Introducción a la química 1 hidrocarburos

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Material de apoyo para alumnos de 4º año de la EMMB Manuel Belgrano

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Introducción a la química 1 hidrocarburos

  1. 1. Química Orgánica –Hidrocarburos Material de apoyo Materia: Introducción a la Química Año 4to A –B 2011 Escuela Municipal Manuel Belgrano Ing. Cristina Acuña Pasqualini Fuente : recopilación material publicado en Internet
  2. 2. ¿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
  3. 3. <ul><li>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 </li></ul><ul><li>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 </li></ul><ul><li>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 </li></ul>
  4. 4. 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:
  5. 5. 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).
  6. 6. <ul><li>Fórmula molecular </li></ul><ul><li>Fórmulas condensadas </li></ul><ul><li>Fórmula semidesarrollada </li></ul><ul><li>Fórmula desarrollada </li></ul><ul><li>Representaciones lineó angulares </li></ul><ul><li>Representaciones tridimensionales </li></ul>
  7. 9. <ul><li>Abierta o acíclica: Los átomos de carbono extremos no están unidos entre sí. No forman anillos o ciclos. </li></ul><ul><li>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 </li></ul><ul><li>Ramificada. De alguno de los carbonos de la cadena lineal sale otra o otras cadenas secundarias o ramas. </li></ul><ul><li>2. Cerrada o cíclica: El último carbono de la cadena se une al primero, formando un ciclo o anillo. </li></ul><ul><li>Homocíclica. Los átomos del ciclo son átomos de carbono. </li></ul><ul><li>Heterocíclica. Algún átomo de carbono del ciclo fue substituido por otro átomo, por ejemplo N, S, O, etc. </li></ul><ul><li>Monocíclica. Sólo hay un ciclo. </li></ul><ul><li>Policíclica. Hay varios ciclos unidos. </li></ul>
  8. 11. <ul><li>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 </li></ul>
  9. 12. Grupos funcionales
  10. 13. Grupos funcionales
  11. 15. Fuentes de Hidrocarburos
  12. 16. <ul><li>Alcanos. Sin grupo funcional, compuestos de sólo enlaces covalentes simples entre átomos de carbono e hidrógeno. Los alcanos tienen la fórmula molecular general C n H 2n+2 . 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 </li></ul>
  13. 17. Los alcanos no son rígidos debido al giro alrededor del enlace C-C. Se llaman conformaciones a las múltiples formas creadas por estas rotaciones.
  14. 18. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>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. </li></ul><ul><li>Los alcanos son compuestos no polares, por lo tanto son solubles en solventes no polares e insolubles en polares como el agua. </li></ul><ul><li>Los alcanos son menos densos que el agua, por lo tanto flotan en ella. </li></ul>
  15. 19. 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 C n H 2n
  16. 21. <ul><li>Cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno está formado por el solapamiento de un orbital híbrido sp 2 del carbono con el orbital 1 s 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 sp 2 en el etileno tiene más carácter s (1/3 de s ) que un orbital sp 3 (1/4 de s ). El orbital s está más próximo al núcleo que el orbital p , contribuyendo a acortar los enlaces </li></ul><ul><li>El carbono sp 3 tiene una geometría tetraédrica con ángulos de 109.5°. Los carbonos de enlace doble tienen hibridación sp 2 , 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 </li></ul>
  17. 23. El enlace  en el etileno está formado por el solapamiento de los orbitales p sin hibridar de los átomos de carbono con hibridación sp 2 . 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  enlazante
  18. 25. 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
  19. 26. 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 .
  20. 27. 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
  21. 28. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>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. </li></ul><ul><li>Los alquenos son insolubles en agua pero son solubles en solventes no polares como los éteres, hexano, tetracloruro de carbono, etc. </li></ul><ul><li>Los alquenos son menos densos que el agua por lo tanto flotan en ella. </li></ul>
  22. 29. <ul><li>Alquinos. son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un triple enlace carbono-carbono, característica distintiva de su estructura </li></ul><ul><li>Los alquinos no cíclicos tienen la fórmula molecular C n H 2n-2 . Tienen una proporción de hidrógeno menor que los alquenos por esto presentan un grado mayor de insaturación </li></ul>
  23. 31. 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 σ del acetileno
  24. 32. <ul><li>Son compuestos de baja polaridad </li></ul><ul><li>Son muy similares en sus propiedades físicas a los alcanos y alquenos </li></ul><ul><li>Son menos densos que el agua e insolubles en ella </li></ul><ul><li>Se solubilizan en sustancias de baja polaridad como tetracloruro de carbono, éter, benceno </li></ul><ul><li>Sus puntos de ebullición crecen con el aumento del número de carbonos </li></ul><ul><li>Los alquinos generalmente tienen puntos de ebullición ligeramente más altos que los correspondientes alquenos y alcanos </li></ul><ul><li>Las ramificaciones disminuyen el punto de ebullición </li></ul><ul><li>Los tres primeros alquinos son gases a temperatura ambiente </li></ul>
  25. 33. <ul><li>El grupo funcional de un alcohol es el grupo hidroxilo (–OH) enlazado a un carbono con hibridación sp 3 </li></ul><ul><ul><li>Los ángulos de enlace del átomos de oxígeno es de aproximadamente 109.5° </li></ul></ul><ul><li>El oxígeno del grupo hidroxilo presenta hibridación sp 3 </li></ul><ul><ul><li>Dos orbitales hibridos sp 3 forman enlaces s con el hidrógeno y el carbono </li></ul></ul><ul><ul><li>El resto de los orbitales hibridos sp 3 contiene cada uno un par de electrones no enlazantes </li></ul></ul>
  26. 34. <ul><li>Los alcoholes se clasifican por el número de átomos de carbono que están unidos al cual está enlazado el grupo –OH </li></ul>3-metil, 1-butanol 3-metil, 2-butanol 2-metil, 2-butanol
  27. 35. <ul><li>Los alcoholes son compuestos polares </li></ul><ul><ul><li>Interactúan entre moléculas del mismo tipo y con otros compuestos polares mediante interacciones dipolo-dipolo </li></ul></ul><ul><li>Interacciones Dipolo-dipolo: Interacción de un polo positivo de una molécula con el polo negativo de otra. </li></ul>
  28. 37. <ul><li>El etanol y el dimetil éter son isómeros constitucionales </li></ul><ul><li>Cada uno cuenta con puntos de ebullición extremadamente diferentes </li></ul><ul><ul><li>El etanol forma puentes de hidrógeno intermoleculares los cuales incrementan la fuerza de atracción entre las moléculas resultando en un alto punto de ebullición </li></ul></ul><ul><ul><li>No existen estas fuerzas de interacción en el dimetil éter </li></ul></ul>bp 24°C Etanol Dimetil éter
  29. 38. <ul><li>En comparación a los alcanos de igual tamaño y similar peso molecular, los alcoholes </li></ul><ul><ul><li>Tienen puntos de ebullición mayores </li></ul></ul><ul><ul><li>Son solubles en agua </li></ul></ul><ul><li>La presencia de los grupos -OH en la molécula incrementa la solubilidad en el agua y los puntos de ebullición </li></ul>
  30. 40. 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 sp 3 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
  31. 41. Según se sustituyan uno, dos o tres hidrógenos, las aminas serán primarias, secundarias o terciarias, respectivamente. Amoníaco Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria
  32. 42. 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
  33. 44. 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 Compuesto P.eb. P.f. Compuesto P.eb. P.f. CH 3 CH 2 CH 3 -42º -188º (CH 3 ) 3 N 3º -117º CH 3 CH 2 CH 2 NH 2 48º -83º (CH 3 CH 2 CH 2 ) 2 NH 110º -40º CH 3 CH 2 CH 2 OH 97º -126º (CH 3 CH 2 CH 2 ) 3 N 155º -94º
  34. 45. Compuesto Tipo Peso molecular Punto de ebullición (°C) (CH 3 ) 3 N Amina terciaria 59 3   CH 3 -NH-CH 2 -CH 3 Amina secundaria 59 37 CH 3 -O-CH 2 -CH 3 Éter   60 8 CH 3 CH 2 CH 2 -NH 2 Amina primaria 59 48 CH 3 CH 2 CH 2 -OH Alcohol 60 97
  35. 46. <ul><li>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 </li></ul><ul><li>Cuando una amina actúa como un nucleófilo, se forma un enlace N-C. Cuando actúa como una base, se forma un enlace N-H </li></ul>
  36. 49. 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
  37. 50. <ul><li>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 </li></ul><ul><li>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 </li></ul>
  38. 51. El grupo carbonilo consiste en un átomo de carbono trigonal unido a un átomo de oxígeno a través de un enlace doble, C=O , 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
  39. 52. 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 C=C en un alqueno, excepto en que el doble enlace carbonilo es más corto, más fuerte y está polarizado El enlace C=O es más corto porque está polarizado. Esta polarización también es responsable de la reactividad del grupo carbonilo
  40. 53. <ul><li>La geometría alrededor del grupo carbonilo es trigonal con un ángulo de 120 º </li></ul>                                                                 El enlace  se forma a partir de dos orbitales atómicos híbridos sp 2 , uno del carbono y otro del oxígeno, y el orbital  mediante el solapamiento lateral de los orbitales p paralelos que no sufren hibridación
  41. 54. 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
  42. 55. <ul><li>Forman puentes de hidrógeno con el agua. </li></ul><ul><li>Los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular son más solubles en agua que en solventes no polares </li></ul>
  43. 56. 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
  44. 57. La molécula es prácticamente plana. El átomo de carbono carbonílico tiene hibridación sp 2 , con ángulos de enlace prácticamente trigonales. El enlace O-H también se encuentra en este plano, eclipsado con el enlace C=O El átomo de oxígeno sp 3 tiene un ángulo C-O-H de 106°
  45. 58. Uno de los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno del grupo hidroxilo está deslocalizado en el sistema electrofílico  del grupo carbonilo La estructura de resonancia mayoritaria es neutral, mientras que las formas minoritarias tienen separación de carga
  46. 59. 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.
  47. 60. 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, K a , se le denomina constante de disociación ácida . El ácido se disociará mayoritariamente si el pH de la disolución es mayor que el p K a del ácido
  48. 61. Cada enlace C-O tiene un orden de enlace de 3/2 (un enlace σ y la mitad de un enlace π ). 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
  49. 62. 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
  50. 63. 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
  51. 65. <ul><li>Un tiol es un compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH). Siendo el azufre análogo de un grupo alcohol (-OH), este grupo funcional es llamado grupo tiol o grupo sulfhidrilo . Tradicionalmente los tioles son denominados mercaptanos </li></ul>
  52. 66. <ul><li>La mayoría de los tioles son líquidos incoloros que tienen un olor parecido al del ajo. El olor de tioles es a menudo fuerte y repulsivo, en particular los de bajo peso molecular </li></ul><ul><li>Debido a la pequeña diferencia de electronegatividad entre el azufre y el hidrógeno, un enlace S-H es prácticamente no polar. Por lo tanto, el enlace S-H en los tioles tiene menor momento dipolar en comparación con el enlace O-H del alcohol. Los tioles muestran poca asociación por enlaces de hidrógeno con el agua y las moléculas entre sí. Por lo tanto tienen puntos de ebullición inferiores y son menos solubles en agua y otros disolventes polares que los alcoholes de similar peso molecular </li></ul><ul><li>La oxidación es la única reacción de los tioles que es importante dentro del estudio de las proteínas. Los tioles se pueden oxidar a disulfuros, compuestos cuyas moléculas poseen dos átomos de azufre unidos por un enlace covalente, R-S-S-R’ </li></ul>

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