Capítulo 15- Los compuestos orgánicosy las propiedades atómicas del carbono
15.1 La naturaleza especial del carbono y las caracteríticas de las moléculas orgánicas
15.2 Las estructuras y clases de hidrocarburos
15.3 Algunas clases de reacciones orgánicas importantes
15.4 Propiedades y reactividad de grupos funcionales comunes
15.5 Tema I. Monómero-polímero: Macromoléculas sintéticas
15.6 Tema II. Monómero-polímero: Macromoléculas biológicas
Fig. 15.1
La posición del carbono en la Tabla Periódica
Grupo
Periodo
“Soy carbono y soy especial”
1. Puedo formar enlaces C-C fuertes y cortos.
2. El enlace C-C es muy corto y permite traslapar los orbitales p no utilizados, dando origen a enlaces . Formo fácilmente enlaces dobles carbono-carbono y puedo incluso formar enlaces triples carbono-carbono.
3. No tengo problema en unirme a otros elementos (H, O, N, S, etc.– me llevo bien con todos). De acuerdo con mi posición en la Tabla Periódica, por lo regular formo cuatro enlaces, excepto en el monóxido de carbono.
Soy especial – Compárame con mi hermano, el Si
1. El enlace C-C es mucho más fuerte que el enlace Si-Si. (El tamaño atómico aumenta al descender en el grupo: los enlaces entre los átomos se hacen más largos y más débiles.)
2. Para mí, la EN (C-C) ~ EN (C-O). Para el Si, EN (Si-O) >> En (Si-Si). Con la disponibilidad del oxígeno en la naturaleza, el Si existe principalmente con enlaces Si-O.
3. No tengo orbitales d. El CH3-CH3 es estable, mientras que el SiH3-SiH3 es muy susceptible a formar especies con un par de electrones solitarios que dona a los orbitales d vacantes.
¡Puedes ocupar el resto de tu vida aprendiendo sobre mí!
Energías de enlace y la estabilidad de las cadenas de carbono
Fig. 15.2
En
erg
ía d
e e
nla
ce (
kJ/
mo
l)
Puedo sorprenderte con mi diversidad
Considere el número de comuestos con la fórmula C4H8O.
Estos se conocen como compuestos isómeros estructurales, tienen las mismas fórmulas químicas, pero
diferentes formas de conectar los átomos entre sí para formar
diferentes grupos funcionales, o diferentes compuestos con propiedades físicas y químicas
muy distintas.
La diversidad química de los compuestos orgánicos
Fig. 15.3
Una unión polarizada no dura mucho tiempo
“ No soy diferente. Soy muy reactivo en los sitios (enlaces)que tienen la polaridad alta.”
Reactividad y polaridad de los enlaces encompuestos orgánicos
C C Los enlaces son no polares, sin diferencia en los valores EN de los átomos. Son relativamente cortos (200 pm). Resultado: No reactivoC H Los enlaces son casi no polares y cortos (109 pm) EN (C-H) = 2.5 – 2.1 = 0.4 Resultado: No reactivoC O Los enlaces son altamente polares, con el extremo del oxígeno muy rico en electrones EN (C-O) = 2.5 – 3.5 = 1.0 Resultado: ReactivoC Br Los enlaces son casi no polares: EN (C-Br) = 2.5 – 2.8 = 0.3 Resultado: Relativamente no reactivoC S Los enlaces son perfectamente no polares: EN (C-S) = 2.5 – 2.5 = 0.0 Resultado: Relativamente no reactivoAunque las diferencias en la EN son pequeñas para Br y S con el carbono, losátomos son tan grandes que sus enlaces al carbono son largos, débiles y reactivos.
Ciertas partes de mí hacen que me comporte de maneras predecibles
Grupos funcionales – átomos o grupos específicos de átomos que proporcionan características determinadas.
El secreto de aprender la química orgánica.
Tan importante es la Tabla Periódica para la química inorgánica como los grupos funcionales para la química orgánica.
Cuatro de los grupos funcionales
C O H
Alcohol
Grupo alcohol – Grupo hidróxilo
..
..Grupo éter
C O C....
Éter
Grupo ácido carboxílico Grupo éster
.. ..
C O C
O
..
..
.. ..
C O H
O
Carboxilo
..
..
....
Éster
Más grupos funcionales
Alquenos
Alquinos
Tioles y Disulfuros
Aminas (primaria, secundaria, terciaria)
Aldehídos
Acetonas
Amidas
Sugeridos como: “Conceptos que se debenaprender”
Algunos esqueletos de cinco carbonosun enlace doble un anillo simple carbono saturado
Fig. 15.4
Agregando la piel de átomos de H al esqueleto de átomos de C
Fig. 15.5
(a) Un átomo de C con un enlace sencillo a otro átomo obtiene tres átomos de H.
(b) Un átomo de C con un enlace sencillo a otros dos átomos obtiene dos átomos de H.
(c) Un átomo de C con un enlace sencillo a tres átomos obtiene un átomo de H.
(d) Un átomo de C con un enlace sencillo a cuatro átomos tiene sus enlaces completos (sin átomos de H)
(e) Un átomo de C con doble enlace se trata como si estuviera enlazado a otros dos átomos.
(f) Un átomo de C con un enlace sencillo y uno doble, o con un triple enlace se trata como si estuviera enlazado a otros tres átomos.
Hidrocarburos C + HCompuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples - Hidrocarburos saturados - Alcanos CnH2n+2
Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples, pero con estructura de anillo - Hidrocarburos saturados - Cicloalcanos CnH2n
Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces dobles - Hidrocarburos insaturados - Alquenos CnH2n
Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces triples - Hidrocarburos insaturados - Alquinos CnH2n–2
A partir de la rotación de los enlaces sencillos se observan diferentesconformaciones, denominadas isómeros, como resultado del rearreglo de los átomos en distintas fórmulas estructurales.
Dibujando Hidrocarburos–I Problema: Dibuje estructuras que tengan diferentes arreglos atómicos para hidrocarburos con: a) siete átomos de C, sin múltiples enlaces y sin anillos. b) cinco átomos de C, un enlace doble y sin anillos. c) cinco átomos de C, sin enlaces múltiples y con un anillo.Plan: En cada caso, dibujaremos la cadena de carbonos más grande y luego trabajaremos las cadenas más pequeñas con ramificaciones en diferentes puntos a lo largo de la primera. Por lo regular, es un proceso de prueba y error. Luego adicionemos átomos de H para dar a cada átomo de C un total de cuatro enlaces.Solución: (sólo se mostrará un esqueleto de carbono)a) compuestos con siete átomos de C: (9) [C7H16]
C-C-C-C-C-C-C C-C-C-C-C-C C
C-C-C-C-C-C C
CC-C-C-C-C C
C-C-C-C-C C C
C-C-C-C-C C C
CC-C-C-C-C C
C-C-C-C-C C C
CC-C-C-C C C
Dibujando Hidrocarburos–II
b) compuestos con 5 átomos de C y un doble enlace: (5) C5H10]
C=C-C-C-C C=C-C-C C=C-C-C
C-C=C-C-C
C-C=C-C
c) compuestos con 5 átomos de C y un anillo: (5) [C5H10]
C-C-C-C C
C-C-C-C C
CC-C-C C
C-C-CC-C
C-CC C C
C CC
Nomenclatura de los hidrocarburos saturados
Basada en la cadena más larga de átomos de carbono
Prefijo + raíz + sufijo
Posición y naturaleza de los sustituyentes en la cadenaReglas: Tabla 15.2, (pág. 612)
Indicador del # de C en la cadena más larga (Tabla 15.1, pág. 622)
La clase del compuesto orgánico -ano para alcanos
Raíces numéricas para cadenas de carbono y sus ramificaciones
Raíz Número de átomos de carbono
met- 1et- 2prop- 3but- 4pent- 5hex- 6hept- 7oct- 8non- 9dec- 10
Tabla 15.1 (pág. 622)
Alcanos
• Metano CH4
• Etano C2H6 CH3CH3
• Propano C3H8 CH3CH2CH3
• Butano C4H10 CH3CH2CH2CH3
• Pentano C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3
• Hexano C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3
• Heptano C7H16 CH3-(CH2)5-CH3
• Octano C8H18 CH3-(CH2)6-CH3
• Nonano C9H20 CH3-(CH2)7-CH3
• Decano C10H22 CH3-(CH2)8-CH3
Reglas para nombrar un compuesto orgánico–I
1. Para nombrar la cadena más larga (raíz) (a) Encuentre la cadena continua más larga de átomos de carbono. (b) Seleccione la raíz que corresponda al número de átomos de C en la cadena.2. Para nombrar el tipo de compuesto (sufijo) (a) Para los alcanos, añadir el sufijo -ano a la raíz de la cadena. (Otros sufijos aparecen en la tabla 15.5 con sus grupos funcionales y el tipo de compuesto.) (b) Si la cadena forma un anillo, el nombre es precedido por ciclo-.3. Para nombrar las ramificaciones (prefijo) (a) Cada nombre de ramificación consiste en una subraíz (número de átomos de C) y la terminación -ilo para denotar que no es parte de la cadena principal. (b) Los nombres de las ramificaciones preceden al nombre de la cadena. Cuando hay dos o más ramificaciones, nómbrelas en orden alfabético.
Tabla 15.2 (pág. 623)
Reglas para nombrar un compuesto orgánico-II
3. continuación: (c) Para especificar dónde ocurre la ramificación, numere consecutivamente los átomos de C de la cadena principal, comenzando por el extremo más cercano a una ramificación, para así tener los números más bajos para las ramificaciones. Cada nombre de una ramificación debe ir precedido con el número del átomo de C de la cadena al cual está unido. (d) Si el compuesto no tiene ramificaciones, el nombre consiste en la raíz y el sufijo. 6 carbonos hex-
hex- + -ano = hexano CH3
CH3 CH CH CH2 CH3 CH3
CH2 CH3
metil
etil
1 2 3 4 5
etilmetilhexano
3-etil-2-metilhexano
6
Tabla 15.2 (p. 623)
Fórmulas condensadas vs. expandidas
Observar las fórmulas de 3-etil-2-metilpentano:
H
H C H H H H H
H C C C C C H
H H H H H C H
H C H
H
CH3
CH3 CH CH CH2 CH3
CH2
CH3
Fórmulaexpandida
Fórmula condensada
Fig. 15.6
Fórmula expandida
Fórmula condensada
Fórmulas y modelos de alcanos
Fig. 15.7
Representación de cicloalcanos
A Ciclopropano B Ciclobutano C Ciclopentano D Ciclohexano
(pág. 625)
Butano(n-butano)
2- metilpropano(isobutano)
Pentano(n-pentano)
2- metilbutano(isopentano)
2,2- dimetilpropano(neopentano)
Tabla 15.3 Los isómeros constitucionales de C4H10 y C5H12Nombre sistemático(nombre común)
Fórmulacondensada
Fórmulaexpandida
Modelo deespacio lleno
Densidad(g/mL)
Punto deebullición (ºC)
Puntos de ebullición de los hidrocarburos
Fig. 15.8
metano
etano
propano
butano
pentano
hexano
heptano
octano
nonano
decano
Temperatura (ºC)
Fig. 15.9
Una analogía para los
isómerosópticos
Manoderecha
Imagen especularde la mano derecha(igual a la mano izquierda)
Fig. 15.10
Dos moléculas quirales
Centroquiral
CentroquiralA 3-metilhexano
B Isómeros ópticos de la alanina
Isómeros
Estructural Estereoisómeros
Geométrico Óptico
Isomerismo óptico y moléculas quirales
Estereoisomerismo: moléculas con la misma secuencia de átomos, pero diferente orientación de los grupos en
el espacio.
Isomerismo óptico: un tipo de estereoiosmerismo que ocurre cuando dos objetos son imágenes especulares entre sí y no pueden superponerse.
Quiral: una molécula orgánica asimétrica que contiene al menos un átomo de carbono que se une a cuatro grupos diferentes.
Considere al carbono enlazado a A, B, C, y D. Existen dos estructuras posibles.
Isómeros ópticos
A
D
B
C
A
D
C
B
B y C no se superponen
Las dos estructuras son imágenesespeculares entre sí. Son isómerosópticos.
Cada una de las dos formas es asimétrica - sinun plano de simetría. Una molécula orgánica esquiral si tiene un átomo de carbono que se unaa cuatro grupos diferentes.
La rotación del plano de luz polarizada por una sustancia ópticamente activa
Fig. 15.11
Fuentede luz
Filtropolarizador
Tubo de muestra consolución de sustanciaópticamente activa
Ángulo de rotación
Analizador
La luz sin polarizaroscila en todoslos planos
La luz polarizadaoscila en soloun plano
Luzpolarizada girada
Isomerismo óptico¿Qué tan diferentes son los isómeros ópticos? Tienen la misma fórmula química y propiedades físicas y químicas exactas, pero difieren en dosaspectos:
1) Hacen girar el plano de la luz polarizada (Fig 15.11): rotación a la derecha dextrorrotatorio ( d ó + ) rotación a la izquierda levorrotatorio ( l ó - ) 2) En sus propiedades químicas, los isómeros ópticos sólo difieren en un ambiente quiral. dforma de A + dforma de B producto. dforma de A + lforma de B no hay reacción.
Ejemplo: entre la d-glucosa y l-glucosa, sólo la d-glucosa se metabolizaen los humanos–un buen ejemplo de la importante selectividad de las formas de vida.
El sitio activo de una enzima
Fig. 15.12
Molécula quiral
Sitio activo quiral
Superficie de la enzima
AlquenosAlquenos–Compuestos de carbono que contienen cuando menos un enlace doble C=C. Los alquenos tienen la fórmula general: CnH2n
Los alquenos se conocen como hidrocarburos insaturadosLos nombres de los alquenos difieren del de los alcanos en dos aspectos:1) La cadena raíz debe contener ambos átomos de C del enlace doble, incluso si no es la cadena más larga. La cadena se numera desde el extremo más cercano al enlace C=C, y la posición del enlace se indica con el número del primer átomo de C. it. 2) El sufijo para los alquenos es -eno. Ejemplos: Etileno, C2H4; Propeno, C3H6; Buteno, C4H8
H2C=CH2
EtilenoH2C=CH-CH3
Propileno =
H2C=CH-CH2-CH3
1-ButenoH3C-CH=CH-CH3
2-Buteno
H3C-CH2-CH=CH2
1-ButenoH3C-CH=CH2
Propeno
H2C=C-CH3
2-Metil propeno CH3
Alquenos
C2H4 Ethylene H2C=CH2
C3H6 Propylene H2C=CH–CH3
C4H8 Butene H2C=CH–CH2–CH3
C5H10 Pentene H2C=CH–CH2–CH2–CH3
C6H12 Hexene H2C=CH–CH2–CH2–CH2–CH3
C7H14 Heptene H2C=CH–( CH2)4–CH3
C8H16 Octene H2C=CH–( CH2)5–CH3
Etileno
Propile
no
Buteno
Penteno
Hexeno
Hepteno
Octeno
(pág. 628)
cis-2- buteno
trans-2- buteno
Tabla 15.4 Los isómeros geométricos del 2- butenoNombresistemático
Fórmulacondensada
Modelo deespacio lleno
Densidad (g/mL)
Punto de ebullición (ºC)
El evento químico inicial en la visión
Fig. 15.A (pág. 629)
Alquinos
Alquinos –Hidrocarburos que contienen cuando menos un enlace C C Los alquinos tienen la fórmula general: CnH2n–2
Los alquinos se nombran del mismo modo que los alquenos, excepto que el sufijo es -ino. Ejemplos:
HC CHAcetileno
HC C-CH3
PropinoH3C-C CH Propino
HC C- CH2-CH3
1-ButinoH3C-C C-CH3
2-ButinoH3C-CH2-C CH 1-Butino
HC C-CH2-CH2-CH3
1-PentinoH3C-C C-CH2-CH3
2-Pentino
Fórmulas químicas y nombres del grupo-R
metilo - CH3
etilo - CH2 - CH3 or - C2H5
n-propilo - CH2 - CH2 - CH3 or - C3H7
isopropilo - CH - CH3
CH3
n-butilo - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 or - C4H9
isobutilo - CH2 - CH - CH3
CH3
CH3
ter-butilo - C - CH3 CH3
H2 H2
H2
H2H2
Hciclohexilo
H2 H2
H2
H2
ciclopentiloH
H2
H2
H2
ciclobutiloH
H2
H2H
ciclopropilo
Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I
Problema: Proporcione el nombre sistemático para cada uno de los siguientes compuestos, indique el centro quiral en el inciso (d) y dibuje dos isómeros geométricos en el inciso (e).(a) CH3 (b) CH2-CH3
CH3 - CH - CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH-CH-CH3
CH3 CH2
CH3
(c) CH3 CH3
(d) CH3-CH2-CH-C-CH3
CH3 CH3
(e) CH3-CH2-CH=C-CH-CH3
CH3
Plan: Para resolver de (a) a (c), vayamos a la Tabla 15.2. Primero nombremos lacadena más larga (raíz + -ano). Luego busquemos los números más bajos paralas ramificaciones contando los átomos de C desde el extremo más cercano a la ramificación. Por último, nombremos cada rama (raíz- + -ilo) y pongámoslo alfabéticamente antes del nombre de la cadena.
H2H2
H2
H2
CH3
CH2-CH3
Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I
Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–II
Plan: Continuacion. Para (e), la cadena más larga que incluye el enlace múltiple se numera desde el extremo más cercano a éste. Para (d), el centro quiral es el átomo de C unido a cuatro grupos diferentes. En (e), el isómero cis tiene los grupos más grandes en el mismo lado del enlace doble, y el isómero trans los tiene en lados opuestos.Solución:
(a) CH3
CH3
CH3 - CH - CH - CH3
1 2 3 4
2,3-Dimetilbutano
CH2 - CH3
H(b) CH3
CH3 - CH2 - CH2 - C - C -
CH2
CH31
234567
3-Metil-4-etilheptano
Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–III
(c)CH3
H2
H2
H2
H2
CH2 - CH3
1
2
3
1-Etil-3-metilciclohexano
(d) CH3 CH3
CH3 - CH2 - C - C - CH3
H CH3
12345
2,2,3-Trimetilpentano
Centro quiral
(e)
CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3
H CH3
CH3
CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3
H
CH3
CH3
cis-2,3-Dimetil-3-hexeno trans-2,3-Dimetil-3-hexeno
Fig. 15.13
Representaciones del benceno
o
Naftaleno y Benzo[a]pireno
Naftaleno C10H8
Benzo[a]pireno C20H12
Xilenos–Los tres isómeros de C8H10
CH3
CH3
CH3CH3
CH3
CH3
1,2-Dimetilbenceno (o-xileno) pe = 144.4°C
1,3-Dimetilbencene (m-xileno) pe = 139.1°C
1,4-Dimetilbenceno (p-xileno) pe = 138.3°C
TNT y su descomposición (¡explosión!)
CH3
NO2
NO2
O2N
2,4,6-Trinitrometilbenceno (trinitrotolueno, TNT) C7H5N3O6
4 C7H5N3O6 (s) + 33 O2 (g)
28 CO2 (g) + 10 H2O(g) + 12 NO2 (g) + Energía
La base de la resonancia de los espines de los protones
Fig. 15.B (pág. 634)
RadiaciónCampomagnético
Espines nuclearesaleatorios de igualenergía
El espectro de RMN de 1H de la acetona
Fig. 15.C (pág. 635)
El espectro de RMN de 1H del dimetoximetano
Fig. 15.D (pág. 635)
Tipos de reacciones orgánicas -I
1) Reacciones de adición: Estas reacciones ocurren cuando un compuesto insaturado contiene un enlace doble o triple que se satura al adicionar un compuesto. Esta reacción ocurre en los enlaces C=O, C=C y C=C.
X YForma general: R-CH=CH-R + X-Y R-C-C-R H H
Ejemplos:
CH3-CH=CH-CH3 + H2 CH3-CH2-CH2-CH3
Br BrH-CH=CH-CH2-CH3 + Br2 H-C-C-CH2-CH3
H H H ClH2C=CH2 + HCl H-C-C-H H H
Un ensayo de color para los enlaces C=C
Fig. 15.14
Tipos de reacciones orgánicas–II
2) Reacciones de eliminación: Son contrarias a las reacciones de adición. El reactante saturado se convierte en un
compuesto insaturado y se forma otra molécula X YForma general: R-CH-CH2 R-CH=CH2 + X-Y
Ejemplos: OH H H2SO4
CH3-CH-CH2 CH3-CH=CH2 + H2O
OH Cr2O72- O
CH3-CH2-CH-CH3 CH3-CH2-C-CH3 + H2O H2SO4
Cl HCH3-CH-CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl
Tipos de reacciones orgánicas-III
3) Reacciones de sustitución: Estas reacciones ocurren cuando un átomo (o grupo) de un reactivo adicionado sustituye
a otro en el reactivo orgánico.
Forma general: R-C-X + Y R-C-Y + X
Ejemplos: CH3-OH + HBr CH3-Br + H2O
O CH3 CH3-C-Cl + CH3-CH-CH2-CH2-OH HCl + O CH3
CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3
CH3-CH2-CH2-Br + CH3-CH2-ONa NaBr + CH3-CH2-CH2-O-CH2-CH3
CH3-CH2-CH2-Br + NaOH CH3-CH2-CH2-OH + NaBr
Reconociendo el tipo de reacción orgánicaProblema: Establezca si cada una de las siguientes reacciones es de adición, eliminación o sustitución: a) CH3-CH2-OH + CH3-OH CH3-CH2-O-CH3 + H2O b) CH3-CH2-CH=CH-CH3 + H2 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
c) CH3-CH2-CH2-CH2-Cl CH3-CH2-CH=CH2 + HClPlan: Determinemos el tipo de reacción examinando el cambio en el número de átomos unidos al carbono. a) Más átomos unidos al carbon es una adición. b) Menos átomos unidos al carbono es una eliminación. c) El mismo número de átomos de carbono es una sustitución.Solución: a) Sustitución– el C-OH en ambas moléculas reactantes se convierte en enlaces C-O en la molécula producto, de modo que igual número de átomos se unen al carbono.b) Adición– se forman enlaces C-H en el producto, por tanto más átomos se unen al carbono.c) Eliminación–dos enlaces en el reactante (C-H,C-Cl) no están en elproducto, por eso menos átomos se unen al carbono en el producto.
El proceso redox en las reacciones orgánicas
No se puede confiar mucho de los números de oxidación en las reacciones orgánicasEn cambio, los químicos orgánicos observan el movimiento de la densidadelectrónica alrededor del átomo de carbono contando el número de enlaces a los átomos más electronegativos (por lo regular, el oxígeno) o alos átomos menos electronegativos (por lo regular, el H).
Una reacción de oxidación-reducción (redox) incluye oxidación y reduccion, pero los químicos orgánicos normalmente solo se enfocan enel reactante orgánico. Por tanto:
Cuando un átomo de C en el reactante orgánico forma másenlaces con O, o menos enlaces con H, el reactante se oxida y la reacción es una oxidación.Cuando un átomo de C en el reactante orgánico forma menosenlaces con O, o más enlaces con H, el reactante se reduce y la reacción es una reducción.
Oxidación orgánica y reacciones de reducción
Un ejemplo de una reacción orgánica de oxidación-reducción es la reacción que ocurre con el etanol y dicromato ácido de potasio paraproducir ácido acético:
OCH3-CH2-OH CH3-C-OH
K2Cr2O7 (ácido)
En el etanol el C-2 tiene 2 enlaces al hidrógeno y un enlace al oxígeno,mientras que en el producto (ácido acético) el C-2 tiene tres enlaces aloxígeno y ningún enlace al hidrógeno. Así pues, en esta reacción el etanol se oxida para formar ácido acético, por tanto esta reacción es unaoxidación.Otra reacción es la adición de hidrógeno al enlace doble del propilenopara formar propano:
CH3-CH=CH2 + H2 CH3-CH2-CH3
Pd
Observe que el C-2 y el C-3 tienen más enlaces al hidrógeno que en elpropileno reactante, en este caso el reactante se reduce y la reacción es una reducción.
Alcoholes
CH3OH Alcohol metílico -Metanol
C2H5OH Alcohol etílico -Etanol CH3CH2OH
C3H7OH Alcohol propílico -Propanol
H3C CH2 CH2 OH H3C CH OH
Alcohol n-propílicoCH3
Alcohol 2-propílicoH3C CH2 CH2 CH2 OH
Alcohol n-butílico
Algunas moléculas con el grupo funcional alcohol
Fig. 15.15
Metanol (alcohol metílico)Subproducto de la gasificación de carbón; agente descongelante; sustituto de gasolina; precursor de compuestos orgánicos
SerinaAminoácido que se encuentra enla mayoría de las proteínas
1, 2- etanodiol (etilén glicol)Componente principal del anti-congelante de autos
ColesterolEsterol principal en animales; esencial para las membranas celulares; precursor de hormonas esteroides.
Algunas reacciones de los alcoholes–I
1) Reacción de un alcohol con un metal alcalino para formar un ion alcóxido:
Al igual que con el agua: 2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 NaOH(ac) + H2 (g)
En los alcoholes ocurre una reacción similar, formando un ión alcóxido:
2 Na(s) + 2 CH3-CH2-OH(l) 2 CH3-CH2-O-(ac) +2 Na+
(ac) + H2 (g)
2 Li(s) + 2 CH3-OH(l) H2 (g) + 2 CH3-O-(ac) + 2 Li+
(aq)
2) La deshidratación de los alcoholes produce un compuesto insaturado –un alqueno o un éter (R-O-R). Un ejemplo de la formación de un alqueno:
OH
+ H2OH2SO4
Fenol Ciclohexeno
Algunas reacciones de los alcoholes–II2) continuación, Formación de un éter:
2 CH3-OH(l) CH3-O-CH3 (g) + H2O(l)
H2SO4
CH3-CH2-OH(l) + HO-CH2-CH3 (l) H2O(l) + CH3-CH2-O-CH2-CH3
dimetil éter
H + HO-dietil éter
H2SO4
OHCH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH(l) + CH3-CH-CH2-CH3 (l)
H2SO4
CH3
H-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (l) CH2
CH3
2-butil n-hexil éter
n-hexanol 2-butanol
alcohol etílicoetanol
metanol
Éteres
Dimetil éter H3C–O–CH3
Etil metil éter H3C–O–CH2–CH3
Dietil éter H3C–CH2–O–CH2–CH3
Difenyl éterC
CH CH
CH
CH
C CH
CH CH
CH
CH
CH O
Algunas reacciones de los alcoholes–III
3) Oxidación – Produce un aldehído, ácido o, con algunos alcoholes, una cetona.
Alcoholes primarios Aldehído Ácido orgánico
Alcoholes secundarios Cetona
Alcoholes terciarios no se oxidan
O OCH3-CH2-OH(l) CH3-C-H CH3-C-OH
K2Cr2O7
H2SO4
= [O] = “Oxidación”
[O][O]
etanol etanal ácido acético
OH OCH3-CH-CH2-CH3 (l) CH3-C-CH2-CH3 (l)
2-butanol etil metil cetona
[O]
-H2O -H2O
-H2O
Algunas reacciones de los alcoholes–IV
4) Reacción de sustitución de un alcohol con ácidos hidrohálicos para formar halolcanos y agua:
CH3-OH(l) + HCl(ac) CH3-Cl(g) + H2O(l)
CH3-CH2-CH2-OH(l) + HI(ac) CH3-CH2-CH2-I(l) + H2O(l)
Fórmula general: R-OH + HX R-X + H2O
Ejemplos:
5) Esterificación: Alcohol + Ácido orgánico = Éster + Agua
O OCH3-OH(l) + HC-OH H-C-O-CH3 (l)
[H+]
metanol ácido fórmico formato de metilo
O OCH3-CH2-OH(l) + CH3-C-OH(l) CH3- C-O-CH2-CH3 (l)
etanol ácido etanóico etanoato de etilo
[H+]
Reacciones de haluros de alquilo con aniones
CH3-CH2-CH2Cl + NaCN CH3-CH2-CH2CN + NaCl
CH3-CH2-Br + NaSH CH3-CH2-S-H + NaBr
CH3-CH2I + NaO-CH3 CH3-CH2-O-CH3
1-cloropropano 1-cianopropano
1-yodoetano metiletil éter
bromoetano etilmercaptano
CH3-CH2-Cl + NaNH2 CH3-CH2-NH2 + NaCl
cloroetano etilamina
CH3-CH2-CH2-CH2-Br + NaOH CH3-CH2-CH2-CH2-OH + NaBr1 - bromobutano 1-butanol
alcohol 1-butílico
Bifenilos policlorados (BPC)
.. Cl..
.. ..Cl..
..
..Cl..
.... Cl..
..
Hasta últimas fechas, los aromáticos halogenados se utilizaban como fluidos aislantes en transformadores eléctricos y se descargaban a las aguas residuales.Por su baja solubilidad, se acumularon durante décadas en sedimentos de ríos y lagos, y fueron alimento de microbios e invertebrados. Los peces se comierona los invertebrados, y las aves y los mamíferos, incluidos los humanos, secomieron a los peces. En cada etapa, los BPC se concentraban cada vez más enla grasa corporal. Por su alto riesgo, los BPC representan un problema real en las aguas naturales.
BPC
Algunas biomoléculas con el grupo funcional amina
Fig. 15.16
Lisina (amina primaria)Aminoácido que se encuentra en la mayoría de las proteínas
Adenina (amina primaria)Componente de los ácidos nucleicos
Epinefrina (adrenalina; amina secundaria)Neurotransmisor del cerebro; hormona que se libera durante el estrés.
Cocaína (amina terciaria)Estimulante cerebral; droga de la que se abusa mucho
Estructuras generales de aminas
Fig. 15.17
Primaria, 1º Secundaria, 2º Terciaria, 3º
Aminas–I
NH3 Amoniaco
CH3NH2 Metilamina
(CH3)2NH Dimetilamina
(CH3)3N Trimetilamina
N
CH3
CH3
CH3
N
H
. .. .
CH3
CH3
. .N
HH
H
. .N
H
H CH3
Estructura de un detergente catiónico
Fig. 15.18
Cloruro debencilcetildimetilamonio
Aminas–II
CH3-CH2-NH2 Etilamina
CH3-CH2-CH2-NH2 n-Propilamina
CH3-CH2-CH2-CH2-NH2 n-Butilamina
CH
CCH
CHCH
CH
NH2
Fenilamina
Reacciones de alcoholes, haluros de alquilo y aminas
Problema: Determine el tipo de reacción y prediga los productos de las siguientes reacciones químicas: ( a) CH3-CH2-CH2-OH
(b) CH3-CH2-Br + KOH
(c) CH3-CH2-OH + CH3-OHPlan: Examinemos el (los) reactante(s) y otro(s) reactivo(s) para decidirsobre las propiedades de cada grupo funcional, recordando que, en general, un grupo funcional se convierte en otro.Solución:
Cr2O7-2
H2SO4
H2SO4
(a) Eliminación (oxidación):
(b) Sustitución:
(c) Eliminación:
OCH3-CH2-C-OH Ácido propiónico
CH3-CH2-OH + KBr Alcohol etílico
CH3-CH2-O-CH3 Metiletil éter
Aldehídos
Formaldehído Metanal
H C H
O
Acetaldehído Etanal
H3C C H
O
Benzaldehído
CH
CCH
CHCH
CH
C H
O
Dimetil cetoneH3C C CH3
O
Acetone
Etil metil cetone
H3C CH2 C CH3
O
Dietil cetone
H3C CH2 C CH2 CH3
O
Cetonas
Algunos aldehídos y cetonas comunes
Fig. 15.19
Metanal (formaldehído)Se usa para hacer resinas en madera laminada, vajillas, contrapartes; conservador biológico.
Etanal (acetaldehído)Producto narcótico del metabolismo del etanol, se usa para hacer perfumes, saborizantes, plásticos y otros químicos
BenzaldehídoSaborizante artificial con sabor a almendra
2- Propanona (acetona)Disolvente para grasas, hule, plásticos, barníz, laca; materia prima química.
2- Butanona(metiletilcetona)Disolvente importante
El grupo carbonilo
Fig. 15.20
Ácidos carboxílicos
Ácido fórmicoH C O H
O
Ácido acético
H3C C O H
O
Acido propiónico
H3C CH2 C O H
O
Ácido butanóico
H3C CH2 CH2 C O H
O
Algunas moléculas con el grupo funcional ácido carboxílico
Fig. 15.21
Ácido metanóico (ácido fórmico)Componente irritante de las picaduras de abejas y hormigas
Ácido butanóico (ácido butírico)Olor a mantequilla rancia; componente sospechoso de ser atrayente sexual de los monos
Ácido benzóicoEstándar calorimétrico; se usa como conservador alimenticio, para teñir telas, curar el tabaco.
Ácido octadecanóico (ácido esteárico)Se encuentra en las grasas de los animales; usado para hacer velas y jabones.
Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–I
Alcohol etílico + Ácido acético = Acetato de etilo
H3C CH2 OH + H3C C O H
H3C CH2 O C CH3 + H2O
O
O
Etanol Ácido acético
Acetato de Etilo Agua
alcohol metílico + ácido fórmico = formato de metilo
H3C O H + H O C H H3C O C H + H2O
O O
alcohol metílico + ácido butírico = butirato de metilo
H3C O H + H3C CH2 CH2 C O H
O
H3C CH2 CH2 C O CH3H2O +
O
Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–II
Formato de metilo H C O CH3
O
Acetato de metiloH3C C O CH3
O
Acetato de etilo H3C C O CH2 CH3
O
Butirato de etiloH3C CH2 CH2 C O CH2 CH3
O
Piñas
Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–III
Algunas moléculas de lípidos con el grupo funcional éster
Fig. 15.22
Triestearina Grasa dietética típica, usada como almacén de energía en animales.
Lecitina Un fosfolípido encontrado en la membrana de las células
Palmitato de cetilo La grasa más común en la grasa de ballena
¿Qué reactivo contribuye a qué grupo en el éster?
Si marcamos con un isótopo, veremos que el átomo de oxígeno en el éster proviene del alcohol, no del ácido, y que el oxígeno que se encuentra en el agua, y que se forma como subproducto, lo proporciona el ácido.Fig. 15.23
Hidrólisis-Saponificación: La reacción contraria a la formación del éster
Las grasas animales y/o las grasas vegetales que son “triglicéridos” fueronfraccionadas utilizando una base fuerte como sosa (NaOH) para producirun “jabón”. O
R- C-O-CH2
OR’-C-O-CH OR”-C-O-CH2
triglicérido
+ 3 NaOH
OR-C-O- Na+
OR-C-O- Na+
OR-C-O- Na+
+
HO-CH2
HO-CH
HO-CH2
3 moléculasde jabón
glicerol
Los ésteres son el saborizante en las frutas–I
Acetato de bencilo C9H10O2 – esencia de jazmín OCH3-C-O-CH2-
Acetato de isoamilo C7H14O2–manzanas maduras O CH3
CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3
2-Metilbutanoato de Etilo C7H14O2– manzanas maduras
CH3 OCH3-CH2-CH-C-O-CH2-CH3Acetato de isoamilo C7H14O2– banano
Butirato de etilo C6H12O2– piña
Formato de etilo C3H6O2– ron
O CH3
CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3
OCH3-CH2-CH2-C-O-CH2-CH3
OH-C-O-CH2-CH3
Los ésteres son el saborizante en las frutas–II
Butirato de amilo C9H18O2– albaricoque
Salicilato de metilo C8H8O3– aceite de gaulteria
Formato de etilo C3H6O2– limonada
Acetato de n-octilo C10H20O2– naranjas
OCH3-CH2-CH2-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
OH-C-CH2-CH3
OCH3-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
OC-O-CH3
OH
Amidas
Formación de amidas: Las amidas se pueden formar por la reacción entreun ácido orgánico o un éster y una amina en una reacción de deshidratación-condensación.
Formación general : O H O H R-C-OH + H-N-R’ R-C-N-R’ + H2O
Ejemplos:
O O HCH3-C-O-CH3 + H2N-CH2-CH3 CH3-C-N-CH2-CH3 + CH3-OH
etanoato de metilo + etilamina N-etiletanamida + metanol
O H O HCH3-CH2-C-OH + H-N-CH3 CH3-CH2-C-N-CH3 + H2O
ácido propiónico metilamina N-metilpropilamida
O CH3 O CH3
CH3-CH2-CH2-C-OH + H-N-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-C-N-CH2-CH3ácido butanóico metiletilamina N-etil-N-metilbutanamida
Algunas moléculas con el grupo funcional amida
Fig. 15.24
AcetaminofénIngrediente activo, analgésico no aspirínico; usado para hacer tintes y químicos en fotografía
N, N dimetilmetanamida(dimetilformamida)Disolvente orgánico importante; usado en la producción de fibras sintéticas
Ácido lisérgico dietilamida (LSD-25)Un alucinógeno potente
La formación de anhídridos
Fig. 15.25
Ácido Anhídrido
Fig. 15.26
Un éster y una amida
A Glucosa-6- fosfato B Sulfanilamida
Fig. 15.27
Intervenciones entre los grupos funcionales orgánicos
Importantes groupos de enlace de los polímeros
• Enlace -COO- -CONH- -C-O-C-
• Nombre Éster Amida Éter
• Precursores Ácido + Ácido + Alcohol +• Alcohol Amina Alcohol
• Tipo de Poliésteres PoliamidasCelulosa
• Polímero Proteínas Almidón•
Fig. 15.28
Image to come.
Polimerización del etileno por radicaleslibres
Paso 1Formación del radical libre
Paso 2Adición del monómero
Paso 3Adición de más monómeros
Paso 4Terminación de la cadena por la unión de dos radicales libres
(iniciador peróxido)
Peróxido de benzoilo
O
O
O
OO
O
.2
Calor
Un “radical libre” es una molécula con un electrónimpar.
Polimerización del etileno–IO
O . + H2C CH2
O
O
CH2
CH2
.
EtilenoRadical peróxido de benzoilo
Aducto
Polimerización del etileno–II
O
O CH2
CH2
.
+ H2C CH2
O
O
CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2
.
2
Estructuras y aplicaciones de algunos polímeros de adición importantes (con base en la molécula de etileno)–I
Monómero Polímero AplicacionesH H C CH H
F F C CF F
H H C CH CH3
H H C CH Cl
Polietileno Bolsas de plástico, botellas, juguetes
Politetrafluoroetileno Utensilios de cocina (e.g. teflón)
Polipropileno Tapetes (exteriores e interiores; botellas)
Poli(cloruro de vinilo) Envolturas plásticas; mangueras para jardín plomería para interiores
Estructuras y aplicaciones de algunos polímeros de adición importantes (con base en la molécula de etileno)–II
Monómero Polímero Aplicaciones
H H C CH Fenilo
H H C CH C N
H H C C OH O C CH
H Cl C CH Cl
H CH3
C CH C O CH3
O..
Poliestireno Aislantes, muebles
Poliacrilonitrilo Hilos, telas, pelucas (p.ej. orlón, acrilán)
Poli(acetato de vinilo) Adhesivos, pinturas, coberturas textiles,
discos de computadorasPoli(cloruro de vinilideno) Envoltura para alimento
(p.ej. sarán)Poli(metacrilato de metilo) Sustituto del vidrio
(p.ej. lucita, plexiglás), bolas de boliche, pinturas
Poli(cloruro de vinilo) (PVC) y teflón
H Cl
C C
H H
C C C C C C C C
H H H H H H H H
H Cl H Cl H Cl H Cl n
Cloruro de vinilo PVC
C C
F F
F F
Tetrafluoroetileno
C C C C C C C C
F F F F F F F F
F F F F F F F F
Teflón
n
Poliestireno
C C
H
H
H
H
H
HHH
H
C C C C C C C C C
H H
H H
H
H HH
n
Estireno
Condensación de polímeros Poliamidas–Nailon-66
HOOH
O
OH2N
NH2
+Ácido adípico
Hexametilendiamina
NN
H
HO
O n
Dos moléculas con el mismo grupo funcional en ambos extremos de cada molécula–
dos monómeros diferentes
Nailon-66 Ácido adípico y Hexametilendiamina
Kevlar Ácido tereftálico y Fenilendiamina
Poliésteres Ácido tereftálico y etilen glicol
Reciclado del plástico–I
1) PET Polietilentereftalato Botellas para bebida gaseosa, envases de burbuja, películas fotográficas, charoas para hornos, Dacrón
2) HDPE Polietileno de alta densidad Garrafas para leche, muchos tipos de recipientes (para alimentos, detergentes líquidos, shampús, etc.)
3) PVC Poli(cloruro de vinilo) “Piel sintética” tapicería, tubería para agua, chapas para forros de paredes pisos, botellas para aceites comestibles, envolturas termoencogibles, envolturas para carnes y aves, mangueras para jardín, discos, tubuladura para laboratorio
4) LDPE Polietileno de baja densidad Películas (envolturas de alimentos, bolsas de plástico, etc.), recipientes flexibles como las botellas para mostaza, etc.
Reciclado de plástico–II5) PP Polipropileno Aparatos, autos, tubería, popotes, tapas para botellas, equipaje, envoltura para pan y queso, bolsas internas en
las cajas de los cereales, envolturas para ropa
6) PS Poliestireno Espuma de estireno, vasos para bebidas calientes, platos y cubiertos de plástico, cajas para huevos, charolas para
alimentos y recipientes para comida rápida7) Otros plástico–polímeros de adición Teflón Lucita, plexiglás Poli(acetato de vinilo) Caucho natural Caucho de neopreno Caucho de estireno-butadieno
Fig. 15.30
La estructura de un monómero y su enlace
igual que
Forma cíclica de la glucosa
Glucosa
B
FructosaSacarosa
Macromoléculas en organismos vivos
Ácidos nucléicos
Carbohidratos
Proteínas – La maquinaria molecular de la célula
* Poliamidas preparadas a partir de la reacción de condensación de aminoácidos. Cada aminoácido contiene un grupo carboxylo en un extremo y un grupo amino en el otro extremo.
* Nueve aminoácidos tienen carácter no polar y se encuentran en las proteínas.
* Once aminoácidos tienen cadenas laterales polares, son más polares, y se encuentran en el exterior de una proteína, donde pueden estar en contacto con el agua.
Carbohidratos• Fórmula general = Cx(H2O)y
• Los carbohidratos son una fuente alimenticia importante para los organismos.
• Algunos importantes son:– Glucosa C6H12O6
– Fructosa C6H12O6
– Sacarosa C12H22O11
• Oligosacáridos - Disacáridos– Dos azúcares sencillos (monosacáridos)– unidos entre sí simples azúcares – Polisacáridos–biopolímeros– Almidón –celulosa
Polisacáridos
• Glucógeno – se produce en el hígado de los animales– ~1000 Monómeros– Múltiples ramificaciones en la cadena principal,
pero su longitud promedio es de menos que 30 unidades de monómeros
– Ramificaciones muy frecuentes, cada 8-12 unidades de monómeros
• Almidón – se produce en las plantas– Polímeros de glucosa : amilosa y amilopectina
• Celulosa – se produce en las plantas– ~ 2000-3000 unidades de glucosa de longitud, pero
las unidades de glucosa se combinan como unidades de celobiosa que tienen un enlace beta
Una porción de la estructura del glucógeno, el almacén principal de polisacáridos en los animales
Fig. 15.31
Aminoácidos–Los bloques constructivos de las proteínas
R OEn general, los aminoácidos tienen la forma: H2N - C - C - O - H
Los aminoácidos normalmente tienen carga, porque el grupo carboxilotransfiere un ión H+ al H2O para formar H3O+, que transfiere el H+
al grupo amino.
R OH2N - C - C - O - H H
R OH3N+- C - C - O -
H
H3O+
+ H2O- H2O
Fig. 15.32
Polipéptidos
• Macromoléculas constituidas de aminoácidos;• Todas las proteínas son polipéptidos;• Una proteína pequeña (polipéptido) consiste en
50-100 aminoácidos;• Una proteína grande puede contener hasta
cientos; la miosina, una proteína del músculo, tiene alrededor de 1750 aminoácidos.
Fig. 15.33
Fig. 15.34
Fig. 15.35
A Colágeno
GlicinaXProlina
Fibroína de la seda
Alanina (o serina)
Las formas de las proteínas fibrosas
Los 3 bloques importantes para la construcción de los ácidos nucléicos
• 1) Un azúcar pentosa –En el RNA el azúcar es la ribosa, y en el DNA es desoxirribosa, en el que un grupo hidroxilo ha sido sustituido por un hidrógeno.
• 2) Una base orgánica que contiene nitrógeno:– Adenina– Guanina– Timina– Citosina– Uracilo
• 3) Un enlace fosfato proveniente del ácido fosfórico
Fig. 15.36
Fig. 15.37
Trabajos sobre ácidos nucléicos y DNA que han sido premiados
• En la década de 1940 el químico británico Alexander Todd– (Premio Nobel)– Descubrió la composición básica del DNA.
• En la década de 1950 Edwin Chargaff (Univ. Columbia)– Encontró que diferentes especies tenían diferentes
números de bases.– Encontró que la relación molar de la guanina a la
citosina y adenina a timina era siempre muy cercana a 1.0, lo cual sugiere, de algún modo, la adenina y timina se aparean en el DNA y lo mismo sucede con guanina y citosina.
• En 1953 James D. Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins–Premios Nobel – Encontraron la estructura de doble hélice del
DNA.
Fig. 15.38
Fig. 15.39