HIDROCARBUROS
En los hidrocarburos los carbonos se encuentran unidos entre ellos además de hidrógenos sin que en ninguno queden valencias libres. Son los compuestos orgánicos más sencillos; se encuentran unidos por valencias covalentes que pueden ser sencillas, dobles o triples. La mayor parte se obtienen apartar del petróleo por el método de destilación fraccionada. Según la naturaleza de los enlaces entre los átomos de carbono de carbono, se les clasifica en diferentes series denominadas homólogas, diferenciadas por el grupo – CH2. Cuando las cadenas de carbono están unidas mediante enlaces simples, se llaman hidrocarburos saturados, estos, a su vez, si son cadena abierta se llaman alcanos, y si son de cadena cerrada serán cicloalcanos; cuando tienen dobles y triples enlaces se llaman alquenos y alquinos, respectivamente, y serán insaturados.
TIPOS DE FORMULAS DE LOS COMPUESTOS ORGANICOS
Una formula química es un modelo matemático que sirve para representar a un compuesto utilizando símbolos de sus elementos constituyentes; expresa la composición cualitativa y cuantitativa de una molécula.
Formula estructural, desarrollada o grafica: indica todos los enlaces presentes en la molécula y las posiciones de los átomos. Este tipo de formula no es adecuado para compuestos con pesos moleculares elevados, ya que su escritura se complica.
Notación taquigráfica: los carbonos se representan en cada extremo de las líneas en forma de zigzag.
Formula semidesarrollada: solo se indican los enlaces entre los átomos de carbono que forman la molécula; se puede decir que es una forma abreviada de la formula desarrollada. Dicha fórmula es la más en los compuestos de carbono, ya que indican el total de átomos o funciones químicas presentes en las moléculas.
Formula molecular o condensada: es la formula abreviada de representar la composición molecular de una sustancia. Los símbolos de los elementos constituyentes se colocan uno a continuación de del otro, y si contienen mas de de dos átomos del elemento, se escribe un subíndice en la parte inferior derecha. Expresa el número total de átomos que forman la molécula o compuesto. Generalmente se utiliza para obtener pesos moleculares.
Clasificación de tipos de cadena: la existencia de los compuestos del carbono se debe a la peculiaridad del carbono de formar cadenas, a su tetravalencia y al tipo de enlace covalente que predomina. Los compuestos orgánicos, por su cadena, se clasifican de acuerdo con el siguiente cuadro:
De todos los elementos, el carbono es el único que presenta la habilidad de unirse consigo mismo formando cadenas de diferentes tipos.
Aciclicos o de cadena abierta: los átomos de carbono se encuentran unidos por enlaces covalentes uno tras otro, formado cadenas rectas o lineales, por lo que también se les llama normales. Solo tienen una cadena. Pueden ser saturados como en el ejemplo o bien no saturados (doble o triples enlaces.)
Saturados: son compuestos donde los enlaces entre los átomos son covalentes sencillos, como en los alcanos o parafinas y cicloalcanos, respectivamente
No saturados: en la cadena de átomos de carbono se pueden encontrar dobles o triples enlaces, por ejemplo en los alquenos u olefinas, alquinos y cicloalquenos.
Arborescentes o ramificados: se presenta cuando la cadena principal se le agrega uno o varios grupos alquilo unidos a la misma; pueden ser saturados o no saturados (presentan enlaces dobles o triples enlaces). Pueden tener carbonos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios.
Ciclos o de cadena cerrada: los átomos de la molécula se encuentran unidos formando un ciclo o anillo; normalmente se representan con figuras geométricas. Pueden ser homocìclicos cuando en la cadena existe uno o varios átomos de carbono, y heterocíclicos cuando en la cadena existe uno o varios átomos diferentes al carbono.
Alicíclicos: se derivan de compuestos alifáticos (deben su nombre al hecho de que las grasas animales y vegetales pertenecen a este grupo; incluyen a los hidrocarburos de cadena abierta y a las ciclo parafinas); no contienen un anillo bencénico.
Aromáticos: esqueletos cíclicos de seis carbonos unidos mediante enlaces sencillos y dobles de manera alterada; también se llaman bencénicos. Un ejemplo es el benceno y sus derivados:
ALCANOS
Son hidrocarburos Aciclicos (de cadena abierta), saturados, lineales o arborescentes. También se les llama hidrocarburos alifáticos o grasos, parafinicos o simplemente parafinas (del latín parum = poca y affiinis = afinidad). Formados únicamente por átomos de carbono e hidrogeno. Su formula general es CnH2n+2, donde n es el numero de átomos de carbono
Los alcanos forman una serie de compuestos que se inicia con el término que tiene un átomo de carbono, le sigue dos y así sucesivamente.
Los alcanos son saturados porque los átomos de carbono están unidos entre sí por enlaces covalentes sencillos. El resto de las valencias de los carbonos están saturadas con átomos de hidrógenos. Se obtiene industrialmente del petróleo y son los principales constituyentes de la gasolina, básicamente el octano.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALCANOS
A temperatura ambiente los alcanos son inertes a la mayor parte de los reactivos comunes, como las bases fuertes y ácidos fuertes, y agentes oxidantes o agentes reductores, no atacan a los alcanos. Solo presentan enlaces covalentes, generalmente son no polares o muy poco polares (solubles en disolventes no polares), insolubles en agua, acidos, y bases diluidos y acido sulfúrico concentrado. Como los alcanos son inodoros, los provedores de gas comercial le agregan alguna sustancia de olor fuerte (butanotiol) como medida preventiva para detectar posibles fugas. Los alcanos arden con gran desprendimiento de grandes cantidades de calor. Sus puntos de fusión y ebullición aumentan a medida que crese el número de átomos de carbono. Los cuatro primeros n-alcanos son gases, del 5 al 7 átomos de carbono son líquidos y más de 18 son sólidos. Los alcanos ramificados disminuyen su punto de ebullición. Y todos los alcanos son menos densos que el agua. Su fuente de petróleo en conjunto con el gas natural se obtienen por destilación fraccionada debida a sus diferencias en sus puntos de ebullición. Su principal uso es como combustible, calefacción, gasolina, queroseno, diesel aceites, disolventes, y como materia prima de una amplia gama de compuestos.
TIPOS DE CARBONOS
Se define a un átomo de carbono como primario cuando tienen una de sus valencias unidas a un átomo de carbono; secundario al que tiene dos de sus valencias unidas a átomos de carbono; terciario al que tiene tres de sus valencias unidas a átomos de carbono; cuaternario es aquel que tiene cuatro de sus valencias unidas a átomos de carbono.
El prefijo neo se utiliza para indicar que el segundo átomo de la cadena de carbono cuaternario.
GRUPOS ALQUILO
Los grupos alquilo no existen libres, sino unidos a cadenas de hidrocarburos o formando parte de la estructura de un compuesto; provienen de los hidrocarburos saturados por sustracción de un hidrogeno unido a un carbono primario, secundario o terciario, quedando una valencia libre en su lugar. Para nómbralos, la terminación ano del hidrocarburo se cambia por la terminación il o ilo. Su formula general es: CnH2n+1.
El prefijo iso se reserva para los compuestos que poseen un grupo metilo en el penúltimo átomo de carbono de la cadena principal. Los prefijos sec y ter indican la unión de un sustituyente a un carbono secundario y terciario, respectivamente. El prefijo neo se utiliza para indicar que el segundo átomo de la cadena de carbonos es un carbono cuaternario.
Los grupos alquilo no existen nunca libres, sino unidos a cadenas de hidrocarburos o formando parte de la estructura de un compuesto.
REGLA PARA LA NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS RAMIFICADOS.
1. Seleccionar la cadena más larga de átomos de carbono que se desea nombrar.
2. Numerar la cadena más larga, iniciando por los el extremo más cercano a una ramificación, usando números arábigos, escritos en la parte superior de cada uno de los carbonos.
3. Indicar los grupos alquilo (ramificaciones) unidos a la cadena principal, mediante el numero de átomos de carbono al cual están unidos.
4. En caso de tener varios grupos alquilo, estos se colocan en orden alfabético, tomando en cuenta el nombre y no el prefijo, por complejidad o por tamaño creciente de los grupos (el uso de orden de complejidad fue abandonado en 1971).
5. Si se tienen grupos alquilo iguales, estos se agrupan usando prefijos: di si se repiten dos veces, tri para tres, tetra para cuatro, penta para cinco, hexa para seis etc. Y se agrega el nombre del alquilo repetido.
6. Si los grupos alquilo son iguales, pero se encuentran unidos en átomos de carbono diferentes, se indican primero los números de los átomos de carbono y luego el nombre de los grupos alquilo.
7. Por último se nombran el hidrocarburo que corresponda a la cadena más larga.
8. Los números se deben separar entre sí por medio de comas, y los números se separan de los nombres por medio de un guion.
ALQUENOS
Los alquenos son hidrocarburos no saturados donde por lo menos un par de átomos de carbono están unidos por un doble enlace. Su formula general es: C2H2n donde n es mayor o igual a 2. También se les llama olefinas (formadores de aceites) o etilenicos; son mas reactivos que los alcanos debido al enlace covalente doble. Su nomenclatura es fundamentalmente la misma que la de los alcanos, pero con terminación eno; dicha terminación se utiliza para indicar la presencia de una doble ligadura. Presentan isomería geométrica denominada cis - trans; si los grupos sustituidos quedan del mismo lado son (cis), o de lados distintos (trans) del doble enlace.
Los alquenos se obtienen se obtienen industrialmente por descomposición térmica y catalítica (cracking) a partir de los alcanos; algunos de ellos forman parte de la gasolina. La doble ligadura es muy reactiva y está formada de un enlace sigma (σ) fuerte y un enlace pi ( ) débil. Pueden sufrir reacciones de adicion, como la hidratación, y halogenacion. Los alquenos a partir de sus reacciones, producen compuestos con estructuras complejas llamados polímeros.
NOMENCLATURA
Para nombrar a los alquenos u olefinas se utilizan las reglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), que son:
1. Seleccionar la cadena más larga de átomos de carbono que contenga la doble ligadura.
2. Numerar la cadena iniciando por el extremo que quede más cerca de la doble ligadura.
3. Enunciar los grupos alquilo de la misma forma que en los alcanos.
4. Indicar la posición de la doble ligadura usando el número más pequeño que le corresponda en la numeración de la cadena más larga.
5. Dar el nombre del alqueno que le corresponda a la cadena más larga.
6. En caso de que el compuesto tenga dos dobles enlaces, la terminación es dieno, y si tienes tres, la terminación debe ser trieno.
PROPIEDADES FISICAS
Los alquenos normales de 2 a 4 átomos de carbono son gases, de 5 a 18 líquidos, y los posteriores sólidos. La forma de identificar a los alquenos es por la ``prueba de instauración”: el doble enlace reacciona rápidamente con una solución diluida de bromo en tetracloruro de carbono. Se disuelven en H2SO4 concentrado y frio. Son insolubles en agua, pero solubles en líquidos no polares como el benceno, éter y cloroformo; son menos densos que el agua; sus puntos de ebullición aumentan con el número de átomos de carbono de 20 a 30°por cada carbono adicional; excepto para los más pequeños; las ramificaciones bajan el punto de ebullición.
ALQUINOS
Hasta ahora se han tratado dos tipos de enlaces de carbono: el simple y el doble. El simple es de reactividad baja, su función es la de actuar como cemento que mantiene unida a la sustancia orgánica; en cambio el doble enlace es insaturado y muy reactivo, de manera que analizaremos el triple enlace, característico de los alquinos.
Para formar enlaces con dos átomos, el carbono hace uso de los dos orbitales híbridos equivalentes: orbitales sp que resultan de mezclar un s y otro p. Estos orbitales sp se encuentran en línea recta que pasa por el núcleo del carbono, por lo que el ángulo entre ellos es de 180°. Este arreglo permite la máxima separación de los orbitales híbridos y una repulsión entre orbitales que genera cuatro enlaces tetraédricos o tres trigonales, dando origen a dos enlaces lineales. Tanto los enlaces carbono-hidrogeno como carbono son cilíndricamente simétricos en torno a una línea que une los núcleos; por tanto, son enlaces sigma (σ). Sin embargo, la molécula aun no está completa; al formarse los orbitales sp descritos anteriormente, cada carbono solo utiliza uno de sus tres orbitales p, por lo que aun restan dos mas. Cada uno de estos últimos consta de dos lóbulos iguales, cuyo eje es perpendicular, tanto al eje del otro orbital p como al de los orbitales sp; cada orbital p está ocupado por un solo electrón. La suma de dos orbitales p perpendiculares no da cuatro lóbulos esféricos, sino una sola nube con forma de rosca. El traslape de los orbitales p de un carbono con los del otro, permite el apareamiento de electrones. Se forman dos en laces pi ( ), que generan, en conjunto, una envoltura cilíndrica en torno al eje de unión de los núcleos. Por lo tanto, el “triple enlace” carbono-carbono está constituido por un enlace sigma (σ) fuerte y dos pi ( ) mas débiles.
Los alquinos son hidrocarburos aciclicos que contienen en su estructura por lo menos una triple ligadura; también se les da los nombres de etinicos o acetilénicos, provenientes de los nombres del primer compuesto de esta familia. Para que exista la triple ligadura se tienen que eliminar 4 átomos de hidrogeno entre los dos átomos de carbono donde se encuentre la triple covalencia. Su formula general es: CnH2n-2. Comparten esta misma fórmula general los ciclo- y dieno- alquenos, por lo que son isómeros de función y sus propiedades físicas son similares a los alcanos y los alquenos.
NOMENCLATURA
Los nombres de estos compuestos son similares a los de los alquenos, de acuerdo con las reglas indicadas anteriormente, pero se cambia la terminación del nombre que indique la cadena más larga de átomos de carbono por ino, di-ino, tri-ino, etc., según el número de triples ligaduras presentes en la fórmula del compuesto a nombrar.
PROPIEDADES
Debido a su triple ligadura, son muy reactivos; el etino o acetileno representante de esta familia se obtiene del carburo de calcio con agua; es un gas incoloro toxico, que arde con llama muy luminosa; en estado liquido es muy inestable y explosivo. Se emplea para soldar y cortar metales. Las reacciones típicas de los alquinos son la adición, como la hidrogenación catalítica, de un hidrácido, halogenacion e hidratación, además de la polimerización.
ISOMERIA
La palabra proviene de de los vocablos isos: igual, y meros: unidad. Es un fenómeno común en la química del carbono; se origina por la posibilidad de que existen compuestos con el mismo número y tipo de elementos, con la misma composición porcentual, y formula molecular, pero son estructuras diferentes, por lo tanto, también sus propiedades físicas y químicas son diferentes. A mayor átomos de carbono, mayor será el numero de isómeros posibles para una formula molecular es igual al número de estructuras no equivalentes. Se pueden clasificar en:
ISOMERIA ESTRUCTURAL
La estructura de una molécula es la descripción grafica de cómo se encuentran los átomos unidos entre sí. Se refiere al orden y la disposición de cómo se acomodan los átomos de una molécula.
ISOMERIA DE CADENA O ESQUELETO
Se debe a la posibilidad de que los átomos de carbono de un hidrocarburo normal pueden ocupar diferentes posiciones en la cadena, derivando isómeros de sus homólogos. Por ejemplo, en el n-pentano, la cadena se puede modificar cambiando de posición a los átomos de carbono.
ISOMERIA DE LUGAR O POSICION
Son isómeros que tienen el mismo esqueleto, pero sus sustituyentes, instauraciones (doble o triple enlace) o grupos funcionales (-Cl,-Br,-OH,…) ocupan diferentes lugares en la cadena. Por ejemplo: se observa en las distintas posiciones que pude tener el grupo funcional en la cadena del compuesto.
ISOMERIA FUNCIONAL
Son isómeros que difieren en la naturaleza del grupo funcional presente en la molécula. Ejemplos: de la misma manera que en los ejemplos anteriores se observa la misma fórmula molecular o condensada pero correspondiente a diferentes grupos funcionales.
CICLOALCANOS O HIDROCARBUROS CICLICOS
Son hidrocarburos ciclos saturados y se nombran conforme al número de átomos de carbono anteponiendo el prefijo ciclo, y se pueden representar con la figura geométrica del polígono regular correspondiente. Su formula general es CnH2n. En caso de tener sustituyentes (grupos alquilo), considerando el orden alfabético sin importar el sentido de la numeración ya sea derecho o izquierdo. Los compuestos policiclicos contienen dos o más anillos, los que comparten dos o más átomos de carbono.
CICLOALQUENOS
Son hidrocarburos cíclicos que tienen una doble ligadura. Tienen las mismas reglas que los cicloalcanos, solo se agrega el número más pequeño correspondiente a la doble ligadura. Cabe mencionar que esta tiene preferencia sobre las ramificaciones, por lo que los números más pequeños corresponden a las dobles ligaduras.
AROMATICOS O DERIVADOS DEL BENCENO
El benceno es el principal constituyente de una clase de hidrocarburos que, debido a su olor agradable, se llaman aromáticos, ya que algunos de ellos se han obtenido a partir de vainilla, girasol, almendras y benjuí. El benceno tiene la formula molecular C6H6, es un liquido incoloro, más ligero que el agua, de olor fuerte y no desagradable; su temperatura de ebullición es de 80.1°C, es muy volátil, insoluble en agua, poderoso disolvente de yodo, alcohol, éter, fosforo, azufre, grasas, resinas y hules. Es una sustancia que daña la medula de los huesos e inhibe la formación de las células sanguíneas. Los seis átomos de carbono del benceno están dispuestos en un anillo, y estos a su vez unidos a seis átomos de hidrogeno. Toda la estructura es plana insaturada y con ángulos de enlace de 120°, con enlaces sencillos y dobles alterados; se representa como un hibrido de resonancia, es decir, todos los enlaces entre los carbonos son equivalentes. Cada átomo de carbono del anillo usa orbitales híbridos sp para formar enlaces con los átomos de carbono adyacentes y con un átomo de hidrogeno. Un electrón 2p cada átomo de carbono no es empleado en la formación de enlaces sigma (σ) híbridos sp².
Los ejes de los orbitales p son perpendiculares al plano de la molécula y cada orbital p puede traslapase a dos orbitales p adyacentes. El resultado es la forma dación de un sistema de orbitales ( ) con regiones de densidad de carga encima y debajo del plano del anillo. Los seis electrones que ocupan el sistema de enlace pi ( ), uno aportado por cada átomo de carbono, están deslocalizados, lo cual explica la longitud de enlace y la equivalencia. En anillo bencénico no muestra reacciones de adición como los alquenos y los alquinos. Los compuestos aromáticos se caracterizan por su tendencia a la sustitución. El anillo bencénico se representa generalmente como en la siguiente figura:
Es la representación simplificada que propuso el químico alemán Kekule. Los vértices del ciclo representan los atomos de carbono, el circulo simbolisa a los tres dobles enlaces que están en el ciclo, alterandose con los tres enlaces cencillos
Éteres
Los éteres poseen un oxígeno unido a dos átomos de carbono por medio de enlaces simples. En general:
Los éteres tienen punto de ebullición menor que los alcoholes, puesto que no presentan fuerzas intermoleculares de enlace de hidrógeno. Asimismo, debido a esto, son muy poco solubles en agua.
El éter etílico es muy conocido como solvente y fue usado durante muchos años como anestésico, debido a su peculiar olor (que da sueño). El anisol, por otro lado, es el responsable del olor del anís.
Aldehídos y cetonas
Los aldehídos y cetonas presentan un doble enlace entre un carbono y un oxígeno (denominado grupo carbonilo). La diferencia entre ellos radica en los átomos adyacentes al carbono en mención. En general:
Observa las semejanzas y diferencias entre un aldehído y una cetona: ambos tienen un grupo carbonilo (C=O). El aldehído tiene, unido al carbono del carbonilo, un carbono y un hidrógeno, mientras que una cetona tiene unido sólo átomos de carbono.
Los aldehídos y cetonas con pocos átomos de carbono son solubles en agua. Por lo general son líquidos a temperatura ambiente, aunque tienen bajo punto de ebullición.
El cinamaldehído es un aldehído que se encuentra en la canela y es responsable del olor. La acetona es la cetona más simple, y se usa como disolvente (por ejemplo, para quitar el esmalte de uñas).
Ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos poseen también un grupo carbonilo, pero el carbono está unido, también, a un grupo OH. En general:
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Observaciones
- Un ácido carboxílico NO ES una cetona y un alcohol en simultáneo. El conjunto de átomos mostrado es el agrupamiento ácido carboxílico.
- El carbono adyacente al carbono del carbonilo puede ser un hidrógeno. En este caso peculiar, el ácido en mención es ácido fórmico.
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Los ácidos carboxílicos de pocos átomos de carbono son solubles en agua, puesto que presentan enlace de hidrógeno como fuerza intermolecular. El ácido acético CH3COOH es un ácido sencillo, componente principal del vinagre. Los ácidos también están presentes en el aceite de casa. Por ejemplo, el ácido linoléico está presente en el aceite de oliva.
Ésteres
Los ésteres son derivados de los ácidos carboxílicos. La diferencia es que no presentan el grupo –OH, sino que el hidrógeno ha sido reemplazado por un átomo de carbono. En general:
Dado que ya no poseen el grupo –OH, no son capaces de formar enlace de hidrógeno y, por tanto, poseen punto de ebullición menor que el de los ácidos carboxílicos del cual provienen.
Los ésteres suelen tener olores y sabores muy agradables y, por tanto, se utilizan en la industria de alimentos. Por ejemplo, el butanoato de metilo posee olor a piña, mientras que el pentanoato de pentilo tiene aroma a manzana.
GRUPOS FUNCIONALES QUE CONTIENEN NITRÓGENO
Aminas y amidas
Las aminas y amidas presentan necesariamente un nitrógeno unido a un carbono. En general:
Analiza ambos casos: en el caso de una amina, el nitrógeno está unido a un átomo de carbono, el cual NO ES UN CARBONILO (C=O). Tenemos una amida si el nitrógeno está unido a un carbonilo, es decir, a un carbono unido a oxígeno por un doble enlace.
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Observaciones
- El nitrógeno suele formar tres enlaces covalentes. Para que exista grupo funcional, debe estar unido a un carbono. Los otros dos enlaces pueden ser a otros carbonos o a átomos de hidrógeno.
- Si el nitrógeno está unido, al menos, a un átomo de hidrógeno presentará enlace de hidrógeno.
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Las aminas tienen mal olor. Putrescina y cadaverina son aminas que se producen cuando se descompone la carne.
La caprolactama es una amida utilizada en la fabricación del nylon, un polímero muy usado a nivel mundial.
