2.1 ENLACE COVALENTE, IÓNICO Y COORDINADO EN COMPUESTOS DE CARBONO
TIPOS DE ENLACE COVALENTE:
b.1. ENLACE SIGMA()
Se forman entre dos átomos de un compuesto covalente, debido a la superposición directa o frontal de los orbitales; es más fuerte y determina la geometría de la molécula. Dos átomos enlazados comparten un par de electrones de enlace, aportando cada uno de ellos, un electrón al par electrónico de enlace. Las uniones químicas también se clasifican de acuerdo al tipo de orbitales participantes en el enlace, así como a su orientación en: enlace sigma, y enlace pi, . En el enlace sigma se conocen tres tipos, los cuales se describen a continuación:
Enlace sigma “s” ( s ). se manifiesta cuando se recubren dos orbitales “s”
Enlace sigma “sp” ( sp ).- ocurre cuando se une un orbital “s” y un orbital “p”.
Enlace sigma “p” ( p ).- se observa cuado dos orbitales “p” se recubren en forma longitudinal.
b.2. ENLACE Pi ( )
Se forma después del enlace sigma; es el segundo o tercer enlace formado entre dos átomos, debido a la superposición lateral de los orbitales “p”. Sus electrones se encuentran en constante movimiento.
Enlace Doble y Triple
·ENLACE COVALENTE POLAR:
Los Enlaces Iónicos y Covalentes representan extremos en los tipos de enlaces de los compuestos; la propiedades físicas y químicas determinan que los enlaces que hay entre ellos no son iónicos ni covalentes, si no, son covalentes polares.
Los compuestos que tienen enlace covalente polar se llaman compuestos polares.
Los compuestos polares tienen propiedades intermedias entre los iónicos y los covalentes. Sus moléculas son dipolos interactuando entre si y con otras moléculas iónicas o polares
Estas reacciones tienen lugar cuando el enlace covalente se rompe de manera equitativa; esto es cada uno de los fragmentos que surgen de la ruptura se lleva consigo a uno de los electrones que formaban parte del enlace original. Normalmente, este proceso da lugar a especies radicalarias, que son entidades químicas con un número impar de electrones. La formulación general de un proceso de homólisis es:
Reacciones de heterólisis
Este tipo de reacciones se producen cuando la rotura del enlace es asimétrica, es decir, uno de los fragmentos del enlace se queda con los dos electrones del enlace covalente original. Normalmente, este proceso origina una especia cargada negativamente y otra cargada positivamente, tal y como se describe a continuación:
Clasificación por la forma en la que se forman los enlaces.
Las reacciones orgánicas también se pueden clasificar atendiendo al proceso de formación los enlaces como:
a) Reacciones de coligación
b) Reacciones de coordinación
Reacciones de coligación.
Estas reacciones se producen cuando dos radicales libres se unen formando un enlace covalente. Este proceso es el inverso al de homólisis.
Reacciones de coordinación.
Reciben este nombre las reacciones en las que se enlazan un anión (o una especie con un
exceso de densidad electrónica) y un catión (o una especie con huecos electrónicos). Este proceso es el inverso al de heterólisis.
Estructura y estabilidad de los radicales
Los radicales libres presentan hidridación
y son planos. A diferencia de los carbocationes el orbital
desapareado. A continuación, se describe la estructura orbitálica del radical metilo (CH
Un radical, al igual que un carbocatión, es una especie deficiente en electrones porque le falta el
octeto alrededor del átomo de carbono. Al igual que los carbocationes, los radicales también se
estabilizan por el efecto inductivo electrón-dador que ejercen las cadenas alquílicas, de manera que se
puede predecir que un radical terciario será más estable que uno secundario y éste más que uno
primario.
Tema 2. Reactividad Química.
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De igual modo, e l a ume n t o d e l a e s ta b i l i d a d d el carbocatión alilo se explica por el
efecto estabilizante de deslocalización de la carga positiva entre dos estructuras resonantes
equivalentes.
Los carbocationes presentan una característica muy importante que es la
carbocationes
tiene la posibilidad de pasar a otro más estable lo hará mediante una transposición.
La transposición consiste en la migración de un átomo de hidrógeno o resto alquilo con su par de
electrones desde un carbono vecino al que tiene la carga hacia el carbono con carga positiva, de
manera que ahora la carga está en el carbono de donde procedían los átomos que han emigrado.
transposición de los. Esto significa que si nosotros tenemos un intermedio de naturaleza carbocatiónica y
H
3C CH CH2
H
1,2 H
CH CH
H3C3
H
3C CH CH2
H
CH
3
1,2 H
- H3C CH CH3
CH
3
H
3C CH CH2
CH
3
CH
3
1,2 CH
-
3
H
3C CH CH2
CH
3
CH
3
Transposiciones de grupos más voluminosos que el metilo son complicadas.
Si en una reacción se advierte en los productos finales que ha habido una transposición se puede
afirmar que el mecanismo de la reacción ocurre a través de carbocationes. Lo contrario no tiene por
qué ser cierto.
7.2. Carbaniones.
Un carbanión presenta también, al igual que los carbocationes un carbono trivalente (tres
enlaces). Sin embargo, el carbanión es una especie cargada negativamente y, por tanto, porta una
carga negativa y, alrededor del átomo de carbono, hay ocho electrones que corresponden a los tres
enlaces y a un par solitario. Al contrario que los carbocationes, el carbanión no es deficitario en
electrones sino que tiene abundancia de electrones. El átomo de carbono del carbanión presenta
Tema 2. Reactividad Química.
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De igual modo, e l a ume n t o d e l a e s ta b i l i d a d d el carbocatión alilo se explica por el
efecto estabilizante de deslocalización de la carga positiva entre dos estructuras resonantes
equivalentes.
Los carbocationes presentan una característica muy importante que es la
carbocationes
tiene la posibilidad de pasar a otro más estable lo hará mediante una transposición.
La transposición consiste en la migración de un átomo de hidrógeno o resto alquilo con su par de
electrones desde un carbono vecino al que tiene la carga hacia el carbono con carga positiva, de
manera que ahora la carga está en el carbono de donde procedían los átomos que han emigrado.
transposición de los. Esto significa que si nosotros tenemos un intermedio de naturaleza carbocatiónica y
H
3C CH CH2
H
1,2 H
CH CH
H3C3
H
3C CH CH2
H
CH
3
1,2 H
- H3C CH CH3
CH
3
H
3C CH CH2
CH
3
CH
3
1,2 CH
-
3
H
3C CH CH2
CH
3
CH
3
Transposiciones de grupos más voluminosos que el metilo son complicadas.
Si en una reacción se advierte en los productos finales que ha habido una transposición se puede
afirmar que el mecanismo de la reacción ocurre a través de carbocationes. Lo contrario no tiene por
qué ser cierto.
7.2. Carbaniones.
Un carbanión presenta también, al igual que los carbocationes un carbono trivalente (tres
enlaces). Sin embargo, el carbanión es una especie cargada negativamente y, por tanto, porta una
carga negativa y, alrededor del átomo de carbono, hay ocho electrones que corresponden a los tres
enlaces y a un par solitario. Al contrario que los carbocationes, el carbanión no es deficitario en
electrones sino que tiene abundancia de electrones. El átomo de carbono del carbanión presenta
Tema 2. Reactividad Química.
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hibridación
solitario de electrones,
Como se acaba de ver, los grupos alquilo, como el grupo metilo, ceden densidad electrónica por
efecto inductivo. Estos sustituyentes, y otros electrón-dadores, aumentan la inestabilidad de los
carbaniones al provocar una elevada concentración de densidad electrónica en el carbono
aniónico. En consecuencia, el orden de estabilidad de los carbaniones es opuesto al de los
carbocationes.
Por otro lado, también se observa que los carbaniones procedentes alquinos son más estables
que los procedentes de alquenos y éstos a su vez que los procedentes de alcanos. Es decir, la
estabilidad disminuye conforme disminuye el carácter
sp3 y es, por tanto, tetraédrico. Una de las posiciones tetraédricas está ocupada por el pars del orbital híbrido.
R C C
R CH C
R' R''
R C C
R' R''
R''''
> >
50% carácter
R'''''s 33% carácter s 25% carácter s
Esta diferencia puede explicarse fácilmente en función de la naturaleza del orbital ocupado por el par
aislado de electrones en los tres aniones. El anión metilo tiene una estructura piramidal con el par de
electrones aislados en un orbital que es aproximadamente
aislados están en un orbital
electrones alojados en orbitales
sp3. En el anión vinilo los pares de electronessp2. En el ion acetiluro el par aislado está en un orbital sp. En general, loss se mantienen más cerca del núcleo que los alojados en los orbitales
sp2 en el átomo de carbono deficiente en electronesp no está vacío sino que contiene al electrón3·).
7.4. Carbenos.
Los carbenos son intermedios de reacción sin carga que contienen un átomo de carbono
divalente. El carbeno más sencillo es el :CH
un carbeno se explica admitiendo una hibridación
carbeno es trigonal. El orbital
híbridos
Como ciencia, la química debe su existencia, por supuesto, al cambio químico: la conversión de una sustancia en otra. Moléculas antiguas son transformadas en otras nuevas, lo cual significa que deben romperse enlaces antiguos para generar otros nuevos; en su mayoría enlaces covalentes, en lo que respecta a la química orgánica.
Hemos visto que la rupturade un enlace covalente puede ocurrir de dos maneras fundamentalmente diferentes, dependiendo de lo que suceda con los dos electrones que forman el par enlazante: en la homólisis, va un electrón a cada fragmento; en la heterólisis, van ambos electrones al mismo fragmento. Los sustantivos <<homólisis>> y heterólisis sólo se utilizan en su sentido literal, para indicar la ruptura de enlaces. No obstante, los adjetivos <<homolítico>> y <<heterolítico>> a falta de términos más adecuados se emplean en un sentido más general, para incluir también el proceso de la construcción de enlaces, pudiéndose definir así dos clases muy amplias de reacciones orgánicas.
Por consiguiente, las reacciones homolíticas son aquellas en las que se quitan o se proporcionan los electrones del par enlazante individualmente, tanto si se rompen enlaces,
como si se forman: A:B --- A° + B°
A° + B° --- A:B
O si se rompen y forman simultáneamente,
C:
Cada uno de los átomos que se separan lleva uno de los electronesenlazantes, y cada uno de los átomos que se juntan, proporciona uno de los electrones de enlace.
Reaccciones heterolíticas son aquellasen las cuales los electrones enlazantes se quitan o se proporcionan en pares. Tanto si se rompen enlaces.
O si se rompen y forman simultáneamente,
Uno de los átomos que se separa lleva ambos electrones de enlace, y uno de los átomos que se une proporciona el par.
La química homolítica es, por tanto, la química del electrón impar, mientras que la química heterolítica es la del par de electrones. Mientras la primera se ocupa de partículas neutras, conocidas como radicales libes, la segunda tiene que ver con cargas positivas y negativas, es decir, con cationes y aniones. Las reacciones homolíticas suelen producirse en la fase gaseosa, o en disolventes cuya funciónprincipal se reduce a proporcionar un medio inerte que permita el movimiento libre de moléculas reaccionantes. Las reacciones heterolíticasse realizan generalmente en solución, y los disolventes tienen, como veremos, efectos muy poderosos; la magnitud de su poder está empezando a conocerse ahora.
Hasta aquí, la reacción que más nos ha venido ocupando la sustitución de radicales, ilustrada por la halogenación de los alcanos forma parte de la química homolítica.
Comencemos ahora el estudio de la química heterolítica. La mayor parte de la química orgánica es heterolítica, siendo ésta la que más trataremos en el resto del libro. Tal como sucede con la halogenación, la reacción con la que empezamoses una sustitución, pero de un tipo muy diferente: es heterolítica y del tipo específico llamado sustitución nucleofílica alifática.
2 y se denomina metileno. La estructura electrónica desp2 en el carbono, de forma que la geometría delp está vacío y el par electrónico libre se encuentra en uno de los orbitalessp2.
Las reacciones orgánicas se pueden clasificar atendiendo a la forma en la que se rompen y se
forman los enlaces químicos en dos grandes grupos:
Al igual que en los alcanos, para nombrar los alquenos se siguen una serie de reglas:
Para el nombre base se escoge la cadena continua de átomos de carbono más larga que contenga al enlace.
La cadena se numera de tal manera que los átomos de carbono del doble enlace tengan los números más posibles.
Para indicar la presencia del doble enlace se cambia la terminación "ano" del nombre del alcano con el mismo número de átomos de carbono de la cadena más larga que contenga el doble enlace por la terminación "eno".
2- penteno
La posición del doble enlace se indica mediante el número que le corresponde a uno de los átomos de carbono del doble enlace. Este número se coloca antes del nombre base:
Los sustituyentes tales como halógenos o grupos alquilo se indica mediante su nombre y un número de la misma forma que para el caso de los alcanos.
Compuestos aromáticos
La serie aromática se construye sobre la estructura del benceno.
benceno
Derivados del benceno
Los derivados del benceno se nombran anteponiendo el nombre del sustituyente a la palabra benceno. Por ejemplo
etilbenceno nitrobenceno clorobenceno
Algunos derivados del benceno se conocen por sus nombres comunes
tolueno anilina fenol
ácido benzoico benzaldehído
Los derivados disustituídos del benceno son tres el orto, el meta y el para.
orto meta para
Y se nombran indicando las posiciones relativas de los sustituyentes. Por ejemplo:
o-dibromobenceno m-cloronitrobenceno p-clorotolueno
Los derivados tri y poli sustituídos del benceno se nombran utilizando números que indiquen las posiciones relativas de las mismas.
Si los grupos son iguales la secuencia será la de menor combinación de números.
1,2,3- trinitrobenceno
Si los grupos son diferente, se escoge un grupo como 1 y los demás se numeran respecto a este.
Haluros de alquilo
Al nombre del hidrocarburo correspondiente se antepone el prefijo flúor, cloro, bromo o yodo, con un número el cual indica la posición del halógeno.
2-cloropropano 3-bromo-1-propeno iodo-cicloalcano
Alcoholes
Se elige la cadena más larga que contiene el grupo hidroxilo (cadena fundamental). Esto forma la base del nombre del compuesto, cambiando la terminación "o" del hidrocarburo correspondiente por el sufijo "ol".
La numeración de la cadena fundamental se realiza de modo que la posición del hidroxilo quede establecida por el número menor posible.
Se nombran las ramificaciones y sustituyentes indicando sus posiciones mediante números.
Ejemplos:
metanol etanol 1-propanol 2-propanol
3-metil-2-butanol 6-metil-4-octanol
Para nombrar los fenoles se utiliza, como en los alcoholes el-ol al nombre del hidrocarburo aromático. Los fenoles se nombran con mayororto, meta, para.
Nomenclatura de fenoles.
Los fenoles tienen el mismo grupo funcional, pero unido a un anillo aromático Ar -OH.
sufijo frecuencia como derivados del fenol. Los otros sustituyentes del anillo se localizan con un número o mediante los prefijos
A veces ciertos fenoles se nombran como hidroxicompuestos.Ejemplos:
2-hidroxinaftaleno 3-hidroxitolueno 1,3-dihidroxibenceno
El grupo hidroxilo también se nombra como sustituyente cuando se encuentra presente en la misma molécula un ácido carboxílico, un aldehido o alguna cetona, ya que tienen prioridad en la nomenclatura. Aldehídos2 = CH - CH2 -OH 2- propen-1-ol (Alcohol alílico)
La cadena mayor que contiene al grupo funcional –CHO, se considera como base para nombrar al compuesto.
La terminación "o" del alcano, se cambia por "al".
Las posiciones de los sustituyentes, se indican mediante los números menores posible, reservando el 1 para el carbono carbonílico.
metanal etanal propanal
2-metilpentanal 3-metilpentanal
Cetonas
Se considera la cadena mayor la que contiene el grupo carbonilo como base y la terminación "o" del alcano correspondiente se cambia por "ona".
Las posiciones de los sustituyentes se indican mediante números, utilizando el menor número posible para el grupo carbonilo.
propanona butanone 2-pentanona
Ácidos carboxílicos
Sigue las mismas reglas que para los aldehídos, solo que comienzan a nombrarse con la palabra ácido y se cambia la terminación "al" del aldehído por "oico"
ácido metanoico ácido etanoico ácido propanoico
ácido 2-metilbutanoico ácido 3-metilbutanoico
Derivados de ácidos carboxílicos
La nomenclatura de estos derivados de ácido está relacionada con el nombre del ácido carboxílico correspondiente.
Haluros de ácidos
cloruro de etanoilo bromuro de propanoilo
Se cambia la terminación "oico" del ácido por "oilo" y se le antepone el nombre del haluro.
Anhídridos de ácidos
Al nombre del ácido, se antepone la palabra anhídrido.
Ejemplos:
anhídrido etanoico anhídrido propanoico
Ésteres
La porción de la molécula que corresponde al ácido, se termina con la partícula "ato" y la que corresponde al alcohol, se termina en "ilo".
etanoato de metilo etanoato de etilo 2,2-dimetilpropanoato de etilo
Amidas
Se cambia la terminación "oico" del ácido carboxílico por la palabra amida.
etanamida propanamida 2,2-dimetilpropanamida
Aminas
Se le adiciona el sufijo amina al radical hidrocarbonato al que está unido.
metilamina dimetilamina trimetilamina
Las aminas mixtas se nombran como derivados de las aminas que contienen el radical más largo.
N-metil-N-etilbutilamina N,N-dimetilbencilamina
Nombre sistemático de los alcanos
CH4
Metano
C6H14
Hexano
C2H6
Etano
C7H16
Heptano
C3H8
Propano
C8H18
Octano
C4H10
Butano
C9H20
Nonano
C5H12
Pentano
C10H22
Decano
Anexo 1. Nombre sistemático de los alcanos
Anexo 2: Grupos alquilos
Un grupo alquilo es un grupo formado por la eliminación de un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo. Ejemplos:
metilo etlilo
propilo isopropilo
isobutilo ter-butilo
pentilo isopentilo
El guión al final de cada grupo representa el enlace mediante el cual el grupo alquilo se une a otro grupo.
Bibliografía
Fessenden Ralf j., Fessenden Joan. S, Organic Marshall W. Logue. An International Thomson Publishing. Company, 1998.
Mc. Murry John. Organuc chemistry JTP. An International Thomson Publisking Compary 1984.
Solomons, G."Química Orgánica" University of South Florida 1997.
Estructura del nombre El nombre de un alcano está compuesto de dos partes, un prefijo que indica el número de carbonos de la cadena seguido del sufijo -ano que caracteriza este tipo de compuestos, (met-ano, et-ano, prop-ano, but-ano).
Elección de la cadena principal
Encontrar y nombrar la cadena más larga de la molécula. Si la molécula tiene dos o más cadenas de igual longitud, la cadena principal será la que tenga el mayor número de sustituyentes.
Numeración de la cadena principal
Numerar los carbonos de la cadena más larga comenzando por el extremo más próximo a un sustituyente. Si hay dos sustituyentes a igual distancia de los extremos, se usa el orden alfabético para decidir cómo numerar.
Formación del nombre
El nombre del alcano se escribe comenzando por el de los sustituyentes en orden alfabético con los respectivos localizadores, y a continuación se añade el nombre de la cadena principal. Si una molécula contiene más de un sustituyente del mismo tipo, su nombre irá precedido de los prefijos di, tri, tetra, ect.
La hibridación es un fenómeno que consiste en la mezcla de orbítales atómicos puros para generar un conjunto de orbítales híbridos, los cuales tienen características combinadas de los orbítales originales.
La configuración electrónica desarrollada para el carbono es:
El primer paso en la hibridación, es la promoción de un electrón del orbital 2s al orbital 2p.
El átomo de carbono forma un enlace doble y dos sencillos
Hibridación sp
En este tipo de hibridación sólo se combina un orbital “p” con el orbital “s”.Con este tipo de hibridación el carbono puede formar un triple enlace.
Geometría molecular
El tipo de hibridación determina la geometría molecular la cual se resume en el siguiente cuadro.
Geometría molecular tetraédrica.- El carbono se encuentra en el centro de un tetraedro y los enlaces se dirigen hacia los vértices.
Geometría triangular plana.- El carbono se encuentra en el centro de un triángulo. Se forma un doble enlace y dos enlaces sencillos.
Geometría lineal.- Se forman dos enlaces sencillos y uno triple.
Estos orbítales son idénticos entre si, pero diferentes de los originales ya que tienen características de los orbítales “s” y “p”.combinadas. Estos son los electrones que se comparten. En este tipo de hibridación se forman cuatro
Numeración de la cadena principal
