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Dosier módulo IV

Módulo IV

Diciembre de 2014

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 3

Unidad 1. Hidrocarburos ................................................................................................................... 4

1. El átomo de carbono ............................................................................................................ 4 2. Hidrocarburos ...................................................................................................................... 7

Unidad II. Compuestos orgánicos oxigenados ......................................................................... 25

1. Compuestos orgánicos oxigenados ................................................................................... 25 2. Alcoholes ............................................................................................................................ 25 3. Fenoles ............................................................................................................................... 33 4. Éteres ................................................................................................................................. 37 5. Aldehídos y cetonas ........................................................................................................... 40 6. Ácidos carboxílicos y sus derivados ................................................................................... 43

Unidad III. Aminas y amidas .......................................................................................................... 50

1. Aminas ............................................................................................................................... 50 2. Amidas ............................................................................................................................... 56

Unidad IV. Biomoléculas ................................................................................................................. 61

1. Clasificación de las biomoléculas ....................................................................................... 61 2. Lípidos ................................................................................................................................ 66 3. Aminoácidos y proteínas ................................................................................................... 69 4. Ácidos nucleicos ................................................................................................................. 75

REFERENCIAS DOCUMENTALES ......................................................................................................... 79

3 3

En el marco del Plan Nacional de Formación de los Docentes en el Sector Público, se presenta el siguiente dosier que sirve de apoyo a la formación de especialistas de educación básica con especialidad en Ciencias Naturales, como fuente de información y una guía de aprendizaje que contribuye a ampliar y profundizar los temas estudiados en este módulo. Con este dosier, Elementos básicos de la química orgánica, se pretende estudiar y comprender la importancia del estudio de la química orgánica como la química de los compuestos del carbono el cual por su gran afinidad de formar enlaces fuertes con otros átomos de carbono y con una amplia variedad de elementos forma una diversidad de moléculas que representan la vida en la tierra. La química orgánica, junto con la bioquímica, explican los procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos, los cuales están formados principalmente de compuestos orgánicos complejos, que se ocupan de las funciones estructurales, químicas o genéticas como, por ejemplo, proteínas, enzimas, ácidos nucleídos (ARN y ADN), lípidos, vitaminas y esteroides. El termino orgánico significa, literalmente, “derivado de seres vivos”. En un principio la química orgánica se encargaba del estudio de los compuestos extraídos de organismos vivos y de sus productos naturales y gradualmente fueron tomando una mayor importancia las sustancias de obtención artificial; muchas de ellas no se encuentran en la naturaleza como los diversos productos que utilizamos en la vida diaria, ropa, jabones, perfumes, medicinas y muchos más. El desarrollo escrito de cada temática se presenta en un lenguaje científico, que ayuda al especialista a desarrollar competencias investigativas que permitan adquirir dominio de las temáticas. La unidad I inicia con la presentación del átomo de carbono, eje vertebrador de los compuestos orgánicos, los tipos de hibridación que presenta. Luego se abordan los hidrocarburos saturados, insaturados y aromáticos. Sus propiedades físicas, químicas, la nomenclatura que tienen estos compuestos y su formulación. La unidad II aborda los compuestos orgánicos oxigenados, alcoholes, fenoles, éteres, aldehídos, cetonas, ésteres, amidas y ácidos carboxílicos. Sus propiedades físicas, químicas, la nomenclatura que tienen estos compuestos y su formulación. La Unidad III aborda los compuestos nitrogenados, aminas y amidas con sus respectivas propiedades físicas, químicas, la nomenclatura que tienen estos compuestos y su formulación. La unidad IV presenta las biomoléculas, carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, con sus propiedades físicas, químicas, la nomenclatura que tienen estos compuestos y su formulación. Al final de cada unidad se presentan ejercicios para consolidar los aprendizajes logrados con el estudio de los contenidos planteados y al final del dosier se encuentran las referencias documentales, que son sitios web que se recomiendan para que los especialistas amplíen sus conocimientos.

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Hidrocarburos

1. El átomo de carbono La gran capacidad para formar cadenas que tiene el C, es sin lugar a dudas una de las claves de la existencia de vida, tal cual la conocemos; y tiene su origen justamente en la configuración electrónica del átomo de carbono y la capacidad de enlazarse con otros átomos de carbono o átomos distintos a este y entre sí. De acuerdo a las reglas de llenado de los orbitales atómicos con electrones, desde los de menor hacia los de mayor energía, tenemos para el átomo de C:

C: 1s2 2s2 2p2 Los suborbitales p son tres, tienen igual energía pero diferente orientación espacial: son mutuamente perpendiculares. Teniendo esto en cuenta, la configuración electrónica del átomo de C queda:

C: 1s2 2s2 2𝑝𝑥1 2𝑝𝑦

1 2𝑝𝑧0

Si la configuración de los átomos de C en las moléculas orgánicas fuera efectivamente ésta, los átomos de C solamente podrían formar dos enlaces covalentes (hay sólo dos electrones desapareados). Sin embargo, se conocen muchos más compuestos en que los átomos de C se presentan unidos a tres o a cuatro átomos, que los que tienen C divalente. Podemos citar como ejemplos sencillos: H2CO (metanal, gas que disuelto en agua genera el formol o formalina, un antiséptico); CH4 (metano, que constituye el 85% del gas natural); H3C-CH2-OH (etanol, el alcohol comúnmente usado como desinfectante y en bebidas alcohólicas). La hipótesis es que cuando el átomo de C forma enlaces, combina orbitales de energía casi similar, dando lugar a nuevos orbitales con la misma energía. Esa combinación se denomina hibridación de orbitales. Una de las reglas que rige la hibridación es que se forman tantos orbitales híbridos como orbitales se combinaron; y los híbridos resultantes tienen todos, igual energía. Se dice que son equivalentes. La otra regla, que rige el llenado de los orbitales híbridos, es que los electrones se distribuyen de manera que haya el mayor número posible de electrones desapareados. Hay tres hibridaciones posibles:

5 5

Hibridación sp3

Se combinan los orbitales 2s, 2px, 2py y 2pz con lo cual se obtienen 4 orbitales híbridos constituidos por un parte de orbital s y tres partes de orbitales p (llamados sp3). Ubiquemos cada orbital atómico en un eje de energías crecientes (Figura 1). Luego, mezclemos todos los orbitales del segundo nivel, con lo que obtendremos los cuatro orbitales híbridos sp3, que tendrán un electrón cada uno.

Los cuatro orbitales sp3 son equivalentes, por eso se disponen igualmente separados, partiendo del núcleo del C, hacia cada uno de los vértices de un tetraedro regular, en cuyo centro está el núcleo:

Figura 2. Cuatro orbitales sp3

Hibridación sp2 Se combinan tres orbitales: 2s, 2px y 2py, con lo cual se obtienen tres orbitales híbridos constituidos por una parte de orbital s y dos partes de orbitales p (por eso los llamamos orbitales híbridos sp2); y nos queda el orbital 2pz sin combinar llamado orbital “p puro” (ver la figura 3). Los tres orbitales sp2 son equivalentes, por lo que se disponen, a partir del núcleo del C, hacia cada uno de los vértices de un triángulo equilátero, en cuyo centro está el núcleo (es decir que quedan sobre un mismo plano):

Figura 4a. Tres orbitales sp2

Figura 3. Formación de orbitales híbridos sp2

Figura 1. Formación de orbitales híbridos sp3

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Mientras tanto, en forma perpendicular al conjunto de orbitales sp2 se desarrolla el orbital p no combinado:

Figura 4b. Orbitales sp2

Hibridación sp Se combinan los orbitales 2s y 2px, con lo cual se obtienen dos orbitales híbridos constituidos por una parte de orbital s y una parte de orbitales p, quedando los orbitales 2py y 2pz sin combinar (Figura 5). Los dos orbitales sp son equivalentes, por lo que se disponen a partir del núcleo del C, hacia cada uno de los sentidos sobre una recta, en cuyo origen está el núcleo (en la figura 6, sombreados en negro); mientras tanto, en forma perpendicular al conjunto de orbitales sp, se desarrollan ambos orbitales p no combinados:

Figura 6. Distribución de orbitales en un átomo con hibridación sp.

1.1. Formación de enlaces covalentes entre átomos de carbono Los enlaces covalentes entre átomos de carbono se establecen mediante la compartición de electrones, ubicados en orbitales híbridos. Cuando los dos átomos de C hibridados sp3 se acercan y enfrentan, los orbitales atómicos sp3 se combinan y dan lugar a un orbital molecular (ya que involucra a más de un átomo), que presenta ambos electrones apareados, en la zona entre los núcleos de los átomos. Este orbital molecular semeja un elipsoide (similar a una pelota de futbol americano) pero sin bordes, difuso, como una nube donde circula el par de electrones. Porque presenta esta simetría, se denomina orbital molecular sigma (σ). Si los átomos que se enfrentan están hibridados sp2, además del orbital molecular s se forma otro orbital molecular, por superposición de los orbitales p perpendiculares a los sp2. Este orbital se

Figura 5. Formación de orbitales híbridos sp.

Figura 7. Formación de un orbital molecular σ.

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denomina “orbital molecular pi (p)”. Presenta dos lóbulos, similarmente a los orbitales p, por encima y por debajo del plano que contiene los demás orbitales (Figura 8). En este orbital p también hay un par de electrones apareados, sumando ya cuatro electrones en la zona entre los núcleos de los átomos. El conjunto de un orbital s y un orbital p equivale a un enlace doble (C=C). Los orbitales sp2 restantes forman entre ellos ángulos de enlace de aproximadamente 120° y en consecuencia los enlaces s que podrán formar se ubicarán en un mismo plano (perpendicular al papel, en la figura 8); esa región de la molécula se desarrolla en 2D. Los átomos resultan estar unidos mediante dos pares de electrones, de modo que la atracción que éstos ejercen sobre ambos núcleos es mayor que en el caso de la formación de sólo un enlace σ. En consecuencia, el enlace doble (σ y π) es un poco más corto que el simple (σ): (longitudes: enlace doble C=C: 1,33 Å; enlace simple C–C: 1,54 Å). Con átomos hibridados sp, además del orbital molecular σ se forman dos orbitales π por superposición de los orbitales p perpendiculares a los híbridos sp (Figura 9). Este enlace triple (σ, π y π) resulta aún más corto que el doble (longitud del C≡C: 1,20 Å).

Figura 9. Formación de un enlace C≡C a partir de dos carbonos hibridados sp

Los orbitales sp restantes forman entre ellos ángulos de enlace de 180° y en consecuencia los enlaces tipo sigma que podrán formar al superponerse con orbitales de otros átomos, se desarrollarán en forma lineal (monodimensional, 1D).

2. Hidrocarburos Los hidrocarburos son compuestos que contienen exclusivamente carbono e hidrógeno en su estructura. Podemos clasificar los hidrocarburos según el tipo de enlace carbono-carbono que contienen. Existen tres clases principales: los saturados (son los alcanos), que involucran únicamente enlaces simples C–C; los insaturados, que tienen enlaces carbono-carbono múltiple: doble (alquenos), triple (alquinos), o ambos; y los hidrocarburos aromáticos, que como veremos están relacionados con la molécula de benceno.

Figura 8. Formación de orbitales σ y π a partir de dos carbonos sp2

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2.1. Alcanos Los alcanos se encuentran en la naturaleza, siendo las fuentes más importantes el petróleo, y el gas natural proveniente de los yacimientos de petróleo y de carbón. Tienen gran importancia industrial ya que se los emplea como combustibles, constituyendo una de las principales fuentes de energía. El gas natural está formado principalmente por metano (85%) y etano (13%) y pequeñas cantidades de propano, butano y nitrógeno.

El metano (CH4), fue llamado “gas de los pantanos”, ya que se forma durante la putrefacción de restos vegetales, en condiciones anaeróbicas (en ausencia de oxígeno). La fermentación anaeróbica de materia orgánica puede también realizarse en reactores llamados fermentadores, obteniéndose el biogás, que contiene también elevada concentración de metano (alrededor de 65%). Las aplicaciones de los alcanos pueden determinarse de acuerdo al número de átomos de carbono en la molécula.

Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente como combustible para calefacción. El propano se halla en el gas doméstico y el butano se halla presente en los encendedores. Los alcanos del pentano al octano, se utilizan como combustible en los motores de combustión interna. Estos también pueden usarse como solventes para grasas y aceites. Alcanos de mayor peso molecular, del nonano al hexadecano, forman parte del diesel. Los alcanos desde el heptadecano hasta el triacontano forman parte de los aceites lubricantes, ceras y la parafina. Los alcanos más pesados forman parte del asfalto en las carreteras, y de los productos impermeabilizantes. También se utilizan como materia prima para la obtención de polímeros.

a) Nomenclatura

Los alcanos son compuestos que contienen átomos de C hibridados sp3 cuya fórmula general es

CnH2n+2, contienen la máxima cantidad de átomos de H para un número dado de átomos de C; y por

dicha razón se les llama saturados. Presentan en su estructura sólo enlaces simples (sigma) C–C y C–H. El alcano más simple es el metano, CH4. Los cuatro primeros miembros de la familia de alcanos normales son los siguientes:

Otros alcanos reciben nombres sistemáticos, de acuerdo a las Reglas de Nomenclatura aprobadas por IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Los nombres tienen dos partes: una raíz, que indica el número de átomos de C de la cadena principal; y el sufijo ano:

Raíces: 5, penta; 6, hexa; 7, hepta; 8, octa; 9, nona; 10, deca; 11, undeca; 12, dodeca; 13, trideca; …; 19, nonadeca; 20, eicosa. Por ejemplo, para el siguiente alcano:

El nombre se compone como: “hepta” + “ano” = Heptano.

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Nombre Formula estructural semidesarrollada Formula lineoangular

Metano CH4

Etano H3C-CH3 Propano H3C-CH2-CH3 Butano H3C-CH2- CH2-CH3 Pentano H3C-CH2- CH2- CH2-CH3 Hexano H3C-CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 Heptano H3C-CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 Octano H3C-CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 Nonano H3C-CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 Decano H3C-CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3

Tabla 1. Alcanos lineales de 1 a 10 carbonos.

Cuando las moléculas presentan ramificaciones, aparecen prefijos en el nombre, que indican los grupos hidrocarbonados unidos a la cadena principal, cada uno precedido por el número que indica su ubicación en la cadena carbonada. Tales grupos hidrocarbonados se llaman genéricamente grupos alquilo o radicales alquilo; su estructura es la de un alcano al que se ha privado de un átomo de H; y para nombrarlos se utiliza el sufijo “ilo” unido a la raíz correspondiente:

Por ejemplo, para el alcano:

Que presenta un grupo metilo unido al C2, otro grupo metilo unido al carbono 4 y un grupo etilo unido al C3, en la cadena más larga, el nombre se compone como “3-etilo” + “2,4-dimetilo” + “pentano” = 3-etil-2,4-dimetilheptano.

La “o” final del nombre del radical se omite al formar el nombre completo. Números y letras se separan con un guion, asimismo dos números se separan mediante una coma. Los grupos alquilo se nombran en orden alfabético.

Dada la siguiente serie de términos de la familia de los alcanos:

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Se puede observar que cada uno de los miembros de la serie difiere del anterior y del posterior en un grupo –CH2– (metileno). Cualquier familia de compuestos que se construye en forma regular (y repetitiva) por agregado de grupos –CH2– recibe el nombre de serie homóloga. Los compuestos de una serie homóloga presentan propiedades semejantes, que cambian en forma gradual a medida que la cadena carbonada aumenta su longitud. b) Propiedades físicas Son moléculas no polares e insolubles en agua. Los alcanos son miscibles entre sí y se disuelven en otros hidrocarburos y compuestos de baja polaridad. Asimismo, tienen densidades considerablemente menores a 1 g/cm3, por consiguiente, flotan en el agua. En condiciones normales de presión y temperatura (25 °C y 1 atmósfera de presión) los cuatro primeros miembros de la serie homóloga de los alcanos normales (n-alcanos) son gases (C1-C4), el pentano y hasta el heptadecano (C5-C17) son líquidos y los n-alcanos con más de 18 átomos de carbono son sólidos. Los alcanos presentan menores puntos de ebullición que la mayoría de los compuestos orgánicos de peso molecular comparable. Esto se debe a que las fuerzas de atracción entre moléculas no polares son muy débiles, por lo tanto, el proceso de cambio de estado que implica el paso de líquido a vapor requiere de relativamente poca energía (para vencer las fuerzas de atracción intermolecular). Los puntos de ebullición de los alcanos normales presentan un aumento constante al aumentar su peso molecular (y la longitud de la cadena), como puede observarse en la Tabla 2. Al aumentar la longitud de la cadena, aumenta el tamaño molecular y por lo tanto el número de electrones, por lo que también la polaridad inducida; y mayor es la magnitud de las fuerzas de atracción, por consiguiente, mayor es el punto de ebullición de la sustancia.

Tabla 2. Algunas propiedades físicas de los alcanos.

Otro aspecto importante es que la ramificación de la cadena produce una disminución notable de los puntos de ebullición. Esto se debe a que, a medida que aumenta la ramificación, la molécula tiende a adquirir una forma más esférica. Esto provoca una disminución en la magnitud de las fuerzas de atracción, y un descenso del punto de ebullición. En la Tabla 3 se observan los puntos de ebullición del pentano y sus dos isómeros de cadena.

Tabla 3. Punto de ebullición de los alcanos C5H12

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c) Propiedades químicas

Combustión (oxidación). La combustión de los alcanos es una de las reacciones orgánicas más importantes. Con exceso de oxígeno, los alcanos se queman y generan dióxido de carbono y agua. Lo más representativo de esta reacción es que es exotérmica y desprende una gran cantidad de calor.

Halogenación. Si se realizara una mezcla de un alcano con cloro gaseoso en la oscuridad y a temperatura ambiente, no se apreciaría ningún cambio en el sistema. Pero si la misma mezcla de reacción se expone a la acción de la luz solar o a altas temperaturas, se produce una reacción con gran liberación de calor, en la cual al menos un átomo de hidrógeno del alcano es reemplazado por uno de cloro, la evidencia de esta reacción es la decoloración de la solución:

Esta reacción de sustitución recibe el nombre de cloración del alcano. El bromo reacciona de manera similar para producir el bromoalcano correspondiente, el iodo es muy poco reactivo y el flúor es tan reactivo que la reacción no puede ser controlada y en general es explosiva. d) Cicloalcanos Además de los alcanos normales y ramificados, se encuentra una familia de compuestos de fórmula general CnH2n que se representan mediante estructuras cíclicas. El más simple de ellos es el ciclopropano que posee fórmula molecular C3H6, y los siguientes miembros de la serie homóloga son:

2.2. Alquenos Los alquenos conocidos también como olefinas (que significa formador de aceites), son hidrocarburos insaturados cuyas moléculas contienen enlaces dobles carbono-carbono. A diferencia de los alcanos, el enlace doble de los alquenos es reactivo, y determinante de las propiedades de los mismos. Se encuentran entre los compuestos industriales más importantes, como metabolitos en animales y plantas. Se hallan también en compuestos orgánicos coloridos, algunos ejemplos de ellos son el licopeno de color rojo que se encuentra en los tomates y beta-caroteno de color naranja que se halla en las zanahorias y otros frutos.

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano

Ciclohexano Cicloheptano Ciclooctano

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Emetano

llama

CH3

CH3 + CH3

CH3

Cl

+ ClH

butano 2-clorobutano

Cl2 Luz o calor

12 12

Al contrario de los alcanos, los alquenos están muy poco repartidos en la naturaleza, se obtienen por cracking a partir del petróleo. Pueden prepararse así mismo por hidrogenación de alquinos o por eliminación a partir de compuestos saturados. Los alquenos son importantes intermediarios en la síntesis de diferentes productos orgánicos, ya que el doble enlace presente puede reaccionar fácilmente y dar lugar a otros grupos funcionales. Además, son intermediarios importantes en la síntesis de polímeros, productos farmacéuticos, y otros productos químicos. El etileno o eteno es el compuesto que más se utiliza en la industria, para fabricar polietileno y otros compuestos químicos de gran consumo, ayuda a madurar las frutas y verduras. Los tomates se almacenan verdes, y se someten a una atmósfera que contiene etileno para conseguir que maduren y se vuelvan rojos antes de ponerlos a la venta. También se utiliza para fabricar botellas de leche y refrescos. El propileno se utiliza para sintetizar polipropileno un plástico duro que sirve para fabricar botellas. El butadieno hizo posible la sustitución del caucho natural por goma sintética. a) Nomenclatura

Los alquenos se construyen a partir de la fórmula general CnH2n. Los alquenos se nombran como los

alcanos, utilizando el prefijo que indica el número de carbonos de la cadena más larga que tiene el doble enlace. El sufijo es -eno en lugar de -ano; por ejemplo «etano» se convierte en «eteno»; «propano» se convierte en «propeno» y «ciclohexano» se convierte en «ciclohexeno». Cuando la cadena tiene más de tres átomos de carbono, se utiliza un número para localizar el doble enlace. La cadena se numera comenzando por el extremo más próximo al doble enlace, y al doble enlace se le da el número más bajo de los átomos de carbono que forman el doble enlace. En los cicloalquenos se considera que estos tienen el doble enlace en la posición número 1.

CH2 CH2CH2

CH3

nomenclatura IUPAC eteno propeno

nomenclatura común etileno propileno

13 13

Nombre Formula estructural semidesarrollada Formula lineoangular

Eteno H2C=CH2

Propeno H2C=CH2-CH3

1-Buteno H2C=CH2- CH2-CH3

1-Penteno H2C=CH2- CH2- CH2-CH3

1-Hexeno H2C=CH2- CH2- CH2- CH2-CH3

1-Hepteno H2C=CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3

1-Octeno H2C=CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3

1-Noneno H2C=CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3

1-Deceno H2C=CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH2- CH2- CH2-CH3

Tabla 4. Alquenos lineales de 2 a 10 carbonos.

b) Propiedades físicas

Las propiedades físicas de los alquenos son comparables a las de los alcanos, de la misma forma el estado de agregación de los alquenos dependerá del número de átomos de carbono presentes en la molécula. Los alquenos más sencillos, eteno, propeno y buteno son gases; los alquenos de cinco hasta quince átomos de carbono son líquidos y los alquenos con más de quince átomos de carbono se presentan en estado sólido. Los puntos de fusión de los alquenos se incrementan al aumentar el tamaño de la cadena, al aumentar las interacciones entre los átomos. Al igual que en los alcanos, la densidad de los alquenos es menor a la del agua y solamente son solubles en solventes no polares.

Tabla 5. Algunas propiedades físicas de los alquenos.

ciclobuteno ciclopentenociclohexeno

ciclopropeno

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c) Propiedades químicas Los alquenos, a diferencia de los alcanos, reaccionan con una gran cantidad de reactivos mediante reacciones de adición al enlace doble. También a diferencia de los alcanos, estas reacciones se producen fácil y rápidamente, aun en la oscuridad.

Combustión. Los alquenos al ser hidrocarburos son combustibles y arden en presencia de oxígeno atmosférico y una llama. 1-buteno.

Adición de haluros de hidrógeno. Los haluros de hidrógeno (cloruros, bromuros e ioduros), se adicionan muy rápidamente a los alquenos, dando como evidencia de reacción la decoloración de la solución.

Hidratación de un alqueno. Los alquenos no pueden reaccionar directamente con agua, ya que el agua al ser un nucleófilo (especie rica en electrones) no reacciona con los electrones π. Sin embargo, si se agrega un catalizador ácido, se obtiene un alcohol.

Adición de halógenos. Los alquenos adicionan con relativa facilidad cloro y bromo. El halógeno se disuelve en un solvente orgánico, y la solución se agrega gota a gota al alqueno. La reacción es instantánea a temperatura ambiente y no requiere luz.

Adición de hidrógeno. Los alquenos reaccionan con hidrógeno en presencia de un catalizador.

2.3. Alquinos Los alquinos conocidos también como acetiluros son inusuales en la naturaleza, sin embargo ciertas plantas producen alquinos como agentes de protección contra depredadores, ejemplos de alquinos en plantas son la cicutoxina que es un compuesto tóxico que se encuentra en la cicuta y la capilina,

+ Br2/CCl4

2-hexeno 1,2-dibromohexano

Br

Br

+ H2

PtO2

2-buteno buteno

CH3CH2 + 6O2 4CO2 + 4H2O + E

1-buteno

llama

15 15

este compuesto protege a la planta contra las enfermedades producidas por hongos. El grupo funcional alquino no es frecuente en los fármacos, aunque hay algunos que lo contienen, como la parsalmida que se utiliza como analgésico, el etinil-estradiol que es un ingrediente habitual de las píldoras anticonceptivas, o la dinemicina A que es un compuesto antibacteriano que se está ensayando como agente antitumoral.

Los alquinos son utilizados principalmente como combustibles, el alquino de mayor importancia comercial es el acetileno o etino. Su aplicación comercial más importante es como combustible de los sopletes oxiacetilénicos, ya que las temperaturas obtenidas de su combustión son muy altas (2800 °C) lo que les permite cortar los metales y soldarlos. Se utiliza también en la síntesis del PVC (polímero de nombre policloruro de vinilo), aunque ha sido desplazado por el eteno o etileno en la síntesis del mismo.

Sirven como materia prima en la obtención del metilacetileno que se utiliza en los sopletes ya que no se descompone tan fácilmente como el acetileno y pueden alcanzarse temperaturas más altas; también se utiliza como combustible de cohetes. Se pueden sintetizar polímeros que se denominan polialquinos, que son semiconductores orgánicos, se pueden encontrar alquinos en compuestos llamados citostáticos, los cuales son utilizados como medicamentos antineoplásicos, que son los que se utilizan en las quimioterapias para personas que sufren de cáncer. a) Nomenclatura Los alquinos son hidrocarburos insaturados cuyas moléculas contienen enlaces triples carbono-carbono. A diferencia de los alcanos, el enlace múltiple de los alquinos es reactivo y determinante de sus propiedades. Los alquinos pueden clasificarse en dos grandes grupos: alquinos terminales y alquinos internos (o no terminales) dependiendo de la ubicación de los carbonos sp en la cadena. La

fórmula general de los alquinos es CnH2n-2. Se denominan también acetilénicos en referencia al primer elemento de la serie, el acetileno. La nomenclatura IUPAC para los alquinos es similar a la de los alquenos. Se busca la cadena de átomos de carbono más larga, que incluya al triple enlace y se cambia la terminación ano del alcano por ino. La cadena se numera a partir del extremo más próximo al triple enlace y la posición del triple enlace se designa por su átomo de carbono de numeración más baja. A los sustituyentes se les hace corresponder con números para indicar sus localizaciones.

CH CH acetileno o etino

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Nombre Formula estructural semidesarrollada Formula lineoangular

Etino HC≡CH Propino HC≡CH-CH3 1-Butino HC≡CH- CH2-CH3 1-Pentino HC≡CH- CH2- CH2-CH3 1-Hexino HC≡CH- CH2- CH2- CH2-CH3 1-Heptino HC≡CH- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 1-Octino HC≡CH- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 1-Nonino HC≡CH- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-CH3 1-Decino HC≡CH- CH2- CH2- CH2- CH2-CH2- CH2- CH2-CH3

Tabla 6. Alquinos lineales de 1 a 10 carbonos.

b) Propiedades físicas Las propiedades físicas de los alquinos son muy similares a las de los alcanos y alquenos de masas moleculares parecidas. Al igual que con los alcanos y alquenos, el estado de agregación de los alquinos dependerá del número de átomos de carbono presentes en la molécula. El etino, así como el propino y el 1-butino son gases a temperatura ambiente, y sus puntos de ebullición y fusión son semejantes a los de los alcanos y alquenos correspondientes por lo que los alquinos de cinco átomos de carbono hasta quince átomos de carbono son líquidos y los alquinos mayores de quince átomos de carbono se presentan en estado sólido. Los alquinos son compuestos de baja polaridad y tienen propiedades semejantes a las de los alcanos y alquenos, por lo que su densidad es menor a la del agua, los puntos de fusión y ebullición se incrementan al aumentar el tamaño de la cadena y solamente son solubles en solventes no polares.

Tabla 7. Algunas propiedades físicas de alquinos.

c) Propiedades químicas Las reacciones de adición que hemos descripto en la sección de alquenos, también las verifican los alquinos.

Combustión. Los alquinos arden en presencia de oxígeno atmosférico y una llama, esta reacción produce gran cantidad de calor.

+ 11/2O2 4CO2 + 3H2O + E

1-butino

llama

17 17

Formación de iones acetiluro. Al contrario de los alcanos y alquenos, los alquinos terminales pueden ser desprotonados por una base muy fuerte, como el amiduro de sodio (NaNH2), para formar iones alquinuro o acetiluro. Los alquinos internos no tienen protones acetilénicos, por lo que no reaccionan en estas condiciones.

Adición de hidrógeno. Los alquinos en presencia de un catalizador apropiado como el níquel, paladio o platino, reaccionan con el hidrógeno, formando un alcano. O si actúa un catalizador menos eficiente o “parcialmente envenenado” se obtendrán alquenos.

Adición de halógenos. Los alquinos reaccionan con los halógenos para formar tetrahaloalcanos, si están presentes dos moles de halógeno. Si se adiciona solo un mol de halógeno es posible obtener el dihaloalqueno.

Adición de haluros de hidrógeno. Los haluros de hidrógeno (HX) se adicionan al triple enlace de un alquino de forma muy parecida a como lo hacen al doble enlace de un alqueno.

hexino

+ 2H2Pt

hexano

pentino

+ H2

penteno

Pd/BaSO4

quinoleina

+ 2HBr

Br

Br

2-pentino

2,2-dibromopentano

Br

Br

3,3-dibromopentano

+

+ HBr

Br

2-pentino 2-bromopenteno

+ Br3-bromopenteno

18 18

2.4. Compuestos aromáticos En el año 1825 el científico Michael Faraday descubrió un líquido incoloro de olor penetrante, actualmente llamado benceno. El mismo es considerado como referencia de una clase de compuestos llamados compuestos aromáticos o arenos. Muchos de ellos, de estructuras sencillas y relacionados estructuralmente con el primero, fueron encontrados en plantas. Los mismos presentaban olores y sabores agradables y por dicha razón se les llamó compuestos aromáticos. En la actualidad se les ubica bajo ese nombre, ya no por sus aromas sino por sus propiedades químicas características. Una fuente abundante de compuestos aromáticos es el carbón. Otras son la destilación de la hulla, la destilación del petróleo crudo y la alquilación de hidrocarburos aromáticos de las series más bajas. Los aceites esenciales, que contienen terpenos y p-cimeno, pueden obtenerse de pinos, eucaliptos y plantas aromáticas; y son un subproducto de las industrias papeleras que utilizan pulpa de pino.

Los principales usos de los compuestos aromáticos como productos puros son: la síntesis química de plásticos, caucho sintético, pinturas, pigmentos, explosivos, pesticidas, detergentes, perfumes y fármacos. También se utilizan, principalmente en forma de mezclas, como disolventes y como constituyentes, en proporción variable, de la gasolina.

El benceno se ha utilizado ampliamente en la fabricación de estireno, fenoles, anhídrido maleico, detergentes, explosivos, productos farmacéuticos y colorantes. También se ha empleado como combustible, reactivo químico y agente de extracción para semillas y frutos secos. El benceno se ha prohibido como componente de productos destinados al uso doméstico y en muchos países también se ha prohibido su uso como disolvente y componente de líquidos de limpieza en seco. Los derivados mono, di y trialquilados del benceno se utilizan principalmente como disolventes y diluyentes y en la fabricación de perfumes y productos intermedios en la producción de colorantes El tolueno es un disolvente de aceites, pinturas y barnices de celulosa, tintas de fotograbado, resinas, caucho natural y sintético, alquitrán de hulla, asfalto, brea y acetilcelulosas. También se utiliza en la fabricación de detergentes y cuero artificial y es una importante materia prima para síntesis orgánicas, es un componente del combustible para aviones y para automóviles. El naftaleno se utiliza como material de partida para la síntesis orgánica de una amplia gama de sustancias químicas, como antipolillas, y en conservantes de madera. Se aplica externamente al ganado o las aves para controlar los insectos parásitos. a) Estructura del benceno

Las primeras evidencias acerca de su estructura fueron; que la molécula estaba formada sólo por carbono e hidrógeno, de ahí que fuese clasificado como hidrocarburo y la relación entre carbono e hidrógeno de 1:1 sugirió una estructura altamente insaturada. Posteriormente se determinó su

fórmula molecular: C6H6. A pesar de su fórmula molecular, el benceno no se comporta como un

19 19

compuesto insaturado, ya que no reacciona en los ensayos de adición de bromo y de oxidación con permanganato de potasio. Las reacciones características del benceno son las de sustitución.

Friedrich A. Kekulé, en 1865, propuso la primera estructura para la molécula de benceno. En ella los seis átomos de carbono están unidos formando un hexágono regular y para completar la valencia de los carbonos sugirió que el anillo se completara por tres enlaces dobles conjugados. Kekulé propuso que “los enlaces simples y dobles se intercambiaban de manera tan rápida que sería imposible llevar a cabo reacciones de adición al enlace doble como en los alquenos y alquinos”

Hoy sabemos que las estructuras de Kekulé representan dos estructuras contribuyentes al híbrido de resonancia del benceno, y difieren solamente en la posición de los electrones

Experimentos de difracción de rayos X apoyan esta estructura. La molécula de benceno es plana, y cada átomo de carbono ocupa los vértices de un hexágono regular. Los orbitales p de los seis átomos de carbono se solapan lateralmente y forman orbitales π.

Figura 10. Representación de orbitales π

b) Nomenclatura

Muchos compuestos aromáticos se conocieron y estudiaron mucho antes que surgiera la nomenclatura IUPAC sistemática, por eso muchos de ellos llevan nombres triviales. Veamos ejemplos:

Los derivados del benceno con un sustituyente se nombran con respecto al benceno:

Cl NO2

Nitrobenceno PropilbencenoClorbenceno

20 20

Cuando en el anillo hay dos sustituyentes se nombran con los prefijos orto, meta y para (o-, m-, p-) respectivamente: Cuando en el anillo aromático de benceno hay más de dos sustituyentes se debe designar su posición numerando el anillo:

c) Propiedades físicas Los derivados del benceno tienden a ser más simétricos que los compuestos alifáticos similares, por lo que empaquetan mejor en estructura cristalina y sus puntos de fusión son más altos. Por ejemplo, el benceno funde a 6 °C mientras que el hexano a -95 °C. El benceno y otros hidrocarburos aromáticos son ligeramente más densos que sus análogos no aromáticos, pero todavía son menos densos que el agua. Los hidrocarburos aromáticos y los aromáticos halogenados son generalmente insolubles en agua, a pesar de que algunos derivados, con grupos funcionales fuertemente polares (fenol, ácido benzoico, etc.) son moderadamente solubles en agua.

Compuesto Pf (°C) Pe (°C) Densidad (g/mL)

Benceno 6 80 0.88 Tolueno -95 111 0.87 Etilbenceno -95 136 0.87 Estireno -31 146 0.91 Etinilbenceno -45 142 0.93 Fluorobenceno -41 85 1.02 Clorobenceno -46 132 1.11 bromobenceno -31 156 1.49 Yodobenceno -31 188 1.83 Bromuro de bencilo -4 199 1.44 Nitrobenceno 6 211 1.20 Fenol 43 182 1.07 Anisol 37 156 0.98 Ácido benzoico 122 249 1.31 Alcohol bencílico -15 205 1.04 Anilina -6 186 1.02 Difenil éter 28 259 1.08

Tabla 7. Algunas propiedades físicas de compuestos aromáticos.

I

I

Cl

Cl

Br

Brm-diclorobenceno p-dibromobencenoo-diyodobenceno

Br

Br

Cl

1,2-dibromo-4-clorobenceno1,2,4-trietilbenceno

21 21

d) Propiedades químicas

Reacciones de sustitución aromática electrofílica aromática (SAE). Las reacciones características de los compuestos aromáticos son las de sustitución electrofílica aromática (SAE). En esta reacción entre el compuesto aromático y un electrófilo (especie que busca ganar electrones), se produce el reemplazo de uno de los átomos de hidrógeno del anillo aromático (que es expulsado como ion hidrógeno) por el electrófilo reactivo, de acuerdo al siguiente esquema general de reacción:

Halogenación. Los alquenos reaccionan con halógenos para dar productos dihalogenados, mediante reacciones de adición. En cambio, el benceno no reacciona con Cl2 o Br2 formando un producto dihalogenado, sino un monohalogenado. Y para que el benceno reaccione con el halógeno, la reacción debe llevarse a cabo en presencia de un catalizador, como el correspondiente haluro férrico. Por ejemplo, consideremos la bromación:

Nitración. El benceno reacciona con ácido nítrico concentrado, en caliente y en presencia de ácido sulfúrico, formando nitrobenceno.

Sulfonación. El benceno reacciona lentamente con el ácido sulfúrico a temperaturas elevadas. El producto de la reacción es el ácido bencensulfónico.

Alquilación de Friedel-Crafts. Los científicos Charles Friedel y James Crafts descubrieron en 1877 que el benceno reacciona con halogenuros de alquilo, en presencia de ácidos de Lewis como el cloruro de aluminio (AlCl3), para dar alquilbencenos. Ejemplo:

H E

+ E+

+ H+

Br

FeBr3+ Br2

benceno bromobenceno

NO 2

+ OH2+ HNO 3H2SO4

50 oC

benceno nitrobenceno

SO3H

+ 2H2SO4

benceno ácidobencensulfónico

+Cl

AlCl3

+ ClH

benceno ter-butilbenceno

22 22

e) Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) Son compuestos que están formados por dos o más anillos bencénicos fusionados. Los anillos fusionados comparten dos átomos de carbono y el enlace entre ellos. Se encuentran en el petróleo, el carbón y en depósitos de alquitrán y también como productos de la utilización de combustibles (ya sean fósiles o biomasa). Como contaminantes han despertado preocupación debido a que algunos compuestos han sido identificados como carcinógenos, mutágenos y teratógenos. También se encuentran en el medio interestelar, en cometas y en meteoritos, y son candidatos a moléculas básicas en el origen de la vida. Son HAP:

Naftaleno. El naftaleno (C10H8) es el compuesto aromático fusionado más sencillo, que consta de dos anillos bencénicos fusionados.

Antraceno y fenantreno. Son compuestos formados por tres anillos bencénicos fusionados.

HAP de mayor número de carbonos. Hay gran interés en los HAP superiores debido a que se forman en la mayor parte de los procesos de combustión de los compuestos orgánicos y muchos de ellos son cancerígenos. Los tres compuestos siguientes, por ejemplo, están presentes en el humo del tabaco.

Alcanos 1. Nombre los siguientes alcanos: 2. Represente una estructura para los siguientes alcanos:

a. 3,5-dietiloctano b. propilciclohexano c. 4-isopropildecano

Antraceno Fenantreno

Pireno Benzopireno Dibenzopireno

23 23

3. Obtenga los siguientes compuestos a partir del alcano correspondiente:

a. 2-clorobutano b. 3-bromopentano

Alquenos 1. Nombre los siguientes alquenos:

2. Represente una estructura para los siguientes alquenos:

a. 2-buteno b. 2-etil-3-octeno c. 7-metil-4-isopropil-2-deceno

3. Obtenga los siguientes compuestos a partir del alqueno correspondiente:

Alquinos 1. Nombre los siguientes alquinos:

2. Represente una estructura para los siguientes alquinos:

a. 4-metil-1-pentino b. 2-hexino c. 6-etil-2-nonino

3. Obtenga los siguientes compuestos a partir del alquino correspondiente:

Br OH OH

OH

Cl

Cl

C-Na

+Br

Br

ClCl

24 24

Aromáticos 1. Nombre los siguientes compuestos aromáticos:

NO2

NO2

Br

NO2

Cl

Br

ClCl

BrI

2. Represente una estructura para los siguientes compuestos aromáticos:

a. m-bromoclorobenceno b. p-dietilbenceno c. o-dinitrobenceno d. 1,3-dietil-2-isopropilbenceno e. 1-bromo-2,3-dimetilbenceno

3. Obtenga los siguientes compuestos aromáticos a partir del benceno:

a. Clorobenceno b. Metilbenceno c. Etilbenceno

25 25

Compuestos orgánicos oxigenados

1. Compuestos orgánicos oxigenados La familia de los compuestos oxigenados es de las más importantes en química orgánica, encontramos en esta familia: alcoholes, fenoles, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, derivados funcionales de ácidos carboxílicos. Para facilitar el estudio de estos compuesto, se han dividido en grupos que tienen características comunes de acuerdo a su grupo funcional, el primer grupo a estudiar, es de los alcoholes y fenoles los cuales se consideran derivados del agua, en la que se ha sustituido uno de sus hidrógenos por una cadena carbonada alifática, en el caso de los alcoholes o por un anillo aromático en el caso de los fenoles.

2. Alcoholes Los alcoholes son compuestos indispensables dentro de la química orgánica debido a que a partir de ellos se pueden obtener una gran variedad de sustancias orgánicas con diferentes grupos funcionales, ya que dependiendo de las condiciones de reacción pueden ser bases o ácidos, se usan como solventes, etc. Pueden encontrarse en la naturaleza y también pueden sintetizarse en un laboratorio.

2.1. Estructura Los alcoholes son compuestos que se consideran derivados del agua, en donde se ha sustituido uno de los hidrógenos de ésta por un grupo R, representándose por la fórmula general:

R–OH Siendo R una cadena carbonada alifática saturada, sustituida, insaturada, de cadena abierta o cíclica. El grupo funcional de los alcoholes es el grupo –OH (oxhidrilo o hidroxilo), grupo responsable de su comportamiento físico y químico.

26 26

2.2. Clasificación Los alcoholes se pueden clasificar en función de diversos criterios: a) Según el número de grupos –OH presentes en la molécula, pueden ser:

1. Alcoholes monovalentes, si la molécula solamente tiene un grupo -OH.

2. Alcoholes polivalentes, si la molécula contiene 2, 3 o más grupos –OH. Ejemplos: dioles, trioles o polioles.

b) Según el número de grupos orgánicos unidos al carbono que comparte el hidroxilo pueden ser primarios (1°), secundarios (2°) y terciarios (3°).

2.3. Nomenclatura Se pueden nombrar por el sistema de nomenclatura común y por el sistema IUPAC: a) Nomenclatura común: se antepone la palabra alcohol y se agrega el nombre del grupo alquilo cambiando la “o” final por el sufijo ico.

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b) Nomenclatura IUPAC: Se utilizan las reglas ya establecidas para los alcanos, con algunas variantes:

1. Se selecciona la cadena carbonada más larga que incluya el átomo de carbono que está unido al grupo –OH, el alcohol se nombra al cambiar la terminación del alcano que corresponde a esta cadena de -o a -ol.

2. Se enumera la cadena principal a partir del extremo que proporciona el número menor al carbono con el grupo –OH.

3. Se escribe el número que localiza al grupo –OH en la cadena principal nombrando en orden alfabético a los sustituyentes, donde el grupo prioritario que es el oxidrilo se escribe de último, indicando su posición mediante un número.

4. Cuando existen dos o más grupos –OH se utilizan terminaciones o sufijos tales como -diol (para dos –OH), -triol (para tres –OH), así sucesivamente. Entonces se colocan los dos tres o más números de localización justo antes del nombre del alcohol principal.

28 28

2.4. Métodos de obtención Hay dos vías principales para obtener los alcoholes simples, las cuales son:

Hidratación de alquenos. Los alquenos de hasta cuatro o cinco átomos de carbono pueden separarse de la mezcla obtenida del cracking del petróleo. Los alquenos pueden convertirse fácilmente en alcoholes por hidratación, adición directa de agua en medio ácido, en este caso sólo pueden obtenerse aquellos alcoholes cuya formación es congruente con la regla de Markovnikov: por ejemplo, el isopropílico, pero no el n-propílico; el sec-butílico, pero no el n-butílico; el t-butílico, pero no el isobutílico. Esto significa que el único alcohol primario que puede lograrse de esta forma es el etílico.

R CH CH2 + H2OH2SO4

R CH CH2

OH H

El agua se adiciona a los alquenos más reactivos, en presencia de ácidos, para dar alcoholes, siguiendo la regla de Markovnikov. Ejemplo:

+ H2OH2SO4

OH

H

propeno 2-propanol

En la molécula de agua, el H+ se adiciona al átomo de carbono más sustituido del doble enlace. Por ello, este es un método muy apropiado para la obtención de alcoholes secundarios y terciarios.

Fermentación de carbohidratos. La fermentación de azúcares con levadura, el proceso de síntesis química más antiguo empelado por el hombre, todavía es de enorme importancia para la preparación de alcohol etílico y otros alcoholes. Los azúcares proceden de varias fuentes, sobre todo de las melazas de la caña de azúcar o del almidón que se obtiene de diversos granos; por esto, al alcohol etílico se le ha dado el nombre de «alcohol de granos».

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2.5. Propiedades físicas El grupo –OH es muy polar, y lo que es más importante, es capaz de establecer puentes de hidrógeno entre sus moléculas, con otras moléculas neutras y con aniones.

R O H O

H

R

R O H O

H

H

puente de hidrógeno puente de hidrógenointermolecular con el agua

Veamos primero los puntos de ebullición. Los alcoholes al igual que los alcanos muestran un aumento del punto de ebullición al aumentar el número de átomos de carbono y una disminución del mismo con la ramificación en el caso de isómeros, incluso, más altos que los de muchos otros compuestos de polaridad considerable. Las propiedades físicas muestran algunos de los efectos de estos puentes de hidrógeno.Comparación de algunas propiedades físicas con otros compuestos de similar peso Molecular (P.M.)

NOMBRE PES0 MOLECULAR PUNTO DE

EBULLICIÓN °C SOLUBILIDAD g/100g

DE AGUA

Metanol 32 64.5 ∞

Etanol 46 78.3 ∞

1-Butanol 74 118 7.9

2-butanol 74 99.5 12.5

Los alcoholes, como el agua, que tienen la capacidad de formar puentes de hidrógenos intermoleculares, se conocen como líquidos asociados: sus puntos de ebullición normalmente elevados se deben a la mayor energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas sus moléculas.

2.6. Propiedades químicas a) Reacción de acidez. Las reacciones que caracterizan a los alcoholes son las de acidez con sodio metálico, donde esta se pone de manifiesto por la producción de hidrógeno (burbujeo) y formación de una sal (alcóxido de sodio). Ejemplos de reacciones en la que se pone de manifiesto la acidez de los alcoholes:

b) Reacciones de oxidación. Implica la pérdida de uno o más hidrógenos del carbono que tiene el grupo –OH transformándose este en una sal de ácido carboxílicos o en una cetona, dependiendo si este alcohol es primario o secundario, ya que los alcoholes terciarios no se oxidan con permanganato.

30 30

2.7. Importancia de los alcoholes a) Importancia del metanol El alcohol de madera, alcohol metílico o metanol, de fórmula CH3OH, es el más simple de los alcoholes. Antes se preparaba por destilación destructiva de la madera, pero hoy en día casi todo el metanol producido es de origen sintético, elaborado a partir de hidrógeno y monóxido de carbono. El metanol se utiliza para desnaturalizar alcohol etílico, como anticongelante, disolvente para gomas y lacas, así como en la síntesis de compuestos orgánicos como el metanal (formaldehído).

b) Importancia del etanol

El alcohol de vino, alcohol etílico o etanol, de fórmula C2H5OH, es un líquido transparente e incoloro, con sabor a quemado y un olor agradable característico. Es el alcohol que se encuentra en bebidas como la cerveza, el vino y el brandy. Debido a su bajo punto de congelación, ha sido empleado como fluido en termómetros para medir temperaturas inferiores al punto de congelación del mercurio, -40 °C, y como anticongelante en radiadores de automóviles.

Normalmente el etanol se concentra por destilación de disoluciones diluidas. El de uso comercial contiene un 95% en volumen de etanol y un 5% de agua. Ciertos agentes deshidratantes extraen el agua residual y producen etanol absoluto. El etanol tiene un punto de fusión de -114,1 °C, un punto de ebullición de 78,5 °C y una densidad relativa de 0,789 a 20 °C.

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Desde la antigüedad, el etanol se ha obtenido por fermentación de azúcares. Todas las bebidas con etanol y casi la mitad del etanol industrial aún se fabrican mediante este proceso. El almidón de la patata (papa), del maíz y de otros cereales constituye una excelente materia prima. La enzima de la levadura (cimasa) transforma el azúcar simple en dióxido de carbono y etanol. Es realmente compleja, ya que los cultivos impuros de levaduras producen una amplia gama de otras sustancias, como el aceite de fusel, la glicerina y diversos ácidos orgánicos. El líquido fermentado, que contiene de un 7 a un 12% de etanol, se concentra hasta llegar a un 95% mediante una serie de destilaciones. En la elaboración de ciertas bebidas como el whisky y el brandy, algunas de sus impurezas son las encargadas de darle su característico sabor final. La mayoría del etanol no destinado al consumo humano se prepara sintéticamente, tanto a partir del etanal (acetaldehído) procedente del etino (acetileno), como del eteno del petróleo. También se elabora en pequeñas cantidades a partir de la pulpa de madera.

La oxidación del etanol produce etanal que a su vez se oxida a ácido etanoico. Al deshidratarse, el etanol forma éter dietilico. El butadieno, utilizado en la fabricación de caucho sintético, y el cloroetano, un anestésico local, son otros de los numerosos productos químicos que se obtienen del etanol. Este alcohol es miscible (mezclable) con agua y con la mayor parte de los disolventes orgánicos. Es un disolvente eficaz de un gran número de sustancias, y se utiliza en la elaboración de perfumes, combustibles de automotores, lacas, celuloides y explosivos. Las disoluciones alcohólicas de sustancias no volátiles se denominan tinturas. Si la disolución es volátil recibe el nombre de esencia. c) Importancia del 1-pentanol

El 1-pentanol se utiliza en la fabricación de lacas, pinturas, barnices, decapantes, caucho, plásticos, explosivos, líquidos hidráulicos, pegamentos para calzado, perfumes, productos químicos y farmacéuticos, y en la extracción de grasas. Cuando se utilizan como disolventes, sirven perfectamente las mezclas de alcoholes, pero para síntesis químicas o extracciones más selectivas se requieren a menudo productos más puros.

2.8. Alcoholes en la naturaleza El grupo hidroxilo aparece en muchas moléculas de relevancia biológica. Cuatro alcoholes importantes para el metabolismo son:

Geraniol es un alcohol y compone la mayor parte de los aceites esenciales de las rosas y las citronelas. También se encuentra en pequeñas cantidades en los geranios, limones y otros aceites esenciales. Tiene un olor rosáceo, por lo que es comúnmente empleado en perfumes. Se utiliza en sabores tales como melocotón, frambuesa, naranja, ciruela, manzana, piña, sandia y arándolo.

32 32

El geraniol es un ingrediente activo de productos repelentes de insectos, es exclusivamente formulado con un riesgo mínimo de otros ingredientes de grado alimenticio, los productos resultantes repelen una variedad insectos.

Farnesol está presente en muchos aceites esenciales tales como citronela, neroli, ciclamen, hierba de limón, nardo, rosa, almizcle , y bálsamo de Tolú. Se utiliza en perfumería para enfatizar los olores de dulces perfumes florales. Su método de acción para la mejora de aroma del perfume es como un co-disolvente que regula la volatilidad de las sustancias olorosas. Se utiliza sobre todo en perfumes de la lila. Farnesol es un pesticida natural para ácaros y es una feromona para varios otros insectos.

En un informe de 1994 publicado por cinco compañías de cigarrillos, farnesol fue catalogado como uno de los 599 aditivos de los cigarrillos. Se trata de un ingrediente saborizante.

Colesterol es un esterol (lípido) que se encuentra en los tejidos corporales y en el plasma sanguíneo de los vertebrados. Existe un tipo de colesterol que se presenta en altas concentraciones en el hígado, médula espinal, páncreas y cerebro. Pese a que las cifras elevadas de colesterol en sangre tienen consecuencias perjudiciales para la salud, es una sustancia esencial para crear la membrana plasmática que regula la entrada y salida de sustancias en la célula. El nombre de «colesterol» procede del griego χολή kolé ‘bilis’ y στερεοςstereos ‘sólido’, por haberse identificado por primera vez en los cálculos de la vesícula biliar por Michel Eugène Chevreul quien le dio el nombre de «colesterina», término que solamente se conservó en el alemán (Cholesterin). Abundan en las grasas de origen animal.

El mentol es un alcohol secundario saturado, que se encuentra en los aceites de algunas especies de menta, principalmente en mentha arvensis y menta piperita (Mentha x piperita); es un sólido cristalino que funde alrededor de los 40 °C (104 °F) y que se emplea en medicina y en algunos cigarrillos porque posee un efecto refrescante sobre las mucosas. Tiene también propiedades antipruriginosas y antisépticas. Es insoluble en agua y soluble en alcohol y éter.

El mentol es un compuesto orgánico que se puede obtener tanto sintéticamente como de la naturaleza (menta). Es una sustancia cristalina cerosa, clara o de color blanco, que es sólido a

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temperatura ambiente y se funde ligeramente por encima de dicha temperatura. La forma principal del mentol que se encuentra en la naturaleza es el (-)-mentol.

3. Fenoles Los fenoles pertenecen a la gran familia de los oxigenados, presentan como grupo funcional al oxhidrilo – OH, y como fórmula general Ar – OH donde Ar es fenilo o fenilo sustituido.

Los fenoles se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza, y también sirven como intermediarios en la síntesis industrial de productos tan diversos como adhesivos y antisépticos. El fenol es un desinfectante general, estos se encuentra en el alquitrán de hulla; el salicilato de metilo es un agente saborizante del aceite de gaulteria; y los urusioles son los constituyentes alergénicos del roble venenoso y de la hiedra venenosa. Nótese que la palabra fenol es el nombre del compuesto específico hidroxibenceno y de una familia de compuestos.

3.1. Nomenclatura de fenoles Se pueden nombrar por los sistemas de nomenclatura IUPAC y común. a) Nomenclatura común: Es frecuente el uso de nombres especiales. b) Nomenclatura IUPAC: Nombre del grupo presente más la palabra benceno (la nomenclatura

IUPAC acepta el nombre de fenol.

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3.2. Obtención de fenoles Métodos industriales Proceso de Dow: Consiste en hacer reaccionar clorobenceno con hidróxido de sodio a 300 atm y 360 °C.

Cl OH

NaOH / 300o HCl

300 Atm.

+

Clorobenceno Fenóxido de sodio Fenol

O Na

A partir de aceites esenciales se extraen por arrastre de vapor, luego se usan métodos físicos de separación de la capa acuosa. Vainilla: 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído, es un compuesto orgánico con la fórmula molecular C8H8O3. Sus grupos funcionales incluyen el aldehído, éter y el fenol. Es el compuesto primario de la vaina de la

vainilla. La vainilla sintética se emplea como agente saborizante en alimentos, bebidas y elementos farmacéuticos. Es una de las sustancias olorosas más apreciadas para crear aromas artificiales. La vainillina artificial basada en la lignina se dice que suele tener un perfil de sabores más rico que aquellos procedentes de aceites esenciales.

Vainillina

Timol: (2-isopropil-5-metilfenol) es una sustancia cristalina incolora con un olor característico que está presente en la naturaleza en los aceites esenciales del tomillo (Thymus vulgaris) o del orégano (Origanum majorana), que se encuentra a la vez el cimeno y el timeno. Una de las características y propiedades principales del timol como compuesto fenólico es su potencial bactericida, plaguicida y fungicida. Parte también de que una vez extraído, no tiene un color o sabor desagradable, por lo que actualmente forma parte de los colutorios, enjuagues bucales y pasta de dientes. Tiene acción refrescante y, como hemos dicho anteriormente, bactericida.

Orégano

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Eugenol: (C10H12O2) es guaiacol con una cadena alil sustituda. 2-metoxi-4-(2-propenil) fenol. El eugenol es un miembro de los compuestos de la clase alilbencenos. Es un líquido oleoso de color amarillo pálido extraído de ciertos aceites esenciales, especialmente del clavo de olor, la nuez moscada, y la canela. Es difícilmente soluble en agua y soluble en solventes orgánicos.Experimentalmente se puede obtener eugenol realizando una mezcla de alcohol etílico y de clavos de olor y posterior destilación.

• Es usado en perfumes, saborizantes, aceites esenciales y como antiséptico y anestésico local. • En odontología se utiliza como eugenato de zinc, obtenido al mezclarlo con óxido de zinc. Se

usa como cemento dental para obturaciones temporales o provisorias (popularmente, por su olor característico es el clásico "olor a dentista").

• Derivados del eugenol o del metoxifenol son ampliamente usados en perfumería y saborizantes, para formular atrayentes de insectos y absorbentes de radiación UV, analgésicos, biocidas y antisépticos.

Eugenol

3.3. Propiedades físicas Los fenoles, por tener el grupo –OH son compuestos polares, los de bajo peso molecular son líquidos o sólidos de bajo punto de fusión, los puntos de ebullición son elevados debido a que, al igual que los alcoholes, pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares y presenta cierto grado de solubilidad en agua porque forman puentes de hidrógeno con ella. La mayoría son insolubles en agua.

O H O

H

Puente de HidrógenoIntermolecular

Punto de Ebullición del Fenol

OH

P.E.Fenol182ºC

O H O

H

Puente de Hidrógenocon el Agua.

H

Solubilidad del Fenol.

3.4. Propiedades químicas Los fenoles pueden presentar reacciones propias del grupo –OH, pero la reactividad del anillo se ve aumentada. En general las reacciones más importantes que presentan los fenoles son: a) Reacciones de acidez.

OH

NaOH H2O+

+

+

fenolfenóxido de sodio

O Na

36 36

b) Reacción de caracterización. Esta reacción es muy importante, ya que me permite por medio de una prueba química identificar a esta familia de compuestos.

OH

FeCl3+ Complejo Coloreado (violeta)

Fenol Tricloruro de hierro

3.5 Importancia de los fenoles El Fenol (ácido carbólico) fue el primer antiséptico que utilizó Joseph Lister, un cirujano inglés. Mata a las bacterias al desnaturalizar sus proteínas es decir destruye la capacidad de estas para funcionar normalmente (el fenol no desnaturaliza a los ácidos nucleicos, los compuestos de la herencia). Sin embargo, el fenol es peligroso para el tejido sano, porque es un veneno protoplasmático general, por lo tanto, se han usado otros antisépticos desde la época de Lister. Los fenoles sirven de intermediarios en las síntesis industriales de productos tan diversos como adhesivos y antisépticos. También son usados en la manufactura de nylon y otras fibras sintéticas. El fenol se usa también en productos para combatir el acné, para producir agroquímicos, policarbonato, en el proceso de fabricación de ácido acetil salicílico (aspirina) y en preparaciones médicas como enjuagadientes y pastillas para el dolor de garganta. BHA y BHT ambos se utilizan ampliamente como antioxidantes en la gasolina, los aceites lubricantes, el caucho, en grasas y aceites comestibles y en el material de empaque para alimentos que pueden volverse rancios, debido a que son fenoles son fácilmente oxidables y actúan al interferir con la oxidación de los materiales a los cuales deben proteger.

La tirosina es uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas del cabello, uñas, piel, tendones, músculos, etc. Se clasifica como un aminoácido no esencial en los mamíferos ya que su síntesis se produce a partir de la hidroxilación de otro aminoácido llamado fenilalanina. Esto se considera así siempre y cuando la dieta de los mamíferos contenga un aporte adecuado de fenilalanina. Por tanto, el aminoácido fenilalanina sí que es esencial.

Tirosina (modelos moleculares) La tirosina se encuentra en las proteínas del huevo

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Ácido salicílico (o ácido 2-hidroxibenzoico) recibe su nombre de Salix, la denominación latina del sauce de cuya corteza fue aislado por primera vez. Se trata de un sólido incoloro que suele cristalizar en forma de agujas. Tiene una buena solubilidad en etanol y éter. Este producto sirve como materia prima para la obtención del ácido acetilsalicílico, comercialmente conocido como Aspirina.

El ácido salicílico es un aditivo clave en muchos productos para el cuidado de la piel diseñados para tratar acné, psoriasis, callosidades (el endurecimiento de la piel por presión persistente), la piel de gallina y las verrugas. Trata el acné causando que las células de la piel se caigan más fácilmente, evitando que los poros se tapen. Este efecto en las células de la piel también hace que

el ácido salicílico sea un ingrediente activo en varios champús diseñados para tratar la caspa.

4. Éteres Los éteres son compuestos oxigenados que al igual que alcoholes y fenoles se consideran derivados del agua, sólo que en este caso se han sustituido los dos hidrógenos del agua por cadenas carbonadas, alifáticas o aromáticas.

Agua Metanol Éter dimetílico

Ángulos de enlace

El éter dietílico, también llamado éter etílico o simplemente éter, es un éter muy importante, buen disolvente para las reacciones y las extracciones. El éter se utilizó como anestésico en cirugía por más de 100 años, desde 1842, pero presenta el inconveniente que producía vómito cuando el paciente despertaba además es altamente inflamable. Los éteres se representan por las fórmulas generales:

R R

Alifáticos Aromáticos

O Ar RO

Ar ArO

R y Ar pueden ser iguales o diferentes

OC C

38 38

Grupo funcional: Clasificación: 1) Alifáticos y aromáticos 2) Simétricos y asimétricos

Éter etílico Éter fenílico Éter corona (Alifático) (Aromático)

4.1. Nomenclatura Nomenclatura común: Se antepone la palabra éter al nombre de los grupos alquilo unidos al átomo de oxígeno, los grupos alquilo se nombran por orden alfabético. Nomenclatura IUPAC: Se nombran como alcanos que tienen como sustituyente un grupo alcoxi (RO-) siendo la cadena más larga, la cadena principal, en el caso de éteres asimétricos. En el caso de éteres simétricos, simplemente una cadena es la cadena principal y la otra el grupo alcoxi.

O1

2

3 O

N.C Éter dietílico Éter etílmetílico Éter etil-n-propílico Éter fenilisopropílico N.I Etoxietano Metoxietano 1-Etoxipropano Isopropoxibenceno

4.2. Métodos de obtención industrial de éteres a) Deshidratación de alcoholes El método más barato para la síntesis de éteres simples es la deshidratación catalizada por ácidos. La síntesis industrial del éter dimetílico (CH3-O-CH3) y del éter dietílico (CH3CH2-O-CH2CH3) se efectúa de este modo, mediante calentamiento de los correspondientes alcoholes en presencia de H2SO4.Esta reacción es útil para la obtención de éteres simétricos:

Usualmente se usan alcoholes primarios para la preparación a nivel industrial de éteres simétricos. Ejemplo:

2 CH3OH + H2SO4

150o CCH3 O CH3 + H2O

Metanol Eter metilicoAc. Sulfurico Agua

OO

2 R OH H2SO4+Calor R O R + H2O

39 39

4.3. Propiedades físicas Son compuestos poco polares, por la presencia del oxígeno en la molécula, aunque esa polaridad es pequeña comparada con los alcoholes. Esto se debe a que el enlace C – O no es tan polar como el enlace O – H. Puntos de ebullición: Los éteres no forman puente de hidrógeno intermolecular porque el oxígeno está unido a otros carbonos y no a un hidrógeno, esto se refleja en los valores de puntos de ebullición comparables, a los alcanos. El punto de ebullición de los éteres aumenta conforme aumenta el peso molecular; y en los isómeros prevalece la ramificación, el punto de ebullición disminuye conforme aumentan las ramificaciones. Solubilidad. Los éteres sí pueden formar puentes de hidrógeno con el agua, por lo tanto, los de bajo peso molecular son poco solubles en ella.

NOMBRE P.F. oC P.E. (oC) NOMBRE P.F. (oC) P.E. (oC)

Éter dimetílico – 140 -24 Éter divinílico 35

Éter dietílico – 116 35 Éter dialílico 94

Éter di-n-propílico – 122 91 Anisol – 37 154

4.4. Importancia de los éteres El éter ter-butilmetilico, o también conocido como MTBE, es un líquido de olor característico desagradable. Desde 1980 se usa como aditivo para aumentar el octanaje en la gasolina sin plomo. También se usa para disolver cálculos biliares.

Aditivo en la gasolina libre de plomo

El éter dietílico es un líquido incoloro muy volátil con un olor característico. Debido a sus propiedades se usa principalmente como disolvente en la producción de polímeros de celulosa aunque debido a la alta peligrosidad por riesgo de explosión del éter dietílico (y los éteres en general) se está tendiendo a su sustitución por otros disolventes. También se usa para la extracción de principios activos de animales y plantas debido a su fácil eliminación. Por último, fue el primer producto usado como anestésico (año 1842), y se sigue utilizando como tal, aunque en menor medida ya que se ha ido sustituyendo por otro tipo de compuestos tales como hidrocarbonos fluorados que presentan menos riesgos de explosión y de efectos colaterales.

Éter etílico su uso como anestésico

40 40

4.5. Éteres en la naturaleza Tetrahidrocannabinol

Cannabis sativa Tetrahidrocannabinol

El tetrahidrocannabinol (THC), también conocido como delta-9-tetrahidrocannabinol (Δ-THC), es el principal constituyente psicoactivo del cannabis. Lo aislaron por primera vez en 1964 Yechiel Gaoni y Raphael Mechoulam, del Instituto Weizmann de Ciencias, en Rejovot, Israel. En estado puro, es un sólido vítreo a bajas temperaturas, y se torna viscoso y pegajoso al calentarlo. El THC es poco soluble en agua, pero se disuelve fácilmente en la mayoría de disolventes orgánicos, específicamente lípidos y alcoholes. Es utilizada en la medicina para disminuir el dolor en algunas enfermedades del sistema óseo. Disparlure “feromona sexual de la polilla gitana”

La polilla hembra contiene como atrayente sexual una feromona que tiene como grupo funcional un éter ciclo de tres átomos de carbono llamado epóxido. La feromona se ha sintetizado en el laboratorio, con el objetivo de atraer polilla macho a trampas y de esta manera controlar la población de dichos insectos.

5. Aldehídos y cetonas Los aldehídos y cetonas forman parte de los compuestos orgánicos oxigenados. La fórmula general de ambas familias de compuestos es CnH2nO y su grupo funcional corresponde al doble enlace carbono-oxígeno (C=O), conocido con el nombre de grupo carbonilo:

5.1. Nomenclatura de aldehídos a) Nomenclatura común: Los nombres comunes de los aldehídos se derivan de los ácidos carboxílicos correspondientes. Sólo se reemplaza la terminación ico por aldehído y se elimina la palabra ácido. Los aldehídos con cadenas ramificadas toman su nombre de derivados de cadenas

rectas. Para indicar el punto de unión, se utilizan las letras griegas -, -, -…

41 41

Nomenclatura IUPAC Nomenclatura común Deriviación Fórmula

Metanal Formaldehído Fórmica, “hormigas” HCHO

Etanal Acetaldehído Acetum, “agrio” CH3CHO

Propanal Propionaldehído Protos pion, “primera grasa” CH3CH2CHO

Butanal Butiraldehído Butyrum, “mantequilla” CH3(CH2)2CHO

Pentanal Valeraldehído Raíz de la valeriana CH3(CH2)3CHO

Bencenocarbaldehído Benzaldehído Goma benzoínica C6H5CHO

α-metilvaleraldehído β-metilvaleraldehído

b) Nomenclatura IUPAC: La IUPAC nombra a los aldehídos como derivados de los alcanos, se utiliza el nombre del hidrocarburo con la terminación al. El metanal, deriva del metano, el etanal del etano. El grupo -CHO unido a un ciclo se llama carbaldehído. La numeración del ciclo se realiza dando el número1 al carbono del ciclo que contiene el grupo aldehído.

CCH2 H

H

OCH3

O

H

OO

H1

23

12

34

51

23

4

5

Propanal 2,2-Dimetilpentanal Pentanodial 3-Bromocilopentanocarbaldehído

CHOCHO

Br

1 2

34

5

Ciclohexanocarbaldehído

5.2. Nomenclatura de cetonas a) Nomenclatura común: Se nombran los grupos alquilo o arilo en orden alfabético más la palabra cetona, algunas tienen nombres especiales.

OO

O

Fenilmetilcetona Etilmetilcetona Etilfenicetona

Aceofenona Propiofenona

b) Nomenclatura IUPAC: Las cetonas se nombran sustituyendo la terminación -o del alcano correspondiente al número de átomos de carbono por el sufijo ona. Se toma como cadena principal la de mayor longitud que contiene el grupo carbonilo y se numera para que éste tome la numeración más baja y se nombra el hidrocarburo base más la terminación ona.

3-Hexanona

H3CO O

O

4-Metoxiciclohexanona

Existen reacciones químicas que permiten identificar a estos compuestos. Inicialmente es posible identificar un compuesto que contenga un grupo carbonilo (sea aldehído o centona) al hacerlo reaccionar con la 2,4-dinitrifenilhidracina dando como producto la 2,4-dinitrifenilhidrazona del compuesto carbonílico (precipitado amarillo/naranja):

42 42

O

Acetona

H2N-NH

NO2

2,4-Dinitrofenilhidracina

H/NO2 N-NH

NO2

NO2

2,4-Dinitrofenilhidrazona de la acetona

+

Posteriormente, podemos diferenciar si es aldehído o cetona utilizando las pruebas de Tollens y Fehling los cuales únicamente reaccionan con el aldehído obteniéndose un producto característico que permite la identificación, aunque Fehling da negativo para aldehídos aromáticos. Tollens:

HR

O

+R

O

O NH4

+

Sal del ÁcidoAldehído

Ag (NH3)2 OH Ago

Espejo de Plata

+ /

Reactivo de Tollens

Fehling:

+ Cu2+

azul

O

H

O

O Na

+ Cu2O

rojo ladrilloButanal Acido buatanoico

+

5.3. Distribución de los aldehídos y cetonas Los compuestos carbonílicos se encuentran en todas partes. Además de sus usos como reactivos y disolventes, son constituyentes de telas, saborizantes, plásticos y fármacos. Dentro de los compuestos carbonílicos que existen en la naturaleza se incluyen a las proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos que son constituyentes de plantas y animales. Dos cetonas que tienen importancia biológica ilustran la forma en que una pequeña diferencia de estructura puede causar una gran diferencia en la actividad biológica: la progesterona es una hormona sexual femenina que sintetizan principalmente los ovarios, mientras que la testosterona es una hormona sexual masculina que se sintetiza principalmente en los testículos:

Testosterona Progesterona

43 43

5.4. Aplicación e importancia de los aldehídos y cetonas Muchos compuestos naturales tienen grupos funcionales aldehído o cetona. La vainillina y el cinamaldehído son ejemplos de aldehídos naturales. Los aldehídos tienen olores repugnantes, mientras que las cetonas tienen un olor dulce. En la industria química, los aldehídos y cetonas se usan como disolventes, materias primas y reactivos para la síntesis de otros productos. Aunque el formaldehído es bien conocido como la disolución de formol usada para conservar especímenes biológicos, la mayor parte de los 4 mil illones de kilogramos de formaldehído producidos cada año se usa para preparar Bakelita®, resinas de fenol-formaldehído, pegamentos de urea-formaldehído y otros productos poliméricos. El acetaldehído se utiliza principalmente como una materia prima en la fabricación de ácido acético, polímeros y fármacos. La acetona es la cetona comercial más importante, con más de 3 millones de toneladas usadas cada año. La acetona y la etilmetilcetona (butan-2-ona) son disolventes industriales comunes. Muchas otras cetonas y aldehídos se usan como saborizantes y aditivos de alimentos, fármacos y otros productos. Por ejemplo, el benzaldehído es el componente principal del extracto de almendras y la (-)-carvona produce el sabor a menta en la goma de mascar. La Piretrina, aislada a partir de flores de pelitre, se extrae de manera comercial para usarla como un insecticida “natural”. “Natural” o sintética, la piretrina causa reacciones alérgicas severas, nauseas, vómitos y otros efectos tóxicos en los animales.

Objeto compuesto de bakelita Aceite de almendras Estructura de la carvona

6. Ácidos carboxílicos y sus derivados

A la combinación de un grupo carbonilo y un hidroxilo en el mismo átomo de carbono se le conoce con el nombre de grupo carboxilo. Debido a que los compuestos orgánicos que poseen este grupo carboxilo son ácidos se les llama ácidos carboxílicos.

C

O

OHGRUPO CARBOXILO

COOH

NH2

COOH

O

ÁCIDO GLUTÁMICO(AMINOÁCIDO) ÁCIDO PIRÚVICO

(METABOLITO)

HOOC

6.1. Nomenclatura de los ácidos carboxílicos a) Nomenclatura común: Se tomaron de las fuentes de extracción, por lo tanto son un grupo de nombres especiales que deben memorizarse, pues no siguen ninguna regla.

44 44

b) Nomenclatura IUPAC: Sigue las mismas reglas conocidas y el nombre lo toma del hidrocarburo base, anteponiendo la palabra ácido, y agregando al final la terminación oico.

H – COOH

COOH

ácido fórmico

ácido -clorobutírico

ácido caproico

ácido benzoico

ácido metanoico ácido hexanoico ácido 3-clorobutírico carboxibenceno

HOOC COOH

ácido oxálicoácido etanodioico

COOHácido crotónico

ácido trans-2-butenoico

COOHHOOC

ácido 4-carboxibenzoicoácido tereftálico

HOOC

ácido glutáricoácido pentanodioico

COOH

6.2. Nomenclatura de los haluros de ácido Un haluro de ácido se nombra quitando la palabra ácido y reemplazando el sufijo –ico del nombre del ácido (tanto en el nombre común como en el nombre IUPAC) con –ilo y anteponiendo el nombre del haluro. Para los ácidos que se nombran como ácidos alcano carboxílicos, los cloruros de ácido se nombran reemplazando la palabra ácido por el nombre del haluro y usando el sufijo –carbonilo. Retomando dos de los ejemplos anteriores, presentaremos una comparación entre el nombre del ácido y del cloruro de ácido correspondiente:

a) Nomenclatura común: El nombre del halógeno como anión + el nombre común del ácido + ilo. b) Nomenclatura IUPAC: El nombre del halógeno como anión + el nombre IUPAC del ácido + ilo.

CO

ClH

COCl

CO

Cl

Cloruro de formilo Cloruro de metanoílo

Cloruro de isobutirilo

Cloruro de 2-metilpropanoílo

Cloruro de benzoílo

6.3. Nomenclatura de los Anhídridos a) Nomenclatura común: Se antepone la palabra anhídrido + el nombre común de los ácidos que lo forman en orden alfabético. b) Nomenclatura IUPAC: Se antepone la palabra anhídrido + el nombre IUPAC de los ácidos que lo forman en orden alfabético.

45 45

H C

H C

O

O

O

O

O

C

C

O

C

C

O

O

O

Anhídrido fórmico Anhídrido metanoíco

Anhídrido acéticopropiónico Anhídrido etanoícopropanoíco

Anhídrido benzoico Anhídrido fenilmetanoíco

6.4. Ésteres 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. a) Nomenclatura común: Nombre común del ácido como anión, cambiando la terminación ico del ácido por el sufijo ato + el prefijo de + el nombre del grupo alquilo enlazado al oxígeno del alcohol. b) Nomenclatura IUPAC: Nombre IUPAC del ácido como anión, cambiando la terminación ico del ácido por el sufijo ato + el prefijo de + el nombre del grupo alquilo enlazado al oxígeno del alcohol.

COOH COO

CO

O

Formiato de metilo Metanoato de metilo

Isobutirato de metilo 2-Metilpropanoato de metilo

p-Toluato de propilo 4-Metilbenzoato de propilo

6.5. Distribución de los ácidos carboxílicos y sus derivados a) Ácidos carboxílicos Muchos de los ácidos carboxílicos fueron aislados a partir de fuentes naturales y sus nombres fueron dados según su origen. El ácido fórmico se extrajo por destilación de hormigas (formica en latín significa “hormiga”). El ácido acético se aisló del vinagre, llamado acetum (“agrio”) en latín. El ácido propiónico fue considerado el primer ácido graso y el nombre se derivó del griego protos pion (“grasa primera”). El ácido butírico resulta de la oxidación del butiraldehído, el sabor principal de la mantequilla: butyrum en latín. Los ácidos caproico, caprílico y cáprico se encuentran en las secreciones de la piel de las cabras: caper en latín. Otros ejemplos son el ácido cólico; componente principal de la bilis humana, y los ácidos alifáticos de cadena larga; entre ellos el ácido palmítico, CH3(CH2)14COOH, un precursor biológico de las grasas y otros lípidos. El ácido benzoico es el representante más importante de los ácidos aromáticos. Está difundido en la naturaleza en el mundo vegetal: en los bálsamos, en el incienso y en los productos de la descomposición de sustancias proteicas.

Quema de incienso

El vinagre es una

disolución del 3 al 5% de ácido acético

46 46

b) Cloruros de ácido Tal como se mencionó anteriormente, los cloruros de ácido son los más importantes de la familia de haluros. Debido a que estos reaccionan rápidamente con agua y otros nucleófilos, no se encuentran en la naturaleza.

c) Anhídridos de ácido Los anhídridos no son tan reactivos como los cloruros de ácido por lo que en ocasiones se encuentran en la naturaleza. Por ejemplo, la cantaridina es un compuesto tóxico presente en la “mosca española”, la cual se usa como un vesicante (que ocasiona quemaduras y ampollas) para eliminar verrugas en la piel. d) Ésteres Los ésteres están entre los derivados de ácido más comunes. Se encuentran en los aceites de las plantas donde dan los aromas a las frutas que asociamos con la madurez de las mismas. Por ejemplo, el olor de los guineos maduros proviene principalmente del acetato de isoamilo. El aceite de gaulteria contiene salicilato de metilo, el cual también ha sido usado como una medicina. El enlace éster también está presente en las grasas animales y en varias moléculas biológicamente importantes. Los cachalotes usan esperma de ballena, un éster ceroso, para regular su flotabilidad en el agua y posiblemente como una cámara de resonancia para la comunicación bajo el agua.

6.6. Aplicación e importancia de los Ácidos carboxílicos y sus derivados

a) Ácidos carboxílicos El ácido fórmico se emplea en la industria textil en calidad de mordiente en el teñido de las telas, en la industria de las pieles (curtido de las pieles) también para diferentes síntesis de compuestos orgánicos. El ácido acético es producido en 2.5 toneladas aproximadamente en Estados Unidos para una gran variedad de propósitos, que incluyen la preparación del polímero acetato de vinilo utilizado en pinturas y en adhesivos.

Mosca española

Cachalote

Teñido de algodón

47 47

La vitamina C, o ácido ascórbico, es sin duda la más conocida de las vitaminas. Actualmente se sintetizan más de 200 millones de libras de vitamina C al año en todo el mundo, más que la cantidad total de las otras vitaminas combinadas. Además de utilizarse como complemento vitamínico, la vitamina C se emplea como conservador alimenticio, para “mejorar la harina” en las panaderías y como aditivo para alimentos de animales. El ácido undecilénico es un fungicida que se encuentra en la naturaleza derivado del aceite de castor. Se usa por lo regular en medicamentos para infecciones de la piel causadas por hongos como el pie de atleta. El ácido acetilsalicílico (o aspirina) es ampliamente conocido por su capacidad de actuar como analgésico. El ácido sórbico es un agente conservador de los productos alimenticios muy valioso.

Las sales de los ácidos carboxílicos conocidos como ácidos grasos, se denominan jabones. El jabón sólido corriente es una mezcla de sales sódicas, generalmente de los ácidos palmítico y esteárico.

Grandes cantidades de ácido adípico se emplezan para obtener fibra sintetica de nylon.

El ácido teraftálico se emplea en calidad de materia prima para la obtención del poliester.

b) Anhídridos de ácido

Los anhídridos de ácido normalmente se utilizan para el mismo tipo de reacciones que los cloruros de ácido aunque no son tan reactivos como estos últimos. Los anhídridos son valiosos cuando el cloruro de ácido necesario es muy reactivo, no existe o es más costoso que el anhídrido correspondiente.

c) Ésteres

Los ésteres se usan mucho como disolventes en la idustria. El acetato de etilo es un buen disolvente para una amplia variedad de compuestos, y su toxicidad es baja en comparación con otros disolventes. El acetato de etilo también se encuentra en productos domésticos como limpiadores, líquidos para pulir, pegamentos y acabados en aerosol.

Acetato de etilo

El butirato de etilo y el butirato de butilo fueron muy usados alguna vez como disolventes para pinturas y acabados, incluyendo el “barniz de butirato” que se rociaba sobre la estructura que cubre las alas de los aviones para hacerlas más fuertes y rígidas. Los poliésteres están entre los polímeros más comunes, usados en telas y plásticos sólidos.

Fibra de poliester

Vitamina C

Ácido undecilénico (ácido undec-10-enoico)

Ácido sórbico

Jabones

Cuerda de nylon

48 48

El dimetilftalato es un líquido con olor muy débil, se utiliza como repelente, o sea, un medio para espantar los mosquitos, moscas, tábanos y garrapatas.

Dimetilftalato

Alcoholes, fenoles, éteres 1. Investigue la estructura de la clorotetraciclina, encierre en un círculo los grupos funcionales y

escriba el nombre de cada uno de ellos. 2. ¿Cuál es el nombre del alcohol que se encuentra en los vinos y cerveza? 3. Explique qué daños causa al organismo. 4. ¿A qué se debe el olor de los clavos de olor? ¿Qué compuesto contiene? ¿Qué importancia

tiene en la medicina? 5. Dibuje un esquema del equipo de laboratorio en el software utilizado en el módulo para la

extracción del aceite del clavo de olor. 6. Investigue el nombre de tres éteres que se encuentran en la naturaleza y escriba sus

estructuras. Aldehidos, cetonas, ésteres y ácidos carboxílicos 1. Nombre las siguientes estructuras utilizando la nomenclatura IUPAC y común si es posible:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

2. Escriba las estructuras para los nombres de los compuestos que se presentan a continuación:

a) Ácido 8-cloro-5-isopropil-6,10-dioxo-3-decenoico. b) Ácido β-oxo-γ-metiladípico. c) Cloruro de 2-isopropil-4-metil-6-oxocicloheptanocarbonilo. d) Anhídrido 3-isopropil-4-metilpentanoico 3-fenilpropanoico.

49 49

e) 5-metil-6-oxo-3-hexenoato de 3-cloro-1,2-dimetilbutilo. f) 5-tert-butil-3-oxooctanonitrilo.

3. Escriba las reacciones que obrendría para la estructura del literal c) del númeral 1 al hacerlo

reaccionar con los siguientes compuestos: a) H2O b) propanol y c) ácido acético. 4. ¿Qué clase de compuesto es la aspirina y el ibuprofeno? ¿A qué familia pertenecen? 5. Escribe la estructura de los dos compuestos anteriores en modelos de bola y barra. 6. Escriba la estructura semidesarrollada de una poliamida como el nilón e investiga sus usos. 7. Escriba el nombre con su respectiva estructura de cinco ésteres que se encuentran en la

naturaleza e indica el tipo de olor de cada uno de ellos, así como sus usos en la industria alimenticia.

8. Investiga un método experimental sencillo de la obtención de un éster con olor a banano y otro a metilo.

9. Investiga la importancia de cinco ácidos carboxílicos e explica la obtención de uno de ellos.

50 50

Aminas y amidas

1. Aminas

Las aminas son compuestos que se obtienen cuando los hidrógenos del amoníaco son reemplazados o sustituidos por radicales alcohólicos o aromáticos. Las aminas contienen los elementos carbono, hidrógeno y nitrógeno y se derivan del amoníaco (NH3) por la sustitución total o parcial de uno, dos o tres átomos de hidrogeno por radicales alquílicos o arílicos. De las sustancias orgánicas que muestran basicidad apreciable, las más importantes son las aminas.

Si son reemplazados por radicales alcohólicos tenemos a las aminas alifáticas. Si son sustituidos

por radicales aromáticos tenemos a las aminas aromáticas.

Una amina tiene la fórmula general RNH2, R2NH o R3N, donde R es un grupo alquilo o arilo. Por ejemplo:

1.1. Estructura y clasificación Según el número de átomos de hidrógeno que se sustituyan del amoníaco resultan, respectivamente, las aminas primarias, secundarias o terciarias, clasificándolas de esta manera. Y según la naturaleza de los radicales, las aminas pueden ser alifáticas o aromáticas.

51 51

Metilinamina Dimetilamina Trimetilamina

En relación con sus propiedades fundamentales (basicidad y nucleofilicidad) que la siguen, las aminas primarias, secundarias o terciarias con cadenas diferentes son prácticamente iguales. Sin embargo, en muchas de sus reacciones, los productos finales dependen del número de átomos de hidrógeno unidos al nitrógeno, por esa razón son diferentes para aminas de distintos tipos.

1.2. Nomenclatura Aminas alifáticas a) Nomenclatura común: Se nombran los grupos alquilo seguido de la palabra amina, cuando hay dos o tres grupos iguales se usan los prefijos di y tri respectivamente. Si los grupos alquilo son diferentes se nombran en orden alfabético. b) Nomenclatura IUPAC: Se nombran como alcanaminas, seleccionando el grupo alquilo más largo como la cadena principal, para indicar que los otros grupos alquilo están unidos directamente al nitrógeno, se indica con la letrea “N” y la posición del grupo amino por el número que le corresponde en la cadena principal. Aminas aromáticas a) Nomenclatura común: Se nombran como derivadas de la anilina, nombrando los otros grupos unidos al nitrógeno, anteponiendo la letra “N”, o se nombran los grupos sustituyentes unidos al nitrógeno, terminando con la palabra amina. b) Nomenclatura IUPAC: Se nombran los otros grupos unidos al nitrógeno, anteponiendo la letra “N” y se añade la palabra benceno; también se pueden nombrar como derivados de la anilina.

NH

NNH2

NH N

CH3NH2

NH2

H2N NH2NH2

N. COMUN

N. IUPAC

Metilamina Dietilanina Trietilamina

Fenilmetilamina

Anilina o Fenilamina

Fenildimetilamina Prutecina CadaverinaN. COMUN

N. IUPAC

Metanamina N-Etiletanamina N,N-Dietiletanamina Aminobenceno

N-Metilanilina N,N-Dimetilanilina 1,4-Diaminobutano 1,5-Diaminopentano Hay una gran variedad de aminas en la naturaleza, de donde son extraídas, algunas con fines farmacológicos y otras que resultan dañinas a la salud.

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Ejemplos:

La norepinefrina y la adrenalina, son hormonas del sistema nervioso; la nicotina y la cocaína son sustancias que causan adicción y producen daños irreversibles en el ser humano. El grupo amino también se encuentra en los aminoácidos, que son compuestos muy importantes para todos los seres vivos.

Las sales de las aminas suelen tomar su nombre al reemplazar amina por amino (o anilina por anilinio) y anteponer el nombre del anión. Por ejemplo:

1.3. Propiedades físicas Al analizar las propiedades de las aminas, primero se debe estudiar su configuración estructural. El átomo de nitrógeno en las aminas tiene valencia tres y un par de electrones no compartido. En términos de los orbitales atómicos, el nitrógeno emplea, para formar sus tres enlaces sigma, orbitales híbridos atómicos sp3, dando origen a su geometría piramidal, puesto que los sustituyentes se disponen hacia los vértices de un tetraedro, el cuarto vértice lo ocupa un par solitario de electrones.

Las aminas primarias y aminas secundarias presentan puntos de fusión y de ebullición más altos que los hidrocarburos del mismo número de átomos de carbono, y las de bajo peso molecular son solubles en el agua. También se observa que las aminas primarias tienen mayores puntos de ebullición que las

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secundarias, y estas a su vez mayor que las terciarias de similar peso molecular. Mientras que, las aminas terciarias tienen puntos de fusión y ebullición más bajos, además, que son poco solubles. La propiedad característica de las aminas es su basicidad. Este carácter básico es por la presencia de un par de electrones en el nitrógeno que pueden coordinarse con un protón. Se combinan con los ácidos forman sales:

1.4. Propiedades químicas Como los radicales alquilo presentan un efecto inductivo sobre los átomos que son más electronegativos, en este caso el nitrógeno, las aminas alifáticas son más básicas que el amoníaco. Si los grupos alquilo son de gran tamaño, disminuye la basicidad por el impedimento estérico. La reacción de las aminas con el ácido nitroso sirve para diferenciar a las aminas primarias, secundarias y terciarias:

Las aminas alifáticas primarias reaccionan con ácido nitroso desprendiendo nitrógeno:

Las aminas aromáticas primarias reaccionan como las alifáticas cuando la reacción es efectuada en caliente, pero si la reacción se verifica en frío y medio ácido fuerte se forma una sal de diazonio:

Las aminas secundarias, tanto las alifáticas como las aromáticas, reaccionan con ácido nitroso para formar nitrosoaminas:

Las aminas terciarias, alifáticas y aromáticas, no reaccionan de forma especial con el ácido nitroso, sino que tiene lugar la reacción ácido –base correspondiente formándose un nitrito, que cuando se calienta, se descompone:

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1.5. Métodos de obtención de aminas a) Aminas por alquilación directa. Las aminas se pueden preparar mediante reacciones de sustitución nucleófila entre haloalcanos y amoníaco.

El primer equivalente de amoníaco actúa como nucleófilo, sustituyendo al bromo. Sin embargo, el segundo equivalente actúa como una base desprotonando la amina. La amina formada, al igual que el amoniaco, es nucleófila, y tiende a reaccionar con el haloalcano que queda libre en el medio, dando lugar a la formación de aminas secundarias y terciarias. Este problema hace que el método sea poco útil, debido a la mezcla final obtenida.

La amina formada vuelve a reaccionar con el haloalcano, alquilándose una segunda vez. Esto recibe el nombre de polialquilaciones.

b) Reducción de nitrilos. Los nitrilos se pueden preparar por una reacción de haloalcanos con cianuro de sodio. La reducción de nitrilos con LiAlH4 produce aminas.

Paso 1. Obtención de nitrilo a partir de haloalcanos primarios o secundarios.

Paso 2. Reducción de nitrilo a amina.

Obsérvese que la amina final tiene un carbono más que el haloalcano de partida.

c) Reducción de azidas. La reacción de haloalcanos primarios y secundarios con azida de sodio produce alquilazidas, que por reducción con LiAlH4 dan lugar a amidas.

Paso 1. Formación de la alquilazida.

Paso 2. Reducción de la azida a amida con LiAlH4.

Obsérvese que la amina formada tiene igual número de carbonos que el haloalcano de partida.

55 55

d) Reducción de amidas. Las amidas se reducen con LiAlH4 para formar aminas. El número de carbonos de la amina final es igual al de la amida de partida.

e) Síntesis de Gabriel. Esta síntesis permite obtener aminas primarias a partir de haloalcanos sin que se formen mezclas de aminas secundarias y terciarias. La síntesis de Gabriel parte del ácido benceno-1, 2 –dicarboxílico [1) que por reacción amoníaco crea ftalimida [2]. El tratamiento básico de la ftalimida genera su sal [3], que se alquila por reacción con el haloalcano. Una hidrólisis final de la amida deja libre la amina primaria y la sal del ácido benceno- 1, 2 –dicarboxílico.

1.6. Aplicaciones de las aminas Las aminas se emplean, en general, en las industrias químicas, farmacéutica, caucho, plásticos, tejidos, colorantes, cosméticos y metales. Se utilizan como productos químicos intermedios, como disolventes, catalizadores, emulsionantes, inhibidores de corrosión, lubricantes sintéticos, agentes de flotación y para la fabricación de pesticidas, herbicidas y colorantes. Concretamente:

La metilamina se emplea en la fabricación de productos agroquímicos, curtidos (agente reblandecedor de piel y cuero), colorantes, fotografía (acelerador para reveladores), farmacia y refuerzo de explosivos especiales.

La dimetilaminase usa en el proceso de vulcanización de caucho (como acelerador de vulcanización), en la fabricación de curtidos, funguicidas, herbicidas, fibras artificiales, disolventes y antioxidantes.

La trimetilamina se utiliza en la fabricación de bactericidas, cloruro de colina (asimilador de grasas para animales) y se emplea también en la industria farmacéutica, en síntesis orgánica y como detectar de las fugas de gases.

Las aminas son parte de los alcaloides que son compuestos complejos que se encuentran en las plantas. Algunos de ellos son la morfina y la nicotina. Algunas aminas son biológicamente importantes como la adrenalina y la noradrenalina. Las aminas secundarias que se encuentran en las carnes y los pescados o en el humo del tabaco.

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La morfina es una potente droga opiácea usada comúnmente en medicina como analgésico, aunque en casos de extrema necesidad, ya que provoca dependencia. La codeína o metilmorfina también está en forma natural en el opio, que es un derivado de la morfina que se usa con fines médicos como sedante, analgésico y antitusígeno, aunque es menos efectiva y potente que el uso de la morfina, por lo que no tiene los mismos riesgos de la droga para que se crea dependencia o tener efectos adversos. La nicotina es un alcaloide del tabaco, cuyo nombre proviene de Nicot, un embajador francés en Portugal que envió semillas de tabaco a Francia; mientras que el término –ina refleja que se trata de una amina. La nicotina es una amina terciaria con una piridina y anillo de pirrolidina. En muy pequeñas dosis la nicotina actúa como estimulante, aunque en dosis mayores causa depresión, náuseas y vómitos. En dosis todavía más altas es un veneno muy activo. Por lo que el consumo prolongado de nicotina causa diversos tipos de cáncer. Al degradarse las proteínas se descomponen en distintas aminas, como cadaverina y putrescina, entre otras. Las cuales emiten olor desagradable. Es por ello que cuando la carne de las aves, pescado y vacuna no es preservada mediante refrigeración, los microorganismos que se encuentran en ella degradan a las proteínas en aminas y se produce un olor desagradable.

2. Amidas Otro grupo importante de compuestos nitrogenados es de las amidas. Las amidas, son compuestos que contienen oxígeno además de los elementos carbono, hidrógeno y nitrógeno; se obtienen por la reacción de un ácido carboxílico o derivado de ácido con un grupo amino (amoníaco, NH3, aminas primarias, R –NH3 y aminas secundarias, R2NH) donde el átomo de nitrógeno está unido directamente a un grupo carbonilo. En este sentido, las amidas, amidas N-sustituidas y amidas N, N-disustituidas.

2.1. Estructura y clasificación El proceso de la reacción química de un ácido carboxílico con amoniaco, hace producir primero una sal de amonio, luego, por calentamiento, esta sal pierde gua y produce la amida. El siguiente ejemplo, ilustra la preparación de amidas por este procedimiento. Preparación de acetamida:

Si se quieren obtener amidas N-sustituidas o N, N-disustituidas por este procedimiento, se usan aminas primarias o secundarias en lugar del amoníaco, como se ilustra a continuación. Preparación de la N-metilpropanoamida:

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El grupo amida tiene mucha importancia, particularmente en algunos polímeros sintéticos y en compuestos naturales, en macromoléculas como las proteínas. Por ejemplo, el compuesto N-acetil-p-aminofenol es analgésico conocido por el nombre genérico de acetaminofén. Las moléculas de nylon, seda y lana poseen todas ellas cientos de grupos funcionales amida. Nuestro cuerpo tiene muchos tipos de proteína, y todas ellas se mantienen unidas por medio de uniones amida.

El acetaminofén es amida

2.2. Nomenclatura Las amidas se nombran quitando la terminación –ico o el –oico del nombre del ácido original y sustituyéndolo por el sufijo –amida. Los sustituyentes en el nitrógeno se designan poniendo la N mayúscula antes del nombre del sustituyente. Por ejemplo, la N-metilacetamida, la porción N-metil del nombre se deriva de la porción alquílica de la amina en la molécula, y la N indica que el grupo metilo está unido con el átomo de nitrógeno. La porción “acet” del nombre indica el ácido sobre el cual se basa la amida.

Las amidas sustituidas se nombran anteponiendo la letra N- o N, N-, respectivamente, al nombre del radical.

Cuando en el mismo carbono oxigenado hay dos grupos amino, -NH2, los compuestos se denominan diamidas. La diamida más sencilla es la carbamida o carbodiamida. Otras diamidas sencillas son:

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Cuando el grupo, -CONH2 no es la función principal del compuesto químico, este se nombra como si de un radical se tratara, con la palabra carbamoil. Como ejemplo:

El grupo –CONH2 también se puede nombrar usando el sufijo –carboxamida (procedente de carboxílico):

2.3. Propiedades físicas El átomo de nitrógeno del grupo amino sufre hibridación sp2, de forma que sus tres orbitales híbridos se encuentran formando una disposición trigonal plana, en lugar de piramidal como el caso de las aminas. Uno de los orbitales híbridos se encuentra lleno con un par de electrones no enlazante, mientras que los otros dos contienen un electrón desapareado cada uno. El par de electrones no enlazante o no compartido del nitrógeno se encuentra deslocalizado en el grupo carbonilo. Así, el grupo funcional amida es bastante polar, lo que explica que las amidas primarias a excepción de la amida del ácido fórmico, la formamida, y la N-metilformamida y N, N-dimetilformamida, son sólidos cristalinos y solubles en agua. A diferencia de las aminas, y como consecuencia del doble enlace C=O vecino, el enlace C-N de las amidas se rompe por acción de una hidrólisis de los ácidos o más rápidamente, por acción de los álcalis, sólo en algunos casos se encuentran amidas difícil de saponificar. Las disoluciones acuosas de las amidas dan reacción neutra. Las amidas se comportan frente a los ácidos como bases muy débiles, esto es, solamente forman sales con los ácidos minerales concentrados y aún estas se vuelven a hidrolizar fácilmente. Por otra parte, las amidas de ácidos carboxílicos se comportan como ácidos débiles.

2.4. Propiedades químicas a) Al calentarse con ácidos y bases acuosas, las amidas se hidrolizan. Los productos son un ácido

carboxílico y amoníaco, aunque se obtienen uno u otro en forma de sal, y se hallan determinados por la basicidad o la acidez del medio.

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b) Las amidas se deshidratan; es decir, pierden agua, produciendo nitrilo:

c) Se reducen a aminas empleando como agente reductor el hidruro de aluminio y litio:

d) Con bromo, Br2, o cloro, Cl2, y un álcali, las amidas se transforman en aminas con un átomo de carbono menos (degradación de Hofmann):

2.5. Métodos de obtención de amidas

a) Por acción del amoníaco sobre los ésteres o sobre cloruros de ácido:

b) Por hidrólisis parcial de nitrilos:

Las amidas se hallan formando parte de compuestos biológicos tan importantes como proteínas, ADN, ARN, aminoácidos, hormonas o vitaminas. La urea, NH2-CO-NH2, es una amida que juega un papel muy importante desde el punto de vista fisiológico, puesto que es el producto final del metabolismo de las proteínas en el organismo.

2.6. Aplicaciones de las amidas

Las amidas, en general, tienen propiedades disolventes muy importantes. Por ejemplo:

La dimetilformamida es empleada como disolvente de resinas en la fabricación de poliuretano, cuero sintético, y fibras acrílicas, también como medio de reacción y disolvente en la extracción de productos farmacéuticos, en disolución de resinas, pigmentos y colorantes. Constituye un medio selectivo para la extracción de compuestos aromáticos a partir del petróleo crudo.

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La dimetilacetamida se utiliza como disolvente de fibras acrílicas y en síntesis específicas de química fina y farmacia.

Las llamadas poliamidas, son la materia prima de muchas fibras sintéticas, como los diferentes tipos de nylon.

Asimismo, las amidas abundan en todos los organismos vivos, las proteínas, los ácidos nucleicos, pero se hallan abundantemente en la orina y la materia fecal. Es el principal producto terminal del metabolismo de proteínas en el hombre y en los demás mamíferos.

1. Señale el nombre correcto para estos compuestos y justifique su respuesta:

a) metiletilamina b) N-etilmetilamina c) N-metilmetilamina

a) reptilamina b) heptilamina c) hexilamina

a) N-etilmetilpropilamina b) N-etil-N'-metilpropilamina c) N-etil-N-metilpropilamina

2. Justifique por qué el nombre del compuesto corresponde a la fórmula dada:

Fórmula Nombre Justificación

etanamida acetamida

N-metilbenzamida

diacetamida

3. Dibuje la estructura molecular de los siguientes compuestos:

a) Butanamida b) N,N-Dimetiletanamida c) Trimetilamina

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Biomoléculas

Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatro elementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, los cuales representan alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células.

1. Clasificación de las biomoléculas Según la naturaleza química, las biomoléculas se clasifican en: Biomoléculas inorgánicas: Son biomoléculas no sintetizadas por los seres vivos, pero imprescindibles para ellos; por ejemplo, el agua, la biomolécula más abundante; los gases, como el oxígeno, y las sales inorgánicas: aniones como fosfato HPO4

–2 bicarbonato HCO3– y cationes como el

amonio NH4+.

Biomoléculas orgánicas: Son sintetizadas solamente por los seres vivos y tienen una estructura a base de carbono. Están constituidas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, y con frecuencia, están presentes nitrógeno, fósforo y azufre, además de otros elementos, pero en mucha menor proporción. Las biomoléculas orgánicas pueden agruparse en cuatro grandes tipos: Carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

1.1. Carbohidratos Los carbohidratos, también llamados hidratos de carbono, glúcidos, sacáridos o azúcares, son los compuestos orgánicos más abundantes de la biosfera y a su vez los más diversos. Normalmente se los encuentra en las partes estructurales de los vegetales y también en los tejidos animales, como glucosa o glucógeno. Estos sirven como fuente de energía para todas las actividades celulares vitales. Aportan 4 kcal/g, al igual que las proteínas, y se consideran macro nutrientes energéticos, al igual que las grasas. Se pueden encontrar en una innumerable cantidad y variedad de alimentos y golosinas. Cumplen un rol muy importante en el metabolismo, por eso deben tener presencia en la alimentación diaria.

1.2. Tipos de glúcidos Se dividen en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. A continuación se describen brevemente.

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a) Monosacáridos: Los monosacáridos son azúcares sencillos formados por una cadena de 3 a 6 átomos de carbono, uno de ellos con un grupo carbonilo y el resto se unen a grupos hidroxilo. Los monosacáridos se clasifican de acuerdo a tres características diferentes: la posición del grupo carbonilo, el número de átomos de carbono que contiene y su quiralidad. Existen dos tipos de estructuras en los monosacáridos: aldosa, en la cual el grupo carbonilo está en el primer carbono (— CHO); y una cetosa, que tiene el grupo carbonilo en el segundo carbono en forma de cetona (C=O). Químicamente los carbohidratos se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o compuestos que los producen por hidrólisis (Fig. 1). Un monosacárido con 3 átomos de carbono es una triosa, uno con 4 átomos de carbono es una tetrosa, una pentosa tiene 5 átomos de carbono, y una hexosa tiene 6 carbonos. Se pueden usar ambos tipos de clasificación para indicar el tipo de grupo carbonilo y el número de átomos de carbono. Una aldopentosa es un monosacárido de 5 átomos de carbono que posee una función aldehído, una cetohexosa es un monosacárido de 6 carbonos que posee una función cetona. La fórmula química general de un monosacárido no modificado es Cn(H2O)n, donde los valores de n oscilan entre tres y seis.

Figura 1. Ejemplo de una aldosa (izquierda) y una cetosa (derecha).

Los monosacáridos existen como imágenes especulares que contienen carbonos asimétricos, y se representan mediante Proyecciones de Fischer. Configuración D y L Si el OH del centro quiral mas alejado del grupo oxidado está a la derecha, el compuesto es una D-azúcar.Si el grupo –OH está a la izquierda, el compuesto es una L-azúcar (Fig. 2).

Figura 2. Representación de la D-glucosa (izquierda) y la L-glucosa (derecha).

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Casi todos los monosacáridos que se encuentran en la naturaleza son de configuración D-azúcares. Las hexosas glucosa, manosa, galactosa y fructosa son monosacáridos importantes, y que los utilizan las células de nuestro cuerpo. La hexosa más común es la D-glucosa, también conocida como dextrosa (debido a que es dextrógira, es decir, hace girar el plano de luz polarizada hacia la derecha), y se encuentra en las frutas, verduras, el maíz y en la miel. Es un constituyente de los disacáridos sacarosa (azúcar de mesa), lactosa, maltosa, y de polisacáridos como el almidón, la celulosa y el glucógeno. La D-galactosa es una aldohexosa que no se encuentra en forma libre en la naturaleza; se obtiene como producto de la hidrólisis del disacárido lactosa, un azúcar que se encuentra en la leche y en los productos lácteos; la galactosa es importante para las membranas celulares del cerebro del sistema nervioso. La única diferencia que existe en las proyecciones de Fischer de la D-glucosa y la D-galactosa es la disposición opuesta del grupo —OH del carbono 4. La D-fructosa es una cetohexosa, que se encuentra en jugos de frutas y en la miel; también se conoce como levulosa (debido a que es levógira, es decir, hace girar el plano de luz polarizada hacia la izquierda) y como azúcar de la fruta; la fructosa se obtiene también como uno de los productos de la hidrólisis de la sacarosa. La mayor parte del tiempo los monosacáridos se presentan como estructuras cíclicas formadas al reaccionar el grupo carbonilo y un grupo hidroxilo de la misma molécula. Los productos tienen estructuras de anillo, conocidas como estructuras de Haworth, que representan las formas más estables de los monosacáridos de 5 y 6 carbonos. Aunque el grupo carbonilo de la forma de cadena abierta de una aldohexosa puede reaccionar con varios de los grupos —OH existentes en la molécula, las aldohexosas suelen hacerlo con el —OH del carbono 5 y formar anillos de 5 o 6 átomos. Por ejemplo, en la glucosa existe en dos estructuras en anillos diferentes, alfa y beta, que están en equilibrio como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Formas en equilibrio de la glucosa, la α-D-glucosa (izquierda) y la β-D-glucosa (derecha).

Las dos formas cíclicas diferentes se forman porque el carbono del carbonilo aldehídico de cadena abierta se convierte en un nuevo centro quiral en la estructura cíclica: Si el grupo —OH unido al nuevo centro asimétrico (carbono anomerico) está hacia arriba, el hemiacetal es β-D-glucosa.Si el grupo —OH está abajo, el hemiacetal es α-D-glucosa; ambas estructuras se conocen como anómeros.

b) Disacáridos: Son glúcidos formados por dos moléculas de monosacáridos y, por tanto, al hidrolizarse producen dos monosacáridos libres. Los dos monosacáridos se unen mediante un enlace covalente conocido como enlace glucosídico, tras una reacción de deshidratación que implica

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la pérdida de un átomo de hidrógeno de un monosacárido y un grupo hidroxilo del otro monosacárido, con la consecuente formación de una molécula de H2O de manera que la fórmula de los disacáridos no modificados es C12H22O11 (Fig. 4).

Figura 4. Formación del enlace glucosídico entre la glucosa y lafructosa para formar la sacarosa, un disacárido.

i) La sacarosa (C12H22O11), es el disacárido más abundante y la principal forma en la cual los

glúcidos son transportados en las plantas. Está compuesto de una molécula de glucosa y una molécula de fructosa, como se muestra en la figura 4.

ii) La lactosa, es un disacárido compuesto por una molécula de galactosa y una molécula de glucosa mediante un enlace β-glicosídico, y está presente naturalmente sólo en la leche (Fig. 5).

Figura 5. La lactosa es un disacárido formado por glucosa y galactosa.

iii) La maltosa, es un disacárido que está constituida por dos moléculas de glucosa unidas

mediante un enlace α-glicosídico. iv) La celobiosa, es otro disacárido formado por dos moléculas de glucosa; difiere de la maltosa

únicamente en la orientación en que su enlace es β-glicosídico. A diferencia de otros disacáridos, no tiene sabor.

c) Oligosacáridos: Están compuestos por tres a diez moléculas de monosacáridos que al hidrolizarse se liberan. d) Polisacáridos: Son cadenas de más de diez monosacáridos, que pueden ser ramificadas o no; resultan de la condensación de muchas moléculas de monosacáridos con la pérdida de varias moléculas de agua. Su fórmula empírica es (C6H10O5)n. Los polisacáridos representan una clase

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importante de polímeros biológicos y su función en los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura o almacenamiento de energía.

i) El almidón es usado como una forma de almacenamiento en las plantas, siendo encontrado en la forma de amilosa y amilopectina (ramificada) (Fig. 6). Las moléculas de amilosa consisten de 200 a 20,000 unidades de glucosa, que se encuentran en forma de hélice por los ángulos en los enlaces entre las moléculas de glucosa. La amilopectina se distingue de la amilosa por ser muy ramificada. Las moléculas de amilopectina pueden contener hasta dos millones de unidades de glucosa.

Figura 6. El almidón es una mezcla de dos sustancias: la amilosa (arriba) un polisacárido lineal, y la amilopectina (abajo), un polisacárido muy ramificado.

ii) Para el almacenamiento de carbohidratos, los animales utilizan el glucógeno en lugar del

almidón, el cual es estructuralmente similar pero más ramificado (Fig. 7). Las propiedades del glucógeno le permiten ser metabolizado más rápidamente, lo cual se ajusta a la vida activa de los animales con locomoción.

Figura 7. La glucosa se almacena en los tejidos del cuerpo como glucógeno. Cuando la glucosa no se puede almacenar como glucógeno o convertirse inmediatamente en energía, es convertida a grasa. En su estructura, las cadenas de glucosa están organizadas globularmente como las ramas de un árbol.

iii) La celulosa y la quitina son ejemplos de polisacáridos estructurales. La celulosa compone las

paredes celulares de las plantas y otros organismos; es la molécula más abundante sobre la tierra. Se forma por la unión de moléculas de glucosa (Fig. 8). La celulosa es un polisacárido estructural en las plantas ya que forma parte de los tejidos de sostén. A pesar de estar formada por unidades de glucosa, los humanos no pueden utilizar la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con la enzima necesaria para romper los enlaces glicosídico de esta, es decir, no es digerible por los humanos.

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Figura 8. La celulosa es el principal polisacárido estructural en las paredes de las células vegetales.

La quitina tiene una estructura similar a la celulosa, pero tiene nitrógeno en sus ramas incrementando así su fuerza. Se encuentra en los exoesqueletos de los artrópodos y en las paredes celulares de muchos hongos.

2. Lípidos Los lípidos constituyen un grupo heterogéneo de sustancias presentes en los seres vivos, insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos, como éter de petróleo, cloroformo, benceno, etc. Los lípidos en el organismo sirven como elementos estructurales y funcionales de biomembranas, como precursoras de otras sustancias esenciales, como fuente de combustible bioquímico o como reserva energética. Son unos de los tres grupos primarios que forman nuestra dieta, que son conocidos como grasas. Las grasas contienen aproximadamente el doble del contenido calórico de los carbohidratos; además, las grasas se almacenan en mayor cantidad como reserva de energía que los carbohidratos, la oxidación de las grasas aporta aproximadamente 9 kcal/g, mientras que los carbohidratos solo 4 kcal/g. Esta es una de las funciones más importantes de los lípidos, la reserva de energía. Además juegan un papel importante en el cerebro y los tejidos nerviosos, sirven como capa aislante y protectora de órganos vitales, sirven de transporte de vitaminas liposolubles; y más importante aún es que participan, asociados a proteínas y carbohidratos, en la composición de las membranas celulares, de los más de 10 billones de células que forman nuestro cuerpo.

2.1. Clasificación

a) Grasa (Ésteres de ácidos grasos y glicerol)

b) Cera (Ésteres de ácidos grasos con alcoholes

monovalentes de alto peso molecular)

Lecitinas

cefalina y

b) Esfingolípidos

LÍPIDOS SECILLOS

(Grasas verdaderas)

Cerebrósidos

Esfingomielina

LÍPIDOS COMPLEJOS

Esteroides

Esteroles

Ácidos biliares

Hormonas sexuales

Hormonas adrenocorticales

Glucósidos cardíacos

Saponinas

Hidrolizables

no hidrolizables

Prostaglandinas

Terpenos

Fosfolipidos

a) Fosfoglicéridos

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a) Grasas o triglicéridos Químicamente, son ésteres de ácidos grasos con el glicerol, y dependiendo del tipo de ácido graso así será la estructura de la grasa o triglicérido. Los ácidos grasos pueden ser saturados e insaturados, en el siguiente cuadro se encuentran algunos ejemplos ácidos grasos importantes en nuestro cuerpo y en la naturaleza:

NOMBRE ESTRUCTURA FUENTE NO DE CARBONOS

Ác. Laúrico CH3(CH2)10COOH(saturado) Aceite de laurel 12

Ác. Mirístico CH3(CH2)12COOH(saturado) Nuez moscada 14

Ác. Palmítico CH3(CH2)14COOH(saturado) Palma 16

Ác. Esteárico CH3(CH2)16COOH(saturado) Sebo de res 18

Ác. Palmitoleico CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH (insaturado) Mantequilla 16 C9

Ác. Oleico CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH(insaturado) Aceite de oliva 18 C9

Ác. Linoleico CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH(insaturado) Aceite de soya 18 C9,12,

Ác. Linolénico CH3(CH2)CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2H(insaturado) Aceite de linaza 18 C9,12,15

Si la grasa contiene un mayor porcentaje de ácidos grasos insaturado, son líquidas a temperatura ambiente y se conocen como aceites. Si contienen mayor porcentaje de ácidos grasos saturados, las grasas son sólidas a temperatura ambiente y de bajo punto de fusión y se conocen como mantecas, en éstas, las cadenas de los ácidos se encuentran extendidas linealmente y en forma de zig-zag, conservando sus ángulos tetraédricos, por lo que encajan perfectamente unas con otras. Los ácidos grasos insaturados pueden ser de 3 tipos: omega-3 (Ω-3), omega-6 (Ω-6) y omega-9 (Ω-9); la letra omega designa la posición del primer enlace doble desde el extremo metilo (Fig. 9). Los ácidos grasos Ω-9 se encuentran en algunos alimentos de origen animal y vegetal; ejemplo de ellos es el ácido oleico, que es el componente principal del aceite de oliva. Los ácidos grasos Ω-6 se encuentras fundamentalmente en los cereales, los aceites de las plantas y los huevos. Los ácidos grasos Ω-3 se pueden obtener de los pescados de aguas frías como el atún y el salmón; se encuentra además en el aguacate.

Figura 9. Ejemplos de ácidos grasos Ω-6 (arriba) y ácidos grasos Ω-3 (abajo).

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2.2. Saponificación Cuando la hidrólisis es en medio básico la reacción se llama saponificación y los productos son las sales metálicas de los ácidos grasos que forman la grasa y el glicerol. Estas sales forman los jabones. Los Jabones están formados por una parte hidrocarbonada llamada cola que además es no polar y una parte polar llamada cabeza que la forma el ión carboxilato.

CH2

O

O

CH

O

O

CH2

O

O

Triglicérido

9

109

10 H2O / NaOH

Saponificación

O

O

O

O9 10

2+

Na

Na

Sales Metálicas deÁcidos Grasos.

(Jabón)

Glicerol

CH2

CH

CH2

OH

OH

OH40-120oC

Acción limpiadora de los jabones

O

O Na+

cadena hidrofóbica(no polar)

cabeza hidrofílica(polar)

Estearato de sodio, jabón común

cabeza polarhidrofílica

cola no polarhidrofóbica

gota de grasa

MICELA

Acción Limpiadora

Los jabones forman micelas que tienen las características de ser solubles en agua y remover las grasas de las prendas de vestir y el cuerpo debido a las características planteadas anteriormente. a) Los céridos (ceras), son ésteres de ácidos grasos de cadena larga, con alcoholes también de cadena larga. En general son sólidas y totalmente insolubles en agua. Todas las funciones que realizan están relacionadas con su impermeabilidad al agua y con su consistencia firme. Así las plumas, el pelo, la piel, las hojas (Fig. 10) y frutos, están cubiertas de una capa cérea protectora. Una de las ceras más conocidas es la que segregan las abejas para confeccionar su panal.

Figura 10. Las ceras son ésteres de ácidos grasos con cadenas largas de alcoholes primarios. La cutícula de las hojas posee muchas ceras para evitar la acumulación de agua, y así evitar infecciones de microorganismos.

b) Los lípidos complejos o de membranas son los lípidos que además de contener en su molécula carbono, hidrógeno y oxígeno, también contienen otros elementos como nitrógeno, fósforo, azufre, u otra biomolécula, como un glúcido. A los lípidos complejos también se les llama “lípidos de membrana” pues son las principales moléculas que forman las membranas celulares, como los fosfolípidos, fosfoglicéridos, fosfoesfingolípidos, glucolípidos, cerebrósidos y gangliósidos. Los fosfolípidos tienen un gran interés biológico por ser componentes estructurales de las membranas celulares (Fig. 11).

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Figura 11. Los fosfolípidos están compuestos por una parta no polar (cadenas largas de carbono de ácidos grasos) y una parte polar (grupos fosfatos y amino). En las membranas (derecha) los partes polares se distribuyen hacia fuera y hacia adentro de la célula (los grupos fosfato están en anaranjado), y las cadenas no polares se distribuyen adentro.

c) Lípidos no saponificables: Entre estos se tienen: terpenoides, esteroides y eicosanoides. En las plantas, los terpenoides cumplen muchas funciones primarias; por ejemplo, algunos pigmentos como los carotenoides son formados por terpenoides, también forman parte de la clorofila y las hormonas giberelina y ácido abscícico (Fig. 12). Los terpenoides también cumplen una función de aumentar la fijación de algunas proteínas a las membranas celulares, lo que es conocido como isoprenilación. Los esteroides y esteroles son producidos a partir de terpenoides precursores (Fig. 13). Los terpenoides de las plantas son extensamente usados por sus cualidades aromáticas, juegan un rol importante en la medicina tradicional y en los remedios herbolarios, y se están investigando sus posibles efectos antibacterianos y otros usos farmacéuticos. Están presentes, por ejemplo, en las esencias del eucalipto, los sabores del clavo y el jengibre. También en el citral, mentol, alcanfor, y los cannabinoides.

Figura 12. Los compuestos clasificados como terpenos constituyen la clase más grande y más diversa de productos naturales. Muchos terpenoides son usados actualmente por sus propiedades analgésicas, como saborizantes, sus propiedades antimicrobianas y sicoactivas. Muchas propiedades “milagrosas” de algunas plantas de nuestro país, se deben a la presencia de terpenos aún no identificados.

Figura 13. Los esteroides son derivados metabólicos de los terpenos, y se pueden reconocer por su estructura compuesta de cuatro anillos, tres de seis carbonos y uno de cinco. Algunos ejemplos incluyen al colesterol, las hormonas sexuales estradiol y testosterona y algunos compuestos antiinflamatorios como la hidrocortisona.

3. Aminoácidos y proteínas

Son biomoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. El nombre proteína proviene del vocablo griego proteios que significa "primario". Son las biomoléculas que más diversidad de funciones realizan en los seres vivos; prácticamente todos los procesos biológicos dependen de su

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presencia o actividad. Las proteínas desempeñan un papel fundamental para la vida y son las biomoléculas más versátiles y más diversas. Son imprescindibles para el crecimiento del organismo. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las que destacan:

a. Estructural: ésta es la función más importante de una proteína. b. Inmunológica (anticuerpos). c. Enzimática (sacarasa y pepsina). d. Contráctil (actina ymiosina). e. Homeostática: colaboran en el mantenimiento del pH. f. Transducción de señales (rodopsina). g. Protectora o defensiva (trombina y fibrinógeno).

Las proteínas están formadas por aminoácidos, los cuales se unen por enlaces peptídicos. Los aminoácidos, como su nombre lo indica, son moléculas que contienen en su estructura un grupo amino (básico) y un grupo carboxílico (ácido). Las proteínas humanas solo contienen 20 aminoácidos distintos, en los cuales, el grupo amino, el grupo ácido carboxílico y un átomo de hidrógeno están unidos al mismo átomo de carbono central llamado carbono α (alfa); difieren en la cadena lateral (R) unida al carbono α, el cual le da diferentes propiedades al aminoácido. A pesar que poseen grupos amino y grupos carboxilo, ciertas propiedades físicas y químicas no coinciden con estos grupos:

A diferencia de las aminas y los ácidos carboxilos, los aminoácidos son sólidos cristalinos, no volátiles, de alto punto de fusión, que tienden a descomponerse a altas temperaturas.

Son apreciablemente solubles en agua e insolubles en solventes no polares.

Sus soluciones acuosas son de elevado momento dipolar.

Las constantes Ka y Kb son muy pequeñas comparadas con los ácidos y las aminas.

Todas las propiedades de los aminoácidos concuerdan con una estructura de ión dipolar, que resulta de la interacción ácido-base interna entre el grupo amino y el grupo carboxilo de la misma molécula (Fig. 14). Estas especies, que son en general moléculas neutras, pero que contienen extremos cargados se llaman zwitterions.

Figura 14. Estructura de ion dipolar o zwitterion de un α-aminoácido.

Todos los α-aminoácidos, a excepción de la glicina, son quirales, ya que el carbono α está unido a 4 sustituyentes diferentes. Por tanto, los aminoácidos presentan isomería óptica, con isómeros L o D. En los sistemas biológicos, las proteínas solamente están formadas por los isómeros L. Aunque en la naturaleza también es posible encontrar aminoácidos D, estos no se encuentran en las proteínas.

3.1. Clasificación de los aminoácidos Según los valores de su punto isoeléctrico los aminoácidos se clasifican en:

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a) Aminoácidos neutros: los que poseen el mismo número de grupos amino y carboxilico. Punto Isoeléctrico = 5.5 – 6.0. Ejemplos:

Glicina( Gli )

Alanina( Ala )

Valina( Val )

O O

H2N CH C OH

CH3 O

H2N CH C OH

CH

CH3

H3C

H2N CH2 C OH

b) Aminoácidos ácidos: El número de grupos carboxilo es mayor que el de los grupos amino. Punto Isoeléctrico se encuentran alrededor de 3. Ejemplos:

NH2

CHHOOC CH2

COOHNH2

CH COOH(CH2)2HOOC

Ácido Aspártico( Asp )

Ácido Glutámico( Glu )

c) Aminoácidos básicos: Sus Puntos Isoeléctricos están entre 9 – 10. Poseen mayor número de grupos amino que carboxilo. Ejemplos:

H2NCH

HO2C

(CH2)3 NH

C NH2

NH NH2

CH COH

OH2C

NH2

Arginina (Arg ) Lisina ( Lis )

(CH2)4

Según su función los aminoácidos pueden ser en:

a) Aminoácidos esenciales: son aquellos que el organismo no puede sintetizar y es necesario ingerirlos en la dieta. b) Aminoácidos no esenciales: son aquellos que el organismo puede sintetizar cuando los necesita.

3.2. Estructura de las proteínas Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos unidas por enlaces peptídicos entre el grupo carboxilo (-COOH) y el grupo amino (-NH2) de aminoácido adyacentes. Para el estudio de la estructura es frecuente considerar una división en cuatro niveles de organización, aunque el cuarto no siempre está presente. 1) Estructura primaria. La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran (Fig. 15). La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte.

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Figura 15. Segmento de la estructura primaria de una proteína, donde las flechas indican los enlaces peptídicos entre la secuencia de aminoácidos. Cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos única, cuyo orden está determinado en los genes.

2) Estructura secundaria. La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable. Existen dos tipos de estructura secundaria: La hélice α y hélice β, llamada también lámina plegada (Fig. 16).

Figura 16. Estructura secundaria de las proteínas. Estas se deben a las interacciones de los aminoácidos en las cadenas polipeptídicas, principalmente de enlaces de hidrógeno, lo que hace que éstas se plieguen de dos maneras: como una hélice o como una lámina.

3) Estructura terciaria. La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular (Fig. 17). Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los sustituyentes R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces:

a) El enlace disulfuro entre los radicales de aminoácidos que tienen azufre. b) El enlace de hidrógeno. c) Las interacciones hidrófobas.

En definitiva, es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y por tanto la terciaria. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, enzimáticas y hormonales entre otras. 4) Estructura cuaternaria. Esta estructura informa de la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros varía desde dos, como en la hexoquinasa; cuatro, como en la hemoglobina, o muchos, como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de sesenta unidades proteicas.

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Figura 17. Plegamiento de la hélice α para conformar la estructura terciaria de una proteína. Abajo se muestra un modelo computacional del complejo proteico de la hemoglobina, la cual está conformada por cuatro subunidades (estructura cuaternaria).

3.3. Desnaturalización Si en una disolución de proteínas se producen cambios de pH, alteraciones en la concentración, agitación molecular o variaciones bruscas de temperatura, la solubilidad de las proteínas puede verse reducida hasta el punto de producirse su precipitación (Fig. 18). Esto se debe a que los enlaces que mantienen la conformación globular se rompen y la proteína adopta la conformación filamentosa.

Figura 18. La desnaturalización de las proteínas se debe a la pérdida de su conformación, en este caso, la proteína ovoalbúmina altera su estructura.

La variación de la conformación se denomina desnaturalización. La desnaturalización no afecta a los enlaces peptídicos: al volver a las condiciones normales, puede darse el caso de que la proteína recupere la conformación primitiva, lo que se denomina renaturalización. Ejemplos de desnaturalización son la “leche cortada” como consecuencia de la desnaturalización de la caseína, la precipitación de la clara de huevo al desnaturalizarse la ovoalbúmina por efecto del calor o la fijación de un peinado del cabello por efecto de calor sobre las queratinas del pelo.

3.4. Clasificación de las proteínas Las proteínas se clasifican según su forma y su composición química.

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Según su forma se clasifican en: a) Fibrosas: Presentan cadenas polipeptídicas largas y una estructura secundaria atípica. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas. Algunos ejemplos de éstas son queratina, colágeno y fibrina (Fig. 19).

Figura 19. La queratina que conforma el cabello de los mamíferos, es una proteína fibrosa.

b) Globulares: Se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína y grupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventes polares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares. c) Mixtas: Posee una parte fibrilar (comúnmente en el centro de la proteína) y otra parte globular (en los extremos). Según su composición química se clasifican en: a) Simples: Su hidrólisis sólo produce aminoácidos. Ejemplos de estas son la insulina y el colágeno (globulares y fibrosas). b) Conjugadas o heteroproteínas: Su hidrólisis produce aminoácidos y otras sustancias no proteicas con un grupo prostético.

3.5. Fuentes de proteínas Las fuentes dietéticas de proteínas incluyen carne, huevos, soya, granos, leguminosas y productos lácteos tales como queso o yogurt. Las fuentes animales de proteínas poseen los 20 aminoácidos de importancia biológica. Las fuentes vegetales son deficientes en aminoácidos y se dice que sus proteínas son incompletas. Por ejemplo, la mayoría de las leguminosas típicamente carecen de cuatro aminoácidos incluyendo el aminoácido esencial metionina, mientras los granos carecen de dos, tres o cuatro aminoácidos, incluyendo el aminoácido esencial lisina. Un tipo especial de proteínas son las enzimas. Una enzima es un catalizador biológico, y es, básicamente, una molécula grande de una proteína que contiene uno o más sitios activos, donde se llevan a cabo las interacciones con los sustratos. Una enzima actúa sólo en determinadas moléculas, llamadas sustratos (es decir, reactivos), mientras que deja el resto del sistema sin afectar. Los sustratos se unen a los sitios activos de las enzimas mediante múltiples interacciones débiles, los cuales proveen de la energía necesaria para reducir la energía de activación de la reacción. La mayoría de las reacciones que tienen lugar en el organismo no ocurrirían a una velocidad suficiente para mantener la vida a la temperatura normal del mismo sino actuaran las enzimas. Sin embargo, el organismo produce enzimas, que posibilitan dichas reacciones. Lo más asombroso de

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las enzimas no sólo es que pueden aumentar enormemente la velocidad de las reacciones bioquímicas, sino que también son altamente específicas. El nombre de una enzima describe el compuesto o la reacción que cataliza. Para nombrar las enzimas se sustituye la terminación del nombre de la reacción o compuesto que reacciona por el sufijo -asa. Por ejemplo: sacarasa, lipasa, oxidorreductasa. Algunas enzimas tienen nombre que terminan con el sufijo -ina. Por ejemplo.: papaína, bromelaína, rennina, pepsina, tripsina.

Figura 20. Esquema de la acción de una enzima sobre un sustrato para formar productos.

4. Ácidos nucleicos Estas macromoléculas son polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster. Son cadenas largas de polinucleótidos, alcanzando algunas veces tamaños gigantes (de millones de nucleótidos de largo). El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher, quien en el año 1869 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamó nucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico. Posteriormente, en 1953, James Watson y Francis Crick se encargaron de descubrir el diseño del ADN, basándose en la imagen de la molécula obtenida por Rosalind Franklin, quien empleó la técnica de difracción de rayos X. Los ácidos nucleicos, ADN y ARN, desempeñan una función muy importante para la vida: contener de manera codificada, las instrucciones necesarias para el desarrollo y funcionamiento de la célula. El ADN tiene la capacidad de replicarse, transmitiendo así dichas instrucciones a las células hijas que heredarán la información. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian en: 1. Por el glúcido (pentosa) que contienen: la desoxirribosa, en el ADN y la ribosa en el ARN (Fig. 21).

Figura 21. En el ADN se encuentra presente la azúcar desoxirribosa (izquierda), y en el ARN, la ribosa (derecha).

2. Por las bases nitrogenadas que contienen: adenina, guanina, citosina y timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo en el ARN (Fig. 22 y 23).

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Figura 22. Bases nitrogenadas derivadas de la pirimidina.

Figura 23. Bases nitrogenadas derivadas de la purina.

3. En los organismos eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo celular como una doble cadena, adoptando una estructura de doble hélice, mientras que la estructura del ARN es monocatenaria, aunque puede presentarse en forma extendida, como el ARN mensajero (ARNm), o en forma plegada, como el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosomal (ARNr) (Fig. 24 y 25). 4. En la masa molecular: la del ADN es generalmente mayor que la del ARN.

Figura 24. El ARN (derecha) está formado por una sola cadena, a diferencia del ADN (izquierda) que forma una cadena doble.

Figura 25. Estructura de doble hélice del ADN.

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4.1. Nucleósidos y nucleótidos Son las unidades que forman los ácidos nucleicos. Cada nucleótido es una molécula compuesta por la unión de tres unidades: un monosacárido de cinco carbonos (una pentosa: ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN), una base nitrogenada purínica (adenina, guanina) o pirimidínica (citosina, timina o uracilo) y uno o varios grupos fosfato (provenientes del ácido fosfórico) (Fig. 26).

Figura 26. Los nucleótidos están formados por una base, un azúcar y el grupo fosfato.

Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato están unidos a la pentosa. La unión formada por la pentosa y la base nitrogenada se denomina nucleósido. Cuando lleva unido una unidad de fosfato al carbono 5 de la ribosa o desoxirribosa y dicho fosfato sirve de enlace entre nucleótidos, uniéndose al carbono 3 del siguiente nucleótido, se denomina nucleótido-monofosfato (como el AMP) cuando hay un solo grupo fosfato, nucleótido-difosfato (como el ADP) si lleva dos y nucleótido-trifosfato (como el ATP) si lleva tres (Fig. 27).

Figura 27. Dos nuclétotidos muy importantes en el metabolismo, el ATP y el ADP. El adenosin trifosfato (ATP) se diferencia del adenosin difosfato (ADP) por un grupo fosfato.

El ácido ribonucleico, ARN, que constituye la mayor parte del ácido nucleico que se encuentra en las células, está involucrado en la transmisión de la información genética necesaria para el funcionamiento celular. En las células existen 3 tipos principales de ARN:

– ARN mensajero (ARNm) – ARN ribosómico (ARNr) – ARN de transferencia (ARNt)

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1. Son compuestos monosacáridos:

a) Glucosa, maltosa. b) Glucosa, fructosa. c) Lactosa, sacarosa. d) Lactosa, glucosa.

2. La secuencia de aminoácidos de una proteína es la estructura:

a) Primaria. b) Secundaria. c) Terciaria. d) Cuaternaria.

3. Una diferencia entre el ADN y el ARN es:

a) El ARN contiene una pentosa y el ADN una hexosa. b) El ADN contiene uracilo y el ARN contiene timina. c) El ADN contiene timina y el ARN contiene uracilo. d) Todas son correctas.

4. Escriba la fórmula de la aldosa gliceraldehído. 5. Escribir las fórmulas de la glucosa y la galactosa. Señalar con un asterisco el carbono que

diferencia a ambas estructuras. 6. Nombrar y escribir las fórmulas de los tres ácidos grasos más comunes. 7. Investigue las fuentes principales de proteínas. 8. ¿Cuál es la función de los ácidos nucleicos ADN y ARN? 9. La estructura secundaria de una proteína describe:

a) La secuencia de aminoácidos. b) El enrollamiento o alargamiento de la proteína. c) La forma general de la proteína. d) Todas las anteriores.

10. Clasifique a las proteínas de acuerdo a su forma.

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Unidad I: Hidrocarburos Título: Hibridación de orbitales Enlace: https://goo.gl/B1lS27

Resumen: video en el cual se puede observar la formación de los orbitales híbridos.

Título: Nomenclatura de alcanos Enlace: http://goo.gl/nL7NQU

Resumen: Página en la red que describe paso a paso la nomenclatura de los alcanos con sus diferentes reglas.

Título: Propiedades de los hidrocarburos aromáticos. Enlace: http://goo.gl/R9QNLC

Resumen: Archivo en la red acerca de los compuestos aromáticos, sus usos, riesgos y medidas de salud y seguridad.

Título: Programa para diseñar moléculas y reacciones químicas. Enlace: http://goo.gl/uFnkP3

Resumen: Con este programa podrán dibujar diferentes estructuras químicas, reacciones y esquemas. También les permite realizar cálculos para determinar distintas variables como: peso, volumen molecular, densidad, etc. Ideal para plasmar en un dibujo.

Unidad II: Compuestos orgánicos oxigenados Alcoholes, fenoles y éteres Título: Alcoholes Enlace: http://goo.gl/YtFftr

Resumen: Blog con introducción de alcoholes ejemplos de la nomenclatura IUPAC y común.

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Título: Clasificación y nomenclatura de alcoholes y fenoles Enlace: http://goo.gl/yyG8H6

Resumen: Página en la red con la clasificación y descripción de cada tipo de lípidos.

Título: Alcoholes, fenoles y éteres Enlace: http://goo.gl/fKtKkV

Resumen: Página en la red con las propiedades físicas y químicas de los alcoholes, fenoles y éteres.

Título: Funciones oxigenadas Enlace: https://goo.gl/zK4tvf

Resumen: Página en la red con funciones oxigenadas, nomenclatura, propiedades y aplicaciones.

Aldehidos, cetonas, ésteres y ácidos carboxílicos

Título: Nomenclatura de ácidos carboxílicos Enlace: https://goo.gl/mbwWKU

Resumen: Vídeo que explica la nomenclatura IUPAC para ácidos carboxílicos.

Título: Amidas, anhídridos, ésteres y cloruros de acilo Enlace: https://goo.gl/r0rcyi

Resumen: Breve introducción a la nomenclatura de todos los derivados de ácido.

Título: Formulación orgánica: haluros de acilo (formulación y nomenclatura). Enlace: https://goo.gl/G3ROge

Resumen: Clase en la que se explica detenidamente la nomenclatura para el derivado de ácido cloruro de acilo (cloruro de ácido).

Título: Formulación orgánica: ésteres (formualción y nomenclatura). Enlace: https://goo.gl/1r92EH

Resumen: Clase en la que se explica detenidamente la nomenclatura para el derivado de ácido ester.

Título: Formulación orgánica: anhídridos de ácido (formulación y nomenclatura). Enlace: https://goo.gl/IujwHw

Resumen: Clase en la que se explica detenidamente la nomenclatura para el derivado de ácido anhídrido de ácido.

Título: Formulación orgánica. Nitrilos (formulación y nomenclatura). Enlace: https://goo.gl/jfeQq0

Resumen: Clase en la que se explica detenidamente la nomenclatura para el derivado de ácido nitrilo.

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Unidad III: Aminas y amidas

Título: Propiedades de las amidas Enlace: http://goo.gl/4wyNqL

Resumen: Definición de amidas, ejemplificaciones, usos, aplicaciones y sus riesgos. Propiedades de las amidas alifáticas y amidas aromáticas.

Título: Nomenclatura orgánica: aminas Enlace: https://goo.gl/ySg38d

Resumen: Nomenclatura química de las aminas, estructuras.

Título: Aminas y amidas Enlace: https://goo.gl/06S0so

Resumen: Distinción de las propiedades químicas de los compuestos orgánicos nitrogenados: aminas y amidas.

Título: Aminas y amidas Enlace: https://goo.gl/dU2xGL

Resumen: Estructura y nomenclatura, propiedades y métodos de obtención.

Unidad IV. Biomoléculas

Título: Carbohidratos Enlace: http://goo.gl/cZpkTB

Resumen: Blog con ejemplos de carbohidratos y sus diversas aplicaciones.

Título: Lípidos Enlace: http://goo.gl/m3DNno

Resumen: Página en la red con la clasificación y descripción de cada tipo de lípidos.

Título: Proteínas Enlace: http://goo.gl/QJQ2q5

Resumen: Página en la red con composición química, clasificación y descripción de las proteínas.

Título: Ácidos Nucleicos Enlace: http://goo.gl/Z9AMYm

Resumen: Página en la red con la definición, clasificación y función de los ácidos nucleicos.