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TEMA 5.
Metabolismo – Reacciones en química orgánica
Oxidaciones y reducciones
Reacciones de formación y de ruptura de enlaces carbonocarbono.
Nucleofilia y electrofilia.
Isomerizaciones y eliminaciones.
Sustituciones.
Reacciones de transferencia de grupos.
Ácidos y bases. Conceptos de Browsted-Lowry y de Lewis.
El metabolismo es el conjunto de
reacciones bioquímicas y procesos
físico-químicos que ocurren en una
célula y en el organismo.
Reacciones químicas:
Es el proceso por el cual se redistribuyen los
átomos en un sistema material formado por una
o más sustancias (llamadas reactivos)
obteniéndose una o más sustancias con
propiedades químicas diferentes (llamadas
productos).
Las reacciones químicas se representan
mediante ecuaciones químicas.
Tipos de reacciones
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones que forman o rompen enlaces carbonocarbono
Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
Reacciones de transferencia de grupos
Reacciones de hidrólisis
Reacciones de oxidación-reducción
Son aquellas en las que hay transferencia de electrones
entre los reactivos
Oxidación:
Una especie química (átomo o molécula) cede electrones a
otra.
Reducción:
Una especie química (átomo o molécula) capta electrones
de otra
Zn0 + 2 HCl
ZnCl2 + H2
En este tipo de reacciones de óxido-reducción, se
observa claramente la transferencia de los
electrones.
El átomo de Zn, electricamente neutro, se oxida a
Zn+2, mientras que el hidrógeno, que se
encuentra oxidado en el HCl, gana electrones y
por lo tanto, se reduce a hidrógeno molecular.
Para analizar el estado de oxidación del carbono, hay que
tener en cuenta la electronegatividad del átomo o de los
átomos que se encuentran unidos al carbono.
Para ello es conveniente representar las moléculas según
las estructuras de Lewis.
Se analizan los enlaces, y se identifica si el átomo que está
unido al carbono es más o menos electronegativo que éste.
Si el enlace está compartido por dos átomos iguales, se
distribuyen equitativamente los electrones entre ellos.
Recordemos el orden de electronegatividades:
H<C<N<O
Metano
Etano
(Alcano)
Eteno
(Alqueno)
Etanol
(Alcohol)
Acetileno
(Alquino)
Formaldehído
(Aldehído)
Etanal
(Aldehído)
Acetona
(Cetona)
Ácido fórmico
(Ac. carboxílico)
Monóxido de
carbono
Ácido acético
(Ác. carboxílico)
Dióxido de
carbono
Metano
Etano
(Alcano)
Eteno
(Alqueno)
Etanol
(Alcohol)
Acetileno
(Alquino)
Formaldehído
(Aldehído)
Etanal
(Aldehído)
Acetona
(Cetona)
Ácido fórmico
(Ac. carboxílico)
Monóxido de
carbono
Ácido acético
(Ác. carboxílico)
Dióxido de
carbono
Grado de Oxidación
Alcano
Alcohol
Aldehído o cetona
Ácido carboxílico
Dióxido de carbono
Ejemplo de una oxidación biológica
Lactato
Lactato
deshidrogenasa
Piruvato
Tipos de reacciones
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones que forman o rompen enlaces carbonocarbono
Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
Reacciones de transferencia de grupos
Reacciones de hidrólisis
Recordar!!!
En un enlace covalente simple, se
comparten un par de electrones entre dos
átomos.
En algunas moléculas, hay átomos que
presentan pares de electrones libres (no
apareados).
enúmero
de enlaces
pares de e- libres
Los átomos de nitrógeno, de oxígeno y los halógenos (F, Cl, Br, I) normalmente
tienen electrones no enlazantes (pares solitario o pares libres) en sus compuestos
estables
Ruptura
homolítica
Radical
+ Átomo de
carbono hidrógeno
Radicales carbono
Ruptura
heterolítica
Carbanión + protón
Homo: igual
Hetero: distinto
“lítica” proviene de “lisis”
que significa ruptura
Carbocatión + hidruro
Carbanión + carbocatión
Nucleofilia y Electrofilia
Nucleófilo: “amante de los núcleos”, o sea, que
tiene afinidad por las especies cargadas
positivamente o con densidad de carga positiva.
Son especies que donan pares electrones en
una reacción química para formar un enlace.
Ejemplos de nucleófilos
:
H2 O :
Nucleofilia y Electrofilia
Electrófilo: “amante de los electrones”, o sea,
que tiene afinidad por los electrones.
Son especies que aceptan pares electrones de
un nucleófilo para formar un enlace en una
reacción química.
Ejemplos de electrófilos
H+
protón
CH3
H3C
El carbono de un
grupo carbonilo
C+
CH3
carbocatión
Reacción entre un nucleófilo (Nu:-), en este caso
un carbanión y un electrófilo (E+), el carbono con
densidad de carga positiva del grupo carbonilo. Por
convención, las flechas para indicar el ataque, va
dirigida desde el Nu:- al E+.
Nu:-
E+
Ejemplo de formación de enlace carbono-carbono.
Reacción de adición
Condensación aldólica
Los enlaces carbono-carbono
también pueden sufrir ruptura, dando
lugar a dos moléculas a partir de una.
Ejemplo de ruptura de enlace carbono-carbono.
Reacción de adición
Descarboxilación de un β-cetoácido
Hay reacciones en las que se rompen y
forman nuevos enlaces reemplazando
uno de los sustituentes del carbono por
otro sustituyente.
Son reacciones de sustitución
Reacciones de sustitución. Ejemplo:
Tipos de reacciones
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones que forman o rompen enlaces carbonocarbono
Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
Reacciones de transferencia de grupos
Reacciones de hidrólisis
Isomerizaciones
Glucosa-6-fosfato
fosfohexosa
isomerasa
Fructosa-6-fosfato
La conversión de Glu-6-P a Fru-6-P catalizada por una
enzima llamada fosfohexosa isomerasa, es un paso
clave en la vía glicolítica
Eliminaciones
Son reacciones que conducen a una olefina (alqueno) a
través de la eliminación de una molécula de agua
Tipos de reacciones
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones que forman o rompen enlaces carbonocarbono
Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
Reacciones de transferencia de grupos
Reacciones de hidrólisis
Reacciones de transferencia de grupos
Adenina
Ribosa
glucosa
Adenina
Ribosa
Glucosa-6-fosfato,
un éster fosfato
Tipos de reacciones
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones que forman o rompen enlaces carbonocarbono
Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
Reacciones de transferencia de grupos
Reacciones de hidrólisis
Reacciones de hidrólisis
Ejemplos
Acetil-CoA
hidrólisis
Ácido acético
Reacciones de hidrólisis
Acidez y Basicidad
Ácidos Inorgánicos
HCl
Bases inorgánicas
NaOH
H2SO4
H3PO4
HBr
HF
Ca(OH)2
KOH
Qué características tienen en común los
ácidos inorgánicos?
Todos ellos pueden ceder un H+ (protón)
…y las bases o álcalis?
Todas ellas pueden ceder HO o más
ampliamente, pueden captar un H+.
Ejemplo:
HCl + NaOH
NaCl + H2O
Reacción de neutralización
Según Bronsted-Lowry:
Un ácido es una sustancia que cede iones
hidrógenos (protones) H+
Una base es una sustancia que capta iones
hidrógenos
HCl + H2O
ácido
base
Cl
+ H3
+
O
Base
Ácido
conjugada conjugado
Como vimos en el ejemplo anterior el agua se
comporta como una base porque capta un H+
del ácido clorhídrico.
Pero el agua también puede comportarse como
un ácido cediento un H+
H2O + B:
HO
+
+
HB
Las sustancias que pueden
comportarse como ácidos y
como bases según las
condiciones en las que se
encuentren se denominan
anfolitos
El pH es una medida de la acidez o
alcalinidad de una solución. El pH
indica la concentración de iones
hidronio [H3O+] presentes en
determinadas sustancias. La sigla
significa "potencial de hidrógeno"
La escala de pH va de 0 a 14 en
disolución acuosa, siendo ácidas las
disoluciones con pH menores a 7 y
alcalinas las que tienen pH mayores a 7.
El pH = 7 indica la neutralidad de la
disolución (donde el disolvente es agua).
Una definición más útil en química orgánica es
la propuesta por Gilbert N. Lewis.
Según esta denición:
Un ácido es una sustancia capaz de
captar un par de electrones y
una base es una sustancia capaz de
ceder pares de electrones.
Son ácidos orgánicos los siguientes grupos:
O
OH
R
R
OH
OH
Ácidos carboxílicos
Fenoles
Alcoholes
Son bases orgánicas los siguientes grupos:
R
OH
R
O
O
R'
O
R
R
H
O
R
R
O
O
R
R
OH
R''
N R'
R'
OR'
NH2
Todos estos compuestos
tienen átomos con pares de
electrones libres