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Representación, Clasificación y Nomenclatura de Compuestos Orgánicos.

Hidrocarburos como modelos

QUÍMICA ORGÁNICA (FRN 1120)

Unidad 1,Tema 2.

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La fórmula:.. “Es la representación gráfica de una molécula”. De ella se puede obtener información del compuesto que se está representando.

Por ejemplo: H2SO4 (ácido sulfúrico), la fórmula indica que este compuesto:

- Está constituido de hidrógeno, azufre y oxígeno - La relación entre los átomos constituyentes es dos

hidrógenos, un azufre y cuatro oxígenos

Así... “la fórmula es la representación más simple de un compuesto, que indica la constitución elemental de éste y la proporción entre los elementos”..... En compuestos orgánicos, de esta información, la fórmula puede indicar la estructura y la geometría molecular.

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Fórmulas y representaciones…

Fórmula empírica: Indica tipo de elementos en el compuesto…

CH

Fórmula global: Además de indicar el tipo de elementos en el compuesto, señala el número de átomos de cada elemento

C6H6 C2H6O

Fórmula Molecular Es una representación tridimensional de la molécula

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Fórmula Estructural: (También llamada estructural condensada). Representa la estructura de un compuesto orgánico en base a agrupaciones de átomos. Con esto se puede ver la estructura de la molécula en un plano bidimensional…

Por ejemplo, C2H6O, podría ser: CH3CH2OH o CH3-O-CH3

Fórmula Estructural Ampliada: Son estructuras Lewis en las que se especifican todos los enlaces covalentes y electrones desapareados

CH3CHCH3

OH

(CH3)2CHOH o

H

CH

H

C C

H

OH

H

H

H....

CH3

CCH

3

OCH

3-CH

2-CH

2-CH

3

(acetona)(butano)

C C C CH

H

H H

H

H

H

H

H

H C C C

H

H

H

H

H

H

O

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Fórmulas Enlace – Línea o Representación Topológica

Se omiten los símbolos de C.

Los enlaces C – C se representan por trasos y vértices.

Los H unidos a C no se anotan, excepto los que forman parte de un grupo funcional, pero debe considerarse que existen.

El único H unido a C que se anota es el del grupo Formilo: -CHO

C C

C C

C C

E

E

E

C E

C E

C E

O

HC

CH3

CH3

CH CHO

(Hay 5 C y 8 H)3H

1H

no hay H

Grupo funcional

Aldehído. El H

se debe dibujar

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• Los heteroatomos O, N, S,... Se deben explicitar, lo mismo que los H unidos a ellos.

CH2-CH

2-CH

2-CHO

SH SH

O

H

• Los enlaces triple CC pueden representarse como vértices o en forma lineal. Se debe dejar claro donde comienza el doble enlace y donde termina.

OH

NH2

OH

O

O N

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Hidrocarburos

Compuestos que sólo contienen C e H

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Rasgos estructurales de los Hidrocarburos

Los hidrocarburos (HC), son los derivados del carbono más sencillos. Resultan de la unión únicamente de átomos de carbono con átomos de hidrógeno y de átomos de carbono entre sí

Ejemplo: La bencina es una mezcla de hidrocarburos. Su nombre deriva del benceno, que inicialmente era uno de sus componentes…

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Dos divisiones principales, se aplican tanto a hidrocarbnuros puros como a derivados de hidrocarburos:

Clasificación de los Hidrocarburos

• HC Alifáticos

• HC Aromáticos

• De cadena abierta o ciclica.

• Las cadenas pueden ser rectas o ramificadas.

• Ser saturados (sólo enlaces simples) o insaturados (enlaces

dobles y/o triples).

Pueden ser:

Hidrocarburos

Alifaticos

Clasificación de los Hidrocarburos

Cadena abierta Cadena cerrada

Alcanos Cicloalcanos

Alquenos Cicloalquenos

Alquinos Cicloalquinos

Aromaticos

Bencenoides

Saturados Insaturados Monocíclicos Policíclicos

Condensados y

No Condensados 10

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HC Acíclicos : Sus estructuras o esqueletos son de cadena abierta

Cadena lineal Cadena ramificada

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HC Cíclicos : Sus estructuras o esqueletos son de cadena cerrada, es decir, un ciclo

Clasificación según tipo de cadena hidrocarbonada

HC Saturados: Presentan unicamente enlaces simples (Alcanos y Cicloalcanos)

Clasificación según tipo de enlace que presentan

HC Insaturados: Presentan enlace múltiples, dobles y/o triples

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Alcanos: Son HC alifáticos, acíclicos, saturados, en los

cuales todos los enlaces C-C son simples. Su

fórmula global es CnH2n+2, la que se considera

como referencia de saturación

Tipos de Hidrocarburos

C C C CH

H

H H

H

H

H

H

H

H

Ejemplo Un alcano de 4 C tendrá: 10 H

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Alquenos: Son HC alifáticos, acíclicos, insaturados, en los

hay enlaces C=C dobles. Si hay un sólo doble

enlace, su fórmula global es CnH2n

Ejemplo Un alqueno de 5 C y un doble enlace tendrá: 10 H

Si presentan dos dobles enlaces, se denominan Dienos, los cuales pueden ser:

Acumulenos

Conjugados

Aislados

Dienos:

Tipos de Hidrocarburos

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Alquinos: Son HC alifáticos, acíclicos, insaturados, en los

hay enlaces CC triples. Si sólo hay un sólo triple

enlace, su fórmula global es CnH2n-2

Ejemplo Un alquino de 5 C y un triple enlace tendrá: 8 H

Tipos de Hidrocarburos

Acetileno…

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Cicloalcanos: Igual que los alcanos, pero de cadena cíclica. En estos HC, para ciclarse se debe eliminar un H de cadas C que se une, por lo que su fórmula global es CnH2n

Cicloalquenos: Equivalentes a los alquenos, pero presentan cadena cíclica con dobles enlaces

Cicloalquinos: Equivalentes a los cicloalquenos, pero presentan triples enlaces

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El más pequeño (por la tensión del enlace triple)...

Hidrocarburos cíclicos

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HIDROCARBUROS AROMATICOS

HIDROCARBUROS

AROMATICOS

Alifáticos

ALCANOS

ALQUENOS

ALQUINOS

Componentes de fragancias

BENZALDEHIDO Almendras

CHO VAINILLINA esencia de vainilla

CHO

OCH3

OH

Benceno

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ADRENALINA hormona vasoconstrictora

CHCH2NHCH3

OH

OH

OH

ANFETAMINA estimulante SNC

CH2CHNH2

CH3

CLORANFENICOL anitibiótico

CHCHNHCOCHCl2

NO2

OH

CH2OH

DIAZEPAM (VALIUM) sedante hipnótico

y relajante muscular

NCl

NO

METANFETAMINA (SPEED) inhibidor apetito

CH2CHNHCH3

CH3

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Un HC, para ser clasificado como Aromático, debe Cumplir con los siguientes requisitos estructurales...

Debe tener estructura cíclica. Debe poseer enlaces múltiples, generalmente dobles. Los enlaces múltiples deben ser conjugados (doble-simple-doble) Debe ser estructuralmente plano. Debe cumplir con la regla de Hückel:

N° de ep = 4n + 2 donde n debe ser entero.

Benceno ciclooctatetraeno cicloheptatrieno

-

ciclopentadienilo

Ejemplos

Si algún compuesto no cumple con una de estas condiciones, entonces, no es aromático, en consecuencia es alifático...

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Bencenoides: El benceno es la unidad estructural del compuesto... Estos pueden ser:

Monocíclicos: Existe una sola unidad benceno...

Policíclicos: Más de una unidad benceno...

Ejemplo:

Naftaleno Antraceno Fenantreno PirenoBenzo[]pireno

- No condensados:

- Condensados:

Bifenilo

En sistemas no condensados como

éste, la ecuación de Hückel para el

análisis de aromaticidad debe aplicarse

a cas anillo en forma independiente

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El BENCENO

Descubierto por Faraday en el gas de alumbrado en 1825, él determinó su fórmula empírica: CH

En 1834, Mitscherlich determinó su fórmula global C6H6, que parece violar la tetravalencia del carbono.

No se comporta como insaturado: no decolora Br2/CCl4

No se oxida con KMnO4

4 insaturaciones Altamente insaturado (alcano C6H14)

Reacciona principalmente por sustitución

C6H6 (benceno) + Br2 C6H5Br + HBr

C6H12 (alqueno) + Br2 C6H12Br2 Reacción de adición

Reacción de sustitución

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Los 6 Hidrógenos del benceno son químicamente equivalentes

El BENCENO

Son varias las formulaciones que se han dado desde el siglo XIX pero ninguna era capaz de explicar sus propiedades.

Dewar Ladenburg Claus Benzvaleno

Kekulé propuso en 1865 una estructura ciclohexatriénica en equilibrio consigo misma.

C

CC

C

CC

H

H

H

H

H

H C

CC

C

CC

H

H

H

H

H

H

Pero el benceno es una molécula hexagonal completamente simétrica.

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ESTRUCTURA DEL BENCENO

Molécula planar

6 carbonos hibridizados sp2

Ángulo de enlace: 120 °

Cada carbono usa 2 orbitales sp2 para unirse al carbono adyacente y formar una unión sp2-sp2

Orbital p perpendicular a los sp2 se superpone a los orbitales p de los otros carbonos

Nube continua de electrones p por encima y debajo del anillo compartidos por los 6 carbonos

Se mueven libremente: deslocalizados

El tercer orbital sp2-s se forma con el hidrógeno

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Hidrogenación de cicloalquenos comparados con el Benceno

Al hidrogenar el doble enlace del ciclohexeno se desprenden 28.6 kcal/mol

Al hidrogenar dos dobles enlaces del ciclohexadieno se desprenden 57,2 kcal/mol, (Es decir 2 x 28,6)

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Por lo tanto, si el benceno fuera un simple conjunto de tres dobles enlaces en un anillo de seis miembros, deberían desprenderse 3 x 28.6 = 85.8 kcal/mol al hidrogenarlo.

Sin embargo, se desprenden tan sólo 49.3 kcal/mol, lo que significa que el benceno es casi 30 kcal/mol más estable de lo que cabría esperar si fuera el ciclohexatrieno propuesto por Kekulé.

Hidrogenación de cicloalquenos comparados con el Benceno

¿De dónde proviene esa estabilización?.

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¡Kekulé casi acierta!. La estructura del benceno se explica como un híbrido de resonancia entre dos estructuras equivalentes y ¡¡NO como un equilibrio!!.

La igual contribución de las dos formas resonantes al híbrido explica por qué los enlace C-C del benceno tienen la misma longitud. La distancia carbono-carbono en el benceno es intermedia entre la de un enlace simple y uno doble. Esto también es explicado cualitativamente por las formas resonantes.

Hidrogenación de cicloalquenos comparados con el Benceno

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Obtención Industrial del Benceno

Destilación

del Petróleo

Hidroalquilación

del Tolueno

Pirólisis de

la Hulla

Craqueo de olefinas

en estado vapor

Pt

350º

Pt/Al2O3

>500º

3H2+

+ 3H2

4H2

Pd(C)

300º+

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Actividad fisiológica del Benceno

El benceno es un compuesto con demostradas propiedades carcinogénicas en animales de laboratorio. Las normas internacionales son muy estrictas y sólo permiten un contenido a nivel de la ppb en la atmósfera. Conviene no emplear benceno nunca.

Puede reemplazarse por tolueno cuyas propiedades químicas son muy parecidas y no es carcinogénico.

La combustión de materia orgánica (gasolinas, fuel, incendios forestales, tabaco, carnes a la brasa) produce hidrocarburos aromáticos policíclicos que son carcinógenos demostrados en animales de laboratorio

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Prefijo Carbonos • Met- 1 • Et- 2 • Prop- 3 • But- 4 • Pent- 5 • Hex- 6 • Hept- 7 • Oct- 8 • Non- 9 • Dec- 10

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1. Número de carbonos de la cadena hidrocarbonada. Se indica con un prefijo numérico

Según las reglas de la IUPAC , dos términos importantes, y claves para comprender y aprender la nomenclatura de hidrocarburos. Estos constituyen “la base del nombre”.:

Nomenclatura IUPAC de los Hidrocarburos

CH3 CH2-CH3

CH3-CH = CH2

CH3-C CH

Propano

Propeno

Propino

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2. Terminación o sufijo, que indica el grado de saturación en la cadena hidrocarbonada.

Tipo HC Terminación Alcano ano Alqueno eno Alquino ino

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Alcanos

Los cuatro primeros alcanos se llamadas series homólogas

Nombre Nº de C Formula Condensada Metano Metano

1 CH4

Etano 2 CH3CH3

Propano 3 CH3CH2CH3

Butano 4 CH3CH2CH2CH3

“Solo difieren por el numero de grupos CH2”

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Reglas de Nomenclatura IUPAC de HC

1) En HC alifáticos de cadena lineal, se usa el prefijo que indica el Nº de C,

más el sufijo que indica el grado de saturación…

Si hay dobles o triples enlaces, se debe numerara la cadena… - Se indica con un Nº la posición donde está el enlace múltiple… - Se cuenta desde un carbono extremo, de modo de usar el Nº menor - Si hay más de un enlace doble o triple, se utilizan prefijos de

cantidad “di”, “tri”, antes del sufijo correspondiente

2,4-heptadieno

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2) En HC alifáticos de cadena ramificada:

Reglas de Nomenclatura IUPAC de HC

- Numerar la cadena desde el sustituyente más cercano e identificar con un número el (los) carbono(s) al (a los) cual(es) está(n) unido(s) el(los) sustituyente(s).

- Se agregar el nombre del sustituyente como prefijo. - Se usa el nombre IUPAC del HC no ramificado como base. - Los sustituyentes se anotan en orden alfabético

Encuentre la cadena de carbonos consecutivos más larga

Las ramificaciones se denominan “sustituyentes” ya que reemplazan un H en la cadena.

Los sustituyentes derivados de HC se denominan “radicales” . Si el HC es alifático, se habla de “radical alquilo”. Si es aromático, “radical arilo”

Etil(o)

Metil(o)

3-etil-4-metilheptano

Estos radicales resultan de quitar un átomo de hidrógeno en un carbono de un alcano. Se nombran cambiando la terminación "ano", del nombre del hidrocarburo, por “ il(o)". Se siguen las misma reglas… excepto que el átomo de carbono que perdió el H recibe el número 1.

34

Radicales alquílicos.

CH3-

Metilo

CH3CH2-

Etilo

CH3

CH-CH3

(iso- 2CH3 unidos a CH)

isopropilo

CH3-CH2-CH2-

n-propilo

(n = normal, cadena lineal)

Radicales sustituyentes comunes Fórmula estructural/topológica

nombre

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CH3-CH2-CH-CH3

sec-butilo(sec, C secundario)

CH3-CH2-CH2-CH2-

n-butilo

CH3

CH-CH2-CH3

isobutilo

CH3

CH3

CH3

tercbutilo

terc = C terciario

C

Sustituyentes C4H9-

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CH2 CH

Vinilo (etenil)

CH2 CH CH2

Alilo (2-propenil)

fenilo bencilo

Sustituyentes derivados de alquenos

Sustituyentes derivados de aromáticos

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En español generalmente se utiliza el término alquilo al referirse al nombre del radical o bien cuando tal nombre del radical aparece al final de un nombre químico. Por otro lado, el término alquil se emplea cuando se mencionan a los radicales como sustituyentes. Así se habla del radical metilo, etilo; del cloruro de metilo, acetato de etilo; y del 2-metilhexano, 3-etilnonano.

Cl

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Radicales Complejos

Para nombrarlos se usan las mismas reglas.. El nombre termina en “il”

Ejemplos El C 1 del radical complejo es el que está unido a la cadena principal

1-(3-cloro-2-metilbutil) ciclohexeno

El nombre del radical complejo se escribe entre paréntesis

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3) HC con enlaces múltiples en la cadena principal y radicales

La cadena principal debe incluir la mayor cantidad de enlaces múltiples principales.

En el caso de los HC: Alquenos > Alquinos > halogenuros > nitro (-NO2) > alcanos

3-propil-1,4-hexadieno 4-vinil-2,5-heptadieno

Reglas de Nomenclatura IUPAC de HC

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5-etil-4-fenil-6-metil-3-nitrooctano

isopropilciclopentano

Metilpropeno

1,3-pentadieno

3-bromo-4-in-2-hexeno

1,4-ciclohexadieno

4-metil-2-pentino

Ejercicios

NO2 CH3-CH = CH-CH = CH2

Br

CH3C=CH2

CH3 CH3C C-CH-CH3

CH3

4) Hidrocarburos Aromáticos

Se utiliza el ciclo aromático como cadena principal. Lo que le da la base al nombre.

Benceno

CH3

Tolueno Xileno

Reglas de Nomenclatura IUPAC de HC

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Reglas de Nomenclatura IUPAC de HC

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En derivados del benceno, las posiciones en el anillo aromático se identifican respecto a un grupo “referencia”, existen dos formas…

R R

1

2

3

4

5

6 oo (Orto)

p

mm (Meta)

(Para)

Cl

CH3

Cl

NO2Ejemplos

m-clorotolueno

3-clorotolueno

3-clorometilbenceno

p-cloronitrobenceno

4) Hidrocarburos Aromáticos

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Bencenoides

Naftaleno

1

2

3

4 5 6

7

8

1

1

1

Benzo()antraceno

Antraceno fenantreno Naftaceno

Dibenzo()antraceno Benzo() pireno

Coroneno

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Hidrocarburos aromáticos de uso común: Pesticidas

Cl

Cl

O

O

Cl

Cl

2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina

Cl

O CH2COOHCl

Cl CH2COOHO

Cl

Cl

Ácido-2,4-diclorofenoxiacetico (2,4-D)

Ácido-2,4,5-triclorofenoxiacetico (2,4,5-T)

C

C l

H

C

C l C l

C l C l

Diclorodefeniltricloroetano (DDT)

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Clasificación de Compuestos Orgánicos por Grupos Funcionales

Grupo funcional: Átomo o grupo de átomos que al estar presentes en una estructura, le confieren a ésta, características particulares. Además, permite clasificar el compuesto en una categoría o familia...

Debido a que puede haber dos o más grupos funcionales presentes, se ordenaron éstos por prioridad, la cual fue asignada por convenio. El compuesto se clasificará en la categoría o familia correspondiente al grupo funcional de mayor prioridad.