Transcript Quimica Orgánica ESTRUCTURA DR. CARLOS ANTONIO RIUS ALONSO DEPTO. QUIMICA ORGANICA FACULTAD DE QUIMICA UNAM AGOSTO 2007

Quimica Orgánica
ESTRUCTURA
DR. CARLOS ANTONIO RIUS ALONSO
DEPTO. QUIMICA ORGANICA
FACULTAD DE QUIMICA
UNAM
AGOSTO 2007
Diagrama de la densidad electrónica del
orbital atómico 1s
La densidad electrónica es más alta cerca del núcleo y disminuye
exponencialmente al aumentar la distancia al núcleo en cualquier dirección.
Diagrama de la densidad electrónica del
orbital atómica 2s.
Los orbitales 2s tienen una pequeña región de densidad electrónica elevada próxima al
núcleo, pero la mayor parte de la densidad electrónica está alejada del núcleo, más allá
del nodo o región de densidad electrónica cero.
Representaciones de los orbitales 2p y su
diagrama de la densidad electrónica.
Hay tres orbitales 2p, orientados unos con respecto a los otros
perpendicularmente. Se nombran según su orientación a lo largo del eje x, y o z.
Estructura de Lewis y estructura
desarrollada del metano.
Mientras que en las estructuras de Lewis un enlace se representa con dos
puntos, en la fórmula desarrollada se representa con una línea. Cada línea
cuenta con dos electrones, por lo que un enlace sencillo es una línea (2
electrones), un enlace doble se representa mediante dos líneas (4 electrones)
y un enlace triple a través de tres líneas (6 electrones).
Estructuras de Lewis de compuestos con
pares solitarios de electrones.
Tal y como muestran las siguientes estructuras, existe un par solitario de electrones
en el átomo de nitrógeno de la metilamina y hay dos pares solitarios en el átomo del
oxígeno del etanol. Los átomos de los halógenos normalmente tienen tres pares
solitarios, como se muestra en la estructura del clorometano.
Una estructura de Lewis correcta debe mostrar todos los pares de electrones,
enlazantes y no enlazantes. Los químicos orgánicos a menudo no muestran los
pares solitarios de electrones para ahorrar tiempo.
Estructura de Lewis de compuestos con
enlaces dobles y triples.
Los ejemplos siguientes muestran compuestos orgánicos con dobles enlaces. En
cada caso, se comparten cuatro electrones (dos pares) entre dos átomos para
formar octetos. Se utiliza una doble línea (=) para simbolizar el doble enlace.
Los átomos pueden compartir más de un par de electrones con objeto de
completar su octeto. La compartición de dos pares de electrones se denomina
enlace doble y se representa mediante dos líneas en la fórmula desarrollada.
Modelos de enlace para el carbono, el nitrógeno, el
oxígeno, el hidrógeno y los halógenos.
El carbono es tetravalente, el nitrógeno trivalente y el oxígeno divalente. Tanto el
hidrógeno como los halógenos son monovalentes, pero mientras que el hidrógeno
cumple la regla del dueto, los halógenos tienen un octeto completo con tres pares
solitarios de electrones alrededor de ellos.
El carbono necesita formar cuatro enlaces para completar su octeto, por lo que se
refiere como tetravalente. El nitrógeno normalmente tendrá tres enlaces y un par
solitario de electrones (trivalente), mientras que el oxígeno forma dos enlaces y tiene
dos pares solitarios de electrones (divalente). El hidrógeno cumple la regla del dueto,
por lo que solamente formará un enlace (monovalente). Los halógenos forman
solamente un enlace y tienen tres pares solitarios de electrones.
Escala de electronegatividad de Pauling.
La electronegatividad es una guía para predecir la naturaleza polar de los enlaces y la
dirección del momento dipolar. Cuanto más electronegativo sea el átomo, más
"arrastrarán" los átomos a los electrones enlazantes hacia ellos. El elemento más
electronegativo de la tabla periódica es el flúor, con un valor de electronegatividad de
Pauling de 4,0. Aunque el carbono tiene una electronegatividad ligeramente más
elevada que el hidrógeno, un enlace C-H se considera no polar a efectos prácticos.
Modelos de enlace más frecuentes en química
orgánica.
Formas resonantes para el ión
[H2CNH2]+.
Algunas de las estructuras de los compuestos no es adecuado representarlas
mediante una sola estructura de Lewis. Cuando son posibles dos o más estructuras
de enlace de valencia, que difieren sólo en la colocación de los electrones, la
molécula suele mostrar características de las dos estructuras. A estas estructuras
diferentes se las conoce como estructuras de resonancia o formas resonantes, ya que
no son compuestos diferentes, sino formas diferentes de representar el mismo
compuesto. La molécula real se dice que corresponde a un híbrido de resonancia de
sus formas resonantes.
Formas resonantes para el ión acetato.
Por ejemplo, la acidez del ácido acético se incrementa por efecto de la resonancia.
Cuando el ácido acético pierde un protón, el ión acetato resultante tiene una carga
negativa deslocalizada sobre los dos átomos de oxígeno. Cada átomo de oxígeno
posee la mitad de la carga negativa y su deslocalización estabiliza el ión. Cada uno
de los enlaces carbono-oxígeno es intermedio entre un enlace doble y un enlace
sencillo, por lo que se dice que su orden de enlace es de 1 1/2.
El agua puede desprotonar el ácido acético para producir el ión acetato. La
resonancia puede estabilizar el ión acetato. La carga negativa se deslocaliza sobre los
átomos O-C-O en dos formas resonantes equivalentes. La forma resonante verdadera
es un híbrido entre ambas estructuras.
Contribuyentes de resonancia mayor y menor para el
formaldehído.
No todas las formas resonantes son equivalentes. El contribuyente de resonancia
mayor tiene todos los octetos completos y no tiene una separación de cargas en sus
átomos. El formaldehído tiene dos formas resonantes, una de ellas es muy polar,
con una carga positiva parcial en el carbono y una carga negativa parcial en el
oxígeno. Esta estructura es una forma resonante menor.
Fórmulas estructurales condensadas.
Las fórmulas estructurales
condensadas se representan sin
mostrar todos los enlaces
individuales en la molécula. Si
un grupo se repite se puede
encerrar con un paréntesis y un
subíndice puede especificar las
veces que se repite la unidad.
Fórmulas condensadas para compuestos con enlaces
dobles y triples.
En las fórmulas
condensadas los
enlaces dobles y
triples se
representan igual
que en las
estructuras de
Lewis mostrando
dos líneas para un
enlace doble y tres
líneas para un
enlace triple
Representaciones lineoangulares.
La fórmula lineoangular (también llamada estructura esquelética o de barras) es una forma breve de
representar los compuestos orgánicos. Los enlaces entre los átomos de carbono están representados por
líneas. Los átomos de carbono vienen dados por el punto del principio o final de la línea y por los puntos de
encuentro de las líneas. Los átomos de nitrógeno, de oxígeno y los halógenos se escriben con su símbolo,
pero los átomos de hidrógeno no se simbolizan a no ser que vayan unidos a elementos que se han
simbolizado
Disociación de ácidos en agua.
La teoría Arrhenius, que se desarrolló al final del siglo diecinueve, ayudó a
proporcionar un mejor entendimiento de los ácidos y las bases. Los ácidos se
definían como sustancias que se disocian en el agua para formar iones H3O+. Se
asumió que los ácidos más fuertes, tales como el ácido sulfúrico (H2SO4), se
disociaban mucho más que los ácidos débiles, tales como el ácido acético
(CH3COOH).
Ácidos y bases de Brönsted-Lowry.
Los ácidos son capaces
de ceder protones a las
bases. Cuando una base
acepta un protón, se
convierte en un ácido
capaz de devolver ese
protón. Cuando un ácido
cede un protón, se
convierte en una base
capaz de aceptar de
nuevo ese protón.
Fuerza relativa de algunos ácidos inorgánicos y
orgánicos frecuentes, y sus bases conjugadas.
Si se conoce el valor de
pKa de algunos
compuestos orgánicos
frecuentes, nos
ayudará a comprender
los mecanismos de
capítulos futuros.
Cuanto más bajo es el
valor de pKa, más
fuerte es el ácido y
cuanto más elevado es
el valor de pKa, más
fuerte es la base
conjugada.
Efectos estructurales en la acidez.
Efecto de la estabilización por resonancia sobre la fuerza ácida
de algunos compuestos orgánicos frecuentes.
Estabilización por resonancia. La carga negativa de una base conjugada puede estar
deslocalizada entre dos o más átomos, y estabilizada por resonancia. Dependiendo de la
electronegatividad que tengan esos átomos y de cómo se comparta esa carga, la deslocalización
por resonancia con frecuencia es el efecto dominante en la estabilización de un anión. Observe
las bases conjugadas siguientes. El etóxido tiene una carga negativa localizada en un átomo de
oxígeno; el ión acetato tiene una carga negativa compartida por dos átomos de oxígeno y el ión
metanosulfonato tiene una carga negativa extendida sobre tres átomos de oxígeno. Los ácidos
conjugados de esos aniones muestran que los ácidos son más fuertes si su desprotonación da
lugar a bases conjugadas estabilizadas por resonancia.
Formación de enlaces entre un nucleófilo y
un electrófilo.
Las definiciones ácido-base de Lewis incluyen reacciones que no tienen relación con los protones que se
consideran como reacciones ácido-base. A continuación se muestran algunos ejemplos de reacciones ácidobase de Lewis. Observe que los ácidos y las bases de Brönsted-Lowry también están incluidos dentro de la
definición de Lewis, siendo el protón un electrófilo. Las flechas curvadas se usan para mostrar el movimiento
de los electrones, generalmente desde el nucleófilo al electrófilo.