Química del Carbono

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Química del Carbono

Con este nombre nos referimos a la parte de la química que estudia los compuestos cuyo componente fundamental es el carbono. Se exceptúan de este estudio los óxidos de carbono, el ácido carbónico y sus sales, los carbonatos y los bicarbonatos, que se estudian en la química inorgánica.

El nombre de química orgánica se debe a que inicialmente las sustancias químicas conocidas y que se estudiaban en esta disciplina, no podían obtenerse por síntesis en un laboratorio a partir de compuestos inorgánicos, sino que tenían que ser producidas por los vegetales y animales.

A partir de 1820 en el que el químico Wöhler obtuvo sintéticamente un sustancia orgánica, la urea, dejó de tener sentido esta denominación de química orgánica, aunque por tradición haya seguido usándose este nombre junto con el de química del carbono, que es más correcto.

El número de sustancias pertenecientes a la química del carbono que actualmente se conocen es elevadísimo (se acercan al millón). Además, el número de sustancias que en teoría se pueden sintetizar en el laboratorio es ilimitado, y esos compuestos presentan la particularidad de estar formados todos ellos por carbono y muy pocos elementos más: Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, principalmente.

La existencia de esta cantidad tan grande de sustancias químicas se explica por las dos razones siguientes:

- Por la constitución electrónica del átomo de carbono, que permite unirse consigo mismo y con otros elementos formando cadenas (cerradas o abiertas) de muchos átomos de carbono.

- Por la existencia de los llamados compuestos isómeros, caracterizados por tener la misma composición química cuantitativa e igual peso molecular, pero propiedades diferentes.

Estructura y enlace del carbono

El carbono es un elemento excepcional por su situación en el sistema periódico, entre los metales y los no metales. Pertenece al grupo 4A y tiene de nº atómico Z=6, por lo que su corteza esta formada por un total de 6 electrones distribuidos: 2 electrones en la capa K,

completa, y 4 electrones en la capa L, incompleta.

Su configuración electrónica es la siguiente:

1s2 2s2 2p2

En los enlaces químicos que este elemento forma con otros, participan los 4 electrones del nivel=2. De estos 4 electrones solo están desapareados los electrones del subnivel 2p, estando completo con dos electrones el orbital 2s.

Si cada círculo representa un orbital (región del espacio en la que es probable que se encuentre un electrón), y cada flecha un electrón, podemos representar la configuración electrónica así:

1s2 2s2 2pX1 2pY1 2pZ0

Esta sería la situación del átomo de carbono no excitado. Según la teoría de valencia, solamente pueden formar enlace covalente los electrones desapareados, es decir, la valencia del carbono sería 2; la experiencia nos dice sin embargo que:

- El carbono actúa con valencia 4.

- Las cuatro valencias del carbono dan origen a cuatro enlaces equivalentes.

Wollfgang Pauli, en 1925, con su principio de exclusión, y en 1931, con el principio del traslape máximo, dio solución al problema, explicando que uno de los dos electrones 2s emigra, absorbiendo una pequeña cantidad de energía, al orbital 2pz libre. Resulta así la estructura electrónica siguiente:

1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1

en donde hay cuatro electrones desapareados, situados en tres orbitales iguales (2p) y uno en orbital distinto (2s). Por tanto, al disponer de cuatro electrones de valencia, se originan siempre cuatro enlaces distribuidos entre sencillos y múltiples. Esta es la base de la tetravalencia del carbono, presente en todas sus reacciones.

Según la teoría del carbono tetraédrico, cuando el carbono se combina, el átomo de carbono se sitúa en el centro de un tetraedro regular y sus cuatro valencias están dirigidas hacia los cuatro vértices del tetraedro. En estos cuatro vértices se sitúan los átomos o grupos de átomos unidos al átomo de carbono central.

En el ejemplo anterior, los cuatro electrones más externos del carbono, los comparte con otros cuatro electrones procedentes de los átomos de hidrógeno, formando cuatro covalencias simples.

Los enlaces del carbono tetraédrico con los átomos situados en los vértices, forman entre sí un cierto ángulo, llamado ángulo de enlace, que en el caso del metano (CH4) vale 109,28. El átomo de carbono dista de los átomos situados en los vértices, una distancia llamado longitud de enlace. Según sea el valor de estas longitudes y de estos ángulos, así será la estructura espacial de la molécula resultante.

Enlace simple

Pauli demostró que, por combinación de los orbitales 2s y 2p entre sí, se obtenían cuatro orbitales mixtos s y p u orbitales híbridos equivalentes, representados por la notación sp3. Esto indica que la hibridación la forman un orbital s y 3 orbitales p, formando 4 enlaces sigma.

Cuatro orbitales híbridos sp3 que dan lugar a cuatro enlaces sigma. Los orbitales sp3 están dirigidos hacia los vértices del tetraedro anteriormente descrito, con el átomo de carbono situado en el centro del mismo. Mediante los orbitales híbridos sp3 del carbono se explica la formación de los enlaces simples.

Enlaces dobles

Es el caso típico de la molécula de etileno: CH2=CH2

Los enlaces dobles entre carbono y carbono pueden explicarse se se admite una hibridación entre un orbital 2s y dos orbitales 2p (hibridación trigonal). Se representa con la notación sp2.

De esta hibridación resultan 3 enlaces equivalentes correspondientes a los tres orbitales híbridos sp2, es decir, están localizados en un plano que incluye el átomo de carbono y los tres orbitales sp2, que a su vez van dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero, de modo que el ángulo entre dos orbitales cualesquiera es de 120º. El cuarto, es un orbital sp puro, perpendicular al plano al que pertenecen los tres anteriores.

Cuando se forma la molécula de etileno, uno de los orbitales híbridos sp2 se solapa con otro igual de un carbono vecino, formándose un orbital molecular dirigido denominado sigma. Los otros dos orbitales sp2 forman también otros dos enlaces con dos átomos de hidrógeno. Los dos átomos de carbono y los cuatro átomos del hidrógeno, están en el mismo plano.

El segundo enlace entre los átomos de carbono, es más débil que el formado por el orbital sigma y tiene lugar como consecuencia del recubrimiento y penetración de los orbitales 2p de ambos átomos de carbono (que son perpendiculares al plano donde están los otros orbitales). Este orbital y el enlace correspondiente se denomina "  ", y forma una nube electrónica por encima y por debajo del plano formado por los orbitales (enlaces) sigma.

La reactividad de los dobles enlaces se atribuye, en general, a la poca estabilidad de los electrones que forman en enlace "  ", que tienen la propiedad de estar muy deslocalizados, tienen tendencia a formar con otros átomos enlaces sigma, que son más estables que los enlaces "  ". Esta es la razón que explica la facilidad con que los compuestos de doble enlace dan reacciones de adición.

Enlace triples

Es el caso típico de la molécula de acetileno:

CH  CH

Para explicar la formación de los enlaces triples, se admite una nueva hibridación entre orbitales atómicos s y p. El orbital 2s con un orbital 2p, forman 2 orbitales híbridos sp:

1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1

(_________)(_________)

2 orbitales 2 orbitales híbridos sp p puros

o o

2 enlaces 2 enlaces

sigma "  "

Al formarse la molécula de acetileno, un orbital sp de cada carbono forma un orbital molecular (un enlace) dirigido sigma, con un hidrógeno en la misma dirección, pero opuesto al anterior. Los otros orbitales p de cada carbono, que son perpendiculares entre sí y con respecto a la dirección de los orbitales sigma, forman por recubrimiento de sus nubes electrónicas, dos orbitales moleculares  .

Los dos orbitales , en conjunto, forman una especie de cilindro deformado en las proximidades de los dos átomos de hidrógeno. El enlace triple, aunque esté formado por dos enlaces "pi", es menos vulnerable a los reactivos que el enlace doble. El enlace triple puede dar lugar a los derivados de adición, transformando sucesivamente los enlaces "pi", en enlaces sigma, como en el caso de las cadenas de enlace sencillo.

RESUMEN DE LOS TIPOS DE HIBRIDACIÓN DEL CARBONO

Enlace hibridación orbitales geometría ángulos

sencillo sp3 4 sp3 tetraédrica 109º28´

doble sp2 3 sp2 1p trigonal plana 120º

triple sp 2 sp 2p lineal 180º

Nomenclatura de las sustancias de la química del carbono

El descubrimiento de una cantidad enormemente grande de sustancias de la química del carbono, obligó ya a finales del siglo pasado, a racionalizar su formulación y nomenclatura, ya que no era posible retener de memoria los nombres de tantas sustancias diferentes. Las moléculas resultantes de la química del carbono se agrupan según sus funciones químicas. Una función química es el conjunto de propiedades comunes a distintos compuestos químicos, debido a la existencia de unos átomos agrupados de una forma característica, agrupación que recibe el nombre de grupo funcional.

La nomenclatura de hidrocarburos saturados es la correspondiente a los compuestos orgánicos más sencillos; todos ellos se nombran con la terminación -ano. Los prefijos por su parte, indican el número de átomos de carbono y se emplean con el mismo significado para cualquier compuesto orgánico.

Ejemplo: CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

pentano: pent- es el prefijo.

-ano es el sufijo.

Cuando el hidrocarburo es cíclico se nombra anteponiéndole el prefijo ciclo.

CH2

/ \

CH2 CH2 Ejemplo de ciclopentano.

\ /

CH2 - CH2

Si alguno de los anteriores hidrocarburos pierde un hidrógeno, resulta lo que se llama radical, que se caracteriza por tener un electrón desapareado y por tanto, una valencia libre. Se nombran sustituyendo la terminación -ano por -ilo o -il (salvo alguna excepción):

Ejemplo: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-

pentilo

A veces se emplean números para indicar donde está la valencia libre:

Ejemplo: CH3-CH2-CH2- propilo

CH3-CH-CH3 propilo 2

Se comienza a numerar por el carbono radical. Todos los radicales alifáticos o de cadena abierta se representan genéricamente por -R (radicales alquílicos) y los aromáticos o derivados del benceno por -Ar (radicales arílicos).

En el caso de hidrocarburos con cadenas ramificadas, se toma como principal la cadena más larga, se numera por el carbono más próximo a la ramificación y se nombran en primer lugar los radicales por orden alfabético:

Ejemplo: CH3

CH3 - CH - CH - CH3 | |

CH3 CH2 |

CH3

2,2,3 trimetil pentano

En los hidrocarburos saturados se cambia la terminación -ano por la de -eno si el enlace es doble, o -ino si es triple, y se numera la cadena por el extremo más cercano al enlace múltiple. El número del primer carbono que lleva el enlace múltiple es el que se pone delante del nombre.

Ejemplo: CH3-CH2-CH=CH2

1-buteno

Si se trata de un hidrocarburo insaturado con cadena ramificada, se elige como cadena principal la que tenga el enlace múltiple.

Ejemplo: CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3

|

3 Etil, 1 hexano CH

CH2

Los compuestos aromáticos se nombran como derivados del benceno, naftaleno, etc. Si hay más de un sustituyente, se indican sus posiciones mediante números y prefijos:

Ejemplo:

También se nombran de forma análoga los derivados halogenados de los hidrocarburos. Los alcoholes pueden considerarse derivados teóricamente de los hidrocarburos saturados, por sustitución de un hidrógeno por un grupo hidroxilo -OH. Según el carbono en el que se realice la sustitución los alcoholes pueden ser 1º,2º,ó 3º. Para nombrar los alcoholes se añade la terminación -ol al nombre (menos -o) al hidrocarburo correspondiente. La posición del grupo alcohol se designa con números y las cadenas comienzan a contarse por el extremo más cercano al grupo funcional.

4 3 2 1

Ejemplo: CH3-CH2-CHOH-CH3 2-butanol

Los éteres se nombran añadiendo a los nombres de los dos radicales que los constituyen la palabra éter. A veces también se emplea la palabra oxi intercalada.

Ejemplo: CH3-O-CH2-CH3 Metil etil éter

Los aldehidos y las cetonas poseen un grupo común llamado carbonilo -CO-. La diferencia entre ambas funciones consiste en que los aldehidos llevan el grupo carbonilo en un carbono 1º, y las cetonas en uno 2º. Se nombran cono los hidrocarburos del mismo número de carbonos, sustituyendo la -o final por -al (para los aldehidos),o por -ona (para las cetonas), en este último caso se indica, si es necesario, con un número, la posición del grupo carbonilo.

Ejemplo: CH3-CH-CH2-CH-CHO | |

Cl CH3

2-metil,4-cloro-pentanal

CH3-CH2-CH2-CO-CH3 2 pentanona

Los ácidos orgánicos tienen como grupo funcional -COOH. En un mismo carbono que necesariamente es 1º, va un grupo carboxilo, y otro hidroxilo. Se nombran cambiando la -o final del hidrocarburo saturado de igual número de átomos de carbonos por la terminación -oico. Si en la misma cadena hay una función alcohol, debe preceder el prefijo ol a la terminación -oico.

O

||

Ejemplo: CH3-CHOH-C-OH

ácido láctico o ácido 2 propanoloico

Los ésteres proceden de la reacción de un ácido, con un alcohol (reacción de esterificación).

R-COOH + HO-CH2-R' R-COO-CH2-R' + H2O

Se nombra primeramente el radical ácido, como en las sales, y después el radical del hidrocarburo,dotado del mismo número de carbonos que el alcohol que da origen al éster.

Ejemplo: CH3-COO-CH2-CH3

Acetato de etilo

Los ésteres se nombran añadiendo a los nombres de los dos radicales constituyentes la palabra éter. A veces también se emplea la palabra -oxi- intercalada.

Ejemplo: CH3-O-CH2-CH3

Etil metil éter

Las aminas provienen de sustituir uno o más átomos del NH3 por radicales alquílicos o arílicos (del benceno). Según el número de hidrógenos sustituidos, las aminas son 1ª,2ª, o 3ª. Se nombran anteponiendo a la palabra amina los nombres de los radicales de que consta.

Ejemplo: CH3-CH2-NH2 etil amina (amina 1ª)

CH3

\

NH /

CH3-CH2

metil etil amina (amina 2ª)

CH3

\

CH3-CH2 - N

/

CH3-CH2

metil dietil amina (amina 3ª)

Las amidas se consideran derivadas de los ácidos, al sustituir el grupo hidroxilo -OH del grupo carbonilo de los ácidos orgánicos por -NH2.El grupo funcional de las amidas es R-CO-NH2.

Se nombran como el hidrocarburo del mismo número de átomos de carbono, seguido de la terminación amida.

Ejemplo: CH3-CH2-CO-NH2 propanoamida

Los nitrilos poseen el grupo funcional R-C=N. Se nombran como los hidrocarburos del mismo número de átomos de carbono, con la terminación nitrilo.

Ejemplo: CH3-CH2-CH2-C  N butano nitrilo

Formulas y nomenclatura de los grupos funcionales mas importantes

FUNCIÓN GRUPO FUNCIONAL SUFIJO

Hidrocarburo saturado R-CH3 ano

Hidrocarburo etilénico R-CC-R' eno

Hidrocarburo acetilénico R-CH2-OH ino

Alcohol primario R-CHOH-R ol

Alcohol secundario R-CHOH-R' ol

Alcohol terciario R-COH-R' ol

|

R''

H

|

Aldehido R-C = O al

Cetona R-CO-R' ona

O

||

Ácido R-C -OH oico

O

||

Éster R-C-O-R' oato de ... ilo

Éter R-O-R' ano-oxi-ano

Amina primaria R -NH2 il amina

R

Amina secundaria \

NH il,....il-amina0

/

R

R

Amina terciaria \ il,...il,...il-amina

R-- N

/

R

O

||

Amida R-C-NH2 ano-amida

Nitrilo R-C  N ano ,nitrilo

Bibliografía

MORRISON y BOYD: Química orgánica. Ed. Fondo educativo interamericano.

GONZÁLEZ TTRIGO: Química orgánica. Facultad de Farmacia. Departamento de química orgánica.

CAHN y DORMER: Introducción a la nomenclatura química. Ed. Alhambra.