Introducción a la Química Orgánica

Vida: conjunto de reacciones químicas coordinadas. Los químicos han logrado aislar de plantas y animales muchos compuestos que no se encuentran en materiales inanimados. Históricamente, el término “química orgánica” se aplicó al estudio de los compuestos que se obtenían a partir de organismos vivos.

Definición moderna de Química Orgánica: la química de los compuestos del carbono exceptuando a los carbonatos, ferrocianuros y ferricianuros. La estructura de la molécula es la base de la química orgánica, ya que los compuestos orgánicos se agrupan en familias con propiedades físicas y químicas características.

Bioquímica: rama de la química que estudia la materia viva, basada en la química orgánica.

Isómeros: compuestos de la misma fórmula molecular, pero de distinta estructura. La fórmula estructural indica la cantidad y clases de átomos en la molécula y cómo están arreglados. Las rayitas representan enlaces covalentes.

Polímeros: moléculas muy grandes constituidas por monómeros.

Monómeros: unidad simple y pequeña que se repite para construir una unidad más grande (polímeros).

Hidrocarburo: el tipo más simple de molécula orgánica, compuesto exclusivamente por átomos de hidrógeno y carbono unidos mediante enlaces covalentes. Son naturales y forman la base del petróleo crudo, asfalto, gas natural, betún y otras fuentes de energía importantes.

Elementos biogénicos: Elementos químicos esenciales para el desarrollo y funcionamiento de los organismos vivos.

El 90% de los millones de compuestos conocidos son de tipo orgánico. El agua constituye del 60% al 90% de la materia viva; menos del 4% del porcentaje restante es orgánico.

Hitos en la Síntesis Orgánica

1776 – Scheele – Ácido oxálico.

1826 – Hennel – Alcohol

1828 – Wöhler – Urea (primera síntesis de laboratorio de un compuesto orgánico)

1842 – Bunsen – Etileno (primer hidrocarburo alifático)

1843 – Kolbe – Ácido acético

1850 – Frankland – Etano

1853 – Gerhard – Acetanilida (medicamento para la fiebre)

1854 – Berthelot – Sustancias grasas

1857 – Berthelot – Primer colorante (fallo de síntesis de quinina)

1859 – Verguin – Fucsina (primer colorante industrial)

1871 – Tieman – Vainillina (aroma de vainilla)

1887 – Fischer – Fructosa

1933 – Reichstein – Vitamina C (primera síntesis de vitaminas)

Los compuestos orgánicos están formados por carbono e hidrógeno y son de tipo molecular. Los presentes en la naturaleza, además de carbono, tienen hidrógeno, acompañados por oxígeno y nitrógeno. Algunas veces están presentes los halógenos, azufre, fósforo y algunos otros en pequeñas cantidades. Los átomos están unidos por enlaces covalentes, experimentan reacciones químicas entre sí, logrando convertir unas sustancias en otras y sintetizar compuestos de estructuras complejas a partir de otros más simples. Las propiedades de estos compuestos dependen de la estructura que presenten. La forma del compuesto es un factor importante para los puntos de ebullición y de fusión. Muchos de los compuestos orgánicos más importantes se emplean para fabricar polímeros.

Alotropía del Carbono

Un elemento presenta formas alotrópicas cuando puede adoptar diversas formas, cada una con idénticas propiedades químicas pero diferentes propiedades físicas. Los átomos de carbono pueden formar hasta 4 enlaces covalentes con otros átomos o con átomos de carbono, lo que explica la gran variedad y cantidad de los compuestos del carbono. Pueden unirse en forma de cadenas, anillos o moléculas gigantes.

Clasificación de los Compuestos Orgánicos

• Acíclicos/cadena abierta/compuestos alifáticos: pueden ser de cadena lineal o ramificada.
• Cíclicos/cadena cerrada:
  • Isocíclicos: los ciclos están formados solamente por átomos de carbono.
  • Aromáticos: se caracterizan por la presencia de una molécula de benceno.
  • Alicíclicos: tienen propiedades similares a los compuestos alifáticos.
  • Heterocíclicos: uno de los átomos que conforman el ciclo no es carbono.

Formas Alotrópicas del Carbono

• Diamante: variedad más pura. En el cristal de diamante, cada átomo de carbono se encuentra rodeado por otros cuatro localizados en los vértices de un tetraedro regular. Los enlaces carbono-carbono son todos covalentes y sumamente fuertes, lo que explica su gran dureza y elevado punto de fusión.
• Grafito: sólido negro, blando y buen conductor de la electricidad. Cristaliza en placas hexagonales que se disponen en láminas de tal modo que cada átomo de carbono se encuentra rodeado por otros tres. Están separadas entre sí por distancias mayores que las existentes entre los átomos de un mismo plano, y las fuerzas que las mantienen unidas son muy débiles. Esta estructura floja explica su baja densidad y poca dureza.
• Carbono amorfo
• Fullereno o “buckybolas”: otra forma alotrópica, solubles en diversos disolventes.

Estructura de los Compuestos Orgánicos

No existe un límite respecto al número de átomos de carbono que pueden unirse para formar una cadena. Pueden ser continuas o lineales, o ramificadas, aunque también existen anillos de átomos de carbono. El carbono puede formar enlaces simples, dobles o triples y unirse con otros elementos.

Tipos de Fórmulas Estructurales

• Modelo de Lewis: cada elemento de la molécula se representa con el par de electrones de cada enlace.
• Diagramáticas o desarrolladas: reemplazan el par de electrones por una rayita.
• Condensadas: se encierran en paréntesis grupos idénticos de átomos utilizando subíndices para indicar la cantidad de grupos.
• Esqueleto:
  • Los enlaces covalentes se muestran como líneas.
  • Se supone que en la intersección de dos líneas convergentes o un extremo libre existe un átomo de carbono.
  • No se escribe el número de hidrógenos; se calculan mentalmente.
  • Se especifican átomos diferentes al C e H.

Saturación e Isomería

Saturado: cuando la capacidad de combinación se cumple con enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno.

Insaturado: cuando un átomo de carbono forma enlaces dobles o triples con otro.

Isómeros

Isómeros: compuestos con la misma fórmula molecular (misma composición), pero diferente estructura. Pueden ser:

• Constitucionales: los átomos están conectados de distintas maneras.
• Estereoisómeros: los átomos se encuentran conectados del mismo modo, pero difieren en el ordenamiento de átomos o grupos en el espacio. Dos tipos de estereoisómeros son:
  • Isómeros ópticos o enantiómeros: son la imagen especular entre dos isómeros.

Los objetos quirales tienen formas enantioméricas. Un átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes se denomina centro estereométrico. Los objetos que no son quirales se llaman aquirales.

Propiedades de los Compuestos Orgánicos e Inorgánicos

En los compuestos iónicos hay una gran atracción electrostática entre los iones con carga positiva y los iones con carga negativa, lo que explica que estos compuestos tengan elevados puntos de fusión, en tanto que los compuestos covalentes tienen puntos de fusión bajos. Existen fuerzas de atracción entre las moléculas covalentes llamadas fuerzas de Van der Walls.

Compuestos Orgánicos

• Covalentes
• Se disuelven en solventes orgánicos
• Reacciones lentas
• Se descomponen fácilmente con calor
• Presentan isómeros
• Puntos de fusión y ebullición bajos

Compuestos Inorgánicos

• Iónicos
• Se disuelven en agua
• Reacciones rápidas
• No se descomponen con calor
• No presentan isómeros
• Puntos de fusión y ebullición altos

Reacciones Orgánicas y Grupos Funcionales

En toda reacción orgánica se distingue un sustrato (reaccionante que contiene átomos de carbono, en el cual se forman o destruyen enlaces) y un reactivo o agente que causa la reacción orgánica y permite la obtención de productos.

Tipos de Reacciones

• Adición: el reactivo se agrega al sustrato, aumentando el número de grupos que se adicionan al carbono. Los alcanos y la mayoría de los cicloalcanos no experimentan reacciones de adición. Los reactivos más importantes son los halógenos y el hidrógeno.
• Eliminación: remoción de grupos o átomos de una molécula sin que sean remplazados por otros, dando origen a la formación de enlaces dobles y triples. También es posible la formación de anillos.
• Sustitución: formación y ruptura de enlaces simples del carbono y la entrada de un nuevo grupo que sustituye a uno anterior.
• Oxidación: toda sustancia orgánica es combustible en mayor o menor grado, lo que constituye una oxidación. Los alcanos presentan como reacción característica la combustión, de la cual se desprende gran cantidad de energía calórica.

La mayor parte de los compuestos orgánicos contiene uno o más grupos funcionales (átomo o grupo de átomos que dan lugar a las propiedades características de una molécula). Todas las moléculas con el mismo grupo funcional reaccionan de manera similar.

Hidrocarburos Saturados: Alcanos

Los hidrocarburos se clasifican en saturados (solo enlaces sencillos entre los átomos de carbono) e insaturados (contienen enlaces dobles o triples carbono-carbono). Los alcanos, también conocidos como parafinas, tienen todos sus átomos de carbono unidos por enlaces simples. Se encuentran como cadenas lineales o ramificadas. El metano (CH₄) es el principal, conocido como gas de los pantanos debido a su formación en estos lugares por la descomposición de material orgánico. A temperatura ambiente, los primeros alcanos (hasta C₄) son gases; del C₅ al C₁₆ son líquidos; y los que siguen son sólidos. Su fórmula general es C_nH_2n+2.

Fuentes y Propiedades de los Alcanos

Las dos fuentes naturales más importantes de alcanos son el petróleo y el gas natural. El petróleo es una mezcla de compuestos orgánicos, la mayoría alcanos y cicloalcanos, mientras que el gas natural está formado principalmente por metano y pequeñas cantidades de etano. El gas licuado obtenido del petróleo contiene principalmente propano.

La isomería es común en los alcanos. Hay 2 isómeros del butano, 3 del pentano, 5 del hexano, 9 del heptano, 18 del octano, 35 del nonano y 75 del decano.

Cuando los alcanos reaccionan perdiendo un hidrógeno, se forman los radicales alquilo, productos intermedios muy inestables. Sus nombres se forman cambiando el sufijo “-ano” del alcano por “-ilo” o “-il”. El punto de ebullición de los alcanos normales aumenta con su peso molecular. Si el alcano es ramificado, el punto de ebullición disminuye notablemente, y cuanto más numerosas sean las ramificaciones, menor es su valor.

Propiedades y Reacciones de los Alcanos

El punto de fusión de los alcanos normales aumenta con el peso molecular. Son los compuestos orgánicos menos densos, aunque su densidad aumenta con el tamaño del alcano. Debido a su baja o nula polaridad, se disuelven en solventes orgánicos o no polares. Los alcanos tienen baja reactividad debido a que los enlaces de sus moléculas son sigma (difíciles de romper), aunque también depende del reactivo y las condiciones de la reacción.

Reacciones de los Alcanos

• Combustión: desprenden gran cantidad de calor (gas natural, gasolina, aceites combustibles).
• Pirólisis: un alcano se rompe y da una mezcla de hidrocarburos más pequeños.
• Halogenación: sustitución de un hidrógeno del alcano por un halógeno.
• Nitración: el etano produce nitrometano y nitroetano; el propano produce 4 nitroalcanos.
• Isomerización: se pueden obtener otros isómeros utilizando ácidos fuertes de Lewis como el HCl.

Reglas de Nomenclatura para Alcanos

• Escribir una raíz o prefijo que indique el número de carbonos de la molécula.
• Escribir la terminación “-ano”.
• En alcanos ramificados, localizar la cadena continua más larga de átomos de carbono (determina el nombre base).
• Enumerar la cadena más larga empezando por el extremo más cercano a la ramificación.
• Escribir el grupo sustituyente precedido por el número que designa su posición en la cadena, y al final el nombre base del alcano.
• Con dos o más radicales, nombrarlos por complejidad.
• Con dos o más radicales iguales, usar prefijos di-, tri-, tetra-.
• Con dos cadenas de igual longitud, escoger la que tenga mayor número de sustituyentes.
• Si la primera ramificación está a igual distancia de cualquier extremo, escoger la numeración que dé el número más bajo posible a los radicales.

Cicloalcanos

En los cicloalcanos, los átomos de carbono se unen cíclicamente formando anillos. Tienen propiedades químicas similares a los alcanos.

Cicloalcanos y Alquenos

Cicloalcanos

Los cicloalcanos pueden ser:

• Monocíclicos: fórmula general C_nH_2n
• Policíclicos: más de un anillo en su estructura.

Sus moléculas son más compactas que las de los hidrocarburos normales. Su punto de ebullición es aproximadamente 10 °C superior al de los alcanos, y su punto de fusión de 40 °C a 100 °C sobre el de los alcanos. Son solubles en solventes orgánicos. Los cicloalcanos con anillos de cinco átomos de carbono o más presentan las mismas reacciones que los alcanos normales.

Se nombran colocando el prefijo “ciclo-” al nombre del hidrocarburo de cadena abierta correspondiente. Con sustituyentes en el anillo, se nombran en orden alfabético, indicando sus posiciones con números.

Alquenos

Los alquenos son hidrocarburos con doble enlace carbono-carbono. Son insaturados. Los alquenos con un doble enlace cumplen con la regla general C_nH_2n. Existen compuestos con más de un doble enlace: alcadienos o dienos (dos dobles enlaces), trienos, tetraenos o polienos. Si los dobles enlaces están en carbonos adyacentes, son acumulados; si se alternan con enlaces sencillos, son conjugados; si hay más de un enlace sencillo entre los dobles enlaces, son aislados o no conjugados.

El alqueno más sencillo es el eteno o etileno. Muchos alquenos se obtienen mediante deshidrogenación de alcanos durante el procesamiento del petróleo crudo. Se utilizan en la fabricación de combustibles, polímeros y petroquímicos. Los dienos se polimerizan para producir cauchos sintéticos.

Propiedades y Reacciones de los Alquenos

A temperatura ambiente y presión atmosférica, los alquenos de C₂ a C₄ son gases; de C₅ a C₁₈ son líquidos; y de C₁₉ en adelante son sólidos. Son insolubles en agua, pero solubles en líquidos no polares como benceno, éter y cloroformo. Son solubles en ácido sulfúrico concentrado y frío, lo que los diferencia de los alcanos. Su punto de ebullición aumenta con la cantidad de carbonos, pero disminuye con las ramificaciones. El punto de fusión también aumenta con el número de carbonos.

Reacciones de Adición de los Alquenos

• Adición de H₂
• Adición de halógenos
• Adición de halogenuros de hidrógeno (sigue la regla de Markovnikov: el H⁺ se une al carbono con más hidrógenos).
• Adición de H₂SO₄ (sigue la regla de Markovnikov).
• Adición de H₂O (sigue la regla de Markovnikov).

Reacciones de Fusión de los Alquenos

• Ozonólisis: ruptura del doble enlace por ozono. Los productos pueden ser aldehídos o cetonas en condiciones reductoras, y ácidos en condiciones oxidantes.
• Oxidación con KMnO₄ a bajas temperaturas y en soluciones alcalinas diluidas: produce un diol 1,2 o glicoles. Introduce dos grupos oxhidrilos en los carbonos del doble enlace.
• Pruebas de instauración: un compuesto con doble enlace etilénico reacciona rápidamente con una solución diluida de bromo en tetracloruro de carbono, decolorándola.

Obtención de Alquenos

• Refinación del petróleo (alquenos con hasta 5 carbonos).
• Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo.
• Deshidratación de alcoholes.
• Deshalogenación de dihalogenuros vecinales.
• Deshidrogenación de alcanos.
• Reducción de alquinos.

Nomenclatura de Alquenos y Alquinos

Alquenos

Los alquenos de bajo peso molecular se designan con nombres comunes, obtenidos añadiendo “-eno” al nombre del grupo alquilo. Se nombran igual que los alcanos, pero con la terminación “-eno”.

Alquinos

Los alquinos son hidrocarburos insaturados con al menos un triple enlace carbono-carbono. Su fórmula general es C_nH_2n-2. El alquino más importante es el acetileno (C₂H₂). Algunos alquinos son gases o líquidos a temperatura ambiente, y todos son menos densos que el agua. Presentan isomería estructural, pero no de configuración. Tienen mayor punto de ebullición que los alquenos y son débilmente polares (más que los alcanos y alquenos).

Los alquinos pueden sufrir oxidación, adición al triple enlace y sustitución del hidrógeno unido al triple enlace (hidrógeno ácido) en 1-alquinos. Son insolubles en agua, pero solubles en ácido sulfúrico concentrado y frío (a diferencia de los alquenos). Decoloran el permanganato de potasio y el bromo en tetracloruro de carbono. El acetileno, propino y 1-butino son gaseosos; hasta C₁₅ son líquidos; y de C₁₆ en adelante son sólidos. Su punto de ebullición aumenta con la cantidad de carbonos.

Reacciones y Preparación de Alquinos

Reacciones de los Alquinos

• Adición de halógenos (el triple enlace es menos susceptible que el doble enlace).
• Adición de halogenuros de hidrógeno.
• Adición de agua.
• Adición de hidrógeno (se pueden adicionar dos hidrógenos al triple enlace, transformando el alquino en un alcano).

Preparación de Alquinos

• Deshidrohalogenación de halogenuros.
• Alquilación de acetiluros de sodio (el ion alquino es un agente nucleofílico fuerte).

Los alquinos se nombran siguiendo las mismas reglas que los alquenos, cambiando la terminación a “-ino”.

Hidrocarburos Aromáticos

Los hidrocarburos aromáticos (cicloaromáticos o arílicos) tienen un esqueleto cíclico no saturado. Muchos tienen olores agradables y muestran características del benceno.

Benceno

El benceno (C₆H₆) es el hidrocarburo aromático más elemental. Es una molécula muy insaturada.

Tipos de Hidrocarburos Aromáticos con Benceno

• Compuestos con un solo núcleo de benceno unido a radicales alifáticos.
• Compuestos con más de un anillo de benceno formando anillos condensados.
• Compuestos con más de un anillo de benceno, donde los núcleos no comparten átomos de carbono.

Nomenclatura y Obtención de Hidrocarburos Aromáticos

Reglas de Nomenclatura

• Compuestos con un solo sustituyente: se nombra anteponiendo el nombre del sustituyente a “benceno”.
• Con varios grupos unidos al anillo bencénico, se indican cuáles son y su ubicación.
• Hidrocarburos con parte alifática y aromática (arenos): alquilbencenos, alquenilbencenos, alquinilbencenos.
• Si los sustituyentes son diferentes, el número 1 corresponde al de menor número de carbonos o el menos ramificado.
• Se pueden nombrar como derivados de los nombres comunes.
• Con tres o más sustituyentes en el anillo bencénico, se usan números para indicar sus posiciones.
• Si los grupos son diferentes, el último se sobreentiende en la posición 1.
• Si hay un grupo que da nombre especial, el compuesto se nombra con dicho grupo en posición 1.
• Compuestos aromáticos polinucleares con anillos fusionados: se usan nombres comunes y numeración específica.
• Compuestos con anillos no fusionados: se nombran como derivados de los alcanos.

Los hidrocarburos aromáticos generalmente se obtienen del petróleo.

Alcoholes

Los alcoholes poseen el grupo funcional hidroxilo (-OH). El más sencillo es el metanol (alcohol industrial). Se clasifican según la posición del grupo OH: alcohol primario (unido a carbono primario), secundario (unido a carbono secundario), y terciario (unido a carbono terciario).

Con varios grupos OH en la misma molécula, se tienen alcoholes polihídricos o polioles. No puede haber más de un grupo OH en el mismo carbono. Los alcoholes con dobles enlaces se llaman enoles. Si el doble enlace está contiguo al carbono con el -OH, se llama alcohol vinílico. Pueden ser alifáticos, cíclicos o aromáticos.

Sus propiedades físicas dependen del peso molecular y del grupo -OH. Del metanol al undecanol son líquidos viscosos; de C₁₂ en adelante son sólidos. Los puntos de ebullición aumentan con el número de carbonos y disminuyen con las ramificaciones. Los alcoholes inferiores son solubles en agua; la solubilidad disminuye al aumentar el número de carbonos.

La reactividad depende de la ruptura del grupo funcional. Si la ruptura es en el enlace O-H, reaccionan con metales activos, cloruros de sulfonilo (forman ésteres), y se oxidan (producen ácidos carboxílicos o aldehídos en alcoholes primarios, cetonas en secundarios, o alquenos en terciarios). Si la ruptura es en R-OH, reaccionan con halogenuros de hidrógeno en presencia de H₂SO₄.

Nomenclatura y Usos de Alcoholes

Reglas de Nomenclatura

• Se escoge como cadena principal la que contiene el grupo -OH. Se enumera desde el extremo más próximo al -OH y se usa el sufijo “-ol”.
• Con dos o más grupos -OH, se indica la posición con números y se añade -diol, -triol, etc.
• Con ramificaciones, se sigue la nomenclatura de hidrocarburos.
• Con varios -OH, la cadena principal es la que incluye más -OH, aunque no sea la más larga.
• Si hay dobles o triples enlaces, se indica con un número antes del nombre del hidrocarburo.

Alcoholes de Mayor Uso

Aldehídos y cetonas son compuestos carbonílicos, caracterizados por la presencia del grupo carbonilo.

En los aldehídos, el grupo carbonilo está al final de la cadena, enlazado a un hidrógeno. En las cetonas, está dentro de la cadena, enlazado a dos grupos orgánicos.

Los ácidos carboxílicos contienen un grupo carboxilo (-COOH) unido a un grupo alquilo. Se preparan por oxidación de aldehídos o alcoholes.

Los ésteres resultan de sustituir un hidrógeno de un ácido por un radical alcohólico.