LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS La química orgánica estudia los

LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS
La química orgánica estudia los compuestos del carbono, aunque algunas combinaciones
sencillas, como sus óxidos, carburos y carbonatos se estudian dentro de los compuestos
inorgánicos.
La inmensa cantidad de compuestos orgánicos, la mayoría de ellos formados solo por la
unión a hidrógeno y oxígeno, se debe a:
• La capacidad que tiene el carbono de unirse a sí mismo y formar cadenas, ya que
las energías de enlace C−C es muy grande y comparable a la que tiene lugar en
la unión con el hidrógeno o con el oxígeno. Eso no le ocurre al silicio, porque la
unión Si−Si tiene una energía de enlace muy pequeña que no compite con las
uniones más estables que forma con los otros elementos.
• Además el carbono tiene la capacidad de formar consigo mismo dobles y triples
enlaces cuando presenta, respectivamente, las hibridaciones sp2 (trigonal plana)
y sp (lineal), como ya vimos.
Las fórmulas de los compuestos orgánicos pueden representarse con varios niveles de
concreción y así tenemos:
1. Fórmula empírica, expresa solamente la proporción en que se encuentran los átomos,
por ejemplo (C2H4)n
2. Fórmula molecular, indica el total de átomos que forman en la molécula: C4H8
3. Fórmulas estructurales: Indican los enlacen que unen los átomos entre sí. Pueden ser:
• Lineal o Condensada: CH2=CH−CH2−CH3
• Plana o Expandida: representan en un plano todos los enlaces
H
H H
\
| |
C=C−C−C−H
/ | | |
H H H H
H
\
C=CH−CH2−CH3
/
H
En la mayoría de los casos lo que se suele utilizar una mezcla en la que se
combina la forma condensada y expandida, como se escribe a la derecha.
• Tridimensional, en las que se representan los enlaces según las direcciones en el
espacio. El criterio para dibujar los enlaces es con un trazo normal cuando el
enlace está en el plano del papel, en forma de cuña cuando apunta hacia delante
del papel y por un trazo discontinuo cuando el enlace apunta hacia detrás.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS
Los compuestos orgánicos se clasifican de acuerdo a determinadas agrupaciones de
átomos que por sus características le confieren al resto de la cadena unas propiedades
químicas especiales. A ese grupo de átomos se le llama Grupo Funcional.
Serie homóloga: Se llama así al grupo de compuestos que tienen el mismo grupo
funcional (por tanto pertenecen a la misma clase), pero difieren en la longitud de la
cadena, es decir tienen un –CH2− más o menos.
Los principales grupos funcionales son los siguientes:
Clase
alcanos
Grupo funcional terminación radical
ninguno
Hidrocarburos
alquenos
alquinos
R−C≡C−R
cíclicos
ano
il/ilo
eno
enil/enilo
CH3−CH=CH2
propeno
ino
inil/inilo
CH3−C≡C−CH3
2−Butino
ciclo−
ciclohexano
aromáticos
eno
fenil
metilbenceno / fenilmetano
(tolueno)
derivados del
benceno
Funciones oxigenadas
Ejemplo
CH3−CH3
etano
haluros de
alquilo
R−X
cloruro
cloro
CH3−CH2−Br
bromuro de etilo
alcoholes
R−OH
ol
hidroxi
CH3−CH2−OH etanol
fenoles
Ar−OH
ol
hidroxi
fenol
éteres
aldehídos
R−O−R´
éter
oxi
al
formil
CH3−CH2−O−CH2−CH3
etoxietano / dietiléter
etanal
cetonas
ona
oxo
propanona
ácidos
carboxílicos
ác. −oico
carboxi
ácido etanoico (ác. acético)
ésteres
y sales
−ato de
−ilo
Funciones nitrogenads
etanoato de metilo
aminas
primarias
R−NH2
amina
amino
CH3−NH2
metilamina
aminas
secundarias
R−NH−R´
amina
amino
(CH3)2NH
dimetilamina
aminas
terciarias
amina
amino
(CH3)3N
trimetilamina
amidas
amida
etanamida
nitrilos
−C≡N
nitrilo
nitroderivados
−NO2
nitro
ciano
CH3CN etanonitrilo
CH3NO2
nitrometano
Esqueletos carbonados: cadenas principales
n Nombre (−ano)
Fórmula (CnH2n+2)
n
Nombre (−ano)
Fórmula (CnH2n+2)
1
metano
CH4
8
octano
CH3(CH2)6CH3
2
etano
CH3CH3
9
nonano
CH3(CH2)7CH3
3
propano
CH3CH2CH3
10
decano
CH3(CH2)8CH3
4
butano
CH3(CH2)2CH3
11
undecano
CH3(CH2)9CH3
5
pentano
CH3(CH2)3CH3
12
dodecano
CH3(CH2)10CH3
6
hexano
CH3(CH2)4CH3
13
tridecano
CH3(CH2)11CH3
7
heptano
CH3(CH2)5CH3
14
tetradecano
CH3(CH2)12CH3
Reglas de formulación:
Alcanos (de fórmula general CnH2n+2)
• La cadena más larga es la cadena principal. Si hubiera varias cadenas más largas de
la misma longitud, la principal es la que más sustituyentes tenga.
1
CH3
│
2
CH2
5
4
3│
CH3−CH2− CH− CH3
3−metilpentano
(Si se numerara la cadena horizontal tendría 4 carbonos, mientras que hay otra
posibilidad donde la cadena tiene 5 carbonos, por tanto esa es la cadena principal y se
nombra como un derivado del pentano)
• Se numera de un extremo a otro, sin importar la dirección, pero de forma que los
sustituyentes queden con los números localizadores más pequeños. Si se compara una
serie de localizadores con otra, la más baja es la correcta. La serie más baja es la que
contiene el número más bajo en el primer punto de diferencia.
CH3
1
2
3
4│
5
CH3−CH2− CH2− CH− CH3
4−metilpentano (MAL)
CH3
2│
1
CH3−CH2− CH2− CH− CH3
2−metilpentano (Bien)
5
4
3
En la forma condensada el radical se escribe entre paréntesis para no inducir a
confusión: CH3CH2CH2CH(CH3)CH3
• Los localizadores se escriben inmediatamente delante de las partículas a las que
hacen referencia separados por un guión. Si hay varios localizadores iguales se separan
entre sí mediante comas y se nombran una sola vez utilizando los prefijos di−, tri−,
tetra−, penta−, hexa−, etc., si bien cada grupo recibe su propio número. Ejemplo:
2,2−dimetil−butano.
CH3 CH3
1
2│ 3│
4
5
CH3−C− CH− CH2− CH3
│
CH3
2,2,3−trimetilpentano
• Los sustituyentes toman el nombre de la función correspondiente. Si es un alcano se
sustituye la terminación −ano por –ilo. Ejemplo: 1−propilo CH3CH2CH2−
• Los sustituyentes se ordenan alfabéticamente. Además, si existen dos o más
sustituyentes en posiciones equivalentes, se asigna el número menor al que se cite por
orden alfabético en primer lugar, salvo que la numeración de la cadena ya haya sido
decidida por otra regla de orden superior.
CH3
│
CH3 CH2
6
5
4│
3│
2
1
CH3 −CH2−CH2− CH− CH2− CH3
3−etil−4−metilhexano
(La primera irregularidad la encontramos en el carbono 3, tanto si comenzamos a contar
hacia la derecha como hacia la izquierda, pero se decide el orden indicado porque los dos
radicales son del mismo tipo, y el nombre etilo alfabéticamente es anterior a metilo.)
• Cuando un sustituyente es complejo se escribe entre paréntesis
Alquenos y alquinos (de fórmula general CnH2n y CnH2n−2 respectivamente)
• La cadena principal es la mayor que contenga a los dos carbonos que tienen el doble
o triple enlace. Según las normas de la IUPAC de 1993 se nombran indicando primero
el prefijo del número átomos C de la cadena – localizador−eno (o ino ). El localizador
de los dos carbonos implicados es el que tiene el número más bajo.
1
2
3
4
CH2=CH− CH2− CH3
1
2
3
4
CH2=CH− CH= CH2
1
2
3
but−1−eno
buta−1,3−dieno
4
CH3−C≡ C− CH3
but−2−ino
• Si hay dobles y triples enlaces, se da el número más bajo al doble enlace. Los
alquenos tienen prioridad sobre los alquinos
1
2
3
4
5
CH3−CH=CH−C CH
pent−2−en−4−ino
• A todos los grupos funcionales distintos del principal se les nombra como derivados
de la cadena principal.
CH3
1
2
3│
4
3−metilbut−1−eno
CH2=CH− CH− CH3
CH3−CH(CH3)−C C−CH(CH3)−CH3
HC C−CH2Cl
2,5−dimetilhex−3−ino
3−cloropropino
Resumiendo: [localizador–] Radical Cadena [–localizador–] ano/eno/ino
Hidrocarburos aromáticos
• Se nombran como derivados del benceno. Si hay varios sustituyentes se indican sus
posiciones mediante números de manera que sean los más bajos posibles. (También se
emplean los prefijos meta, orto y para, indicando con ellos las posiciones contiguas,
alternas y opuestas respectivamente.)
metilbenceno (tolueno)
1,2−diclorobenceno (orto−diclorobenceno)
• Cuando el anillo bencénico está unido a una cadena y se nombra como radical se
llama fenil o fenilo. Por ejemplo, el metilbenceno también podríamos llamarlo
fenilmetano.
Alcoholes y fenoles
• Se nombran como si fuesen derivados de hidrocarburos y terminándolos en ol. Si el
grupo OH no está al final de la cadena se indica utilizando las mimas reglas que para la
nomenclatura de alquenos (tradicionalmente se empleaba la palabra hidroxi para
indicarlo como sustituyente)
CH3− CH2− CH2OH
OH
4
3
2│
1
CH2=CH− CH− CH3
OH OH OH
│
│
│
CH2−CH− CH2
propanol
but−3−en−2−ol
(3−hidroxibut−1−eno)
1,2,3−propanotriol (glicerina)
fenol
Éteres
• A partir de 1993 se nombran como si fueran oxialcanos, es decir, como si fuera un
sustituyente de una de las cadenas que se construye terminando en oxi a la cadena más corta
(CH3–O− metoxi; CH3CH2–O− etoxi). Tradicionalmente se llamaban nombrando las dos
cadenas como radicales y terminando en éter:
CH3−O−CH2−CH3
metoxietano (metil−etil−éter)
CH3−O−C6H6
metoxibenceno (metil−fenil−éter)
CH3−O−CH3
dimetil éter
Aldehídos y cetonas
• Se nombran como los alcoholes, pero referenciando a los aldehídos con al, y a las
cetonas con ona. (Las cetonas tradicionalmente se llamaban como los éteres, es decir
nombrabdo las dos cadenas y terminando con la palabra cetona)
CH3− CH2− CHO
propanal
CH3− CO− CH2−CH3
but−2−ona (metil−etil−cetona)
O
║
4
3
2
1
CH2=CH− C− CH3
but−3−en−2−ona
para algunos de ellos se les acepta los nombres tradicionales, como:
metanal (formaldehído)
etanal (acetaldehído)
propanona (acetona)
Ácidos carboxílicos
• Se nombran como el hidrocarburo del que provienen pero terminándolo en oico.
ácido etanoico (ác. acético)
CH3−CHCl−COOH
ácido 2−cloropropanoico
CH3−CH(CH3)−COOH
ácido metilpropanoico
HOOC−COOH
ácido etanodioico (ác. oxálico)
ácido benzoico (C6H5−COOH )
para algunos de ellos se les acepta los nombres tradicionales, como por ejemplo:
HCOOH
ác. metanoico
ác. fórmico
CH3−COOH
ác. etanoico
ác. acético
CH3CH2COOH
ác. propanoico
ác. propiónico
CH3CH2CH2COOH
ác. butanoico
ác. butírico
CH3−(CH2)14−COOH
ác. hexadecanoico
ác. palmítico
CH3−(CH2)16−COOH
ác. octadecanoico
ác. esteárico
CH3−(CH2)7−CH=CH−(CH2)7−COOH
ác. cis−9−octadecenoico
ác. oléico
HOOC−COOH
ác. etanodioico
ác.oxálico
HOOC−CH2−COOH
ác. propanodioico
ác. malónico
Ésteres y sales
• Se nombran como el ácido del que provienen pero terminándolas ato (en lugar de
oico) y nombrando el alcohol del que proviene como un radical.
etanoato de metilo (acetato de metilo)
etanoato de sodio (acetato de sodio)
Los ésteres más comunes en la naturaleza son las grasas, que se forman por reacción de
los ácidos grasos (palmítico, esteárico y oleico) con la glicerina.
Aminas
• Pueden considerarse como derivados del NH3 en donde uno o varios hidrógenos se
sustituyen por radicales. Se nombra el radical y se termina con la palabra amina.
CH3−CH2−NH2
etilamina
CH3−NH−CH3
dimetilamina
fenilamina (anilina)
• En las aminas secundarias y terciarias, para evitar confusiones, se escoge el radical
mayor como cadena principal y los demás se nombran anteponiendo una N para indicar
que están unidos al nitrógeno.
CH3−CH2−NH−CH2−CH2−CH3
N−etil−propilamina o etilpropilamina
CH3
│
CH3−CH2−N−CH2−CH2−CH3
N−etil−N−metil−propilamina
• Cuando las aminas forman parte de la cadena principal de otra función de mayor
rango se nombran como sustituyentes con su correspondiente número localizador y el
prefijo amino.
ácido 2−amino−propanoico (Alanina)
Amidas
• Las amidas derivan de los ácidos carboxílicos, en los que se ha sustituido el grupo
−OH por el grupo –NH2, –NHR o –NRR´ , con lo que resultan, respectivamente, las
llamadas amidas primarias, secundarias o terciarias, que también se llaman amidas
sencillas, N−sustituidas o N−disustituidas.
• Las amidas primarias se nombran cambiando la terminación oico del ácido del que
derivan, por el sufijo amida. En las amidas sustituidas se antepone al nombre anterior el
de los radicales sobre el nitrógeno, precedidos de la letra N. Ejemplos:
etanamida (en lugar de etanoico)
acetamida (en lugar de acético)
N−metil−etanamida
N−etil−N−metil−etanamida
Nitrilos
• Se nombran como el hidrocarburo del que provienen pero terminándolo en nitrilo,
aunque también suelen nombrarse como derivados del ácido cianhídrico HCN
CH3−C≡N
etanonitrilo (cianuro de metilo)
Nitrocompuestos
• Se nombran como sustituyentes del hidrocarburo del que proceden, indicando su
localizador y la palabra nitro.
NO2
│
4
3
2
1
CH3−CH2− CH− CH3
2−nitrobutano
NO2
4
3
2│
1
CH2=CH− CH− CH3
but−3−en−2−nitro
1,2−dinitrobenceno (orto−nitrobenceno)
Varios grupos funcionales
• Cuando hay más de un grupo funcional, el compuesto se nombra de acuerdo a la
prioridad del grupo funcional, que es:
ácido
éster
amida
nitrilo
aldehído
cetona
alcohol y fenol
amina
éter
halogenuro
alqueno
alquino
alcano
6
5
4
3
2
1
HOCH2−CH=CH−CH2−CHBr−COOH
2−bromo−4−eno−6−hidroxi−hexanoico
Ácido
de acuerdo a su importancia el grupo COOH es el principal y es el que determina la
longitud de la cadena y su numeración para tener el número más bajo. El grupo alcohol,
el bromo y el doble enlace se nombran como sustituyentes alfabetizándolos.
ácido 2−amino−3−metilbutanóico (Valina)
ácido 2−amino−3−hidroxibutanóico (Treonina)
ISOMERÍA
Se dice que dos compuestos son isómeros cuando tienen la misma fórmula molecular
pero distinta fórmula desarrollada. Por tanto, los isómeros son sustancias que tienen el
mismo número y tipo de átomos, aunque éstos están unidos de forma diferente y
consecuentemente presentan distintas propiedades.
Los tipos de isomería se clasifican en dos grandes grupos: Isomería plana o simple, que
es la que puede explicarse con fórmulas planas y la Isomería del espacio o
estéreo−isomería que para explicarla se necesita recurrir a la forma tridimensional de las
moléculas.
de cadenas o
de ciclos
plana o simple
de posición
de función
Isomerías
CH3–CH2OH
CH3–O– CH3
geométrica o
cis−trans
del espacio o
estéreo−isomería
óptica
1.1 La isomería de cadenas o de ciclos se presenta en hidrocarburos que teniendo el
mismo número de carbonos presentan distinto esqueleto. Por ejemplo el butano y el
metil−propano formulados anteriormente o el ciclohexano y el metil−ciclopentano o el
etil−ciclobutano presentarían isomería de ciclos:
1.2 La isomería de posición se presenta cuando en el esqueleto hidrocarbonado se
introduce otra función o átomo distinto del hidrógeno. Dependiendo del lugar que
ocupe, tenemos por ejemplo el 1−cloro−butano o el 2−cloro−butano formulados
anteriormente.
Otro ejemplo es que se tiene para el orto, meta y para−diclorobenceno
1.3 La isomería de función tiene lugar cuando la diferente ordenación de los átomos da
lugar a distintos grupos funcionales, por ejemplo como ocurre entre alcoholes y éteres,
caso del etanol y el dimetiléter formulados anteriormente o entre aldehídos y cetonas
como por ejemplo entre el propanal y la propanona:
2.1 La isomería geométrica o cis−trans es consecuencia del impedimento de giro del
doble enlace. El 1,2−dicloroetano formulado anteriormente presenta un isómero cis
cuando los dos cloros están enfrentados y otro trans cuando están en las posiciones
opuestas. Otro ejemplo lo tendríamos el but−2−eno:
2.2 La isomería óptica la presentan todas aquellas sustancias que tienen un carbono
asimétrico, es decir un carbono con sus cuatro sustituyentes diferentes. Estos isómeros
con como imágenes especulares y tienen las mismas propiedades a diferencia de que
uno hace girar el plano de la luz polarizada hacia la izquierda y el otro hacia la derecha,
por eso a los isómeros se les llama, respectivamente, isómero levo o (–) y al otro
isómero dextro o (+)
El ácido láctico formulado anteriormente es un ejemplo. Como vemos presenta un
carbono asimétrico (suele marcarse con un asterisco) que es el responsable de la
isomería óptica.
Los carbohidratos (llamados también glúcidos o azúcares) presentan isomería óptica,
desde el más sencillo que es el gliceraldehído:
E1B.S2010
Para el compuesto CH3CH2CH=CHCOOH (ácido pent−2−enoico), escriba:
a) La fórmula de un isómero que contenga la función cetona.
b) La pareja de moléculas de este ácido que son isómeros cis−trans.
c) La fórmula de un isómero de cadena de este ácido.
a) se trata de obtener un isómero de función, ya que en el primer caso es un ácido y en
el segundo una cetona (y en el isómero propuesto además es alcohol)
b) La isomería cis−trans es debida al impedimento de giro por un doble enlace. El
isómero cis es aquel que enfrenta a los grupos diferentes al hidrógeno, que no es
preciso que sean iguales, como así ocurre en este caso, ya que los grupos son un radical
etilo y el grupo carboxilo:
c) Un isómero de cadena debe mantener los mismos grupos funcionales y variar
exclusivamente en la forma del esqueleto, así que sería: (CH3)2C=CHCOOH
E1B.S2008
Dados los compuestos: (CH3)2CHCOOCH3 ; CH3OCH3 ; CH2=CHCHO
a) Identifique y nombre la función que presenta cada uno.
b) Razone si presentan isomería cis−trans.
c) Justifique si presentan isomería óptica.
a) Escribiremos mejor las fórmulas en su forma plana para ver mejor los grupos
funcionales:
El primero es un éster formado por la esterificación del ácido 2−metilpropanoico
(llamado también ácido isobutírico) y del metanol, así que su nombre es el
2−metilpropanoato de metilo.
El segundo es un éter: el éter dimetílico o metoximetano
El tercero es un aldehído, que además tiene un doble enlace y por tanto es también un
alqueno. Su nombre propenal.
b) El único que podría presentar isomería cis−trans es el que posee doble enlace, pero
no la tiene en este caso porque los dos sustituyentes de uno de los carbonos son
hidrógenos
c) Ninguno de ellos presenta isomería óptica porque ninguno de sus carbonos es
asimétrico, es decir, no hay ningún carbono con los cuatro sustituyentes distintos.
E6A.S2008
Para cada compuesto, formule:
a) Los isómeros cis−trans de CH3CH2CH=CHCH3
b) Un isómero de función de CH3OCH2CH3
c) Un isómero de posición del derivado bencénico C6H4Cl2
a) Se trata del pent−2−eno que al tener un doble enlace y por tanto impedimeto de giro
y ser los sustituyentes distintos al hidrógeno presenta isomería geométrica o cis−trans.
El isómero cis cuando los dos grupos están enfrentados y el trans cuando están en las
posición opuesta:
b) Los éteres presentan isomería de función con los alcoholes. Así el metoxietano es
isómero del propan−1−ol y del propan−2−ol, que a su vez son isómeros de posición.
c) El diclorobenceno tiene 3 isómeros de posición: orto, meta y para según que los
sustituyentes estén en carbonos contiguos, alternos u opuestos respectivamente.
E6A.S2007
Para los compuestos benceno (C6H6) y acetileno (C2H2), justifique la veracidad o
falsedad de las siguientes afirmaciones:
a) Ambos tienen la misma fórmula empírica.
b) Poseen la misma fórmula molecular.
c) La composición centesimal de los dos compuestos es la misma.
a) Verdad: La fórmula empírica de una sustancia solamente indica la proporción en la
que se encuentran sus átomos, que en el caso del benceno y del acetileno es la misma: 1
átomo de carbono por cada 1 átomo de hidrogeno, lo que se suele expresar como
(CH)n, por tanto para calcular el valor de n y escribir sus fórmulas moleculares es
necesario conocer el peso molecular.
b)Falso, ya que la fórmula molecular nos indica el total de átomos en la molécula y por
tanto nos permite diferenciar la molécula de benceno de la de aceliteno. Lo que nos
permitiría es diferenciar entre los posibles isómeros en el caso de haberlos.
c) Verdad, ya que la composición centesimal lo que nos indica es la cantidad de cada
elemento que hay en 100 g de compuesto y al estar los átomos en la misma proporción
en ambas moléculas la cantidad es la misma.
E4A.S2006
Escriba:
a) Dos hidrocarburos saturados que sean isómeros de cadena entre sí.
b) Dos alcoholes que sean entre sí isómeros de posición.
c) Un aldehído que muestre isomería óptica.
a) Por ejemplo el butano y el metilpropano (isobutano)
b) Por ejemplo el propan−1−ol y el propan−2−ol
c) Cualquier aldosa (monosacárido con la función aldehído). El más sencillo que es el
gliceraldehído tiene un carbono asimétrico y es el responsable de su isomería óptica: