Existen diversas moléculas cuyos electrones no parecen estar localizados en posiciones fijas (estructuras de Lewis) sino dispuestos en diferentes posiciones. La teoría de la resonancia explica esto suponiendo que dichas moléculas son un compuesto intermedio entre una serie de estructuras moleculares llamadas formas resonantes. Cada una de ellas, por sí misma, no existe, existe el conjunto llamado híbrido de resonancia.
Por ejemplo, los electrones en el ion acetato (CH3CO2-) pueden considerarse como localizados en dos diferentes disposiciones:
El híbrido de resonancia posee una menor energía (y por tanto es más estable) que cada una de las formas resonantes.
Las distintas formas canónicas o resonantes deben tener el mismo número y la misma clase de núcleos de átomos y el mismo número de electrones. La diferencia entre unas formas canónicas y otras se encuentra exclusivamente en la posición de los electrones.
Para que exista resonancia deben existir al menos dos formas resonantes que tengan energía similar si no la molécula perfectamente representada por la de menor energía que sería la predominante.
Cuanto mayor sea el número de formas resonantes la molécula será más estable.
Toda molécula que sólo posea enlaces simples no tiene formas resonantes. Las moléculas con enlaces múltiples pueden tener formas resonantes o no.
La resonancia estabiliza las moléculas e iones, lo cual puede explicar diversas tendencias de las reacciones químicas. De dichas tendencias se induce lo siguiente:
Si un reactivo (material de partida) está estabilizado por resonancia, las reacciones químicas de esta molécula estarán menos favorecidas que en ausencia de resonancia.
Si un producto (material resultante) está estabilizado por resonancia, las reacciones de las que se obtiene estarán más favorecidas.
Acidos y bases.
Según la Teoría de Bronsted-Lowry:
ÁCIDO es todo compuesto capaz de ceder un protón.
BASE es todo compuesto capaz de aceptar un protón.
Según la Teoría de Lewis:
ÁCIDO es toda sustancia capaz de aceptar un par de electrones.
BASE es toda sustancia capaz de ceder un par de electrones.
Aunque la Teoría de Lewis parece diferente, es coherente con otras teorías. La teoría de Bronsted-Lowry se refiere al ion H+. La definición de Lewis se refiere a los pares de electrones (que conllevan una carga negativa). En la teoría de Bronsted-Lowry es el protón H (H+) el que se mueve. En la teoría de Lewis, los electrones forman enlaces, que "tiran" de los átomos para llevarlos a sus nuevos posiciones.
Ácido
Base
Bronsted-Lowry
Donante de H+
Receptor de H+
Lewis
Receptor de e-
Donante de e-
El sistema alilo forma carbocationes, carbaniones y radicales muy estables debido a la estabilización de la carga por resonancia. Tanto la carga positiva, negativa como el radical se deslocalizan sobre dos átomos de carbono generando estructuras de resonancia energéticamente equivalentes, denominadas alilo. El carbono que soporta la carga se conoce como posición alílica.
Otros ejemplos de resonancia en sistemas alílicos son:
Los ácidos carboxílicos son moléculas con geometría trigonal plana. Presentan hidrógeno ácido en el grupo hidroxilo y se comportan como bases sobre el oxígeno carbonílico.
Los puntos de fusión y ebullición son elevados ya que forman dímeros, debido a los enlaces por puentes de hidrógeno.
Son ácidos débiles que se hallan parcialmente disociados en solución. El carácter ácido disminuye con el número de átomos de Carbono.
Reaccionan con los metales alcalinos y alcalinos térreos para formar sales.
Con los alcoholes forman ésteres. Al combinarse con el amoníaco forman amidas.
Algunos se hallan en las picaduras de los insectos como el metanoico (hormigas), otros en aceites y grasas y los superiores en las ceras. Los primeros tres son líquidos de olor punzante, sabor ácido, solubles en agua. Del C4 al C9 son aceitosos de olor desagradable. A partir del C10 son sólidos, inodoros, insolubles en agua. Todos son solubles en alcohol y éter.
El punto de ebullición aumenta 18 o 19 º C por cada carbono que se agrega.
Se obtienen por oxidación enérgica de los alcoholes primarios o por oxidación suave de los aldehídos.
La IUPAC nombra los ácidos carboxílicos reemplazando la terminación -ano del alcano con igual número de carbonos por -oico.
Cuando el ácido tiene sustituyentes, se numera la cadena de mayor longitud dando el localizador más bajo al carbono del grupo ácido. Los ácidos carboxílicos son prioritarios frente a otros grupos, que pasan a nombrarse como sustituyentes.
Los ácidos carboxílicos también son prioritarios frente a alquenos y alquinos. Moléculas con dos grupos ácido se nombran con la terminación -dioico.
Cuando el grupo ácido va unido a un anillo, se toma el ciclo como cadena principal y se termina en -carboxílico.
Los aldehídos y las cetonas son dos clases de derivados hidrocarbonados estrechamente relacionados, que contienen oxígeno.
Cada uno de estos compuestos tiene un grupo carbonilo, un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno por medio de un doble enlace.
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.
Los aldehídos se nombran reemplazando la terminación -ano del alcano correspondiente por -al. No es necesario especificar la posición del grupo aldehído, puesto que ocupa el extremo de la cadena (localizador 1).
Cuando la cadena contiene dos funciones aldehído se emplea el sufijo -dial.
El grupo -CHO unido a un ciclo se llama -carbaldehído. La numeración del ciclo se realiza dando localizador 1 al carbono del ciclo que contiene el grupo aldehído.
Algunos nombres comunes de aldehídos aceptados por la IUPAC son:
Las cetonas se nombran sustituyendo la terminación -ano del alcano con igual longitud de cadena por -ona. Se toma como cadena principal la de mayor longitud que contiene el grupo carbonilo y se numera para que éste tome el localizador más bajo.
Existe un segundo tipo de nomenclatura para las cetonas, que consiste en nombrar las cadenas como sustituyentes, ordenándolas alfabéticamente y terminando el nombre con la palabra cetona.
Se nombran sustituyendo la terminación de los alcanos -ano por -ol. Se toma como cadena principal la más larga que contenga el grupo hidroxilo y se numera otorgándole el localizador más bajo.
Los alcoholes son ácidos, el hidrógeno del grupo -OH tiene un pKa de 16.
Los puntos de fusión y ebullición son elevados debido a la formación de puentes de hidrógeno.Se obtienen mediante sustitución nucleófila y por reducción de aldehídos y cetonas. El ataque de reactivos organometálicos a electrófilos -carbonilos, epoxidos, esteres- es un método importante en la síntesis de alcoholes.
Regla 1. Se elige como cadena principal la de mayor longitud que contenga el grupo -OH.
Regla 2. Se numera la cadena principal para que el grupo -OH tome el localizador más bajo. El grupo hidroxilo tiene preferencia sobre cadenas carbonadas, halógenos, dobles y triples enlaces.
Regla 3.El nombre del alcohol se construye cambiando la terminación -o del alcano con igual número de carbonos por -ol
Regla 4. Cuando en la molécula hay grupos grupos funcionales de mayor prioridad, el alcohol pasa a serun mero sustituyente y se llama hidroxi-. Son prioritarios frente a los alcoholes: ácidos carboxílicos, anhídridos, ésteres, haluros de alcanoilo, amidas, nitrilos, aldehídos y cetonas.
Regla 5. El grupo -OH es prioritario frente a los alquenos y alquinos. La numeración otorga el localizador más bajo al -OH y el nombre de la molécula termina en -ol.
Se conocen halogenuros y oxihalogenuros simples y substituidos de estos elementos. Los haluros simples son del tipo X4C, pero se forman también se forman haluros derivados de cadenas. Los tetrahaluros son los haluros más característicos y todos los elementos del grupo del carbono los elementos los forman. Los dihaluros no existen para el C ni para el Si.
Los puntos de fusión del tetracloruro, tetrabromuro y teraioduro de carbono son elevados.
La inestabilidad del tetracloruro y tetraioduro de carbono pueden interpretarse como una consecuencia de la interposición de los grandes átomos de halógeno alrededor de los pequeños átomos de carbono.
Los halogenuros de carbonilo (X2CO con X= F, Cl ó Br) a los halogenuros mixtos (por ejemplo ClBrCO) son compuestos hidroliticamente inestables. La urea, (NH2)2CO, está relacionada con los mismos pero es más estable.
El grupo funcional característico de los alquenos es el doble enlace entre carbonos. Cumplen la misma formula molecular que los cicloalcanos CnH2n, ya que también poseen una insaturación. Para nombrarlos se cambia la terminación -ano de los alcanos por -eno. Reglas de nomenclatura
Regla 1.- Se elige como cadena principal la más larga que contenga el doble enlace.
Regla 2.- Se numera la cadena principal de modo que el doble enlace tenga el localizador más bajo posible.
Regla 3.- Se indica la estereoquímica del alqueno mediante la notación cis/trans o Z/E
Regla 4.- Los grupos funcionales como alcoholes, aldehídos, cetonas, ác. carboxílicos..., tienen prioridad sobre el doble enlace, se les asigna el localizador más bajo posible y dan nombre a la molécula.
Son hidrocarburos saturados acíclicos, o sea, compuestos de cadena abierta cuyas estructuras contienen sólo átomos de carbono e hidrógeno, unidos a través de enlaces sencillos.
Tomando en cuenta la forma en que los átomos de carbono están unidos en la molécula, los alcanos pueden ser lineales (únicamente contienen carbonos primarios y secundarios) o ramificados (contienen al menos un carbono terciario o cuaternario).
A continuación se ilustran estas definiciones con algunos ejemplos ; nótese que cada fórmula semidesarrollada, va acompañada de su representación simplificada de "enlace-línea".
Momento dipolar químico, se puede definir como la magnitud de la polaridad en un enlace.
Cuando dos átomos se hallan enlazados químicamente, y sus electronegatividades son distintas, el de mayor electronegatividad atraeá a los electrones hacia sí, dando lugar a dos cargas opuestas en el enlace.
El momento dipolar de enlace es el producto entre el valor de las cargas y la distancia que las separa, o sea la longitud del enlace. Así, tenemos el momento dipolar de enlace (μ), definido de la siguiente manera:
El valor q sería el porcentaje de las cargas compartidas que son atraídas por en átomo en cuestión. Es decir, un átomo con mayor electronegatividad, atraerá los electrones de enlace hacia sí en mayor medida.
La unidad del momento dipolar usualmente son los Debyes. 1 Debye es igual al 1 armstrong por 1 estatocoulombio. En realidad la unidad stándard internacional para el momento dipolar es el coulombio metro, pero es demasiado grande.
Los momentos dipolares en moléculas diatómicas varían entre 0 y 11 D.
El momento dipolar de enlace se puede representar con vectores, paralelos al eje de enlace. La dirección del vector siempre es hacia el átomo con mayor electronegatividad.
Cuando dos átomos diferentes se unen, formando un enlace, se produce un leve desplazamiento de los electrones del enlace hacia el atomo más electronegativo. La molecula adquiere un cierto grado de polarización que depende de la diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman el enlace.
El momento dipolar (u) es una medida cuantitativa de la polaridad de una molecula. Mientras mayor sea el desplazamiento electrónico en la molécula, mayor es su momento dipolar. La unidad de momento dipolar es el Debye: 1D = 3,34x10(-30) Cm . Se debe considerar la geometria de la molécula para saber si es polar o no. Ej. El CO2 no es polar (u=0), ya que por tener una estructura lineal, sus dipolos se anulan entre sí por ser de igual magnitud, pero sentidos opuestos. El agua tiene un momento dipolar (u=1,84D) por tener geometría angular y dipolos que no se cancelan.
La Química Orgánica, también llamada 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; estos poseen propiedades tales como , síntesis y reactividad de compuestos químicos formados principalmente por carbono e hidrógeno, los cuales pueden contener otros elementos, generalmente en pequeña cantidad como oxígeno, azufre, nitrógeno, halógenos, fósforo, silicio.
Friedrich Wöhler y Archibald Scott Couper son conocidos como los "padres" de la química orgánica.
Características del carbono y de los compuestos orgánicos.
La estructura de los compuestos orgánicos depende de una serie de propiedades que son específicas del átomo de carbono:
·Electronegatividad intermedia lo que permite formar enlace covalente tanto con metales como con no metales.
·Posibilidad de unirse a sí mismo formando cadenas.
·Tamaño pequeño lo que le posibilita formar enlaces dobles y triples.
·Tetravalencia: s2p2 Þspx py pz aportando tan sólo 400 kJ/mol
Los compuestos orgánicos poseen las siguientes características:
·Solubilidad en disolventes orgánicos como acetona, benceno… En cambio, no suelen ser solubles en agua, con algunas excepciones.
·Se descomponen a temperaturas no muy altas y arden fácilmente, en contraposición con los compuestos inorgánicos.
·La velocidad de las reacciones en las que intervienen suele ser muy lenta y suelen precisar una elevada energía para comenzar a reacción.
HIBRIDACIÓN DEL CARBONO.
La hibridación es la mezcla de orbitales atómicos de un átomo ( comúnmente un átomo central) para generar un conjunto de nuevos orbitales atómicos , llamados orbitales híbridos.
Los orbitales híbridos, que son orbitales atómicos que se obtienen cuando dos o más orbitales no equivalentes del mismo átomo se combinan, se usan para formar enlaces covalentes.
Hibridación sp3
Al analizar los electones de valencia de carbono, en estado basal, se puede representar el diagrama orbital de la configuración electrónica C6: 1s2, 2s2, 2p2, como:
Como el átomo de carbono tiene dos electrones desapareados (uno en cada uno de los orbitales 2p), sólo se pueden formar dos enlaces con el hidrógeno en su estado basal.
Para explicar los cuatro enlaces C-H en el metano, CH4 (alcano) se puede promover (esto es excitar
energéticamente) un electrón del orbital 2s al orbital 2p.
Se pueden generar , entonces, cuatro orbitales híbridos mezclando un orbital s y tres orbitales p, se denomina orbitales híbridos sp3 Se pronuncia “ese – pe – tres”.
Ahora hay cuatro electrones desapareados en el carbono y se pueden formar cuatro enlaces C – H .
Los cuatro orbitales híbridos (sp3) son equivalentes y se dirigen hacia los vértices de un tetraedro regular.
y que forman 109.28° entre orbitales.
Hibridación sp2.
Se combina un orbital s con dos orbitales p y queda un orbital p sin hibridizarse, por lo tanto, se forman tres orbitales híbridos sp2 y un orbital puro p.
En el etileno,C2H4 (alqueno) los átomos de carbono se hibridizan para formar tres orbitales sp2 equivalentes, que son planos y forman unos con otros un ángulo de 120°. Los enlaces de C – H se forman por la superposición de dos de esos orbitales sp2 de cada carbono con los orbitales 1s de dos átomos de hidrógeno.
En este tipo de hibridación se forma un doble enlace entre C – C.
Hibridación sp
Se combinan un orbital s con un orbital p, y quedan dos orbitales p puros sin combinar. Por lo que se obtiene dos orbitales híbridos sp y dos orbitales puros p. Estos orbitales híbridos se separan uno de otro con un ángulo de 180°.
En el acetileno,C2H2 (alquino),los átomos de carbono forman orbitales sp híbridos colineales, dejando sin hibridación dos orbitales puros p.
Los orbitales sp se superponen con orbitales 1s de hidrógeno y entre sí, para formar enlaces sigma.Los orbitales puros py y pz que son mutuamente perpendiculñares, se superponen uno al otro y forman dos enlaces pi. Rel resultado total es la formación de un enlace triple.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS.
Los compuestos orgánicos presentan el fenómeno de concatenación, es decir, la formación de cadenas constituidas por un esqueleto básico de átomos de carbono, unidos entre sí por enlaces covalentes, a los cuales se unen átomos de carbono, generalmente.
Los criterios que se aplican para clasificar las diferentes estructuras que forman a los compuestos orgánicos son cuatro, y son los siguiente:
1.Clasificación de cadenas de acuerdo con la conformación del esqueleto.
a)Abierta.- muestra dos extremos.
b)Cerrada.- No tiene extremos, la cadena forma un anillo o ciclo.
TIPO DE CADENA
Cadena abierta
Cadena cerrada
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH2=CH-CH2-CH3
CH2-CH2 CH2
| | / \
CH2-CH2 CH2 - CH2
2.Clasificación de cadenas de acuerdo con el tipo de enlaces en el esqueleto.
a)Saturada.- Los átomos de la cadena sólo se unen por un enlace covalente simple.
b)No saturada (insaturada).- Además del enlace simple, muestran doble o triple enlace covalente.
TIPO DE CADENA
Cadena saturada
Cadena no saturada
CH3-CH2-CH2-CH3
CH2-CH
| ||
CH2-CH
CH2 - CH2
| |
CH2 - CH2
CH3-CH=CH-CH2-CH3
3.Clasificación de cadenas según la presencia de grupos sustituyentes.
a)Lineal o normal.- No tienen grupos sustituyentes.
b)Ramificada o arborescente.- contienen grupos consituyentes.
TIPO DE CADENA
Cadena lineal o normal
Cadena ramificada o arborescente
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3 CH3
| |
CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH3
CH2
/ \
CH2 CH2
| |
CH2 - CH2
CH2-CH2
| |
CH2-CH-CH2 – CH3
4.Clasificación de cadenas según el tipo de átomos que constituyen el esqueleto.
a)Homogénea.- Todos los átomos que forman la cadena, son de carbono. Se considera que los átomos de hidrógeno quedan fuera del esqueleto.
b)Heterogénea.- Entre los átomos que constituyen la cadena participan otros elementos distintos del carbono, como son: átomos de oxígeno, azufre, nitrógeno, etc..
Clasificación estructural de los compuestos orgánicos.
Existen dos tipos de compuestos orgánicos: acíclicos (cadena abierta) y cíclicos (cadena cerrada). Los compuestos cíclicos se subdividen en homocíclicos (con anillos homogéneos) y heterocíclicos ( con anillos heterogéneos).
Los compuestos homocíclicos pueden ser derivados de compuestos alifáticos cíclicos que no contienen anillo bencénico, y son llamados alicíclicos. Por otro lado, los compuestos con anillo bencénico se les llama aromáticos. El siguiente cuadro nos muestra la clasificación estructural de los compuestos orgánicos.
Clasificación de átomos de carbono.
El átomo de carbono siempre es tetravalente, es decir, establece cuatro enlaces, existe igual número de posibilidades de que los elementos involucrados en las uniones sean iguales o diferentes. Existen cuatro tipos de carbonos: primario, secundario, terciario y cuaternario.
Carbono primario es aquel que se encuentra unido a un átomo de carbono o a cuatro elementos diferentes de él.
H
|
C-C-H C-CH3
|1°
H
Carbono secundario es aquel que se encuentra enlazado a dos átomos de carbono.
H
|
C-C-C C-CH2-C
|2°
H
Carbono terciario es aquel que se enlaza a otros tres átomos de carbono.
C C
| |
C-C-C C-CH-C
|3°
H
Carbono cuaternario es aquel que está unido a cuatro átomos de carbono.
C
|
C-C-C
|4°
C
ISOMERÍA
Los isómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero diferente distribución de los átomos y por lo tanto van a presentar distintas propiedades.
La siguiente tabla resume los tipos de isomería que presentan los compuestos orgánicos.
ISÓMEROS ESTRUCTURALES.
Son los isómero que difieren en el acomodo de los átomos, pero con respecto a la distribución tridimencional de los átomos en el espacio.
a) Isómeros de cadena.
Compuestos que difieren en la distribución del esqueleto de los átomos de carbono de la molécula.
Ejemplo:
CH3-CH2-CH2-CH3
CH3-CH2-CH3
|
CH3
b) Isómeros de posición.
Compuestos que difieren en la posición del grupo funcional a lo largo del esqueleto de átomos de carbono.
Ejemplo:
CH3-CH2-CH2-Cl
CH3-CH2-CH3
|
Cl
c) Isómeros funcionales.
Compuestos que difieren en la naturaleza del grupo funcional.
Ejemplo:
CH3-CH2-OH
CH3-O -CH3
ESTEREOISÓMEROS.
Son isómeros que muestran el mismo orden de colocación de átomos, pero que difieren sólo en la posición tridimensional de los átomos en el espacio.
a) Isómeros geométricos,(cis-trans).
Compuestos que resultan de la libertad restringida de rotación alrededor de los dobles enlaces o en una estructura cíclica. Tales isómeros tiene propiedades físicas diferentes.
Ejemplo:
H Cl H Cl
\ / \ /
C C
|| ||
C C
/ \ / \
H Cl Cl H
cis trans
b) Isómeros ópticos.
Se encuentran en compuestos capaces de producir rotación del plano de la luz polarizada. Las moléculas quirales, que son imágenes estructurales que no pueden superponerse, son ejemplos de isómeros ópticos; ellos desvían la luz polarizada en un plano en direcciones opuestas.
