REPORTE DE LA PROPUESTA DE ESTUDIO: CLAVE: 20062051 . TITULO: ELABORACIÓN DE MATERIAL DIDÁCTICO DE QUÍMICA ORGANICA II PARA LA REALIZACIÓN PARCIAL DE UN POLILIBRO

ESTE REPORTE INCLUYE 2 PARTES: 1.- APUNTES 2.- INSTRUCTIVO PARA ACCESO AL CURSO VIA INTERNET PARA LA SECCIÓN DE LOS APUNTES SE CONSIDERARON LAS SIGUIENTES PARTES:

• Carátula • Contenido-resumen • Solo las portadas de las 7 unidades • Glosario • Bibliografía • Indice • A los lectores

Para la parte del Instructivo se incluye:

• Toda la información de acceso

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

ACADEMIA DE QUIMICA Y POLIMEROS

- REACCIONES - MÉTODOS DE OBTENCIÓN - NOMENCLATURA - PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS - USO DE COMPUESTOS QUIMICOS

AUTOR: ING. JOSE MARIA MOTA FLORES

UNIDAD

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INTRODUCCION Hoy la Química esta unificada, los mismos principios usados para explicar los compuestos inorgánicos más simples, también explican las moléculas orgánicas más complejas, la única característica distintiva de los compuestos orgánicos es que todos tienen como elemento predominante al Carbono. Sin embargo la división entre ambas Químicas se conserva por que ha resultado ser adecuado para fines educativos. En 1861 Kekulé publicó su obra y dio a la ciencia de la Química Orgánica su definición moderna: “es el estudio de los compuestos del Carbono”. Si a la Química la podemos definir como la ciencia que estudia los compuestos que contienen Carbono, también podemos decir que están incluidos los compuestos que contienen: H, O, N, S, P, Cl, etc. 1.1 Halogenuros de alquilo Su fórmula general es R – X. Donde R es un radical alquilo 1ario, 2ario, 3ario, y X es un halógeno. Los halogenuros de alquilo son importantes porque constituyen la base para la síntesis de muchos otros compuestos por ejemplo: Aminas, azidas, alcoholes, éteres, tioesteres y diferentes halogenuros de alquilo, alquenos, etc. Lo anterior es debido a que los halogenuros de alquilo presentan reacciones de Sustitución Nucleofílica (SN1 o SN2) ) o reacciones de eliminación (E1 o E2). 1.1.1 Nomenclatura Los compuestos se nombran de acuerdo a IUPAQ (Union internacional para la Química Pura y Aplicada), o bien mediante el sistema común Nomenclatura IUPAQ.

• Se numera la cadena continua mas grande que contenga al halógeno, indicando la posición de éste

• Se usa el prefijo cloro, bromo, yodo o flúor • Se numeran las otras ramificaciones • Se da en nombre del compuesto utilizando la raiz griega con la terminación

correspondiente al alcano

UNIDAD

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PREPARACIÓN DE ALCOHOLES 2.1 ESTRUCTURA Son compuestos que tienen grupos hidroxilo unidos a átomos de carbono saturados, con hibridación sp3. Fórmula general R – OH .Aquí se excluyen los fenoles y los enoles debido a que es muy diferente la Química de ellos. Los alcoholes se consideran derivados orgánicos del agua, donde uno de los hidrógenos es sustituido por un grupo orgánico. Un tetraedro Hibridación sp3 Los alcoholes están ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas aplicaciones industriales y farmacológicas. El etanol, por ejemplo, se usa en infinidad de bebidas, como solvente industrial y como aditivo en combustibles. Otro alcohol natural es el mentol que se encuentra En la menta y se usa como saborizante en dulcería y en perfumería. Mentol 2.1.1 Clasificación y nomenclatura Se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, de acuerdo a como este unido el OH al “C” conocido como carbono carbinólico.

UNIDAD

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REACCIONES DE ALCOHOLES 3.1 REACCIONES POR RUPTURA DEL ENLACE CARBONO –

OXIGENO Deshidratación de alcoholes Esta reacción se puede presentar con H2SO4 diluido en THF y a 50 º C También se presenta deshidratación con H3PO4 y con calor Ejemplo 1 Ejemplo 2 3.1.1 REACCIONES CON HALOGENUROS DE HIDRÓGENO La reacción de sustitución de alcoholes con HX para formar un halogenuro de alquilo tiene una rapidez máxima en alcoholes terciarios. R – OH + HX R – X + H2O R3COH > R2CHOH > RCH2OH > CH3OH 3ario 2ario 1ario metanol mas menos reactivo reactivo

REACTIVIDAD

UNIDAD

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ÉTERES Y EPÓXIDOS Estructura y nomenclatura de éteres y epóxidos Los éteres son moléculas que se consideran derivadas del agua, así como los alcoholes, pero en el éter los 2 átomos de H están sustituidos por 2 grupos alquilo, o sea R – O – R. Si el O se une a 2 Carbonos formando un ciclo entonces se forman los epóxidos. Los éteres son muy estables ya que no reaccionan con los álcalis ni con el HCl ni con reactivos nuclefílicos por eso se usan como disolventes. Los éteres tienen enlaces sencillos entre el grupo funcional y los grupos alquilos, los carbonos tienen estructura tetraédrica por lo tanto su hibridación es sp3. Los éteres pueden ser simétricos (si los grupos alquilo son iguales o asimétricos si los grupos alquilo son diferentes. Sus ángulos entre C – O – C es de 110 º Momento dipolar del dietil éter = 1.18 D Nomenclatura de los éteres Nomenclatura IUPAQ

- se localiza la cadena mas larga que contenga el grupo O la cual servirá como cadena padre o matriz para nombrar el éter y se considera al O como si fuera – CH2 –

- se numera la cadena empezando por el lado donde esta mas cerca el O - Si hay ramificaciones, éstas se localizan por medio de numeración establecida - Si los grupos alquilo se repiten, se usan los prefijos di, tri, tetra, penta, etc. - Por ultimo se antepone la palabra oxa al nombre del alcano

Sistema OXI

- Nombrar al grupo alcoxi correspondiente a – OR al grupo ArO – se denomina fenoxi.

- Luego agregar el nombre del alcano correspondiente al otro grupo alquilo Nomenclatura Común

- iniciar el nombre con la palabra éter. - Nombra el radica alquilo y agregar el nombre del otro radical con la terminación

ïlico como derivado del alcohol del cual proviene

UNIDAD

ALDEHÍDOS Y CETONAS 5.1 Estructura y nomenclatura Los aldehídos y cetonas son compuestos orgánicos estructuralmente similares que contienen un grupo carbonilo (enlace entre (Carbono y Oxigeno) el cual lo puede uno encontrar en una infinidad de moléculas biológicas, en agentes farmacéuticos, en derivados de ácidos y en una gran variedad de compuestos químicos sintéticos. Los aldehídos se representan por la fórmula general RCH = O, donde R representa un Radical alquilo primario, secundario, terciario o arilo, y las cetonas se representan como R (R) C = O y también sus R pueden ser iguales o diferentes. En ambos compuestos y observando el grupo carbonilo se nota un enlace sigma fuerte y un enlace pi débil. Su geometría es trigonal plana con angulos de enlace de 120 ºC Aldehído Cetona Grupo acilo En el doble enlace del grupo carbonilo, dado que el carbono y el oxígeno tienen diferentes electronegatividades, se presentan estructuras de resonancia que generan polarización de la estructura, lo cual hace posible la reacción de adición nucleofílica de diferentes reactivos para producir una gran variedad de compuestos de gran interés. Resonancia El grupo carbonilo, presente en los aldehídos y cetonas genera polaridad en ellos y esto se puede ver en la siguiente tabla: Tabla numero 5.2 Momentos dipolares de algunos compuestos con grupo carbonilo Tipo de grupo funcional

Fórmula Momento dipolar Observado (D)

5

Carbonilo

R Rπσ

Tabla numero 5.1 Angulo y longitud de enlace en aldehídos y cetonasAngulo de enlace( º ) Longitud de enlace Aº H – C – C 118 C = O 1.22 C –C – O 120 C – C 1.50 H – C – O 120 C – H 1.09

Aldehido HCHO 2.33

UNIDAD

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ACIDOS CARBOXILICOS 6.1 Estructura y Nomenclatura La fórmula general de los ácidos carboxílicos es la siguiente: Se puede ver que tienen un grupo carbonilo y un oxidrilo, a cuyo carbono se encuentra unido a un grupo radical alquílico, aromático o vinílico. Presentan el carácter ácido de los alcoholes y la polaridad parecida a la de los aldehídos y las cetonas. El ácido acético es el principal componente del vinagre y el ácido butanoico es el que se forma en la mantequilla rancia. Los ácidos carboxílicos son la base para obtener otros derivados como ésteres, amidas, anhídridos y nitrilos. Nomenclatura IUPAQ

1. Se localiza la cadena más larga que contenga el grupo carboxilo, la cual servira como cadena madre o matriz.

2. Se enumera la cadena empezando por el “C” del carboxilo 3. si existen ramificaciones, éstas se localizan por medio de la numeración

establecida 4. Si los grupos alquilo se repiten, se usan prefijos di, tri, tetra, penta, etc. 5. Se antepone la palabra “ácido” y se cambia la terminación “o” del alcano por

“oico”. Nomenclatura común

• El sistema común o trivial nombra a los ácidos considerando el nombre del latín o Griego de los ácidos carboxílicos, que indican la fuente natural del ácido.

• En caso de existir ramificaciones, éstas se designan utilizando el alfabeto griego, designando con la letra alfa al carbono adyacente al “C” del carboxilo.

UNIDAD

DERIVADOS FUNCIONALES DE ACIDOS CARBOXILICOS 7.1 Estructura. Nomenclatura y propiedades físicas de cloruros

de ácido, anhídridos, amidas y ésteres 7.1.1.- Nomenclatura de los halogenuros de ácido Nomenclatura IUPAQ de los halogenuros de ácido

• Se localiza la cadena mas larga que contenta el grupo carboxilo halogenado, la cual servirá como cadena padre o matriz

• Se enumera la cadena por el lado mas cercano al grupo carboxilo halogenado • Si existen ramificaciones, éstas se localizan por medio de la numeración

establecida • Si los grupos alquilo se repiten, se usan los prefijos: di, tri, tetra, penta, etc • Cambiar terminación “oico” por “oilo”y se antepone la palabra del alcano

Nomenclatura Común

• Nombrar conforme al nombre del Latín o del Griego considerando la fuente natural del ácido donde se localizaron.

• Eliminar la palabra “ácido” y agregar “haluro de” • Cambiar la terminación “oico” por “ilo”. Para ramificaciones usar las letras del

alfabeto griego.

Tabla numero 7.1 Estructura y nomenclatura de los cloruros de ácido Nomenclatura Sistema IUPAQ Sistema común

Cloruro de metanoilo Cloruro de formilo

Cloruro de etanoilo Cloruro de acetilo

Cloruro de propanoilo Cloruro de propionilo

Sistema IUPAQ Sistema común

Fenil cloruro de metanoilo Cloruro de benzoilo

2-fenil cloruro de etanoilo α -fenil cloruro de acetilo

2-metil cloro de propanoilo cñprirp de ospbitoñp

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GLOSARIO

Acido de Bronsted: Sustancia que dona un ion hidrógeno (un protón)) a una base. Acido de Lewis: Sustancia que tiene vacante un orbital de baja energía y que puede

aceptar un par de electrones de una base: Todos los electrófilos son ácidos de Lewis, pero las sales de los metales de transición, como AlCl3 y ZnCl2, son los mas característicos al respecto.

Afinidad electrónica: Medida de la tendencia de un átomo a ganar un electrón y formar un anión. Los elementos del lado derecho de la tabla periódica, como los halógenos, tienen mayor afinidad electrónica que los elementos del lado izquierdo.

Alcano normal: Alcano de cadena lineal, en oposición a un alcano ramificado. Estos alcanos se nombran con el prefijo n, con en n-C5H10.(llamado n-putano).

Alifático: Son los hidrocarburos no aromáticos. Ejemplo alcanos, alquenos y alquinos. Alílico: Calificativo que sirve para definir la posición proxima a un doble enlace. Por

ejemplo: H2C = CHCH2Br es un Bromuro alílico, y un radical alílico es unaespecie estabilizada por resonancia y conjugada en la cual un electrón no pareado está en un orbital p adyacente a un doble enlace.

Base conjugada: Anión que resulta de la disociación de un ácido de Lewis. Carbanión: Es un carbono aniónico. Es toda sustancia que contiene un átomo de

Carbono trivalente con una carga negativa. Los carbaniones tienen hibridación sp3 y 8 electrones en la capa exterior del átomo de carbono con dicha carga negativa.

Carbeno: Sustancia neutra que contiene un átomo de carbono divalente con solo 6 electrones en su capa exterior.

Carbocatión: Carbono catiónico. Sustancia que contiene un átomo de carbono trivalente, con carga positiva y solo 6 electrones en su capa exterior. Los carbocationes tienen hibridación sp2 y una configuración geométrica planar.

Concertado: Se refiere a una reacción que se realiza en un solo paso, sin intermediarios. Por ejemplo, la reacción de cicloadición de Diels-Alder la cual se realiza en un paso concertado.

Constante dieléctrica: Medida de la capacidad de un solvente de acturar como aislante de carga electrica. Los solventes con constantes dieléctricas elevada son muy polares y de gran utilidad en reacciones SN1 debido a su capacidad de estabilizar la carga positiva que se desarrolla en el carbocatión intermediario.

Deshidratación. Reacción en la cual la materia prima pierde agua. La mayoría de los

alcoholes pueden ser deshidratados para formar alquenos, pero los productos de condensación aldólica ( β -hidroxicetonas) se deshidratan con notable rapidez.

Deshidrohalogenación. Reacción en la cual el reactivo pierde HX. Los halogenuros de alquilo producen alquenos por deshidrohalogenación cuando se tratan con una base fuerte.

Efecto inductivo: Efecto de atracción de electrones que se transmite a través de enlaces

sigma debido a un dipolo cercano. Los elementos electronegativos tienen un efecto

inductivo atrayente de electrones, mientras que en los elementos electropositivos ese efecto es donador de electrones.

Electrófilo: sustancia que acepta un par de electrones de un nucleófilo, formando un enlace en una reacción polar.

Electronegatividad: Capacidad de un átomo de atraer electrones y de este modo, polarizar un enlace. Como regla general, la electronegatividad aumenta al dirigirse hacia la derecha y hacia arriba de la Tabla periódica.

Enlace covalente: Enlace en el cual dos átomos comparten electrones. Enlace de Hidrógeno: Atracción débil (5 kcal / mol) entre un átomo de H(el cual esta

unido a un átomo electronegativo) un par electrónico no compartido de otro átomo (N, F, O). Estos enlaces (llamados también puente de Hidrógeno), estan presentes en la estructura secundaria de las proteínas y en la doble hélice del DNA.

Enlace iónico: Enlace entre dos iones debido a la atracción eléctrica de cargas opuestas. Los enlaces iónicos se forman entre elementos fuertemente electronegativos (como los halógenos) y elementos fuertemente electroplositivos (como los metales).

Enlace pi: Enlace covalente formado por la superposicion lateral de los orbitales atómicos. Por ejemplo, los dobles enlaces carbono- carbono contienen una unión pi formada por la superposición lateral de dos orbitales p.

Enlace sigma: Unión covalente formada por la superposicion frontal de orbitales atómicos.

Grupo funcional: átomo o grupo de átomos en una molécula que tienen reactividad

química característica. Los grupos funcionales tienen el mismo comportamiento químico en todas las moléculas pertenecientes a dicho grupo.

Jabón: Mezcla de sales de ácidos grasos de cadena larga que se obtiene por hidrólisis basica de una grasa animal.

Lípidos: se les llama a las estructuras de: grasas, terpenos, prostaglandinas y

esteroides. Longitud de enlace: Distancia entre dos átomos unidos entre sí. Momento dipolar, μ (dipole moment) medida de la polaridad de una molécula. El

momento dipolar se presenta cuando en una molécula no coinciden los centros de gravedad de las cargas positiva y negativa.

Nucleófilo: Especie que dona un par de electrones por lo tanto tiene afinidad por los

núcleos . las bases de Lewis son nucleofilos. Número de onda: Recíproco de la longitud de onda dada en cm; así los números de

onda se expresan en cm-1. Péptido: polímeros de aminoácidos unidos por enlace amida. Pueden ser dipeptidos,

tripéptidos o polipéptidos (de 4-79 aminoácidos).

Peróxido: Molécula de la siguiente forma: R – O – O – R’ Radical: en nomenclatura química organica, este término se refiere a una parte de una

molécula que aparece en su nombre, por ejemplo, “fenilo” en el acetato de fenilo. Sin embargo, químicamente un radical es una especie que tiene némero impar de electrones, como el radical cloro, Cl conteniendo un electrón.

Reacción en cadena: Reacción que se mantiene por sí sola, una vez iniciada, a través de un ciclo repetitivo y sin fin de los pasos de propagación. Por ejemplo la cloración por radicales de los alcanos gracias a la intervención de la luz.

Reacción por radicales: Reacción en la cual se forman enlaces por donación de un

electrón por parte de cada uno de los dos reactivos, y se rompen enlaces cuando cada fragmento se lleva un electrón (ruptura homolítica)

Reaccion de segundo orden: Reacción cuyo paso limitante de la velocidad de reacción

de reacción es bimolecular, y cuya cinética depende por tanto de la concentración de los dos reactivos.

Reacción unimolecular: Reacción en la que participa sólo el sustrato. Sin la intervención de otros reactivos. Por ejemplo, la disociación de un halogenuro d alquilo terciario en la reacción SN1 es un proceso unimolecular.

Saponificación:Proceso mediante el cual se hidroliza un ester con una base para

obtener la sal de un acido carboxílico. Solvente aprótico polar: Solvente polar que no puede actuar como donador de iones

hidrógeno. Solventes apróticos polares como dimetil sulfóxido (DMSO), hexametilfosforamida (HMPA) y dimetilformamida (DMF) son particularmente útiles en reacciones SN2 debido a su capacidad de solvatar cationes.

Solvente prótico: Solvente como el agua o el alcohol, que puede actuar como donador de protones. Los solventes próticos son particularmente aptos para estabilizar aniones por formación de puentes de hidrógeno, con lo que reducen su reactividad.

Vinílico: Calificativo que se refiere a un sustituyente en un átomo de carbono con doble enlace. Por ejemplo, el cloroetileno es un cloruro vinílico, y los enoles son alcoholes vinílicos.

BIBLIOGRAFÍA 1.- Heliodoro Hernández Luna, Roberto Flores Rangen, Flor del Monte Arrazola D., Martinez R. V M. Gómez Sierra C. G. Grupos funcionales I. IPN, 2004 2. Fox, Mary Ann., y Whitesell J. K., Química Orgánica, 2a Edicion, Pearson Educacion, 2000 3. Morrison y Boyd, Química Orgánica. 5ª. Edición, Addison Wesley Longman. 1998 4. Mc Murry, J. Química Orgánica. Grupo Editorial Iberoamericanol. Cornell Univ. E. U. A. 1994

A LOS LECTORES Se realizó este material con el propósito de contar con una información que se pueda aplicar en la realización de un polilibro. A la vez que se busca incrementar la motivación en los alumnos para la adquisición de conocimientos. Este material didáctico sirve de base y lo podrán consultar los alumnos de Ingenieria Química y Polimeros de la ESIQIE, que deseen posteriormente estudiar Química avanzada. Los temas tienen una secuencia que se relaciona directamente con el Plan y Programa de estudios aprobado por la Academia. Aquí se puede ver lo relativo a Nomenclatura, Reacciones, Métodos de obtención propiedades de los compuestos y su aplicación. Por lo anteriormente expuesto, espero que este material sea de utilidad y que contribuya a la formación educativa de los alumnos, con lo cual se estaría alcanzando uno de los objetivos importantes que a todo profesor interesa.

EL EDITOR

INSTRUCTIVO

Se echa mano de la plataforma educativa que posee el Centro de Tecnología Educativa- Este Software se caracteriza por poner a disposición de los alumnos vía Internet cualquier información que en este caso pretende aumentar el conocimiento en los alumnos sobre Química Organica II Tambien es posible poner a disposición de los alumnos: Los profesores tienen su clave mediante la cual pueden entrar al curso Tambien los alumnos tienen su clave la cual es dada de alta por el Profesor

• Ejercicios con y sin respuesta • Exámenes cuya evaluación puede estar a disposición del profesor.

A continuación se indican los pasos para acceder al material educativo 1.- Consultar la página: www.eaprendizaje.ipn.mxAparecerá la siguiente pantalla 2.- A continuación dar clic en: inicio de sesion. Aparecerá la siguiente pantalla y al dar clave de usuario y contraseña

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