QUÍMICA ORGÁNICA

El término “química orgánica" fue introducido en 1807 por Jöns Jacob Berzelius, para estudiar los compuestos derivados de recursos naturales. Se creía que los compuestos relacionados con la vida poseían una “fuerza vital” que les hacía distintos a los compuestos inorgánicos, además se consideraba imposible la preparación en el laboratorio de un compuesto orgánico, lo cual se había logrado con compuestos inorgánicos. En 1823, Friedrich Wöhler, completó sus estudios de medicina en Alemania y viajó a Estocolmo para trabajar bajo la supervisión de Berzelius. En 1928, Wöhler observó al evaporar una disolución de cianato de amonio, la formación de unos cristales incoloros de gran tamaño, que no pertenecían al cianato de amonio. El análisis de los mismos determinó que se trataba de urea. La transformación observada por Wöhler convierte un compuesto inorgánico, cianato de amonio, en un compuesto orgánico, la urea, aislada en la orina de los animales.

Este experimento fue la confirmación experimental de que los compuestos orgánicos también pueden sintetizarse en el laboratorio. La síntesis de compuestos es una de las partes más importantes de la química orgánica. La primera síntesis orgánica data de 1828, cuando Friedrich Wöhler obtuvo urea a partir de cianato amónico. Desde entonces más de 10 millones de compuestos orgánicos han sido sintetizados a partir de compuestos más simples, tanto orgánicos como inorgánicos. Entre los compuestos obtenidos por los químicos orgánicos en los últimos años, se pueden citar moléculas de gran importancia práctica, como la sacarina. Otros tienen principalmente interés teórico, como el cubano, que permite el estudio de la reactividad y enlace en moléculas muy tensionadas.

El cubano (C8H8), recibe este nombre por su forma de

cubo. Cada vértice está formado por un carbono que se enlaza a otros tres idénticos y a un hidrógeno. Durante mucho tiempo fue considerada como una molécula teórica, hasta que en 1964 fue sintetizado por el profesor Philip E. Eaton, de la Universidad de Chicago.

EL CARBONO

El primer combustible fósil que ha utilizado el hombre es el carbón, y cuenta con abundantes reservas. Representa cerca del 70% de las reservas energéticas mundiales de combustibles fósiles conocidas actualmente, y es la más utilizada en la producción de electricidad a nivel mundial. En España, sin embargo, la disponibilidad del carbón es limitada y su calidad es baja. El carbón es una roca combustible de origen sedimentario y con un gran contenido en carbono, formada a partir de restos de vida vegetal. Los cambios que sufre el carbón a medida que se va formando proporcionan un enriquecimiento de carbono, puesto que éste permanece mientras que el resto de elementos que lo componen (oxígeno e nitrógeno) van desapareciendo.

Estos cambios dependen de las condiciones de

temperatura y presión, que son proporcionales a la profundidad. Por esta razón son los depósitos más profundos, que corresponden a los más antiguos, los que cuentan con los carbones de mejor calidad. Los carbones se clasifican en Naturales y artificiales. Los primeros son los de origen fósil y los segundos los fabricados por el hombre. Entre los naturales tenemos:

Antracita

Contiene menos impurezas y más contenido en carbono; por tanto, es el de mayor poder calorífico. El contenido en materias volátiles es muy bajo y su combustión es muy limpia. Se utilizaba para usos domésticos antes de ser sustituido por otros combustibles. Actualmente se emplea en las centrales termoeléctricas. Hulla

Reúne a una gran variedad de carbones con diferente contenido en impurezas. Es el de más importancia económica. Actualmente se usa en la siderurgia, centrales termoeléctricas, y en algunos otros sectores industriales. Lignito

Es el carbón con mayor grado de impurezas y, por tanto, de menor poder calorífico. Se destina a la producción termoeléctrica, Turba Denominado carbón joven por su rápida formación, es el de mayor contenido en impurezas y humedad, y el de menor poder calorífico.

De los artificiales tenemos: Carbón dulce

También llamado carbón vegetal, se produce por la destilación seca de la madera. Para ello se dispone madera apropiada (haya, roble, encina, olivo, etc.) en cantidad de varias toneladas, que se sitúan alrededor de un eje tapándola toda con tierra. Por la parte superior se le prende fuego y se vuelve a tapar; esto hace que no se produzca una combustión completa aunque a veces se debe permitir el acceso de aire por algún orificio en la parte inferior. El proceso durará unos diez días. Mediante este tipo de carboneras se produce la carbonización de la madera aunque se pierden todas las sustancias volátiles. En hornos modernos se pueden recuperar algunas al condensarse productos como alcohol metílico, acetona, metano o alquitrán entre otros. Coque

Se fabrica a partir de carbones coquizables que deben tener bajos contenidos de azufre y fósforo. El proceso de producción de cok proporciona muchos productos químicos secundarios,

como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. Hollín

Son partículas sólidas de tamaño muy pequeño en su mayoría compuestas de carbono impuro, pulverizado, y generalmente de colores oscuros más bien negruzcos resultantes de la combustión incompleta de un material (madera, carbón, etc). Su aspecto es similar a la ceniza pero con un tono más negro. Es común, por ejemplo, encontrar grandes cantidades de hollín en las salidas de combustión de las calderas, las cuales, cuando poseen captadores de hollín, pueden almacenar varios metros cúbicos de este material

ALÓTROPOS

GRAFITO

En el grafito los átomos de carbono presentan hibridación sp2, esto significa que forma tres enlaces covalentes en el mismo plano a un ángulo de 120º (estructura hexagonal) y que un orbital Π perpendicular a ese plano quede libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento eléctrico del grafito). El enlace covalente entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte, sin embargo las uniones entre las diferentes capas se realizan por fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales Π, y son mucho más débiles. Se podría decir que el grafito son varias capas de grafeno montadas. Esta estructura laminar hace que el grafito sea un material marcadamente anisótropo.

Se utiliza para hacer la mina de los lapices. El grafito es un mineral y se emplea en ladrillos, crisoles,

etc. Al deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser

un buen lubricante sólido. Se utiliza en la fabricación de diversas piezas en

ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc.

Este material es conductor de la electricidad y se usa para fabricar electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas.

Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores.

El grafito mezclado con una pasta sirve para fabricar lápices.

Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras.

Se puede crear Grafeno, material de alta conductividad eléctrica y térmica, futuro sustituto del silicio en la fabricación de chips.

En homeopatía es utilizado como medicamento, el cual, después de ser extraída la tintura madre, diluida y dinamizada, se utiliza para tratar enfermedades como tristeza, inquietud, llanto fácil, desesperación.

DIAMANTE

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp

3 cada átomo de carbono se une a otros 4

formando una estructura tridimensional que da lugar a la forma alotrópica del diamante. El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona.

Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.

FULLERENOS

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp

2 y la sp

3 es el fullereno. Este tipo de hibridación

hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,...C100, etc. Los nanotubos de carbono prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas).

La nanoespuma de carbono está considerada también como una forma alotrópica del carbono, en la que los átomos de carbono presentan este tipo de hibridación intermedia. En esta forma alotrópica los átomos de carbono se se combinan en hexágonos y heptágonos, dando lugar, al contrario de los fullerenos, a una curvatura inversa. Estas estructuras presentan un electrón desapareado. PROPIEDADES DEL CARBONO

Son cuatro básicamente:

Tetravalencia: capacidad de formar cuantro enlaces Covalencia: capacidad de formar enlaces covalentes Autosaturación: capacidad de formar enlaces con otros

atomos de carbono Hibridacion: capacidad de formar enlaces hibridos

sp

Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C

Un carbono unido a dos átomos, que mantiene un triple enlace con uno de ellos, siempre tendrá una hibridación sp y

una estructura lineal. Existen otras posibilidades:

Estructura

Tipo de compuesto

Aleno Acetiluro

Geometría Lineal Lineal

Los alenos son compuestos estables. Los acetiluros son especies reactivas (intermedios de reacción).

sp2

Tres regiones de densidad electrónica alrededor del C

Un carbono unido a tres átomos, que mantiene un doble enlace con uno de ellos, siempre tendrá hibridación sp

2 y una

geometría trigonal plana. Así son compuestos estables tales como olefinas, hidrocarburos aromáticos, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílcos y derivados, entre otros. Existen otras situaciones donde un átomo de carbono unido a tres átomos también posee hibridación sp

2:

Estructura

Tipo de compuesto

Carbocatión (ion

carbenio) Radical

Geometría Trigonal

plana Trigonal

plana

Carbocationes y radicales son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.

sp3

Cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del C

Un carbono unido a cuatro átomos siempre tendrá hibridación sp

3 y una estructura tetraédrica. Así son los

alcanos, haluros de alquilo, alcoholes, éteres y aminas, entre otros. Todos estos compuestos tienen estabilidad suficiente como para poder ser almacenados sin problemas especiales. Un carbono unido a menos de cuatro átomos también puede tener hibridación sp

3 pero la estructura variará dependiendo

del número de sustituyentes:

Estructura

Tipo de compuesto

Carbaniones Carbenos

Geometría Piramidal Angular

Los carbaniones y carbenos son especies altamente reactivas (intermedios de reacción) y en general tienen un tiempo de vida muy corto.

HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos y sus compuestos derivados se pueden clasificar en general en tres grandes categorías: HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS

Formados por cadenas de átomos de carbono en las que no hay estructuras cíclicas. Se les denominan en general, hidrocarburos de cadena abierta o acíclicos.

CH3-CH2-CH3 propano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 pentano

CH3-CH=CH-CH3 2-buteno

HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS O simplemente cíclicos, compuestos por átomos de carbono encadenados formando uno o varios anillos.

ciclobutano

ciclopentano

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Que constituyen un grupo especial de compuestos cíclicos que contienen en general anillos de seis eslabones en los cuales alternan enlaces sencillos y dobles.

benceno

naftaleno

fenantreno

FUENTES Y APLICACIONES

El petróleo y los gases naturales a él asociados constituyen en la actualidad la principal fuente de hidrocarburos. A medida que las reservas de petróleo se van agotando, sin embargo, cobra creciente interés la posibilidad de convertir parte de las abundantes reservas mundiales de carbón en hidrocarburos utilizables.

El gas natural se halla compuesto principalmente por metano (CH4). El etano (C2H6) y el propano (C3H8) representan entre un 5 y un 10 por 100 del total, junto con trazas de hidrocarburos de C4 y C5 carbonos.

El petróleo líquido es una mezcla compleja, en la que predominan los hidrocarburos saturados. La industria del petróleo emplea procedimientos de extracción y de destilación a gran escala para separar el “crudo” en fracciones de utilidad práctica. Las fracciones líquidas más volátiles son el éter de petróleo (p. eb. 30 - 60 ºC) y la ligroína (p. eb. 60 - 90 ºC), compuestos principalmente por hidrocarburos de C5 hasta C7 átomos de carbonos. La gasolina cubre un amplio rango de compuestos entre C5 y C10 (p. eb. 40 -200 ºC), las demás fracciones importantes del petróleo son el queroseno (p.eb. 175 -325 ºC, de C8 a C14), el gasóleo (p. eb. superior a 275 ºC, de C12 a C18), los aceites y grasas lubricantes (por encima de C18), el asfalto o coque de petróleo. NOMENCLATURA

El problema de la nomenclatura de las moléculas orgánicas ha acompañado a la química orgánica desde sus mismos orígenes y ha empeorado con la multitud de nuevos compuestos y clases de compuestos que se descubren cada año. Hay que sumar a ésto el problema de las distintas lenguas (alemán, francés, ingles, danés, español, etc..). Algunos compuestos han recibido el nombre de sus descubridores. Los nombres de lugares también han sido utilizados. Bastante nombres de moléculas reflejan la forma de la misma. Todos estos nombres de moléculas tienen primordialmente interés histórico aunque muchos se usan todavía comúnmente (nombres comunes), especialmente

cuando el nombre sistemático que describe su estructura es complejo. La nomenclatura sistemática se introdujo por vez primera en un congreso químico en Ginebra (Suiza) en 1892 y ha sufrido revisiones continuas desde entonces, especialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Las reglas de nomenclatura se denominan

“reglas de la IUPAC”.

ALCANOS

Las raíces son mayoritariamente latinas o griegas e

indican el número de átomos de carbono en la cadena. Por ejemplo, el nombre heptadecano está formado por la voz griega hepta, siete y la palabra latina decano, diez. Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales que han sido aceptados en el sistema de la IUPAC pero mantienen la terminación “ano”. Todos los alcanos acíclicos obedecen a la fórmula general

CnH2n+2

Fórmula estructural

Nombre Fórmula condensada

CH4 CH4

CH3-CH3 C2H6

CH3-CH2-CH3 C3H8

CH3-CH2-CH2-CH3

C4H10

CH3-(CH2)3-CH3 C5H12

CH3-(CH2)4-CH3 C6H14

CH3-(CH2)5-CH3 C7H16

CH3-(CH2)6-CH3 C8H18

CH3-(CH2)7-CH3 C9H20

CH3(CH2)8-CH3 C10H22

Los sustituyentes de tipo alcano se nombran reemplazando la terminación -ano por -ilo. Algunos homólogos inferiores de los alcanos ramificados tienen nombres comunes muy usados que utilizan los prefijos -iso y -neo, como es isobutano, isopentano, neohexano.

CH3- metilo CH3-CH2- etilo CH3-CH2-CH2- propilo

Los alcanos ramificados derivan de los sistemas de cadena lineal por eliminación de un átomo de hidrógeno de un grupo metileno y sustitución por un grupo alquilo. Tienen la misma fórmula empírica que los alcanos lineales, CnH2n+2 . El ejemplo más sencillo es el 2-metilpropano, C4H10, con la misma fórmula molecular que el butano. Por lo tanto ambos compuestos son isómeros.

Para homólogos superiores (n > 4) de los alcanos son posibles más de dos isómeros, hay tres C5H12, hay cinco C6H14, nueve C7H16. En la Tabla se observa el número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2 , el número de posibilidades para conectar n átomos de carbono entre si y con los 2n+2 átomos de hidrógenos que los envuelven aumenta dramáticamente con el valor de n. Número de posibles alcanos isómeros

n isómeros

1 1

2 1

3 1

4 2

5 3

6 5

7 9

8 18

9 35

10 75

15 4347

20 366319

Hay algunos compuestos que tienen un nombre común aceptado. Estos son isobutano, isopentano, neopentano e isohexano. Dichos compuestos pueden nombrarse, pues, de dos formas distintas:

Hay unos cuantos radicales que tienen un “nombre propio” admitido por la IUPAC, estos deben usarse cuando corresponda:

Vamos a considerar ahora otros radicales más complejos, radicales que podemos suponer que proceden de alcanos ramificados. El modo de nombrarlos es tal como se indica en los siguientes ejemplos:

PROBLEMAS RESUELTOS

ALCANOS

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

10.-

ALCANOS ANTIGUOS

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

10.-

RADICALES

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

10.-

ALQUENOS

Los hidrocarburos que poseen un doble enlace, se nombran cambiando la terminación -ano (del alcano de igual número de átomos de carbono) por la terminación -eno.

Los alquenos suelen responder a la fórmula general CnH2n, siempre y cuando no sean cíclicos. La posición del doble enlace o insaturación se indica mediante el correspondiente localizador. se procura asignar al doble enlace un localizador tan bajo como sea posible. Si hay ramificaciones se toma como cadena principal la cadena más larga de las que contenga el doble enlace; es decir el doble enlace tiene primacía sobre las cadenas laterales en el momento de numerar y elegir la cadena principal.

ISOMERIA CIS - TRANS ó (Z - E) EN LOS ALQUENOS

Cuando dos átomos de carbonos se enlazan mediante un doble enlace, la estructura resultante es rígida y se generan dos planos diferentes, en el espacio. Así cuando uno escribe 2-buteno, hay que ser cauteloso dado que existen dos compuestos distintos, aunque isómeros entre sí, estructuralmente son:

Analicemos los siguientes ejemplos:

A)

B)

C)

D)

A y B no cabe duda que son el cis y el trans-3,4-dimetil-3-hepteno respectivamente, obsérvese que en el cis, los dos grupos metilos están a un mismo lado y en el trans los

dos grupos metilos a lados distintos. C y D sin embargo presentan un problema ¿Cuál es el cis? Y ¿Cuál es el trans? no hay grupos iguales en torno al doble

enlace. Los casos como éste han obligado a introducir una nomenclatura más general ( Z - E ) , que sirva para todos los

alquenos. Este sistema de nomenclatura se basa en comparar la posición relativa de los “grupos preferentes” a uno y otro lado del doble enlace. La preferencia se establece por el número atómico: los átomos que están unidos a un carbono determinado del doble enlace se comparan entre sí; si dichos átomos son iguales se comparan los siguientes que están unidos y así respectivamente, hasta encontrar la diferencia.

DIENOS Y POLIENOS: Cuando un hidrocarburo contiene más de un doble enlace se emplea para nombrarlo la terminación -adieno, -atrieno, -atetraeno, etc., en lugar de la terminación -eno. Proceden al nombre los números localizadores de dichos doble enlaces. Los hay de distintos tipos de polienos:

CLASIFICACIÓN EJEMPLO 1 NOMBRE

dobles enlaces CH2=C=CH2

dobles enlaces conjugados

CH2=CH-CH=CH2

dobles enlaces no conjugados

EJERCICIOS RESUELTOS

ALQUENOS

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

ALQUINOS

Son hidrocarburos con un enlace carbono-carbono

triple, obedecen a la fórmula general CnH2n-2, los triples enlaces son lineal en su disposición espacial. Esta disposición lineal impide, que pueda obtenerse en la práctica un triple enlace sobre un anillo pequeño.

H-C≡C-H

CH3-C≡C-H

CH3-CH2-C≡C-H

CH3-C≡C-CH3

En el caso de que en un compuesto existan dos o más

enlaces triples, estos se nombran con la terminación -diino, -triino, etc. EJERCICIOS RESUELTOS

ALQUINOS

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

ENINOS

Para nombrarlos hay que enunciar tanto el número de dobles enlaces como el de triples: si hay dos enlaces dobles y uno triple, será un dieno-ino; si hay tres enlaces dobles y dos triples será un trieno-diino; etc. Para numerar la cadena principal se procura que recaigan los números más bajos en las insaturaciones (enlaces dobles y triples), prescindiendo de considerar si son dobles o triples:

HC≡C-CH2-CH2-CH=CH-C≡C-H

CH3-C≡C-CH2-CH=CH-CH=CH-CH2-CH3

El problema se plantea cuando, tanto si se empieza a numerar por la izquierda como por la derecha, los localizadores de las insaturaciones coinciden. En este caso se da preferencia a los dobles enlaces sobre los triples, en el sentido de que se asigna a los dobles enlaces los localizadores más bajos.

ENINOS

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

7.-

8.-

9.-

HIDROCARBUROS CÍCLICOS

Los hidrocarburos cíclicos se nombran añadiendo el prefijo ciclo- al nombre del alcano equivalente de cadena abierta.

CICLOS

1.- CH3

2.-

CH3

3.-

CH3

CH3

4.-

CH3

5.- CH3CH3

6.-

7.-

CH3

CH3

CH3

CH3

8.-

CH3

9.-

10.-

EJERCICOS Resuelva el siguiente cuestionario, encerrando en un circulo la alternativa que Ud. Considere mas adecuada; además, de el nombre sistemático, indique la función química a la que pertenece, cantidad de carbonos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios, la cantidad de carbonos con hibridación sp ,sp

2, sp

3, también

señale la formula global y peso molecular de cada una de las alternativas según el siguiente cuadro:

NOMBRE SISTEMATICO

Carbonos 1º 2º 3º 4º

Hibridacion sp sp2 sp

3 FUNCION

Formula global Peso molecular

NIVEL 0.1

01 Cual de los siguientes compuestos

tine mayor masa molecular

a)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

b)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

c)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

d)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

e)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

02 Indique el compuesto que posee la

mayor cantidad de carbonos primarios y secundarios:

a)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

b)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

c)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

d)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

e)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

03 Uno de los siguientes compuestos corresponde a un aleno:

a)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

b)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

c)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

d)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

e)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

04 Compuesto con mayor cantidad de

carbonos secundarios es

a)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

b)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

c)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

d)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

e)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

05 Una de las siguientes funciones

corresponde a un alcochol:

a)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN

b)

CARBONOS

HIBRIDACIÓN