- El concepto de grupo funcional y de serie homóloga

Tema 9. Química del carbono
1.- Introducción y repaso.
Como podemos recordar, el átomo de carbono posee una configuración electrónica
que es, en su última capa, 2s2 2p2, y se puede hibridar de tres maneras diferentes: sp3, sp2 y
sp.
Carbono en hibridación sp3
(molécula de metano)
Carbono en hibridación sp2
Carbono en hibridación sp
Dos carbonos en hibridación sp3
formando un enlace simple.
(molécula de etano).
Carbono en hibridación sp2 formando un enlace doble.
(molécula de eteno).
Carbono en hibridación sp formando un enlace triple.
(molécula de etino).
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La hibridación sp3 es la que adopta el carbono para formar enlaces simples C-C, la sp2 es la
que adopta para formar enlaces dobles C=C y la sp es la que toma para formar los enlaces
triples CC.
En todo caso, el resultado es que el carbono tiene cuatro electrones de valencia que residen
cada uno en un orbital distinto, de manera que el carbono cuando reacciona, siempre forma
cuatro enlaces, ya sean estos sencillos o múltiples.
Lo que hace único al carbono entre todos los elementos, y lo que origina que haya toda
una rama de la química dedicada a sus compuestos es que, además de tener una alta
capacidad de combinación con otros elementos (ya hemos visto que tiene cuatro electrones
dispuestos a reaccionar), es que es capaz de combinarse consigo mismo formando larcas
cadenas de un número altísimo de átomos, y con una gran cantidad de geometrías y
ramificaciones diferentes.
2. El concepto de grupo funcional y de serie homóloga.
Se conocen millones de compuestos orgánicos. ¿Se puede hacer un estudio de los
mismos, agrupándolos en unos pocos tipos, según su comportamiento químico?
La respuesta es sí, fijándonos en ciertas agrupaciones características de átomos que dan las
características reactivas de las moléculas, los llamados grupos funcionales.
En química orgánica, los grupos funcionales son estructuras submoleculares,
caracterizadas por una conectividad y composición elemental específica que
confiere reactividad a la molécula que los contiene.
Los compuestos orgánicos más sencillos son los hidrocarburos, que están compuestos por
carbono e hidrógeno. Dentro de este grupo, los hidrocarburos saturados son las sustancias
orgánicas más inertes, pues sus enlaces son sencillos y de polaridad nula (C-C) o casi nula
(C-H).
El resto de los compuestos orgánicos están formados, fundamentalmente, por una cadena
hidrocarbonada y un grupo funcional. De este grupo funcional depende el comportamiento
químico de toda la molécula.
Así, por ejemplo, el butan-1-ol, CH3CH2CH2CH2OH, se puede considerar que está formado por
dos partes: el grupo butilo, CH3CH2CH2CH2-, que no reacciona y el grupo hidroxilo –OH, que
es el grupo funcional y es la parte de la molécula que reacciona.
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De este modo, podemos asegurar que el comportamiento químico del butan-1-ol se repetirá en
otros compuestos que también contengan el grupo –OH. Todos ellos se agrupan bajo el
nombre general de alcoholes y se representan por R-OH, siendo R, en general, la parte
hidrocarbonada de la molécula.
Gracias al agrupamiento de las sustancias según sus grupos funcionales, se puede reducir el
estudio de los millones de sustancias orgánicas a unos pocos tipos de comportamiento
químico similar.
Las llamadas series homólogas están formadas por compuestos que contienen un mismo
grupo funcional. Los compuestos que pertenecen a la misma serie homóloga difieren entre sí
en la longitud de la cadena hidrocarbonada.
3. Reacciones orgánicas.
Debido a que lo compuestos orgánicos son covalentes, en la química orgánica son
infrecuentes las reacciones iónicas, tan comunes en la química inorgánica. Además, los
enlaces de las moléculas orgánicas son muy fuertes, por lo que las energías de activación son
elevadas y la velocidad de las reacciones suelen ser lentas. Para acelerarlas, es habitual el
uso de catalizadores y la elevación de la temperatura, pero con la elevación de la temperatura
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hay que ser cuidadoso, debido a la falta de estabilidad térmica de mucho de estos compuestos
y su gran tendencia a la combustión, que resultarían en la destrucción del compuesto.
Una gran parte de las reacciones en Química Orgánica se pueden clasificar en:
1. Reacciones de Sustitución
2. Reacciones de Adición
3. Reacciones de Eliminación
4. Reacciones de oxidación-reducción
3.1. Reacciones de sustitución:
Un átomo o un grupo de átomos de una molécula, sustrato, es sustituido por otro átomo o
grupo de átomos de otra, denominada reactivo.
El reactivo puede ser un radical libre, un nucleófilo o un electrófilo.
En la mayoría de las reacciones de sustitución que experimentan los alcanos, el reactivo es un
radical.
CH4 + Cl2  ClCH3 +HCl
H-Br + CH3-OH  CH3-Br + H2O
3.1.1 Sustitución electrófila en compuestos aromáticos.
En la sustitución electrófila aromática un átomo, normalmente hidrógeno, unido a un
sistema aromático es sustituido por un grupo electrófilo. Esta es una reacción muy importante
en química orgánica, tanto dentro de la industria como a nivel de laboratorio. Permite preparar
compuestos aromáticos sustituidos con una gran variedad de grupos funcionales según la
ecuación general:
ArH + EX → ArE + HX
El catalizador suele ser AlCl3, X = halógeno
El HNO3 actúa como reactivo en la forma
OH-NO2. El H2SO4 actúa como catalizador
El H2SO4 actúa como catalizador y como
reactivo. Como reactivo actúa en la forma
OH-HSO3
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3.2. Reacciones de adición:
Una molécula incorpora a su estructura otra molécula.
Este tipo de reacciones ocurren sobre sustratos con dobles o triples enlaces originando un
producto con mayor grado de saturación.
Regla de Markovnikov: La adición de un reactivo del tipo HX (H2O, HCl…) a un doble enlace
de un alqueno da lugar a un producto mayoritario en el que el hidrógeno del reactivo se ha
unido al átomo de carbono que inicialmente tenía mayor número de átomos de hidrógeno.
3.3 Reacciones de eliminación:
Una molécula pierde un grupo de átomos y origina una nueva molécula con un enlace múltiple,
doble o triple.
Regla de Saytzeff: En las reacciones de eliminación, usualmente predominan los alquenos
más sustituidos, como productos de la reacción.
3.4 Reacciones de oxidación-reducción:
Entre los procesos de oxidación-reducción que pueden experimentar los compuestos
orgánicos se encuentra la combustión, la reacción de oxidación más típica de los
hidrocarburos.
La combustión es una reacción química muy exotérmica que se produce en presencia de
oxígeno, que en cantidad abundante, origina dióxido de carbono y agua como productos.
3.4.1 Reacciones de oxidación-reducción en alcoholes.
La oxidación de alcoholes es una reacción orgánica importante. Los alcoholes primarios
(R-CH2-OH) pueden ser oxidados a aldehídos (R-CHO) o ácidos carboxílicos (R-COOH),
mientras que la oxidación de alcoholes secundarios (R1R2CH-OH), normalmente termina
formando cetonas (R1R2C=O)
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3.5 Reacciones de condensación.
Una reacción de condensación, en química orgánica, es aquella en la que dos moléculas se
combinan para dar un único producto acompañado de la formación de una molécula de agua.
3.5.1 Reacciones de esterificación:
Se denomina esterificación al proceso por el cual se sintetiza un éster. Un éster es un
compuesto derivado formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y un
alcohol.
Si en vez de usar un alcohol para neutralizar el ácido carboxílico, usamos una base inorgánica
obtenemos las sales del ácido:
CH3COOH
+
Ácido etanoico +
NaOH
hidróxido sódico
→
→
CH3COONa
+
Acetato sódico +
H2O
agua.
3. Isomería.
Una fórmula inorgánica, por ejemplo, HNO3, corresponde a un solo compuesto, ácido nítrico.
Sin embargo, en química orgánica no suele suceder esto, sino que una fórmula puede
corresponder a más de un compuesto. Por ejemplo, la fórmula C2H6O puede corresponder a
dos compuestos con características químicas totalmente diferentes, como el metanol y el
metil-metil-éter: CH3-CH2-OH; CH3-O-CH3.
Se dice que dos compuestos son isómeros cuando, siendo diferentes, responden a la misma
fórmula molecular.
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Esto se debe a que los mismos átomos están agrupados de manera diferente y constituyen,
por tanto, dos moléculas distintas.
Los isómeros son compuestos que tienen igual fórmula molecular, pero distinta fórmula
estructural.
La isomería pede ser plana y del espacio. La isomería plana se puede explicar mediante
fórmulas planas, mientras que para explicar la del espacio tendremos que recurrir a modelos
tridimensionales.
Hay distintos tipos de isomerías planas y del espacio, que quedan resumidas en el siguiente
esquema:
De cadena
Plana
De posición
De función
Tipos de
isomería
Geométrica
Del espacio
Óptica
3.1 Isomería de cadena: Los isómeros de cadena poseen el mismo grupo funcional pero
distinta estructura de cadena. Ejemplos: butano y metilpropano o isobutano.
CH3-CH2-CH2-CH3
butano
C4H10
metilpropano
3.2 Isomería de posición. Los isómeros de posición poseen el mismo grupo funcional
colocado en posición diferente en una misma cadena carbonada. Ejemplos pentan-2-ona y
pentan-3-ona.
CH3-CO-CH2-CH2-CH3
pentan-2-ona
C5H10O
CH3-CH2-CO-CH2-CH3
pentan-3-ona.
3.3 Isomería de función. Los isómeros de función tienen la misma fórmula molecular pero
distintos grupos funcionales. Ejemplos etanol y etil-etil-éter.
CH3-CH2-OH
etanol
C2H6O
CH3-O-CH3
etil-etil-éter
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3.4 Isomería geométrica. Se presenta en compuestos con doble enlace en la que los grupos
enlazados a los carbonos que forman el doble enlace se repiten dos a dos. Por ejemplo, el
but-2-eno presenta dos isómeros, uno de ellos con los dos grupos metilo al mismo lado
(isómero cis) y el otro el los lados opuestos (isómero trans) del doble enlace.
Nótese que, con las últimas recomendaciones de la IUPAC, ambos compuestos deben ser
nombrados cis-but-2-eno y trans but-2-eno.
3.5. Isomería óptica.
Hay algunos isómeros que poseen iguales propiedades tanto físicas como químicas,
diferenciándose tan sólo en su distinto comportamiento frente a la luz polarizada. Un isómero
desvía el plano de polarización de la luz hacia la derecha (isómero dextro o (+)) y el otro hacia
la izquierda (isómero levo o (-)) en igual magnitud. Por eso, a este tipo de isomería se le llama
isomería ótica y a los isómeros, isómeros ópticos o enantiómeros.
Para explicar la isomería óptica, vamos a estudiar lo que es un carbono asimétrico. Se dice
que un carbono es asimétrico si está unido a cuatro átomos o grupos distintos.
Aparentemente las dos moléculas representadas arriba son
iguales, pero si nos fijamos con atención, veremos que
ambas tienen configuraciones diferentes, ya que al tratar de
superponerlas no coinciden. Una viene a ser como la
imagen especular de la otra, de la misma manera que
nuestras manos son imágenes especulares una de la otra y
no
se pueden superponer una sobre la otra
Pues bien, cada estas dos moléculas son isómeros ópticos una de la otra. Una de ellas será el
isómero dextro y el otro el levo.
Siempre que nos encontremos una molécula quiral (quiros en griego = mano), es decir, con un
carbono asimétrico, hallaremos isómeros ópticos.
Así, por ejemplo el ácido láctico CH3-CHOH-COOH, posee un carbono asimétrico, el segundo,
como puede apreciarse en su fórmula desarrollada:
Entonces, podremos encontrar los dos isómeros ópticos, el dextro y el levo.
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RESOLUCIÓN DE CUESTIONES
Cuestión 1
Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) Recibe el nombre de grupo funcional un átomo o grupo de átomos distribuidos de tal forma que la
molécula adquiere unas propiedades químicas características.
b) Dos compuestos orgánicos que poseen el mismo grupo funcional siempre son isómeros.
c) Dos compuestos orgánicos con la misma fórmula molecular pero distinta función, nunca son
isómeros.
Cuestión 2
Justifique la veracidad o falsedad de las siguientes proposiciones:
a) Los hidrocarburos saturados son mucho más reactivos que los insaturados.
b) Grupo funcional es un átomo o grupo de átomos que confiere a la cadena hidrocarbonada unas
propiedades químicas características.
c) En el metano el carbono presenta hibridación sp3.
Cuestión 3
Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) El punto de ebullición del metano es menor que el del 1-butanol.
b) La molécula CHCl3 posee una geometría tetraédrica con el átomo de carbono ocupando la posición
central.
c) El etano es más soluble en agua que el etanol.
Cuestión 4
Las fórmulas moleculares de tres hidrocarburos lineales son: C 3H6; C4H10; C5H12.
Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) Los tres pertenecen a la misma serie homóloga.
b) Los tres presentan reacciones de adición.
c) Los tres poseen átomos de carbono con hibridación sp 3.
Cuestión 5
Las fórmulas moleculares de tres hidrocarburos lineales son: C 2H4; C3H8; C4H10.
Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) Los tres pertenecen a la misma serie homóloga.
b) Los tres experimentan reacciones de sustitución.
c) Sólo uno de ellos tiene átomos de carbono con hibridación sp 2.
Cuestión 6
a) Indique los grupos funcionales presentes en las siguientes moléculas:
i) CH3CH2CHOHCH3
ii) CH3CHOHCHO
iii) CH3CHNH2COOH
b) Escriba un isómero de función de la molécula del apartado i).
c) Escriba un isómero de posición de la molécula del apartado ii).
Cuestión 7
Indique si la estructura de cada pareja representa el mismo compuesto o compuestos diferentes,
identificando los grupos funcionales presentes:
a) CH3CH2OCH3 y CH3OCH2CH3
b) CH3CH2OCH3 y CH3CHOHCH3
c) CH3CH2CH2OH y CH3CHOHCH3
Cuestión 8
Indique los grupos funcionales de las siguientes moléculas:
a) CH3CH2COCH2CH3
b) CH3CH2CHOHCOOH
c) CH3CH2CHNH2CHO
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Cuestión 9
Defina serie homóloga e indique cuáles de los siguientes compuestos pertenecen a la misma serie que
CH3OH:
a) CH3CH2CH2CH2OH
b) CH3CH2OH
c) CH3COOH
Cuestión 10
Dados los compuestos: butan-2-ol, CH3CHOHCH2CH3, y 3-metilbutanol, CH3CH(CH3)CH2CH2OH,
responda, razonadamente, a las siguientes cuestiones:
a) ¿Son isómeros entre sí?
b) ¿Presenta alguno de ellos isomería óptica?
Cuestión 11
a) Defina serie homóloga.
b) Escriba la fórmula de un compuesto que pertenezca a la misma serie homóloga de cada uno de los
que aparecen a continuación: CH3CH3; CH3CH2CH2OH; CH3CH2NH2.
Cuestión 12
Defina los siguientes conceptos y ponga un ejemplo de cada uno de ellos:
a) Serie homóloga.
b) Isomería de cadena.
c) Isomería geométrica.
Cuestión 13
Dados los siguientes compuestos: CH3COOCH2CH3 , CH3CONH2 , CH3CHOHCH3 y CH3CHOHCOOH
a) Identifique los grupos funcionales presentes en cada uno de ellos.
b) ¿Alguno posee átomos de carbono asimétrico? Razone su respuesta.
Cuestión 14
Explique uno de los tipos de isomería que pueden presentar los siguientes compuestos y represente los
correspondientes isómeros:
a) CH3COCH3
b) CH3CH2CH2CH3
c) CH3CHFCOOH
Cuestión 15
Las fórmulas moleculares de tres hidrocarburos lineales son: C 2H4; C3H8 y C4H10.
Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) Los tres pertenecen a la misma serie homóloga.
b) Los tres experimentan reacciones de sustitución.
c) Sólo uno de ellos tiene átomos de carbono con hibridación sp 2.
Cuestión 16
Defina los siguientes conceptos y ponga un ejemplo de cada uno de ellos:
a) Isomería de función.
b) Isomería de posición.
c) Isomería óptica.
Cuestión 17
Explique por qué el CH3CH2CH2OH es más soluble en agua que el CH3CH2CH2CH3.
Cuestión 18
Dados los siguientes compuestos orgánicos: CH3CH2CH3; CH3OH; CH2=CHCH3.
Indique razonadamente:
a) ¿Cuál es soluble en agua?
b) ¿Cuáles son hidrocarburos?
c) ¿Cuál presenta reacciones de adición?
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Cuestión 19
Los compuestos CH3CH2OH y CH3CH2CH3 tienen masas moleculares similares.
Indique, justificando la respuesta:
a) Cuál tiene mayor punto de fusión.
b) Cuál de ellos puede experimentar una reacción de eliminación y escríbala.
Cuestión 20
Complete las siguientes reacciones e indique de qué tipo son:
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Cuestión 21
Indique el tipo a que pertenece cada una de las siguientes reacciones:
Cuestión 22
Ponga un ejemplo de cada una de las siguientes reacciones:
a) Adición a un alqueno.
b) Sustitución en un alcano.
c) Deshidratación de un alcohol.
d) Reacción de eliminación de HCl en un cloruro de alquilo.
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