QuÃ−mica del Carbono

QuÃ−mica del Carbono
Con este nombre nos referimos a la parte de la quÃ−mica que estudia los compuestos cuyo componente
fundamental es el carbono. Se exceptúan de este estudio los óxidos de carbono, el ácido carbónico y sus
sales, los carbonatos y los bicarbonatos, que se estudian en la quÃ−mica inorgánica.
El nombre de quÃ−mica orgánica se debe a que inicialmente las sustancias quÃ−micas conocidas y que se
estudiaban en esta disciplina, no podÃ−an obtenerse por sÃ−ntesis en un laboratorio a partir de compuestos
inorgánicos, sino que tenÃ−an que ser producidas por los vegetales y animales.
A partir de 1820 en el que el quÃ−mico Wöhler obtuvo sintéticamente un sustancia orgánica, la urea,
dejó de tener sentido esta denominación de quÃ−mica orgánica, aunque por tradición haya seguido
usándose este nombre junto con el de quÃ−mica del carbono, que es más correcto.
El número de sustancias pertenecientes a la quÃ−mica del carbono que actualmente se conocen es
elevadÃ−simo (se acercan al millón). Además, el número de sustancias que en teorÃ−a se pueden
sintetizar en el laboratorio es ilimitado, y esos compuestos presentan la particularidad de estar formados todos
ellos por carbono y muy pocos elementos más: Hidrógeno, OxÃ−geno, Nitrógeno, principalmente.
La existencia de esta cantidad tan grande de sustancias quÃ−micas se explica por las dos razones siguientes:
- Por la constitución electrónica del átomo de carbono, que permite unirse consigo mismo y con otros
elementos formando cadenas (cerradas o abiertas) de muchos átomos de carbono.
- Por la existencia de los llamados compuestos isómeros, caracterizados por tener la misma composición
quÃ−mica cuantitativa e igual peso molecular, pero propiedades diferentes.
Estructura y enlace del carbono
El carbono es un elemento excepcional por su situación en el sistema periódico, entre los metales y los no
metales. Pertenece al grupo 4A y tiene de nº atómico Z=6, por lo que su corteza esta formada por un total
de 6 electrones distribuidos: 2 electrones en la capa K,
completa, y 4 electrones en la capa L, incompleta.
Su configuración electrónica es la siguiente:
1s2 2s2 2p2
En los enlaces quÃ−micos que este elemento forma con otros, participan los 4 electrones del nivel=2. De
estos 4 electrones solo están desapareados los electrones del subnivel 2p, estando completo con dos
electrones el orbital 2s.
Si cada cÃ−rculo representa un orbital (región del espacio en la que es probable que se encuentre un
electrón), y cada flecha un electrón, podemos representar la configuración electrónica asÃ−:
1s2 2s2 2pX1 2pY1 2pZ0
Esta serÃ−a la situación del átomo de carbono no excitado. Según la teorÃ−a de valencia, solamente
pueden formar enlace covalente los electrones desapareados, es decir, la valencia del carbono serÃ−a 2; la
1
experiencia nos dice sin embargo que:
- El carbono actúa con valencia 4.
- Las cuatro valencias del carbono dan origen a cuatro enlaces equivalentes.
Wollfgang Pauli, en 1925, con su principio de exclusión, y en 1931, con el principio del traslape máximo,
dio solución al problema, explicando que uno de los dos electrones 2s emigra, absorbiendo una pequeña
cantidad de energÃ−a, al orbital 2pz libre. Resulta asÃ− la estructura electrónica siguiente:
1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1
en donde hay cuatro electrones desapareados, situados en tres orbitales iguales (2p) y uno en orbital distinto
(2s). Por tanto, al disponer de cuatro electrones de valencia, se originan siempre cuatro enlaces distribuidos
entre sencillos y múltiples. Esta es la base de la tetravalencia del carbono, presente en todas sus reacciones.
Según la teorÃ−a del carbono tetraédrico, cuando el carbono se combina, el átomo de carbono se sitúa
en el centro de un tetraedro regular y sus cuatro valencias están dirigidas hacia los cuatro vértices del
tetraedro. En estos cuatro vértices se sitúan los átomos o grupos de átomos unidos al átomo de
carbono central.
En el ejemplo anterior, los cuatro electrones más externos del carbono, los comparte con otros cuatro
electrones procedentes de los átomos de hidrógeno, formando cuatro covalencias simples.
Los enlaces del carbono tetraédrico con los átomos situados en los vértices, forman entre sÃ− un cierto
ángulo, llamado ángulo de enlace, que en el caso del metano (CH4) vale 109,28. El átomo de carbono
dista de los átomos situados en los vértices, una distancia llamado longitud de enlace. Según sea el valor
de estas longitudes y de estos ángulos, asÃ− será la estructura espacial de la molécula resultante.
Enlace simple
Pauli demostró que, por combinación de los orbitales 2s y 2p entre sÃ−, se obtenÃ−an cuatro orbitales
mixtos s y p u orbitales hÃ−bridos equivalentes, representados por la notación sp3. Esto indica que la
hibridación la forman un orbital s y 3 orbitales p, formando 4 enlaces sigma.
Cuatro orbitales hÃ−bridos sp3 que dan lugar a cuatro enlaces sigma. Los orbitales sp3 están dirigidos hacia
los vértices del tetraedro anteriormente descrito, con el átomo de carbono situado en el centro del mismo.
Mediante los orbitales hÃ−bridos sp3 del carbono se explica la formación de los enlaces simples.
Enlaces dobles
Es el caso tÃ−pico de la molécula de etileno: CH2=CH2
Los enlaces dobles entre carbono y carbono pueden explicarse se se admite una hibridación entre un orbital
2s y dos orbitales 2p (hibridación trigonal). Se representa con la notación sp2.
De esta hibridación resultan 3 enlaces equivalentes correspondientes a los tres orbitales hÃ−bridos sp2, es
decir, están localizados en un plano que incluye el átomo de carbono y los tres orbitales sp2, que a su vez
van dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero, de modo que el ángulo entre dos orbitales
cualesquiera es de 120º. El cuarto, es un orbital sp puro, perpendicular al plano al que pertenecen los tres
anteriores.
2
Cuando se forma la molécula de etileno, uno de los orbitales hÃ−bridos sp2 se solapa con otro igual de un
carbono vecino, formándose un orbital molecular dirigido denominado sigma. Los otros dos orbitales sp2
forman también otros dos enlaces con dos átomos de hidrógeno. Los dos átomos de carbono y los
cuatro átomos del hidrógeno, están en el mismo plano.
El segundo enlace entre los átomos de carbono, es más débil que el formado por el orbital sigma y tiene
lugar como consecuencia del recubrimiento y penetración de los orbitales 2p de ambos átomos de carbono
(que son perpendiculares al plano donde están los otros orbitales). Este orbital y el enlace correspondiente se
denomina " ï ° ", y forma una nube electrónica por encima y por debajo del plano formado por los orbitales
(enlaces) sigma.
La reactividad de los dobles enlaces se atribuye, en general, a la poca estabilidad de los electrones que forman
en enlace " ï ° ", que tienen la propiedad de estar muy deslocalizados, tienen tendencia a formar con otros
átomos enlaces sigma, que son más estables que los enlaces " ï ° ". Esta es la razón que explica la
facilidad con que los compuestos de doble enlace dan reacciones de adición.
Enlace triples
Es el caso tÃ−pico de la molécula de acetileno:
CH ï º CH
Para explicar la formación de los enlaces triples, se admite una nueva hibridación entre orbitales atómicos
s y p. El orbital 2s con un orbital 2p, forman 2 orbitales hÃ−bridos sp:
1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1
(_________)(_________)
2 orbitales 2 orbitales hÃ−bridos sp p puros
oo
2 enlaces 2 enlaces
sigma " ï ° "
Al formarse la molécula de acetileno, un orbital sp de cada carbono forma un orbital molecular (un enlace)
dirigido sigma, con un hidrógeno en la misma dirección, pero opuesto al anterior. Los otros orbitales p de
cada carbono, que son perpendiculares entre sÃ− y con respecto a la dirección de los orbitales sigma, forman
por recubrimiento de sus nubes electrónicas, dos orbitales moleculares ï ° .
Los dos orbitales ï °, en conjunto, forman una especie de cilindro deformado en las proximidades de los dos
átomos de hidrógeno. El enlace triple, aunque esté formado por dos enlaces "pi", es menos vulnerable a
los reactivos que el enlace doble. El enlace triple puede dar lugar a los derivados de adición, transformando
sucesivamente los enlaces "pi", en enlaces sigma, como en el caso de las cadenas de enlace sencillo.
RESUMEN DE LOS TIPOS DE HIBRIDACIÃ N DEL CARBONO
Enlace hibridación orbitales geometrÃ−a ángulos
sencillo sp3 4 sp3 tetraédrica 109º28´
3
doble sp2 3 sp2 1p trigonal plana 120º
triple sp 2 sp 2p lineal 180º
Nomenclatura de las sustancias de la quÃ−mica del carbono
El descubrimiento de una cantidad enormemente grande de sustancias de la quÃ−mica del carbono, obligó
ya a finales del siglo pasado, a racionalizar su formulación y nomenclatura, ya que no era posible retener de
memoria los nombres de tantas sustancias diferentes. Las moléculas resultantes de la quÃ−mica del
carbono se agrupan según sus funciones quÃ−micas. Una función quÃ−mica es el conjunto de propiedades
comunes a distintos compuestos quÃ−micos, debido a la existencia de unos átomos agrupados de una forma
caracterÃ−stica, agrupación que recibe el nombre de grupo funcional.
La nomenclatura de hidrocarburos saturados es la correspondiente a los compuestos orgánicos más
sencillos; todos ellos se nombran con la terminación -ano. Los prefijos por su parte, indican el número de
átomos de carbono y se emplean con el mismo significado para cualquier compuesto orgánico.
Ejemplo: CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
pentano: pent- es el prefijo.
-ano es el sufijo.
Cuando el hidrocarburo es cÃ−clico se nombra anteponiéndole el prefijo ciclo.
CH2
/\
CH2 CH2 Ejemplo de ciclopentano.
\/
CH2 - CH2
Si alguno de los anteriores hidrocarburos pierde un hidrógeno, resulta lo que se llama radical, que se
caracteriza por tener un electrón desapareado y por tanto, una valencia libre. Se nombran sustituyendo la
terminación -ano por -ilo o -il (salvo alguna excepción):
Ejemplo: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2pentilo
A veces se emplean números para indicar donde está la valencia libre:
Ejemplo: CH3-CH2-CH2- propilo
CH3-CH-CH3 propilo 2
Se comienza a numerar por el carbono radical. Todos los radicales alifáticos o de cadena abierta se
representan genéricamente por -R (radicales alquÃ−licos) y los aromáticos o derivados del benceno por
-Ar (radicales arÃ−licos).
4
En el caso de hidrocarburos con cadenas ramificadas, se toma como principal la cadena más larga, se
numera por el carbono más próximo a la ramificación y se nombran en primer lugar los radicales por
orden alfabético:
Ejemplo: CH3
CH3 - CH - CH - CH3 | |
CH3 CH2 |
CH3
2,2,3 trimetil pentano
En los hidrocarburos saturados se cambia la terminación -ano por la de -eno si el enlace es doble, o -ino si es
triple, y se numera la cadena por el extremo más cercano al enlace múltiple. El número del primer
carbono que lleva el enlace múltiple es el que se pone delante del nombre.
Ejemplo: CH3-CH2-CH=CH2
1-buteno
Si se trata de un hidrocarburo insaturado con cadena ramificada, se elige como cadena principal la que tenga
el enlace múltiple.
Ejemplo: CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3
|
3 Etil, 1 hexano CH
CH2
Los compuestos aromáticos se nombran como derivados del benceno, naftaleno, etc. Si hay más de un
sustituyente, se indican sus posiciones mediante números y prefijos:
Ejemplo:
También se nombran de forma análoga los derivados halogenados de los hidrocarburos. Los alcoholes
pueden considerarse derivados teóricamente de los hidrocarburos saturados, por sustitución de un
hidrógeno por un grupo hidroxilo -OH. Según el carbono en el que se realice la sustitución los alcoholes
pueden ser 1º,2º,ó 3º. Para nombrar los alcoholes se añade la terminación -ol al nombre (menos -o)
al hidrocarburo correspondiente. La posición del grupo alcohol se designa con números y las cadenas
comienzan a contarse por el extremo más cercano al grupo funcional.
4321
Ejemplo: CH3-CH2-CHOH-CH3 2-butanol
Los éteres se nombran añadiendo a los nombres de los dos radicales que los constituyen la palabra éter.
A veces también se emplea la palabra oxi intercalada.
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Ejemplo: CH3-O-CH2-CH3 Metil etil éter
Los aldehidos y las cetonas poseen un grupo común llamado carbonilo -CO-. La diferencia entre ambas
funciones consiste en que los aldehidos llevan el grupo carbonilo en un carbono 1º, y las cetonas en uno
2º. Se nombran cono los hidrocarburos del mismo número de carbonos, sustituyendo la -o final por -al
(para los aldehidos),o por -ona (para las cetonas), en este último caso se indica, si es necesario, con un
número, la posición del grupo carbonilo.
Ejemplo: CH3-CH-CH2-CH-CHO | |
Cl CH3
2-metil,4-cloro-pentanal
CH3-CH2-CH2-CO-CH3 2 pentanona
Los ácidos orgánicos tienen como grupo funcional -COOH. En un mismo carbono que necesariamente es
1º, va un grupo carboxilo, y otro hidroxilo. Se nombran cambiando la -o final del hidrocarburo saturado de
igual número de átomos de carbonos por la terminación -oico. Si en la misma cadena hay una función
alcohol, debe preceder el prefijo ol a la terminación -oico.
O
||
Ejemplo: CH3-CHOH-C-OH
ácido láctico o ácido 2 propanoloico
Los ésteres proceden de la reacción de un ácido, con un alcohol (reacción de esterificación).
R-COOH + HO-CH2-R' R-COO-CH2-R' + H2O
Se nombra primeramente el radical ácido, como en las sales, y después el radical del hidrocarburo,dotado
del mismo número de carbonos que el alcohol que da origen al éster.
Ejemplo: CH3-COO-CH2-CH3
Acetato de etilo
Los ésteres se nombran añadiendo a los nombres de los dos radicales constituyentes la palabra éter. A
veces también se emplea la palabra -oxi- intercalada.
Ejemplo: CH3-O-CH2-CH3
Etil metil éter
Las aminas provienen de sustituir uno o más átomos del NH3 por radicales alquÃ−licos o arÃ−licos (del
benceno). Según el número de hidrógenos sustituidos, las aminas son 1ª,2ª, o 3ª. Se nombran
anteponiendo a la palabra amina los nombres de los radicales de que consta.
Ejemplo: CH3-CH2-NH2 etil amina (amina 1ª)
6
CH3
\
NH /
CH3-CH2
metil etil amina (amina 2ª)
CH3
\
CH3-CH2 - N
/
CH3-CH2
metil dietil amina (amina 3ª)
Las amidas se consideran derivadas de los ácidos, al sustituir el grupo hidroxilo -OH del grupo carbonilo de
los ácidos orgánicos por -NH2.El grupo funcional de las amidas es R-CO-NH2.
Se nombran como el hidrocarburo del mismo número de átomos de carbono, seguido de la terminación
amida.
Ejemplo: CH3-CH2-CO-NH2 propanoamida
Los nitrilos poseen el grupo funcional R-C=N. Se nombran como los hidrocarburos del mismo número de
átomos de carbono, con la terminación nitrilo.
Ejemplo: CH3-CH2-CH2-C ï º N butano nitrilo
Formulas y nomenclatura de los grupos funcionales mas importantes
FUNCIÃ N GRUPO FUNCIONAL SUFIJO
Hidrocarburo saturado R-CH3 ano
Hidrocarburo etilénico R-Cï ºC-R' eno
Hidrocarburo acetilénico R-CH2-OH ino
Alcohol primario R-CHOH-R ol
Alcohol secundario R-CHOH-R' ol
Alcohol terciario R-COH-R' ol
|
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R''
H
|
Aldehido R-C = O al
Cetona R-CO-R' ona
O
||
à cido R-C -OH oico
O
||
à ster R-C-O-R' oato de ... ilo
à ter R-O-R' ano-oxi-ano
Amina primaria R -NH2 il amina
R
Amina secundaria \
NH il,....il-amina0
/
R
R
Amina terciaria \ il,...il,...il-amina
R-- N
/
R
O
||
Amida R-C-NH2 ano-amida
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Nitrilo R-C ï º N ano ,nitrilo
BibliografÃ−a
MORRISON y BOYD: QuÃ−mica orgánica. Ed. Fondo educativo interamericano.
GONZà LEZ TTRIGO: QuÃ−mica orgánica. Facultad de Farmacia. Departamento de quÃ−mica
orgánica.
CAHN y DORMER: Introducción a la nomenclatura quÃ−mica. Ed. Alhambra.
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