Capítulo 15- Los compuestos orgánicosy las propiedades atómicas del carbono

15.1 La naturaleza especial del carbono y las caracteríticas de las moléculas orgánicas

15.2 Las estructuras y clases de hidrocarburos

15.3 Algunas clases de reacciones orgánicas importantes

15.4 Propiedades y reactividad de grupos funcionales comunes

15.5 Tema I. Monómero-polímero: Macromoléculas sintéticas

15.6 Tema II. Monómero-polímero: Macromoléculas biológicas

Fig. 15.1

La posición del carbono en la Tabla Periódica

Grupo

Periodo

“Soy carbono y soy especial”

1. Puedo formar enlaces C-C fuertes y cortos.

2. El enlace C-C es muy corto y permite traslapar los orbitales p no utilizados, dando origen a enlaces . Formo fácilmente enlaces dobles carbono-carbono y puedo incluso formar enlaces triples carbono-carbono.

3. No tengo problema en unirme a otros elementos (H, O, N, S, etc.– me llevo bien con todos). De acuerdo con mi posición en la Tabla Periódica, por lo regular formo cuatro enlaces, excepto en el monóxido de carbono.

Soy especial – Compárame con mi hermano, el Si

1. El enlace C-C es mucho más fuerte que el enlace Si-Si. (El tamaño atómico aumenta al descender en el grupo: los enlaces entre los átomos se hacen más largos y más débiles.)

2. Para mí, la EN (C-C) ~ EN (C-O). Para el Si, EN (Si-O) >> En (Si-Si). Con la disponibilidad del oxígeno en la naturaleza, el Si existe principalmente con enlaces Si-O.

3. No tengo orbitales d. El CH3-CH3 es estable, mientras que el SiH3-SiH3 es muy susceptible a formar especies con un par de electrones solitarios que dona a los orbitales d vacantes.

¡Puedes ocupar el resto de tu vida aprendiendo sobre mí!

Energías de enlace y la estabilidad de las cadenas de carbono

Fig. 15.2

En

erg

ía d

e e

nla

ce (

kJ/

mo

l)

Puedo sorprenderte con mi diversidad

Considere el número de comuestos con la fórmula C4H8O.

Estos se conocen como compuestos isómeros estructurales, tienen las mismas fórmulas químicas, pero

diferentes formas de conectar los átomos entre sí para formar

diferentes grupos funcionales, o diferentes compuestos con propiedades físicas y químicas

muy distintas.

La diversidad química de los compuestos orgánicos

Fig. 15.3

Una unión polarizada no dura mucho tiempo

“ No soy diferente. Soy muy reactivo en los sitios (enlaces)que tienen la polaridad alta.”

Reactividad y polaridad de los enlaces encompuestos orgánicos

C C Los enlaces son no polares, sin diferencia en los valores EN de los átomos. Son relativamente cortos (200 pm). Resultado: No reactivoC H Los enlaces son casi no polares y cortos (109 pm) EN (C-H) = 2.5 – 2.1 = 0.4 Resultado: No reactivoC O Los enlaces son altamente polares, con el extremo del oxígeno muy rico en electrones EN (C-O) = 2.5 – 3.5 = 1.0 Resultado: ReactivoC Br Los enlaces son casi no polares: EN (C-Br) = 2.5 – 2.8 = 0.3 Resultado: Relativamente no reactivoC S Los enlaces son perfectamente no polares: EN (C-S) = 2.5 – 2.5 = 0.0 Resultado: Relativamente no reactivoAunque las diferencias en la EN son pequeñas para Br y S con el carbono, losátomos son tan grandes que sus enlaces al carbono son largos, débiles y reactivos.

Ciertas partes de mí hacen que me comporte de maneras predecibles

Grupos funcionales – átomos o grupos específicos de átomos que proporcionan características determinadas.

El secreto de aprender la química orgánica.

Tan importante es la Tabla Periódica para la química inorgánica como los grupos funcionales para la química orgánica.

Cuatro de los grupos funcionales

C O H

Alcohol

Grupo alcohol – Grupo hidróxilo

..

..Grupo éter

C O C....

Éter

Grupo ácido carboxílico Grupo éster

.. ..

C O C

O

..

..

.. ..

C O H

O

Carboxilo

..

..

....

Éster

Más grupos funcionales

Alquenos

Alquinos

Tioles y Disulfuros

Aminas (primaria, secundaria, terciaria)

Aldehídos

Acetonas

Amidas

Sugeridos como: “Conceptos que se debenaprender”

Algunos esqueletos de cinco carbonosun enlace doble un anillo simple carbono saturado

Fig. 15.4

Agregando la piel de átomos de H al esqueleto de átomos de C

Fig. 15.5

(a) Un átomo de C con un enlace sencillo a otro átomo obtiene tres átomos de H.

(b) Un átomo de C con un enlace sencillo a otros dos átomos obtiene dos átomos de H.

(c) Un átomo de C con un enlace sencillo a tres átomos obtiene un átomo de H.

(d) Un átomo de C con un enlace sencillo a cuatro átomos tiene sus enlaces completos (sin átomos de H)

(e) Un átomo de C con doble enlace se trata como si estuviera enlazado a otros dos átomos.

(f) Un átomo de C con un enlace sencillo y uno doble, o con un triple enlace se trata como si estuviera enlazado a otros tres átomos.

Hidrocarburos C + HCompuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples - Hidrocarburos saturados - Alcanos CnH2n+2

Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces sencillos y sin enlaces múltiples, pero con estructura de anillo - Hidrocarburos saturados - Cicloalcanos CnH2n

Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces dobles - Hidrocarburos insaturados - Alquenos CnH2n

Compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno con enlaces triples - Hidrocarburos insaturados - Alquinos CnH2n–2

A partir de la rotación de los enlaces sencillos se observan diferentesconformaciones, denominadas isómeros, como resultado del rearreglo de los átomos en distintas fórmulas estructurales.

Dibujando Hidrocarburos–I Problema: Dibuje estructuras que tengan diferentes arreglos atómicos para hidrocarburos con: a) siete átomos de C, sin múltiples enlaces y sin anillos. b) cinco átomos de C, un enlace doble y sin anillos. c) cinco átomos de C, sin enlaces múltiples y con un anillo.Plan: En cada caso, dibujaremos la cadena de carbonos más grande y luego trabajaremos las cadenas más pequeñas con ramificaciones en diferentes puntos a lo largo de la primera. Por lo regular, es un proceso de prueba y error. Luego adicionemos átomos de H para dar a cada átomo de C un total de cuatro enlaces.Solución: (sólo se mostrará un esqueleto de carbono)a) compuestos con siete átomos de C: (9) [C7H16]

C-C-C-C-C-C-C C-C-C-C-C-C C

C-C-C-C-C-C C

CC-C-C-C-C C

C-C-C-C-C C C

C-C-C-C-C C C

CC-C-C-C-C C

C-C-C-C-C C C

CC-C-C-C C C

Dibujando Hidrocarburos–II

b) compuestos con 5 átomos de C y un doble enlace: (5) C5H10]

C=C-C-C-C C=C-C-C C=C-C-C

C-C=C-C-C

C-C=C-C

c) compuestos con 5 átomos de C y un anillo: (5) [C5H10]

C-C-C-C C

C-C-C-C C

CC-C-C C

C-C-CC-C

C-CC C C

C CC

Nomenclatura de los hidrocarburos saturados

Basada en la cadena más larga de átomos de carbono

Prefijo + raíz + sufijo

Posición y naturaleza de los sustituyentes en la cadenaReglas: Tabla 15.2, (pág. 612)

Indicador del # de C en la cadena más larga (Tabla 15.1, pág. 622)

La clase del compuesto orgánico -ano para alcanos

Raíces numéricas para cadenas de carbono y sus ramificaciones

Raíz Número de átomos de carbono

met- 1et- 2prop- 3but- 4pent- 5hex- 6hept- 7oct- 8non- 9dec- 10

Tabla 15.1 (pág. 622)

Alcanos

• Metano CH4

• Etano C2H6 CH3CH3

• Propano C3H8 CH3CH2CH3

• Butano C4H10 CH3CH2CH2CH3

• Pentano C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3

• Hexano C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3

• Heptano C7H16 CH3-(CH2)5-CH3

• Octano C8H18 CH3-(CH2)6-CH3

• Nonano C9H20 CH3-(CH2)7-CH3

• Decano C10H22 CH3-(CH2)8-CH3

Reglas para nombrar un compuesto orgánico–I

1. Para nombrar la cadena más larga (raíz) (a) Encuentre la cadena continua más larga de átomos de carbono. (b) Seleccione la raíz que corresponda al número de átomos de C en la cadena.2. Para nombrar el tipo de compuesto (sufijo) (a) Para los alcanos, añadir el sufijo -ano a la raíz de la cadena. (Otros sufijos aparecen en la tabla 15.5 con sus grupos funcionales y el tipo de compuesto.) (b) Si la cadena forma un anillo, el nombre es precedido por ciclo-.3. Para nombrar las ramificaciones (prefijo) (a) Cada nombre de ramificación consiste en una subraíz (número de átomos de C) y la terminación -ilo para denotar que no es parte de la cadena principal. (b) Los nombres de las ramificaciones preceden al nombre de la cadena. Cuando hay dos o más ramificaciones, nómbrelas en orden alfabético.

Tabla 15.2 (pág. 623)

Reglas para nombrar un compuesto orgánico-II

3. continuación: (c) Para especificar dónde ocurre la ramificación, numere consecutivamente los átomos de C de la cadena principal, comenzando por el extremo más cercano a una ramificación, para así tener los números más bajos para las ramificaciones. Cada nombre de una ramificación debe ir precedido con el número del átomo de C de la cadena al cual está unido. (d) Si el compuesto no tiene ramificaciones, el nombre consiste en la raíz y el sufijo. 6 carbonos hex-

hex- + -ano = hexano CH3

CH3 CH CH CH2 CH3 CH3

CH2 CH3

metil

etil

1 2 3 4 5

etilmetilhexano

3-etil-2-metilhexano

6

Tabla 15.2 (p. 623)

Fórmulas condensadas vs. expandidas

Observar las fórmulas de 3-etil-2-metilpentano:

H

H C H H H H H

H C C C C C H

H H H H H C H

H C H

H

CH3

CH3 CH CH CH2 CH3

CH2

CH3

Fórmulaexpandida

Fórmula condensada

Fig. 15.6

Fórmula expandida

Fórmula condensada

Fórmulas y modelos de alcanos

Fig. 15.7

Representación de cicloalcanos

A Ciclopropano B Ciclobutano C Ciclopentano D Ciclohexano

(pág. 625)

Butano(n-butano)

2- metilpropano(isobutano)

Pentano(n-pentano)

2- metilbutano(isopentano)

2,2- dimetilpropano(neopentano)

Tabla 15.3 Los isómeros constitucionales de C4H10 y C5H12Nombre sistemático(nombre común)

Fórmulacondensada

Fórmulaexpandida

Modelo deespacio lleno

Densidad(g/mL)

Punto deebullición (ºC)

Puntos de ebullición de los hidrocarburos

Fig. 15.8

metano

etano

propano

butano

pentano

hexano

heptano

octano

nonano

decano

Temperatura (ºC)

Fig. 15.9

Una analogía para los

isómerosópticos

Manoderecha

Imagen especularde la mano derecha(igual a la mano izquierda)

Fig. 15.10

Dos moléculas quirales

Centroquiral

CentroquiralA 3-metilhexano

B Isómeros ópticos de la alanina

Isómeros

Estructural Estereoisómeros

Geométrico Óptico

Isomerismo óptico y moléculas quirales

Estereoisomerismo: moléculas con la misma secuencia de átomos, pero diferente orientación de los grupos en

el espacio.

Isomerismo óptico: un tipo de estereoiosmerismo que ocurre cuando dos objetos son imágenes especulares entre sí y no pueden superponerse.

Quiral: una molécula orgánica asimétrica que contiene al menos un átomo de carbono que se une a cuatro grupos diferentes.

Considere al carbono enlazado a A, B, C, y D. Existen dos estructuras posibles.

Isómeros ópticos

A

D

B

C

A

D

C

B

B y C no se superponen

Las dos estructuras son imágenesespeculares entre sí. Son isómerosópticos.

Cada una de las dos formas es asimétrica - sinun plano de simetría. Una molécula orgánica esquiral si tiene un átomo de carbono que se unaa cuatro grupos diferentes.

La rotación del plano de luz polarizada por una sustancia ópticamente activa

Fig. 15.11

Fuentede luz

Filtropolarizador

Tubo de muestra consolución de sustanciaópticamente activa

Ángulo de rotación

Analizador

La luz sin polarizaroscila en todoslos planos

La luz polarizadaoscila en soloun plano

Luzpolarizada girada

Isomerismo óptico¿Qué tan diferentes son los isómeros ópticos? Tienen la misma fórmula química y propiedades físicas y químicas exactas, pero difieren en dosaspectos:

1) Hacen girar el plano de la luz polarizada (Fig 15.11): rotación a la derecha dextrorrotatorio ( d ó + ) rotación a la izquierda levorrotatorio ( l ó - ) 2) En sus propiedades químicas, los isómeros ópticos sólo difieren en un ambiente quiral. dforma de A + dforma de B producto. dforma de A + lforma de B no hay reacción.

Ejemplo: entre la d-glucosa y l-glucosa, sólo la d-glucosa se metabolizaen los humanos–un buen ejemplo de la importante selectividad de las formas de vida.

El sitio activo de una enzima

Fig. 15.12

Molécula quiral

Sitio activo quiral

Superficie de la enzima

AlquenosAlquenos–Compuestos de carbono que contienen cuando menos un enlace doble C=C. Los alquenos tienen la fórmula general: CnH2n

Los alquenos se conocen como hidrocarburos insaturadosLos nombres de los alquenos difieren del de los alcanos en dos aspectos:1) La cadena raíz debe contener ambos átomos de C del enlace doble, incluso si no es la cadena más larga. La cadena se numera desde el extremo más cercano al enlace C=C, y la posición del enlace se indica con el número del primer átomo de C. it. 2) El sufijo para los alquenos es -eno. Ejemplos: Etileno, C2H4; Propeno, C3H6; Buteno, C4H8

H2C=CH2

EtilenoH2C=CH-CH3

Propileno =

H2C=CH-CH2-CH3

1-ButenoH3C-CH=CH-CH3

2-Buteno

H3C-CH2-CH=CH2

1-ButenoH3C-CH=CH2

Propeno

H2C=C-CH3

2-Metil propeno CH3

Alquenos

C2H4 Ethylene H2C=CH2

C3H6 Propylene H2C=CH–CH3

C4H8 Butene H2C=CH–CH2–CH3

C5H10 Pentene H2C=CH–CH2–CH2–CH3

C6H12 Hexene H2C=CH–CH2–CH2–CH2–CH3

C7H14 Heptene H2C=CH–( CH2)4–CH3

C8H16 Octene H2C=CH–( CH2)5–CH3

Etileno

Propile

no

Buteno

Penteno

Hexeno

Hepteno

Octeno

(pág. 628)

cis-2- buteno

trans-2- buteno

Tabla 15.4 Los isómeros geométricos del 2- butenoNombresistemático

Fórmulacondensada

Modelo deespacio lleno

Densidad (g/mL)

Punto de ebullición (ºC)

El evento químico inicial en la visión

Fig. 15.A (pág. 629)

Alquinos

Alquinos –Hidrocarburos que contienen cuando menos un enlace C C Los alquinos tienen la fórmula general: CnH2n–2

Los alquinos se nombran del mismo modo que los alquenos, excepto que el sufijo es -ino. Ejemplos:

HC CHAcetileno

HC C-CH3

PropinoH3C-C CH Propino

HC C- CH2-CH3

1-ButinoH3C-C C-CH3

2-ButinoH3C-CH2-C CH 1-Butino

HC C-CH2-CH2-CH3

1-PentinoH3C-C C-CH2-CH3

2-Pentino

Fórmulas químicas y nombres del grupo-R

metilo - CH3

etilo - CH2 - CH3 or - C2H5

n-propilo - CH2 - CH2 - CH3 or - C3H7

isopropilo - CH - CH3

CH3

n-butilo - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 or - C4H9

isobutilo - CH2 - CH - CH3

CH3

CH3

ter-butilo - C - CH3 CH3

H2 H2

H2

H2H2

Hciclohexilo

H2 H2

H2

H2

ciclopentiloH

H2

H2

H2

ciclobutiloH

H2

H2H

ciclopropilo

Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I

Problema: Proporcione el nombre sistemático para cada uno de los siguientes compuestos, indique el centro quiral en el inciso (d) y dibuje dos isómeros geométricos en el inciso (e).(a) CH3 (b) CH2-CH3

CH3 - CH - CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH-CH-CH3

CH3 CH2

CH3

(c) CH3 CH3

(d) CH3-CH2-CH-C-CH3

CH3 CH3

(e) CH3-CH2-CH=C-CH-CH3

CH3

Plan: Para resolver de (a) a (c), vayamos a la Tabla 15.2. Primero nombremos lacadena más larga (raíz + -ano). Luego busquemos los números más bajos paralas ramificaciones contando los átomos de C desde el extremo más cercano a la ramificación. Por último, nombremos cada rama (raíz- + -ilo) y pongámoslo alfabéticamente antes del nombre de la cadena.

H2H2

H2

H2

CH3

CH2-CH3

Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–I

Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–II

Plan: Continuacion. Para (e), la cadena más larga que incluye el enlace múltiple se numera desde el extremo más cercano a éste. Para (d), el centro quiral es el átomo de C unido a cuatro grupos diferentes. En (e), el isómero cis tiene los grupos más grandes en el mismo lado del enlace doble, y el isómero trans los tiene en lados opuestos.Solución:

(a) CH3

CH3

CH3 - CH - CH - CH3

1 2 3 4

2,3-Dimetilbutano

CH2 - CH3

H(b) CH3

CH3 - CH2 - CH2 - C - C -

CH2

CH31

234567

3-Metil-4-etilheptano

Nombrando y dibujando alcanos, alquenos, y alquinos–III

(c)CH3

H2

H2

H2

H2

CH2 - CH3

1

2

3

1-Etil-3-metilciclohexano

(d) CH3 CH3

CH3 - CH2 - C - C - CH3

H CH3

12345

2,2,3-Trimetilpentano

Centro quiral

(e)

CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3

H CH3

CH3

CH3 - CH2 - C = C - CH - CH3

H

CH3

CH3

cis-2,3-Dimetil-3-hexeno trans-2,3-Dimetil-3-hexeno

Fig. 15.13

Representaciones del benceno

o

Naftaleno y Benzo[a]pireno

Naftaleno C10H8

Benzo[a]pireno C20H12

Xilenos–Los tres isómeros de C8H10

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

1,2-Dimetilbenceno (o-xileno) pe = 144.4°C

1,3-Dimetilbencene (m-xileno) pe = 139.1°C

1,4-Dimetilbenceno (p-xileno) pe = 138.3°C

TNT y su descomposición (¡explosión!)

CH3

NO2

NO2

O2N

2,4,6-Trinitrometilbenceno (trinitrotolueno, TNT) C7H5N3O6

4 C7H5N3O6 (s) + 33 O2 (g)

28 CO2 (g) + 10 H2O(g) + 12 NO2 (g) + Energía

La base de la resonancia de los espines de los protones

Fig. 15.B (pág. 634)

RadiaciónCampomagnético

Espines nuclearesaleatorios de igualenergía

El espectro de RMN de 1H de la acetona

Fig. 15.C (pág. 635)

El espectro de RMN de 1H del dimetoximetano

Fig. 15.D (pág. 635)

Tipos de reacciones orgánicas -I

1) Reacciones de adición: Estas reacciones ocurren cuando un compuesto insaturado contiene un enlace doble o triple que se satura al adicionar un compuesto. Esta reacción ocurre en los enlaces C=O, C=C y C=C.

X YForma general: R-CH=CH-R + X-Y R-C-C-R H H

Ejemplos:

CH3-CH=CH-CH3 + H2 CH3-CH2-CH2-CH3

Br BrH-CH=CH-CH2-CH3 + Br2 H-C-C-CH2-CH3

H H H ClH2C=CH2 + HCl H-C-C-H H H

Un ensayo de color para los enlaces C=C

Fig. 15.14

Tipos de reacciones orgánicas–II

2) Reacciones de eliminación: Son contrarias a las reacciones de adición. El reactante saturado se convierte en un

compuesto insaturado y se forma otra molécula X YForma general: R-CH-CH2 R-CH=CH2 + X-Y

Ejemplos: OH H H2SO4

CH3-CH-CH2 CH3-CH=CH2 + H2O

OH Cr2O72- O

CH3-CH2-CH-CH3 CH3-CH2-C-CH3 + H2O H2SO4

Cl HCH3-CH-CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl

Tipos de reacciones orgánicas-III

3) Reacciones de sustitución: Estas reacciones ocurren cuando un átomo (o grupo) de un reactivo adicionado sustituye

a otro en el reactivo orgánico.

Forma general: R-C-X + Y R-C-Y + X

Ejemplos: CH3-OH + HBr CH3-Br + H2O

O CH3 CH3-C-Cl + CH3-CH-CH2-CH2-OH HCl + O CH3

CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3

CH3-CH2-CH2-Br + CH3-CH2-ONa NaBr + CH3-CH2-CH2-O-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-Br + NaOH CH3-CH2-CH2-OH + NaBr

Reconociendo el tipo de reacción orgánicaProblema: Establezca si cada una de las siguientes reacciones es de adición, eliminación o sustitución: a) CH3-CH2-OH + CH3-OH CH3-CH2-O-CH3 + H2O b) CH3-CH2-CH=CH-CH3 + H2 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

c) CH3-CH2-CH2-CH2-Cl CH3-CH2-CH=CH2 + HClPlan: Determinemos el tipo de reacción examinando el cambio en el número de átomos unidos al carbono. a) Más átomos unidos al carbon es una adición. b) Menos átomos unidos al carbono es una eliminación. c) El mismo número de átomos de carbono es una sustitución.Solución: a) Sustitución– el C-OH en ambas moléculas reactantes se convierte en enlaces C-O en la molécula producto, de modo que igual número de átomos se unen al carbono.b) Adición– se forman enlaces C-H en el producto, por tanto más átomos se unen al carbono.c) Eliminación–dos enlaces en el reactante (C-H,C-Cl) no están en elproducto, por eso menos átomos se unen al carbono en el producto.

El proceso redox en las reacciones orgánicas

No se puede confiar mucho de los números de oxidación en las reacciones orgánicasEn cambio, los químicos orgánicos observan el movimiento de la densidadelectrónica alrededor del átomo de carbono contando el número de enlaces a los átomos más electronegativos (por lo regular, el oxígeno) o alos átomos menos electronegativos (por lo regular, el H).

Una reacción de oxidación-reducción (redox) incluye oxidación y reduccion, pero los químicos orgánicos normalmente solo se enfocan enel reactante orgánico. Por tanto:

Cuando un átomo de C en el reactante orgánico forma másenlaces con O, o menos enlaces con H, el reactante se oxida y la reacción es una oxidación.Cuando un átomo de C en el reactante orgánico forma menosenlaces con O, o más enlaces con H, el reactante se reduce y la reacción es una reducción.

Oxidación orgánica y reacciones de reducción

Un ejemplo de una reacción orgánica de oxidación-reducción es la reacción que ocurre con el etanol y dicromato ácido de potasio paraproducir ácido acético:

OCH3-CH2-OH CH3-C-OH

K2Cr2O7 (ácido)

En el etanol el C-2 tiene 2 enlaces al hidrógeno y un enlace al oxígeno,mientras que en el producto (ácido acético) el C-2 tiene tres enlaces aloxígeno y ningún enlace al hidrógeno. Así pues, en esta reacción el etanol se oxida para formar ácido acético, por tanto esta reacción es unaoxidación.Otra reacción es la adición de hidrógeno al enlace doble del propilenopara formar propano:

CH3-CH=CH2 + H2 CH3-CH2-CH3

Pd

Observe que el C-2 y el C-3 tienen más enlaces al hidrógeno que en elpropileno reactante, en este caso el reactante se reduce y la reacción es una reducción.

Alcoholes

CH3OH Alcohol metílico -Metanol

C2H5OH Alcohol etílico -Etanol CH3CH2OH

C3H7OH Alcohol propílico -Propanol

H3C CH2 CH2 OH H3C CH OH

Alcohol n-propílicoCH3

Alcohol 2-propílicoH3C CH2 CH2 CH2 OH

Alcohol n-butílico

Algunas moléculas con el grupo funcional alcohol

Fig. 15.15

Metanol (alcohol metílico)Subproducto de la gasificación de carbón; agente descongelante; sustituto de gasolina; precursor de compuestos orgánicos

SerinaAminoácido que se encuentra enla mayoría de las proteínas

1, 2- etanodiol (etilén glicol)Componente principal del anti-congelante de autos

ColesterolEsterol principal en animales; esencial para las membranas celulares; precursor de hormonas esteroides.

Algunas reacciones de los alcoholes–I

1) Reacción de un alcohol con un metal alcalino para formar un ion alcóxido:

Al igual que con el agua: 2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 NaOH(ac) + H2 (g)

En los alcoholes ocurre una reacción similar, formando un ión alcóxido:

2 Na(s) + 2 CH3-CH2-OH(l) 2 CH3-CH2-O-(ac) +2 Na+

(ac) + H2 (g)

2 Li(s) + 2 CH3-OH(l) H2 (g) + 2 CH3-O-(ac) + 2 Li+

(aq)

2) La deshidratación de los alcoholes produce un compuesto insaturado –un alqueno o un éter (R-O-R). Un ejemplo de la formación de un alqueno:

OH

+ H2OH2SO4

Fenol Ciclohexeno

Algunas reacciones de los alcoholes–II2) continuación, Formación de un éter:

2 CH3-OH(l) CH3-O-CH3 (g) + H2O(l)

H2SO4

CH3-CH2-OH(l) + HO-CH2-CH3 (l) H2O(l) + CH3-CH2-O-CH2-CH3

dimetil éter

H + HO-dietil éter

H2SO4

OHCH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH(l) + CH3-CH-CH2-CH3 (l)

H2SO4

CH3

H-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (l) CH2

CH3

2-butil n-hexil éter

n-hexanol 2-butanol

alcohol etílicoetanol

metanol

Éteres

Dimetil éter H3C–O–CH3

Etil metil éter H3C–O–CH2–CH3

Dietil éter H3C–CH2–O–CH2–CH3

Difenyl éterC

CH CH

CH

CH

C CH

CH CH

CH

CH

CH O

Algunas reacciones de los alcoholes–III

3) Oxidación – Produce un aldehído, ácido o, con algunos alcoholes, una cetona.

Alcoholes primarios Aldehído Ácido orgánico

Alcoholes secundarios Cetona

Alcoholes terciarios no se oxidan

O OCH3-CH2-OH(l) CH3-C-H CH3-C-OH

K2Cr2O7

H2SO4

= [O] = “Oxidación”

[O][O]

etanol etanal ácido acético

OH OCH3-CH-CH2-CH3 (l) CH3-C-CH2-CH3 (l)

2-butanol etil metil cetona

[O]

-H2O -H2O

-H2O

Algunas reacciones de los alcoholes–IV

4) Reacción de sustitución de un alcohol con ácidos hidrohálicos para formar halolcanos y agua:

CH3-OH(l) + HCl(ac) CH3-Cl(g) + H2O(l)

CH3-CH2-CH2-OH(l) + HI(ac) CH3-CH2-CH2-I(l) + H2O(l)

Fórmula general: R-OH + HX R-X + H2O

Ejemplos:

5) Esterificación: Alcohol + Ácido orgánico = Éster + Agua

O OCH3-OH(l) + HC-OH H-C-O-CH3 (l)

[H+]

metanol ácido fórmico formato de metilo

O OCH3-CH2-OH(l) + CH3-C-OH(l) CH3- C-O-CH2-CH3 (l)

etanol ácido etanóico etanoato de etilo

[H+]

Reacciones de haluros de alquilo con aniones

CH3-CH2-CH2Cl + NaCN CH3-CH2-CH2CN + NaCl

CH3-CH2-Br + NaSH CH3-CH2-S-H + NaBr

CH3-CH2I + NaO-CH3 CH3-CH2-O-CH3

1-cloropropano 1-cianopropano

1-yodoetano metiletil éter

bromoetano etilmercaptano

CH3-CH2-Cl + NaNH2 CH3-CH2-NH2 + NaCl

cloroetano etilamina

CH3-CH2-CH2-CH2-Br + NaOH CH3-CH2-CH2-CH2-OH + NaBr1 - bromobutano 1-butanol

alcohol 1-butílico

Bifenilos policlorados (BPC)

.. Cl..

.. ..Cl..

..

..Cl..

.... Cl..

..

Hasta últimas fechas, los aromáticos halogenados se utilizaban como fluidos aislantes en transformadores eléctricos y se descargaban a las aguas residuales.Por su baja solubilidad, se acumularon durante décadas en sedimentos de ríos y lagos, y fueron alimento de microbios e invertebrados. Los peces se comierona los invertebrados, y las aves y los mamíferos, incluidos los humanos, secomieron a los peces. En cada etapa, los BPC se concentraban cada vez más enla grasa corporal. Por su alto riesgo, los BPC representan un problema real en las aguas naturales.

BPC

Algunas biomoléculas con el grupo funcional amina

Fig. 15.16

Lisina (amina primaria)Aminoácido que se encuentra en la mayoría de las proteínas

Adenina (amina primaria)Componente de los ácidos nucleicos

Epinefrina (adrenalina; amina secundaria)Neurotransmisor del cerebro; hormona que se libera durante el estrés.

Cocaína (amina terciaria)Estimulante cerebral; droga de la que se abusa mucho

Estructuras generales de aminas

Fig. 15.17

Primaria, 1º Secundaria, 2º Terciaria, 3º

Aminas–I

NH3 Amoniaco

CH3NH2 Metilamina

(CH3)2NH Dimetilamina

(CH3)3N Trimetilamina

N

CH3

CH3

CH3

N

H

. .. .

CH3

CH3

. .N

HH

H

. .N

H

H CH3

Estructura de un detergente catiónico

Fig. 15.18

Cloruro debencilcetildimetilamonio

Aminas–II

CH3-CH2-NH2 Etilamina

CH3-CH2-CH2-NH2 n-Propilamina

CH3-CH2-CH2-CH2-NH2 n-Butilamina

CH

CCH

CHCH

CH

NH2

Fenilamina

Reacciones de alcoholes, haluros de alquilo y aminas

Problema: Determine el tipo de reacción y prediga los productos de las siguientes reacciones químicas: ( a) CH3-CH2-CH2-OH

(b) CH3-CH2-Br + KOH

(c) CH3-CH2-OH + CH3-OHPlan: Examinemos el (los) reactante(s) y otro(s) reactivo(s) para decidirsobre las propiedades de cada grupo funcional, recordando que, en general, un grupo funcional se convierte en otro.Solución:

Cr2O7-2

H2SO4

H2SO4

(a) Eliminación (oxidación):

(b) Sustitución:

(c) Eliminación:

OCH3-CH2-C-OH Ácido propiónico

CH3-CH2-OH + KBr Alcohol etílico

CH3-CH2-O-CH3 Metiletil éter

Aldehídos

Formaldehído Metanal

H C H

O

Acetaldehído Etanal

H3C C H

O

Benzaldehído

CH

CCH

CHCH

CH

C H

O

Dimetil cetoneH3C C CH3

O

Acetone

Etil metil cetone

H3C CH2 C CH3

O

Dietil cetone

H3C CH2 C CH2 CH3

O

Cetonas

Algunos aldehídos y cetonas comunes

Fig. 15.19

Metanal (formaldehído)Se usa para hacer resinas en madera laminada, vajillas, contrapartes; conservador biológico.

Etanal (acetaldehído)Producto narcótico del metabolismo del etanol, se usa para hacer perfumes, saborizantes, plásticos y otros químicos

BenzaldehídoSaborizante artificial con sabor a almendra

2- Propanona (acetona)Disolvente para grasas, hule, plásticos, barníz, laca; materia prima química.

2- Butanona(metiletilcetona)Disolvente importante

El grupo carbonilo

Fig. 15.20

Ácidos carboxílicos

Ácido fórmicoH C O H

O

Ácido acético

H3C C O H

O

Acido propiónico

H3C CH2 C O H

O

Ácido butanóico

H3C CH2 CH2 C O H

O

Algunas moléculas con el grupo funcional ácido carboxílico

Fig. 15.21

Ácido metanóico (ácido fórmico)Componente irritante de las picaduras de abejas y hormigas

Ácido butanóico (ácido butírico)Olor a mantequilla rancia; componente sospechoso de ser atrayente sexual de los monos

Ácido benzóicoEstándar calorimétrico; se usa como conservador alimenticio, para teñir telas, curar el tabaco.

Ácido octadecanóico (ácido esteárico)Se encuentra en las grasas de los animales; usado para hacer velas y jabones.

Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–I

Alcohol etílico + Ácido acético = Acetato de etilo

H3C CH2 OH + H3C C O H

H3C CH2 O C CH3 + H2O

O

O

Etanol Ácido acético

Acetato de Etilo Agua

alcohol metílico + ácido fórmico = formato de metilo

H3C O H + H O C H H3C O C H + H2O

O O

alcohol metílico + ácido butírico = butirato de metilo

H3C O H + H3C CH2 CH2 C O H

O

H3C CH2 CH2 C O CH3H2O +

O

Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–II

Formato de metilo H C O CH3

O

Acetato de metiloH3C C O CH3

O

Acetato de etilo H3C C O CH2 CH3

O

Butirato de etiloH3C CH2 CH2 C O CH2 CH3

O

Piñas

Alcohol + Ácido orgánico Ésteres–III

Algunas moléculas de lípidos con el grupo funcional éster

Fig. 15.22

Triestearina Grasa dietética típica, usada como almacén de energía en animales.

Lecitina Un fosfolípido encontrado en la membrana de las células

Palmitato de cetilo La grasa más común en la grasa de ballena

¿Qué reactivo contribuye a qué grupo en el éster?

Si marcamos con un isótopo, veremos que el átomo de oxígeno en el éster proviene del alcohol, no del ácido, y que el oxígeno que se encuentra en el agua, y que se forma como subproducto, lo proporciona el ácido.Fig. 15.23

Hidrólisis-Saponificación: La reacción contraria a la formación del éster

Las grasas animales y/o las grasas vegetales que son “triglicéridos” fueronfraccionadas utilizando una base fuerte como sosa (NaOH) para producirun “jabón”. O

R- C-O-CH2

OR’-C-O-CH OR”-C-O-CH2

triglicérido

+ 3 NaOH

OR-C-O- Na+

OR-C-O- Na+

OR-C-O- Na+

+

HO-CH2

HO-CH

HO-CH2

3 moléculasde jabón

glicerol

Los ésteres son el saborizante en las frutas–I

Acetato de bencilo C9H10O2 – esencia de jazmín OCH3-C-O-CH2-

Acetato de isoamilo C7H14O2–manzanas maduras O CH3

CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3

2-Metilbutanoato de Etilo C7H14O2– manzanas maduras

CH3 OCH3-CH2-CH-C-O-CH2-CH3Acetato de isoamilo C7H14O2– banano

Butirato de etilo C6H12O2– piña

Formato de etilo C3H6O2– ron

O CH3

CH3-C-O-CH2-CH2-CH-CH3

OCH3-CH2-CH2-C-O-CH2-CH3

OH-C-O-CH2-CH3

Los ésteres son el saborizante en las frutas–II

Butirato de amilo C9H18O2– albaricoque

Salicilato de metilo C8H8O3– aceite de gaulteria

Formato de etilo C3H6O2– limonada

Acetato de n-octilo C10H20O2– naranjas

OCH3-CH2-CH2-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

OH-C-CH2-CH3

OCH3-C-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

OC-O-CH3

OH

Amidas

Formación de amidas: Las amidas se pueden formar por la reacción entreun ácido orgánico o un éster y una amina en una reacción de deshidratación-condensación.

Formación general : O H O H R-C-OH + H-N-R’ R-C-N-R’ + H2O

Ejemplos:

O O HCH3-C-O-CH3 + H2N-CH2-CH3 CH3-C-N-CH2-CH3 + CH3-OH

etanoato de metilo + etilamina N-etiletanamida + metanol

O H O HCH3-CH2-C-OH + H-N-CH3 CH3-CH2-C-N-CH3 + H2O

ácido propiónico metilamina N-metilpropilamida

O CH3 O CH3

CH3-CH2-CH2-C-OH + H-N-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-C-N-CH2-CH3ácido butanóico metiletilamina N-etil-N-metilbutanamida

Algunas moléculas con el grupo funcional amida

Fig. 15.24

AcetaminofénIngrediente activo, analgésico no aspirínico; usado para hacer tintes y químicos en fotografía

N, N dimetilmetanamida(dimetilformamida)Disolvente orgánico importante; usado en la producción de fibras sintéticas

Ácido lisérgico dietilamida (LSD-25)Un alucinógeno potente

La formación de anhídridos

Fig. 15.25

Ácido Anhídrido

Fig. 15.26

Un éster y una amida

A Glucosa-6- fosfato B Sulfanilamida

Fig. 15.27

Intervenciones entre los grupos funcionales orgánicos

Importantes groupos de enlace de los polímeros

• Enlace -COO- -CONH- -C-O-C-

• Nombre Éster Amida Éter

• Precursores Ácido + Ácido + Alcohol +• Alcohol Amina Alcohol

• Tipo de Poliésteres PoliamidasCelulosa

• Polímero Proteínas Almidón•

Fig. 15.28

Image to come.

Polimerización del etileno por radicaleslibres

Paso 1Formación del radical libre

Paso 2Adición del monómero

Paso 3Adición de más monómeros

Paso 4Terminación de la cadena por la unión de dos radicales libres

(iniciador peróxido)

Peróxido de benzoilo

O

O

O

OO

O

.2

Calor

Un “radical libre” es una molécula con un electrónimpar.

Polimerización del etileno–IO

O . + H2C CH2

O

O

CH2

CH2

.

EtilenoRadical peróxido de benzoilo

Aducto

Polimerización del etileno–II

O

O CH2

CH2

.

+ H2C CH2

O

O

CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2

.

2

Estructuras y aplicaciones de algunos polímeros de adición importantes (con base en la molécula de etileno)–I

Monómero Polímero AplicacionesH H C CH H

F F C CF F

H H C CH CH3

H H C CH Cl

Polietileno Bolsas de plástico, botellas, juguetes

Politetrafluoroetileno Utensilios de cocina (e.g. teflón)

Polipropileno Tapetes (exteriores e interiores; botellas)

Poli(cloruro de vinilo) Envolturas plásticas; mangueras para jardín plomería para interiores

Estructuras y aplicaciones de algunos polímeros de adición importantes (con base en la molécula de etileno)–II

Monómero Polímero Aplicaciones

H H C CH Fenilo

H H C CH C N

H H C C OH O C CH

H Cl C CH Cl

H CH3

C CH C O CH3

O..

Poliestireno Aislantes, muebles

Poliacrilonitrilo Hilos, telas, pelucas (p.ej. orlón, acrilán)

Poli(acetato de vinilo) Adhesivos, pinturas, coberturas textiles,

discos de computadorasPoli(cloruro de vinilideno) Envoltura para alimento

(p.ej. sarán)Poli(metacrilato de metilo) Sustituto del vidrio

(p.ej. lucita, plexiglás), bolas de boliche, pinturas

Poli(cloruro de vinilo) (PVC) y teflón

H Cl

C C

H H

C C C C C C C C

H H H H H H H H

H Cl H Cl H Cl H Cl n

Cloruro de vinilo PVC

C C

F F

F F

Tetrafluoroetileno

C C C C C C C C

F F F F F F F F

F F F F F F F F

Teflón

n

Poliestireno

C C

H

H

H

H

H

HHH

H

C C C C C C C C C

H H

H H

H

H HH

n

Estireno

Condensación de polímeros Poliamidas–Nailon-66

HOOH

O

OH2N

NH2

+Ácido adípico

Hexametilendiamina

NN

H

HO

O n

Dos moléculas con el mismo grupo funcional en ambos extremos de cada molécula–

dos monómeros diferentes

Nailon-66 Ácido adípico y Hexametilendiamina

Kevlar Ácido tereftálico y Fenilendiamina

Poliésteres Ácido tereftálico y etilen glicol

Reciclado del plástico–I

1) PET Polietilentereftalato Botellas para bebida gaseosa, envases de burbuja, películas fotográficas, charoas para hornos, Dacrón

2) HDPE Polietileno de alta densidad Garrafas para leche, muchos tipos de recipientes (para alimentos, detergentes líquidos, shampús, etc.)

3) PVC Poli(cloruro de vinilo) “Piel sintética” tapicería, tubería para agua, chapas para forros de paredes pisos, botellas para aceites comestibles, envolturas termoencogibles, envolturas para carnes y aves, mangueras para jardín, discos, tubuladura para laboratorio

4) LDPE Polietileno de baja densidad Películas (envolturas de alimentos, bolsas de plástico, etc.), recipientes flexibles como las botellas para mostaza, etc.

Reciclado de plástico–II5) PP Polipropileno Aparatos, autos, tubería, popotes, tapas para botellas, equipaje, envoltura para pan y queso, bolsas internas en

las cajas de los cereales, envolturas para ropa

6) PS Poliestireno Espuma de estireno, vasos para bebidas calientes, platos y cubiertos de plástico, cajas para huevos, charolas para

alimentos y recipientes para comida rápida7) Otros plástico–polímeros de adición Teflón Lucita, plexiglás Poli(acetato de vinilo) Caucho natural Caucho de neopreno Caucho de estireno-butadieno

Fig. 15.30

La estructura de un monómero y su enlace

igual que

Forma cíclica de la glucosa

Glucosa

B

FructosaSacarosa

Macromoléculas en organismos vivos

Ácidos nucléicos

Carbohidratos

Proteínas – La maquinaria molecular de la célula

* Poliamidas preparadas a partir de la reacción de condensación de aminoácidos. Cada aminoácido contiene un grupo carboxylo en un extremo y un grupo amino en el otro extremo.

* Nueve aminoácidos tienen carácter no polar y se encuentran en las proteínas.

* Once aminoácidos tienen cadenas laterales polares, son más polares, y se encuentran en el exterior de una proteína, donde pueden estar en contacto con el agua.

Carbohidratos• Fórmula general = Cx(H2O)y

• Los carbohidratos son una fuente alimenticia importante para los organismos.

• Algunos importantes son:– Glucosa C6H12O6

– Fructosa C6H12O6

– Sacarosa C12H22O11

• Oligosacáridos - Disacáridos– Dos azúcares sencillos (monosacáridos)– unidos entre sí simples azúcares – Polisacáridos–biopolímeros– Almidón –celulosa

Polisacáridos

• Glucógeno – se produce en el hígado de los animales– ~1000 Monómeros– Múltiples ramificaciones en la cadena principal,

pero su longitud promedio es de menos que 30 unidades de monómeros

– Ramificaciones muy frecuentes, cada 8-12 unidades de monómeros

• Almidón – se produce en las plantas– Polímeros de glucosa : amilosa y amilopectina

• Celulosa – se produce en las plantas– ~ 2000-3000 unidades de glucosa de longitud, pero

las unidades de glucosa se combinan como unidades de celobiosa que tienen un enlace beta

Una porción de la estructura del glucógeno, el almacén principal de polisacáridos en los animales

Fig. 15.31

Aminoácidos–Los bloques constructivos de las proteínas

R OEn general, los aminoácidos tienen la forma: H2N - C - C - O - H

Los aminoácidos normalmente tienen carga, porque el grupo carboxilotransfiere un ión H+ al H2O para formar H3O+, que transfiere el H+

al grupo amino.

R OH2N - C - C - O - H H

R OH3N+- C - C - O -

H

H3O+

+ H2O- H2O

Fig. 15.32

Polipéptidos

• Macromoléculas constituidas de aminoácidos;• Todas las proteínas son polipéptidos;• Una proteína pequeña (polipéptido) consiste en

50-100 aminoácidos;• Una proteína grande puede contener hasta

cientos; la miosina, una proteína del músculo, tiene alrededor de 1750 aminoácidos.

Fig. 15.33

Fig. 15.34

Fig. 15.35

A Colágeno

GlicinaXProlina

Fibroína de la seda

Alanina (o serina)

Las formas de las proteínas fibrosas

Los 3 bloques importantes para la construcción de los ácidos nucléicos

• 1) Un azúcar pentosa –En el RNA el azúcar es la ribosa, y en el DNA es desoxirribosa, en el que un grupo hidroxilo ha sido sustituido por un hidrógeno.

• 2) Una base orgánica que contiene nitrógeno:– Adenina– Guanina– Timina– Citosina– Uracilo

• 3) Un enlace fosfato proveniente del ácido fosfórico

Fig. 15.36

Fig. 15.37

Trabajos sobre ácidos nucléicos y DNA que han sido premiados

• En la década de 1940 el químico británico Alexander Todd– (Premio Nobel)– Descubrió la composición básica del DNA.

• En la década de 1950 Edwin Chargaff (Univ. Columbia)– Encontró que diferentes especies tenían diferentes

números de bases.– Encontró que la relación molar de la guanina a la

citosina y adenina a timina era siempre muy cercana a 1.0, lo cual sugiere, de algún modo, la adenina y timina se aparean en el DNA y lo mismo sucede con guanina y citosina.

• En 1953 James D. Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins–Premios Nobel – Encontraron la estructura de doble hélice del

DNA.

Fig. 15.38

Fig. 15.39