Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA CURSO DE QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL AUTORA: LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Química Santiago de Cali, 2001
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Origen importancia estructura_propiedades_de_compuestos_organicos
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Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química
UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA
CURSO DE
QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL
AUTORA:
LUZ MARINA JARAMILLO PhD
Profesora Titular
Facultad de Ciencias - Departamento de Química
Santiago de Cali, 2001
Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química
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Origen, Importancia, Estructura y Propiedades de
los Compuestos Orgánicos
Objetivos específicos
Introducción
Contenido
1.1 ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS.......................................................................................... 5
1.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA COMO CIENCIA........................................................ 8
1.3 ESTADO ACTUAL Y PROYECCIONES DE LA QUÍMICA ORGÁNICA............................................................... 12
1.4 ESTRUCTURAS DE LEWIS Y FÓRMULAS EN QUÍMICA ORGÁNICA............................................................. 14
1.5 LONGITUDES Y ÁNGULOS DE ENLACE ................................................................................................. 21
1.6 ENERGÍA DE DISOCIACIÓN DE ENLACE: HOMÓLISIS Y HETERÓLISIS...................................................... 22
1.7
ENLACES COVALENTES POLARES Y POLARIDAD MOLECULAR. ............................................................... 25
1.10 PROPIEDADES QUÍMICAS: ÁCIDOS Y BASES...................................................................................... 41
1.10.1 Teoría de Bronsted-Lowry ....................................................................................................41
1.10.2 Teoría de Lewis ....................................................................................................................48
1.11 ORBITALES DE ENLACE EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS .......................................................................... 50
1.11.1 Estructura del Metano y el Etano: Hibridación sp3 y orbitales moleculares.........................51
1.11.2 Estructura del Eteno (Etileno): Hibridación sp2 y Orbitales Moleculares..............................56
1.11.3 Estructura del Etino (Acetileno): Hibridación spy orbitales moleculares. .............................58
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Objetivos Específicos
Al finalizar este material el estudiante estará en capacidad de:
• Describir los principales hechos históricos que sirvieron de base en la
estructuración de la Química Orgánica como disciplina científica.
• Identificar el papel protagónico de la Química Orgánica en el desarrollo de muchos
procesos tecnológicos.
• Comprender y valorar la importancia de la Química Orgánica en la interpretación de
los fenómenos asociados con la vida.
• Escribir la estructura de Lewis o la fórmula estructural de un compuesto orgánico,
conociendo su fórmula molecular.
• Dada la estructura y características geométricas de una sustancia orgánica, el
estudiante podrá predecir su polaridad y la tendencia de algunas propiedades
físicas.
• Predecir el orden creciente o decreciente de basicidad o acidez de los ácidos
conjugados de un conjunto de compuestos básicos constituidos por elementos de
un mismo periodo.
• Ordenar de acuerdo al comportamiento ácido, un conjunto de compuestos ácidos
con elementos de una misma familia.
• Describir el concepto ácido - base de Lewis.
• Identificar en una reacción ácido - base los pares conjugados ácido - base (fuerte y
débil).
• Explicar cualitativamente y a nivel de moléculas orgánicas, los procesos de
hibridación que conducen a los orbitales atómicos híbridos sp3, sp2 y sp.
• Describir la naturaleza de los enlaces C - C simple, doble y triple presentes en el
etano, eteno (etileno) y etino (acetileno) respectivamente.
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Introducción
La primera unidad comienza con una discusión sobre el origen de los Compuestos
Orgánicos, desarrollo histórico de la Química Orgánica, su estado actual y
proyecciones futuras, en un intento por motivar al estudiante novicio en esta disciplina,
para que visualice desde el principio su importancia y papel en la formación tecnológica
o profesional que va a adquirir.
Dado que en los principios de la química orgánica moderna es fundamental la
estructura o secuencia de unión de los átomos en las moléculas como también su
ordenamiento espacial o geometría tridimensional, se hace énfasis desde al comienzo
en el manejo de fórmulas de compuestos orgánicos, en sus variadas
representaciones.
También se estudian en esta Unidad la naturaleza de los enlaces y su
incidencia en la polaridad de las moléculas y cómo dicha polaridad influye o
determina las propiedades físicas de las sustancias (por ejemplo: punto de fusión,
punto de ebullición, solubilidad, etc.). Igualmente se revisan los conceptos ácido-base
por considerarse un aspecto fundamental en la comprensión de muchas reacciones
de la química orgánica. Además se describe con cierto detalle la naturaleza de los
orbitales que participan en los enlaces simple, doble y triple, carbono-carbono y como
las interpretaciones teóricas explican la geometría de las moléculas.
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" La química Orgánica actual está a punto de enloquecerme. Se me figura como un bosque tropical primigenio lleno de las cosas mas notables, una selva infinita y terrible en la que uno no se atreve a penetrar porque parece que no hay salida" Friedrich Wohler, 1835.
1.1 Origen de los Compuestos Orgánicos.
Es hoy la Química como la veía Wohler hace siglo y medio? Veamos: la selva continúa allí,
infinita, llena de interrogantes y respuestas a manifestaciones y comportamientos
maravillosos de la naturaleza, pero sobre todo mucho mas densamente poblada,
especialmente considerando que para mediados del siglo XIX solo se conocían varias
decenas de compuestos orgánicos, mientras que hoy se sabe que este número supera
fácilmente los diez millones de Compuestos del Carbono y lo sorprendente es que este
número aumenta en casi medio millón cada año! Sin embargo esta selva no es tan terrible,
aún nos atrevemos a penetrar en su manigua y esto gracias a que existe un mapa o ruta que
se conoce como la Teoría Estructural, que permite guiarnos con relativa solvencia a través de
ella.
La Teoría Estructural es el resultado del acumulamiento sistemático de millones de
antecedentes sobre cientos de miles de compuestos individuales. Es la base sobre la cual
estos hechos pueden explicarse y comprenderse mejor. Además sirve de marco de ideas
sobre el papel de los electrones en la unión y, orientación espacial de los átomos y sobre el
tamaño y geometría de las moléculas que generan dichos átomos.
Actualmente la Química Orgánica es la ciencia que estudia los compuestos que
contienen carbono. Es una de las áreas más excitantes y progresistas de la Química, la cual
se ocupa de las estructuras, reacciones y propiedades de los compuestos orgánicos. Estos
compuestos constituyen la colección más impresionante de sustancias distintas que pueda
encontrarse sobre la tierra, originados principalmente en la composición mayoritaria de dos
elementos; carbono (C) e hidrógeno (H).
Podría decirse sin exageración alguna que el hombre ha sintetizado en el laboratorio
cada compuesto químico que ha aislado y caracterizado de fuentes naturales, además de
innumerables compuestos que solo existen en su imaginación. Esto es particularmente
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evidente cuando se considera a la Química como la ciencia de las moléculas y al químico
sintético como el artista molecular.
Por supuesto que el carbono y el hidrógeno no son los únicos elementos que
contienen los compuestos orgánicos. Su espectro es mucho mas extenso e incluye:
• Hidrocarburos simples que solamente contienen carbono e hidrógeno como el metano,
etano, eteno, benceno, etc.
• Compuestos orgánicos con O, N, S, P y halógenos. Estos compuestos pueden ser
clasificados sistemáticamente por sus rasgos estructurales característicos y por su
comportamiento químico en mono, di, tri y polifuncionales.
El último grupo está constituido por innumerables sustancias de origen natural y sintético de
uso común y familiares a cualquier individuo, tales como pinturas, fertilizantes, drogas,
alimentos, fibras, plásticos, insecticidas, fertilizantes, cosméticos, etc.
El espectro de compuestos casi interminable que cubre esta disciplina científica se
evidencia al notar que la materia viviente está constituida por moléculas orgánicas complejas
como carbohidratos, proteínas, lípidos o grasas, etc. Las proteínas por ejemplo han
desarrollado una sorprendente diversidad de formas y funciones en el curso de la evolución.
Son moléculas muy complicadas con pesos moleculares que van desde varios miles hasta los
millones. Por otro lado el ácido desoxirribonucleico (ADN) está constituido por moléculas
orgánicas gigantes que contienen toda la información genética de una especie en particular.
Estas moléculas determinan las características físicas de los seres vivos como sexo, color de
los ojos, tipo de cabello, etc. En síntesis a nivel molecular la biología es química orgánica. Es
por ello que la química orgánica es fundamental para la Biología y la Medicina. Citando las
palabras del Dr. Peter Newmark editor asociado de la revista Nature en su discurso sobre el
resumen del simposio "Perspectivas de la Química en la Medicina" ( Santafé de Bogotá, junio
6 de 1986), decía: Ahora que la Química se volvió interesante la llaman Biología Molecular.
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Primeras Moléculas Orgánicas
La atmósfera primitiva de la tierra estaba constituida principalmente por gas metano, vapor de
agua, amoniaco e hidrógeno. Esta atmósfera carente de oxígeno libre, permitía el paso de
alta radiación energética que fue suficiente para la transformación de las moléculas existentes
en fragmentos altamente reactivos, que se combinaron para formar formaldehído,
aminoácidos, bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos, etc., que fueron arrastrados al mar
por la lluvia. Con el paso del tiempo el mar se convirtió en la despensa que contenía todos las
sustancias orgánicas necesarias para el surgimiento de la vida ( Teoría básica de AI. Oparin,
1923 ).
Los aminoácidos se combinaron entre si para formar las proteínas. El formaldehído se
transformó en carbohidratos, igualmente los carbohidratos, las bases nitrogenadas (purinas y
pirimidinas) y los grupos fosfatos se combinaron para originar las sorprendentes moléculas
del ADN. En algún punto y de alguna forma aún no comprendida, estas moléculas gigantes
se reunieron para formar las primeras "células" vivientes, surgiendo los organismos
unicelulares, cuya diversificación amplió la cadena hasta organismos pluricelulares mas
complejos.
El proceso de la interacción de la radiación solar y las moléculas de la atmósfera
primitiva fue experimentado en la década de los 50's por Stanley Miller (Universidad de
Chicago) al simular las condiciones de la tierra de aquella época, en un equipo especialmente
diseñado. Miller generó algunos aminoácidos haciendo saltar una chispa sobre una mezcla
de los gases CH4, H20(v), MI3, H2.
¿Que particularidad tiene el átomo de carbono que le permite formar tan extenso
y variado número de moléculas de origen natural y todas las ilimitadamente
concebibles por el hombre y sintetizadas en el laboratorio'}. Indudablemente esto se
debe a su estructura electrónica !!! El carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia,
cada uno podría aparearse con los electrones de la capa de valencia de otros elementos
hasta completarla, formando cuatro enlaces covalentes. De este modo pueden enlazarse al
carbono el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, los halógenos (F, CI, Br, I), etc.
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Son ejemplos muy sencillos:
La característica mas peculiar del átomo de carbono que lo distingue de los demás
elementos (excepto silicio) y que explica en cierta forma su papel protagónico a nivel molecular
en el origen y evolución de la vida, es su capacidad de compartir pares electrónicos con otros
átomos de carbono a través de enlaces covalentes. Estos compuestos poseen cadenas de
longitud variable, ramificaciones diversas y también estructuras anulares.
Ciclopropano 2-MetiI pentano Piperidina Cubano
1.2 Desarrollo histórico de la Química Orgánica como Ciencia
El hombre ha usado los compuestos orgánicos y sus reacciones desde la prehistoria.
Probablemente su primera experiencia deliberada con una reacción orgánica, data desde el
descubrimiento del fuego. Los antiguos egipcios por ejemplo, preservaban los cadáveres
usando un líquido para embalsamar (solución de formalina o formaldehído), además teñían
sus vestidos con los colorantes naturales índigo y alizarina. Por su parte los fenicios usaban el
colorante conocido como púrpura real el cual extraían de los moluscos.
También los hombres antiguos conocieron la sacarosa (CuffeOn), el constituyente
dulce del azúcar de caña; el alcohol etílico (C2H5OH), obtenido de la fermentación del jugo de
uva y las calidades acídicas del ácido acético (CH3COOH) del vinagre. Ellos convirtieron los
aceites vegetales y las grasas en jabones utilizando cenizas de madera, siglos antes que
los
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científicos conocieran la estructura del palmitato de sodio [CH3(CH2)14COONa+] y de
otros jabones.
Durante la edad media los alquimistas en su implacable búsqueda de La piedra
filosofal para convertir el plomo en oro, descubrieron algunas de las técnicas
experimentales para manejar los compuestos orgánicos. Es así que mediante la
destilación en seco de la madera separaron metanol (CH3OH) y acetona (CH3COCH3),
también a partir de las hormigas rojas obtuvieron el ácido fórmico (HCOOH).
En el siglo XVII los químicos obtuvieron nuevos compuestos, es así que
Rovelle en 1773 mediante extracciones sucesivas con agua y luego con etanol, aisló
la úrea de la orina, Cari Scheele, un farmaceuta sueco implemento las técnicas para
manipular compuestos orgánicos sensibles, aislando (1775-1785) los ácidos
naturales: tartárico de las uvas, cítrico de los limones y úrico de la orina, a través de
su conversión en sales insolubles de calcio y magnesio.
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ac tartárico ac cítrico ac málico
ac. úrico
ac. láctico
Entre 1775 y 1777 Lavoisier estudió y explicó el fenómeno de la combustión,
tan característico de los compuestos producidos por organismos vivientes,
demostrando en 1784 que al quemarse estos compuestos desprenden dióxido de
carbono (C02) y agua (H20).
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Compuesto orgánico + CO2 CO2 + H2O + Energía (1.1)
En 1794 investigadores holandeses obtuvieron el eteno al calentar etanol con ácido
sulfúrico. Green en 1797 en sus Fundamentos de Química distinguió los compuestos
minerales de los producidos por organismos vivos y en 1807 Berzelius designó por primera vez con el
nombre de compuestos orgánicos al conjunto de sustancias obtenidas de la materia viva. Green,
Berzelius y otros químicos contemporáneos consideraron que tales compuestos poseían además de
sus elementos químicos, una fuerza vital íntimamente ligada con el origen orgánico de dichas
sustancias, siendo imposible obtenerlas en el laboratorio a partir de sus elementos. Hacerlo sería
como convertir material inorgánico en una criatura viviente. Sin embargo , la popularidad de esta teoría
fue declinando a medida que la información de datos analíticos daban clara evidencia de que las leyes
químicas usuales que gobernaban el comportamiento de la materia inorgánica, como la Ley de las
Proporciones Múltiples eran también validas para los compuestos orgánicos.
En realidad la Química Orgánica como ciencia tiene menos de 200 años y puede decirse que
como tal comienza a partir del siglo XDC. Para este tiempo los compuestos orgánicos aumentaron de
una centena a mas de un millar. En 1805 Sertuner aisló del opio, la morfina (un alcaloide) y
Branconnot los aminoácidos glicina y leucina. Entre 1818 y 1821 Pelletier y Caventou aislaron los
alcaloides estricnina y brucina de la nuez vómica y la quinina y cinchonina de la corteza del árbol
de la quina. En 1828 Wóhler demostró que la úrea (orina de los mamíferos), podía obtenerse por
calentamiento del cianato de amonio.
NCO- NH4+ H2NCONH2 (12)
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Esta transformación se constituyó en la primera síntesis de un compuesto orgánico típico,
a partir de una sal inorgánica característica, sin el concurso directo de un organismo vivo.
En 1837 escribió Liebig "La extraordinaria y en parle inexplicable, producción de
úrea sin la asistencia de funciones vitales, por la que estamos en deuda con Wóhler, debe
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considerarse como uno de los descubrimientos con los que comienza una nueva era de la
ciencia.'" Mas tarde Wóhler y Liebig en un artículo conjunto sobre el ácido úrico, llegaron a la
conclusión que todos los compuestos orgánicos son susceptibles de síntesis. En 1844 Kolbe
sintetizó el ácido acético y en 1855 Berthelot le dio el golpe de gracia a la teoría de la fuerza
vital al sintetizar el metano.
Por otro lado durante los años 1811 y 1831, se desarrollaron mejores métodos
analíticos, por Gay-Lussac, Thenard y Dumas en París, Berzelius en Estoeolmo y Liebig en
Geisen (Alemania), considerado el pionero del análisis orgánico. Los químicos aprendieron a
determinar no solo la clase de elementos presentes en un compuesto, sino también su
proporción. Hacia la mitad del siglo XIX, estaban suficientemente desarrollados tanto los
métodos analíticos para la determinación de los elementos y grupos sustituyentes de un
compuesto orgánico, como la metodología sintética para obtenerlo a partir de materiales mas
sencillos. La estructura de los compuestos orgánicos era sin embargo un aspecto de la
Química que se resistía a los esfuerzos de la mente mas brillante. Por ejemplo se sabía que
tanto el alcohol etílico como el éter dimetílico tenían la misma fórmula (C2H6O), pero mientras el
primero hierve a 78 °C, el otro es un gas a condiciones ambientales. Es decir, ambos
compuestos tienen el mismo número y clase de átomos, pero se diferencian en la forma
como se ordenan, dando origen a diferentes estructuras moleculares. El dilema puede
apreciarse mejor observando las estructuras correctas de estos compuestos.
Alcohol etílico Dimetileter
Los químicos de aquel tiempo se enfrentaron a un problema excesivamente difícil
querían entender las estructuras de las moléculas orgánicas contando únicamente con las
reacciones químicas que transformaban dichas moléculas en otras que a su vez, les eran
también desconocidas.
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Afortunadamente entre 1858 y 1861 Kekulé en Heidelberg, Couper en la Sorbona de
París y Butlerov en la Universidad de Kasan sentaron las bases de una de las ideas
fundamentales de la Química Orgánica: La Teoría Estructural. Ellos propusieron que el
carbono era tetravalente, esto es, que forma cuatro enlaces en sus compuestos y lo mas
importante, que podía enlazarse con otros átomos de carbono.
Mas tarde en 1874 J. A. Vant'Hoff y J. A. Le Bel, trabajando independientemente
representaron estas fórmulas en tres dimensiones y demostraron que los cuatro enlaces del
metano por ejemplo, están ordenados de tal forma que apuntan hacia las esquinas de un
tetraedro regular, con el átomo de carbono en el centro (Figura 1.1).
Figura 1.1 a) Modelo de bolas y varillas del metano b) Metano proyectando el tetraedro. c) Proyección tridimensional del metano. El enlace de trazo grueso sale del plano del papel, el de trazo interrumpido está por detrás.
1.3 Estado actual y Proyecciones de la Química Orgánica
En este siglo la Química Orgánica ha evolucionado asombrosamente tanto en la comprensión
de las propiedades de los compuestos, orgánicos como también la naturaleza de sus
reacciones a través de exhaustivos estudios mecanísticos soportados con datos que ofrece la
Cinética, la Termodinámica y la Teoría Mecánico-Cuántica.
El avance tecnológico de la instrumentación como auxiliar del análisis químico le ha
permitido a los químicos dilucidar con exactitud las estructuras de los compuestos orgánicos en
tiempos relativamente cortos y separarlos de otros compuestos en mezclas de reacción y en
extractos de origen natural de plantas, insectos y fluidos biológicos. Hoy es posible preparar
en el laboratorio la mayor parte de los compuestos que la naturaleza produce y otros tantos
producto de la imaginación del hombre. Ni siquiera el complejo lenguaje que describen las Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química
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reacciones químicas se ha sustraído al progreso de los computadores. Es así como en los
laboratorios mas sofisticados del mundo se trabaja con la Síntesis Programada de compuestos
orgánicos.
El químico orgánico estudia entonces las estructuras (Como son?) y propiedades de los
compuestos orgánicos (Que hacen? Como se comportan? ). También los prepara y los transforma
a través de reacciones químicas, generalmente en materiales útiles. De esta forma se han sintetizado
las vitaminas, el colesterol, la clorofila, la morfina, la estricnina, numerosas prostaglandinas,
carbohidratos, hormonas, proteínas e innumerables polímeros.
Los bioquímicos están atacando las enfermedades a través de aquellos rasgos
moleculares que pueden ser útiles en su control. Constantemente se ensayan nuevas drogas para
respectivamente alcoholes, éteres y haluros de alquilo.
1.11 Orbitales de Enlace en Moléculas Orgánicas
El modelo de Lewis del enlace covalente como un par de electrones compartidos entre dos
átomos, no es claramente suficiente para educar la estructura molecular. Hay dos importantes
acercamientos al enlace químico que se basan en los postulalos de la Mecánica Cuántica, teoría
que describe el movimiento de los electrones en términos de su energía. Uno de los acercamientos
es la Teoría de Enlace de Valencia, la cual retiene el modelo de átomos individuales que se
aproximan para formar un enlace covalente asociado con dos electrones compartidos en la región
donde los orbitales atómicos (cada uno aportado por un átomo) hacen el solapamiento (superposición
o traslapo). Además esta teoría introdujo el concepto de orbitales híbrioas a hibridación que
consiste en la combinación de orbitales atómicos para producir otros nuevos, con diferentes
propiedades direccionales de cada átomo que participa en el enlace. Este modelo proporciona en
abundantes casos, una mejor interpretación de la geometría molecular.
El otro acercamiento al enlace químico es la Teoría de Orbital Molecular que visualiza a la
molécula como un conjunto de núcleos positivos con orbitales moleculares que se extienden a
través de la molécula como un todo, estos orbitales son ocupados por los electrones en forma
análoga a los orbitales atómicos en un átomo. Las dos teorías son complementarias, es así que en
la interpretación de los enlaces químicos en moléculas orgánicas indistintamente serán tomados
conceptos de una y otra.
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1.11.1 Estructura del Metano y el Etano: Hibridación sp3 y orbitales moleculares
En la formación de la molécula del metano, el carbono pasa por un estado de valencia hibridizado, en el cual los cuatro electrones de valencia disponibles, estarían ubicados en cuatro orbitales híbridos sp3 resultantes de la mezcla (o combinación lineal en términos matemáticos) de un orbital atómico 2s y tres orbitales atómicos 2p de la capa de valencia de carbono.
Cada orbital híbrido sp3 resultante contiene entonces, un electrón y tendría la concentración mas grande de carga eléctrica en el lóbulo mas grande de un lado del núcleo y la carga menor en el lóbulo mas pequeño del lado opuesto. (Figura 1.11).
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Figura 1.11 Proceso de hibridación y estructura de los cuatro orbitales atómicos híbridos sp3
Recordando que estos cuatro orbitales se desprenden del mismo núcleo (el átomo de
carbono) y que cargas de la misma clase se repelen, puede predecirse que estas cargas
negativas deben orientarse lo mas separadamente posible, para minimizar las repulsiones.
De esta forma los orbitales híbridos sp3 se orientan hacia los vértices de un tetraedro regular.
Por lo tanto, el carbono sp3 es tetraedral, donde los ángulos entre todos los orbitales híbridos
son aproximadamente iguales al ángulo tetraédrico (109.5 °C).
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Los orbitales sp3 tienen así, mejores propiedades direccionales, y en el metano se
combinan con los electrones 1s de los átomos de hidrógeno para producir una estructura
tridimensional en forma de tetraedro.
Ahora, desde el punto de vista de la Teoría Orbital Molecular, el solapamiento de cada orbital
sp3 de carbono con un orbital l1s de hidrógeno genera cuatro orbitales moleculares enlazantes σ
(sp3-s) de simetría aproximadamente cilindrica (Figura 1.12), y cuatro orbitales antienlazantes σ
(sp3-s), que no se muestran. En total son ocho orbitales moleculares obtenidos de ocho orbitales
atómicos, a través de la combinación de cuatro orbitales sp3 y cuatro orbitales 1s. Los ocho
electrones de valencia (4 del carbono y 4 de los cuatro hidrógenos) ocuparían los cuatro orbitales
moleculares enlazantes de energía mas baja.
Figura.1.12 Formación de orbitales moleculares del metano
La Figura 1.13 muestra la combinación de un orbital atómico de carbono sp3 y un orbital
atómico 1s de hidrógeno para formar un orbital de enlace y otro de antienlace.
El ángulo H-C-H de metano calculado experimentalmente dio un valor de 109.5° que
concuerda con lo predicho por la teoría, como también la existencia de cuatro enlaces idénticos C-H
de longitud 1.09 A, cuya energía de disociación de enlace es de 104 kcal/mol (435 kJ/).
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Figura 1.13 Combinación de un C(sp3) y un Hidrógeno 1s
Es posible entonces representar de varias formas la molécula de metano (Figura 1.14). La
estructura de puntos de Lewis (1), la fórmula estructural completa (2), la estructura condensada
(3), las cuales no muestran la estructura tetraédrica, la proyección que ilustra un modelo molecular
de bolas y varilla (4) y la representación espacial (5) (Figura 1.14): Figura 1.14 Diferentes representaciones de la molécula del metano
La molécula de etano por su parte, se forma empleando los orbitales híbridos sp3 de dos
átomos de carbono,: cada uno utiliza tres de los cuatro orbitales sp3 para combinarse con tres
orbitales 1s de los átomos de hidrógeno. Los dos orbitales sp3 restantes (uno de cada átomo de
carbono) se combinan para formar dos orbitales moleculares o (sp3-sp3).de simetría cilíndrica, y el
antienlazante σ (sp3-sp3). La formación de esta molécula se esquematiza en la Figura 1.15.
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Figura 1.15 formación del enlace (C-C) en la molécula del etano
La longitud de enlace C-C en las moléculas de etano es de 1.54 A y la de los solaces C-H 1.10 A
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Fórmula estructural condensada
Fórmula estructural completa
Fórmula de cuña
Proyección de bolas y varillas
Proyección de silla de caballo
Figura 1.16 Diferentes representaciones de la molécula del etano
Las energías de disociación de enlace son 88 kcal/mol (368 kJ/mol) y 98 kcal/mol (409.6
kJ/mol) respectivamente. La Figura 1.16 ilustra diferentes representaciones que podemos darle
a la molécula del etano.
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Un punto importante que debe resaltarse aquí es que los átomos o grupos unidos por
enlaces sigma (σ), pueden rotar libremente, ocupando distintas posiciones relativas en el espacio,
dando origen a diferentes ordenamientos llamados conformaciones.
1.11.2 Estructura del Eteno (Etileno): Hibridación sp2 y Orbitales Moleculares
Cuando un átomo de carbono está enlazado a otro átomo por un doble enlace, el átomo de
carbono está en el estado de hibridación sp2. Es el caso de la molécula de eteno.
Aquí se combinan un orbital 2s y dos orbitales 2p del carbono para formar tres orbitales
híbridos sp2, cada uno con un electrón. El orbital restante p también acomoda un electrón de la capa
de valencia. Los tres orbitales sp2 alrededor del núcleo se encuentran lo mas separadamente
posible y están dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero (ver Figura 1.17). Este es el
ordenamiento geométrico que permite minimizar las repulsiones de la densidad etectrónica. Así el
átomo de carbono con hibridación sp2 es trigonal y los orbitales que se desprenden de él forman
ángulos de enlace de 120° entre sí. El orbital 2p es ortogonal (perpendicular) al plano sobre el cual se
ubican los orbitales híbridos sp2 Al formar la molécula de eteno, los dos átomos de carbono se
combinan generando un orbital enlazante σ (sp2-sp2) y un orbital antienlazante σ* (sp2-sp2), los dos
orbitales sp2 restantes sobre cada átomo de carbono se enlazan con hidrógenos (Figura 1.17).
Aún quedan los dos orbitales 2p de cada átomo de carbono, los cuales no están
hibridizados. Estos se solapan lateralmente para formar dos nuevos orbitales moleculares: el
orbital π enlazante y el orbital π* antienlazante que constituyen un enlace adicional para los
dos átomos de carbono. Este es el enlace π que junto con el enlace o hacen parte del doble
enlace de la molécula de eteno. Esta molécula es planar con ángulos de enlace HCC y HCH
aproximadamente de 120°.
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Figura 1.17 Formación del Eteno o Etileno
Observe que a diferencia de un orbital o un orbital n no tiene simetría cilíndrica. Este orbital se visualiza como una nube electrónica por encima y por debajo del eje molecular. En la Figura 1.17 no se muestran los orbitales antienlazantes.
El enlace % con una energía de disociación de enlace de 68 kcal/mol (284 kJ/mol)., es menos estable que el enlace o con 95 kcal/mol (397 kJ/mol). En conjunto, la energía de disociación del doble enlace es de 163 kcal/mol (681kJ/mol), mucho mayor que la del enlace simple C-C en etano que es de 88 kcal/mol. La longitud del doble enlace es 1.34 A, o sea 20
A menos que el enlace simple. Así, el doble enlace es un enlace mas fuerte pero al mismo tiempo vulnerable hacia ciertos reactivos químicos debido a la movilidad de los electrones π. Otra característica importante del enlace π en el doble enlace C=C es que no permite rotación libre alrededor de él, porque se rompería. Esto determina un factor geométrico especial en las moléculas con dobles enlaces.
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1.113 Estructura del Etino (Acetileno): Hibridación sp y orbitales moleculares
Observe que en una fórmula estructural, un enlace doble se indica por dos líneas
idénticas. Pero no olvide que el doble enlace consta de dos enlaces diferentes un enlace 0 fuerte
y un enlace n mas lábil.
En la molécula de etino (HC ≡ CH) se comparten tres pares de electrones en un triple
enlace entre dos átomos de carbono con hibridación Diagonal (Figura 1.18).
Figura 1.18 Formación del Etino o Acetileno
Aquí hay solapamiento entre un orbital 2p y 2s generando dos orbitales híbridos sp con un
ángulo de 180° entre ellos. Los orbitales 2p restantes no hibridizados se orientan
perpendicularmente entre sí.
Al formar la molécula de etino lineal se solapan dos orbitales sp uno de cada átomo de
carbono generando el enlace C-C σ (sp-sp), los dos orbitales sp restantes se combinan cada uno
con su orbital Is del hidrógeno generando dos orbitales σ (sp-s). Pero el enlace C-C se
completa con el solapamiento lateral de los dos pares de orbitales 2p sin hibridizar, generando dos
enlaces π (Ver Figura 1.18). Se ha sugerido que estos dos enlaces π no son completamente
independientes sino que se solapan para formar un orbital de enlace como un cilindro que rodea al eje
internuclear.
Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química
Luz Marina Jaramillo Ph.D. Depto de Química
BIBLIOGRAFÍA
Ref. 1. Morrison, T.M. y Boyd, N.B. "Química Orgánica", 4a. Ed. , Fondo
Educativo Interamericano, 1985.
Ref. 2. Fessenden, R.J. y Fessenden, J.S., "Química Orgánica", Wadsworth