Química orgánica de primero y segundo de bachillerato , Diapositivas de Química

¡Descarga Química orgánica de primero y segundo de bachillerato y más Diapositivas en PDF de Química solo en Docsity! 1 Química Orgánica Compuestos orgánicos y reactividad IES La Magdalena. Avilés. Asturias El hecho de que el carbono posea una electronegatividad (2,55), intermedia entre el valor máximo (3,98 para el flúor) y el mínimo (1,00 para el Cs), nos indica que los enlaces con los demás elementos van a tener carácter eminentemente covalente (con una polaridad moderada), lo que implica que los compuestos orgá- nicos serán, en general, poco reactivos (reacciones lentas que es necesario acelerar mediante el empleo de catalizadores o elevando la temperatura). Si las moléculas poseen centros reactivos en su estructura (acumulación de electrones, aparición de zonas en las que se produce la aparición de cargas eléctricas...etc) los ataques de los reactivos se producirán con preferencia en esas zonas. De manera general podemos clasificar los reactivos en dos grandes grupos:  Reactivos electrófilos. Especies con carga positiva que atacan, preferentemente, zonas de la molécula en las que exista carga negativa.  Reactivos nucleófilos. Especies con carga negativa que atacan, preferentemente, zonas de la molécula en las que exista carga positiva. Efectos que provocan la aparición de centros reactivos en las moléculas.  Efecto inductivo. Debido a la diferencia de electronegatividad de los heteroátomos (oxígeno, halógenos...) presentes en la molécula el enlace se polariza quedando el carbono con una carga parcial positiva, lo que favorece ataques nucleófilos. Los grupos metilo tienen un efecto inductivo inverso tendiendo a dar electrones a los carbonos unidos a ellos. .  Efecto mesómero o resonante Las moléculas que tienen oxígenos enlazados mediante doble enlace puede considerarse que son híbridos de resonancia (mezcla de estructuras) entre la estructura con doble enlace y otra en la que existen cargas netas sobre el C y el O. El resultado es la presencia de una carga parcial positiva soble el átomo de C y una negativa sobre el oxígeno. Ataque nucleófilo. La presencia del cloro polariza el enlace C-Cl originando la aparición de carga positiva sobre el átomo de carbono, lo que orienta el ataque del reactivo nucleófilo. Ataque electrófilo. la existencia de un doble enlace signifi- ca la acumulación de electrones en esa zona lo que provo- ca la orientación del ataque electrófilo. Efecto inductivo (- I). El cloro, debido a su mayor electronegatividad, atrae los electrones hacia sí, dejando el carbono con cierta carga parcial positiva. Efecto inductivo (+ I). El metilo desplaza electrones hacia el carbono que queda con cierta carga parcial negativa. Química 2º Bachillerato. IES La Magdalena. Avilés. Asturias Compuestos y reactividad. Polímeros 2 Hidrocarburos saturados Los compuestos orgánicos en los que solo existen enlaces simples C-C o C-H (1) no presentan centros reac- tivos en su molécula ya que la covalencia de los enlaces es prácticamente perfecta, por esta razón los hidrocarburos saturados presentan una inercia reaccional considerable. Solo reaccionan si se les somete a condiciones drásticas (presión y temperatura elevadas), obteniéndose mezclas de productos debido a que la reacción se puede producir en cualquier punto de la molécula. Los cuatro primeros términos de la serie (metano, etano, propano y butano) son gaseosos a temperatura ordinaria; del pentano al hexadecano son líquidos y a partir de ahí, sólidos. Debido a la ausencia de polaridad de sus enlaces son insolubles en agua y en disolventes polares. Algunas reacciones características:  Combustión. Es, probablemente, la reacción más importante, ya que las reacciones de com- bustión, una vez iniciadas, desprenden una gran cantidad de energía, por lo que los hidrocar- buros son utilizados como fuente de energía. Como productos de la combustión se obtienen CO2 y agua (vapor)  Pirólisis o craqueo. Consiste en romper las moléculas de los hidrocarburos para obtener compuestos con cadenas más cortas. Se realiza a temperaturas elevadas (craqueo térmico) o empleando catalizadores (craqueo catalítico). El craqueo tiene gran importancia industrial. Es la técnica utilizada en la industria petroquímica para obtener gasolinas a partir del petróleo (que contiene hidrocarburos de cadena más larga).  Halogenación. Los derivados halogenados de los hidrocarburos son importantes ya que se uti- lizan como disolventes y como productos intermedios en síntesis orgánicas. La reacción tiene lugar a temperaturas elevadas y requiere el uso de luz ultravioleta. Como productos se obtiene una mezcla de derivados halogenados: Alquenos (y alquinos) La presencia de enlaces múltiples (dobles o triples) introduce en la molécula una zona en la que existe una acumulación de electrones (cargas negativas), razón por la que las insaturaciones actúan como centros de ataque frente a reactivos electrófilos.  Los compuestos tipo XY (donde Y es más electronegativo que X, por ejemplo HCl) se adicio- nan al doble enlace según un proceso denominado adición electrófila que vamos a considerar dividido en dos etapas(2): Etapa 1 (lenta). Ataque electrófilo al doble enlace. De los dos posibles cationes se obtiene, casi exclusivamente, el que está situado sobre el carbono más sustituido (el que esté unido a menos hidrógenos)(3), ya que la carga del carbocatión se puede deslocalizar entre más átomos, estabilizándose, y por tanto se forma preferentemente al otro carbocatión, más inestable. Etapa 2 (rápida). Ataque nucleófilo del Y- al carbocatión formado para rendir el producto final (1) La electronegatividad del carbono es 2,55 y la del hidrógeno 2,20, prácticamente igual. (2) Algunas veces ocurre según un proceso concertado en una única etapa. (3) Enunciado conocido como regla de Markovnikov. 4 10 2 2 2 13C H (g) O (g) 4 CO (g) 5 H O(g) H 0 2      luz 3 2 3 2 3 2 2 3 3CH CH CH (g) Cl CH CH CH Cl CH CHCl CH         Reactividad de los compuestos orgánicos Ataque electrófilo Mayor cantidad Química 2º Bachillerato. IES La Magdalena. Avilés. Asturias Compuestos y reactividad. Polímeros 5 Aldehidos y cetonas. La presencia del grupo carbonilo condiciona la reactividad de aldehídos y cetonas. Debido a que el grupo carbonilo es un híbrido de resonancia entre las dos formas que se muestran a la derecha, el carbono presenta una carga parcial positiva, lo que lo hace especialmente vulnerable a ataques nucleófilos, La mayor parte de las reacciones de los aldehídos y cetonas implican un ataque nucleófilo sobre el carbono del grupo carbonilo. La elevada polarización del enlace C=O tiene también una marcada influencia sobre las propiedades físicas de estos compuestos ya que existen notables interacciones entre los dipolos permanentes que influ- yen en que los puntos de ebullición sean moderadamente altos, situándose entre los de los hidrocarbu- ros y los alcoholes de masa molecular semejante.  Adición nucleófila al grupo carbonilo. Una adición típica (y muy importante) al doble enlace carbonílico tiene lugar cuando se hace reaccionar un aldehido o una cetona con un reactivo de Grignard(4)  Reacciones de oxidación/reducción. Los compuestos carbonílicos presentan un grado de oxidación intermedio entre los alcoholes y los ácidos, por esta razón pueden reducirse (con tetrahidruro de litio y aluminio, LiAlH4) para dar alcoholes (aldehídos y cetonas) y oxidarse (usando dicromato o permanganato) para dar ácidos (solo los aldehídos). Ejemplo 3 (Oviedo. 2011-2012) Escriba la ecuación química correspondiente a la reacción del etanol con Cr2O7 2- en medio ácido. Indique el tipo de.reacción que se produce. Nombre y escriba la fórmula semidesarrollada del producto de la reacción. Solución: Es una reacción de oxidación. Un alcohol primario se oxida a aldehído y si la reacción no se detiene continúa oxidándose a ácido. (4) Los reactivos de Grignard son halogenuros de alquilmagnesio en los cuales, y debido a que existe un enlace C-Mg, el radical de alquilo tiene carga negativa pudiendo producir ataque nucleófilos. CH3-CH2OH CH3-CHO CH3-COOH Red K2Cr2O7 CH3-CH2OH K2Cr2O4 H+ CH3-COH K2Cr2O4 H+ CH3-COOH Etanol Etanal Ácido etanoico (ácido acético) LiAlH4 Oxid - CH - OH CH3 CH3 - C - O CH3 CH3 Red LiAlH4 Química 2º Bachillerato. IES La Magdalena. Avilés. Asturias Compuestos y reactividad. Polímeros 6 Ácidos y ésteres. La función ácido se caracteriza por la relativa facilidad con la que el hidrógeno del grupo carboxilo (hidróge- no ácido) puede ser sustituido por metales para formar sales, o por radicales de alquilo para dar ésteres. La acidez del hidrógeno del grupo hidroxilo es debida a que al efecto inductivo provocado por el oxígeno del grupo carbonilo se añade la posibilidad de resonancia entre tres formas distintas que hacen que la carga negativa se deslocalice estabilizando el anión: Los ácidos orgánicos, al igual que los alcoholes y el agua, pueden formar enlaces de hidrógeno entre ellos y con otras moléculas. Por esta razón tienen puntos de ebullición considerablemente altos (mayores que los de los alcoholes de masa molecular semejante). Los ácidos de menor masa molecular son solubles en agua.  Formación de sales. Los ácido orgánicos forman sales cuando reaccionan con bases fuertes: Los jabones se forman al reaccionar un compuesto inorgánico que contenga sodio o potasio (hidróxido o sal) y algún ácido graso (procedente de grasas de origen vegetal o animal) .  Formación de ésteres (esterificación). Los ésteres se obtienen a partir de los ácidos median- te calentamiento en medio ácido: La reacción contraria también es posible. Los ésteres se hidrolizan mediante calentamiento con bases dando el ácido correspondiente. Esta reacción recibe el nombre de saponificación Ejemplo 4 (Oviedo. 2011-2012) En la siguiente reacción química, indique los nombres de los productos A y B y escriba las fórmulas semidesarrolladas de los reactivos y productos Ácido acético + Etanol A + B Solución: Es una reacción de esterificación. Cuando un ácido y un alcohol se calientan en presencia de un ácido se obtiene un éster: Aminas Las aminas forman enlaces de hidrógeno N - H...N que elevan sus puntos de ebullición, aunque no tanto como para igualarse a los de los alcoholes, ya que no son tan fuertes como los enlaces O - H...O. Debido a esto las aminas más sencillas son solubles en agua. El par electrónico libre sobre el átomo de carbono condiciona la química de las aminas ya que les da un carácter básico y las hace susceptibles de ataques electrófilos. O R - C OH CH3-COOH + NaOH NaCH3-COO R-COOH + R'-OH R-COO-R' + H2O H+ R-COO-R' + H2O R-COOH + R'-OH NaOH CH3-CH2OH Calor H+ CH3-COOH Etanol Ácido acético + CH3-COO- CH2-CH3 + H2O Ácetato de etilo Agua Química 2º Bachillerato. IES La Magdalena. Avilés. Asturias Compuestos y reactividad. Polímeros 7 Los polímeros (también llamados macromoléculas) son moléculas muy grandes formadas a partir de la repetición de unidades más pequeñas llamadas monómeros. Existen polímeros naturales como los polisacáridos, las proteínas o el caucho (natural) y otros sintéticos: polietileno, nylon, poliéster, PVC, PET ... etc. Los polímeros sintéticos tienen una gran importancia industrial y económica y forman parte de nuestra vida diaria como parte de nuestras ropas, recubrimientos, aislantes o materiales diversos. Los polímeros sintéticos se clasifican en dos grandes grupos:  Los polímeros por crecimiento en cadena o polímeros de adición que se obtienen a partir de la formación de largas cadenas de monómeros que se unen unas a otras sin que exista pérdida de ninguna molécula en el proceso. Por ejemplo la polimerización del etileno produce polietileno. La polimerización se lleva a cabo a unos 100 0C, presiones elevadas (1000 atm) y en presencia de catalizadores (peróxidos orgánicos) que inician el proceso de polimerización mediante radicales libres: Otros polímeros similares al etileno son:  Los polímeros por crecimiento por pasos o polímeros de condensación, se obtienen por reacción entre dos monómeros, cada uno de los cuales tiene, al menos, dos grupos funcio- nales, con eliminación de alguna molécula (por ejemplo agua). Las poliamidas son polímeros de condensación que contienen grupos tipo amida. Pueden ser naturales como la lana o la seda o sintéticas como el nylón o el kevlar: Los poliésteres son polímeros de condensación que se obtienen a partir de dioles y ácidos dicarboxílicos, que dan lugar a los grupos éster característicos del polímero: Polímeros. Reacciones de polimerización propileno (propeno) polipropileno estireno poliestireno cloruro de vinilo (cloroeteno) cloruro de polivinilo (PVC) iniciador (radical libre) polietileno intermedio etileno (eteno) hexano-1,6-diamina ácido hexadienoico nylón-6,6 (poliamida) agua etano-1,2-diol (etilenglicol) ac. benceno-1,4-dicarboxílico (ácido tereftálico) polietilentereftalato (PET) + 2n H2O