Q U Í M I C A O R G Á N I C A

LOS FULERENOS

El fulereno es una de las formas alotrópicas en las que se presenta el carbono en la naturaleza (junto al diamante y el grafito). Se trata de moléculas de carbono individuales, formadas por varias decenas de átomos de carbono en una estructura cerrada. Se descubren en el año 1985 de forma casual, en un estudio electroquímico del carbono. Tras ser aislados y luego de numerosos estudios espectroscópicos, se dedujo que la gran mayoría de las moléculas de este material tenían aproximadamente 60 átomos de carbono (C60). Los fulerenos son estructuralmente particulares; con forma de balón y muy estables, son utilizados entre otras cosas en nanotecnología y en la fabricación de mibrofibras de túbulos de carbono que sirven por ejemplo para fabricas telas sintéticas para la ropa de deporte de alta competencia. El nombre de fulerenos se dio en honor al alemán Buckmister Fuller, un arquitecto alemán que diseñaba estructuras con la forma de los fulerenos.

CURSO: QUÍMICA COMÚN

MATERIAL QC N°09

2

INTRODUCCIÓN

"La Química Orgánica es la parte de la Química que estudia los compuestos de carbono".

Los compuestos de carbono se denominan orgánicos y son bastante comunes e importantes.

El alcohol es un ejemplo, su uso es muy cotidiano, como bebida e incluso en los hospitales. El vinagre (ácido acético), es un condimento habitual en nuestras comidas, y por cierto, lo usamos a diario. Otro ejemplo; el azúcar común es un hidrato de carbono vital.

Así tantos otros….la gasolina es uno de los combustibles de mayor uso en el mundo. El éter (elemento aristotélico), es un solvente de uso masivo en la industria e inclusive en farmacias y hospitales.

Con fórmulas más complicadas podemos citar las proteínas, vitaminas, hormonas, medicamentos, etc. De un modo más amplio, podemos decir que los compuestos orgánicos constituyen una parte fundamental de todo el ciclo de vida.

Fotosíntesis

CO2 + H2O + luz compuestos orgánicos + O2

Respiración celular

Compuestos orgánicos + O2 CO2 + H2O + energía La Química Inorgánica o Mineral es la parte de la Química que estudia los compuestos que no tienen carbono, esto es, los compuestos de todos los demás elementos químicos. A pesar de esto, el número de compuestos "inorgánicos" conocidos es mucho menor que la de compuestos "orgánicos". En 1858 por el científico Kekulé plantea por vez primera la distinción entre química orgánica e inorgánica. En verdad, esta división es sólo didáctica, pues las leyes que explican el comportamiento de los compuestos orgánicos son las mismas que explican la de los inorgánicos. Además de esto, existen sustancias, como CO, CO2, H2CO3, carbonatos, HCN y cianuros, que son "compuestos de transición", pues aunque contienen carbono, presentan propiedades más semejantes a los compuestos inorgánicos.

3

COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS Compuestos Orgánicos. Compuestos Inorgánicos

� Pueden estar formados por unos 10 elementos distintos y se conocen unos 9.000.000 de compuestos.

� El enlace covalente es característico de estos compuestos.

� Comúnmente no se comportan como electrolitos.

� Sus puntos de fusión son más bajos. � Sus puntos de ebullición son más bajos. � Arden comúnmente. � Solubles, en general, en solventes apolares.

� Presentan frecuentemente isomería. � Las reacciones entre compuestos orgánicos son lentas y complejas, ya que se realizan a nivel molecular.

� Pueden estar formados por unos 100 elementos distintos y se conocen unos 100.000 de compuestos.

� El enlace iónico es frecuente en estos

compuestos

� Generalmente se comportan como electrolitos

� Sus puntos de fusión son más altos.

� Sus puntos de ebullición son más

altos.

� Difícilmente arden.

� Solubles, en general, en solventes polares.

� Rara vez presentan isomería.

� Las reacciones entre compuestos

inorgánicos son rápidas y sencillas, ya que se realizan a nivel iónico.

EL CARBONO El elemento químico carbono (C) presenta número atómico 6.

C Z= 6 1s2 2s2 2p2 Estado fundamental Presenta características únicas, que lo diferencian de los demás elementos y que originan una gran variedad de compuestos, que son motivo de estudio en química orgánica. Algunas son:

1. El carbono es tetravalente, es decir presenta 4 electrones en su último nivel, lo que le permite una gran posibilidad de combinación (4 enlaces). La tetravalencia del carbono fue postulada por Kekulé en 1858.

2. El carbono puede formar enlaces simples, dobles y triples, es decir, el carbono puede

presentar las hibridaciones sp , sp2 y sp3

3. El carbono se une a varias clases de elementos químicos dadas sus características de elemento intermedio en tabla periódica, que lo hacen más electronegativo que los metales y menos electronegativos que los otros no-metales

Ia

IIa

IIIa

IVa

Va

VIa

VIIa

0

H

He

Li

Be

B

CC

N

O

F

Ne

METALES NO - METALES Enlace entre carbonos Los enlaces entre átomos de carbono pueden ser:

a) Simples (hibridación sp3): Cuando dos átomos se unen por apenas una unidad de

valencia. Ejemplo: simplificando H3C − CH3 etano

b) Doble (hibridación sp2): Cuando dos átomos se unen por dos unidades de valencia. Ejemplo: eteno (etileno)

c) Triple (hibridación sp ) : Cuando dos átomos se unen por tres unidades de valencia.

Ejemplo: etino (o acetileno)

H H H − C − C − H H H

H H H − C = C − H ó H2C = CH2

H − C ≡ C − H

5

Carbono primario, secundario, terciario y cuaternario Un átomo de carbono es llamado primario cuando está unido solamente a otro átomo de carbono.

C CH

H

H

H

H

H

etano En el propano, los carbonos de los extremos son primarios. Sin embargo, el carbono central, es secundario (se encuentra enlazando dos carbonos). Así entonces, un átomo de carbono es secundario cuando está unido a otros dos átomos de carbono. Con la misma lógica anterior; un átomo de carbono es terciario cuando está unido a otros tres átomos de carbono. Un ejemplo es el 2 metil propano. El carbono central, se encuentra unido directamente a otros tres.

CH 3C

H

C H 3

C H 3

Finalmente, un átomo de carbono es cuaternario cuando está unido a otros cuatro átomos de carbono.

CH 3 C

C H 3

C H 3CH 3

6

CADENAS CARBÓNICAS La enorme cantidad de compuestos orgánicos conocidos, se debe en gran medida a la capacidad que tienen los átomos de carbono de enlazar y formar cadenas de compuestos covalentes.

Podemos clasificar las cadenas carbónicas en tres grandes grupos:

a) Cadenas abiertas (acíclicas o alifáticas) Ejemplo:

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

n - heptano

CH 3 CH CH CH 3

CH 3

CH 3

2 , 3 dimetil butano b) Cadenas cerradas, también llamadas cíclicas.

Ejemplo:

C H

C H

C H

C H

CH

CH

benceno

CH 2

C H 2

C H 2

CH 2

ciclo butano

c) Cadenas mixtas

Ejemplo: CH3

CH3

1 , 3 dimetil ciclohexano

7

Clasificación de las Cadenas Alifáticas

Normal o Recta: sin ramificaciones; secuencia recta (lineal). a) Ramificada: con ramificaciones.

CH3 CH2 CH2 CH3

n - butanoLINEAL

CH3 CH CH2 C CH3

CH3

CH3

CH3

2 , 2, 4 trimetil pentanoRAMIFICADA

Saturada: solamente enlaces simples. b) Insaturada: posee al menos, un enlace doble y/o triple.

CH3 CH CH2 CH

OH

CH CH3

CH3

CH3

SATURADA

CH3 C CH C C CH3

CH3

INSATURADA Homogénea: sólo átomos de carbono en la cadena. c) Heterogénea: hay un átomo diferente (heteroátomo) al carbono en la cadena (entre dos átomos de carbono).

CH 3 C H 2 C H C H 3

O H

CH 3 C H 2 O C H 3

HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA

8

Clasificación de las cadenas Cíclicas Saturada: sólo enlaces simples. a) Insaturadas: hay, por lo menos, un enlace doble y/o triple.

saturada insaturada homocíclica: sólo átomos de carbono. b) heterocíclica: hay heteroátomo.

N

N

O

homocíclicas heterocíclicas Las cadenas homocíclicas pueden también ser: Aromáticas: poseen a lo menos un núcleo bencénico

c) Alicíclicas: son todas las cadenas homocíclicas no aromáticas.

AROMÁTICAS

ALICÍCLICAS

(NO AROMÁTICAS)

9

NOMENCLATURA ORGÁNICA Se puede dividir el nombre oficial (I.U.P.A.C.) de un compuesto orgánico en tres partes:

Prefijo - Medio - Sufijo a) El prefijo indica el número de átomos de carbono que el compuesto tiene en su cadena principal.

Nº DE ÁTOMOS DE CARBONO PREFIJO

1 MET 2 ET 3 PROP 4 BUT 5 PENT 6 HEX 7 HEPT 8 OCT 9 NON 10 DEC 11 UNDEC 12 DODEC

� Cuando se trata de una cadena cíclica, se antepone la palabra CICLO antes del prefijo.

b) La parte media se refiere a la saturación de la cadena carbónica.

an : cadena saturada (sólo enlaces simples). en : cadena insaturada con un enlace doble. in : cadena insaturada con un enlace triple. dien : cadena insaturada con dos enlaces dobles. diin : cadena insaturada con dos enlaces triples.

c) El sufijo, indica la función orgánica a la que pertenece el compuesto.

Sufijo

Función

Fórmula

o

hidrocarburo

R-H

ol

alcohol

R-OH

al

aldehído

R-CHO

oico

ácido carboxílico

R-COOH

10

Radicales Orgánicos Son fragmentos moleculares ubicados en la cadena principal (central). Poseen una nomenclatura especial que los identifica. Lo corriente es:

• Prefijo: número de átomos de carbono que contiene. • Sufijo: terminación IL.

CH3

CH3

CH3 CH2

CH3

CH2CH2

CH3

CH

CH3CH3

CCH3 CH3CH3

CH2CH2

CH2CH3

metil

etilisopropil

n - propilisobutil

secpropil

terc btuil

o

on -butil

fenil

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos se caracterizan por ser compuestos formados solamente por átomos de carbono e hidrógeno. Existen cadenas de hidrocarburos alifáticas y cíclicas, más aún, los hay saturados e insaturados. Sin embargo, su nomenclatura es semejante. El sufijo utilizado para nombrar los hidrocarburos es O. Para facilitar su nomenclatura, analizaremos cada uno de los distintos tipos de hidrocarburos existentes:

• De acuerdo con el tipo de cadena, se conocen

Alcadienos Alcanos Cicloalcanos Alquenos Cicloalquenos Alquinos Aromáticos

11

ALCANOS (HIDROCARBUROS PARAFÍNICOS)

Fórmula general: CnH2n+2

Ejemplos:

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

CH3 CH CH CH2 C CH3

CH3

CH3CH3

CH3

n - octano

2 , 2 , 4 , 5 tetra metil hexano Regla de nomenclatura: 1. Elegir como cadena principal aquella que posea la mayor cantidad de átomos de carbono. Si

existe más de una opción, tomar aquella más ramificada (mayor cantidad de radicales). 2. Numerar la cadena desde el extremo más próximo a una ramificación. 3. Nombrar la cadena, partiendo con los radicales (en orden creciente a su tamaño y

complejidad) y considerando el número del carbono que soporta el radical. A continuación utilizar la nomenclatura estandarizada para la cadena principal (prefijo, medio y sufijo).

PROPIEDADES DE LOS ALCANOS Son los más abundantes. Corresponden a cadenas saturadas. Entre sus cualidades más relevantes está el hecho de que arden con facilidad y originan una gran cantidad de calor. El uso principal de los alcanos es como combustibles. Las cadenas de 1 a 4 carbonos por molécula son gases a temperatura ambiente, los que tienen de 5 a 16 átomos de carbonos por moléculas son líquidos y los que tienen más de 16 átomos de carbono por molécula son sólidos. La densidad de los alcanos líquidos es menor que la del agua. Los alcanos son moléculas no polares y prácticamente insolubles en agua, por lo consiguiente, flotan en ella. Los alcanos disuelven muchas sustancias orgánicas poco polares, como las grasas, los aceites y las ceras. Además, son moléculas que rara vez reaccionan, esto es, tienen pocas afinidad a las reacciones químicas, de ahí su nombre (parafinas = poca afinidad).

12

NOMBRE

FÓRMULA

MOLECULAR

PUNTO DE

FUSIÓN (°°°°C)

PUNTO DE

EBULLICIÓN ( °°°°C)

DENSIDAD A 20°°°°C (g/mL)

Metano

CH4

-183

-162

(gas)

Etano

C2H6

-172

-89

(gas)

Propano

C3H8

-188

-42

(gas)

Butano

C4H10

-138

0

(gas)

Pentano

C5H12

-130

36

0,626

Hexano

C6H14

-95

69

0,659

Heptano

C7H16

-91

98

0,684

Octano

C8H18

-57

126

0,703

Decano

C10H22

-30

174

0,730

Dodecano

C12H26

-10

216

0,749

Tetradecano

C14H30

6

254

0,763

Hexadecano

C16H34

18

280

0,775

Octadecano

C18H38

28

316

(sólido)

Eicosano

C20H42

37

343

(sólido)

Las propiedades fisiológicas de los alcanos son variables. El metano parece ser fisiológicamente inerte. Esto quiere decir que podríamos respirar una mezcla de 80% de metano y 20% de oxígeno sin efectos negativos. Sin embargo esta mezcla sería inflamable y se tendría que evitar la presencia de llamas o chispas de cualquier clase. Respirar una atmósfera de gas metano puro (gas natural de una estufa) puede causar la muerte, no debido a la presencia de metano, sino a la ausencia de oxígeno (asfixia). Los alcanos ligeros líquidos, como los de la gasolina, disuelven los aceites corporales cuando se derraman sobre la piel y el contacto repetido y frecuente con ellos puede originar dermatitis. Si se ingieren, los alcanos causan poco daño al estómago; en los pulmones sin embargo ellos generan neumonía química al disolver las moléculas de tipo graso de las membranas celulares de los alveolos, lo cual hace posible que los pulmones se llenen de líquido.

Los alcanos líquidos más pesados aplicados sobre la piel actúan como emolientes (suavizantes de la piel). El petrolato (vaselina es una marca comercial de este material) es una mezcla semi-sólida de hidrocarburos que se puede aplicar como emoliente o como simple película protectora.

13

ALCENOS O ALQUENOS (OLEOFINAS O HIDROCARBUROS ETILÉNICOS ) Son hidrocarburos alifáticos insaturados con al menos una instauración.

� Su fórmula general (válida para alquenos con una instauración) es CnH2n

� Los alcadienos (2 insaturaciones) tienen fórmula general CnH2n-2 El eteno o etileno es el compuesto orgánico comercial más importante. Su producción anual en Estados Unidos es de más de 20.000 millones de kilogramos (más de la mitad de esta cantidad se destina a la producción de polietileno, uno de los plásticos más conocidos). Alrededor de un 15% se destina a la producción de etilenglicol, el componente principal de casi todas las marcas de anticongelante para radiadores de automóviles. Los alcenos abundan en la Naturaleza, los frutos y verduras en proceso de maduración despiden etileno, el cual causa maduración adicional. Los procesadores de alimento introducen etileno artificialmente para apresurar el proceso normal de maduración. Se puede madurar 1 kg de tomates exponiéndolos a tan sólo 0,1 mg de etileno durante 24 horas. Desafortunadamente estos tomates no tienen el mismo sabor que los que maduran en la planta. Ejemplos:

CH2 CH CH2 CH2 CH3

1 - penteno

CH2 CH CH CH CH CH CH2 CH3

CH3

CH3

5 , 6 dimetil 1 , 3 octadieno Regla de nomenclatura: 1. Elegir como cadena principal aquella que contenga la mayor cantidad de instauraciones, no

importando si es la más larga. 2. Numerar la cadena desde el extremo más próximo a la insaturación. 3. Nombrar la cadena, partiendo con los radicales (en orden creciente a su tamaño y

complejidad), considerando el número del carbono que soporta el radical. A continuación utilizar la nomenclatura estandarizada para la cadena principal (prefijo, medio y sufijo), teniendo en cuenta, la parte media correspondiente a la regla para los alquenos. Indicar con número el o los carbono(s) que poseen la instauración.

14

ALQUINOS O ALCINOS (HIDROCARBUROS ACETILÉNICOS) Son los hidrocarburos alifáticos con enlace triple. Fórmula General: CnH2n-2 (válida para alquinos monoinsaturados). Ejemplos:

CH C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

1 - heptino

CH3C

CCH2

CC

CH3

2 , 5 heptadiino Regla de nomenclatura: 1. Elegir como cadena principal aquella que contenga la mayor cantidad de enlaces triples

(instauraciones), no importando si es la más larga. 2. Numerar la cadena desde el extremo más próximo al triple enlace (instauración). 3. Nombrar la cadena, partiendo con los radicales (en orden creciente a su tamaño y

complejidad), considerando el número del carbono que soporta el radical. A continuación utilizar la nomenclatura estandarizada para la cadena principal (prefijo, medio y sufijo), teniendo en cuenta, la parte media correspondiente a la regla para los alquinos. Indicar con número el o los carbono(s) que poseen la instauración.

El acetileno (hidrocarburo elemental) se utiliza en sopletes para cortar y soldar metales. Estos sopletes producen temperaturas muy altas. Un alcino es isómero de un alcadieno. Ambos presentan la misma fórmula molecular y diferente estructura.

PROPIEDADES DE LOS ALQUENOS Y ALQUINOS

Los compuestos que tienen de 2 a 4 átomos de carbono por molécula son gases a temperatura ambiente, los que tienen de 5 a 18 átomos de carbono por molécula son líquidos y los que tienen más de 18 átomos de carbono por molécula son sólidos. Al igual que los alcanos, los alcenos y los alcinos son insolubles en agua y flotan en ella. Los alcenos y los alcinos experimentan un mayor número de reacciones químicas que los alcanos. Estos compuestos presentan generalmente reacciones de adición, y por tanto es posible saturarlos de átomos de hidrógeno. Además, el cloro, el bromo, el agua y muchos otros tipos de moléculas se pueden adicionar a los dobles y triples enlaces. Una de las características más excepcionales de las moléculas de alcenos (y de alcinos) es que se puede adicionar unas a otras para formar moléculas grandes llamadas polímeros.

15

CICLOALCANOS Y CICLOALQUENOS

Cicloalcanos: También llamados ciclanos, presentan cadena cíclica con enlaces simples. Son

hidrocarburos saturados cuyo uso principal en la industria es como solventes. Su fórmula general es: CnH2n

� Los cicloalcanos son isómeros de los alquenos (alcenos). Ejemplo:

ciclopropano ciclopentano ciclohexano ciclooctano

El hidrocarburo con anillos, o hidrocarburo cíclico más simple posible es el ciclopropano de fórmula molecular C3H6 (isómero del alceno correspondiente). El ciclopropano es un anestésico potente y de acción rápida con pocos efectos colaterales indeseables. Sin embargo, ya no se utiliza en cirugía porque forma mezclas explosivas con el aire casi en cualquier concentración.

En los cicloalcanos los carbonos presentan enlaces simples cuyos ángulos normales (debido a su hibridación sp3) son 109º 28’. Sin embargo para formar el anillo del ciclopropano, por ejemplo, sus enlaces deben ser “forzados” o flexionados” hasta un ángulo de 60º (ángulo interno de un triángulo equilátero) esto origina una tensión en el anillo y por consecuencia una inestabilidad de la molécula que puede ser medida por un ángulo de tensión α .

Para el ciclopropano el ángulo de tensión α es de 24º 44’, para el ciclobutano el ángulo de tensión es de 9º 44’, para el ciclopentano 0º 44’ y el ciclohexano –5º 16’.

En muchos casos, los químicos usan símbolos para representar estos anillos, en lugar de dibujar las estructuras completas, se usa un triángulo para representar el anillo del ciclopropano, un cuadrado para el ciclobutano, un pentágono para el ciclopentano, un hexágono para el ciclohexano, etc. Cicloalcenos: También llamados ciclenos, presentan cadenas cíclicas con enlaces dobles. Además de su uso como solventes, los cicloalcenos tienen aplicaciones microbicidas y fungicidas (cicloalquenos sustituidos) Fórmula general: CnH2n-2

� Los cicloalquenos son isómeros de los alquinos (monoinsaturados)

16

COMPUESTOS AROMÁTICOS

Los compuestos aromáticos son hidrocarburos cíclicos con, por lo menos, un núcleo bencénico, que se denomina núcleo o anillo aromático. Ejemplos:

BENCENO NAFTALENO

FENANTRENO

El núcleo bencénico puede ser la cadena principal o ser considerado como radical, en cuyo caso debemos llamarlo fenil.

En la nomenclatura de los aromáticos, se debe destacar la posibilidad de tres isómeros de posición, de acuerdo con los grupos unidos al benceno. Veremos más adelante la definición de isomería.

Grupos unidos en carbonos vecinos 1 y 2 determinan el isómero ORTO. Grupos unidos en carbonos 1 y 3 corresponden al isómero META y si la posición de los grupos es en los carbonos 1 y 4 tenemos el isómero PARA.

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1

2

1

3

1

4orto - metil tolueno meta - metil tolueno para - metil tolueno

o- xileno m - xileno p - xileno

17

FUNCIONES ORGÁNICAS

1. ALCOHOLES Presentan un grupo funcional, R – OH unido al carbono saturado. Sufijo: OL

� El número de grupo hidroxilo (OH), determina el tipo de alcohol. Así, entonces:

� monoalcohol : un grupo OH

� dialcohol o diol : dos grupos OH

� trialcohol o triol : tres grupos OH

Ejemplos:

CH3 CH2 CH2 OH CH3 CH2 OH CH3 CH CH3

OH OH

propanol etanol isopropanol ciclopentanol

CH2 CH CH2

OH

OH

OH

1 , 2 , 3 propanotriol

glicerina

CH2CH2

OH OH

1 , 2 etanodioletilenglicol

� Respecto a la posición del grupo – OH, un alcohol puede ser:

� primario: OH unido a un carbono primario (etanol) � secundario: OH unido a un carbono secundario (isopropanol) � terciario: OH unido a un carbono terciario (terc butanol)

18

2. FENOLES Son compuestos orgánicos, donde el grupo OH se encuentra unido directamente a un

núcleo bencénico. Son más ácidos que los alcoholes ordinarios, por lo tanto, se clasifican como una función distinta.

Sufijo: fenol Ejemplos:

OH

CH3

OH

Cl OH

COHO

para - metil fenol

meta - cloro fenolácido - meta hidroxi benzoico

� Cuando la función más importante no es el fenol, debemos nombrarlo con el prefijo hidroxi (nombre usado para llamarlo como un radical).

3. DERIVADOS HALOGENADOS

Son derivados de un hidrocarburo que poseen en su estructura átomos del grupo de los halógenos (F, Cl, Br, I).

Ejemplos:

C Cl

H

Cl

Cl

Cl C

H

ClH

dicloro metano tricloro metano

bromuro de etilocloruro de metilo tricloruro de metilo

bromo etano

CH3 CH2

Br

Los principales derivados halogenados son los denominados CFC, cuyo uso principal en la industria es el de refrigerantes y propelentes para latas de aerosoles. Los compuestos halogenados son en su mayoría inertes a otros reactivos y por esta razóin provocan serios daños a la atmósfera (reacciónan sólo con la luz UV). Casi todos los halogenuros de alquilo son obtenidos por reacciones de halogenación, mediante mecanismos de sustitución y adición, que veremos más adelante.

19

4. ALDEHÍDOS

Los aldehídos presentan como grupo funcional la porción carbaldehído.

C

O

HR

Los aldehídos pertencen a la subclasificación de funciones carbonílicas (junto a las cetonas, los ácidos carboxílicos y otros). El grupo carbonilo (C=O) los identifica. Sufijo: AL

� En los aldehídos, el grupo carbonilo está en un extremo de la cadena carbónica.

� Los aldehídos se obtienen por la oxidación parcial de alcoholes primarios.

Ejemplos:

CCH2

CH2 CH3

O

H

BUTANAL

C

O

H Hmetanal

formaldehído

COH

benzaldehído ciclo heptanal

COH

formalina

20

5. CETONAS

C

O

R R Son compuestos carbonílicos, que a diferencia de los aldehídos, presentan el grupo C=O en

medio de la cadena, entre dos átomos de carbono. El uso principal de las cetonas en la industria es el de solvente para una infinidad de

reacciones químicas.

Sufijo: ONA

Ejemplos:

CH 3CH 2CCH 2CH2

O

CH 3

C

O

CH 3 CH 3

O

3 - hexanonadimetil cetona

2 propanona ciclohexanona

etil - propil - cetonaacetona

� Las cetonas se obtienen por oxidación de alcoholes secundarios.

6. Ácidos Carboxílicos

C

O

R OH

� Se les denominan ácidos orgánicos ya que poseen protones y los pueden liberar en solución.

� Se pueden obtener por oxidación completa de un alcohol primario o un aldehído.

� Los más conocidos son los ácidos grasos. Poseen cadena hidrocarbonada con muchos átomos de carbono, lo que los hace insolubles en agua. Los más importantes son el ácido palmático, esteático, oleico y linoleico.

� Su uso usual es como solvente (industria), cosmético (cremas y jabones) y como catalizador de reacciones químicas.

Sufijo: OICO

CH3

C

O

O H C

O

H OH

COOH

ácido etanoico

ácido acéticovinagre

ácido metanoico

ácido fórmico ácido benzoico

C C

O

O

OH

OH

ácido 1 , 2 etanodioico

ácido oxálico

21

Algunos ejemplos de ácidos dicarboxílicos:

HOOC - COOH ácido etanodioico (ácido oxálico) HOOC - CH2 - COOH ácido propanodioico (ácido malónico) HOOC - (CH2)2 - COOH ácido butanodioico (ácido succínico) HOOC - (CH2)3 - COOH ácido pentanodioico (ácido glutárico) HOOC - (CH2)4 - COOH ácido hexanodioico (ácido adípico)

7. Ésteres Son compuestos orgánicos que se forman por reacción entre un alcohol y un ácido

carboxílico, con eliminación de agua (una deshidratación). De este modo

O

OHR + R' OH

O

R O R' + OH2

A esta reacción le llamamos esterificación, en tanto la reacción inversa se denomina hidrólisis. Sufijo: ATO Ejemplos:

CH2 CH2

C

O

O CH2 CH2 CH3CH2CH3

pentanoato de propilo

OO

CH3

benzoato de metiloCH3 O

C

O

CH2 CH3

propanoato de metilo

� Para nombrar los ésteres debemos dividir la molécula y nombrar en primer lugar los átomos hasta el grupo carbonilo (incluyéndolo!!). A esta porción le asignamos el sufijo ATO. Luego, la porción que falta la nombramos como si fuese un radical con sufijo ILO.

� Los ácidos carboxílicos suelen tener olores muy desagradables, los ésteres derivados de ellos son normalmente muy aromáticos en especial si están diluidos. Muchos ésteres tienen aromas y sabores frutales, y a menudo se utilizan como saborizantes en pasteles, caramelos y otros alimentos, además como ingredientes en los perfumes.

22

Ejemplos: Éster

Fórmula

Sabor/aroma

Butirato de metilo Butirato de etilo Acetato de propilo Acetato de pentilo Butirato de pentilo Acetato de octilo Benzoato de metilo Formiato de etilo Acetato de bencilo

CH3-CH2-CH2-COO-CH3 CH3-CH2-CH2-COO-CH2-CH3 CH3-COO-CH2-CH2-CH3 CH3-COO-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-COO-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-COO-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 C6H5COO-CH3 H-COO-CH2-CH3 CH3-COO-CH2-C6H5

Manzana Piña Pera Plátano Albaricoque Naranja kiwi maduro Ron Jazmín

8. Éteres

RO

R

� Son compuestos orgánicos similares a un hidrocarburo, donde un átomo de carbono ha sido reemplazado por oxígeno (un heteroátomo).

� Los éteres se obtiene vía deshidratación de alcoholes (deshidratación intermolecular).

� Su uso en forma industrial más común es como disolvente orgánico.

Sufijo: éter

CH3

OCH3

CH3 CH2

CH2 O

CH3 CH2

CH2 O CH3

dimetil éter metil - propil éterpropil - ciclopropil éter

metoxi metano metoxi propanopropoxi ciclopropano

� Para nombrar los éteres debemos visualizar el oxígeno y nombrar las porciones laterales

como si fuesen radicales.

� También hay una nomenclatura poco convencional que identifica el fragmento molecular R-O y lo nombre de una sola vez. Así entonces si R = CH3, se toma la raíz MET y se adiciona la poción OXI (del oxígeno)

23

9. Aminas

R NH2 R NH

R'

R N

R'

R''

amina primaria

amina secundaria amina terciaria

Son compuestos orgánicos derivados del amoniaco (NH3) a través de la sustitución de uno, dos o tres átomos de hidrógeno por carbono (radicales).

CH3 NH2 CH3 N

CH3

CH3 NH2

NH2 NH2

OH

NH2

NH2

metil aminatrimetil amina ciclohexil amina

fenil aminapara hidroxi fenil amina para amino fenil aminaanilinapara hidroxi anilina

1, 4 diamino benceno

� Para nombrar las aminas debemos primero identificar los fragmentos radicales unidos al grupo AMINA y escribirlos con la nomenclatura tradicional.

� Cuando la AMINA no sea la función principal debemos llamarla como un radical, esto es,

con el nombre de AMINO.

� Cuando la AMINA esté unida en forma directa a un anillo bencénico se le denomina ANILINA.

24

10. Amidas O

R NH2

O

R NH R'

Son compuestos orgánicos que poseen el grupo funcional carbamida. Las amidas se forman por reacción entre un derivado de ácido carboxílico (haluro de ácido) y una amina. Sufijo: AMIDA

O

CCH3 NH2

etanamida

CH3CH2

CNH

O

CH3

N - metil propanamida

ONH2

benzamida

� Las poliamidas son usadas ampliamente en la síntesis de fibras poliméricas sintéticas y estudios farmacológicos (medicamentos).

11. Nitrocompuestos

N+

O-

O

R

Son hidrocarburos convencionales, sin embargo, al menos uno de sus hidrógenos ha sido reemplazado por el grupo funcional NITRO (-NO2). Sufijo: NITRO

CH3 NO2 CH3 CH2 NO2

nitro metano nitro etano

CH3

NO2

CH3

NO2O2N

CH3

O2N

NO2

NO2

nitro tolueno dinitro tolueno

trinitro tolueno(T.N.T)

25

12. Nitrilos

C NR

Son compuestos orgánicos derivados del ácido cianhídrico CH N . Aquí el hidrógeno del grupo funcional es sustituido por cadenas hidrocarbonadas. Sufijo: NITRILO

Ejemplos:

CH3 CH2 CH2 C N CH3 C N C N

butanonitrilo etanonitrilo benzonitrilocianuro de propilo cianuro de metilo cianuro de fenilo

� Para nombrar los nitrilos debemos considerar la cantidad de átomos de carbono que

la cadena principal contiene y luego nombralo como si fuesen hidrocarburos corrientes, agregando el sufijo NITRILO.

� Otra forma consiste en identificar el grupo funcional –CN y nombrar el resto de la

cadena como si fuesen radicales. Anteponemos en esta nomenclatura el prefijo CIANURO.

13. Isonitrilos

R NC

Son derivados del ácido isocianhídrico HNC , un gas de estructura similar al HCN, donde uno de los átomos de hidrógeno se sustituye por una cadena hidrocarbonada. Sufijo: Isonitrilo Ejemplos:

CH3 CH2 NCetanoisonitriloisocianuro de etilo

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 NCpentanoisonitriloisocianuro de pentilo

26

14. Compuestos de Grignard

R M X Son hidrocarburos que incluyen un metal y un halógeno en su estructura. Este tipo de reactivos es ampliamente utilizado como precursor en reacciones de alquilación (alargar cadenas por ejemplo) muy importantes en química orgánica. Los metales más ampliamente usados son magnesio, cobre, y litio. Sin embargo, los llamados reactivos de Grignard sólo contienen Magnesio. El resto de compuestos con un metal y un halógeno unidos a una cadena hidrocarbonada se denominan genéricamente “compuestos organometálicos”. Los halógenos en tanto son, cloro bromo y yodo. Nomenclatura:

(Halógeno) URO + DE + (hidrocarburo) IL + metal

Ejemplos:

CH3 CH2 CH2 Mg Br

bromuro de propil magnesio

Mg I

yoduro de ciclopentil magnesio

SERIES ORGÁNICAS

Series Homólogas: Conjunto de compuestos consecutivos de la misma función cuya diferencia está en un fragmento de CH2. Ejemplo:

CH3 CH3

CH3 CH2 CH3

CH3 CH2 CH2 CH3

CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

etano

propano

butano

pentano

CH4 metano

27

Series Heterólogas: Conjunto de compuestos de diferente función orgánica, que derivan del mismo hidrocarburo. Ejemplo:

CH2 CH2 OHCH3 CH2

C

O

HCH3

propanol propanal

CH3 CH2

C

O

O H

ácido propanoico

Series Isólogas: Conjunto de compuestos que difieren entre sí en dos átomos de hidrógeno (H2).

Ejemplo:

CH3 CH2

CH2 CH2

CH3

CH2 CH

CH2 CH2

CH3

CH C

CH2 CH2

CH3pentano penteno pentino

CH3 CH2

CH2 CH2

OH

CH2 CH

CH2 CH2

OH

CH C

CH2 CH2

OH

butanol butenol butinol ISOMERÍA Los isómeros son moléculas de igual o distinta función, que presentan similar fórmula general. Esto es, la disposición de los átomos es distinta, no así su proporción. Tomemos los siguientes ejemplos:

CH3 CH2 OH CH3 O CH3

CH3CH2

CH2

C

O

HCH3

CH2

CCH3

O

etanol dimetil éter

butanal 2 - butanona

A)

B)

� En A) la fórmula molecular de ambos compuestos es C2H6O � En B) la fórmula molecular de ambos compuestos es C4H8O

28

Se dice que ambas parejas son ejemplos de isómeros. En el caso de la pareja A) uno es un alcohol corriente mientras que el otro un éter, sin embargo la cantidad de átomo es la misma (y en la misma proporción). En la pareja B) uno de ellos es un aldehído y el otro una cetona. Ambos por cierto, tienen la misma fórmula general. La importancia de los isómeros radica no sólo en la coincidencia de las fórmulas generales. Es sabido en química orgánica la enorme implicancia de la disposición espacial de ciertas moléculas aparentemente idénticas. A razón, de ésta y otras cualidades, se analiza el tema de isomería de manera parcelada.

ISOMERÍA PLANA

Tipos de isomería

� Isomería de Cadena

� Isomería de posición

� Isomería de compensación

� Isomería de función Isomería de cadena Pertenecen a la misma función química y difieren sólo en el tipo de cadena. Ejemplo:

CH3CH2

CH2

CH2

CH2CH3

CH3

CH2

CH

CH2

CH3

CH3

n - hexano 3 metil pentano El n- hexano es una cadena alifática lineal, en cambio el 3 – metil pentano es una cadena ramificada.

Isomería de posición Pertenecen a la misma función orgánica, pero se diferencian en la posición de un radical o una insaturación Ejemplo:

CH3 CH

CH2 CH2

CH3

OH

CH2CH2

CH2 CH2

CH3

OH

CH3 CH2

CH CH2

CH3OH

B)

2 - pentanol 1 - pentanol 3 - pentanol

C5 H12 O

29

Isomería de compensación (metamería) Pertenecen a la misma función química, pero se diferencian en la posición de un heteroátomo. Ejemplo:

CH3 CH2

CH2 NH

CH3

CH3 CH2

NH CH2

CH3

metil - propil amina dietil aminaC4 H11 N

Isomería de función Difieren en la función química, pero tienen la misma fórmula general. Ejemplo:

CH3 CH2 OH CH3 O CH3

CH3CH2

CH2

C

O

HCH3

CH2

CCH3

O

etanol dimetil éter

butanal 2 - butanona

C2 H6 O

C4 H8 O

Tautomería: Los tautómeros son isómeros de función que se encuentran en equilibrio en solución acuosa. Dos ejemplos comunes son:

CH3 CH2

C

O

H

CH3 CH

CH OH

CH3 C

CH3

O

CH2 C

CH3

OH

propanal propenol

2 propanona 1 - propeno - 2 - ol

30

ISOMERÍA ESPACIAL (ESTEREOISOMERÍA)

Los isómeros son compuestos que difieren entre sí por la disposición espacial de sus átomos. Mostraremos dos casos de isomería espacial:

� Isomería geométrica

� Isomería óptica Isomería geométrica (isomería Cis – Trans) Consideremos el compuesto 1, 2 - dicloro - eteno

CH C H

C l

C l La hibridación sp2 de los carbonos indica que la molécula es plana y por tanto los radicales de cloro se disponen cada uno sobre y bajo el plano, o bien ambos al mismo lado. Respecto de esto se generan dos moléculas diferentes, “no superponibles” de 1,2 - dicloro - eteno. Éstos son los denominados isómeros geométricos. El isómero que presenta los dos átomos de cloro del mismo lado, en relación al plano determinado por el doble enlace, es llamado CIS y el otro es un isómero TRANS.

31

Isomería óptica Ciertas sustancias químicas tienen el poder de desviar el plano de vibración de la luz polarizada; la luz polarizada vibra sólo en un plano, al contrario de la luz natural, que está constituida de ondas vibrando en todas las direcciones. Diremos que las sustancias que desvían el plano de vibración de la luz polarizada tienen actividad óptica o que ellas son ópticamente activas. En el caso que el desvío ocurra para la derecha, diremos que son dextrógiras; ocurriendo lo inverso, diremos que se trata de sustancias levógiras.

Desvío a la derecha → dextrógira (d)

Desvío a la izquierda ← levógira (llll) Un ejemplo:

Para nuestro interés, podemos considerar que la actividad óptica de una sustancia es producto de su asimetría molecular. Asimetría molecular ⇒⇒⇒⇒ actividad óptica El carbono asimétrico es denominado centro estereogénico (señalado C*) y corresponde a aquel unido a cuatro radicales diferentes.

Si la molécula presenta al menos un centro estereogénico se le denomina quiral y por lo tanto tendrá actividad óptica.

*

32

Podemos encontrar dos ácidos lácticos, con comportamiento diferente, sólo porque uno de ellos desvía la luz polarizada en el sentido dextrógiro y el otro en el levógiro. Para diferenciarlos recurrimos a la nomenclatura especial d y l . Vemos en el ejemplo que existen dos estructuras moleculares no superponibles; cada una corresponde a una de dos tipos de moléculas de ácido láctico. Esto se observa como si una fuese la imagen especular de la otra, por tanto podemos diremos que las dos moléculas son isómeros ópticos: Los dos isómeros, el dextrógiro y el levógiro, son llamados ENANTIÓMEROS Una mezcla formada por cantidades equimoleculares de dos enantiómeros se denomina mezcla racémica y es ópticamente inactiva. Para compuestos con más de un átomo de carbono asimétrico y diferente, se encuentra el número de isómeros activos por la fórmula 2n siendo n el número de átomos de carbonos asimétricos (centros estereogénicos).

REACCIONES ORGÁNICAS Reacciones de Sustitución Son un tipo de reacción muy común en los laboratorios orgánicos y consiste en sustituir al menos un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo por otro u otros átomos. Las reacciones más importantes son:

� Nitraciones � Sulfonaciones � Halogenaciones

Nitración:

R — H + HO — NO2 →∆ H2O + R —NO2

CH

CH

CH

CH

CH

CH + HNO3

∆ C

CH

CH

CH

CH

CH

NO2

+ OH2

ácido láctico d ácido láctico l

espejo

33

Note que un hidrógeno del benceno es sustituido por un grupo NITRO proveniente de la molécula de ácido nítrico (HNO3) Sulfonación:

R — H + HO — SO3H →∆ H2O + R — SO3H

CH

CH

CH

CH

CH

CH + H2SO4

∆ C

CH

CH

CH

CH

CH

SO3H

+ OH2

Cloración:

R — H + Cl — Cl →luz HCl + R — Cl

Reacciones de Adición Se visualizan por la adición de átomos o grupos de átomos generalmente con rompimiento de enlaces π de dobles y triples enlaces. Hay muchos ejemplos de reacciones de adición y en muchas funciones. En los hidrocarburos tenemos, por ejemplo, la cloración de los alquenos, la hidrogenación de alquenos obteniendo alcanos, las polimerizaciones por adición, etc. Ejemplo:

CH3 CH2

CH CH2+ Cl Cl

CH3 CH2

CH CH2

Cl

Cl

buteno 1, 2 dicloro butano

En la reacción dos átomos de cloro saturan al alqueno y lo transforman en un halogenuro de alquilo (compuesto halogenado). Los fragmentos que se incorporan en la molécula son iguales, así que poco importa conocer a cual de los carbonos va una especie o la otra. Sin embargo, observemos el siguiente ejemplo:

H H I I H3C — C — CH3 + Cl — Cl HCl + H3C — C — CH3

I I H Cl propano 2-cloropropano

34

CH3 CH2

CH CH2+ H Cl

CH3 CH2

CH CH2

Cl

H

buteno 2 cloro butano

90%

+CH3 CH2

CH CH2

H

Cl

1 cloro butano10%

Observamos que en esta reacción de adición, un porcentaje mayoritario es el isómero 2 cloro butano. Las razones de esta desigualdad responden a una estabilidad energética de los compuestos intermediarios a esta reacción (carbocationes). Para justificar el por qué la reacción es más espontánea en uno u otro caso se utiliza la regla de markovnikoff Regla de Markovnikoff: La adición de hidrógeno se hará en el carbono más hidrogenado, cuando se trata de un doble enlace asimétrico). Reacciones de Eliminación En estas reacciones algunos átomos o grupos son eliminados de la sustancia, dando origen a otra, más condensada y con eventual aparecimiento de dobles y/o triples enlaces. Ejemplo:

CH3

CH2

CH2

CH2

CHCH

CH3Cl

Cl

+ Zn CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CHCH3 + ZnCl 2

35

Reacciones de Combustión La combustión completa de una sustancia orgánica da origen a dióxido de carbono (gas carbónico) y agua. La combustión incompleta, en función de la cantidad de oxígeno comburente disponible, da origen a monóxido de carbono o también carbono. En orden decreciente de oxígeno disponible obtendremos, por lo tanto, CO2, CO o C. Ejemplos: Combustiones completas: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O metano

C2H2 + 2

5O2 → 2 CO2 + H2O

etino (acetileno) C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O propano

Combustión incompleta: C8H18 + 2

17O2 → 8 CO + 9 H2O

C8H18 + 2

9 O2 → 8 C + 9 H2O

CH4 + 2

3 O2 → CO + 2 H2O

CH4 + O2 → CO + 2 H2O

36

Oxidación de Alcoholes La oxidación de alcoholes primarios forma inicialmente aldehídos y luego ácidos carboxílicos y la oxidación de alcoholes secundarios forma cetonas.

CH3 CH2 OH C

O

H CH3

oxidación parcial oxidación total

CH3

COH

O

etanol

etanal ácido etanoico

CH3 CH

CH3

OHoxidación total CH3 C

CH3

O

alcohol primario

alcohol secundario

2 propanol 2 propanonadimetil cetona

CH3C

CH3

OH

CH3

alcohol terciario

oxidación total NO HAY REACCIÓN!!!

37

PRIORIDADES DE LOS GRUPOS FUNCIONALES

FUNCIÓN FÓRMULA PRIORIDAD PREFIJO SUFIJO

ÁCIDOS CARBOXILICOS

-COOH 1 carboxi

-carboxilico

-oico

ÁCIDOS SULFONICOS

-SO3H 2 sulfo

-sulfónico

ÉSTER -COO-R 3 R-oxicarbonilo -oato de R

-carboxilato de R

HALUROS DE ÁCIDO

-CO-X 4 haloformil

-haluro de oilo

AMIDAS -CO-NH2 5 carbonil

-carboxamida

-amida

NITRILOS -C≡N 6

ciano

-carbonitrilo -A-nitrilo

ALDEHIDOS -CHO 7 formil

-carbaldehído

-al

CETONAS -CO-R 8 oxo

-ona

ALCOHOLES -OH 9 hidroxi

-ol

AMINAS -NH2 10 amino

-R-amina

ETERES -O-R 11 R-oxi

-R-éter

ALQUENOS

– C =C – 12 en

-eno

ALQUINOS – C ≡ C – 13 in

-ino

HALOGENOS – X 14 halo

---

NITROCOMPUESTOS -NO2 15 nitro

---

RADICALES ALQUILICOS

-R

16

nombre del radical ---

NOTA:Los halógenos y radicales alquílicos, aunque no son grupos funcionales, han sido incluídos en esta tabla para destacar sus prioridades relativas.

38

TEST DE EVALUACIÓN MÓDULO 09 1. Hoy es correcto afirmar que A) todo compuesto que tenga carbono necesariamente es considerado un compuesto

orgánico. B) los compuestos orgánicos no pueden ser sintetizados artificialmente en un laboratorio.

C) todo compuesto considerado orgánico debe contener necesariamente el elemento carbono. D) sólo los seres vivos son poseedores de una fuerza vital capaz de producir compuestos

orgánicos. E) a partir de un compuesto inorgánico es imposible obtener un compuesto orgánico.

2. En el compuesto hay

CH3 C CH2 CH3

CH3

CH3

Carbonos Carbonos Carbonos Carbonos

Primarios Secundarios Terciarios Cuaternarios

A) 2 2 1 0 B) 3 2 0 2 C) 4 0 1 1 D) 4 1 0 1 E) 5 0 0 1

3. De los siguientes compuestos, el que tiene una cadena carbónica alifática, normal, insaturada

y heterogénea es A) CH3 - O - CH2 - CH3

B) CH3 - C - CH2 - CH3

C) CH2 = CH - NH - CH3

D) CH=CH / \ CH2 CH2 \ / O

E) CH3 - C=O \

OH

O

39

4. El nombre oficial (IUPAC) del alcano

A) 2-metil-2,4-dietil-pentano B) 3,3-dimetil-5-etil-hexano. C) 2,4-dimetil-2,4-dietil-hexano. D) 3,3,5-trimetil-heptano. E) decano.

5. La fórmula molecular o fórmula global del 2,3-dimetil-pentano es

A) C6H16 B) C7H14 C) C7H16 D) C7H12 E) C5H12

6. Si se unen entre sí los radicales etil e isopropil, se obtiene un alcano de nombre oficial

A) 2-metil-butano B) pentano C) 2,2-dimetil-propano D) 2-etil-propano E) neopentano

7. En la siguiente estructura, los número indicados representan el tipo de enlace existente entre

los átomos de carbono . Entonces es correcto: CH3 | CH ...(1)... C ...(2)...CH2 ...(3)...C ...(4)... CH2

(1) (2) (3) (4) A) simple doble triple doble B) triple simple simple doble C) doble doble simple simple D) triple simple doble doble E) triple doble simple doble

8. El nombre oficial del compuesto es

A) trimetil-1,3-isociclopentano B) 1-isopropil-4-metil-ciclopentano C) 1-metil.3-isopropil-ciclopentano D) 1,3-metil-propil-ciclopentano E) 1-metil-4-isopropil-ciclopentano

CH3 C CH2 CH

CH2

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

40

Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://clases.e-pedrodevaldivia.cl/

9. El nombre 2-metil-2-propanol corresponde a un A) monoalcohol primario. B) dialcohol primario. C) monoalcohol terciario. D) trialcohol. E) monoalcohol secundario. 10. La fórmula molecular CnH2n + 2O puede corresponder a un A) aldehído o un alcohol. B) éter o a un alcohol. C) fenol solamente. D) aldehído o a un éter. E) éter, a un aldehído o a un alcohol.

DSIQC09