Módulo 5: Química Orgánica PDF

CONTENIDO Introducción. Reacciones inorgánicas: hidruros, halogenuros, calcogeniuros, ácidos y bases. Reacciones orgánicas: moléculas orgánicas. Reacciones de adición. Reacciones de eliminación. Reacciones de sustitución. Reacciones entre ácidos y bases. Las...

CONTENIDO Introducción. Reacciones inorgánicas: hidruros, halogenuros, calcogeniuros, ácidos y bases. Reacciones orgánicas: moléculas orgánicas. Reacciones de adición. Reacciones de eliminación. Reacciones de sustitución. Reacciones entre ácidos y bases. Las enzimas y las reacciones químicas.  INTRODUCCIÓN Una reacción química o cambio químico es todo proceso químico en el cual dos o más sustancias (llamadas reactantes), por efecto de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Reacciones inorgánicas son aquellas en las que los centros de reacción no son átomos de carbono.  Ácidos y bases de Bronsted-Lowry Un ácido de Brønsted es cualquier molécula o ion dadora de protones (iones hidrógeno, H+). Una base de Brønsted es cualquier molécula o ion aceptora de protones (iones hidrógeno, H+). Una reacción ácido-base es una transferencia de un H+ del ácido a la base Donde HA y BH+ son ácidos y B y A – son bases. Los ácidos y bases relacionados entre sí se dice que son conjugados. Así HA y BH + son ácidos conjugados de las bases A– y B, respectivamente. Ácidos y bases de Bronsted-Lowry Las sustancias que son a la vez ácidos y bases de Brønsted se llaman anfipróticas. Ejemplos: H2O, HCO3– , HS– , HSO4–  Fuerza de ácidos y bases de Brønsted La constante del equilibrio será tanto mayor, cuanto mayor sea la fuerza del ácido y de la base. Obsérvese que eso implica que cuanto mayor sea la fuerza de un ácido menor es la de su base conjugada, y viceversa. Podemos realizar una clasificación de los ácidos (y lo mismo para las bases) por su fuerza ácida si medimos la constante de equilibrio frente a una base de referencia, por ejemplo el agua: De esta forma podemos distinguir entre ácidos (y bases) fuertes (reaccionan casi completamente con el agua) y débiles (reaccionan parcialmente). Además podemos ordenar los ácidos (y bases) débiles de acuerdo a su fuerza, pero no los fuertes.  Ácidos y bases de Lewis Lewis formuló en 1923 una definición alternativa a la de Brønsted: Un ácido de Lewis es un ion o molécula aceptor de pares electrónicos. Una base de Lewis es un ion o molécula dador de pares electrónicos. En una reacción ácido-base, el ácido y la base comparten el par electrónico aportado por la base, formando un enlace covalente, A + :B A—B. Todos los ácidos y bases de Brønsted son ácidos y bases de Lewis. La definición de una base de Brønsted como aceptora de H+, por ejemplo H+ + B BH+ , no es más que un caso particular de base de Lewis, donde H+ es el ácido de Lewis. Sin embargo, muchos ácidos de Lewis no son ácidos de Brønsted. Por ejemplo, SO3 (SO3 + H2O H2SO4)  Ácidos y bases blandos y duros. En realidad, la escala de fuerza ácida depende de la base escogida como referencia, de forma que un ácido puede ser más fuerte que otro frente a una base pero más débil frente a otra. Para los ácidos y bases de Lewis se han desarrollado reglas cualitativas que permiten preveer su fuerza y estimar qué clases de bases preferirá un ácido determinado y viceversa.  Hidruros Los hidruros son compuestos binarios del hidrógeno con cualquier otro elemento. La siguiente tabla recoge una división tradicional de los hidruros. Los hidruros de los grupos principales pueden ser salinos o moleculares, mientras que los hidruros caracterizados de los metales de transición son metálicos.  Hidruros Los hidruros salinos son compuestos binarios del hidrógeno con los elementos más electropositivos. Son básicamente iónicos (por lo que a temperatura ambiente forman sólidos) y la carga negativa está sobre el hidruro. Los hidruros moleculares son compuestos binarios con elementos cuya diferencia de electronegatividad con el hidrógeno es menor, por lo que son fundamentalmente covalentes. Generalmente están formados por moléculas discretas y en la mayoría de casos son gases (NH3, CH4, HCl, etc) o líquidos (H2O, etc). Al avanzar desde la izquierda hacia la derecha, pasamos de compuestos polares con la carga parcial negativa sobre el hidrógeno a compuestos poco polares y a compuestos polares con la carga positiva sobre el hidrógeno. Al subir en un mismo grupo, aumenta la carga parcial positiva sobre el hidrógeno.  Hidruros Los hidruros metálicos reciben este nombre porque son conductores eléctricos. También tienen una composición variable, con un número variable de hidrógenos ocupando los agujeros (intersticios) entre los átomos metálicos del sólido. Al ser calentados, liberan hidrógeno. Podría decirse que son disoluciones sólidas intersticiales, pero parece que la red metálica se ve alterada por la entrada de hidrógeno, lo que hace pensar en una interacción química entre ambos.  Halogenuros Se llaman halogenuros a los compuestos binarios de los halógenos en estado de oxidación –1. Los halógenos son elementos muy electronegativos por lo que forman compuestos predominantemente iónicos con los metales de los grupos 1 y 2 y con los metales de transición en bajos estados de oxidación.  Halogenuros El aumento de la carga en un metal produce un aumento de su poder de polarización (y de su electronegatividad) lo que favorece el carácter covalente de sus halogenuros. Esta variación del carácter iónico-covalente de los halogenuros puede observarse en la siguiente tabla: Los halógenos forman halogenuros covalentes con otros halógenos, con otros no metales, y con metales de transición en altos estados de oxidación. Los halogenuros iónicos forman sólidos iónicos que, por tanto, tienen altos puntos de fusión. Los halogenuros covalentes pueden formar sólidos moleculares o, sobretodo los halogenuros límites entre los iónicos y los covalentes, sólidos covalentes monodimensionales (cadenas infinitas) o bidimensionales (capas). Por ello, pueden ser a temperatura ambiente sólidos, líquidos o gases.  Calcogenuros Se llaman calcogenuros a los compuestos binarios de los elementos del grupo 16 (calcógenos) en estado de oxidación –2. Los calcógenos tienen electronegatividades menores que los halogenuros, por lo que habrá más calcogenuros covalentes que halogenuros covalentes. Los calcogenuros de los grupos 1 y 2 son fundamentalmente iónicos. Sólo los óxidos de metales de transición en bajos estados de oxidación pueden considerarse iónicos. Como es lógico, al descender en el grupo (O, S, Se y Te) se produce un aumento del carácter covalente de sus compuestos con los elementos electropositivos.  Calcogenuros Los calcogenuros covalentes se presentan como sólidos moleculares o covalentes en capas o en cadenas. Los sólidos moleculares se dan preferentemente entre los óxidos de elementos de pequeño tamaño, ya que en dichos casos se favorece la existencia de enlaces dobles M=O y por tanto la naturaleza monómera del compuesto. Así SO2 y N2O3 forman moléculas discretas mientras que SeO2 y As2O3 forman redes. Las diferentes clases de Básicos óxidos en la tabla periodica. Ácidos Anfóteros Desconocidos  Moléculas orgánicas Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno. La importancia del carbono para la vida surge de su capacidad para formar enlaces covalentes con hasta cuatro átomos, incluso con otros átomos de carbono formando largas cadenas carbonadas. Estos enlaces son relativamente estables y pueden ser simples, dobles o triples, o sea que se pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones respectivamente. Las principales moléculas orgánicas a nivel bioquímico: a) hidratos de carbono; b) lípidos; c) proteínas y d) ácidos nucleicos. Principales reacciones de los compuestos orgánicos  Reacciones de adición Son reacciones en las que enlaces múltiples se transforman en enlaces sencillos. Pueden ser reacciones de adición a enlaces carbono–carbono dobles (C=C) o triples (C≡C), a grupos carbonilo (C=O) o a grupos nitrilo (C≡N). Los enlaces múltiples en alquenos y alquinos presentan una tendencia característica a participar en reacciones de adición:  Reacciones de adición en alquenos y alquinos. Las reacciones anteriores se llaman de adición electrófila porque comienzan por el ataque del electrófilo (H + , Br + , etc) al enlace múltiple. Esta es la etapa lenta, lo que justifica que la adición de H + catalice la adición de ácidos débiles.  Reacciones de hidrogenación. La reacción más simple del doble enlace es su saturación con hidrógeno. La hidrogenación requiere un catalizador:  Otras reacciones Reacciones de polimerización. Una reacción de polimerización de un alqueno puede ser considerada como una reacción de autoadición: Reacciones de cicloadición. Un ejemplo típico son las reacciones de Diels–Alder: Reacciones de adición sobre grupos carbonilo (C=O). En una adición sobre el grupo carbonilo, el electrófilo se une al oxígeno y el nucleófilo al carbono:  Reacciones de eliminación Las reacciones de eliminación son las reacciones inversas a las de adición. Normalmente requieren de alguna sustancia que cambie el sentido espontáneo de la reacción. Así en la siguiente reacción, la precipitación de KI actúa como fuerza conductora de la reacción:  Reacciones de sustitución Las reacciones de sustitución son aquellas en las que se sustituye un átomo o grupo atómico de una molécula por otro. Se pueden clasificar como reacciones de sustitución por radicales libres, de sustitución nucleófila o de sustitución electrófila. Reacciones de sustitución en haloalcanos. La siguiente adición es de sustitución nucleófila en el sentido en que el nucleófilo (OH – ) el que ataca al clorometano produciendo la sustitución.  Reacciones entre ácidos y bases Aunque menos habituales que en química inorgánica, muchas reacciones orgánicas entran dentro de esta categoría. Los ácidos carboxílicos, alcoholes y acetilenos terminales son algunos ejemplos de sustancias que pueden comportarse como ácidos, disminuyendo en el orden mencionado su fuerza ácida. Así pueden reaccionar con bases: Estos ácidos también pueden oxidar a los metales:  Reacciones entre ácidos y bases Éteres y alcoholes pueden comportarse como bases: La reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol (esterificación de Fischer) puede también considerarse una reacción ácido–base:  Las enzimas y las reacciones químicas Las enzimas son proteínas “especialistas” y controlan TODAS las reacciones químicas de nuestro cuerpo. Hay enzimas en todo lo que está vivo. Se dice que son catalizadores, porque cada reacción química necesita una enzima para que se realice, es decir, todo lo que se transforma lo hace gracias a una enzima. Características