09 La Quimica Del Carbono

Universidad Finis Terrae Bioqumica I Facultad de Medicina Escuela de Medicina

1

9.- LA QUMICA DEL CARBONO

9.1.- Introduccin. ............................................................................... 1 8.1.1.- Definicin del concepto orgnico. ..................................................... 1 8.1.2.- Tipos de enlaces del carbono. ............................................................. 1 a) Hibridacin sp3. ....................................................................... 2 b) Hibridacin sp2 y sp. ................................................................ 4 9.2.- Hidrocarburos: Definicin y clases. ............................................ 5 9.3.- Alcanos. ........................................................................................ 6 9.3.1.- Estructura y nomenclatura ...... 6 9.3.2.- Propiedades fsicas y qumicas ...... 9 9.4.- Alquenos. ..................................................................................... 10 9.4.1.- Estructura ............... 10 9.4.2.- Nomenclatura ..... 10 9.4.3.- Propiedades fsicas ..... 10 9.4.4.- Reacciones qumicas de los alquenos .... 11 9.5.- Alquinos. ....................................................................................... 13 9.5.1.- Estructura y nomenclatura ...... 13 9.5.2.- Propiedades fsicas. ........ 13 9.5.3.- Reacciones qumicas ...... 13 9.6.- Hidrocarburos aromticos. ......................................................... 13 9.6.1.- Reacciones qumicas del benceno ......... 15


2

9.1.- Introduccin. 9.1.1.- Definicin del concepto orgnico. El nmero de compuestos que forma el carbono es muy superior al del conjunto del resto de los elementos. Ello obliga a un estudio por separado. En la antigedad se conocan sustancias como el cido actico que por hallarse en los organismos vivos se supona que slo poda obtenerse en ellos por medio de unas "fuerzas vitales". Con el nombre de "Qumica Orgnica" se empezaron a estudiar todos los compuestos presentes en un organismo vivo. En 1828, Wohler sintetiz en el laboratorio la urea CO(NH2)2, lo que estaba en contradiccin con los pensamientos de aquella poca, es decir, con la teora de la "fuerza vital". Hoy en da, se pueden sintetizar en el laboratorio la mayora de las sustancias orgnicas, por esa razn la Qumica Orgnica ha pasado a llamarse la Qumica del Carbono, ya que generalmente estos compuestos tienen enlaces C-C y C-H. El extraordinario nmero de compuestos de carbono conocidos (ms de 1,1 millones frente a 50.000 inorgnicos) se debe al carcter particular del mismo como ms tarde comentaremos. 9.1.2.- Tipos de enlaces del Carbono. El carbono es un elemento que pertenece al grupo IVB y tiene una configuracin electrnica de 1s2, 2s2, 2p2. Dicha configuracin presenta 4 electrones de valencia que utiliza para formar 4 enlaces covalentes, puesto que perder los 4 electrones o ganar otros 4 para completar su ltima capa requiere demasiada energa. La gran variedad de los compuestos del carbono que existen es debida a su gran facilidad para unirse consigo mismo formando enlaces C-C muy fuertes y de gran estabilidad con una variedad de casi infinita de disposiciones. Esto es lo que hace que el carbono sea un elemento nico. Adems, tambin tiene facilidad para unirse a otros no metales (H, O, N, Cl, F, Br, I, P y S principalmente). El carbono en los compuestos orgnicos acta siempre como un elemento tetravalente, (con valencia 4), mientras que en los inorgnicos acta como divalente, (carbonatos y xidos). a) Hibridacin sp3. El carbono en su estado fundamental tiene una estructura electrnica de:


3

Segn sto, el carbono slo podra formar dos enlaces porque tiene slo dos electrones desapareados. Se supone que cuando el carbono reacciona, un e- del nivel 2s pasa al 2p vaco adquiriendo una configuracin:

pero, adems los cuatro enlaces son iguales, por lo que el orbital s y los 3 orbitales p se homogeneizan, se hibridan, y de los cuatro orbitales atmicos de partida se forman 4 orbitales idnticos (cada uno de ellos tiene una parte de s y tres de p, por lo que se denomina una hibridacin sp3). Los 4 orbitales hbridos tienen idntica energa, y se disponen de forma que el ncleo del tomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro y los tomos a los que se une cada uno de sus vrtices como se ve en la figura:


4

b) Hibridacin sp y sp. El carbono tambin puede formar dobles y triples enlaces:

Enlace distancia C - C (A) Energa (Kcal/mol) C - C 1,54 58,6 C = C 1,33 100,0 C C 1,19 123,0

hay que observar que para romper el doble enlace no se necesita el doble de energa que para romper el simple enlace, sino algo menos, lo que indica que no deben ser idnticos sino que uno debe ser ms dbil que el otro. Esto se debe a que slo se hibridan el orbital s y 2 orbitales p, quedando el otro orbital p como en el tomo original (hibridacin sp2). Los tres orbitales hbridos tienen una disposicin triangular plana (120) y el orbital p que queda sin hibridar, se dispone formando un ngulo de 90 con el plano que contiene los 3 orbitales hbridos, tal y como muestra la figura:

entonces, entre dos tomos de carbono existen un enlace entre dos orbitales hbridos (uno de cada tomo) y otro enlace entre los orbitales p que han quedado sin hibridar, quedando dos orbitales hbridos de cada tomo para poderse enlazar a otros tomos:

son molculas planas, impidindose el giro, lo que da lugar a la isomera geomtrica ya que:

son compuestos con la misma frmula pero que incluso poseen distintos puntos de ebullicin.


5

En el triple enlace se produce una hibridacin sp (slo se homogeneizan un orbital s y otro p, quedando 2 orbitales p como en el tomo original):

se forman por lo tanto dos enlaces entre los orbitales p sin hibridar y otro entre uno de los dos orbitales hbridos, quedando otro para poderse enlazar a otros elementos:

En el triple enlace la molcula es lineal, que tambin tiene imposibilidad de rotar:

9.2.- Compuestos hidrocarbonatos: Definicin y clases. La familia ms sencilla de los compuestos orgnicos son los formados nicamente por carbono e hidrgeno. Estos compuestos reciben el nombre de hidrocarburos. Se pueden clasificar segn el tipo de hibridacin de los orbitales de enlace del carbono. - sp3 Alcanos - sp2 Alquenos - sp Alquinos - sp2 Aromticos (dobles enlaces alternados)


6

9.3.- Alcanos. 9.3.1.- Estructura y nomenclatura. Los alcanos, o tambin llamados parafinas, pueden representarse por la frmula general:

Cada tomo de carbono distribuye sus orbitales orientndolos hacia los vrtices de un tetraedro (hibridacin sp3). A medida que aumenta el nmero de carbonos se disponen espacialmente en forma de zig-zag, tal y como se muestra en la figura de la derecha que representa al hidrocarburo de 8 tomos de carbono (octano). Si la cadena es lineal, el hidrocarburo se nombra con un prefijo indicando el nmero de tomos de carbono existentes y el sufijo -ano:

Nombre n de tomos de C Frmula semidesarrollada Metano 1 CH4 Etano 2 CH3 - CH3

Propano 3 CH3 - CH2 - CH3 Butano 4 CH3 - (CH2)2 - CH3 Pentano 5 CH3 - (CH2)3 - CH3 Hexano 6 CH3 - (CH2)4 - CH3 Heptano 7 CH3 - (CH2)5 - CH3 Octano 8 CH3 - (CH2)6 - CH3 Nonano 9 CH3 - (CH2)7 - CH3 Decano 10 CH3 - (CH2)8 - CH3

Undecano 11 CH3 - (CH2)9 - CH3 Dodecano 12 CH3 - (CH2)10 - CH3 Tridecano 13 CH3 - (CH2)11 - CH3

Tetradecano 14 CH3 - (CH2)12 - CH3 Eicosano 20 CH3 - (CH2)18 - CH3

A partir del propano, en el siguiente compuesto (C4H10), se pueden presentar dos posibilidades, la cadena lineal o ramificada:

Ismeros son compuestos diferentes con la misma frmula.


7

- 4 tomos de carbono 2 ismeros - 7 tomos de carbono 9 ismeros - 14 tomos de carbono 1858 ismeros Debe existir una nomenclatura adecuada para poderlos nombrar a todos. Para ello tenemos que seguir los siguientes pasos:

1. Establecer la cadena ms larga del compuesto a considerar y si existen varias posibilidades, la ms sustituida.

2. Nombrar los sustituyentes: Los sustituyentes se nombrarn de acuerdo con el hidrocarburo de idntico nmero de tomos de carbono cambiando su terminacin -ano por la de -il o -ilo. Hay que tener en cuenta que los radicales ramificados ms sencillos tienen nombres especiales:

Frmula del radical nombre del hidrocarburo nombre del radical

Metano Metil

Etano Etil

Propano Propil

propano isopropilo

metilpropano isobutilo

butano secbutilo

metilpropano terbutilo

propeno vinilo

3. Numerar la cadena principal: La cadena principal se numera de un extremo al otro escogiendo aquel sentido en el que se d a los sustituyentes el nmero ms bajo posible.


8

4. Cuando hay varios sustituyentes idnticos, se agrupan indicando con un prefijo el nmero de ellos, (di, tri, tetra ... ), pero numerndolos todos segn sus posiciones.

en el ejemplo que nos ocupa hay dos metil, ambos en el carbono 2 y un etil en el carbono 4.

5. Los sustituyentes se nombran por orden alfabtico (sin incluir el prefijo multiplicativo) y a continuacin el nombre del hidrocarburo correspondiente a la cadena principal. Los nmeros que indican las posiciones de los sustituyentes se separan por comas, y las ramificaciones por guiones:

6. Cuando el sustituyente es a su vez ramificado se nombran sus ramificaciones como

sustituyentes, empezando a nombrar los tomos de carbono por el ms cercano a la cadena principal. Por ejemplo:

7. Si la cadena de tomos de carbono es cerrada se llama con el prefijo ciclo y el nombre del hidrocarburo con el mismo nmero de tomos de carbono.


9

9.3.2.- Propiedades fsicas y qumicas. Los alcanos con menos tomos de carbono son gases. El pentano ya es lquido a temperatura ambiente. A medida que el peso molecular aumenta, su punto de fusin aumenta y tambin su punto de ebullicin y su densidad (en el caso de lquidos). Una ramificacin hace descender el punto de ebullicin en unos 8-10 C, (los ismeros tienen puntos de ebullicin diferentes). Los ciclo alcanos (CnH2n) tienen propiedades similares a los hidrocarburos del mismo nmero de tomos de carbono, aunque su punto de ebullicin es algo superior. Los hidrocarburos saturados son especialmente inertes en la mayora de las reacciones qumicas. No obstante reaccionan con halgenos a elevadas temperaturas y con ayuda de catalizadores dando lugar a derivados halogenados. La reaccin no conduce a un nico derivado halogenado sino a varios:

CH4 + Cl2 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 En condiciones severas de presin y temperatura, los hidrocarburos de alto peso molecular se rompen en fragmentos ms pequeos. Este proceso se llama "cracking" y es de mucho inters para la obtencin de la gasolina (octano) a partir de hidrocarburos de mayor nmero de tomos de carbono. Pero la reaccin por excelencia de los hidrocarburos es la combustin; se combinan con oxgeno (arden) para dar dixido de carbono y agua liberando gran cantidad de energa:

CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 n CO2 + (n+1) H2O

Esta reaccin constituye la base de todas las aplicaciones de los hidrocarburos como combustibles y sobre ella se basa nuestra economa, salud y bienestar. El calor liberado va aumentando de forma regular al aumentar el nmero de carbonos del hidrocarburo (unos 660,44 KJ/mol por cada grupo -CH2. El metano tiene una entalpa de combustin de 886,16 KJ/mol; el etano de 1.569,14 KJ/mol: el propano 2.219,58 y as sucesivamente, el decano 6.771,60 KJ/mol. La fuente principal de los hidrocarburos es el petrleo que se encuentra a profundidades variables tanto en sedimentos terrestres como submarinos, sometido a grandes presiones. El petrleo se puede definir como materia orgnica formada fundamentalmente por hidrocarburos lquidos, con otros gaseosos y slidos en disolucin, acompaada muchas veces de agua salada. Se trata de hidrocarburos, desde el metano hasta especies complejas con ms de 40 tomos de carbono que no pueden destilarse sin una descomposicin previa.


10

9.4.- Alquenos. 9.4.1.- Estructura. Los alquenos son hidrocarburos con algn carbono con hibridacin sp2, es decir tienen algn doble enlace. Los ms sencillos tienen la frmula CnH2n. Segn la posicin del doble enlace pueden ser alquenos interiores o terminales presentando pequeas diferencias de reactividad. 9.4.2.- Nomenclatura.

La forma de nombrarlos es igual que los alcanos del mismo nmero de tomos de carbono pero indicando la posicin del doble enlace y cambiando la terminacin -ano por -eno. Por ejemplo:

9.4.3.- Propiedades fsicas. Los puntos de ebullicin de los alquenos son ligeramente inferiores al de su alcano correspondiente. Sin embargo al no poder tener el doble enlace un movimiento de rotacin se presenta la isomera cis - trans. Consiste en que si los sustituyentes de un carbono unido a un doble enlace son diferentes pueden dar lugar a compuestos diferentes, segn la disposicin espacial que adopten. Por ejemplo:

Se aplica la denominacin trans cuando los dos grupos ms voluminosos estn en contraposicin y cis si estn en idntica posicin.


11

9.4.4.- Reacciones qumicas de los alquenos. La presencia de un doble enlace le da a la molcula una reactividad mucho mayor que la de los alcanos. a) Reacciones de adicin al doble enlace: 1.- Adicin de halgenos:

Por ejemplo:

Esta reaccin es muy fcil de realizar a temperatura ambiente y es tpica para diferenciar alcanos de alquenos. 2.- Adicin de hidrcidos: Por ejemplo:

La adicin de los halgenos se verifica por el carbono ms sustituido (regla de MarKownikoff):


12

3.- Hidrogenacin del doble enlace: Se realiza con hidrgeno gaseoso y en presencia de un catalizador adecuado, (Nquel si la presin es alta y Platino o Paladio a presiones ordinarias).

b) Oxidacin del doble enlace: Es una reaccin muy utilizada para conocer la posicin del doble enlace. Los agentes oxidantes ms utilizados son el ozono (O3), y el permanganato potsico (KMnO4) en medio cido. Los alquenos terminales dan el cido con un carbono menos y CO2:

Los dobles enlaces internos dan dos cetonas (o una cetona y un aldehdo):


13

9.5.- Alquinos. 9.5.1.- Estructura y nomenclatura. Son molculas que tienen carbonos con hibridacin sp (tienen triples enlaces). La forma de nombrarlos es igual que los alcanos pero cambiando la terminacin -ano por -ino:

9.5.2.- Propiedades fsicas. El punto de ebullicin aumenta con respecto a los alcanos:

Compuesto Peb (C) Compuesto Peb (C) Butano - 0,5 Propano - 42,1

1 Buteno - 6,3 Propeno - 47,7 1 Butino 8,3 Propino - 23,2

9.5.3.- Reacciones qumicas. Las reacciones de los alquinos son muy similares a las de los alquenos por ejemplo la adicin de Bromo:

9.6.- Hidrocarburos aromticos. La caracterstica comn de todos los hidrocarburos aromticos es que presentan un anillo cclico de seis tomos de carbono con tres enlaces dobles alternados y sin embargo no presentan las reacciones tpicas de los alquenos (adicin y oxidacin del doble enlace). Kekule propuso en 1865 las dos estructuras siguientes para la molcula aromtica ms sencilla, el Benceno:

Supuso que la molcula real era un intermedio entre las dos. Posteriormente se observ que el benceno es plano y que todos sus carbonos son equivalentes siendo la distancia C-C de 1,39 . La moderna teora de orbitales moleculares, explica la estructura del benceno suponiendo que los orbitales p de los tomos de carbono crean una densidad electrnica continua paralela al plano del anillo y los electrones


14

de dichos orbitales p, estn deslocalizados a lo largo del anillo lo que hace que estos supuestos dobles enlaces no sean atacados. Entonces la estructura del benceno se representar de la siguiente forma:

Esta deslocalizacin de electrones hace que la molcula sea muy estable, lo que podra demostrarse de la siguiente manera:

H = - 28,6 Kcal/mol

Si hubiese tres dobles enlaces: H = - 28,6 x 3 = - 85,8 Kcal/mo Sin embargo para el benceno:

H = - 49,8 Kcal/mol

lo que indica que la molcula es ms estable ya que se desprende menos energa en la reaccin. Los principales hidrocarburos aromticos son:

Compuesto Nombre Pfusin (C) Pebullicin

(C) Densidad a 20 C (gr/cm3 )

Benceno 5,5 80,1 0,879

Tolueno - 9,5 110,6 0,867

o - xileno - 25,2 144,4 0,880


15

m - xileno - 47,9 139,1 0,864

p - xileno 13,3 138,4 0,861

Bifenilo 69,2 254 -------

Estireno - 30,6 145,2 0,906

Naftaleno 80,3 218 -------

Antraceno 216,2 340 -------

9.6.1.- Reacciones qumicas del benceno. No presenta reacciones de adicin al doble enlace, pero las reacciones de sustitucin si son relativamente fciles: a) Halogenacin: Estas reacciones se realizan en ausencia de luz y en presencia de un catalizador (suele ser tricloruro de aluminio AlCl3). Todas estas reacciones de sustitucin consisten en la formacin de un catin altamente reactivo:


16

y luego:

con lo que el catalizador se recupera. b) Sulfonacin: Se realiza tratando el benceno con cido sulfrico:

c) Nitracin: Se realiza tratando el benceno con cido ntrico:

d) Reaccin de Friedel-Crafts: Es una reaccin de sustitucin que consiste en la introduccin de un grupo alquilo o alconilo en el ncleo bencnico:


17

donde X es un halgeno que normalmente es el cloro.

Date post:	09-Sep-2015
Category:	Documents
Upload:	jesus-alberto-ponce-catalan
View:	256 times
Download:	0 times

09 La Quimica Del Carbono

Documents