química
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INTRODUCCIÓN
Los seres vivos estamos formados por compuestos orgánicos, pero hay muchos
compuestos orgánicos que no están presentes en los seres vivos. También podríamos
decir que la química orgánica es la que estudiar las moléculas que contienen carbono
(C) y forman enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno y otros
heteroátomos.
Los compuestos orgánicos presentan una enorme variedad de propiedades y
aplicaciones, entre los que podemos citar: plásticos, detergentes, pinturas, explosivos,
productos farmacéuticos, colorantes, insecticidas, perfumes, etc.
La base de la química orgánica, en definitiva, es el carbono. Los átomos de este
elemento químico disponen de una capa de valencia con cuatro electrones. Para
completarla, debe formar cuatro enlaces con otros átomos, de acuerdo a la llamada
regla del octeto. La formación de enlaces covalentes resulta sencilla para el carbono,
que alcanza su estabilidad al crear enlaces con otros carbonos en cadenas cerradas o
abiertas.
Los compuestos orgánicos pueden definirse de distintas maneras de acuerdo a la
funcionalidad, el origen, etc. La química orgánica, en este sentido, habla de las
proteínas, los lípidos, los carbohidratos, los alcoholes, los hidrocarburos y otros
compuestos.
Grupos Alquilos
El grupo alquilo (nombre derivado de alcano con la terminación ilo) es un grupo
funcional orgánico monovalente, formado por la separación de
un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo saturado oalcano, para que así pueda
enlazarse a otro átomo o grupo de átomos.
Se puede suponer que un grupo alquilo puede formarse a partir de un alcano, pero
estos grupos no existen por separado (en ese caso se llaman radicales alquilo), o sea,
los grupos alquilo no son compuestos en sí mismos, sino partes de compuestos
mayores. Los grupos alquilo siempre se encuentran unidos a otro átomo o grupo de
átomos, como en el gráfico de la derecha. A pesar de ello, es interesante considerarlos
como partes que se pueden separar pues esto facilita lanomenclatura de los
compuestos orgánicos y la comprensión del mecanismo de ciertas reacciones como
la transmetilación.
Así, si separamos un hidrógeno de un metano, CH4 , nos quedaría el
grupo metilo, CH3-, pero este grupo no puede estar aislado pues en ese caso sería
el radical metilo, CH3· altamente reactivo. Son muy frecuentes y aparecen como
sustituyentes o unidades estructurales en muchos compuestos orgánicos.
Clasificación de los grupos Alquilo
De cadena recta y de cadena ramificada
Hay que distinguir entre grupos alquilo de cadena recta y de cadena
ramificada según la geometría de la cadena alquílica, es decir, la ausencia de
ramificaciones (como en el grupo propil), o la presencia de las mismas (en el
grupo isopropil).
Según que el átomo de hidrógeno supuestamente eliminado pertenezca a un
carbono terminal (carbono primario) o intermedio (carbono secundario, etc..)
podemos distinguir entre grupos alquilo primarios, secundarios y terciarios, ya que
dicho átomo de H que falta definirá el carbono de unión entre el grupo alquilo y el
resto de la molécula).
En la tabla inferior se observan dos grupos derivados del butano, eliminando el H
en un carbono primario (n-butil) o secundario (sec-butil); y dos derivados del
metilpropano, eliminando el H en un C primario (isopropil) o terciario (ter-butil).
Grupo
alquiloEstructura
Fórmu
la
Cadena
y Tipo de
alquilo
Ejemplo
Butil o
butilo
CH3-
CH2-
CH2-
CH2-
Cadena
lineal
Alquilo
primario
sec-butil
CH3-
CH-CH2-
CH3
Cadena
lineal
Alquilo
secundario
2-
metilpropil
ó Isobutil
CH3-
CH(CH3)-
CH2-
Cadena
ramificada
Alquilo
primario
ter-butil
CH3-
C(CH3)-
CH3
Cadena
ramificada
Alquilo
Terciario
Ejemplos
A continuación se dan los nombres de algunos grupos alquilo típicos:
Grupo
funcionalSímbolo Fórmula Estructura Prefijo Sufijo Ejemplo
Grupo
metiloMe -CH3
metil-
-
metano
Grupo
etiloEt -CH2CH3
etil- -etano
Grupo
propilo
n-Pr -CH2CH2CH3 propil
-
N-
propan
o
i-Pr -CH(CH3)2 isopro
pil-
isoprop
ano
Grupo
butilo
_
-
CH2CH2CH2C
H3
butil- -butano
_ -CH2CH(CH3)2 isobut
il-
-
isobuta
no
_
-
CH(CH3)CH2C
H3
sec-
butil-_
_ -C(CH3)3 tert-
butil-_
Grupo
pentilo_
-
CH2CH2CH2C
H2CH3
pentil-
-
pentano
Si se elimina un hidrógeno de un alcano, se puede utilizar como un grupo
funcional sustituyente, llamado grupo alquilo. Los grupos alquilos se nombran
quitando el sufijo -ano de los alcanos, y añadiendo el sufijo -ilo. El metano se
convierte en el grupo metilo, el etano en el grupo etilo, etc.
Los derivados de los alcanos se pueden formar
mediante la sustitución de un grupo alquilo, en uno de
los hidrógenos del alcano
GRUPO ARILO
Grupo fenilo enlazado a un grupo alquilo.
El grupo funcional arilo (símbolo: Ar) es el sustituyente derivado de un
hidrocarburo aromático al extraérsele un átomo de hidrógeno del anillo aromático. El
grupo arilo genérico sería el equivalente al grupo alquilo genérico (R). El grupo
fenilo (simbolizado Ph o φ) es el grupo arilo más sencillo. Los hidrocarburos que no
contienen anillos bencénicos se clasifican como compuestos alifáticos.
Reacciones
Químicamente son por regla general bastante inertes a la sustitución electrófila y a
la hidrogenación, reacciones que deben llevarse a cabo con ayuda de catalizadores.
Esta estabilidad es debida a la presencia de orbitales degenerados (comparando estas
moléculas con sus análogos alifáticos) que conllevan una disminución general de la
energía total de la molécula.
Sustitución electrofílica:
φ-H + HNO3 → φ-NO2 + H2O
φ-H + H2SO4 → φ-SO3H + H2O
φ-H + Br2 + Fe → φ-Br + HBr + Fe
Reacción Friedel-Crafts, otro tipo de sustitución electrofílica:
φ-H + RCl + AlCl3 → φ-R + HCl + AlCl3
Otras reacciones de compuestos aromáticos incluyen sustituciones de grupos
fenilos.
Aplicación
Entre los arenos más importantes se encuentran todas las hormonas y vitaminas,
excepto la vitamina C; prácticamente todos los condimentos, perfumes y tintes
orgánicos, tanto sintéticos como naturales; los alcaloides que no son alicíclicos
(ciertas bases alifáticas como la putrescina a veces se clasifican incorrectamente
como alcaloides), y sustancias como el trinitrotolueno (TNT) y los gases
lacrimógenos. Por otra parte los hidrocarburos aromáticos suelen ser nocivos para la
salud, como los llamados BTEX, benceno, tolueno, etilbenceno y xileno por estar
implicados en numerosos tipos de cáncer o el alfa-benzopireno que se encuentra en el
humo del tabaco, extremadamente carcinógenico igualmente, ya que puede producir
cáncer de pulmón.
Toxicología
Los hidrocarburos aromáticos pueden ser cancerígenos. Se clasifican como 2A o
2B.
El efecto principal de la exposición de larga duración (365 días o más) al benceno
es en la sangre y los residuos fecales. El benceno produce efectos nocivos en la
médula de los huesos y puede causar una disminución en el número de glóbulos rojos,
lo que conduce a anemia. El benceno también puede producir hemorragias y daño al
sistema inmunitario, aumentando así las posibilidades de contraer infecciones.
Algunas mujeres que respiraron altos niveles de benceno por varios meses
tuvieron menstruaciones irregulares y el tamaño de sus ovarios disminuyó. Estudios
en animales que respiraron benceno durante la preñez han descrito bajo peso de
nacimiento, retardo en la formación de hueso y daño en la médula de los huesos. No
se sabe si la exposición al benceno afecta al feto durante el embarazo o a la fertilidad
en los hombres.
En el organismo, el benceno es convertido en productos llamados metabolitos.
Ciertos metabolitos pueden medirse en la orina. Sin embargo, este examen debe
hacerse con prontitud después de la exposición y su resultado no indica con confianza
a cuánto benceno estuvo expuesto, ya que los metabolitos en la orina pueden
originarse de otras fuentes.
El benceno ha producido intoxicaciones agudas y crónicas en su obtención y en
sus múltiples aplicaciones en la industria química. A causa de su elevada toxicidad, en
cuantos casos es posible se sustituye por bencina y otros solventes menos tóxicos.
El benceno actúa produciendo irritación local bastante intensa, actúa como
narcótico y tóxico nervioso. Su acción crónica se ejerce especialmente como veneno
hemático.
Ingerido por error ha producido gastritis. Se ha alcanzado la muerte por ingestión
de 30g del líquido.
Se ha determinado que el benceno es un reconocido carcinógeno en seres
humanos. La exposición de larga duración a altos niveles de benceno en el aire puede
producir leucemia. Cuando se produce la inhalación de vapores concentrados, puede
producir rápidamente la narcosis mortal, después de un estado previo de euforia,
embriaguez y convulsiones. La inhalación de concentraciones más débiles origina
torpeza cerebral, sensación de vértigo, cefalea, náuseas, excitación con humor alegre,
embriaguez que puede transformarse en sueño, sacudidas musculares, relajación
muscular, pérdida del conocimiento y rigidez pupilar. En caso de intoxicación aguda,
se produce enrojecimiento de la cara y las mucosas.
GRUPO ALQUILO
El grupo funcional alquilo (nombre derivado de alcano con la terminación de
radical -ilo) es un sustituyente, formado por la separación de un átomo de hidrógeno
de un hidrocarburo saturado o alcano, para que así el alcano pueda enlazarse a otro
átomo o grupo de átomos.
Se puede suponer que un grupo alquilo puede formarse a partir de un alcano, pero
estos grupos no existen por separado (en ese caso se llaman radicales alquilo), o sea,
los grupos alquilo no son compuestos en sí mismos, sino partes de compuestos
mayores.2 Los grupos alquilo siempre se encuentran unidos a otro átomo o grupo de
átomos, como en el gráfico de la derecha. A pesar de ello, es interesante considerarlos
como partes que se pueden separar pues esto facilita la nomenclatura de los
compuestos orgánicos y la comprensión del mecanismo de ciertas reacciones como la
transmetilación.
Así, si separamos un hidrógeno de un metano (CH4) nos quedaría el grupo metilo
(CH3-), pero este grupo no puede estar aislado pues en ese caso sería el radical metilo
(CH3) altamente reactivo. Son muy frecuentes y aparecen como sustituyentes o
unidades estructurales en muchos compuestos orgánicos.
Grupo metilo CH3, unido a una cadena de cinco átomos de carbono (pentano),
formando el 3-metilpentano. El grupo alquilo (nombre derivado de alcano con la
terminación ilo) es un grupo funcional orgánico monovalente, formado por la
separación de un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo saturado o alcano, para que
así pueda enlazarse a otro átomo o grupo de átomos. Se puede suponer que un grupo
alquilo puede formarse a partir de un alcano, pero estos grupos no existen por
separado (en ese caso se llaman radicales alquilo), o sea, los grupos alquilo no son
compuestos en sí mismos, sino partes de compuestos mayores. Los grupos alquilo
siempre se encuentran unidos a otro átomo o grupo de átomos, como en el gráfico de
la derecha. A pesar de ello, es interesante considerarlos como partes que se pueden
separar pues esto facilita lanomenclatura de los compuestos orgánicos y la
comprensión del mecanismo de ciertas reacciones como la transmetilación.
Así, si separamos un hidrógeno de un metano, CH4 , nos quedaría el grupo metilo,
CH3-, pero este grupo no puede estar aislado pues en ese caso sería el radical metilo,
CH3• altamente reactivo. Son muy frecuentes y aparecen como sustituyentes o
unidades estructurales en muchos compuestos orgánicos
CICLOALQUILOS
Son compuestos orgánicos en los cuales un grupo orgánico alquilo (simbolizado
por R') reemplaza a un átomo de hidrógeno (o más de uno) de un ácido oxigenado.
Un oxoácido es un ácido inorgánico cuyas moléculas poseen un grupo hidroxilo (OH-
1) desde el cual el hidrógeno (H) puede disociarse como un ion hidrógeno, hidrón o
comúnmente protón, (H+). Etimológicamente, la palabra "éster" proviene del alemán
Essig-Äther (éter de vinagre), como se llamaba antiguamente al acetato de etilo.
El caso de los ésteres consiste en dos cadenas separadas por un oxígeno. Cada una
de estas cadenas debe de nombrarse por separado y el nombre de los ésteres siempre
consiste en dos palabras separadas del tipo alcanoato de alquilo. La parte alquílica del
nombre se da a la cadena que no contiene el grupo carbonilo. La parte del alcanoato
se da a la cadena que tiene el grupo carbonilo. Este procedimiento se utiliza sin
importar el tamaño de la cadena. La posición del grupo carbonilo es la que determina
cual es la cadena del alcanoato.
Debido a que el grupo carbonilo en los ésteres debe de estar al final de la cadena
del alcanoato no se utiliza número localizador.
La cadena que se encuentra del lado del oxígeno puede estar unida por cualquiera
de sus átomos de carbono por lo que en este caso si no está unida por el carbono
terminal se debe de usar el número localizador.
En los ésteres más comunes el ácido en cuestión es un ácido carboxílico. Por
ejemplo, si el ácido es el ácido acético, el éster es denominado como acetato. Los
ésteres también se pueden formar con ácidos inorgánicos, como el ácido carbónico
(origina ésteres carbónicos), el ácido fosfórico (ésteres fosfóricos) o el ácido
sulfúrico. Por ejemplo, el sulfato de dimetilo es un éster, a veces llamado "éster
dimetílico del ácido sulfúrico".
Los sustituyentes univalentes derivados de cicloalcanos sin cadenas laterales se
nombran reemplazando la terminación "-ano" del nombre del hidrocarburo por la
terminación "-il"; el átomo de carbono con la valencia libre se numera como 1. El
nombre genérico de estos sustituyentes es "cicloalquilo".
Grupos Funcionales
El caso de los ésteres consiste en dos cadenas separadas por un oxígeno. Cada una
de estas cadenas debe de nombrarse por separado y el nombre de los ésteres siempre
consiste en dos palabras separadas del tipo alcanoato de alquilo. La parte alquílica del
nombre se da a la cadena que no contiene el grupo carbonilo. La parte del alcanoato
se da a la cadena que tiene el grupo carbonilo. Este procedimiento se utiliza sin
importar el tamaño de la cadena. La posición del grupo carbonilo es la que determina
cual es la cadena del alcanoato.
Debido a que el grupo carbonilo en los ésteres debe de estar al final de la cadena
del alcanoato no se utiliza número localizador.
La cadena que se encuentra del lado del oxígeno puede estar unida por cualquiera
de sus átomos de carbono por lo que en este caso si no está unida por el carbono
terminal se debe de usar el número localizador.
En los ésteres más comunes el ácido en cuestión es un ácido carboxílico. Por
ejemplo, si el ácido es el ácido acético, el éster es denominado como acetato. Los
ésteres también se pueden formar con ácidos inorgánicos, como el ácido carbónico
(origina ésteres carbónicos), el ácido fosfórico (ésteres fosfóricos) o el ácido
sulfúrico. Por ejemplo, el sulfato de dimetilo es un éster, a veces llamado "éster
dimetílico del ácido sulfúrico".
Obtención
Los ésteres se forman por reacción entre un ácido y un alcohol. La reacción se
produce con pérdida de agua. Se ha determinado que el agua se forma a partir del OH
del ácido y el H del alcohol. Este proceso se llama esterificación.
Pueden provenir de ácidos alifáticos o aromáticos.
Nomenclatura de ésteres
La nomenclatura de los ésteres deriva del ácido carboxílico y el alcohol de los que
procede. Así, en el etanoato (acetato) de metilo encontramos dos partes en su nombre:
La primera parte del nombre, etanoato (acetato), proviene del ácido etanoico
(acético).
La otra mitad, de metilo, proviene del alcohol metílico (metanol).
Luego el nombre general de un éster de ácido carboxílico será "alcanoato de
alquilo" donde:
alcano= raíz de la cadena carbonada principal (si es un alcano), que se nombra a
partir del número de átomos de carbono.
Ej.:Propan- significa cadena de 3 átomos de carbono unidos por enlaces sencillos.
oato = sufijo que indica que es derivado de un ácido carboxílico.
Ej: propanoato:
CH3-CH2-CO- significa "derivado del ácido propanoico".
de alquilo: Indica el alcohol de procedencia.
Ej:-O-CH2-CH3 es "de etilo"
En conjunto CH3-CH2-CO-O-CH2-CH3 se nombra propanoato de etilo.
Se nombran como alcanoatos de alquilo (metanoato de metilo).
Propiedades físicas
Los ésteres dan sabor y olor a muchas frutas y son los constituyentes mayoritarios
de las ceras animales y vegetales.
Los ésteres pueden participar en los enlaces de hidrógeno como aceptadores, pero
no pueden participar como dadores en este tipo de enlaces, a diferencia de los
alcoholes de los que derivan. Esta capacidad de participar en los enlaces de hidrógeno
les convierte en más hidrosolubles que los hidrocarburos de los que derivan. Pero las
ilimitaciones de sus enlaces de hidrógeno los hace más hidrofóbicos que los alcoholes
o ácidos de los que derivan. Esta falta de capacidad de actuar como dador de enlace
de hidrógeno ocasiona el que no pueda formar enlaces de hidrógeno entre moléculas
de ésteres, lo que los hace más volátiles que un ácido o alcohol de similar peso
molecular.
Muchos ésteres tienen un aroma característico, lo que hace que se utilicen
ampliamente como sabores y fragancias artificiales. Por ejemplo:
Acetato de 2 Etil Hexilo: olor a dulzón suave
butanoato de metilo: olor a Piña
salicilato de metilo (aceite de siempreverde o menta): olor de las pomadas
Germolene™ y Ralgex™ (Reino Unido)
octanoato de heptilo: olor a frambuesa
etanoato de isopentilo: olor a plátano
pentanoato de pentilo: olor a manzana
butanoato de pentilo: olor a pera o a albaricoque
etanoato de octilo: olor a naranja.
Los ésteres también participan en la hidrólisis esterárica: la ruptura de un éster por
agua. Los ésteres también pueden ser descompuestos por ácidos o bases fuertes.
Como resultado, se descomponen en un alcohol y un ácido carboxílico, o una sal de
un ácido carboxílico:
Propiedades químicas
En las reacciones de los ésteres, la cadena se rompe siempre en un enlace sencillo,
ya sea entre el oxígeno y el alcohol o R, ya sea entre el oxígeno y el grupo R-CO-,
eliminando así el alcohol o uno de sus derivados. La saponificación de los ésteres,
llamada así por su analogía con la formación de jabones, es la reacción inversa a la
esterificación: Los ésteres se hidrogenan más fácilmente que los ácidos, empleándose
generalmente el éster etílico tratado con una mezcla de sodio y alcohol, y se
condensan entre sí en presencia de sodio y con las cetonas
Distribución en la naturaleza
Los ésteres se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza y son las
sustancias que le comunican el olor agradable a muchas frutas y vegetales. Las
grasas(sebos, mantecas y aceites) de origen animal y vegetal son ésteres de la
glicerina con los ácidos grasos superiores(saturados y no saturados). También las
ceras son ésteres de ácidos grasos superiores y alcoholes superiores.
Hidrólisis ácida:
Por calentamiento con agua se descompone en el alcohol y el ácido de los que
proviene.
éster + agua------------- ácido + alcohol
Con un exceso de agua la reacción es total. Es un proceso inverso a la
esterificación.
CH3.CO.O.CH3 + H2O ------------ CH3.CO.OH + H.CH2.OH
Hidrólisis alcalina - Saponificación
La hidrólisis de los ésteres está catalizada por ácidos o bases y conduce a ácidos
carboxílicos. En presencia de un hidróxido y con exceso de agua y calor, se produce
una reacción que da como productos el alcohol y la sal del ácido del que proviene.
Esta sal es el jabón lo que da el nombre a la reacción.
éster + hidróxido -------------- sal de ácido + alcohol.
Transesterificación
Los ésteres reaccionan con alcoholes con catálisis ácida o básica obteniéndose un
nuevo éster sin necesidad de pasar por el ácido carboxílico libre. Esta reacción se
denomina transesterificación.
Reacción con organometálicos
Los reactivos de Grignard transforman los ésteres en alcoholes. La reacción no se
puede parar y se produce la adición de dos equivalentes del organometálico.
Reducción a alcoholes y aldehídos
El hidruro de aluminio y litio los transforma en alcoholes y el DIBAL en
aldehídos.
Condensación de Claisen
En medios básicos forman enolatos que condensan generando 3-cetoésteres.
Reacción denominada condensación de Claisen.
Usos
Formiato de etilo: esencia de grosella, ron.
Acetato de etilo: esencia de manzana y pera. Solvente de la nitrocelulosa.
Butirato de etilo: esencia de durazno.
Acetato de butilo: solvente de la nitrocelulosa. Lacas; barnices; plásticos;
vidrios de seguridad; perfumes.
Acetato de amilo: solvente de lacas y barnices