Unidad 6: Química orgánica
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Unidad 6: Química orgánica Introducción Se llama orgánica a la química de los compuestos de carbono. Además del carbono, los elementos que con más frecuencia intervienen en la química orgánica son, por orden de importancia: H, O, N, Halógenos, S, ... En la mayoría de las moléculas de química orgánica hay átomos de carbono unidos entre sí formando cadenas que pueden llegar a ser muy largas. La parte de la molécula que representa las uniones carbono-carbono se llama cadena o esqueleto. La figura de la derecha representa el esqueleto de la molécula de la izquierda. Los carbonos unidos a un sólo átomo de carbono se llaman primarios; los que están unidos a dos, secundarios; los unidos a tres, terciarios y los unidos a cuatro, cuaternarios. Tipos de fórmulas La complejidad de los compuestos orgánicos hace que interese utilizar fórmulas desarrolladas ya que conocer la estructura del compuesto y la disposición de sus enlaces tienen gran importancia para estudiar sus propiedades. Sin embargo, en muchas ocasiones, resulta recomendable la utilización de diversas simplificaciones ya que la fórmula desarrollada sería excesivamente incómoda. Las fórmulas semidesarrolladas detallan los enlaces del carbono pero escriben de manera abreviada aquellos elementos cuya disposición en la molécula no da lugar a confusión. Veamos, a modo de ejemplo, cómo sería la fórmula molecular, desarrollada y semidesarrollada para el "pentano": En el caso de que una parte de la molécula aparezca varias veces seguidas puede escribirse entre paréntesis e indicar, mediante un subíndice el número de veces que aparece en la molécula. Utilizando esta forma abreviada, la fórmula del pentano es: También pueden representarse las moléculas mediante líneas quebradas. Cada vértice representa un átomo de carbono. Los átomos de hidrógeno no se representan. Con esta representación, la fórmula del pentano es: Esta última representación se utiliza sobre todo para los casos en los que la cadena de átomos de carbono es cíclica. La figura indica las diferentes fórmulas para el ciclohexanol. Isomería La fórmula molecular indica muy poco sobre un compuesto orgánico. De hecho existen muchos compuestos orgánicos que teniendo distinta estructura y distintas propiedades físicas y químicas tienen la misma fórmula molecular; son los llamados isómeros. Existen varios tipos de isomería que iremos describiendo a medida que vayan surgiendo en las diferentes series de compuestos estudiados. página 1 1ª parte: Formulación y nomenclatura Hidrocarburos. Se llaman hidrocarburos a los compuestos formados únicamente por carbono e hidrógeno. Alcanos Los alcanos (parafinas) son hidrocarburos que no contienen ciclos ni dobles ni triples enlaces. También reciben el nombre de hidrocarburos saturados debido a que tienen "ocupadas" todas las valencias posibles del átomo de carbono. Su fórmula molecular general es CxH2x+2. Los alcanos de cadena lineal se nombran utilizando un prefijo que indica el número de átomos de carbono que contiene la cadena y la terminación ANO. Los cuatro primeros tienen nombres especiales. Metano CH3 - CH3 Etano CH4 CH3 - CH2 - CH3 Propano CH3 - (CH2)2 - CH3 Butano Para nombrar un alcano ramificado deben conocerse de antemano los nombres de las ramificaciones (también llamadas, radicales, sustituyentes o grupos alquilo). Los radicales más importantes son: metilo etilo butilo n-butilo secbutilo s-butilo propilo n-propilo Isobutilo isopropilo tercbutilo t-butilo Para nombrar un hidrocarburo ramificado se deben seguir las siguientes reglas: • Se escoge la secuencia de átomos de carbono (cadena) más larga de la molécula. Esta constituye el alcano principal el cual da nombre a la molécula utilizando, como antes, un prefijo numérico seguido de la terminación ANO. Si hubiese varias cadenas de la misma longitud se debe elegir la que posea un mayor número de sustituyentes. • Se numeran consecutivamente los átomos de carbono de la cadena principal comenzando por el extremo que permita asignar a los carbonos con ramificaciones el número más bajo posible. En caso de empate en el primer número debe acudirse al segundo y así sucesivamente. • El nombre de la cadena principal debe ir precedido de los nombres de los radicales, ordenados alfabéticamente, y precedidos de un número (localizador) que indica su posición en la cadena principal. Los radicales se nombran como prefijos es decir quitando la "o" final (metil en lugar de metilo). • Si existen dos grupos sobre el mismo carbono se debe escribir el localizador delante de los nombres de los dos radicales. • Los localizadores se separan del resto del nombre mediante guiones. • Si un mismo sustituyente aparece más de una vez en la cadena, los localizadores se separan entre sí por comas y se usan los prefijos "di", "tri", etc., para indicar el número de veces que aparece dicho grupo. Ejemplo: 6-etil 2,2,4,6-tetrametil octano Isomería de cadena Los alcanos: Butano Metilpropano tienen la misma fórmula molecular "C4H10" pero son, evidentemente, compuestos distintos. En este caso, la diferencia entre ambos compuestos es la disposición de los átomos de carbono en la cadena; por esta razón se llaman isómeros de cadena o de esqueleto. Cuando el número de átomos de carbono de un alcano es elevado, el número de isómeros posibles es enorme. Como el "metil propano" es el único isómero del butano, es también llamado isobutano. Al nombre de los hidrocarburos de cadena lineal suele anteponérsele el prefijo “n-“; en lugar de decir “butano”, por ejemplo, se dice “n-butano”. página 2 Hidrocarburos insaturados. Son los que tienen dobles o triples enlaces entre los átomos de carbono. Se subdividen en alquenos y alquinos. Alquenos Son hidrocarburos que tienen un doble enlace en su cadena carbonada. Son llamados también etilenos (nombre del primer compuesto de la serie) u olefinas (nombre primitivo del etileno). Su fórmula molecular general es: CxH2x Para nombrar los alquenos se usan criterios muy parecidos a los de los alcanos con las siguientes diferencias: • Se utiliza la terminación ENO. • La cadena principal debe contener al doble enlace, es decir, debe ser la más larga de entre todas las que contengan al doble enlace. • Debe indicarse la posición del doble enlace cuando sea necesario. Para ello se numeran los enlaces comenzando por el extremo de la cadena más próximo al doble enlace. • La numeración de los átomos de carbono de la cadena principal debe hacerse comenzando por el mismo extremo que en la numeración de los enlaces. • Cuando hay más de dos dobles enlaces, puede ocurrir que uno de ellos forme obligatoriamente parte de un radical. Aunque existen reglas para nombrar estos radicales, aquí nos limitaremos a conocer el nombre vulgar de los más importantes: metileno vinilo Vinileno Ejemplo: 2,5-dimetil-3-propil-2-hepteno Existen hidrocarburos que pueden contener más de un doble enlace en su molécula; son los polienos. De ellos los más importantes son los dienos los cuales, se clasifican en tres grupos atendiendo a las posiciones relativas de sus dobles enlaces: los que tienen los dos dobles enlaces en carbonos contiguos se llaman alenos, los que tienen un enlace simple entre medias se llaman dienos conjugados y los que tienen los dobles enlaces con más de un enlace simple de separación que no reciben ningún nombre especial. Se nombran igual que los alquenos pero utilizando una partícula numérica que indica el número de dobles enlaces. 1,3-butadieno Isomería de posición Los compuestos 1-buteno y 2-buteno tienen la misma fórmula molecular y se diferencian únicamente en la situación del doble enlace: CH3-CH2-CH=CH2 CH3-CH=CH-CH3 Además de los alquenos, este tipo de isomería existe en compuestos en los que hay una función química situada sobre uno de los carbonos de la cadena. Por ejemplo, son isómeros de posición los dos alcoholes: CH3-CHOH-CH3 CH3-CH2-CH2OH Isomería geométrica Los estereoisómeros o isómeros espaciales son aquellos que tienen la misma fórmula molecular, la misma fórmula desarrollada pero distinta fórmula configuracional, es decir, están formados por los mismos átomos, enlazados de la misma forma pero dispuestos en el espacio de diferente manera. La isomería geométrica es debida a la imposibilidad de giro de las moléculas alrededor del doble enlace; los cuatro átomos unidos al doble enlace C=C están situados en un plano que contiene también a los dos átomos de carbono. En el 2-buteno, pueden darse las siguientes dos posibles configuraciones: Cis-2-buteno Trans-2-buteno Como puede verse en el ejemplo, se llama isómero CIS a aquel en el que los dos grupos principales, unidos al doble enlace, están al mismo lado; se llama TRANS al caso contrario. Existen unas reglas muy extensas para decidir qué grupos son los más importantes; aquí nos conformaremos con elegir aquellos que tengan más átomos de carbono. página 3 Alquinos Son hidrocarburos que contienen un triple enlace en su cadena carbonada. Su fórmula general es: CxH2x-2. Los alquinos se nombran siguiendo las mismas reglas que en los alquenos pero utilizando la terminación INO. El primero de ellos ( CH ≡ CH ) recibe nombre especial: Acetileno. Hidrocarburos cíclicos Son hidrocarburos en los cuales la cadena carbonada se cierra sobre sí misma. Existen hidrocarburos cíclicos saturados, cicloalcanos, y con dobles o triples enlaces, cicloalquenos y cicloalquinos. Sus fórmulas generales son: Cicloalcano CxH2x Cicloalqueno CxH2x-2 Cicloalquino CxH2x-4 Para nombrar los hidrocarburos cíclicos debe procederse como en los correspondientes no cíclicos pero teniendo en cuenta las siguientes diferencias: • La cadena principal suele ser el ciclo. • Al nombre de dicha cadena se le añade el prefijo "ciclo". • Cuando hay ramificaciones, estas, se nombran como en los hidrocarburos no cíclicos numerando la cadena de tal forma que se obtengan los números más bajos posibles. En caso de que haya un doble enlace en el ciclo la numeración se debe hacer asignando los números 1 y 2 a los carbonos que forman parte del doble enlace. Ciclohexeno 1,2-dimetilciclohexeno 3,5-dimetilciclohexeno • Cuando hay varios ciclos unidos a una cadena abierta resulta más cómodo nombrar estos como radicales. Los nombres de los radicales son como los de cadena abierta pero precedidos de la palabra ciclo. 2-ciclohexil-3-ciclobutilbutano Hidrocarburos aromáticos Se llaman hidrocarburos aromáticos o arenos a todos aquellos que contienen en su molécula al benceno de fórmula molecular C6H6. Sus especiales propiedades hacen que se deban estudiar aparte del resto de los hidrocarburos cíclicos. La fórmula estructural del benceno fue establecida por el químico alemán August Kekulé en 1856; según la teoría de Kekulé los seis átomos de carbono se distribuyen formando un ciclo en el que los dobles enlaces se alternan con enlaces sencillos. Sin embargo experimentalmente puede comprobarse que todos los enlaces C-C del benceno son equivalentes y de orden intermedio entre el simple y el doble enlace. Para simplificar suele utilizarse una representación del benceno en la que el conjunto de dobles enlaces se reproduce mediante una circunferencia interior al hexágono: página 4 El "benceno" es el más importante, pero existen otros hidrocarburos aromáticos formados por varios anillos "bencénicos" unidos entre sí. Los más importantes son: Naftaleno Bifenilo Antraceno Fenantreno Cuando un hidrocarburo aromático contiene ramificaciones no aromáticas se nombra considerando como radicales dichas ramificaciones: Metilbenceno ( Tolueno ) Vinilbenceno ( Estireno ) Si el hidrocarburo posee dos ramificaciones se utilizan los prefijos ORTO, META y PARA para indicar su posición relativa: ORTO (carbonos contiguos), META (un carbono entre medias de los dos radicales) y PARA (dos carbonos entre medias). Ejemplos: Ortodimetilbenceno 1,2-dimetilbenceno Metadimetilbenceno 1,3-dimetilbenceno Paradimetilbenceno 1,4-dimetilbenceno Los prefijos orto, meta y para se pueden abreviar escribiendo sólo la primera letra seguida de un guión: o-dimetilbenceno, m-dimetilbenceno y p-dimetilbenceno. En caso de que haya más de dos sustituyentes se utiliza la misma nomenclatura que la de los hidrocarburos cíclicos: 1,2,4-trimetilbenceno El radical procedente del benceno (C6H5-) se llama fenilo: 2-fenil-3-ciclobutilbutano página 5 Derivados halogenados Son compuestos en los que uno o varios átomos de hidrógeno de un hidrocarburo han sido sustituidos por halógenos. Son también llamados halogenuros de alquilo. Se nombran igual que los hidrocarburos pero anteponiendo el nombre del halógeno precedido de un número que indica su posición en la cadena. En el caso de que se trate de hidrocarburos ramificados, se da preferencia al halógeno frente al radical a la hora de numerar la cadena principal; en el nombre, radicales y halógenos se escriben en orden alfabético. Ejemplos: 2-clorobutano 1-cloro-3-metilbutano 1,2-dibromopropano o-diclorobenceno También puede nombrarse la cadena carbonada como un radical: en lugar de 2-clorobutano, por ejemplo, puede decirse cloruro de secbutilo. Algunos derivados halogenados tienen nombres especiales. Tal es el caso del "cloroformo" (Triclorometano), antiguamente utilizado como anestésico: CHCl3. Los derivados clorados y fluorados, desprovistos de hidrógeno, se conocen con el término genérico de freones o "clorofluorcarbonos (CFCs)". El más conocido es el freón: CCl2F2 Grupos funcionales Las propiedades de los compuestos orgánicos que contienen oxígeno, nitrógeno u otros elementos (además de carbono e hidrógeno) dependen fundamentalmente de la parte de la cadena en la que están dichos elementos. Esta parte se llama grupo funcional. Estudiaremos varios grupos de compuestos (series homólogas) que tienen propiedades análogas por tener todos ellos el mismo grupo funcional. Alcoholes y fenoles El grupo funcional formado por un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno se llama hidroxilo. Los compuestos que llevan dicho grupo se llaman alcoholes. Si R, R' y R'' son radicales alquilos (o átomos de hidrógeno), la fórmula general de un alcohol es: Los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios o terciarios dependiendo de la naturaleza del carbono que "sostiene" el grupo funcional. A los compuestos en los que el grupo OH- está unido a un radical "fenilo" se les llama fenoles. Los alcoholes se nombran utilizando el nombre del hidrocarburo correspondiente utilizando la terminación OL e indicando mediante un número la posición del grupo alcohol. La numeración de la cadena se hace dando prioridad al grupo alcohol, es decir, la cadena principal debe contener al grupo alcohol y la numeración de la cadena debe hacerse comenzando por el lugar que asigne número más bajo al carbono que contiene dicho grupo. Algunos de ellos tienen nombres especiales que se indican en los ejemplos entre paréntesis. Metanol (Alcohol metílico) Etanol (Alcohol etílico) 1-propanol 3-metil-2-butanol El grupo alcohol puede aparecer varias veces en una molécula; en este caso el número de grupos alcohol debe especificarse mediante un prefijo numérico. Propanotriol (glicerina) Los fenoles se nombran dando prioridad al anillo aromático. El grupo alcohol se nombra en este caso como un radical: hidroxi 1,2-propanodiol Hidroxibenceno (fenol) o-dihidroxibenceno (pirocatequina) m-dihidroxibenceno (resorcina) p-dihidroxibenceno (hidroquinona) página 6 Éteres Se llaman éteres a todos los compuestos formados por dos grupos alquilo o arilo unidos a un átomo de oxígeno: Se nombran los dos radicales alquilo y se termina con la palabra "éter". También pueden nombrarse intercalando el prefijo “oxi” entre los dos radicales. Dietiléter Etoxietano Éter etílico Etilmetiléter Metoxietano Isomería de función Los éteres tienen la misma fórmula molecular que los alcoholes del mismo número de átomos de carbono. A estos compuestos, que tienen propiedades químicas tan diferentes por tener distinta función química, se les llama isómeros de función. Un ejemplo de este tipo de isomería es la de los compuestos: Aldehídos y cetonas Son compuestos en los que un átomo de carbono está unido mediante un doble enlace a un átomo de oxígeno (grupo carbonilo). Si el carbono es terminal el compuesto se llama aldehído, si es un carbono intermedio en la cadena, cetona. Evidentemente, un aldehído y una cetona del mismo número de átomos de carbono son isómeros. Aunque pudiera pensarse que son isómeros de posición, se considera que lo son de función ya que tienen propiedades diferentes. Los aldehídos se nombran utilizando la terminación AL Metanal (formaldehído) Etanal (Acetaldehído) Propanal Las cetonas se nombran utilizando la terminación ONA. Propanona 2-pentanona (Acetona) Los aldehídos y las cetonas del mismo número de átomos de carbono son isómeros. Aunque contienen el mismo grupo funcional, el carbonilo, al tener propiedades químicas diferentes, se consideran isómeros de función. Acidos carboxílicos En los ácidos carboxílicos se encuentran unidos en un carbono terminal el grupo carbonilo (C=O) y el grupo hidroxilo (C-OH), pero la influencia entre ambos es tan estrecha que merecen ser estudiados como un grupo aparte (grupo carboxilo). La fórmula general de un ácido carboxílico es: Los ácidos carboxílicos se nombran utilizando la palabra ácido y la terminación OICO. Muchos de ellos tienen nombres vulgares. Ácido metanoico (Ácido fórmico) Ácido etanoico (Ácido acético) Ácido propanoico (Ácido propiónico) Ácido etanodioico (Ácido oxálico) Ácido benzoico Ácido propenoico (Ácido acrílico) página 7 Los aceites y grasas son derivados de los llamados ácidos grasos. Algunos de ellos son: Ácido esteárico Ácido palmítico Ácido oleico Sales Lo mismo que los ácidos inorgánicos, los ácidos carboxílicos pueden formar sales con los metales. Se nombran igual que las oxosales. Propanoato de potasio Etanoato de magnesio (Acetato magnésico) Aminas Pueden considerarse derivados del amoníaco donde los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por radicales alquilo. Dependiendo de que se sustituya uno, dos o tres hidrógenos, las aminas se llaman respectivamente primarias, secundarias o terciarias. La fórmula general de las aminas es: donde los grupos R, R' y R'' pueden ser radicales alquilo o arilo o átomos de hidrógeno. Se nombran primero los radicales (o los hidrocarburos de los que proceden) y se termina con la palabra amina. Metilamina Metanamina Etilmetilamina Etanometanamina Fenilamina (Anilina) Nitrilos Pueden considerarse derivados del ácido cianhídrico donde el hidrógeno ha sido sustituido por un radical alquilo. La fórmula general de los nitrilos es: Se nombran utilizando el nombre del hidrocarburo base y terminando con la palabra nitrilo. Aunque esta es la nomenclatura de la IUPAC, también suelen llamarse como cianuros de alquilo. Etanonitrilo Cianuro de metilo Propanonitrilo Cianuro de etilo Nitrocompuestos Son compuestos en los que el grupo nitro "NO2" está unido a una cadena de carbonos que puede ser alifática o aromática. La estructura ha de explicarse acudiendo a la teoría de la resonancia: Se nombran utilizando la palabra nitro seguida del nombre del hidrocarburo base. Nitrometano Nitrobenceno página 8 Derivados de ácido Son compuestos en los que el hidrógeno (o el grupo OH) de un ácido es sustituido por otro átomo o grupo de átomos. Los más importantes son los ésteres y las amidas: Éster Amida Nomenclatura de los ésteres Los ésteres se nombran de manera análoga a las sales, cambiando la terminación "ICO" de los ácidos carboxílicos por "ATO". Propanoato de metilo Los ésteres de los ácidos grasos con la glicerina (grasas) tienen importancia industrial por ser la base de la fabricación de los jabones y detergentes: Triestearato de propilo Nomenclatura de las amidas Se nombran utilizando el nombre del hidrocarburo base y terminando con la palabra amida. Etanamida Una amida especialmente interesante es la que se forma al sustituir los dos grupos "OH" del ácido carbónico. Se llama urea y está contenida en la orina de los mamíferos. Su fórmula es: Urea Se llaman amidas sustituidas a aquellas en las que uno los dos átomos de hidrógeno unidos al nitrógeno han sido reemplazados por radicales. Para indicar qué radical está unido al nitrógeno se utiliza el prefijo NN-metilpropanoamida Compuestos con varios grupos funcionales Existen compuestos que tienen varios grupos funcionales diferentes en su molécula. La siguiente tabla muestra el orden de prioridad que se establece para nombrarlos. ácido éster amida aldehído cetona nitrilo alcohol amina éter oico -oato de -amida -al -ona -nitrilo -ol -amina -oxi- carboxioxicarbonilcarbamoiloxooxocianohidroxiamino-oxi- El grupo que se encuentra más arriba en la tabla se considera el principal; este grupo recibe el mismo nombre que tendría si fuera el único (columna central). El resto de los grupos se nombran, como si fueran sustituyentes, utilizando prefijos o sufijos distintos (columna de la derecha); por ejemplo, el grupo alcohol se nombra utilizando la terminación ol cuando es el grupo principal y la palabra hidroxi cuando es el secundario. Veamos algunos ejemplos: CH3 - CHOH - COOH CH3 - CO - CH2 - CHO CH3 - CHNH2 - COOH CH2OH - CO - CH3 COOH - CHOH - CHOH - COOH Acido 2-hidroxi propanoico (Acido láctico) 3-oxo-butanal Acido 2-amino propanoico (Alanina) 1-hidroxi propanona Ácido 2,3-dihidroxi-butanodioico (Ácido tartárico) página 9 Isomería óptica Los isómeros ópticos se llaman así porque una de las pocas diferencias que tienen en su comportamiento es la diferente desviación que producen en el plano de polarización de la luz. Aunque la diferencia entre los isómeros ópticos es muy pequeña, su estudio tiene importancia en la química de los seres vivos. La isomería óptica existe en los compuestos en los que un átomo de carbono está unido a cuatro grupos diferentes carbono asimétrico. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, con el carbono central del ácido láctico: Los cuatro enlaces de un átomo de carbono están aproximadamente dirigidos según los vértices de un tetraedro. Esto hace que existan dos posibles configuraciones, representadas en la figura, que no son superponibles; en realidad la molécula de la derecha es la imagen especular de la de la izquierda. El isómero que desvía el plano de la luz polarizada hacia la derecha se llama dextrógiro y el que lo desvía hacia la izquierda levógiro. La mezcla a partes iguales de dichos isómeros se llama racémico; naturalmente el racémico es ópticamente inactivo. página 10 2ª parte: Reacciones orgánicas Introducción Las reacciones orgánicas siguen las mismas reglas termodinámicas y cinéticas que las inorgánicas y se formulan de la misma manera. No obstante, tienen ciertas peculiaridades que conviene citar: • La reacción química suele ocurrir en la zona de la molécula más activa químicamente: el grupo funcional. El resto de la molécula permanece inalterado. • En la mayoría de las reacciones se mantiene el esqueleto de las moléculas. • Salvo pocas excepciones las reacciones se producen entre una molécula orgánica de tamaño considerable a la que llamaremos sustrato y una molécula pequeña, generalmente inorgánica, a la que llamaremos reactivo. Ejemplo: donde el etano es el sustrato y el cloro el reactivo. • Las ecuaciones que representan a dichas reacciones suelen abreviarse escribiendo únicamente las sustancias orgánicas y el reactivo sobre la flecha: También suelen escribirse sobre la flecha las condiciones en las que se realiza la reacción así como el catalizador utilizado. En la hidrogenación de alquenos, por ejemplo, se usa como catalizador el platino. La reacción se escribiría así: La mayoría de las reacciones orgánicas obedecen a procesos complejos con varios pasos y la formación de compuestos intermedios. El conjunto de estos procesos elementales que componen una reacción se le llama mecanismo. El estudio de los mecanismos de las reacciones resulta muy útil ya que permite controlar la reacción, aumentar su velocidad encontrando el catalizador adecuado, a mejorar los rendimientos y a predecir nuevas reacciones que nos permitirán realizar síntesis de otros compuestos. Aunque el número de reacciones orgánicas conocidas es enorme, pueden agruparse en unos cuantos grupos de acuerdo con el mecanismo de la reacción: I - Reacciones de sustitución Son aquellas en las que se transforma un enlace C-X en uno C-Y (Y sustituye a X), donde X e Y pueden ser un átomo o un grupo de átomos. Las más importantes son: • Halogenación de alcanos Un átomo de un halógeno sustituye a uno de hidrógeno: La sustitución de cloro continúa por lo que esta reacción no es adecuada para obtener clorometano. Naturalmente, si el metano se encuentra en exceso, predominará el clorometano. Si, por el contrario, es el cloro el que está en exceso se formará una mayor cantidad de tetracloruro de carbono. Cuando el alcano tiene más de un átomo de carbono, el halógeno se sustituye preferentemente en un carbono terciario que en uno secundario y en uno secundario que en un primario. En el siguiente ejemplo se ha escrito únicamente el compuesto que se forma en mayor cantidad: • Nitración de alcanos Los alcanos reaccionan con el ácido nítrico sustituyendo uno de sus hidrógenos por el grupo nitro: página 11 • Sustitución en anillos aromáticos Las reacciones anteriores también ocurren con los arenos: • Sustituciones en derivados halogenados El halógeno se sustituye con facilidad por otros grupos: • Sustitución de grupo hidroxilo por halógeno II - Reacciones de adición Son aquellas en las que se rompe un doble enlace y las valencias que quedan libres de los átomos que lo formaban se ocupan por otros átomos o grupos de átomos. El proceso general es: Las más importantes son: • Hidrogenación de alquenos • Halogenación de alquenos • Adición de haluros de hidrógeno Cuando se trata de un alqueno asimétrico respecto al doble enlace se forman dos productos pero predomina el indicado por la regla de Markovnikov: Cuando a un alqueno asimétrico se adiciona un haluro de hidrógeno, el hidrógeno se une preferentemente al carbono que tiene más átomos de hidrógeno. donde se ha escrito únicamente el producto mayoritario. • Adición de cianuro de hidrógeno a un grupo carbonilo En este caso la adición se produce al doble enlace C=O • Adición a alquinos La adición al triple enlace ocurre en dos fases: página 12 III - Reacciones de eliminación Son las reacciones opuestas a las de adición. El proceso general es: Las más importantes son: • Deshidratación de alcoholes Es la reacción que se suele utilizar para obtener alquenos. Se produce cuando se calienta el alcohol en presencia de un agente deshidratante como el ácido sulfúrico: Q , H SO 2 4 CH 3 − CH 2 OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O Cuando se puede obtener más de un alqueno, el más abundante es (según la regla de Saytzev) el que resulta de perder el hidrógeno del carbono que tiene menos hidrógenos: CH 3 − CHOH − CH 2 − CH 3 Q , H SO 2 4 → CH 3 − CH = CH − CH 3 + H 2 O • Deshidrohalogenación de derivados halogenados El sustrato es un derivado halogenado y el reactivo una base igual que la reacción de sustitución citada en la página 12 por lo que las dos reacciones compiten entre sí. Si el disolvente es muy polar (agua) predomina la sustitución, si es menos polar (alcohol) predomina la eliminación: IV - Reacciones de condensación Son aquellas en las que dos moléculas orgánicas se unen para formar una molécula mayor con pérdida de una molécula pequeña. La reacción inversa se llama hidrólisis. Las más importantes son: • Esterificación Es la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol para formar un éster. Entre los dos grupos funcionales se desprende una molécula de agua. La reacción inversa se llama, en este caso, saponificación. • Formación de amidas Cuando reaccionan un ácido carboxílico y una amina se forma una amida y se desprende una molécula de agua: V - Reacciones ácido-base Los ácidos carboxílicos son solubles en agua y una vez disueltos se disocian parcialmente dejando libre un protón. Se comportan pues como ácidos débiles de Arrehnius: • Formación de sales Como los ácidos inorgánicos, reaccionan con las bases para dar sales: Las aminas, por el contrario, son bases de Brönsted-Lowry. En presencia de agua se establece el equilibrio: • Formación de sales Reaccionan con los ácidos para dar sales: página 13 VI - Reacciones red-ox En los compuestos orgánicos que contienen oxígeno el átomo de carbono se encuentra con diferente estado de oxidación. Las siguientes secuencias representan sustancias que pueden transformarse unas en otras mediante reacciones de oxidación reducción. En todas ellas, de izquierda a derecha aumenta el número de oxidación del átomo de carbono. alcoholes secundarios - cetonas alcoholes primarios - aldehídos - ácidos carboxílicos aminas - nitrocompuestos Como oxidantes suelen utilizarse el permanganato potásico o el dicromato potásico y como reductores el hidrógeno o el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4). Veamos algunos ejemplos de estas reacciones: Combustión Muchos compuestos orgánicos arden en presencia de oxígeno. En la reacción se destruye la cadena de átomos de carbono y se forma dióxido de carbono y agua. página 14 3ª parte: Polímeros Existen sustancias químicas formadas por moléculas muy grandes que contienen miles de átomos (macromoléculas). Algunas de ellas, los polímeros, están formadas por la repetición de una molécula sencilla llamada monómero. Existen polímeros naturales como la seda, los polisacáridos y el caucho y artificiales como el nylon, los plásticos y los cauchos artificiales. En general, los polímeros tienen gran resistencia al desgaste y a la rotura, a los agentes químicos y atmosféricos, elasticidad, facilidad de teñido, baja densidad, capacidad para formar fibras y son aislantes de la corriente eléctrica. Atendiendo a sus propiedades particulares, los polímeros se dividen en: plásticos, fibras y elastómeros. • Plásticos. Son los polímeros más importantes. Se pueden moldear por el calor. En función de su comportamiento frente a las altas temperaturas se dividen en termoplásticos y termoestables. Los termoplásticos, los que habitualmente denominamos plásticos, se pueden moldear varias veces por el calor. Son ejemplos el polietileno, el polipropileno y el cloruro de polivinilo. Los termoestables o resinas sólo pueden moldearse en una ocasión. Cuando se solidifican forman un material resistente y de estructura rígida. Un ejemplo de este tipo de plásticos es la baquelita. • Fibras. Son estructuras poliméricas unidimensionales que se obtienen al someter el polímero a extrusión (hacerlo pasar a presión por agujeros muy finos). Se establecen fuerzas de Van der Waals entre moléculas vecinas lo que permite la formación de hilos. Son fibras naturales la lana, la seda y el algodón y sintéticas las poliamidas y el poliéster. • Elastómeros. Son polímeros de gran estabilidad. Sus moléculas están enrolladas de manera que cuando se estiran su longitud aumenta de forma considerable. Cuando se dejan en libertad sus moléculas tienden a enrollarse de nuevo y recuperar su forma original. Un elastómero natural es el caucho, un polímero del isopreno (metil-1,3-butadieno); para mejorar sus características elásticas, se hace que reaccione con azufre (vulcanización) para establecer enlaces o puentes disulfuro entre cadenas vecinas. Atendiendo al tipo de reacción en la que se produce la formación del polímero a partir del monómero, los polímeros se dividen en dos grandes clases: polímeros de adición y de condensación. Cuando el polímero se forma a partir de un único monómero se llama homopolímero. Si se alternan varios monómeros, se llama copolímero. Polímeros de adición Se forman entre monómeros con doble enlace. Los dobles enlaces se rompen y los monómeros se unen entre sí formando largas cadenas. Veamos a modo de ejemplo la formación del poliestireno: La parte del polímero situada entre las dos líneas verticales se llama unidad recurrente. En los polímeros de adición la unidad recurrente tiene la misma fórmula que el monómero. Polietileno: Es el polímero de adición más sencillo: El número de unidades de monómero que se unen para formar el polímero depende de las condiciones de la reacción. En función de estas se forman polímeros de muy diferentes propiedades. El polietileno obtenido a baja presión es de cadena lineal y tiene alta densidad, es duro y rígido; se utiliza por ejemplo para hacer cubos y barreños. El obtenido a alta presión es ramificado y tiene baja densidad, es transparente y muy flexible; se utiliza para hacer bolsas de plástico. Caucho natural: Cuando se forma un polímero de adición a partir de un dieno conjugado, debido a un proceso llamado efecto mesómero se produce un desplazamiento del doble enlace: página 15 Polímeros de condensación En este caso, como vimos al estudiar las reacciones de condensación, por cada dos moléculas de monómero que se unen se desprende una molécula inorgánica, generalmente agua. Veamos un ejemplo: La fórmula de la unidad recurrente (C3H5ON) es ahora distinta de la del monómero (C3H7O2N). Almidón y celulosa: Son dos polímeros naturales de condensación de la glucosa: Entre los polímeros de condensación abundan los copolímeros. Un ejemplo es el nailon que se forma entre el ácido adípico (hexanodioico) y la hexametilendiamina (1,6-diaminohexano): Siliconas Son polímeros de condensación en los que el elemento principal es el silicio. Se forman con monómeros del tipo: R2Si(OH)2 donde “R” es un radical alquilo. La silicona más común es el polidimetilsiloxano cuyo monómero es el dimetilsilanol: Las siliconas son muy estables frente al calor y la oxidación. Se utilizan para fabricar aceites lubricantes, pasta sellante, material pediátrico y clínico, etc. página 16
