Capítulo 15- Los compuestos orgánicos y las propiedades atómicas del carbono

1. Capítulo 15- Los compuestos orgánicos y las propiedades atómicas del carbono 15.1 La naturaleza especial del carbono y las caracteríticas de las moléculas orgánicas 15.2 Las estructuras y clases de hidrocarburos 15.3 Algunas clases de reacciones orgánicas importantes 15.4 Propiedades y reactividad de grupos funcionales comunes 15.5 Tema I. Monómero-polímero: Macromoléculas sintéticas 15.6 Tema II. Monómero-polímero: Macromoléculas biológicas

2. La posición del carbono en la Tabla Periódica Periodo Grupo Fig. 15.1

3. “Soy carbono y soy especial” 1. Puedo formar enlaces C-C fuertes y cortos. 2. El enlace C-C es muy corto y permite traslapar los orbitales p no utilizados, dando origen a enlaces . Formo fácilmente enlaces dobles carbono-carbono y puedo incluso formar enlaces triples carbono-carbono. 3. No tengo problema en unirme a otros elementos (H, O, N, S, etc.– me llevo bien con todos). De acuerdo con mi posición en la Tabla Periódica, por lo regular formo cuatro enlaces, excepto en el monóxido de carbono.

4. Soy especial – Compárame con mi hermano, el Si • 1. El enlace C-C es mucho más fuerte que el enlace Si-Si. (El tamaño • atómico aumenta al descender en el grupo: los enlaces entre los • átomos se hacen más largos y más débiles.) • Para mí, la EN (C-C) ~ EN (C-O). Para el Si, EN (Si-O) >> En • (Si-Si). Con la disponibilidad del oxígeno en la naturaleza, el Si • existe principalmente con enlaces Si-O. • No tengo orbitales d. El CH3-CH3 es estable, mientras que el • SiH3-SiH3 es muy susceptible a formar especies con un par de • electrones solitarios que dona a los orbitales d vacantes. • ¡Puedes ocupar el resto de tu vida aprendiendo sobre mí!

5. Energías de enlace y la estabilidad de las cadenas de carbono Energía de enlace (kJ/mol) Fig. 15.2

6. Puedo sorprenderte con mi diversidad Considere el número de comuestos con la fórmula C4H8O. Estos se conocen como compuestos isómeros estructurales, tienen las mismas fórmulas químicas, pero diferentes formas de conectar los átomos entre sí para formar diferentes grupos funcionales, o diferentes compuestos con propiedades físicas y químicas muy distintas.

7. La diversidad química de los compuestos orgánicos Fig. 15.3

8. Una unión polarizada no dura mucho tiempo “ No soy diferente. Soy muy reactivo en los sitios (enlaces) que tienen la polaridad alta.”

9. Reactividad y polaridad de los enlaces en compuestos orgánicos C C Los enlaces son no polares, sin diferencia en los valores EN de los átomos. Son relativamente cortos (200 pm). Resultado: No reactivo C H Los enlaces son casi no polares y cortos (109 pm) EN (C-H) = 2.5 – 2.1 = 0.4 Resultado: No reactivo C O Los enlaces son altamente polares, con el extremo del oxígeno muy rico en electrones EN (C-O) = 2.5 – 3.5 = 1.0 Resultado: Reactivo C Br Los enlaces son casi no polares: EN (C-Br) = 2.5 – 2.8 = 0.3 Resultado: Relativamente no reactivo C S Los enlaces son perfectamente no polares: EN (C-S) = 2.5 – 2.5 = 0.0 Resultado: Relativamente no reactivo Aunque las diferencias en la EN son pequeñas para Br y S con el carbono, los átomos son tan grandes que sus enlaces al carbono son largos, débiles y reactivos.

10. Ciertas partes de mí hacen que me comporte de maneras predecibles Grupos funcionales – átomos o grupos específicos de átomos que proporcionan características determinadas. El secreto de aprender la química orgánica. Tan importante es la Tabla Periódica para la química inorgánica como los grupos funcionales para la química orgánica.

11. Cuatro de los grupos funcionales .. .. .. .. O .. O .. .. C O H .. C O C Carboxilo Grupo alcohol – Grupo hidróxilo Grupo éter .. .. .. C O H C O C .. Alcohol Éter Grupo ácido carboxílico Grupo éster .. .. Éster

12. Más grupos funcionales Alquenos Alquinos Tioles y Disulfuros Aminas (primaria, secundaria, terciaria) Aldehídos Acetonas Amidas Sugeridos como: “Conceptos que se deben aprender”

13. Algunos esqueletos de cinco carbonos un enlace doble un anillo simple carbono saturado Fig. 15.4

14. Agregando la piel de átomos de H al esqueleto de átomos de C (a) Un átomo de C con un enlace sencillo a otro átomo obtiene tres átomos de H. (b) Un átomo de C con un enlace sencillo a otros dos átomos obtiene dos átomos de H. (c) Un átomo de C con un enlace sencillo a tres átomos obtiene un átomo de H. (f) Un átomo de C con un enlace sencillo y uno doble, o con un triple enlace se trata como si estuviera enlazado a otros tres átomos. (d) Un átomo de C con un enlace sencillo a cuatro átomos tiene sus enlaces completos (sin átomos de H) (e) Un átomo de C con doble enlace se trata como si estuviera enlazado a otros dos átomos. Fig. 15.5

15. Hidrocarburos C + H Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples - Hidrocarburos saturados - Alcanos CnH2n+2 Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples, pero con estructura de anillo - Hidrocarburos saturados - Cicloalcanos CnH2n Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces dobles - Hidrocarburos insaturados - Alquenos CnH2n Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces triples - Hidrocarburos insaturados - Alquinos CnH2n–2 A partir de la rotación de los enlaces sencillos se observan diferentes conformaciones, denominadas isómeros, como resultado del rearreglo de los átomos en distintas fórmulas estructurales.

16. Dibujando Hidrocarburos–I C C-C-C-C-C C Problema: Dibuje estructuras que tengan diferentes arreglos atómicos para hidrocarburos con: a) siete átomos de C, sin múltiples enlaces y sin anillos. b) cinco átomos de C, un enlace doble y sin anillos. c) cinco átomos de C, sin enlaces múltiples y con un anillo. Plan: En cada caso, dibujaremos la cadena de carbonos más grande y luego trabajaremos las cadenas más pequeñas con ramificaciones en diferentes puntos a lo largo de la primera. Por lo regular, es un proceso de prueba y error. Luego adicionemos átomos de H para dar a cada átomo de C un total de cuatro enlaces. Solución: (sólo se mostrará un esqueleto de carbono) a) compuestos con siete átomos de C: (9) [C7H16] C-C-C-C-C-C-C C-C-C-C-C-C C C-C-C-C-C-C C C C-C-C-C C C C-C-C-C-C C C C C-C-C-C-C C C-C-C-C-C C C C-C-C-C-C C C

17. Dibujando Hidrocarburos–II b) compuestos con 5 átomos de C y un doble enlace: (5) C5H10] C=C-C-C-C C=C-C-C C=C-C-C C-C=C-C C C C C-C=C-C-C c) compuestos con 5 átomos de C y un anillo: (5) [C5H10] C C-C-C C C-C-C-C C C-C-C-C C C-C C C C C-C-C C-C

18. Nomenclatura de los hidrocarburos saturados Basada en la cadena más larga de átomos de carbono Prefijo + raíz + sufijo Posición y naturaleza de los sustituyentes en la cadena Reglas: Tabla 15.2, (pág. 612) La clase del compuesto orgánico -ano para alcanos Indicador del # de C en la cadena más larga (Tabla 15.1, pág. 622)

19. Raíces numéricas para cadenas de carbono y sus ramificaciones Raíz Número de átomos de carbono met- 1 et- 2 prop- 3 but- 4 pent- 5 hex- 6 hept- 7 oct- 8 non- 9 dec- 10 Tabla 15.1 (pág. 622)

20. Alcanos • Metano CH4 • Etano C2H6 CH3CH3 • Propano C3H8 CH3CH2CH3 • Butano C4H10 CH3CH2CH2CH3 • Pentano C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3 • Hexano C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 • Heptano C7H16 CH3-(CH2)5-CH3 • Octano C8H18 CH3-(CH2)6-CH3 • Nonano C9H20 CH3-(CH2)7-CH3 • Decano C10H22 CH3-(CH2)8-CH3

21. Reglas para nombrar un compuesto orgánico–I 1. Para nombrar la cadena más larga (raíz) (a) Encuentre la cadena continua más larga de átomos de carbono. (b) Seleccione la raíz que corresponda al número de átomos de C en la cadena. 2. Para nombrar el tipo de compuesto (sufijo) (a) Para los alcanos, añadir el sufijo -ano a la raíz de la cadena. (Otros sufijos aparecen en la tabla 15.5 con sus grupos funcionales y el tipo de compuesto.) (b) Si la cadena forma un anillo, el nombre es precedido por ciclo-. 3. Para nombrar las ramificaciones (prefijo) (a) Cada nombre de ramificación consiste en una subraíz (número de átomos de C) y la terminación -ilo para denotar que no es parte de la cadena principal. (b) Los nombres de las ramificaciones preceden al nombre de la cadena. Cuando hay dos o más ramificaciones, nómbrelas en orden alfabético. Tabla 15.2 (pág. 623)

22. CH3 CH3 CH CH CH2 CH3 CH3 CH2 CH3 Reglas para nombrar un compuesto orgánico-II 3. continuación: (c) Para especificar dónde ocurre la ramificación, numere consecutivamente los átomos de C de la cadena principal, comenzando por el extremo más cercano a una ramificación, para así tener los números más bajos para las ramificaciones. Cada nombre de una ramificación debe ir precedido con el número del átomo de C de la cadena al cual está unido. (d) Si el compuesto no tiene ramificaciones, el nombre consiste en la raíz y el sufijo. 6 carbonos hex- hex- + -ano = hexano metil 1 2 3 4 5 6 etilmetilhexano etil 3-etil-2-metilhexano Tabla 15.2 (p. 623)

23. Fórmulas condensadas vs. expandidas Observar las fórmulas de 3-etil-2-metilpentano: H H C H H H H H H C C C C C H H H H H H C H H C H H CH3 CH3 CH CH CH2 CH3 CH2 CH3 Fórmula condensada Fórmula expandida

24. Fórmulas y modelos de alcanos Fórmula condensada Fórmula expandida Fig. 15.6

25. A Ciclopropano B Ciclobutano C Ciclopentano D Ciclohexano Representación de cicloalcanos Fig. 15.7

26. Tabla 15.3 Los isómeros constitucionales de C4H10 y C5H12 Nombre sistemático (nombre común) Fórmula condensada Fórmula expandida Modelo de espacio lleno Densidad (g/mL) Punto de ebullición (ºC) Butano (n-butano) 2- metilpropano (isobutano) Pentano (n-pentano) 2- metilbutano (isopentano) 2,2- dimetilpropano (neopentano) (pág. 625)

27. Puntos de ebullición de los hidrocarburos metano etano propano butano pentano hexano heptano octano nonano decano Temperatura (ºC) Fig. 15.8

28. Imagen especular de la mano derecha (igual a la mano izquierda) Mano derecha Una analogía para los isómeros ópticos Fig. 15.9

29. Dos moléculas quirales Centro quiral A 3-metilhexano Centro quiral B Isómeros ópticos de la alanina Fig. 15.10

30. Isómeros Estructural Estereoisómeros Geométrico Óptico

31. Isomerismo óptico y moléculas quirales Estereoisomerismo: moléculas con la misma secuencia de átomos, pero diferente orientación de los grupos en el espacio. Isomerismo óptico: un tipo de estereoiosmerismo que ocurre cuando dos objetos son imágenes especulares entre sí y no pueden superponerse. Quiral: una molécula orgánica asimétrica que contiene al menos un átomo de carbono que se une a cuatro grupos diferentes.

32. Isómeros ópticos A A B C D D C B Considere al carbono enlazado a A, B, C, y D. Existen dos estructuras posibles. Las dos estructuras son imágenes especulares entre sí. Son isómeros ópticos. B y C no se superponen Cada una de las dos formas es asimétrica - sin un plano de simetría. Una molécula orgánica es quiral si tiene un átomo de carbono que se una a cuatro grupos diferentes.

33. La rotación del plano de luz polarizada por una sustancia ópticamente activa Filtro polarizador Fuente de luz Tubo de muestra con solución de sustancia ópticamente activa Ángulo de rotación Analizador La luz sin polarizar oscila en todos los planos La luz polarizada oscila en solo un plano Luz polarizada girada Fig. 15.11

34. Isomerismo óptico ¿Qué tan diferentes son los isómeros ópticos? Tienen la misma fórmula química y propiedades físicas y químicas exactas, pero difieren en dos aspectos: 1) Hacen girar el plano de la luz polarizada (Fig 15.11): rotación a la derecha dextrorrotatorio ( d ó + ) rotación a la izquierda levorrotatorio ( l ó - ) 2) En sus propiedades químicas, los isómeros ópticos sólo difieren en un ambiente quiral. dforma de A + dforma de B producto. dforma de A + lforma de B no hay reacción. Ejemplo: entre la d-glucosa y l-glucosa, sólo la d-glucosa se metaboliza en los humanos–un buen ejemplo de la importante selectividad de las formas de vida.

35. El sitio activo de una enzima Sitio activo quiral Molécula quiral Superficie de la enzima Fig. 15.12

36. Alquenos • Alquenos–Compuestos de carbono que contienen cuando menos un • enlace doble C=C. • Los alquenos tienen la fórmula general: CnH2n • Los alquenos se conocen como hidrocarburos insaturados • Los nombres de los alquenos difieren del de los alcanos en dos aspectos: • La cadena raíz debe contener ambos átomos de C del enlace doble, • incluso si no es la cadena más larga. La cadena se numera desde el • extremo más cercano al enlace C=C, y la posición del enlace se • indica con el número del primer átomo de C. it. • 2) El sufijo para los alquenos es -eno. • Ejemplos: Etileno, C2H4; Propeno, C3H6; Buteno, C4H8 H2C=CH2 Etileno H2C=CH-CH3 Propileno = H3C-CH=CH2 Propeno H3C-CH2-CH=CH2 1-Buteno H2C=C-CH3 2-Metil propeno CH3 H2C=CH-CH2-CH3 1-Buteno H3C-CH=CH-CH3 2-Buteno

37. Alquenos Etileno Propileno Buteno Penteno Hexeno Hepteno Octeno C2H4 Ethylene H2C=CH2 C3H6 Propylene H2C=CH–CH3 C4H8 Butene H2C=CH–CH2–CH3 C5H10Pentene H2C=CH–CH2–CH2–CH3 C6H12 Hexene H2C=CH–CH2–CH2–CH2–CH3 C7H14 Heptene H2C=CH–( CH2)4–CH3 C8H16 Octene H2C=CH–( CH2)5–CH3

38. Tabla 15.4 Los isómeros geométricos del 2- buteno Nombre sistemático Fórmula condensada Modelo de espacio lleno Densidad (g/mL) Punto de ebullición (ºC) cis-2- buteno trans-2- buteno (pág. 628)

39. El evento químico inicial en la visión Fig. 15.A (pág. 629)

40. HC C- CH2-CH3 1-Butino H3C-CH2-C CH 1-Butino H3C-C C-CH2-CH3 2-Pentino Alquinos Alquinos –Hidrocarburos que contienen cuando menos un enlace C C Los alquinos tienen la fórmula general: CnH2n–2 Los alquinos se nombran del mismo modo que los alquenos, excepto que el sufijo es -ino. Ejemplos: HC C-CH3 Propino H3C-C CH Propino HC CH Acetileno H3C-C C-CH3 2-Butino HC C-CH2-CH2-CH3 1-Pentino

41. Fórmulas químicas y nombres del grupo-R metilo - CH3 etilo - CH2 - CH3 or - C2H5 n-propilo - CH2 - CH2 - CH3 or - C3H7 isopropilo - CH - CH3 CH3 n-butilo - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 or - C4H9 isobutilo - CH2 - CH - CH3 CH3 CH3 ter-butilo - C - CH3 CH3 H2 H2 ciclopentilo H H2 H2 H2 ciclobutilo H H2 H2 H2 H2 H2 H H H2 ciclohexilo H2 H2 ciclopropilo H2

42. Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I Problema: Proporcione el nombre sistemático para cada uno de los siguientes compuestos, indique el centro quiral en el inciso (d) y dibuje dos isómeros geométricos en el inciso (e). (a) CH3(b) CH2-CH3 CH3 - CH - CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH-CH-CH3 CH3 CH2 CH3 (c) CH3 CH3 (d) CH3-CH2-CH-C-CH3 CH3 CH3 (e) CH3-CH2-CH=C-CH-CH3 CH3 Plan: Para resolver de (a) a (c), vayamos a la Tabla 15.2. Primero nombremos la cadena más larga (raíz + -ano). Luego busquemos los números más bajos para las ramificaciones contando los átomos de C desde el extremo más cercano a la ramificación. Por último, nombremos cada rama (raíz- + -ilo) y pongámoslo alfabéticamente antes del nombre de la cadena. H2 H2 CH3 H2 H2 CH2-CH3

43. Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–II CH3 - CH2 - CH2 - C - C - CH2 CH3 Plan: Continuacion. Para (e), la cadena más larga que incluye el enlace múltiple se numera desde el extremo más cercano a éste. Para (d), el centro quiral es el átomo de C unido a cuatro grupos diferentes. En (e), el isómero cis tiene los grupos más grandes en el mismo lado del enlace doble, y el isómero trans los tiene en lados opuestos. Solución: CH2 - CH3 H (b) CH3 (a) CH3 CH3 7 6 5 4 3 CH3 - CH - CH - CH3 1 2 3 4 2 1 2,3-Dimetilbutano 3-Metil-4-etilheptano

44. CH3 CH3 CH3 - CH2 - C - C - CH3 H CH3 5 4 3 2 1 Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–III H2 (c) (d) H2 CH3 3 2 H2 H2 Centro quiral 1 CH2 - CH3 2,2,3-Trimetilpentano 1-Etil-3-metilciclohexano (e) CH3 H CH3 CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3 CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3 CH3 H CH3 cis-2,3-Dimetil-3-hexeno trans-2,3-Dimetil-3-hexeno

45. Representaciones del benceno o Fig. 15.13

46. Naftaleno y Benzo[a]pireno Naftaleno C10H8 Benzo[a]pireno C20H12

47. Xilenos–Los tres isómeros de C8H10 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 1,2-Dimetilbenceno (o-xileno) pe = 144.4°C 1,3-Dimetilbencene (m-xileno) pe = 139.1°C 1,4-Dimetilbenceno (p-xileno) pe = 138.3°C

48. TNT y su descomposición (¡explosión!) CH3 O2N NO2 2,4,6-Trinitrometilbenceno (trinitrotolueno, TNT) C7H5N3O6 NO2 4 C7H5N3O6 (s) + 33 O2 (g) 28 CO2 (g) + 10 H2O(g) + 12 NO2 (g) + Energía

49. La base de la resonancia de los espines de los protones Campo magnético Radiación Espines nucleares aleatorios de igual energía Fig. 15.B (pág. 634)

50. El espectro de RMN de 1H de la acetona Fig. 15.C (pág. 635)