3.8 Clasificación y
propiedades de los compuestos orgánicos
Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que
contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono o
carbono-hidrógeno. En muchos casos contienen oxígeno, nitrógeno, azufre,
fósforo, boro, halógenos y otros elementos. Estos compuestos se denominan
moléculas orgánicas. La mayoría de los compuestos orgánicos se produce de forma
artificial, aunque solo un conjunto todavía se extrae de forma natural.
Las moléculas orgánicas pueden ser de dos tipos:
Moléculas orgánicas naturales: Son las sintetizadas por
los seres vivos, y se llaman biomoléculas, las cuales son estudiadas por la
bioquímica.
Moléculas orgánicas artificiales: Son sustancias que no
existen en la naturaleza y han sido fabricadas por el hombre como los
plásticos.
La línea que divide las moléculas orgánicas de las
inorgánicas ha originado polémicas e históricamente ha sido arbitraria, pero
generalmente, los compuestos orgánicos tienen carbono con enlaces de hidrógeno,
y los compuestos inorgánicos, no. Así el ácido carbónico es inorgánico,
mientras que el ácido fórmico, el primer ácido graso, es orgánico. El anhídrido
carbónico y el monóxido de carbono, son compuestos inorgánicos. Por lo tanto,
todas las moléculas orgánicas contienen carbono, pero no todas las moléculas
que contienen carbono, son moléculas orgánicas.
Tipos de compuestos orgánicos
El carbono es singularmente adecuado para este papel
central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples
enlaces covalentes. A raíz de esta capacidad, el carbono puede combinarse con
otros átomos de carbono y con átomos distintos para funcionales. Una
característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía
cuando se oxidan.
En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes
de moléculas orgánicas en gran cantidad: carbohidratos, todas estas moléculas
contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas y azufre, y los
nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo.
Los carbohidratos son la fuente primaria de energía
química para los sistemas vivos. Los más simples son los monosacáridos
("azúcares simples"). Los monosacáridos pueden los carbohidratos,
almacenan energía y son importantes componentes estructurales. Incluyen las
grasas y los aceites, los fosfolípidos, los glucolípidos, los esfingolípidos,
las ceras, y esteroides como el colesterol.
Las proteínas son moléculas muy grandes compuestas de
cadenas largas de aminoácidos, conocidas como cadenas polipeptídicas. A partir
de sólo veinte aminoácidos diferentes se puede sintetizar una inmensa variedad
de diferentes tipos de moléculas proteínicas, cada una de las cuales cumple una
función altamente específica en los sistemas vivos.
Los nucleótidos son moléculas complejas formadas por un
grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base químicas dentro de los
sistemas vivos. El principal portador de energía en la mayoría de las
reacciones químicas que ocurren dentro de las células es un nucleótido que
lleva tres fosfatos, el ATP.
3.9 Hidrocarburos
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados
únicamente por "átomos de carbono e hidrógeno". La estructura
molecular consiste en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los
átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos son los compuestos básicos de la Química
Orgánica. Las cadenas de átomos de carbono pueden ser lineales o ramificadas y
abiertas o cerradas.
Los hidrocarburos se pueden diferenciar en dos tipos que
son alifáticos y aromáticos. Los alifáticos, a su vez se pueden clasificar en
alcanos, alquenos y alquinos según los tipos de enlace que unen entre sí los
átomos de carbono. Las fórmulas generales de los alcanos, alquenos y alquinos
son CnH2n+2, CnH2n y CnH2n-2, respectivamente.
Clasificación:
Según la estructura de los enlaces entre los átomos de
carbono, se clasifican en:
Hidrocarburos a cíclicos, alifáticos, un alifáticos, o de
cadena abierta: estos a su vez se dividen en:
Hidrocarburos saturados (alcanos o parafinas), que no
tienen enlaces dobles, triples, ni aromáticos, sólo múltiples enlaces individuales,
y de cadena.
Hidrocarburos no saturados o insaturados, que tienen uno
o más enlaces dobles (alquenos u olefinas) o triples (alquinos o acetilénicos)
entre sus átomos de carbono.
Hidrocarburos cíclicos, hidrocarburos de cadena cerrada
que a su vez se subdividen en:
Ciclo alcanos, que tienen cadenas cerradas de 3, 4, 5, 6,
7 y 8 moléculas de carbono saturados o no saturados.
Hidrocarburos aromáticos, no saturados, que poseen al
menos un anillo aromático además de otros tipos de enlaces.
Los hidrocarburos extraídos directamente de formaciones
geológicas en estado líquido se conocen comúnmente con el nombre de petróleo,
mientras que los que se encuentran en estado gaseoso se les conoce como gas
natural. La explotación comercial de los hidrocarburos constituye una actividad
económica de primera importancia, pues forman parte de los principales
combustibles fósiles (petróleo y gas natural), así como de todo tipo de
plásticos, ceras y lubricantes.
Según los grados API, se clasifican en:
Si es:
> 40 - condensado
30-39.9 - liviano
22-29.9 - mediano
10-21.9 - pesado
< 9.9 - extra pesado
Los hidrocarburos sustituidos son compuestos que tienen
la misma estructura que un hidrocarburo, pero que contienen átomos de otros
elementos distintos al hidrógeno y el carbono en lugar de una parte del
hidrocarburo. La parte de la molécula que tiene un ordenamiento específico de
átomos, que es el responsable del comportamiento químico de la molécula base,
recibe el nombre de grupo funcional.
3.10 Halogenuros
Los halogenuros (derivado del nombre griego halos = sal)
son los compuestos que contienen los elementos del grupo VII (flúor, cloro,
bromo yodo y ástato) en estado de oxidación -1. Sus características químicas y
físicas se suelen parecer para el cloruro hasta el yoduro siendo una excepción
el fluoruro.
Pueden ser formados directamente desde los elementos o a
partir del ácido HX (X = F, Cl, Br, I) correspondiente con una base.
LOS HALOGENUROS
INORGÁNICOS
Los halogenuros inorgánicos son sales que contienen los
iones F-, Cl-, Br- o I-. Con iones plata forman un precipitado (excepto el
fluoruro, que es soluble). La solubilidad de la sal de plata decae con el peso
del halogenuro. Al mismo tiempo aumenta el color que va de blanco para el
cloruro AgCl a amarillo en el AgI.
También existen complejos metálicos de los halogenuros.
Así, el yoduro de mercurio se disuelve en presencia de un exceso de yoduro para
formar aniones de tetrayodomercurato HgI42-. (Este ion se encuentra por ejemplo
en el reactivo de Nessler utilizado en la determinación cualitativa del
amoníaco).
LOS HALOGENUROS
ORGÁNICOS
Los halogenuros orgánicos cuentan con un halógeno en
estado de oxidación, unido directamente a un átomo de carbono. Según la
naturaleza del halógeno y del resto orgánico tienen una amplia variedad de
aplicaciones y se han desarrollado diversas formas de síntesis. Las más
importantes reacciones de obtención son:
Intercambio del grupo OH de un alcohol por el halogenuro
aplicando disoluciones acuosas de HX. Con un hidrógeno en posición "beta"
hay peligro de eliminaciones como reacción secundaria.
Intercambio de grupos OH no fenílicos con halogenuro de
fósforo (III) (PX3, o halogenuro de tienilo (SOX2). Este método también se
aplica para la obtención de halogenuros de ácidos carboxílicos. Con sustancias
delicadas se puede llevar a cabo en presencia de una base (p.ej. piridina).
Adición de HX a enlaces múltiples. Según las condiciones
(polares o radical arias) se forma el producto Markownikoff o
anti-Markownikoff.
Descomposición del diazonio (R-N2+)en presencia de
halogenuro de cobre para sintetizar halogenuros sobre carbonos aromáticos
(Reacción de Sandmeyer)
Sustitución radical aria de uno o varios hidrógenos en un
grupo alcano. Un ejemplo es la síntesis de bromuro de bencilo a partir de
tolueno con bromo elemental en condiciones fotoquímicas:
Br2 + H3CC6H5 -> HBr + BrH2CC6H5
La selectividad de esta reacción puede ser mejorada en
algunos casos partiendo del halogenuro de la succinimida en vez del halógeno
elemental.
Sustitución de un hidrógeno aromático por un halogenuro
mediante en presencia de un catalizador (generalmente un ácido de Lewis, como
FeBr3):
Br2 + C6H5Me -[FeBr3]-> HBr + C6H4BrMe
Intercambio de halógenos. Esta reacción se utiliza sobre
todo para los fluoruros que son difíciles de conseguir por otros métodos.
3.11 Alcoholes
En química se denomina alcohol (del árabe al-khwl الكحول, o al-ghawl الغول, "el espíritu",
"toda sustancia pulverizada", "líquido destilado") a
aquellos hidrocarburos saturados, o alcanos que contienen un grupo hidroxilo
(-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno enlazado de forma covalente.
Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o
terciarios, en función del número de átomos de hidrógeno sustituidos en el
átomo de carbono al que se encuentran enlazado el grupo hidroxilo.
A nivel del lenguaje popular se utiliza para indicar
comúnmente una bebida alcohólica, que presenta etanol, con formula química
CH3CH2OH.
Propiedades
generales
Los alcoholes son líquidos incoloros de baja masa
molecular y de olor característico, solubles en el agua en proporción, variable
y menos densos que ella. Al aumentar la masa molecular, aumentan sus puntos de
fusión y ebullición, pudiendo ser sólidos a temperatura ambiente (El
pentaerititrol funde a 260 °C). También disminuye la solubilidad en agua al
aumentar el tamaño de la molécula, aunque esto depende de otros factores como
la forma de la cadena alquílica. Algunos alcoholes (principalmente polihidroxílicos
y con anillos aromáticos) tienen una densidad mayor que la del agua. Sus puntos
de fusión y ebullición suelen estar muy separados, por lo que se emplean
frecuentemente como componentes de mezclas anticongelantes. Por ejemplo, el
1,2-etanodiol tiene un punto de fusión de -16 °C y un punto de ebullición de
197 °C.
Propiedades
químicas de los alcoholes:
Los alcoholes pueden comportarse como ácidos o bases,
esto gracias al efecto inductivo, que no es más que el efecto que ejerce la
molécula de –OH como sustituyente sobre los carbonos adyacentes. Gracias a este
efecto se establece un dipolo. Debido a que en el metanol y en los alcoholes
primarios el hidrógeno está menos firmemente unido al oxígeno, la salida de los
protones de la molécula es más fácil por lo que la acidez será mayor en el
metanol y el alcohol primario.
Alcoholes
primarios, secundarios y terciarios
Alcohol primario: los alcoholes primarios reaccionan muy lentamente.
Como no pueden formar carbocationes, el alcohol primario activado permanece en solución
hasta que es atacado por el ión cloruro. Con un alcohol primario, la reacción
puede tomar desde treinta minutos hasta varios días.
Alcohol secundario: los alcoholes secundarios tardan menos tiempo,
entre 5 y 20 minutos, porque los carbocationes secundarios son menos estables
que el terciario.
Alcohol terciario: los alcoholes terciarios reaccionan casi
instantáneamente, porque forman carbocationes terciarios relativamente
estables.
3.12 ÉTERES
En química orgánica y bioquímica, un éter es un grupo
funcional del tipo R-O-R', en donde R y R' son grupos que contienen átomos de
carbono, estando el átomo deoxígeno unido y se emplean pasos intermedios:
ROH + HOR' → ROR' + H2O
Normalmente se emplea el alcóxido, RO-, del alcohol ROH,
obtenido al hacer reaccionar al alcohol con una base fuerte. El alcóxido puede
reaccionar con algún compuesto R'X, en donde X es un buen grupo saliente, como
por ejemplo yoduro o bromuro. R'X también se puede obtener a partir de un
alcohol R'OH.
RO- + R'X → ROR' + X-
Al igual que los ésteres, no forman puentes de hidrógeno.
Presentan una alta hidrofobicidad, y no tienden a ser hidrolizados. Los éteres
suelen ser utilizados como disolventes orgánicos.
Suelen ser bastante estables, no reaccionan fácilmente, y
es difícil que se rompa el enlace carbono-oxígeno. Normalmente se emplea, para
romperlo, un ácido fuerte como el ácido yodhídrico, calentando, obteniéndose
dos halogenuros, o un alcohol y un halogenuro. Una excepción son los oxiranos
(o epóxidos), en donde el éter forma parte de un ciclo de tres átomos, muy
tensionado, por lo que reacciona fácilmente de distintas formas.
El enlace entre el átomo de oxígeno y los dos carbonos se
forma a partir de los correspondientes orbitales híbridos sp³. En el átomo de
oxígeno quedan dos pares de electrones no enlazantes.
Los dos pares de electrones no enlazantes del oxígeno
pueden interaccionar con otros átomos, actuando de esta forma los éteres como
ligandos, formando complejos. Un ejemplo importante es el de los éteres corona,
que pueden interaccionar selectivamente con cationes de elementos alcalinos o,
en menor medida, alcalinotérreos.
TIPOS DE ÉTERES
Éteres corona: Hay éteres que contienen más de un grupo
funcional éter (poliéteres) y algunos de éstos forman ciclos; estos poliéteres
se denominan éteres corona.
Poliésteres:
Se pueden formar polímeros que contengan el grupo
funcional éter. Un ejemplo de formación de estos polímeros:
R-OH + n(CH2)O ! R-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-O-..
Los poliéteres más conocidos son las resinas epoxi, que
se emplean principalmente como adhesivos. Se preparan a partir de un epóxido y
de un dialcohol.
Epóxidos u oxiranos
Los epóxidos u oxiranos son éteres en donde el átomo de
oxígeno es uno de los átomos de un ciclo de tres. Son pues compuestos
heterocíclicos.
ÉTERES DE
SILICIO
Hay otros compuestos en los que el grupo funcional no es
R-O-R', estando el oxígeno unido a dos carbonos, pero siguen siendo llamados
éteres. Por ejemplo, los éteres de silicio, en donde la fórmula general es
R-O-Si, es decir, el oxígeno está unido a un carbono y a un átomo de silicio.
Sigue habiendo un par de electrones no enlazantes. Estos compuestos se llaman
éteres de silicio.
3.13 Aldehídos y cetonas
Aldehídos y cetonas se caracterizan por tener el grupo
carbonilo
El sistema de nomenclatura corriente consiste en
emplear el nombre del alcano correspondiente terminado en -al.
Cuando el grupo CHO es sustituyente se utiliza el
prefijo formil-.
También se utiliza el prefijo formil- cuando hay tres
o más funciones aldehídos sobre el mismo compuesto .En esos casos se puede
utilizar otro sistema de nomenclatura que consiste en dar el nombre de
carbaldehído a los grupos CHO (los carbonos de esos CHO no se numeran, se
considera que no forman parte de la cadena).Este último sistema es el idóneo
para compuestos con grupos CHO unidos directamente a ciclos.
Cetonas
Para nombrar los cetonas tenemos dos alternativas:
El nombre del hidrocarburo del que procede terminado
en -ona .Como sustituyente debe emplearse el prefijo oxo-.
Citar los dos radicales que están unidos al grupo
carbonilo por orden alfabético y a continuación la palabra cetona.
Los compuestos carbonílicos presentan puntos de
ebullición más bajos que los alcoholes de su mismo peso molecular.No hay
grandes diferencias entre los puntos de ebullición de aldehídos y cetonas de
igual peso molecular.
Los compuestos carbonílicos de cadena corta son
solubles en agua y a medida que aumenta la longitud de la cadena disminuye la
solubilidad.
3.14 Ácido carboxílico
Los ácidos
carboxílicos constituyen un grupo de compuestos que se caracterizan porque
poseen un grupo funcional llamado grupo carboxilo o grupo carboxi (–COOH); se
produce cuando coinciden sobre el mismo carbono un grupo hidroxilo (-OH) y
carbonilo (C=O). Se puede representar como COOH ó CO2H.
Características
y propiedades
Comportamiento
químico de las diferentes posiciones del grupo carboxilo
Los derivados
de los ácidos carboxílicos tienen como formula general R-COOH. Tiene
propiedades ácidas; los dos átomos de oxígeno son electronegativos y tienden a
atraer a los electrones del átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo con lo que
se debilita el enlace, produciéndose en ciertas condiciones, una ruptura
heterolítica cediendo el correspondiente protón o hidrón, H+, y quedando el
resto de la molécula con carga -1 debido al electrón que ha perdido el átomo de
hidrógeno, por lo que la molécula queda como R-COO-.
Generalmente
los ácidos carboxílicos son ácidos débiles, con sólo un 1% de sus moléculas
disociadas para dar los correspondientes iones, a temperatura ambiente y en
disolución acuosa.
Pero sí son más
ácidos que otros, en los que no se produce esa deslocalización electrónica,
como por ejemplo los alcoholes. Esto se debe a que la estabilización por
resonancia o deslocalización electrónica, provoca que la base conjugada del
ácido sea más estable que la base conjugada del alcohol y por lo tanto, la
concentración de protones provenientes de la disociación del ácido carboxílico
sea mayor a la concentración de aquellos protones provenientes del alcohol;
hecho que se verifica experimentalmente por sus valores relativos menores de
pKa. El ion resultante, R-COOH-, se nombra con el sufijo "-ato".
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