fasciculo25 el mundo de la quimica
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8/14/2019 Fasciculo25 El Mundo de La Quimica
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Fascculo 25
Captulo VIII:El carbono: Vida y energa
El mundo de la qumica
La presencia de un enlace polarizado C-O en los alcoholes hace
que la reactividad sea elevada para este grupo de compuestos.
Por ello, los alcoholes son susceptibles de sufrir reacciones de
sustitucin y eliminacin. Otra reaccin importante de los alcoholes
consiste en la oxidacin como un mtodo para obtener aldehdos
y cetonas, otro grupo de compuestos oxigenados.
El representante ms importante y difundido de esta familia es
el etanol. Tambin se le conoce como alcohol etlico o alcohol de
vino. Es un lquido incoloro, de olor agradable, menos denso que
el agua y soluble en ella. Su temperatura de ebullicin es de 78C y arde con llama azul plido. El etanol se obtiene en una
reaccin del eteno con vapor de agua. La reaccin ocurre a 300
C y a una presin elevada y se necesita cido fosfrico como
catalizador.
El primer mtodo que se utiliz para obtener etanol fue la
fermentacin de los carbohidratos. El alcohol se obtiene por la
accin de levaduras sobre la glucosa (un carbohidrato). Este
proceso sigue siendo actual ya que es el que se emplea en lafabricacin del vino, por fermentacin del mosto al prensar la
uva. Igualmente se emplea para obtener cerveza a partir de la
cebada y otras bebidas alcohlicas.
Apoyo didcticoDiseo de un alcoholmetro qumico
Un alcoholmetro es un aparato diseado para determinar la
ingesta de alcohol en un individuo. Se basa en la reaccin de
oxidacin de alcoholes mediante una solucin cida de dicromato
de potasio. Durante la reaccin se observarn cambios de color
que van desde el marrn al verde, producto del cambio en losestados de oxidacin del cromo.
Con la ayuda de tu profesor disea un alcoholmetro con los
materiales que se mencionan a continuacin: un tubo de vidrio
en U, un tubo de vidrio recto, dos tubos de vidrio doblados en
ngulo recto, una bolsa de plstico y pabilo. Adems, etanol,
dicromato de potasio y cido sulfrico.
catalizador
300 CCH2 = CH2 (g) + H2O (g) CH3CH2OH (g)
El eteno que no reacciona se recicla y es usado de nuevo.
El etanol tiene mltiples aplicaciones; se usa para fabricar colas,
pinturas, barnices, lacas, tintas, desodorantes, colonias,
medicamentos, artculos de aseo y cosmticos. Tambin es la
base para la fabricacin de gomas sintticas y sabores artificiales.
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Un alcohol simple y peligroso: El metanolEl alcohol ms simple es el metanol. Ms del 90 % de
metanol producido a nivel mundial se obtiene a partir del
gas de sntesis CO2 y H2O, y gases licuados de petrleo.
Se usa en la fabricacin de resinas, plsticos, solventes,
como aditivo para combustibles, anticorrosivos, preparacin
de cido actico, limpiadores, anticongelantes y
recientemente se emplea en la fabricacin de pilas. Estonos da una idea de la importancia de este alcohol.
En octubre de 2003, la casa Toshiba anunci la creacin
de la batera porttil recargable ms pequea del mercado,
fabricada a base de metanol.
El metanol es muy txico y puede causar ceguera o muerte
por envenenamiento.
El etanol es una sustancia que se absorbe rpidamente
en el cuerpo humano debido a que es soluble en agua encualquier proporcin. A los pocos minutos de ser ingerida,
pasa al torrente sanguneo y llega a todas partes de
nuestro cuerpo, inclusive al cerebro. Es una droga
clasificada como antidepresiva, pues suprime sentimientos
de miedo y tensin. El abuso en su consumo produce
graves enfermedades como la cirrosis heptica y la
degeneracin del sistema nervioso central. El etanol se
puede adquirir como alcohol desnaturalizado de menor
costo, el cual consiste en una mezcla de etanol y metanol.
El costo del metanol es menor que el del etanol puro, por
eso, comerciantes inescrupulosos suelen utilizarlo
ilegalmente en el embotellamiento de bebidas alcohlicas.
En marzo del 2003, en el Reino Unido, se lanz la alerta
de contaminacin de una bebida alcohlica por metanol,
la cual fue retirada inmediatamente del mercado luego de
detectarse severos casos de envenenamiento.
Siempre evitar el exceso
Los recipientes que
contienen metanol
muestran una etiqueta
que advierte
claramente sobre el
peligro del compuesto.
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Poli-alcoholes
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Un poco de historia
Alfred Nobel (1833-1896), qumico, ingeniero y filntropo
sueco, realiz sus estudios en diferentes partes del mundo.
Uno de sus aportes ms importantes fue el de lograr unmtodo ms seguro para manipular la nitroglicerina, sustancia
explosiva descubierta en 1846. Lo hizo mezclndola con
tierra de diatomea o cermica; el slido que result slo
poda ser explotado por el uso de un detonador o mecha y
es lo que conocemos como dinamita. Al final de su vida
haba amasado una gran fortuna, parte de la cual don para
que se creara una fundacin que reconociera los avances
de la humanidad en el terreno humanstico y cientfico. Los
premios Nobel de fsica, literatura, medicina, qumica y de
la paz se otorgan desde 1901, y el de economa desde 1969.
Premio Nobel de Qumica 2004Una clula humana contiene aproximadamente cien mil protenas diferentes que son las responsables de la forma
de la clula y de su estructura. Estas molculas biolgicas tienen funciones importantes como enzimas, hormonas
y en los diferentes sistemas del cuerpo humano, aunque no todas las protenas tienen propiedades benficas. Los
ganadores del Nobel del ao 2004 en qumica, Aaron Ciechanover, israel, Avram Hershko, israel, y el estadounidense
Irwin Rose nos hicieron entender cmo la clula puede regular la presencia de una cierta protena no deseada
marcndola con un polipptido degradador conocido como Ubiquitina. Las protenas marcadas son degradadas en
unos dispositivos de desechos llamados proteosomas. El conocimiento de esta forma de muerte controlada de las
protenas tambin contribuye a explicar las funciones inmunolgicas. El funcionamiento irregular del sistema
degradador de protenas puede inducir al desarrollo de enfermedades incluyendo algunos tipos de cncer.
Un explosivo salvavidas
Uno de los explosivos ms conocido es la nitroglicerina,
derivado de la glicerina.
Es un lquido sensible a los choques, lo que lo hace
difcil para ser transportado. En 1866 Alfred Nobel lo
estabiliz y lo us para fabricar dinamita. Este
descubrimiento permiti el desarrollo de la construccin,
de la explotacin minera y de la guerra. Como sucede
con muchos de los compuestos qumicos, la
nitroglicerina presenta aplicaciones en el rea mdica.Desde 1857 se ha usado en el tratamiento del dolor
de pecho o angina, por su accin vasodilatadora. An
en la actualidad se realizan estudios para elucidar su
mecanismo de accin. La nitroglicerina se presenta en
forma de parches y debe ser indicada en pacientes
con enfermedades cardiovasculares por el mdico
tratante.
Es posible encontrar compuestos con varios grupos OH que
se conocen como polioles o poli-alcoholes. Una de sus
principales caractersticas es la viscosidad y la solubilidad
en agua.
Glicerina o el 1,2,3-propanotriol es una sustancia inocua,
aceitosa y de amplio uso en la industria cosmtica y mdica
como soporte o vehculo para la administracin de ciertassustancias o como aditivo en el jabn.
H2C OH
HC OH
H2C OH
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Si en una molcula de hidrocarburos se cambian dos tomos de
hidrgeno por uno de oxgeno, las estructuras resultantes se conocen
como aldehdos si la sustitucin tiene lugar sobre el carbono al final
de la cadena, o como cetonas si el cambio es en uno de los carbonos
internos. En ambos casos, el oxgeno se une al carbono con un enlace
doble y por tanto ese carbono tiene hibridacin sp2. La funcin aldehdo
tendr como sustituyentes del grupo C=
O un H y una cadena detomos de carbono, mientras que una cetona tendr dos cadenas. Esta
funcin C = O se denomina grupo carbonilo y los aldehdos y cetonas
se conocen como compuestos carbonlicos. Como se indic antes,
los aldehdos y cetonas se obtienen por oxidacin de los alcoholes.
Muchos aldehdos y cetonas, especialmente aquellos de bajo peso
molecular tienen olores caractersticos: el cinamaldehdo es el
responsable del olor de la canela y el anisaldehdo el del ans. Pero
no todos tienen olores agradables! La butanodiona es uno de los
compuestos responsables del mal olor en la sudoracin de pies y
axilas. La metilvinilcetona es un producto comercial utilizado en la
fabricacin de plsticos.
Funciones aldehdo y cetona
Los aldehdos se nombran cambiandola terminacin ol del alcohol por al
(etanol etanal); para las cetonas la
terminacin es ona. Para cadenas
superiores a 5 tomos de carbono
consecutivos debe marcarse con un
nmero localizador la funcin carbonilo.
(3-pentanol 3-pentanona) .
H3C
CH
2
CH3
O
butanona
H3C
CH
2
butanal
O
H
Reactivos por excelencia
Al igual que los alcoholes, los compuestos carbonlicos
presentan un enlace carbono-oxgeno polarizado, en el
que los electrones del doble enlace estn parcialmentepolarizados sobre el elemento ms electronegativo: el
oxgeno. El carbono del grupo carbonilo que est
parcialmente polarizado con carga positiva representa
un centro de reaccin para el ataque por especies
nucleoflicas. Las reacciones de adicin de nuclefilos
son caractersticas de esta funcin carbonilo.Reaccin de adicin con formacin de un nuevo enlace
R CH
O
Funcin aldehdo
R C R
O
Funcin cetona
Butadiona Cinamaldehdo
C
O
C
O
H3CCH3 CH CHCH
O
Interesante
El benzaldehdo es un aldehdo aromtico que posee olor
caracterstico a almendras y, adems de tener amplias
aplicaciones en sntesis de orgnica, es uno de los
componentes del famoso olor o bouquet del vino.
En una degustacin se encontr que uno de los vinos
presentaba un inusual sabor a almendras amargas. Luego
de ser analizado se determin que tena una concentracin
anormalmente alta de alcohol benclico, lo cual se deba
a que el grupo de vinos haba sido almacenado en
depsitos de resina epoxdicas cuyo eluyente es el cido
benclico. El cido que se mezclaba con el vino le daba
ese sabor anormalmente amargo.
http://www.catulle.com/images/degust_e.jpg
C=O
H3C
H3C
H2
CH
3C
OH
H
CH3
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Muchos compuestos que contienen la funcin carbonilo, pero que
no son aldehdos y cetonas, intervienen en nuestra vida diariamente.
Las telas sintticas como el Dacrn y el analgsico acetaminofeno
son ejemplos importantes.
La frmula del Dacron se representa por una unidad estructural
que se encierra dentro de los parntesis y que se repite un nmerode veces n, formando una larga cadena unida por enlaces carbono-
oxgeno, de alto peso molecular, que se conoce como polmero.
Aqu, la funcin carbonilo est unida a otro oxgeno por un enlace
simple que se conoce como ster. El Dacron representa una de
las fibras sintticas conocidas como polister, cuyo uso en la
industria textil es importante, ya que las prendas fabricadas con l
son resistentes, durables y no se arrugan. La resistencia de las
fibras que contienen Dacron permite extender su uso en la
fabricacin de cuerdas y piezas importantes en uniformes y velas
para navegacin.
Funcin carbonilo en la vida diaria
La estructura del acetominofeno, un
analgsico de amplio uso, contiene una
funcin carbonilo que al estar unida a un
tomo de nitrgeno recibe el nombre de
amida. Adems, posee un grupo OH unido
directamente a un anillo aromtico y esta
nueva funcin se conoce como fenol.
N
H
O
H
O
Acetaminofn
Enantimeros: Las dos caras de una molcula
Se ha mencionado que en las reacciones de adicin el tomo de
carbono de un grupo carbonilo cambia su hibridacin sp2 a sp3.
Si recordamos que un carbono sp2 y los tres sustituyentes unidosdirectamente a l estn en un plano, es sencillo comprender que
el ataque sobre ese carbono puede ocurrir por cualquiera de las
dos caras del plano. Si consideramos ahora que el grupo C = O
tiene dos sustituyentes diferentes y el reactivo atacante es tambin
distinto de los sustituyentes existentes, entonces en la reaccin se
formarn dos compuestos diferentes que varan en la disposicin
espacial de los cuatro sustituyentes sobre el nuevo carbono sp3.
Los compuestos que cumplen con esta caracterstica se denominan
enantimeros y forman parte de un grupo de ismeros conocidos
como ismeros pticos.
C
O
OCH2CH2O OCH2CH2OC
O
Reto espacial
Los enantimeros son entre s como espejos uno de los otros y
sus estructuras tridimensionales no son superponibles. Estos
ismeros tienen las mismas propiedades qumicas y fsicas. a
excepcin de su comportamiento frente a la luz polarizada, razn
por la cual se denominan ismeros pticos.
C
CH3
O
H3C
CH3
X
CH2CH
3
Carbono quiral
OH
CH3CH2
H3C
X
Carbono quiral
OH
H2C
HX
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Test de calidad al Ibuprofn en la planta farmacutica BASF.
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Molculas medicinales que se miran en el espejoUna de las reas ms fascinantes de la qumica orgnica
es el estudio de la estereoqumica. Pero qu es la
estreoqumica? Es la parte de la qumica que se encarga
de estudiar la estructura espacial de las molculas y su
influencia sobre las propiedades fsicas y qumicas de esas
molculas. Los qumicos dedican un gran esfuerzo para
tener el control estereoqumico de las reacciones.Ms de la mitad de los medicamentos comerciales estn
representados por molculas aseimtricas. En la sntesis
de compuestos medicinales, el reto es obtener uno solo de
los enantimeros, aqul que sea responsable de la actividad
farmacolgica. Por ejemplo, el analgsico Ibuprofn se
obtuvo al principio como una mezcla de enantimeros. Uno
de ellos ejerca su efecto en 12 minutos mientras que el otro
lo haca en 30 minutos.
Recientemente se han desarrollado mtodos enzimticos
de sntesis para frmacos. Por su alta especificidad ha sido
posible obtener el Ibuprofn y otros analgsicos pticamente
puros, es decir, que slo estn constituidos por uno de losenantimeros.
La naturaleza sin imagen y sin semejanza
El laboratorio ms eficiente y mejor equipado que existe es
la naturaleza. Ella es responsable de que la vida en la tierra
sea homoquiral y que sea posible obtener slo unenantimero de protenas y cidos nucleicos. La razn de
la pureza enantiomrica de muchos productos naturales no
ha podido ser determinada. Pero se sabe que las
responsables de esta gran especificidad son las enzimas.
Se desconoce por qu todos los aminocidos esenciales,
aqullos que forman las protenas, son levgiros (las
molculas desvan el plano de la luz polarizada en sentido
contrario a las agujas del reloj) y por qu todos los
carbohidratos fundamentales son dextrgiros (las molculas
desvan el plano de la luz polarizada en el sentido de las
agujas del reloj). La propiedad de desviar el plano de la luz
polarizada es tpica de molculas cuyas estructura es quiral:
qu significa quiral? Nuestras manos son quirales, es
decir la mano izquierda es imagen especular de la mano
derecha. La quirlida, que viene del griego chiros = manos,
puede originarse por diferentes razones estructurales, una
de ellas es la existencia de un carbono sp3 con cuatro
sustituyentes diferentes, como en el caso de los aminocidos,
y por ello ese carbono es llamado quiral o asimtrico.
En la figura se visualiza la similitud del concepto de
quiralidad para una molcuIa orgnica de un cido
tal como sucede con las manos derecha e izquierda.
COOH
RCH
NH2
R
COOH
NH2
H
CHCOOH
CH3
(CH3)CH
En el caso de que la naturaleza produzca ambos enantimeros se encarga de producir uno en mayor proporcin
que el otro y de diferenciarlos muy bien. As ocurre con el limoneno que tiene olor a limn o naranja dependiendo
del ismero que se considere.
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HCOH
HCOH
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Carbohidratos: La funcin carbonilo con un compromiso energtico
Los carbohidratos son molculas que tienen dos tipos de funciones orgnicas en su estructura: la funcin carbonilo
y la funcin alcohol. De manera general, se les conoce como azcares, cuyas estructuras pueden ser cadenas
polihidroxicetonas y/o polihidroxialdehdos. A estos compuestos tambin se les conoce como hidratos de carbonoya que pueden ser representados por la frmula general Cn (H2O)n.
C
H OH
HCOH
HC
CH2OH
HOCH O
HCOH
CHO
HCOH
CH2OH
HOCH
(A) (B)
D-Glucosa
La fotosntesis constituye uno de los procesos ms
importantes de la naturaleza ya que permite asegurar
la vida sobre la tierra. Explica cmo las plantas, en
presencia de luz solar, absorben dixido de carbono,
liberan oxgeno a la atmsfera y forman compuestos
de carbono conocidos como carbohidratos.
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Los carbohidratos constituyen una forma de energa
que almacenan las plantas para su subsistencia.
Cuando son consumidos por otros seres vivos, como
el hombre, se rompen los enlaces carbono-carbono y
se libera energa esencial para la vida.
Fotosntesis: Larga vida sobre la tierra!
glucosa
Qu representan los carbohidratos?
Son compuestos que constituyen un 50 % de la biomasa de la tierra. Las funciones de los carbohidratos
son variadas y van desde ser fuentes de energa para y en los seres vivos, hasta ser componentes
estructurales de las clulas.
La glucosa es un carbohidrato simple y es el azcar ms abundante en la naturaleza. Puede existir como una cadena
abierta (B) o cerrada (A) y tiene varias funciones alcohol y una funcin aldehdo. La notacin D es para uno de sus
ismeros pticos que es el que se encuentra en la naturaleza.
Caa de azcarDiego Rivera (pintor mexicano, 1886-1957)
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La qumica es importante en nuestra dieta
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La D- fructosa es el carbohidrato simple que consumimos cuando comemos frutas. Su
estructura contiene adems de varias funciones alcohol, una funcin cetona, a diferencia
de la glucosa. Se emplea para la elaboracin de productos diteticos ya que endulza mucho
usando menos cantidad y no causa grandes elevaciones de azcar en la sangre. Hay que
consumirla con cuidado ya que es cariognica, es decir, produce caries si no se tiene una
higiene bucal adecuada.
C
CH2OH
CH2OH
C
C
C
OHH
OHH
HHO
O
Los carbohidratos pueden ser simples, constituidos por una sola
molcula (monosacridos como por ejemplo la glucosa), y complejos
si en su estructura molecular intervienen dos o ms molculas de
monosacridos iguales o diferentes. La presencia de monosacridos
simples o complejos depende de la naturaleza del alimento u otro
material en donde estn presentes. Entre los complejos tenemos
disacridos constituidos por la unin de dos monosacridos,
por ejemplo, el azcar comn (sacarosa, que est formada poruna molcula de glucosa y una de fructosa); oligosacridos,
cuando contienen hasta 6 unidades de monosacridos, y
polisacridos con un nmero indeterminado. Tal es el caso del
almidn constituido solamente por molculas de glucosa.
maltosa es un ejemplo de disacrido, diferente a la sacarosa,
y se encuentra en algunas verduras y en la cerveza. El azcar
de los postres no suministra vitaminas, minerales o fibra sino
slo caloras a las que se les suele llamar "caloras vacas" pues
son las responsables de la obesidad. Igualmente, muchos alimentos
refinados, como la harina blanca y el arroz elaborado, carecen de
nutrientes y es por ello que se les enriquece con vitaminas y minerales.