FUNDAMENTO TERICO:

La Qumica Orgnica es el estudio de los compuestos de carbono. El carbono puede formar ms compuestos que ningn otro elemento, por tener la capacidad de unirse entre s formando cadenas lineales o ramificadas Los tomos de carbono son nicos en su habilidad de formar cadenas muy estables y anillos, y de combinarse con otros elementos tales como hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, azufre y fsforo.El carbono puede constituir ms compuestos que ningn otro elemento, porque los tomos de carbono tienen la capacidad de formar enlaces carbono-carbono sencillos, dobles y triples, y tambin de unirse entre s formando cadenas o estructuras cclicas. La rama de la qumica que estudia los compuestos del carbono es la qumica orgnica.

Las clases de compuestos orgnicos se distinguen de acuerdo con los grupos funcionales que contienen. Un grupo funcional es un grupo de tomos responsable del comportamiento qumico de la molcula que lo contiene. Molculas diferentes que contienen la misma clase de grupo o grupos funcionales reaccionan de manera semejante. As, mediante el aprendizaje de las propiedades caractersticas de unos cuantos grupos funcionales, es posible estudiar y entender las propiedades de muchos compuestos orgnicos. En la segunda mitad de este captulo analizaremos los grupos funcionales conocidos como alcoholes, teres, aldehdos y cetonas, cidos carboxlicos y aminas.

La mayor parte de los compuestos orgnicos se derivan de un grupo de compuestos conocidos como hidrocarburos, debido a que estn formados slo por hidrgeno y carbono.

Con base en la estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: alifticos y aromticos. Los hidrocarburos alifticos no contienen el grupo benceno o anillo bencnico, en tanto que los hidrocarburos aromticos contienen uno o ms de ellos.

Las uniones qumicas tambin se clasifican de acuerdo al tipo de orbitales participantes en el enlace, as como a su orientacin en: enlace sigma, y enlace pi.ENLACE SIGMA ():Se forman entre dos tomos de un compuesto covalente, debido a la superposicin directa o frontal de los orbitales; es ms fuerte y determina la geometra de la molcula. Dos tomos enlazados comparten un par de electrones de enlace, aportando cada uno de ellos, un electrn al par electrnico de enlace. Enlace sigma s (s) se manifiesta cuando se recubren dos orbitales s.

ENLACE Pi ():Se forma despus del enlace sigma; es el segundo o tercer enlace formado entre dos tomos, debido a la superposicin lateral de los orbitales p. Sus electrones se encuentran en constante movimiento.

Los HIDROCARBUROS son compuestos orgnicos formados nicamente por tomos de carbono e hidrgeno. La estructura molecular consiste en un armazn de tomos de carbono a los que se unen los tomos de hidrgeno.Las cadenas de tomos de carbono pueden ser lineales o ramificadas y abiertas o cerradas. Los hidrocarburos se pueden diferenciar en dos tipos que son:HIDROCARBUROS

AROMTCOSALIFTICOS

Benceno y derivadosCadena cerradaCadena abierta

Ciclo alifticosAlcanosAlquenosAlquinos

HIDROCARBUROS ALIFTICOS: Alcanos: Los alcanos tienen la frmula general CnH2n+2, donde n = 1, 2,. . . La principal caracterstica de las molculas hidrocarbonadas alcanos es que slo presentan enlaces covalentes sencillos.

Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados porque contienen el nmero mximo de tomos de hidrgeno que pueden unirse con la cantidad de tomos de carbono presentes. El alcano ms sencillo (es decir, con n = 1) es el metano, CH4, que es un producto natural de la descomposicin bacteriana anaerobia de la materia vegetal subacutica. Debido a que se recolect por primera vez en los pantanos, el metano lleg a conocerse como gas de los pantanos.

En la figura se representan las estructuras de los primeros cuatro alcanos (desden = 1 hasta n = 4). El gas natural es una mezcla de metano, etano y una pequea cantidad de propano. En efecto, se supone que los tomos de carbono en todos los alcanos presentan hibridacin sp3. Las estructuras del etano y del propano son nicas dado que slo hay una forma de unir los tomos de carbono en estas molculas. Sin embargo, el butano tiene dos posibles esquemas de enlace, dando como resultado ismeros estructurales, n-butano (la n indica normal) e isobutano, molculas que tienen la misma frmula molecular pero diferente estructura. Los alcanos como los ismeros estructurales del butano se describen como de cadena lineal o de estructura ramificada.

El n-butano es un alcano de cadena lineal porque los tomos de carbono estn unidos a lo largo de una lnea. En un alcano de cadena ramificada, como el isobutano, uno o ms tomos de carbono estn unidos por lo menos a otros tres tomos de carbono.

En la tabla se indican los puntos de fusin y de ebullicin de los ismeros de cadena lineal de los primeros diez alcanos. Los primeros cuatro son gases a temperatura ambiente, y del pentano al decano son lquidos. Al aumentar el tamao molecular, se incrementa el punto de ebullicin porque aumentan las fuerzas de dispersin.

Nomenclatura de los alcanos:

La nomenclatura de los alcanos y de todos los dems compuestos orgnicos se basa en las recomendaciones de la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC). Los cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano) tienen nombres no sistemticos. El nmero de tomos de carbono se refleja en el prefijo griego de los alcanos que contienen entre cinco y diez carbonos. A continuacin aplicaremos las reglas dela IUPAC para los siguientes ejemplos:

1. El nombre base del hidrocarburo est dado por la cadena continua ms larga de tomos de carbono en la molcula. As, el nombre base del siguiente compuesto es heptano, porque hay siete tomos de carbono en la cadena ms larga.

2. Un alcano menos un tomo de hidrgeno es un grupo alquilo. Por ejemplo, cuando se remueve un tomo de hidrgeno del metano, queda el fragmento CH3, que recibe el nombre de grupo metilo. De manera similar, al eliminar un tomo de hidrgeno de la molcula de etano se forma un grupo etilo, o C2H5. En la tabla se muestran los nombres de varios grupos alquilo comunes. Cualquier ramificacin de la cadena ms larga se nombra como un grupo alquilo.3. Cuando se reemplazan uno o ms tomos de hidrgeno por otros grupos, el nombre del compuesto debe indicar la localizacin de los tomos de carbono donde se hicieron los reemplazos. El procedimiento que se sigue es numerar cada uno de los tomos de carbono de la cadena ms larga en la direccin en que las localizaciones de todas las ramificaciones tengan los nmeros ms pequeos. Considere las dos diferentes formas para el mismo compuesto que se presentan a continuacin:

El compuesto del lado izquierdo tiene la numeracin correcta, ya que el grupo metilo est localizado en el carbono 2 de la cadena del pentano; en el compuesto del lado derecho, el grupo metilo est localizado en el carbono 4. As, el nombre del compuesto es 2-metilpentano y no 4-metilpentano. Observe que el nombre de la ramificacin y el nombre base se escriben como una sola palabra y que, despus del nmero, se coloca un guin.

4. Cuando hay ms de una ramificacin de grupos alquilo de la misma clase, se utilizan los prefijos di-, tri- o tetra- antes del nombre del grupo alquilo. Considere los siguientes ejemplos:

Cuando hay dos o ms grupos alquilo diferentes, los nombres de los grupos se disponen alfabticamente. Por ejemplo,

5. Por supuesto, los alcanos pueden tener muchos tipos diferentes de sustituyentes. As, el compuesto se nombra 3-bromo-2-nitrohexano. Observe que los grupos sustituyentes se disponen alfabticamente en el nombre, y que la cadena se numera en la direccin que da el nmero ms pequeo para el primer tomo de carbono sustituido.

Reacciones de los alcanos:

En general se considera que los alcanos no son sustancias muy reactivas. Sin embargo, en condiciones adecuadas reaccionan. Por ejemplo, el gas natural, la gasolina y el combustleo son alcanos cuyas reacciones de combustin son muy exotrmicas:

stas y otras reacciones semejantes de combustin se han utilizado durante mucho tiempo en procesos industriales, en la calefaccin domstica y para cocinar.

La halogenacin de los alcanos, es decir, la sustitucin de uno o ms tomos de hidrgeno por tomos de halgenos, es otra clase de reaccin de los alcanos. Cuando una mezcla de metano y cloro se calienta a ms de 100C o se irradia con luz de la longitud de onda apropiada, se produce cloruro de metilo:

En presencia de un exceso de cloro gaseoso, la reaccin puede continuar:

Las evidencias experimentales sugieren que el paso inicial de la primera reaccin de halogenacin se lleva a cabo de la siguiente manera:

As, el enlace covalente del Cl2 se rompe y se forman dos tomos de cloro. Sabemos que el enlace ClCl se rompe cuando se calienta o irradia la mezcla, porque la entalpa de enlace del Cl2 es 242.7 kJ/mol, mientras que se requieren alrededor de 414 kJ/mol para romper los enlaces CH del CH4.Un tomo de cloro es un radical que contiene un electrn desapareado representado por un punto. Los tomos de cloro son muy reactivos y atacan a las molculas de metano de acuerdo con la ecuacin:

Esta reaccin produce cloruro de hidrgeno y el radical metilo CH3. El radical metilo es otra especie reactiva; se combina con el cloro molecular para dar cloruro de metilo y un tomo de cloro:

La produccin de cloruro de metileno a partir del cloruro de metilo y las reacciones subsecuentes se explican de la misma forma. El mecanismo real es ms complejo que el esquema que se ha mostrado porque ocurren reacciones secundarias que no conducen a los productos deseados, como:

Los alcanos en que se han sustituido uno o ms tomos de hidrgeno por un tomo de halgeno se llaman halogenuros de alquilo. Entre el gran nmero de halogenuros de alquilo, los ms conocidos son el cloroformo (CHCl3), el tetracloruro de carbono (CCl4), el cloruro de metileno (CH2Cl2) y los clorofluorohidrocarbonos.El cloroformo es un lquido voltil, de sabor dulce, que durante muchos aos se utiliz como anestsico. Sin embargo, debido a su toxicidad (puede producir dao severo en el hgado, los riones y el corazn) se ha sustituido por otros compuestos. El tetracloruro de carbono tambin es una sustancia txica que sirve como lquido limpiador, el cual quita las manchas de grasa de la ropa. El cloruro de metileno se utiliza como disolvente para descafeinar el caf y como removedor de pintura.

Isomera ptica de alcanos sustituidos:

Los ismeros pticos son compuestos cuyas imgenes especulares no se pueden superponer.

En la figura se presentan dibujos en perspectiva de los metanos sustituidos CH2ClBr y CHFClBr y de sus imgenes especulares.

Las imgenes especulares de CH2ClBr se pueden superponer, pero las de CHFClBr no, independientemente de cmo se hagan girar las molculas.Por tanto, la molcula de CHFClBr es quiral.

Las molculas quirales ms sencillas contienen por lo menos un tomo de carbono asimtrico, es decir, un tomo de carbono unido a cuatro tomos o grupos de tomos diferentes.

Cicloalcanos:

Los alcanos cuyos tomos de carbono se unen formando anillos se conocen como cicloalcanos.Tienen la frmula general CnH2n, donde n = 3, 4,. . . El cicloalcano ms sencillo es el ciclopropano, C3H6. Muchas sustancias de importancia biolgica, como el colesterol, la testosterona y la progesterona contienen uno o ms de tales sistemas cclicos. El anlisis terico muestra que el ciclohexano puede tener dos diferentes geometras relativamente libres de tensin. Tensin significa que los enlaces estn comprimidos, alargados o torcidos con respecto a sus formas geomtricas normales predichas por la hibridacin sp3. La geometra ms estable es la forma de silla.

Alquenos:

Los alquenos (tambin llamados olefinas) contienen por lo menos un doble enlace carbono-carbono.Los alquenos tienen la frmula general CnH2n, donde n = 2, 3,. . . El alqueno ms sencillo es C2H4, etileno, en el que ambos tomos de carbono presentan hibridacin sp2 y el doble enlace est formado por un enlace sigma y un enlace pi.

Nomenclatura de los alquenos:

Para nombrar los alquenos se indican las posiciones de los dobles enlaces carbono-carbono.Los nombres de los compuestos que contienen enlaces C=C terminan en -eno. Como en el caso de los alcanos, el nombre del compuesto base se determina por el nmero de tomos de carbono de la cadena ms larga, como se muestra aqu:

Los nmeros en los nombres de los alquenos indican el tomo de carbono con el nmero ms pequeo en la cadena que es parte el enlace C=C del alqueno. El nombre buteno significa que hay cuatro tomos de carbono en la cadena ms larga. En la nomenclatura de los alquenos se debe especificar si una molcula es cis o trans, si se trata de ismeros geomtricos, como:

Propiedades y reacciones de los alquenos:

El etileno es una sustancia muy importante porque se utiliza en grandes cantidades en la manufactura de polmeros orgnicos (que se estudiarn en el siguiente captulo) y en la preparacin de muchos otros compuestos orgnicos. El etileno se prepara de manera industrial por el proceso de craqueo, es decir, la descomposicin trmica de un hidrocarburo superior en molculas ms pequeas. Cuando el etano se calienta alrededor de 800C, se produce la siguiente reaccin:

Otros alquenos se pueden preparar por el craqueo de miembros superiores de la familia de los alcanos.Los alquenos se clasifican como hidrocarburos insaturados, los cuales comprenden compuestos con dobles o triples enlaces carbono-carbono que les permiten adicionar tomos de hidrgeno. Los hidrocarburos insaturados por lo general presentan reacciones de adicin, en las que una molcula se adiciona a otra para formar un solo producto. La hidrogenacin es un ejemplo de una reaccin de adicin. Otras reacciones de adicin al enlace C=C incluyen donde X representa un halgeno (Cl, Br o I).

La adicin de un halogenuro de hidrgeno a un alqueno no simtrico, como propeno, es ms complicada porque se pueden formar dos productos:

Sin embargo, en la prctica slo se forma el 2-bromopropano. Este fenmeno fue observado en todas las reacciones entre reactivos no simtricos y alquenos. En 1871, Vladimir Markovnikov1 postul una generalizacin que permite predecir el resultado de las reacciones de adicin.Esta generalizacin, que ahora se conoce como la regla de Markovnikov, establece que en la adicin de reactivos no simtricos (es decir, polares) a alquenos, la porcin positiva del reactivo (generalmente hidrgeno) se adiciona al tomo de carbono que tiene ms tomos de hidrgeno.

Ismeros geomtricos de los alquenos:

En un compuesto como el etano, C2H6, la rotacin de los dos grupos metilo en torno al enlace sencillo carbono-carbono (que es un enlace sigma) opera con bastante libertad. La situacin es diferente para molculas que contienen dobles enlaces carbono-carbono, como el etileno, C2H4. Adems del enlace sigma, hay un enlace pi entre los dos tomos de carbono. La rotacin en torno al enlace carbono-carbono no afecta al enlace sigma, pero s mueve los dos orbitales2pz fuera de alineacin para el traslapo y, por tanto, destruye parcial o totalmente el enlace pi. Este proceso demanda un suministro de energa del orden de 270 kJ/ mol. Por esta razn la rotacin del doble enlace carbono-carbono est bastante restringido, aunque no imposible. Como consecuencia, las molculas que contienen dobles enlaces carbono- carbono (es decir, los alquenos) pueden tener ismeros geomtricos, que no se pueden interconvertir entre s sin romper un enlace qumico.

La molcula de dicloroetileno, ClHC=CHCl, se presenta como uno de dos ismeros geomtricos llamados cis-dicloroetileno y trans-dicloroetileno:

Donde el trmino cis significa que dos tomos especficos (o grupos de tomos) son adyacentes entre s, y trans quiere decir que los dos tomos (o grupos de tomos) estn en lados opuestos.En general, los ismeros cis y trans tienen propiedades fsicas y qumicas muy diferentes.Por lo comn, se utiliza calor o radiacin luminosa para convertir un ismero geomtrico en el otro; a este proceso se le denomina isomerizacin cis-trans o isomerizacin geomtrica.Como muestran los datos anteriores, las mediciones del momento dipolar sirven para distinguir entre ismeros geomtricos. En general, los ismeros cis poseen momento dipolar, pero los trans no.

Alquinos:

Los alquinos contienen por lo menos un triple enlace carbono-carbono. Tienen la frmula general CnH2n 2, donde n = 2, 3,. . .

Nomenclatura de los alquinosLos nombres de los compuestos que contienen enlaces C=C terminan en -ino. De nuevo, el nombre del compuesto base est determinado por el nmero de tomos de carbono en la cadena ms larga. Al igual que en el caso de los alquenos, los nombres de los alquinos indican la posicin del triple enlace carbono-carbono; por ejemplo, en

Propiedades y reacciones de los alquinos:

El alquino ms sencillo es el etino, ms conocido como acetileno (C2H2). La estructura y el enlace del C2H2 se analizaron en la seccin 10.5. El acetileno es un gas incoloro (p. e. 84C) que se prepara mediante la reaccin entre carburo de calcio y agua:

El acetileno tiene muchos usos importantes en la industria. Debido a su alto calor de combustin el acetileno que se quema en los sopletes oxiacetilnicos produce una flama muy caliente.

La energa libre estndar de formacin del acetileno es positiva (Gf = 209.2 kJ/mol), a diferencia de la de los alcanos. Esto significa que la molcula es inestable (respecto de sus elementos) y tiende a descomponerse:

En presencia de un catalizador adecuado, o cuando el gas se mantiene a presin, esta reaccin suele ocurrir con violencia explosiva. Para transportar el gas sin correr riesgos, debe disolverse en un disolvente orgnico, como acetona, a presin moderada. En estado lquido, el acetileno es muy sensible a los golpes y altamente explosivo.El acetileno es un hidrocarburo insaturado que se hidrogena para producir etileno:

Participa en las siguientes reacciones de adicin, con halogenuros de hidrgeno y halgenos:

El metilacetileno (propino), CH3 C = C H, es el siguiente miembro de la familia de los alquinos. Participa en reacciones semejantes a las del acetileno. Las reacciones de adicin del propino tambin obedecen la regla de Markovnikov:

Hidrocarburos aromticos:

El benceno, compuesto base de esta gran familia de sustancias orgnicas, fue descubierto por Michael Faraday en 1826. Durante ms de 40 aos, los qumicos estuvieron preocupados por encontrar su estructura molecular. A pesar del pequeo nmero de tomos en la molcula, hay muy pocas formas de representar la estructura del benceno sin violar la tetravalencia del carbono. Sin embargo, la mayora de las estructuras propuestas fueron rechazadas porque no podan explicar las propiedades conocidas del benceno. Hacia 1865, August Kekul dedujo que la mejor representacin de la molcula del benceno podra ser una estructura anular, es decir, un compuesto cclico que consta de seis tomos de carbono:

La mejor manera de representar las propiedades del benceno es mediante las dos estructuras resonantes anteriores. De manera alternativa, las propiedades del benceno se explican en trminos de orbitales moleculares deslocalizados:

Nomenclatura de los compuestos aromticos:

La nomenclatura de los bencenos mono sustituidos, es decir, bencenos en los que un tomo de H se ha reemplazado por otro tomo o grupo de tomos, es muy sencilla, como se muestra a continuacin:

Si est presente ms de un sustituyente, debemos indicar la localizacin del segundo grupo respecto del primero. La forma sistemtica de lograr esto es numerando los tomos de carbono como sigue:

Hay tres diferentes dibromobencenos posibles:

Los prefijos o- (orto-), m- (meta-) y p- (para-) se utilizan para indicar las posiciones relativas de los dos grupos sustituyentes, como se muestra en el caso de los dibromobencenos. Los compuestos en que los dos grupos sustituyentes son diferentes se nombran de esta forma. As, se nombra 3-bromonitrobenceno o m-bromonitrobenceno.

Por ltimo, cabe hacer notar que el grupo que contiene un anillo bencnico menos un tomo de hidrgeno recibe el nombre de grupo fenilo. Por tanto, la siguiente molcula se denomina 2-fenilpropano:

Propiedades y reacciones de los compuestos aromticos:

El benceno es un lquido incoloro, inflamable, que se obtiene sobre todo del petrleo y del alquitrn de hulla. Es probable que la propiedad qumica ms notable del benceno sea su relativa baja reactividad. A pesar de que tiene la misma frmula emprica que el acetileno (CH) y un alto grado de insaturacin, es mucho menos reactivo que el etileno o el acetileno. La estabilidad del benceno es resultado de la deslocalizacin electrnica. De hecho es posible, aunque muy difcil, hidrogenar el benceno. La siguiente reaccin se lleva a cabo a temperaturas y presiones mucho mayores que las que se utilizan con los alquenos:

Antes vimos que los alquenos reaccionan en forma rpida con los halgenos para formar productos de adicin, porque el enlace pi en C=C se puede romper con facilidad. La reaccin ms comn de los halgenos con el benceno es una reaccin de sustitucin, en la cual un tomo o un grupo de tomos reemplazan a un tomo o grupo de tomos de otra molcula. Por ejemplo,

Observe que si la reaccin fuera de adicin, se destruira la deslocalizacin electrnica en el producto y la molcula no tendra la baja reactividad qumica caracterstica de los compuestos aromticos.

Es posible introducir grupos alquilo en el sistema cclico haciendo reaccionar el benceno con un halogenuro de alquilo y utilizando AlCl3 como catalizador:

Existe una gran cantidad de compuestos que se pueden generar a partir de sustancias en las que los anillos bencnicos estn fusionados. En la figura se ilustran algunos de estos hidrocarburos aromticos poli cclicos. El ms conocido de estos compuestos es el naftaleno, que se utiliza en las bolitas de naftalina. ste y otros compuestos semejantes estn presentes en el alquitrn de hulla. Algunos compuestos con varios anillos son poderosos carcingenos, es decir, que pueden causar cncer en humanos y otros animales.