Quimica Organica

BIOQUÍMICA 2007

QUIMICA ORGÁNICA Concepto Primitivo: Sustancias orgánicas (de origen animal o vegetal) vs. Sustancias inorgánicas (de origen mineral). Todos los compuestos orgánicos contienen carbono. Definición Actual: • química del carbono y sus compuestos (excepto carbonatos, cianuros y carburos que se clasifican como inorgánicos). • química de los Hidrocarburos (compuestos de C e H) y sus derivados. Carbono: Elemento del grupo IVA, no metálico, elemento representativo, bloque p. (ver “Tabla Periódica”) El carbono difiere del resto de los elementos del grupo en su gran capacidad para formar compuestos en los cuales se enlazan entre sí muchos átomos de carbono en cadenas o anillos. Esta propiedad se llama concatenación y explica el gran número de compuestos orgánicos. El enlace C-C es casi tan fuerte como cualquier enlace que forma el C con cualquier otro elemento (a diferencia por ejemplo del Si, del mismo grupo, cuya energía de enlace Si-Si es mucho menor que la del enlace del silicio con otros elementos, por lo que en enlace con si mismo es mucho más débil y por lo tanto tiene más tendencia a enlazarse con otros elementos).

Enlace C-C C-O C-H C-Cl

Energía de enlace (KJ/mol)* 347 335 414 326

Enlace Si-Si Si-O Si-H Si-Cl

Energía de enlace (KJ/mol) 226 368 328 391

*La energía de enlace es la energía requerida para romper el enlace que mantiene unidos dos átomos de una molécula biatómica. Estos valores son positivos lo que indica que la energía se absorbe en el proceso.

El carbono puede formar cuatro enlaces covalentes simples muy estables; también tiene una gran capacidad para formar enlaces múltiples entre sí y con otros elementos no metálicos.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 1 de 12

BIOQUÍMICA 2007

ALCANOS Son hidrocarburos (compuestos de C e H) en los cuales todos los enlaces C-C son enlaces simples. El más sencillo es el metano CH4. Contiene cuatro enlaces C-H dispuestos tetraédricamente formando ángulos de enlaces H-C-H de 109º28’. La fórmula estructural comúnmente utilizada para el metano es: H │ HCH │ H

Serie homóloga: se obtienen derivados del metano agregando sucesivamente unidades CH2 entre el C y un H del metano. El segundo miembro de la serie es el etano: H H │ │ HCCH │ │ H H

CH3CH3

Fórmula general: CnH2n+2 (n es el número de atomos de C).

Nomenclatura: Cantidad de C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Prefijo MetEtPropButPentHexHeptOctNonDec-

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 2 de 12

Sufijo Alcanos -ano

BIOQUÍMICA 2007

A partir de n=4 existen compuestos de cadena ramificada. Ejemplo: CH3CH2CH2CH3 Butano

CH3 │ CH3CH2CH3 Metilpropano

Tienen la misma fórmula molecular pero diferente fórmula estructural y propiedades: son isómeros estructurales: isomería de cadena. Un compuesto de cadena abierta puede nombrarse en términos de cadena lineal más larga en la molécula. Las cadenas ramificadas se nombran como radicales alquílicos (fragmentos de moléculas de alcanos en los que se ha removido un átomo de H, se nombran como el alcano pero con sufijo -il) y sus posiciones sobre la cadena lineal se indican mediante un sistema de numeración tal que llevan el menor número posible. Ejemplo: CH3 │ CH3CCHCH2CH3 │ │ CH3 CH2 │ CH3 1 2 3 4 5 2,2-dimetil-3-etilpentano (comas entre números, guiones entre palabras). Reglas IUPAC (Internacional Union of Pure and Applied Chemistry) para nombrar alcanos: 1. Buscar la cadena carbonada continua más larga y nombrarla como un alcano. El nombre de esta cadena será la parte básica del nombre completo. 2. Numerar todos los átomos de carbono de esa cadena, desde un extremo a otro, para localizar cada sustituyente formado por grupos alquilo, de manera que les correspondan los menores números posibles. 3. la posición de cada sustituyente se indicará mediante el número del átomo de carbono al que va unido. Se empleará un guión para separar el número del nombre del sustituyente. 4. Si hay dos o más grupos idénticos, hay que indicar el número de todos los carbonos a los que van unidos, incluso repitiendo el mismo número si hubiese dos grupos en el mismo carbono; todos esos números se separan mediante comas. La cantidad de grupos idénticos se indican mediante prefijos di, tri, tetra, etc. 5. El último grupo alquilo nombrado va yuxtapuesto a la palabra que nombra el hidrocarburo base. Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 3 de 12

BIOQUÍMICA 2007

6. Los grupos sustituyentes se nombran por orden alfabético (etilo antes que metilo, por ejemplo) y sus nombres preceden al del hidrocarburo base. Pueden ser de cadena abierta o de cadena cerrada (cicloalcanos). Los cicloalcanos son estructuras anulares que contienen solo enlaces simples de carbono. Tienen fórmula general CnH2n. Lo anillos de 3 o 4 carbonos están tensionados. Asi, el ciclopropano se rompe fácilmente con H2 usando Ni como catalizador para dar propano. Alcanos en la vida diaria: • Gaseosos (C1 a C4): supergas • Líquidos (C5 a C17): naftas, queroseno, gas oil. • Sólidos (C18 en adelante): parafina, vaselina, asfalto.

ALQUENOS Llamados también olefinas. Tienen un doble enlace C═C (un enlace σ y otro π perpendicular) en alguna parte de su estructura molecular. El primer miembro de la serie es el eteno: H H \ / C═C / \ H H

Los seis átomos se hallan en el mismo plano

Nomenclatura: Sufijo –eno. Se numera la cadena para dar posición al doble enlace. Además de la isomería de cadena como los alcanos, se presenta isomería de posición (según la posición del doble enlace). Los alquenos también presentan isomería geométrica (o cis-trans) lo cual es un tipo de estereoisomería. Los estereoisomeros tienen la misma fórmula estrucutural pero difieren en la posición de los átomos en el espacio, debido a la rotación restringida alrededor del doble enlace.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 4 de 12

BIOQUÍMICA 2007

Ejemplo: H H \ / C═C / \ H3C CH3 Cis-2-buteno H CH3 \ / C═C / \ H3C H Trans-2-buteno Los isomeros cis-trans pueden tener amplia variación en sus propiedades físicas. Fórmula general: CnH2n. Los alcanos se llaman hidrocarburos saturados debido a que no pueden asociarse más átomos de hidrógeno o átomos de otros elementos con los átomos de carbono de la cadena. Los hidrocarburos no saturados pueden producir reacciones de adición debido a su disponibilidad de electrones π del enlace múltiple. Las reacciones de adición son características de los hidrocarburos no saturados. Pueden darse con reactivos simétricos (ej: Cl2, Br2, H2) en las que el mismo átomo se adiciona a ambos lados del enlace múltiple, o con reactivos no simétricos (ej: HBr, HCl) en las que diferentes átomos se adicionan a ambos lados del enlace múltiple. En el caso de los alquenos, cuando se adicionan reactivos asimétricos se obtienen dos compuestos isoméricos. El producto principal de la adición es aquel en el que la parte positiva del agregado (ej: H) está unida al carbono que inicialmente tenía el mayor número de átomos de H (regla de Markovnikov). Dicho de otra forma, el electrófilo se adiciona al doble enlace de manera que se forme el carbocatión más estable (que es el más sustituido con radicales alquilo). Ejemplo: hidrógeno se adiciona al eteno en presencia de un catalizador para dar etano: Ni

CH2═CH2 + H2 → CH3CH3 Las propiedades físicas de los alquenos son muy parecidas a las de los alcanos. Hasta 4 carbonos son gaseosos, de 5 a 18 son líquidos y los superiores sólidos. Todos los compuestos son ligeramente solubles en agua.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 5 de 12

BIOQUÍMICA 2007

ALQUINOS Llamados también serie acetilénica. Tienen un triple enlace C≡C (un enlace σ y dos enlaces π) en alguna parte de su estructura molecular. El primer miembro de la serie es el etino o acetileno: HC≡CH Los alquinos sufren fácilmente reacciones de adición a través del triple enlace. Nomenclatura: Sufijo –ino. Se numera la cadena para dar posición al triple enlace. Además de la isomería de cadena, presentan isomería de posición (según la posición del triple enlace). Fórmula general: CnH2n-2

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Son compuestos que tienen estructuras moleculares basadas en las del benceno C6H6. Toda la estructura es plana y la distancia de enlace C-C es intermedia entre el enlace simple y el doble. La estructura del benceno se puede representar como un híbrido de resonancia: Esta representación indica que todos los enlaces C-C son equivalentes. De acuerdo con la teoría de la resonancia, ninguna de estas formas es la correcta sino que la estructura correcta es el hibrido de resonancia.

El anillo bencénico generalmente se representa como: El radical formado del benceno por separación de un átomo de hidrógeno se llama radical fenilo. El radical fenilo es un ejemplo de radical arilo. La estructura es muy estable y no presenta fácilmente reacciones de adición.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 6 de 12

BIOQUÍMICA 2007

ALCOHOLES Y ETERES Los alcoholes pueden ser considerados como derivados de hidrocarburo en los cuales el grupo hidroxilo, OH, reemplaza a un H. El grupo hidroxilo es un grupo funcional. Los grupos funcionales le dan a los compuestos que los poseen propiedades físicas y químicas características. Nomenclatura: Se nombran como derivados de los hidrocarburos que consisten en la cadena lineal más larga que contiene al grupo OH. El sufijo del hidrocarburo se cambia de –ano a –anol, y se usan números para indicar la posición de los sustituyentes, asignando el menor número al grupo OH. El primer miembro de la serie es el metanol (alcohol metílico) que se conoce como alcohol de madera. El alcohol de las bebidas alcohólicas es el etanol (alcohol etílico) que se prepara por fermentación de almidones (transformados previamente en moléculas más sencillas fermentescibles) o azúcares (directamente fermentescibles). La fermentación es una reacción bioquímica anaerobia (sin aire) y es catalizada por enzimas. El etanol también se obtiene por hidratación catalítica de etileno. Presentan isomería de posición de función según donde se ubique el OH. Clasificación: Primarios: 1 grupo alquilo sobre el átomo de carbono que contiene al OH. Secundarios: 2 grupos alquilo sobre el átomo de carbono que contiene al OH. Terciarios: 3 grupos alquilo sobre el átomo de carbono que contiene al OH. Los alcoholes se asocian mediante enlaces (o puentes) de hidrógeno. Estos se dan porque el hidrógeno está enlazado a un elemento muy electronegativo de tamaño atómico pequeño como es el O. El átomo del elemento electronegativo ejerce una atracción tan fuerte sobre los electrones del enlace que el átomo de hidrógeno queda con una carga parcial positiva significativa (δ+). El átomo de hidrógeno de una molécula y un par de electrones no compartidos de un átomo electronegativo de otra molécula se atraen mutuamente y forman el puente de H.

R R R │ │ │ O  H ••• O  H ••• O  H Por esto los puntos de fusión y ebullición de los alcoholes son mayores que los correspondientes alcanos de pesos moleculares similares.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 7 de 12

BIOQUÍMICA 2007

Los alcoholes inferiores son miscibles con agua (solubles) en todas las proporciones debido al enlace de hidrógeno intermolecular. A medida que el tamaño del radical alquilo aumenta los alcoholes se parecen más a los alcanos en sus propiedades físicas del tal forma que lo alcoholes superiores son solo ligeramente solubles en agua. Reacciones: La eliminación de una molécula de agua de un alcohol produce un alqueno (olefina): H2SO4, T>150ºC

CH3CH2OH → CH2═CH2 + H2O Bajo condiciones más leves solo se remueve una molécula de agua de dos moléculas de alcohol y se obtiene un éter. H2SO4, 130ºC - 140ºC

CH3CH2OH + HOCH2CH3 → CH3CH2O CH2CH3+ H2O Etanol éter dietílico A diferencia de los alcoholes los alcoholes los éteres no se asocian por enlaces de hidrógeno, por lo que los puntos de ebullición de los éteres son mucho más bajos que los de los alcoholes de peso molecular correspondiente. Los alcoholes y los éteres son isómeros. El tipo de isomería presentado por este par de compuestos se conoce como isomería de grupos funcionales. Los polioxialcoholes poseen más de u grupo funcional. Los ejemplos incluyen el 1,2etanodiol (etilenglicol): CH2CH2 │ │ OH OH y el 1,2,3-propanotriol (glicerol) el cual se obtiene de las grasas: CH2CHCH2 │ │ │ OH OH OH

COMPUESTOS DE CARBONILO Un átomo de carbono puede formar un doble enlace con un átomo de oxígeno para producir lo que se llama un grupo carbonilo:

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 8 de 12

BIOQUÍMICA 2007

│ C═O │ Si el grupo carbonilo está enlazado a un hidrógeno o a dos hidrógenos, el compuesto es un ALDEHIDO: H │ C═O │ H Formaldehído (metanal) CH3 │ C═O │ H Acetaldehído (etanal)

Nomenclatura: Sufijo –al Se asigna el número 1 al C carbonílico.

Si el grupo carbonilo está unido a dos grupos alquilo o arilo (iguales o diferentes), el compuesto es una CETONA: CH3 │ C═O │ CH3 Acetona (propanona) Nomenclatura: Sufijo –ona Se asigna el menor número posible al C carbonílico.

Los aldehídos se pueden preparar por la oxidación de u alcohol primario. La oxidación posterior del aldehído da lugar a ácidos carboxílicos. La oxidación de alcoholes secundarios produce cetonas. Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 9 de 12

BIOQUÍMICA 2007

(La oxidación de alcoholes terciarios produce la destrucción del esqueleto carbonado de la molécula).

ACIDOS CARBOXILICOS Y ESTERES La oxidación de un grupo aldehído produce un grupo carboxilo: OH │ C═O │ Los compuestos que contienen el grupo –COOH son ácidos débiles llamados ácidos carboxílicos. Los ácidos carboxílicos están asociados mediante enlaces de hidrógeno. Nomenclatura: El nombre del un ácido carboxílico se deriva del hidrocarburo progenitor suprimiendo la –o final y añadiendo la terminación –oico, además de por separado y al principio la palabra ácido. Se asigna el 1 al carbono carboxílico. OH │ C═O │ CH3 Acido etanoico (acido acético)

OH │ C═O │ CH2 │ CH3 Acido propanoico

Algunos compuestos contienen más de un grupo carboxilo. Los ejemplos incluyen:

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 10 de 12

BIOQUÍMICA 2007

COOH │ COOH Acido etanodioico (ácido oxálico)

CH2COOH │ HOCCOOH │ CH2COOH Acido cítrico Una categoría particular la forman los ácidos carboxílicos de largas cadenas carbonadas que se denominan ácidos grasos. Estos ácidos forman esteres con la glicerina. Las grasas y los aceites son mezclas de estos esteres. Los ácidos carboxílicos reaccionan con alcoholes para producir compuestos conocidos como Esteres. OH │ C═O + │ CH3 Ácido etanoico (acido acético)

CH3CH2OH etanol

→

OCH2CH3 │ C═O + │ CH3 Etanoato de etilo (acetato de etilo)

H2O

Nomenclatura: -oico por –ato -ol por -ilo Las reacciones de esterificación son reversibles y alcanzan el equilibrio; pueden forzarse a su desplazamiento en cualquier dirección mediante la selección de las condiciones adecuadas. Los esteres de bajo peso molecular tienen olor agradable a frutas.

AMINAS Y AMIDAS Las aminas pueden considerarse como derivados del amoníaco con uno, dos o tres átomos de hidrógeno reemplazados por grupos alquilo o arilo:

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 11 de 12

BIOQUÍMICA 2007

H │ CH3NH Metilamina (amina primaria)

CH3 │ CH3NH Dimetilamina (amina secundaria)

CH3 │ CH3NCH3 Trimetilamina (amina terciaria)

Las aminas son bases débiles. Las amidas se pueden obtener a partir del amoníaco y los ácidos carboxílicos: OH │ C═O + │ CH3 Ácido etanoico (Acido acético)

NH3 amoniaco

→

NH2 │ C═O │ CH3 Etanamida (acetamida)

+

H2O

POLIMEROS El almidón, la celulosa y las proteínas son ejemplos de polímeros naturales – moléculas de elevado peso molecular que se forman de moléculas simples llamadas monómeros. Cuando los monómeros que se polimerizan son diferentes se habla de copolímeros La polimerización por condensación ocurre entre las moléculas de monómeros por la eliminación de una molécula pequeña, generalmente agua. Las proteínas y los polisacáridos son polímeros condensados.

Material preparado por Q.F. Fernanda Bermúdez Página 12 de 12