FUNDAMENTO TERICO:
La Qumica Orgnica es el estudio de los compuestos de carbono. El
carbono puede formar ms compuestos que ningn otro elemento, por
tener la capacidad de unirse entre s formando cadenas lineales o
ramificadas Los tomos de carbono son nicos en su habilidad de
formar cadenas muy estables y anillos, y de combinarse con otros
elementos tales como hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, azufre y fsforo.El
carbono puede constituir ms compuestos que ningn otro elemento,
porque los tomos de carbono tienen la capacidad de formar enlaces
carbono-carbono sencillos, dobles y triples, y tambin de unirse
entre s formando cadenas o estructuras cclicas. La rama de la
qumica que estudia los compuestos del carbono es la qumica
orgnica.
Las clases de compuestos orgnicos se distinguen de acuerdo con
los grupos funcionales que contienen. Un grupo funcional es un
grupo de tomos responsable del comportamiento qumico de la molcula
que lo contiene. Molculas diferentes que contienen la misma clase
de grupo o grupos funcionales reaccionan de manera semejante. As,
mediante el aprendizaje de las propiedades caractersticas de unos
cuantos grupos funcionales, es posible estudiar y entender las
propiedades de muchos compuestos orgnicos. En la segunda mitad de
este captulo analizaremos los grupos funcionales conocidos como
alcoholes, teres, aldehdos y cetonas, cidos carboxlicos y
aminas.
La mayor parte de los compuestos orgnicos se derivan de un grupo
de compuestos conocidos como hidrocarburos, debido a que estn
formados slo por hidrgeno y carbono.
Con base en la estructura, los hidrocarburos se dividen en dos
clases principales: alifticos y aromticos. Los hidrocarburos
alifticos no contienen el grupo benceno o anillo bencnico, en tanto
que los hidrocarburos aromticos contienen uno o ms de ellos.
Las uniones qumicas tambin se clasifican de acuerdo al tipo de
orbitales participantes en el enlace, as como a su orientacin en:
enlace sigma, y enlace pi.ENLACE SIGMA ():Se forman entre dos tomos
de un compuesto covalente, debido a la superposicin directa o
frontal de los orbitales; es ms fuerte y determina la geometra de
la molcula. Dos tomos enlazados comparten un par de electrones de
enlace, aportando cada uno de ellos, un electrn al par electrnico
de enlace. Enlace sigma s (s) se manifiesta cuando se recubren dos
orbitales s.
ENLACE Pi ():Se forma despus del enlace sigma; es el segundo o
tercer enlace formado entre dos tomos, debido a la superposicin
lateral de los orbitales p. Sus electrones se encuentran en
constante movimiento.
Los HIDROCARBUROS son compuestos orgnicos formados nicamente por
tomos de carbono e hidrgeno. La estructura molecular consiste en un
armazn de tomos de carbono a los que se unen los tomos de
hidrgeno.Las cadenas de tomos de carbono pueden ser lineales o
ramificadas y abiertas o cerradas. Los hidrocarburos se pueden
diferenciar en dos tipos que son:HIDROCARBUROS
AROMTCOSALIFTICOS
Benceno y derivadosCadena cerradaCadena abierta
Ciclo alifticosAlcanosAlquenosAlquinos
HIDROCARBUROS ALIFTICOS: Alcanos: Los alcanos tienen la frmula
general CnH2n+2, donde n = 1, 2,. . . La principal caracterstica de
las molculas hidrocarbonadas alcanos es que slo presentan enlaces
covalentes sencillos.
Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados porque
contienen el nmero mximo de tomos de hidrgeno que pueden unirse con
la cantidad de tomos de carbono presentes. El alcano ms sencillo
(es decir, con n = 1) es el metano, CH4, que es un producto natural
de la descomposicin bacteriana anaerobia de la materia vegetal
subacutica. Debido a que se recolect por primera vez en los
pantanos, el metano lleg a conocerse como gas de los pantanos.
En la figura se representan las estructuras de los primeros
cuatro alcanos (desden = 1 hasta n = 4). El gas natural es una
mezcla de metano, etano y una pequea cantidad de propano. En
efecto, se supone que los tomos de carbono en todos los alcanos
presentan hibridacin sp3. Las estructuras del etano y del propano
son nicas dado que slo hay una forma de unir los tomos de carbono
en estas molculas. Sin embargo, el butano tiene dos posibles
esquemas de enlace, dando como resultado ismeros estructurales,
n-butano (la n indica normal) e isobutano, molculas que tienen la
misma frmula molecular pero diferente estructura. Los alcanos como
los ismeros estructurales del butano se describen como de cadena
lineal o de estructura ramificada.
El n-butano es un alcano de cadena lineal porque los tomos de
carbono estn unidos a lo largo de una lnea. En un alcano de cadena
ramificada, como el isobutano, uno o ms tomos de carbono estn
unidos por lo menos a otros tres tomos de carbono.
En la tabla se indican los puntos de fusin y de ebullicin de los
ismeros de cadena lineal de los primeros diez alcanos. Los primeros
cuatro son gases a temperatura ambiente, y del pentano al decano
son lquidos. Al aumentar el tamao molecular, se incrementa el punto
de ebullicin porque aumentan las fuerzas de dispersin.
Nomenclatura de los alcanos:
La nomenclatura de los alcanos y de todos los dems compuestos
orgnicos se basa en las recomendaciones de la Unin Internacional de
Qumica Pura y Aplicada (IUPAC). Los cuatro primeros alcanos
(metano, etano, propano y butano) tienen nombres no sistemticos. El
nmero de tomos de carbono se refleja en el prefijo griego de los
alcanos que contienen entre cinco y diez carbonos. A continuacin
aplicaremos las reglas dela IUPAC para los siguientes ejemplos:
1. El nombre base del hidrocarburo est dado por la cadena
continua ms larga de tomos de carbono en la molcula. As, el nombre
base del siguiente compuesto es heptano, porque hay siete tomos de
carbono en la cadena ms larga.
2. Un alcano menos un tomo de hidrgeno es un grupo alquilo. Por
ejemplo, cuando se remueve un tomo de hidrgeno del metano, queda el
fragmento CH3, que recibe el nombre de grupo metilo. De manera
similar, al eliminar un tomo de hidrgeno de la molcula de etano se
forma un grupo etilo, o C2H5. En la tabla se muestran los nombres
de varios grupos alquilo comunes. Cualquier ramificacin de la
cadena ms larga se nombra como un grupo alquilo.3. Cuando se
reemplazan uno o ms tomos de hidrgeno por otros grupos, el nombre
del compuesto debe indicar la localizacin de los tomos de carbono
donde se hicieron los reemplazos. El procedimiento que se sigue es
numerar cada uno de los tomos de carbono de la cadena ms larga en
la direccin en que las localizaciones de todas las ramificaciones
tengan los nmeros ms pequeos. Considere las dos diferentes formas
para el mismo compuesto que se presentan a continuacin:
El compuesto del lado izquierdo tiene la numeracin correcta, ya
que el grupo metilo est localizado en el carbono 2 de la cadena del
pentano; en el compuesto del lado derecho, el grupo metilo est
localizado en el carbono 4. As, el nombre del compuesto es
2-metilpentano y no 4-metilpentano. Observe que el nombre de la
ramificacin y el nombre base se escriben como una sola palabra y
que, despus del nmero, se coloca un guin.
4. Cuando hay ms de una ramificacin de grupos alquilo de la
misma clase, se utilizan los prefijos di-, tri- o tetra- antes del
nombre del grupo alquilo. Considere los siguientes ejemplos:
Cuando hay dos o ms grupos alquilo diferentes, los nombres de
los grupos se disponen alfabticamente. Por ejemplo,
5. Por supuesto, los alcanos pueden tener muchos tipos
diferentes de sustituyentes. As, el compuesto se nombra
3-bromo-2-nitrohexano. Observe que los grupos sustituyentes se
disponen alfabticamente en el nombre, y que la cadena se numera en
la direccin que da el nmero ms pequeo para el primer tomo de
carbono sustituido.
Reacciones de los alcanos:
En general se considera que los alcanos no son sustancias muy
reactivas. Sin embargo, en condiciones adecuadas reaccionan. Por
ejemplo, el gas natural, la gasolina y el combustleo son alcanos
cuyas reacciones de combustin son muy exotrmicas:
stas y otras reacciones semejantes de combustin se han utilizado
durante mucho tiempo en procesos industriales, en la calefaccin
domstica y para cocinar.
La halogenacin de los alcanos, es decir, la sustitucin de uno o
ms tomos de hidrgeno por tomos de halgenos, es otra clase de
reaccin de los alcanos. Cuando una mezcla de metano y cloro se
calienta a ms de 100C o se irradia con luz de la longitud de onda
apropiada, se produce cloruro de metilo:
En presencia de un exceso de cloro gaseoso, la reaccin puede
continuar:
Las evidencias experimentales sugieren que el paso inicial de la
primera reaccin de halogenacin se lleva a cabo de la siguiente
manera:
As, el enlace covalente del Cl2 se rompe y se forman dos tomos
de cloro. Sabemos que el enlace ClCl se rompe cuando se calienta o
irradia la mezcla, porque la entalpa de enlace del Cl2 es 242.7
kJ/mol, mientras que se requieren alrededor de 414 kJ/mol para
romper los enlaces CH del CH4.Un tomo de cloro es un radical que
contiene un electrn desapareado representado por un punto. Los
tomos de cloro son muy reactivos y atacan a las molculas de metano
de acuerdo con la ecuacin:
Esta reaccin produce cloruro de hidrgeno y el radical metilo
CH3. El radical metilo es otra especie reactiva; se combina con el
cloro molecular para dar cloruro de metilo y un tomo de cloro:
La produccin de cloruro de metileno a partir del cloruro de
metilo y las reacciones subsecuentes se explican de la misma forma.
El mecanismo real es ms complejo que el esquema que se ha mostrado
porque ocurren reacciones secundarias que no conducen a los
productos deseados, como:
Los alcanos en que se han sustituido uno o ms tomos de hidrgeno
por un tomo de halgeno se llaman halogenuros de alquilo. Entre el
gran nmero de halogenuros de alquilo, los ms conocidos son el
cloroformo (CHCl3), el tetracloruro de carbono (CCl4), el cloruro
de metileno (CH2Cl2) y los clorofluorohidrocarbonos.El cloroformo
es un lquido voltil, de sabor dulce, que durante muchos aos se
utiliz como anestsico. Sin embargo, debido a su toxicidad (puede
producir dao severo en el hgado, los riones y el corazn) se ha
sustituido por otros compuestos. El tetracloruro de carbono tambin
es una sustancia txica que sirve como lquido limpiador, el cual
quita las manchas de grasa de la ropa. El cloruro de metileno se
utiliza como disolvente para descafeinar el caf y como removedor de
pintura.
Isomera ptica de alcanos sustituidos:
Los ismeros pticos son compuestos cuyas imgenes especulares no
se pueden superponer.
En la figura se presentan dibujos en perspectiva de los metanos
sustituidos CH2ClBr y CHFClBr y de sus imgenes especulares.
Las imgenes especulares de CH2ClBr se pueden superponer, pero
las de CHFClBr no, independientemente de cmo se hagan girar las
molculas.Por tanto, la molcula de CHFClBr es quiral.
Las molculas quirales ms sencillas contienen por lo menos un
tomo de carbono asimtrico, es decir, un tomo de carbono unido a
cuatro tomos o grupos de tomos diferentes.
Cicloalcanos:
Los alcanos cuyos tomos de carbono se unen formando anillos se
conocen como cicloalcanos.Tienen la frmula general CnH2n, donde n =
3, 4,. . . El cicloalcano ms sencillo es el ciclopropano, C3H6.
Muchas sustancias de importancia biolgica, como el colesterol, la
testosterona y la progesterona contienen uno o ms de tales sistemas
cclicos. El anlisis terico muestra que el ciclohexano puede tener
dos diferentes geometras relativamente libres de tensin. Tensin
significa que los enlaces estn comprimidos, alargados o torcidos
con respecto a sus formas geomtricas normales predichas por la
hibridacin sp3. La geometra ms estable es la forma de silla.
Alquenos:
Los alquenos (tambin llamados olefinas) contienen por lo menos
un doble enlace carbono-carbono.Los alquenos tienen la frmula
general CnH2n, donde n = 2, 3,. . . El alqueno ms sencillo es C2H4,
etileno, en el que ambos tomos de carbono presentan hibridacin sp2
y el doble enlace est formado por un enlace sigma y un enlace
pi.
Nomenclatura de los alquenos:
Para nombrar los alquenos se indican las posiciones de los
dobles enlaces carbono-carbono.Los nombres de los compuestos que
contienen enlaces C=C terminan en -eno. Como en el caso de los
alcanos, el nombre del compuesto base se determina por el nmero de
tomos de carbono de la cadena ms larga, como se muestra aqu:
Los nmeros en los nombres de los alquenos indican el tomo de
carbono con el nmero ms pequeo en la cadena que es parte el enlace
C=C del alqueno. El nombre buteno significa que hay cuatro tomos de
carbono en la cadena ms larga. En la nomenclatura de los alquenos
se debe especificar si una molcula es cis o trans, si se trata de
ismeros geomtricos, como:
Propiedades y reacciones de los alquenos:
El etileno es una sustancia muy importante porque se utiliza en
grandes cantidades en la manufactura de polmeros orgnicos (que se
estudiarn en el siguiente captulo) y en la preparacin de muchos
otros compuestos orgnicos. El etileno se prepara de manera
industrial por el proceso de craqueo, es decir, la descomposicin
trmica de un hidrocarburo superior en molculas ms pequeas. Cuando
el etano se calienta alrededor de 800C, se produce la siguiente
reaccin:
Otros alquenos se pueden preparar por el craqueo de miembros
superiores de la familia de los alcanos.Los alquenos se clasifican
como hidrocarburos insaturados, los cuales comprenden compuestos
con dobles o triples enlaces carbono-carbono que les permiten
adicionar tomos de hidrgeno. Los hidrocarburos insaturados por lo
general presentan reacciones de adicin, en las que una molcula se
adiciona a otra para formar un solo producto. La hidrogenacin es un
ejemplo de una reaccin de adicin. Otras reacciones de adicin al
enlace C=C incluyen donde X representa un halgeno (Cl, Br o I).
La adicin de un halogenuro de hidrgeno a un alqueno no simtrico,
como propeno, es ms complicada porque se pueden formar dos
productos:
Sin embargo, en la prctica slo se forma el 2-bromopropano. Este
fenmeno fue observado en todas las reacciones entre reactivos no
simtricos y alquenos. En 1871, Vladimir Markovnikov1 postul una
generalizacin que permite predecir el resultado de las reacciones
de adicin.Esta generalizacin, que ahora se conoce como la regla de
Markovnikov, establece que en la adicin de reactivos no simtricos
(es decir, polares) a alquenos, la porcin positiva del reactivo
(generalmente hidrgeno) se adiciona al tomo de carbono que tiene ms
tomos de hidrgeno.
Ismeros geomtricos de los alquenos:
En un compuesto como el etano, C2H6, la rotacin de los dos
grupos metilo en torno al enlace sencillo carbono-carbono (que es
un enlace sigma) opera con bastante libertad. La situacin es
diferente para molculas que contienen dobles enlaces
carbono-carbono, como el etileno, C2H4. Adems del enlace sigma, hay
un enlace pi entre los dos tomos de carbono. La rotacin en torno al
enlace carbono-carbono no afecta al enlace sigma, pero s mueve los
dos orbitales2pz fuera de alineacin para el traslapo y, por tanto,
destruye parcial o totalmente el enlace pi. Este proceso demanda un
suministro de energa del orden de 270 kJ/ mol. Por esta razn la
rotacin del doble enlace carbono-carbono est bastante restringido,
aunque no imposible. Como consecuencia, las molculas que contienen
dobles enlaces carbono- carbono (es decir, los alquenos) pueden
tener ismeros geomtricos, que no se pueden interconvertir entre s
sin romper un enlace qumico.
La molcula de dicloroetileno, ClHC=CHCl, se presenta como uno de
dos ismeros geomtricos llamados cis-dicloroetileno y
trans-dicloroetileno:
Donde el trmino cis significa que dos tomos especficos (o grupos
de tomos) son adyacentes entre s, y trans quiere decir que los dos
tomos (o grupos de tomos) estn en lados opuestos.En general, los
ismeros cis y trans tienen propiedades fsicas y qumicas muy
diferentes.Por lo comn, se utiliza calor o radiacin luminosa para
convertir un ismero geomtrico en el otro; a este proceso se le
denomina isomerizacin cis-trans o isomerizacin geomtrica.Como
muestran los datos anteriores, las mediciones del momento dipolar
sirven para distinguir entre ismeros geomtricos. En general, los
ismeros cis poseen momento dipolar, pero los trans no.
Alquinos:
Los alquinos contienen por lo menos un triple enlace
carbono-carbono. Tienen la frmula general CnH2n 2, donde n = 2, 3,.
. .
Nomenclatura de los alquinosLos nombres de los compuestos que
contienen enlaces C=C terminan en -ino. De nuevo, el nombre del
compuesto base est determinado por el nmero de tomos de carbono en
la cadena ms larga. Al igual que en el caso de los alquenos, los
nombres de los alquinos indican la posicin del triple enlace
carbono-carbono; por ejemplo, en
Propiedades y reacciones de los alquinos:
El alquino ms sencillo es el etino, ms conocido como acetileno
(C2H2). La estructura y el enlace del C2H2 se analizaron en la
seccin 10.5. El acetileno es un gas incoloro (p. e. 84C) que se
prepara mediante la reaccin entre carburo de calcio y agua:
El acetileno tiene muchos usos importantes en la industria.
Debido a su alto calor de combustin el acetileno que se quema en
los sopletes oxiacetilnicos produce una flama muy caliente.
La energa libre estndar de formacin del acetileno es positiva
(Gf = 209.2 kJ/mol), a diferencia de la de los alcanos. Esto
significa que la molcula es inestable (respecto de sus elementos) y
tiende a descomponerse:
En presencia de un catalizador adecuado, o cuando el gas se
mantiene a presin, esta reaccin suele ocurrir con violencia
explosiva. Para transportar el gas sin correr riesgos, debe
disolverse en un disolvente orgnico, como acetona, a presin
moderada. En estado lquido, el acetileno es muy sensible a los
golpes y altamente explosivo.El acetileno es un hidrocarburo
insaturado que se hidrogena para producir etileno:
Participa en las siguientes reacciones de adicin, con
halogenuros de hidrgeno y halgenos:
El metilacetileno (propino), CH3 C = C H, es el siguiente
miembro de la familia de los alquinos. Participa en reacciones
semejantes a las del acetileno. Las reacciones de adicin del
propino tambin obedecen la regla de Markovnikov:
Hidrocarburos aromticos:
El benceno, compuesto base de esta gran familia de sustancias
orgnicas, fue descubierto por Michael Faraday en 1826. Durante ms
de 40 aos, los qumicos estuvieron preocupados por encontrar su
estructura molecular. A pesar del pequeo nmero de tomos en la
molcula, hay muy pocas formas de representar la estructura del
benceno sin violar la tetravalencia del carbono. Sin embargo, la
mayora de las estructuras propuestas fueron rechazadas porque no
podan explicar las propiedades conocidas del benceno. Hacia 1865,
August Kekul dedujo que la mejor representacin de la molcula del
benceno podra ser una estructura anular, es decir, un compuesto
cclico que consta de seis tomos de carbono:
La mejor manera de representar las propiedades del benceno es
mediante las dos estructuras resonantes anteriores. De manera
alternativa, las propiedades del benceno se explican en trminos de
orbitales moleculares deslocalizados:
Nomenclatura de los compuestos aromticos:
La nomenclatura de los bencenos mono sustituidos, es decir,
bencenos en los que un tomo de H se ha reemplazado por otro tomo o
grupo de tomos, es muy sencilla, como se muestra a continuacin:
Si est presente ms de un sustituyente, debemos indicar la
localizacin del segundo grupo respecto del primero. La forma
sistemtica de lograr esto es numerando los tomos de carbono como
sigue:
Hay tres diferentes dibromobencenos posibles:
Los prefijos o- (orto-), m- (meta-) y p- (para-) se utilizan
para indicar las posiciones relativas de los dos grupos
sustituyentes, como se muestra en el caso de los dibromobencenos.
Los compuestos en que los dos grupos sustituyentes son diferentes
se nombran de esta forma. As, se nombra 3-bromonitrobenceno o
m-bromonitrobenceno.
Por ltimo, cabe hacer notar que el grupo que contiene un anillo
bencnico menos un tomo de hidrgeno recibe el nombre de grupo
fenilo. Por tanto, la siguiente molcula se denomina
2-fenilpropano:
Propiedades y reacciones de los compuestos aromticos:
El benceno es un lquido incoloro, inflamable, que se obtiene
sobre todo del petrleo y del alquitrn de hulla. Es probable que la
propiedad qumica ms notable del benceno sea su relativa baja
reactividad. A pesar de que tiene la misma frmula emprica que el
acetileno (CH) y un alto grado de insaturacin, es mucho menos
reactivo que el etileno o el acetileno. La estabilidad del benceno
es resultado de la deslocalizacin electrnica. De hecho es posible,
aunque muy difcil, hidrogenar el benceno. La siguiente reaccin se
lleva a cabo a temperaturas y presiones mucho mayores que las que
se utilizan con los alquenos:
Antes vimos que los alquenos reaccionan en forma rpida con los
halgenos para formar productos de adicin, porque el enlace pi en
C=C se puede romper con facilidad. La reaccin ms comn de los
halgenos con el benceno es una reaccin de sustitucin, en la cual un
tomo o un grupo de tomos reemplazan a un tomo o grupo de tomos de
otra molcula. Por ejemplo,
Observe que si la reaccin fuera de adicin, se destruira la
deslocalizacin electrnica en el producto y la molcula no tendra la
baja reactividad qumica caracterstica de los compuestos
aromticos.
Es posible introducir grupos alquilo en el sistema cclico
haciendo reaccionar el benceno con un halogenuro de alquilo y
utilizando AlCl3 como catalizador:
Existe una gran cantidad de compuestos que se pueden generar a
partir de sustancias en las que los anillos bencnicos estn
fusionados. En la figura se ilustran algunos de estos hidrocarburos
aromticos poli cclicos. El ms conocido de estos compuestos es el
naftaleno, que se utiliza en las bolitas de naftalina. ste y otros
compuestos semejantes estn presentes en el alquitrn de hulla.
Algunos compuestos con varios anillos son poderosos carcingenos, es
decir, que pueden causar cncer en humanos y otros animales.