Orgánica

Carbono. Alcanos, aldehídos, cetonas, ácidos, alcoholes, éteres. Nomenclatura y propiedades

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Introducción

La química orgánica estudia fundamentalmente los compuestos que contienen carbono que es la base fundamental de los fenómenos vitales en los animales y vegetales. Si hacemos una inspección de todos los compuestos químicos que alguna vez han sido fabricados, analizados y caracterizados, obtendremos seguramente , que hay  mas sustancias que contienen carbono que las que no lo contienen. El Carbono se encuentra combinado en muchos mas compuestos que todos los otros elementos químicos (excepto el hidrógeno).

Los principales elementos de los compuestos orgánicos son C e H2 (este ultimo salvo unas pocas excepciones) también puede encontrarse formando compuestos orgánicos  O2,N2 y en menor proporción S, P, Fe, Mg, Co, Zn. Casi todos los compuestos orgánicos por calentamiento en presencia de un oxidante fuerte se destruyen eliminando CO2  +  H2. El carbono con Z = 6 (número atómico) posee una configuración electrónica 1s2 2s2 2p2 por lo cual tiene 4 electrones en el último nivel: 2-e sin aparear en Px y Py. Podría formar 2 uniones covalentes con Px y Py y una unión covalente coordinada con el orbital vacío Pz.

En la práctica se comprobó que esto no explicaba que los ángulos de enlaces en el átomo de Carbono eran de 109,28° y formaban 4 uniones covalentes. Para explicar esto se acepto que unos de los electrones del orbital 2s se excita y salta al nivel vacío Pz. Simultáneamente se produce una reestructuración o mezcla de los orbitales formándose los orbitales "híbridos". Esta mezcla se puede producir entre un 1s y 3p (sp3)- 1s y 2p (sp2)-1s 1p (sp).

Derivados de los alcanos

Los hidrocarburos saturados de cadena abierta forman un grupo homólogo denominado alcanos o parafinas. La composición de todos los miembros del grupo responde a la fórmula CnH2n +2, donde n es el número de átomos de carbono de la molécula.

Todos los miembros alcanos son inertes, es decir, no reaccionan fácilmente a temperaturas ordinarias con reactivos como los ácidos, los álcalis o los oxidantes.

Los alcanos son hidrocarburos saturados y contienen el número máximo posible de hidrógenos por carbono.  También se conocen como compuestos alifáticos, nombre derivado del griego aleiphas que significa grasa.  La grasa animal contiene largas cadenas de carbono similares a las que se encuentran en los alcanos. Los Alcanos también se conocen como parafinas. Parafina, proviene del latín parum affinis que significa poca afinidad. La fórmula general de los alcanos es CnH2n+2 donde n = número entero.

Alcanos Lineales:

Los cuatro primeros miembros de la serie conservan los nombres antiguos a saber:

Metano CH4; etano CH3-CH3; propano CH3-CH2-CH3; butano CH3-CH2-CH2-CH3

Nomenclatura de los alcanos lineales

1.- Los cuatro primeros miembros de la serie se nombran como: n-metano, n-etano, n-propano y n-butano. La letra ene (en itálica) seguida de un guión: n-, que se le antepone al nombre (como por ejemplo en n-butano), es para indicar que se trata del isómero de cadena lineal del butano.

2.- El nombre de los alcanos lineales con más de cuatro átomos de carbono se construye del siguiente modo: una raíz, que es un prefijo indicando el nº de átomos de carbono de la cadena: pent (5), hex (6), hept (7), oct (8), non (9), dec (10), undec (11),..., nonadec (19), icos o eicos (20), etc, seguida de la terminación ano.

Alcanos ramificados:

Para nombrarlos se escoge como cadena principal (esqueleto) la mas larga y se numera comenzando por el extremo tal que determine para las posiciones de los radicales (ramas), los números mas bajos.

Escogida y enumerada la cadena principal, se nombran los radicales en orden alfabético suprimiéndoles la o e indicando sus posiciones en la cadena, por ultimo se nombra el hidrocarburo de donde derivo la cadena principal.

Los Aldehídos

Los aldehídos son cada uno de los compuestos orgánicos que contienen el grupo carbonilo (CO) y que responden a la fórmula general

Orgánica

donde R es un átomo de hidrógeno (es el caso del metanal) o un radical hidrocarbonado alifático o aromático.

Los aldehídos son aquellos compuestos caracterizados por la presencia de uno o mas grupos carbonilo en posición terminal.

La cadena principal debe contener al carbono del grupo carbonilo. Si hay dos grupos carbonilos, la cadena principal deberá contener a ambos. Se le dará el numero uno al carbono del grupo carbonilo. El sufijo a utilizar es al, o dial si hubiera dos grupos carbonilo, uno al principio y otro al final de la cadena carbonada.

Nomenclatura de los aldehídos.

  • Para nombrar a los aldehídos se cambia la terminación o de los alcanos por al para denotar la presencia de un aldehído.

  • El grupo carbonilo de los alcanales o aldehídos siempre está al final de la cadena. Este hecho lo hace química y físicamente diferente a las cetonas, por eso se considera como un grupo funcional aparte El hidrógeno vecino al oxígeno es fácilmente oxidable y esta es una de las principales diferencias entre estas dos familias de compuestos

  • Como este grupo funcional siempre está al final de la cadena no se usan números localizadores.

Propiedades físicas.

No es de sorprender que los aldehídos y las cetonas se asemejen en la mayoría de sus propiedades como consecuencia de poseer el grupo carbonilo. Sin embargo, en los aldehídos el grupo carbonilo esta unido a un átomo de hidrógeno, mientras que en las cetonas se une a dos grupos orgánicos. Esta diferencia estructural afecta a sus propiedades de dos formas fundamentales: 

  • Los aldehídos se oxidan con facilidad mientras que las cetonas lo hacen con dificultad

  • Los aldehídos suelen ser más reactivos que las cetonas en adiciones nucleofílicas, que es la reacción más característica de este tipo de compuestos

Los aldehídos son compuestos de fórmula general R-CHO. Este compuesto tiene una amplia aplicación tanto como reactivos y disolventes así como su empleo en la fabricación de telas, perfumes, plásticos y medicinas. En la naturaleza se encuentran ampliamente distribuidos como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos tanto en el reino animal como vegetal.

 Lo que debemos saber de los aldehídos:

1) La función química de los aldehídos es R-CH=O o Ar-CH=O

2) Se les obtiene mediante la oxidación moderada de un alcohol primario.

3) Ejemplo: R-CH2-OH + O -----> R-CH=O ALDEHÍDO

Para nombrarlos se siguen los pasos que a continuación se mencionan:

a) se selecciona la cadena más larga que contiene la función -CHO

b) la función -CHO siempre ocupa el extremo de la cadena, es decir, es el carbono número uno.

c) se anteponen los nombres de los radicales que existan, se agrega el prefijo correspondiente de la cadena y se termina con el sufijo "al".

Ejemplos:

HCH=O metanal o formaldehído o aldehído fórmico
CH3-CH=O etanal o acetaldehído o aldehído acético
CH3-CH2-CH=O propanal o propionaldehído o aldehído propiónico

d) el benceno unido a la función -CH=O se denomina "benzaldehído" o "benzal".

e) si hay otras arborescencias en el benceno, se ordenan alfabéticamente y se escribe en qué carbono se encuentra cada una de ellas.

El grupo funcional de los aldehídos es:
                                                                           H
                                                                            |
                                                                     R - C =O

Orgánica

La mayoría de los aldehídos son solubles en agua y presentan puntos de ebullición elevados. El grupo carbonilo les proporciona una gran reactividad desde el punto de vista químico; dan ácidos carboxílicos con mucha facilidad. Los aldehídos se obtienen a partir de los alcoholes primarios, controlando el proceso para evitar que el aldehído pase a ácido.

Cetonas

Son cada uno de los compuestos orgánicos que contienen el grupo carbonilo (CO) y que responden a la fórmula general R—CO—R¢, en la que R y R¢ representan radicales orgánicos y donde los grupos R y R´ pueden ser alifáticos o aromáticos.

Nomenclatura de las 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.

  • Orgánica

    Propiedades físicas

    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.

    El grupo funcional de las cetonas es:   R
                                                                       |
                                                                      C = O
                                                                       |
                                                                      'R

    Al grupo carbonilo se debe la disolución de las cetonas en agua. Son compuestos relativamente reactivos, y por eso resultan muy útiles para sintetizar otros compuestos; también son productos intermedios importantes en el metabolismo de las células. Se obtienen a partir de los alcoholes secundarios.

    La cetona más simple, la propanona o acetona, CH3COCH3, es un producto del metabolismo de las grasas, pero en condiciones normales se oxida rápidamente a agua y dióxido de carbono. Sin embargo, en la diabetes mellitus la propanona se acumula en el cuerpo y puede ser detectada en la orina. Otras cetonas son el alcanfor, muchos de los esteroides, y algunas fragancias y azúcares.

    Ácidos orgánicos

    El término ácidos orgánicos engloba aquellos ácidos cuya estructura química se basa en el carbono. Se añaden al pienso por su capacidad para reducir el pH de los alimentos, favoreciendo su conservación. Simultáneamente ejercen una influencia positiva a nivel digestivo y metabólico, mejorando los rendimientos productivos de los animales. Los de mayor interés en producción animal son el acético, butírico, cítrico, fórmico, láctico, málico, propiónico, y sórbico.

    En las tablas 1 y 2 se detallan las propiedades químicas más importantes de los principales ácidos orgánicos y de sus sales (Eidelsburger, 1998).

    Tabla 1. Propiedades químicas de ciertos ácidos orgánicos

    Ácido                 Fórmula pKa Solubilidad Masa molecular, EB,

    empírica en agua g Kcal/Kg

    Fórmico CH2O2 3,75 Muy buena 48 1.386

    Acético C2H4O2 4,75 Muy buena 60 3.537

    Propiónico C3H6O2 4,87 Muy buena 74 4.971

    Láctico C3H6O3 3,08 Buena 90 3.609

    Fumárico C4H4O4 3,0/4,4 Regular 116 2.748

    Málico C4H6O5 3,4/5,1 Buena 134 2.390

    Tartárico C4H6O6 3,0/4,4 Buena 150 1.864

    Cítrico C6H8O7 3,1/5,9/6,4 Buena 210 2.461

     

    Tabla 2. Propiedades de diferentes sales de ácidos orgánicos

    Sal orgánica1 Solubilidad en agua Masa molecular,g  EB,Kcal/g

    Formiato cálcico Regular 130 932

    Formiato sódico Muy buena 68      932

    Lactato cálcico Regular 290  2.438

    Propionato cálcico Buena 186 3.967

    Propionato sódico Muy buena 96 3.943

     Todas sólidas.

    El modo de acción de los ácidos orgánicos no es totalmente conocido. Su acción beneficiosa parece estar relacionada con un incremento en la digestibilidad y retención de diversos nutrientes (minerales, proteína y energía), acompañado de una alteración de la población microbiana del tracto .

    La efectividad de inhibición del crecimiento microbiano depende no sólo de su poder acidificante sino también de la capacidad del ácido para penetrar a través de la pared celular del microorganismo en forma no disociada. Una vez dentro, el ácido se disocia y presenta un doble mecanismo de acción:

  • El hidrogenión (H+) reduce el pH del citoplasma, lo que obliga a la célula a incrementar sus gastos energéticos a fin de mantener su equilibrio osmótico

  • El anión (A-) perjudica la síntesis de DNA, evitando la replicación de los microorganismos. En principio pues, serían más interesantes los ácidos orgánicos de cadena corta con un pKa superior al pH fisiológico ya que permitiría que una mayor cantidad de ácido en forma no disociada penetrara en el interior del microorganismo.

  • Los alcoholes

    Son un grupo de compuestos químicos del carbono que contienen el grupo OH. Dicha denominación se utiliza comúnmente para designar un compuesto específico: el alcohol etílico o etanol.

    Proviene de la palabra árabe al-kuhl, o kohl, un polvo fino de antimonio que se utiliza para el maquillaje de ojos. En un principio, el término alcohol se empleaba para referirse a cualquier tipo de polvo fino, aunque más tarde los alquimistas de la Europa medieval lo utilizaron para las esencias obtenidas por destilación, estableciendo así su acepción actual.

    En este tipo de compuestos orgánicos, el átomo de oxígeno se encuentra formando únicamente enlaces sencillos, C—O y O—H. Los alcoholes se pueden representar por la fórmula general R—OH, donde el grupo característico hidroxilo (O—H) se encuentra unido a un carbono alifático.

    Los alcoholes pueden considerarse como derivados del agua por sustitución de uno o de los dos hidrógenos de la molécula, respectivamente, por radicales hidrocarbonados.

    Este parentesco se pone de manifiesto, en particular, en alcoholes que al conservar un grupo OH, tienen ciertas propiedades que recuerdan a las del agua.

    El ángulo de enlace C—O—H ó C—O—C es parecido al del agua y vale aproximada mente 107º.

    Nomenclatura de alcoholes

    Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, según el tipo de átomo de carbono al que va unido el grupo —OH, esto es, según que este carbono vaya unido a su vez a uno, dos o tres átomos de carbono, respectivamente.

    Los alcoholes se nombran sistemáticamente sustituyendo por ol la o terminal del hidrocarburo del que derivan e indicando la posición del —OH por un número, que suele colocarse al final del nombre. Se usan también con frecuencia nombres comunes, formados por la palabra alcohol seguida del nombre, terminado en ico, del radical que soporta el grupo —OH. Los fenoles se nombran como derivados del primer término, fenol, precedido del nombre y posición de los restantes sustituyentes.

    Propiedades físicas

    El parentesco de los alcoholes con el agua se pone de manifiesto en muchas de sus propiedades fisicoquímicas. Así, por ejemplo, los primeros términos de la serie de los alcoholes, de uno a tres átomos de carbono, son completamente miscibles con el agua, con la que forman enlaces de hidrógeno, análogos a los que existen entre las propias moléculas de agua o de los alcoholes entre sí. Al aumentar el número de átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada, se hace cada vez menor la influencia relativa del grupo hidroxilo, por lo que disminuye mucho su solubilidad en agua, siendo ya prácticamente insolubles los alcoholes con diez o más átomos de carbono.

    En estado sólido y en estado líquido, las moléculas de los alcoholes y fenoles están muy asociadas mediante enlaces de hidrógeno, formando cadenas de varias moléculas, lo que explica sus puntos de fusión y de ebullición anormalmente elevados Como ocurre, en general, en todas las series homólogas, los puntos de fusión y de ebullición de los alcoholes de cadena lineal aumentan con el número de átomos de carbono. Así, los alcoholes inferiores son líquidos incoloros, muy fluidos y relativamente volátiles; los de 6 a 11 átomos de carbono son ya líquidos viscosos; y el dodecanol, esto es, con 12 átomos de carbono (alcohol laurílico), es el primer alcohol de cadena lineal que es sólido a la temperatura ambiente.

    Los éteres

    Los Éteres son un grupo de compuestos orgánicos que responden a la fórmula general R—O—R¢, en donde O es un átomo de oxígeno, y R y R¢ representan los mismos o distintos radicales orgánicos.

    La mayoría de los éteres son líquidos volátiles, ligeros e inflamables, solubles en alcoholes y otros disolventes orgánicos. Desde el punto de vista químico, son compuestos inertes y estables; los álcalis o los ácidos no los atacan fácilmente. Están estrechamente relacionados con los alcoholes, y se obtienen directamente de ellos. El compuesto más típico y más utilizado de este grupo es el éter común o etílico, normalmente denominado éter.

    Propiedades físicas de los éteres

     

    Debido a que el ángulo del enlace C-o-C no es de 180º, los momentos dipolares de los dos enlaces C-O no se anulan; en consecuencia, los éteres presentan un pequeño momento dipolar neto (por ejemplo, 1.18 D para el dietil éter).

     

     

      

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      Esta polaridad débil no afecta apreciablemente a los puntos de ebullición de los éteres, que son similares a los de los alcanos de pesos moleculares comparables y mucho más bajos que los de los alcoholes isómeros. Comparemos, por ejemplo, los puntos de ebullición del n-heptano (98ºC), el metil n-pentil éter (100ºC) y el alcohol hexílico (157ºC). Los puentes de hidrógeno que mantienen firmemente unidas las moléculas de alcoholes no son posibles para los éteres, pues éstos sólo tienen hidrógeno unido a carbono.

    Por otra parte, los éteres presentan una solubilidad en agua comparable a la de los alcoholes: tanto el dietil éter como el alcohol n-butílico, por ejemplos, tienen una solubilidad de unos 8 g por 100g de agua. La solubilidad de los alcoholes inferiores se debe a los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua y de alcohol; es probable que la solubilidad de los éteres en agua se debe a la misma causa.

     

     

     

     

      

    Nomenclatura

    Para nombrar los éteres tenemos dos alternativas:

  • Considerar el grupo alcoxi Orgánica
    como un sustituyente (siendo R el radical más sencillo).

  • Citar los dos radicales que están unidos al O por orden alfabético y a continuación la palabra éter.

  • Orgánica

    Un caso particular de éteres son los epóxidos, cuyo esquema es el siguiente:

    Orgánica

    Para nombrarlos se utiliza el prefijo epoxi- seguido del nombre del hidrocarburo correspondiente, e indicando los carbonos a los que está unido el O ,con dos localizadores lo más bajos posibles, en caso de que sea necesario.

    Orgánica

    Estructuralmente los éteres pueden considerarse derivados del agua o alcoholes, en los que se han reemplazado uno o dos hidrógenos, respectivamente, por restos carbonados.

    Orgánica

    La estructura angular de los éteres se explica bien asumiendo una hibridación sp3 en el oxígeno, que posee dos pares de electrones no compartidos.
    No puede establecer enlaces de hidrógeno consigo mismo y sus puntos de ebullición y fusión son muchos más bajos que los alcoholes referibles.

    Un caso muy especial lo constituyen los epóxidos, que son éteres cíclicos de tres miembros. El anillo contiene mucha tensión, aunque algo menos que en el ciclopropano.

    Orgánica

    Ciclopropano

    Orgánica

    Epóxido de etileno

    Orgánica

    Pero la presencia del oxígeno, que polariza los enlaces, y la existencia de la tensión, hace que los epóxidos, al contrario que los éteres normales, sean muy reactivos y extremadamente útiles en síntesis.

    Los éteres son alcanos que poseen un sustituyente alcoxi (RO-). El resto alcano más grande (cadena principal) da el nombre al alcano y el pequeño se considera parte del grupo alcóxi. 

    Para nombrar éteres cíclicos se usa el prefijo oxa.

    Orgánica

    1,4,7,10-tetraoxaciclododecano

    (éter 12-corona-4)

    Orgánica

    2-metiloxaciclopropano
    (epóxido de propileno)

    Los éteres son en general poco reactivos y se utilizan como disolventes.

    Éteres, grupo de compuestos orgánicos que responden a la fórmula general R—O—Rð, en donde O es un átomo de oxígeno, y R y Rð representan los mismos o distintos radicales orgánicos..

    La mayoría de los éteres son líquidos volátiles, ligeros e inflamables, solubles en alcoholes y otros disolventes orgánicos. Desde el punto de vista químico, son compuestos inertes y estables; los álcalis o los ácidos no los atacan fácilmente. Están estrechamente relacionados con los alcoholes, y se obtienen directamente de ellos. El compuesto más típico y más utilizado de este grupo es el éter común o etílico, normalmente denominado éter.

    Los éteres se caracterizan por el grupo oxi, —O—, en el que el átomo de oxígeno se encuentra unido a dos átomos de carbono, C—O—C.

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