Quimica Tema 3, Apuntes de Química. Universidad de León (ULE)
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Quimica Tema 3, Apuntes de Química. Universidad de León (ULE)

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Asignatura: quimica, Profesor: Abundio Javier, Carrera: Veterinaria, Universidad: UNILEON
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Diapositiva 1

1

Unidades constitutivas de los compuestos organicos

Tema 3.- Estructuras fundamentales saturadas.

Conformación

1. Introducción

2. Compuestos hidrocarbonados acíclicos:

Geometría y concepto de conformación

Proyecciones de Newman

3. Análisis conformacional de cadenas saturadas

4. Sistemas hidrocarbonados cíclicos:

Geometría, análisis conformacional y estereoisomería

5. Sistemas cíclicos condensados

6. Estructura y estabilidad de ciclos

2

Clasificación de hidrocarburos

Los alcanos contienen enlaces sencillos C-H y se dice que están

saturados (hidrocarburos saturados),

Los alquenos poseen enlaces dobles C=C y

Los alquinos tienen enlaces triples CΞC.

El término hidrocarburo aromático se utiliza frecuentemente para

indicar la presencia de al menos un anillo de benceno.

1. Introducción

Los compuestos que sólo contienen carbono e hidrógeno se denominan

hidrocarburos.

3

Fórmula molecular de los alcanos

Los alcanos tienen la fórmula molecular general CnH2n+2.

El término saturado se utiliza para describir a los alcanos, ya que tienen el

número máximo de hidrógenos que es posible enlazar a los carbonos, de

ahí el término hidrocarburos saturados.

Hidrocarburos saturados más sencillos:

4

Puntos de fusión de los alcanos

Los puntos de fusión de los n-alcanos de número par de átomos de

carbono son ligeramente superiores a los de los alcanos con número

impar de carbonos.

5

Puntos de ebullición de los alcanos ramificados y

lineales

Comparación de los puntos de ebullición de los alcanos lineales (azul) con

los de los alcanos ramificados (verde). Como los alcanos ramificados tienen

áreas superficiales más pequeñas, presentan puntos de ebullición más

bajos que los alcanos lineales.

6

Obtención: Cracking e hidrocracking

El cracking catalítico, a altas temperaturas, de los hidrocarburos de cadena

larga da lugar a hidrocarburos de menor número de átomos de carbono.

En el hidrocracking se añade hidrógeno para obtener hidrocarburos

saturados. El cracking sin hidrógeno proporciona mezclas de alcanos y

alquenos.

7

2. Compuestos hidrocarbonados acíclicos:

Geometría y concepto de conformación

Alcanos

Orbitales híbridos sp3

Orbitales atómicos

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2.1. Geometría: Estructura. Representaciones del metano

El alcano más sencillo es el metano, CH4. El metano es perfectamente

tetraédrico, con los ángulos de enlace de 109,5º predichos para la hibridación

sp3 del carbono. Los cuatro átomos de hidrógeno están unidos por enlaces

covalentes al átomo de carbono central, con longitudes de enlace de 1,09 Å.

Metano

9

Etano

El etano, alcano de dos carbonos, está formado por dos grupos metilo, que

solapan dos orbitales híbridos sp3 para formar un enlace sigma entre ellos.

10

Las conformaciones de una molécula son las diferentes posiciones

relativas de los átomos en el espacio como consecuencia de la rotación

alrededor de algún enlace sencillo.

Dos o más conformaciones diferentes de una misma molécula reciben la

denominación recíproca de rotámeros, confórmeros o conformómeros.

2.2. Concepto de conformación:

La libre rotación en torno a un enlace sencillo es la causa de que las

moléculas puedan adoptar un número infinito de distribuciones

espaciales, interconvertibles recíprocamente, sin ruptura de enlaces.

Estas disposiciones espaciales, fácilmente interconvertibles, no pueden

aislarse y reciben el nombre genérico de conformaciones.

11

Rotación en el etano (conformaciones)

De las infinitas conformaciones posibles como consecuencia de la libre

rotación en torno al enlace simple, no todas son igualmente probables,

dependiendo de las posibles interacciones existentes entre los grupos de

átomos de la misma molécula.

Por lo tanto, podría ocurrir que algunas moléculas pudieran encontrarse

más tiempo en unas conformaciones que en otras.

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La proyección de Newman se obtiene al mirar la molécula a lo largo del

eje C-C (eje de giro de la molécula).

El carbono frontal se representa por un punto, del que parten los tres enlaces

que lo unen a los sustituyentes.

El carbono de atrás se representa por un círculo y los enlaces que salen de

este carbono se dibujan a partir de este círculo.

2.3. Proyecciones de Newman

Proyección en el plano de los enlaces de una molécula para una

conformación dada, de todas las posibles.

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Ej.: Conformaciones y proyecciones de Newman del etano

En la proyección de Newman, la rotación alrededor del enlace sencillo C-C

produce dos conformaciones límites:

Conformación eclipsada: los átomos de hidrógeno del carbono frontal

solapan (eclipsan) a los del carbono de atrás. El ángulo diedro es de 0º.

Conformación alternada: los átomos de hidrógeno del carbono frontal están

girados 60º respecto de los del carbono de atrás. El ángulo diedro es de 60º.

Eclipsada Alternada Sesgada

14

Conformación alternada

Proyección en

caballete

Proyección modificada

de Newman

Proyección de

enlaces convencionales

Etano (C2H6)

Conformación eclipsada

Proyección en

caballete

Proyección modificada

de Newman

Proyección de

enlaces convencionales

La conformación de mayor energía es la eclipsada debido a la mayor

repulsión entre los átomos de hidrógeno, y la alternada es mínima.

Representación de las conformaciones alternada y eclipsada

del etano.

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Ej.: Conformaciones y Proyecciones de Newman del butano

Las rotaciones alrededor del enlace central del butano dan

lugar a disposiciones moleculares diferentes. Tres de esas

conformaciones tienen nombres específicos.

Para el butano existen dos conformaciones alternadas diferentes: gauche y

anti. La conformación gauche tiene un ángulo diedro de 60º entre los grupos

metilo, mientras que en la conformación anti el ángulo diedro es de 180º.

La conformación cuyo ángulo diedro entre los grupos metilo es 0º, es diferente

y se denomina totalmente eclipsada.

CH3

CH3

16

Ej.: Proyecciones de Newman para otras moléculas

La molécula se proyecta frontalmente a lo largo de un determinado

enlace.

Proyección a lo

largo del enlace

C2-C3 con el C2

como átomo

frontal

Proyección a lo

largo del enlace

C2-C3 con el C2

como átomo

frontal

Proyección a lo

largo del enlace

C2-C3 con el C3

como átomo

frontal

Proyección a lo

largo del enlace

C2-C3 con el C3

como átomo

frontal

(S)-ácido 2-

bromopropanoico (R)-ácido 2-

bromopropanoico (R)-Butan-2-ol (S)-Butan-2-ol

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3. Análisis conformacional de cadenas saturadas

Las conformaciones poseen diferente energía por lo que es posible construir un

diagrama de energía vs. rotación (ángulo diedro) en el que aparecerán máximos

y mínimos de energía (energía torsional) para los distintos confórmeros.

18

• A temperatura ambiente, esta barrera energética (diferencia de energía de

sólo 3 kcals/mol) se vence fácilmente y las moléculas rotan constantemente.

• Las conformaciones alternadas tienen una energía más baja que la

conformación eclipsada, puesto que la alternada permite que las nubes de

electrones de los enlaces C-H estén lo más alejadas posibles.

Ej.: Análisis conformacional del etano La energía torsional del etano en su conformación alternada es la más baja.

La conformación eclipsada tiene una energía más alta, aprox. 3,0 kcal/mol

(12,6 kJ/mol).

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Estabilización de la conformación alternada

Efecto estérico

A medida que los átomos de hidrógeno van acercándose, desde la posición

alternada a la eclipsada, sus nubes electrónicas van aproximándose por lo que

aumenta la repulsión electrónica (la energía del sistema aumenta). A medida

que se van distanciando los átomos de hidrógeno desde la posición eclipsada

sus nubes electrónicas se van alejando, disminuyendo la repulsión electrónica

(la energía se hace mínima).

Hiperconjugación

Mayor estabilización de la conformación alternada debido a un efecto de

hiperconjugación (mas que a un efecto estérico). Se consigue una óptima

estabilización por deslocalización interna de la densidad electrónica

20

Ej.: Análisis conformacional del propano

Cuando un enlace C-C del propano gira, la energía torsional varía más o

menos como en el caso del etano, pero con 0,3 kcal/mol (1,2 kJ/mol) de

energía torsional adicional en la conformación eclipsada, puesto que el

grupo metilo ocupa más espacio que un átomo de hidrógeno.

Al igual que con el etano, las conformaciones alternadas del propano

tienen una energía más baja que las conformaciones eclipsadas.

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Ej.: Análisis conformacional del butano

Las conformaciones eclipsadas tienen una energía más

elevada que las conformaciones alternadas del butano,

especialmente la conformación totalmente eclipsada. Entre

las conformaciones alternadas, la anti es la que tiene la

energía más baja, ya que las nubes de electrones de los

grupos metilo están lo más alejadas posible.

22

Conformación totalmente eclipsada del butano

La conformación totalmente eclipsada del butano es 1,4 kcal (5,9 kJ) más

energética que las otras conformaciones eclipsadas, ya que los grupos metilo

de los extremos están tan próximos que sus nubes de electrones experimentan

una fuerte repulsión (tensión estérica o impedimento estérico).

Las otras conformaciones eclipsadas tienen una energía

más baja que la conformación totalmente eclipsada, pero

aun así son más inestables que las conformaciones

alternadas

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Cicloalcanos

La fórmula molecular de los cicloalcanos es CnH2n, con dos átomos de

hidrógeno menos que un alcano de cadena abierta.

Sus propiedades físicas se parecen a las de los alcanos.

4. Sistemas hidrocarbonados cíclicos:

Geometría, análisis conformacional y estereoisomería

Cicloalcanos más sencillos:

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El Ciclopropano es el cicloalcano más sencillo con fórmula molecular: C3H6.

Consta de tres átomos de carbono unidos entre sí formando un anillo.

Cada átomo de carbono está, a su vez, unido a dos átomos de hidrógeno.

Las uniones entre los átomos de carbono son mucho más débiles que la típica

unión C-C.

Se debe al ángulo de 60° existente entre los átomos de carbono, mucho menor

que el ángulo normal de 109.5° entre átomos con orbitales híbridos sp3. La

tensión en este ángulo debe ser sustraída de la energía de unión normal C-C,

por lo que el compuesto resultante es más reactivo que un alcano acíclico y

otros cicloalcanos de mayor tamaño.

Distintas formas de

representar al

Ciclopropano

4.1. Geometría

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Estructura del ciclopropano

El ciclopropano es el único cicloalcano plano.

Disposición espacial (Orientación de los hidrógenos)

(Tres puntos siempre están contenidos en un plano)

Los orbitales sp3 de los carbonos que forman el ciclo se solapan

curvándose hacia el exterior, para disminuir la tensión, dando lugar a unos

enlaces curvos llamados enlaces banana (enlaces más largos y débiles

que los correspondientes a los alcanos normales).

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