace pi. El doble enlace entre el carbono y el
oxígeno es similar al doble enlace CC en un
alqueno, excepto en que el doble enlace
carbonilo es más corto, más fuerte y está
polarizado El enlace CO es más corto
porque está polarizado. Esta polarización también
es responsable de la reactividad del grupo
carbonilo
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Grupos carbonilo

• La geometría alrededor del grupo carbonilo es
  trigonal con un ángulo de 120º

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Grupos carbonilo
El doble enlace del grupo carbonilo tiene mayor
momento dipolar debido a que el oxígeno es más
electronegativo que el carbono y los electrones
enlazantes no están igualmente compartidos
Los nucleófilos atacarán al grupo carbonilo
porque es electrofílico, como sugiere la
estructura de resonancia minoritaria
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Grupos carbonilo

• Forman puentes de hidrógeno con el agua.
• Los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular
  son más solubles en agua que en solventes no
  polares

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Grupos carbonilo
La cetona y el aldehído son más polares, y tienen
puntos de ebullición más altos que el éter y el
alcano, pero puntos de ebullición más bajos que
los de los alcoholes, los cuales forman enlaces
de hidrógeno El momento dipolar del grupo
carbonilo es responsable de los puntos de
ebullición más altos para los aldehídos y las
cetonas. El enlace de hidrógeno tiene una
interacción más fuerte, por lo que los alcoholes
tendrán una ebullición a temperaturas más elevadas
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Grupos carboxilo
La molécula es prácticamente plana. El átomo de
carbono carbonílico tiene hibridación sp2, con
ángulos de enlace prácticamente trigonales. El
enlace O-H también se encuentra en este plano,
eclipsado con el enlace CO
El átomo de oxígeno sp3 tiene un ángulo C-O-H de
106
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Grupos carboxilo
Uno de los pares de electrones no compartidos del
átomo de oxígeno del grupo hidroxilo está
deslocalizado en el sistema electrofílico p del
grupo carbonilo
La estructura de resonancia mayoritaria es
neutral, mientras que las formas minoritarias
tienen separación de carga
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Grupos carboxilo
Los puntos de ebullición de los ácidos
carboxílicos son el resultado de la formación de
un dímero, con enlace de hidrógeno, estable. Este
dímero contiene un anillo de ocho miembros con
dos enlaces de hidrógeno, que en efecto dobla el
peso molecular de las moléculas que abandonan la
fase líquida.
Para romper los enlaces de hidrógeno y vaporizar
el ácido es necesario que la temperatura sea más
elevada.
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Grupos carboxilo
Un ácido carboxílico se puede disociar en agua
para dar lugar a un protón y a un ión
carboxilato. A la constante de equilibrio de esta
reacción, Ka, se le denomina constante de
disociación ácida.
El ácido se disociará mayoritariamente si el pH
de la disolución es mayor que el pKa del ácido
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Grupos carboxilo
Cada enlace C-O tiene un orden de enlace de 3/2
(un enlace s y la mitad de un enlace p). Cada
átomo de oxígeno tiene la mitad de la carga
negativa
La deslocalización de la carga negativa sobre los
dos átomos de oxígeno hace que el ión acetato sea
más estable que un ión alcóxido
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Grupos carboxilo
Las cetonas, los aldehídos y los ácidos
carboxílicos contienen el grupo carbonilo, a
pesar de que las reacciones de los ácidos son
bastante diferentes de las de las cetonas y los
aldehídos. Las cetonas y los aldehídos
generalmente reaccionan mediante adición
nucleofílica al grupo carbonilo, pero los ácidos
carboxílicos lo suelen hacer por sustitución
nucleofílica en el grupo acilo, donde un
nucleófilo reemplaza a otro en el átomo de
carbono carboxílico
Los derivados de los ácidos carboxílicos incluyen
haluros de acilo, anhídridos, esteres y amidas
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Grupos carboxilo
La reactividad de los derivados de ácido respecto
al ataque nucleofílico depende de su estructura y
de la naturaleza del nucleófilo atacante
Los cloruros de ácido son los derivados más
reactivos, mientras que el ión carboxilato es el
derivado menos reactivo
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Grupos carboxilo
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Grupos sulfhidrilos
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Varios grupos funcionales en una sola molécula
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Varios grupos funcionales en una sola molécula