Tema 16. FUNCIONES ORGNICAS OXIGENADAS Y NITROGENADAS1.
ALCOHOLES Y FENOLESLos alcoholes y los fenoles tienen en la molcula
el grupo funcional hidroxilo: OH. En los alcoholes el grupo OH va
unido a un radical alquilo (R), mientras que en los fenoles est
unido directamente a un anillo bencnico. Alcoholes y fenoles pueden
ser considerados, desde un punto de vista formal, como derivados de
un hidrocarburo en el que se ha sustituido un H por un grupo OH.
Tambin pueden ser considerados como derivados del agua, en la que
se ha sustituido un H por un radical hidrocarbonado (R o Ar).
Nomenclatura Las reglas de la IUPAC para nombrar un alcohol son:
Seleccionar, en primer lugar, la cadena hidrocarbonada ms larga que
contenga el grupo hidroxilo y sustituir la terminacin -o
correspondiente por la terminacin -ol. Numerar la cadena de manera
que al grupo OH le corresponda el menor nmero posible. Indicar la
posicin del grupo hidroxilo utilizando este nmero. Si hay otros
sustituyentes, se indicarn sus posiciones con nmeros localizadores
que les correspondan en la cadena hidrocarbonada. Ejemplos:
Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios.
Ello depende de la posicin del carbono unido al grupo OH en la
cadena hidrocarbonada. Ser primario si dicho carbono est unido a un
tomo de C, secundario si est unido a 2 tomos de C y terciario si
est unido a 3 tomos de C. El 1-butanol es un alcohol primario, el
2-butanol es un alcohol secundario y el metil-2-propanol es un
alcohol terciario. Los tres compuestos anteriores son ismeros de
posicin, ya que tienen misma funcin orgnica en distinta posicin
dentro de la cadena hidrocarbonada (ismeros son compuestos que
tienen la misma formula molecular pero diferentes propiedades
fsicas y qumicas). Lo mismo ocurre con el 1-propanol y el
2-propanol:
Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
1
Los polialcoholes son compuestos que contienen varias funciones
alcohol en la misma cadena hidrocarbonada. Segn tengan dos, tres,
etc., se denominan dioles, trioles, etc. Los dioles o glicoles. El
1,2-etanodiol, de frmula CH2OHCH2OH, es un diol que recibe tambin
el nombre de etilenglicol. Es un compuesto que se utiliza, en
disolucin acuosa, como anticongelante. La glicerina es un triol,
1,2,3-propanotriol, mientras que la glucosa y la fructosa, por
ejemplo, son polialcoholes.
Para nombrar a los fenoles se utilizan las reglas de
nomenclatura que vimos para el benceno. El fenol es el ms sencillo
de todos y da nombre al grupo.
Propiedades fsicas del grupo OH 1. Las temperaturas de fusin y
ebullicin de alcoholes y fenoles son mayores que las de
hidrocarburos de masa molecular similar (en los procesos de fusin y
ebullicin se rompen las interacciones entre molculas). Pueden
explicarse teniendo en cuenta que, el grupo OH permite que se
formen enlaces de hidrgeno entre las molculas de alcohol o de
fenol, interacciones ms fuertes que las que existen entre las
molculas apolares de los hidrocarburos.2.
Los alcoholes y fenoles son solubles en agua, se explica porque
pueden establecerse enlaces de hidrgeno entre las molculas del
alcohol y las molculas de agua. Los primeros alcoholes de la serie:
metanol, etanol y propanol, presentan una solubilidad ilimitada. A
medida que aumenta el tamao del grupo alqulico, (R) de naturaleza
apolar, aumentan las interacciones entre las molculas de alcohol, y
a partir de 4 o 5 tomos de C, disminuye la solubilidad en agua.
Ello explica, asimismo, que la solubilidad del fenol sea inferior a
la de los alcoholes citados anteriormente.
Los alcoholes de mayor uso son los de cadena hidrocarbonada
corta, que se utilizan como disolventes, fabricar barnices y
pinturas, como combustibles, e intermediarios en la obtencin de
otros productos qumicos. El metanol es muy txico y produce ceguera.
El etanol (alcohol etlico) se utiliza para obtener productos
qumicos y farmacuticos, en perfumera y en preparacin de bebidas,
etc. El fenol es un slido cristalino y se usa como desinfectante y
germicida.Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
2
Reactividad del grupo OH 1. Reacciones de oxidacin de los
alcoholes Al igual que ocurre con los hidrocarburos, la oxidacin
fuerte de alcohol (la combustin) produce dixido de carbono y agua.
La oxidacin suave de un alcohol, producida con oxidantes como el
permanganato de potasio (KMnO4) o el dicromato de potasio
(K2Cr2O7), conduce a diferentes productos finales dependiendo de la
naturaleza del alcohol de partida. Reaccin de oxidacin de un
alcohol primario: En el proceso se obtiene el correspondiente
aldehdo y, si hay exceso de KMnO4 (permanganato de potasio), la
oxidacin contina formndose un cido carboxlico.
Reaccin de oxidacin de un alcohol secundario: En esta oxidacin
se obtiene una cetona, que es un compuesto que presenta mayor
resistencia a la oxidacin.
En condiciones ms drsticas, la oxidacin de la cetona provoca la
ruptura de la cadena hidrocarbonada, obtenindose una mezcla de
productos oxidados. En un alcohol, la reaccin de oxidacin implica
la ruptura del enlace OH. Existen otras reacciones que son tambin
caractersticas de los alcoholes y que suponen la ruptura del enlace
CO. 2. Reaccin de deshidratacin Es una reaccin caracterstica de los
alcoholes. En este tipo de reacciones se elimina una molcula de
agua y se forma un alqueno: (Regla de Zaitsev: Se elimina
preferentemente el H unido al C con menos hidrgenos)
3. Reaccin de sustitucin del grupo OH La reaccin de un alcohol
con un haluro de hidrgeno produce un halo-alcano (halogenuros de
alquilo). En este proceso tambin se rompe el enlace CO.
Obtencin de alcoholes Los alcoholes pueden obtenerse hidratando
alquenos: (Regla de Markownikoff: el H va preferentemente al C que
tiene ms hidrgenos)
De esta manera se obtiene el etanol que se utiliza con fines
qumicos e industriales:
La ley obliga a que este etanol se adultere (se desnaturalice)
para que no pueda beberse. Un desnaturalizante muy utilizado es el
metanol, que es sumamente txico.Tema 16: Funciones orgnicas
oxigenadas y nitrogenadas 3
2. TERESLos teres resultan de la unin de dos radicales
hidrocarbonados (alqulicos) a un tomo de oxgeno: ROR'. Tambin,
pueden considerarse derivados del agua, en la que se han sustituido
los dos hidrgenos por dos radicales alquilo (o arilo).
Nomenclatura: Para los teres ms simples se utiliza la
nomenclatura tradicional, que consiste en nombrar los dos radicales
en orden alfabtico seguido de la palabra ter, aunque, segn la
IUPAC, debe nombrarse del siguiente modo: nombre del radical ms
sencillo + oxi + nombre del hidrocarburo ms complejo. Ejemplos:
El dietileter, de olor caracterstico, se utilizaba antiguamente
como anestsico. Propiedades fsicas: Las temperaturas de fusin y
ebullicin de los teres son mayores que las de los hidrocarburos de
similar masa. Excepto el dimetilter que es un gas, la mayora son
lquidos voltiles. Los teres no forman enlaces de hidrgeno entre s,
aunque si con el agua, lo que explica que su solubilidad en agua
sea similar a la de los alcoholes de parecida masa molecular.
Los vapores de ter dietilico (ter) mezclado con el aire arden
con explosin. Este ter se emplea como disolvente, refrigerante y
anestsico.
3. ALDE HDOS Y CETONASEl grupo funcional carbonilo Los aldehdos
y las cetonas son compuestos que contienen el grupo funcional
carbonilo. En los aldehdos, el grupo carbonilo se encuentra en un
carbono primario, es decir, en un carbono del extremo de la cadena
hidrocarbonada. Por su parte, en las cetonas, el grupo carbonilo se
encuentra en un carbono secundario. Las frmulas generales de un
aldehdo y de una cetona sern, por tanto:Tema 16: Funciones orgnicas
oxigenadas y nitrogenadas 4
Nomenclatura Los aldehdos se nombran sustituyendo la -o final
del alcano correspondiente por la terminacin -al. Cuando hay otros
sustituyentes, el C del grupo C=O pasa a ser el nmero 1. Las
cetonas se nombran sustituyendo la -o final del alcano
correspondiente por la terminacin -ona, e indicando, si es
necesario, la posicin del grupo carbonilo, que siempre ser la ms
baja posible. Algunos aldehdos y cetonas reciben nombres comunes,
que la IUPAC acepta. Ejemplos de aldehdos y cetonas:
Como puedes ver el propanal y la propanona son compuestos
distintos que tienen la misma frmula molecular C3H6O; se denominan
ismeros de funcin.
Propiedades fsicas de aldehdos y cetonas 1. El enlace C=O es un
enlace muy polar, ya que el oxgeno es ms electronegativo que el
carbono, lo que explica que aldehdos y cetonas tengan temperaturas
de fusin y ebullicin mayores que las de los hidrocarburos de
similar masa molecular, aunque inferiores a las de los alcoholes
correspondientes, porque no pueden unirse sus molculas por enlaces
de hidrogeno, debido a que el tomo de H esta unido a un C. Las
interacciones entre molculas son de tipo dipolo-dipolo, ms fuertes
que las interacciones apolares de los hidrocarburos, pero ms dbiles
que los enlaces de hidrgeno de los alcoholes. Salvo el metanal, que
es un gas, los aldehdos de hasta 11 tomos de carbono son lquidos de
olores generalmente agradables. Las primeras cetonas -hasta 10
tomos de carbono- son lquidas.Tema 16: Funciones orgnicas
oxigenadas y nitrogenadas 5
2. Los aldehdos y cetonas con menor nmero de tomos de carbono
son solubles en agua, debido a que interaccionan con ella mediante
enlaces de hidrgeno. A medida que aumenta la longitud de la cadena
hidrocarbonada, la solubilidad disminuye. De hecho, la solubilidad
en agua del etanal y de la acetona es ilimitada. Tanto los aldehdos
como las cetonas son solubles en disolventes orgnicos, y muchos de
ellos se utilizan como disolvente. El metanal (formaldehdo) es un
poderoso germicida y se emplea en esterilizacin y embalsamamiento.
La acetona (CH3CO CH3) es un lquido de olor agradable, muy voltil y
miscible en agua. Se emplea como disolvente en barnices y lacas.
Reactividad de aldehdos y cetonas Hay reacciones que son comunes a
aldehdos y cetonas y que pueden interpretarse teniendo en cuenta
las propiedades del doble enlace C=O, caracterstico de ambos. Este
enlace es muy polar; ello explica que sean compuestos muy
reactivos. Reacciones de oxidacin de aldehdos y cetonas Los
aldehdos y las cetonas son el resultado de la oxidacin de alcoholes
primarios y secundarios. Esta oxidacin puede continuar, aunque son
los aldehdos se oxidan ms fcilmente, pasando a cidos carboxlicos;
en cambio, las cetonas presentan mayor resistencia a la oxidacin y
solo cuando se enfrentan a un oxidante fuerte se rompe el esqueleto
hidrocarbonado, obtenindose una mezcla de cidos carboxlicos.
Esta diferencia de comportamiento frente a la oxidacin: los
aldehdos presenten mayor carcter reductor que las cetonas permite
diferenciar ambos compuestos, utilizando para ello un agente
oxidante dbil. Los reactivos ms utilizados son:
Las cetonas no reaccionan en ninguno de los dos casos. Obtencin
de aldehdos y cetonas En estado natural, los aldehdos se encuentran
en los aceites esenciales y contribuyen a dar sabor a muchas frutas
y olor a muchas plantas. El humo de madera contiene metanal
(formaldehdo), que es un potente bactericida. Esta es la razn por
la que el ahumado de los alimentos es una forma natural de
conservados.Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
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En el laboratorio, los aldehdos y cetonas pueden prepararse por
oxidacin de alcoholes primarios y secundarios, respectivamente. Sin
embargo, dado que los aldehdos se oxidan con mucha facilidad, deben
emplearse tcnicas o reactivos especiales:
4. CIDOS CARBOXILICOS Y STEREScidos carboxlicos El grupo
funcional es el grupo carboxilo COOH, que necesariamente esta en un
extremo de la cadena hidrocarbonada:
Nomenclatura de los cidos carboxlicos En el sistema IUPAC, los
cidos carboxlicos se nombran como el alcano de igual nmero de tomos
de carbono, cambiando la terminacin -o por la terminacin -oico, y
anteponiendo la palabra cido. Algunos cidos carboxlicos tienen
nombres comunes derivados de palabras griegas o latinas que indican
su origen. Por ejemplo:
Los cidos que llevan 2 grupos COOH se nombran como cidos
dioicos. Ejemplos:
Propiedades fsicas de los cidos carboxlicos 1. Los cidos
carboxlicos son sustancias muy polares. Pueden formar enlaces de
hidrgeno entre s y con el agua.
Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
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2. Como consecuencia, las temperaturas de fusin y ebullicin de
los cidos son mayores que las de los alcoholes de masa molecular
equivalente. Los primeros de la serie (hasta nueve tomos de
carbono) son lquidos y los superiores son slidos, de textura
oleosa. 3. Ello explica que los cidos carboxlicos de menor nmero de
carbonos sean solubles en agua. A medida que aumenta la longitud de
la cadena hidrocarbonada, la solubilidad disminuye drsticamente.
Reactividad de los cidos carboxlicos Reacciones cido-base Los cidos
carboxlicos son cidos dbiles que, al reaccionar con una base en una
reaccin cido-base o de neutralizacin, pueden ceder el protn del
grupo OH.
El H+ del agua lo cede el cido. Reaccin de esterificacin
Consiste en hacer reaccionar un cido carboxlico y un alcohol,
utilizando un cido inorgnico como catalizador. En el proceso se
obtiene un ster y agua. La reaccin se asemeja a la de
neutralizacin, aunque en el esquema de las dos reacciones se ve la
diferente procedencia de los tomos de la molcula de agua. El H+ del
agua lo cede el alcohol.
Obtencin de los cidos carboxlicos El cido etanoico o actico es
el ms importante. Su nombre indica que procede del vinagre (acetum
en latn), en el que se encuentra en una proporcin del 4% al 5% y es
el que proporciona al vinagre su carcter cido. Se obtiene por
oxidacin al aire del etanol del vino, producida por las enzimas de
las bacterias micoderma aceti. (Acetobacter) Industrialmente, el
cido actico se obtiene oxidando etanal que, a su vez, procede de la
oxidacin del etanol industrial. Obtencin en laboratorio:
El cido actico es fundamental para los seres vivos, que lo
utilizan en la elaboracin de gran nmero de molculas complejas, como
esteroides, terpenos o cidos grasos. Industrialmente, se emplea en
la fabricacin de medicamentos, barnices, lacas, etc. Los cidos
grasos son cidos carboxlicos de cadena larga que se encuentran en
aceites y grasas de origen animal y vegetal.
Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
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steres Los steres proceden de la reaccin entre un cido y un
alcohol. El grupo funcional ster es: RCOOR'
Nomenclatura de los steres Los steres se nombran indicando el
nombre del cido de procedencia, al que se le sustituye la
terminacin -ico por la terminacin -ato, seguido del nombre del
radical alquilo unido al oxgeno. Ejemplo:
Propiedades fsicas de los steres Los steres son compuestos
polares, pero, al carecer de grupo OH, no pueden formar enlaces de
hidrgeno entre s, por lo que las temperaturas de fusin y ebullicin
son menores que las de los cidos y alcoholes de masa molecular
equivalente y similares a las de los correspondientes aldehdos y
cetonas. La solubilidad en agua es menor que la de cidos y
alcoholes. Los steres de menor masa molecular son lquidos incoloros
y de olor agradable, los de mayor masa son grasos, creos y
cristalinos. En la naturaleza se encuentran en esencias de flores y
frutas. Algunos steres se utilizan como esencias artificiales en
alimentacin y en perfumera. El acetato de pentilo se utiliza para
dar el sabor artificial de pltano, el acetato de isopentilo para
dar el de pera, el acetato de octilo para dar el de naranja y
propionato de etilo para el de manzana.. Las grasas son steres de
los cidos grasos con la glicerina (l,2,3-propanotriol); de ah que
se las denomine tambin glicridos. La estructura general de una
grasa se puede representar de la siguiente manera: Generalmente,
las grasas y los aceites no suelen ser glicridos sencillos, sino
mixtos: cada cadena hidrocarbonada R procede de distintos cidos
grasos. Reactividad de los steres La reaccin de esterificacin es
una reaccin reversible. La reaccin inversa es la hidrlisis del
ster. Esta reaccin puede realizarse en presencia de un cido o de
una base. La hidrlisis alcalina de un ster se conoce con el nombre
de reaccin de saponificacin, (utilizada en la obtencin de
jabones):
Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
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Al saponificar con NaOH los glicridos (esteres de la glicerina),
se obtiene glicerina y las sales sdicas de los cidos grasos:
Estas sales sdicas o potsicas de los cidos grasos reciben el
nombre de jabones y deben sus propiedades detergentes a la
existencia en su estructura de un extremo lipfilo (la cadena
hidrocarbonada larga) y de otro extremo muy polar (y en
consecuencia hidrfilo), el grupo COO.
5. GRUPOS FUNCIONALES CON NITRGENOEl N tiene 3 electrones
desapareados en su capa de valencia. Por tanto, puede formar tres
enlaces covalentes, como es el caso de la molcula de amoniaco, NH3.
Si alguno de esos enlaces lo forma con un tomo de C de una cadena
hidrocarbonada (R), se obtiene un compuesto nitrogenado. Los grupos
funcionales son: amino, amida y nitrilo. Aminas Las aminas pueden
considerarse el resultado de sustituir los tomos de hidrgeno del
amoniaco por radicales alquilo o arilo. Se denominan primarias,
secundarias o terciarias segn se hayan sustituido uno, dos o los
tres tomos de hidrgeno de la molcula de amoniaco.
Nomenclatura: Las aminas primarias se nombran indicando el
radical alquilo, seguido de la terminacin -amina. Los nombres de
las aminas secundarias y terciarias se obtienen de la misma manera,
nombrando los radicales por orden alfabtico, si son distintos, o
utilizando los prefijos di- o tri-, si son iguales.
Propiedades fsicas: A medida que aumenta su masa molecular, las
aminas pasan de gaseosa a lquidas o slida. Las de menor masa
molecular son solubles en agua debido a la polaridad del enlace NH.
Son bases ms fuertes que el amoniaco. Las aminas tienen un fuerte
olor a pescado. La anilina es un lquido incoloro, poco soluble en
agua y de olor dbil, txico y se utiliza para fabricar colorantes.
Adems del inters bioqumico que ofrecen, al ser parte estructural de
los aminocidos que forman las protenas, estos compuestos se
utilizan en la produccin de fibras textiles, en medicina
(sulfamidas, penicilina, .. ) y en la fabricacin de gran nmero de
colorantes sintticos.Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y
nitrogenadas 10
Amidas Las amidas puede considerarse que derivan de los cidos
carboxlicos, en los que el grupo OH ha sido sustituido por el grupo
amino, NH2). La estructura del grupo funcional amida es, por tanto:
RCONH2 Lo que caracteriza a la amida es la unin del N con el grupo
C=O (carbonilo). Nomenclatura: Se nombran sustituyendo la
terminacin -oico del cido del que proceden por la terminacin
-amida.
(acetamida)
Si alguno de los tomos de hidrgeno del grupo amino (NH2) est
sustituido por un radical alquilo (R, R), se nombran estos
radicales precedido de la letra N- y a continuacin la amida. Por
ejemplo: N-metiletanamida, N,N-dimetiletanamida.
Propiedades fsicas: Las amidas son slidos cristalinos a
temperatura ambiente, excepto la metanamida que es lquida. Sus p.
f. son ms altos que los de los cidos de donde proceden, esto se
debe a la unin por enlaces de hidrgeno entre ellas. Aplicaciones:
En bioqumica, porque el enlace peptdico que mantiene unidos a los
aminocidos en las protenas es un enlace amida. En agricultura se
utiliza ampliamente la urea, que es una diamina del acido carbnico,
como fertilizante, ya que es un abono nitrogenado. En la industria
textil, (el nylon 66 es una poliamida). Los poliuretanos son
polmeros que tambin contienen en su estructura el grupo funcional
amida.
Nitrilos Son compuestos nitrogenados cuyo grupo funcional es CN.
Su formula general es R CN. Nomenclatura: Se nombran aadiendo la
terminacin -nitrilo al nombre del alcano al que est unido el tomo
de nitrgeno.
Nota: El C unido al tomo de N se considera parte de la cadena.
Los nitrilos pueden considerarse derivados del cianuro de hidrgeno,
H CN, en el que el tomo de hidrgeno ha sido sustituido por un
radical alquilo o arilo. Por esta razn, los nitrilos se denominan
tambin cianuros. CH3 CH2 CH2 CN es el butanonitrilo (cianuro de
propilo) El inters de los compuestos nitrogenados radica en sus
aplicaciones. Se utilizan en la fabricacin de caucho artificial y
fibras acrlicas. El primero de la serie: el metanonitrilo o cido
cianhdrico, HCN, es un lquido incoloro muy venenoso que se emplea
como fungicida.
Tema 16: Funciones orgnicas oxigenadas y nitrogenadas
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ANEXO: Orden de preferencia de los grupos funcionalesA modo de
resumen, explicaremos brevemente los criterios generales a seguir
para la nomenclatura de los compuestos ms comunes: a) Cuando hay un
solo grupo funcional: la cadena principal de los compuestos debe
contener al grupo funcional. Debe numerarse de manera que el nmero
dado a la funcin sea lo ms bajo posible. b) Cuando hay ms de un
grupo funcional: hay que saber que funcin tiene preferencia.
PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES (por orden de prioridad)Funcin
Nom. grupo Grupo Nom.(princ.) Nom.(secund) cido carboxlico
carboxilo RCOOH cido oico carboxi (incluye C) ster ster RCOOR ato
de ilo oxicarbonil Amida Nitrilo Aldehdo Cetona Alcohol Fenol Amina
(primaria) Amino (secundaria) (terciaria) ter Oxi Hidr. etilnico
alqueno Hidr. acetilnico alquino Nitrocompuestro Nitro Haluro
halgeno Radical alquilo RNH2 RNHR RNRR ROR C=C CC RNO2 RX R ilamina
amino ililamina ilililamina ililter oxiil eno en ino Ino (sufijo)
nitro nitro X X il il amido nitrilo carbonilo carbonilo hidroxilo
fenol RCONRR amida nitrilo RCN RCH=O al RCOR ROH C6H5OH ona ol
fenol(incluye C) amido (incluye C)
ciano (incluye C) oxo formil (incluye C) oxo hidroxi
hidroxifenil
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