Libro de Química Orgnánica

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/342211632 LIBRO QUÍMICA ORGÁNICA ISBN Book · June 2020 CITATIONS READS 0 11,296 3 authors: Juan de Dios Cassiani Escorcia Irene Velázquez Henrríquez Universidad del Atlántico Edinson Hurtado Ibarra 1 PUBLICATION   0 CITATIONS    Universidad del Atlántico 3 PUBLICATIONS   0 CITATIONS    SEE PROFILE SEE PROFILE Juana Peralta Universidad del Atlántico 2 PUBLICATIONS   0 CITATIONS    SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Grupo de Investigación en Compuestos Heterocíclicos de la Universidad del Atlántico View project Grupo de Investigación GECIT de la Universidad del Atlántico. Articulo Pedagógico View project All content following this page was uploaded by Edinson Hurtado Ibarra on 16 June 2020. The user has requested enhancement of the downloaded file.



QUÍMICA ORGÁNICA ANÁLISIS, MECANISMO Y APLICACIONES Educación Media Vocacional y Primera Etapa del Nivel Superior JUAN DE DIOS CASSIANI ESCORCIA EDINSON HURTADO IBARRA IRENE VELÁSQUEZ HENRÍQUEZ Primera Edición 2013 1

AUTORES: Juan De Dios Cassiani Escorcia Edinson Hurtado Ibarra Licenciado en Biología y Química. Licenciado en Biología y Química. Universidad del Atlántico Universidad del Atlántico. Barranquilla-Colombia. Barranquilla-Colombia. Especialista en Química Orgánica Especialista en Ciencias Naturales. Universidad del Atlántico Universidad del Atlántico Barranquilla-Colombia. Barranquilla-Colombia. Magíster en Ciencias-Química Magíster en Investigación educativa Universidad Nacional de Colombia Sistema de Universidades estatales Bogotá D.C-Colombia. del Caribe Colombiano (SUE) Caribe. Irene Velásquez Henríquez Licenciada en Biología y Química. Especialista en Planeación para la edu Universidad del Atlántico cación Ambiental. Barranquilla-Colombia. Universidad Santo Tomás de Aquino. A través de largas experiencia como docentes por más de veinte años, los autores, han desempeñado diferentes cátedras en el I.E.D. Marco Fidel Suárez y en la Universidad del Atlántico, y han sido profesores de Química Orgánica, Química General e Inorgánica y Bioquímica. Han desarrollado investigaciones en Síntesis Orgánica y hacen parte del Grupo de Investigación en Compuestos Heterocíclicos de la Universidad del Atlántico, además se desempeñaron como coordinadores de las Olimpiadas Colombianas de Química, sección Costa Atlántica durante los periodos de 1994-1996, las cuales son organizadas por la Universidad Nacional de Colombia. REVISIÓN DE CONTENIDO EN EL ÁREA REVISIÓN PEDADAGÓGICA Jorge Trilleras Vásquez Oscar Marriaga Ferrer Doctor en Ciencias Química Magíster en Educación Universidad del Valle Universidad del Atlántico Carlos Mario Meléndez Divad Delgado Doctor en Ciencias Química Magíster en Educación Universidad Industrial de Santander Universidad del Atlántico DISEÑO DE PORTADA: MOTIVO DE LA PORTADA: Oriana Paola Cassiani Molano Gotas de lluvia 2013 Impreso por: I.E.D MARFISU REGISTRO: 10-361-265 del Ministerio del Reservados todos los derechos Interior. 2

PRÓLOGO Fruto de muchos años de experiencia como docentes de química en la educación secundaria y a nivel de educación superior, nos propusimos sistematizar de manera clara y atrayente, un análisis, mecanismo y aplicaciones a la química orgánica moderna, con el objeto de hacerlo accesible al estudiante y satisfacer el interés pedagógico de los profesores. Este texto se ha diseñado para discentes de grado undécimo (11°), y primeros semestres de programas afines con la química, tales como, ingeniería agroindustrial, química y farmacia, nutrición, biología, química, ingenierías, y otros. Se ha realizado un interés en considerar aplicaciones prácticas de la química orgánica relacionadas con el quehacer cotidiano. Además, se considera que el texto puede ser empleado para cursos de hasta un año completo de duración, relacionados en carreras de ciencias. En el texto, se incluyen estructuras tridimensionales que facilitan su uso pedagógico, mapas conceptuales, mecanismos de reacción en los que tienen lugar las transformaciones de reactivos a productos. El libro está organizado de manera secuencial, donde se incluyen una introducción a la química orgánica, un estudio general de los compuestos orgánicos, donde se abarcan su identificación y análisis elemental, métodos de separación, pruebas químicas y su clasificación. Además, se abordan las propiedades físicas y química del carbono, lo cual justifica la enorme variedad de compuestos orgánicos, de los cuales el carbono hace parte. La temática de la unidad 2 abarca el estudio de las reacciones orgánicas e isomería, los cuales se clasifican en reacciones de adición, eliminación, sustitución, redox, mientras que en la isomería, se incluyen ejes, como su clasificación y sus proyecciones. En la unidad 3, 4,5, y 6 se incluye el estudio de los hidrocarburos que se clasifican en alcanos, alquenos, alquinos e hidrocarburos aromáticos, haciendo un análisis de las diferencias y semejanzas en sus propiedades físicas y química de cada uno de estos grupos. En las unidades 7, 8,9, se presenta la diversidad de los compuestos alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, como también el estudio comparativo de sus propiedades fisicoquímicas. En la unidad correspondiente a las aminas, se introducen, además, de un estudio habitual de estos compuestos, una introducción a los aminales, como lo es su 3

estructura, obtención, haciendo énfasis en los aminales macrocíclicos por su particular interés y además por la presencia por lo menos del carbono metilénico en medio de dos nitrógenos, se involucran reacciones tipo Mannich y reacciones del aminal con fenoles p-sustituidos, como también la reactividad del TMTP y su reacción con el benzotriazol y su respectiva ruta mecanística. En lo que concierne a la bioquímica, se analizan algunos grupos como glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos. Además de clasificarlos y presentar sus particularidades, se describen las funciones biológicas de cada uno de ellos con la finalidad de comprender la importancia de estos grupos para el organismo humano. Por otra parte como la química es una ciencia experimental muy especial con un componente práctico, que de ninguna forma puede ser minusvalorada u olvidada en ninguna de las etapas formativas en su estudio y aprendizaje, ya que todas las escuelas tienen como objetivo, no tan solo enseñar química sino también saber hacerla, se incluyen una serie de actividades y experimentos de laboratorio, con el fin de complementar la teoría y así se puedan interpretar los fenómenos generales de la química. Al final de cada unidad se incluye una autoevaluación con ejercicios propuestos tipo ICFES que integra el programa de la asignatura, para que usted pueda identificar sus logros y dificultades. Deseamos finalmente agradecer el apoyo que por esta publicación brindaron las directivas del I.E.D Marco Fidel Suárez, como también al Grupo de Investigación en Compuestos Heterocíclicos de la Universidad del Atlántico por haber facilitado sus laboratorios para la realización de cada uno de los experimentos de este texto, así mismo agradecemos de antemano los comentarios y sugerencias que tengan a bien hacernos llegar. LOS AUTORES. 4

CONTENIDO Pag. UNIDAD N°1. Introducción a la química orgánica 11 12 Definición 14 Desarrollo histórico 15 Fuentes de los compuestos orgánicos 15 Diferencia entre compuestos orgánicos e inorgánicos 15 Identificación de compuestos orgánicos 18 Análisis elemental 18 Determinación de pesos moleculares 18 Identificación por métodos químicos 18 Identificación por métodos instrumentales 22 Técnicas de purificación 23 Clasificación de compuestos orgánicos y su nomenclatura 25 El átomo de carbono: propiedades físicas y química 29 Hibridación. Tipos 32 Nomenclatura en química orgánica Cuestionario de repaso 35 36 UNIDAD N°2. Reacciones orgánicas e Isomería 37 38 Definición de reacciones orgánicas 38 Aspectos fundamentales 39 Tipos de reacción 40 Isomería. Concepto 41 Clasificación: estructural, estereoisomería 41 Tautomería 42 Isomería conformacional y configuracional 43 Proyecciones de Newmann 44 Formas eclipsadas 44 Forma cis y trans 46 Isomería óptica Diasteroisómeros 49 Mezclas racémica 50 Cuestionario de repaso Unidad N°3. Los hidrocarburos: Alcanos Definición Alcanos normales 5

Grupos radicales alquílicos 50 Abundancia de los alcanos en el universo 51 Abundancia en la tierra Pag. Nomenclatura de los alcanos 52 Propiedades físicas 53 Propiedades espectroscópica 55 Espectroscopia RMN 56 Espectroscopia de masa 56 Propiedades química: Combustión, halogenación, nitración 56 Obtención de alcanos 57 Reducción metal-ácido 59 Usos y aplicaciones 60 Cuestionario de repaso 61 62 Unidad N°4. Hidrocarburos: Alquenos. 65 Definición 65 Grado de insaturación 66 Estructura y enlace 67 Nomenclatura 68 Nomenclatura de los isómeros ópticos 69 Propiedades físicas de algunos alquenos 69 Propiedades química 70 Adición de HX, adición de agua, adición de halógenos 71 Mecanismo de reacción, adición de ácido sulfúrico 72 Oximercuriación-Desmercuración 74 Síntesis de alquenos 75 Usos y aplicaciones 77 Cuestionario de repaso 79 Unidad N° 5. Hidrocarburos: alquinos 80 80 Introducción 82 Isomería 82 Nomenclatura 83 Propiedades físicas 83 Propiedades química 84 Hidrogenación para dar cis alquenos 85 Reducción a alquenos trans 85 Adición de halógenos, adición de HX 86 Hidratación a cetonas y aldehídos 87 Obtención de alquinos: en la industria y laboratorio Importancia comercial de los alquinos Cuestionario de repaso 6

Unidad N°6. Hidrocarburos aromáticos Pag. Introducción 90 Clasificación según su composición 90 El benceno: reseña histórica 91 Estructura del benceno 92 Fórmulas del benceno 93 Compuestos aromáticos y antiaromáticos 94 Regla de Hückel 95 Nomenclatura e isomería de los derivados del benceno 95 Derivados monosustituidos, disustituidos y trisustituidos 96 Propiedades físicas 100 Propiedades químicas: Halogenación, nitración, Sulfonación 101 Alquilación de Friedel-Crafts 104 Acilación 105 Usos y aplicaciones 108 Cuestionario de repaso 110 Unidad N°7. Alcoholes, fenoles y éteres 114 115 Introducción 115 Fórmula general y grupo funcional 116 Clasificación 116 Fenoles: clasificación 117 Éteres: clasificación 117 Formulación y nomenclatura 117 De alcoholes 120 De fenoles, de éteres 121 Estructuras de alcoholes, fenoles, éteres 121 Comportamiento químico 122 Alcoholes: oxidación de alcoholes secundarios 124 Oxidación de alcoholes primarios 124 Reacción con hidrácidos 125 Reacción con HBr 126 Reacción con cloruro de tionilo 127 Deshidratación, esterificación 127 Acidez de los fenoles 128 Formación de éteres 128 Oxidación de éteres 129 Síntesis de alcoholes 129 Fermentación de carbohidratos 129 De los fenoles 130 De los éteres Síntesis de Williamson 7

Cuestionario de repaso 131 Unidad N° 8. Compuestos carbonílicos: Aldehídos y cetonas Pag. Introducción de cetonas y aldehídos 135 Aldehídos: clasificación 136 Cetonas: clasificación 136 Nomenclatura de cetonas y aldehídos 136 Adición nucleofilica: hidratación de cetonas y aldehídos 140 Formación de cianohidrinas 141 Condensación con amoniaco 142 Adición de alcoholes 143 Adición de tioles 145 Usos y aplicaciones 145 Cuestionario de repaso 147 Unidad N°9. Ácidos carboxílicos 151 152 Definición 153 Características y propiedades 154 Nomenclatura. Nombres comunes 155 Nombres IUPAC 158 Propiedades físicas 158 Acidez de los ácidos carboxílicos 158 Reacciones 159 Sustitución nucleofílica de acilo 161 Síntesis y empleo de cloruros de ácido 162 Esterificación de Fischer 164 Condensación de ácidos con aminas 165 Reducción de los ácidos carboxílicos 166 Reducción a aldehídos 166 Reacción de Hunsdiecker 168 Síntesis de los ácidos carboxílicos 170 Estructura y nomenclatura de derivados de ácido 174 Propiedades química de los ésteres 175 Síntesis de las amidas 175 Lactamas 179 Hidrólisis de las amidas 180 Hidrólisis de las amidas en solución básica 181 Anhídridos de ácidos 183 Reacción de anhídridos con agua, con alcohol 184 Reacción de anhídridos con amoníaco Reducción de anhídridos a alcoholes 8

Aplicación de los anhídridos 185 Nitrilos 186 Propiedades físicas 186 Hidrólisis ácida de nitrilos 187 Pag. Hidrólisis básica 188 Reducción de nitrilos a aldehídos 190 Síntesis de nitrilos 190 Cuestionario de repaso 192 Unidad N°10. LAS AMINAS Y OTROS COMPUESTOS NITROGENADOS 194 195 Introducción 196 Algunos alcaloides representativos 198 Nomenclatura de las aminas 199 Propiedades físicas 201 Constantes físicas de algunas aminas. Basicidad 202 Reacción 202 Oxidación de aminas 204 Reacciones de las aminas primarias 205 Reacción de aminas secundarias 207 Reacciones de aminas terciarias 210 Síntesis de aminas por acilación 211 Síntesis de Gabriel 212 Reducción de nitrilos 213 Rearreglo de Hofmann 213 Introducción a los aminales 216 Estructura 217 Obtención de TMTP 217 Reacción general de Mannich 218 Reacción general de TMTP con fenoles p-sustituidos 218 Reacciones de otros aminales con fenoles p-sustituidos 220 Ruta mecanistica Cuestionario de repaso 222 223 Unidad N° 11. NOCIONES DE BIOQUÍMICA 223 224 ¿Qué es la bioquímica? 225 Biomoléculas. Proteínas 228 Clasificación 229 Funciones 230 Estructura primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria 232 Desnaturalización de las proteínas 233 Carbohidratos. Definición 234 Clasificación. Monosacáridos 236 Estereoquímica Disacáridos. Propiedades Molécula de lactosa, sacarosa, celubiosa Polisacáridos. Funciones, clasificación 9

Propiedades química 236 Lípidos. Clasificación 237 Propiedades fisicoquímicas 239 Céridos 240 Pag. Esteroides 242 Importancia 242 Cuestionario de repaso 244 10

Unidad N° 1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA. Logros: Al finalizar esta unidad esperamos que usted pueda: Identificar algunas industrias Colombianas y mundiales que trabajan con sustancias orgánicas. Analizar y clasificar los compuestos orgánicos según su estructura y según su grupo funcional. Interpretar el concepto actual de química orgánica. Adquirir una disciplina de trabajo mediante el estudio organizado y secuencial de la química. Identificar las características del análisis elemental y su aplicación para determinar la fórmula molecular. Determinar la estructura del átomo de carbono comparando el estado fundamental y excitado. La Química Orgánica estudia una clase numerosa de moléculas que contienen carbono formando enlaces covalente carbono-carbono, también conocidos como compuestos orgánicos. Friedrich Wöhler y Archibald Scott Couper son conocidos como los padres de la química orgánica. Nombre engañoso / reliquia de tiempos muy antiguos, cuando la química orgánica correspondía al estudio de los compuestos de los organismos. Es la química de los colorantes y las drogas, el papel y las tintas, de las pinturas y los plásticos, de la gasolina y los neumáticos, vestuarios y alimentos. La enorme cantidad de compuestos orgánicos no tiene equivalente en el campo inorgánico. Concepto primitivo de compuestos orgánicos Compuestos que forman las rocas y el terreno como inorgánicos. Compuestos que se originan de las plantas o de los animales como orgánicos. Compuestos orgánicos que solo podían formarse en los organismos vivientes a través de la acción de una misteriosa “fuerza vital” asociada a los procesos de la vida. 11

En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler convirtió el cianato de amonio en urea: calor H2N NH2 NH 4OCN O Definiciones modernas de compuestos orgánicos y química orgánica. Estudia las propiedades físicas y químicas de la mayoría de los compuestos que poseen el elemento carbono en su molécula. Ahora, definimos los compuestos orgánicos como compuestos de carbono. La química orgánica es por tanto el estudio de los compuestos que contienen carbono. No incluyen las sales metálicas de aniones que contienen carbono, tales como los carbonatos (CO3-2), los bicarbonatos (HCO3-), los cianuros (CN-) y los cianatos (OCN-). En muchos casos, los compuestos orgánicos, contienen oxígeno, azufre, nitrógeno, fósforo, boro, halógenos y otros elementos menos frecuentes en su estado natural. Estos compuestos se denominan “moléculas orgánicas”. La principal característica de estas, es que arden y pueden ser quemadas (son compuestos combustibles). Las moléculas orgánicas, pueden ser: Moléculas Orgánicas Naturales: Son los sintetizados por los seres vivos, y se llaman biomoléculas, las cuales son estudiadas por la bioquímica. Moléculas Orgánicas Artificiales: Son sustancias que no existen en la naturaleza y han sido fabricadas por el hombre, como los plásticos. Desarrollo histórico Los pueblos prehistóricos hicieron uso de las propiedades de algunos compuestos orgánicos y realizaron algunas reacciones químico-orgánicas. Los antiguos egipcios, romanos y fenicios, emplearon varios colorantes que eran verdaderos compuestos químicos puros; el índigo, la alizarina y la legendaria púrpura de tiro. Los dos primeros colorantes se aislaron de las plantas y el último se obtuvo en pequeñas cantidades a partir de una especie rara de molusco. Desde tiempo muy antiguo se sabía que la grasa animal se podía convertir en jabón por tratamiento con legía. Hasta época tan reciente como 1948, los químicos 12

orgánicos no pudieron sintetizar productos que fueran capaces de competir con el jabón (detergentes). La fermentación del almidón y los azúcares para obtener alcohol se conoce desde tiempo prehistórico y el método que se aplica en la actualidad no difiere mucho del que se ideó hace cientos de años. La química orgánica tal y como la conocemos, arranca a finales del siglo XVIII, cuando se inició el aislamiento de sustancias orgánicas de extractos de origen natural. En este orden de ideas son dignos de mención los estudios que el alemán Carl Scheele llevó a cabo en los años 1769 y 1786 sobre aislamiento de diversos compuesto orgánicos de fuentes natural. En 1784, Lavoisier ideó un método basado en la combustión de la materia orgánica, que permitía determinar porcentajes de carbono, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, que constituían los compuestos orgánicos. En 1807, el químico J.J. Berzelius, denominó con el nombre de compuestos orgánicos a aquellos compuestos derivados de los seres vivos. Durante el siglo XIX, Berzelius y otros químicos creyeron que tales compuestos poseían una “fuerza vital”, y que por tanto, sería imposible sintetizar un compuesto orgánico a partir de material inorgánico. La teoría de la “fuerza vital”, fue declinando a medida que se incrementó el aporte de datos analíticos los cuales evidenciaba que las leyes química que gobernaban el comportamiento de la materia inorgánica eran también válidas para los compuestos orgánicos. En 1828, F. Wöhler sintetiza a partir de sustancias inorgánicas y con técnicas normales de laboratorio la sustancia urea, la segunda sustancia obtenida artificialmente, luego del oxalato de amonio. Mostrando que la materia orgánica podía crearse de manera química. O H2N NH2 El motor para el desarrollo de la química orgánica, en principio, fue la curiosidad sobre los productos presentes en los seres vivos (con la esperanza de encontrar nuevos fármacos) y la síntesis de los colorantes o tintes. Luego, fue el descubrimiento de la anilina, por Runge y la primera síntesis de un colorante artificial por Perkin. 13

Hasta la segunda guerra mundial la principal materia prima de la industria química orgánica, era el carbón, dada la gran importancia de Europa en el desarrollo de esta parte de la ciencia y el hecho que en Europa no hay grandes yacimientos de alternativa, como el petróleo. Con el final de la segunda guerra mundial y el creciente paso de los Estados Unidos, en el sector químico, la química orgánica clásica se convierte cada vez más en la petroquímica que se conoce hoy. Después de la segunda guerra mundial se ha logrado la síntesis de compuestos de estructura complicada, y se ha logrado dilucidar estructuras complejas como el ADN y RNA, amínales macrocíclicos, todo esto debido al avance de técnicas experimentales de espectroscopia. Fuentes de los compuestos orgánicos La mayoría de los compuestos orgánicos puros se producen hoy de forma artificial, aunque un subconjunto importante todavía se extrae de fuentes naturales, porque no se ha encontrado una ruta sintética para obtenerlo. El alquitrán de hulla era antiguamente la única fuente de compuestos aromáticos y de algunos heterocíclicos. El petróleo era la fuente de compuestos alifáticos, contenidos en ciertas sustancias, como la gasolina, el queroseno y el aceite lubricante. El gas natural suministraba aceite y etino. Estas tres categorías de sustancias naturales siguen siendo las principales fuentes de compuestos orgánicos en la mayoría de los países. Sin embargo, cuando no se dispone de petróleo, una industria puede funcionar a base de etino, que a su vez puede ser sintetizado a partir de la caliza y el carbón. Durante la II guerra mundial, Alemania tuvo que adoptar esa solución cuando le fueron cortadas las fuentes de petróleo y gas natural. El azúcar de mesa procedente de la caña o de la remolacha es el producto químico puro más abundante extraído de una fuente vegetal. Otras sustancias importantes derivadas de los vegetales son los hidratos de carbono (como la celulosa), los alcaloides, la cafeína y los aminoácidos. Los animales se alimentan de vegetales y de otros animales para sintetizar aminoácidos, proteínas, grasas e hidratos de carbono. 14

Tabla 1. Propiedades de compuestos orgánicos versus propiedades de compuestos inorgánicos: Presentan propiedades físicas y químicas diferentes, entre las principales están: Compuestos inorgánicos típicos Compuestos orgánicos típicos Partículas fundamentales: Iones Partículas fundamentales: moléculas. Atracciones entre partículas: atracciones Atracciones entre partículas: uniones de electrostáticas hidrógenos atracción dipolo-dipolo, fuerzas Van der Waals. Elevada solubilidad en agua. Pobre Solubilidad en agua pobre, pero elevada solubilidad en disolventes orgánicos. Sus solubilidad en disolventes orgánicos no soluciones son buenos conductores de la polares. Sus soluciones son conductores electricidad. pobres de la electricidad. Elevados puntos de fusión y de ebullición. Bajos puntos de fusión y de ebullición. Usualmente inestables al calor. Usualmente estables al calor. Las reacciones son más complejas, lentas, Las reacciones son simples, rápidas y con y con frecuencia dan rendimientos frecuencia dan rendimientos menores del 100% con formación de cuantitativos. subproductos. Baja volatilidad. Alta volatilidad. Identificación de compuestos orgánicos Análisis elemental Orgánico. Determina que elementos están ligados al carbono formando la molécula orgánica, y en qué proporción. Existen dos clases de análisis: Análisis cualitativo elemental: Es aquel que se propone conocer la realidad y naturaleza de los compuestos, una vez puro el compuesto, se caracteriza identificando sus elementos. Análisis cuantitativo elemental orgánico: Determina la cantidad de cada elemento en una cantidad fija de compuesto. Como las sustancias orgánicas no se ionizan, generalmente al entrar en solución, se requiere un tratamiento previo de la molécula orgánica, que fragmente el enlace covalente y lleva al estado de iones los elementos unidos al carbono, es decir que los métodos de análisis orgánico incluyen, comúnmente, como primer paso, alguna operación mediante la cual se descomponga la molécula orgánica y sus elementos se conviertan en compuestos inorgánicos simples. 15

Para identificar un compuesto orgánico además de los datos de sus constantes físicas es de bastante utilidad conocer su composición elemental, debida a la existencia de diferentes compuestos con propiedades físicas muy semejantes. Los elementos que se encuentran con más frecuencia en los compuestos orgánicos, son: C, H, O, N, S, X y P. La identificación de estos elementos puede realizarse por varios métodos, algunos de los cuales pueden hacerse cualitativamente. El método más frecuente usado en el análisis cualitativo es el de la fusión alcalina, en dicho método se convierte los elementos en sales sódicas orgánicas. Dos sustancias pueden presentar grandes diferencias entre sus propiedades físico- químicas a causa de su naturaleza química (átomos que la constituyen, tipos y formas de enlaces, estabilidad de las moléculas, etc.). Un ejemplo generalizado de esto lo dan los compuestos orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos, se caracterizan por su procedencia de la naturaleza viva y aparte de ser los responsables de formar los tejidos de los seres vivos, representan materia prima para la creación de sustancias que mejoran la calidad de vida del ser humano, por ende es necesario conocer su composición y estructura química. Análisis del carbono. Muchos compuestos orgánicos se carbonizan cuando se calientan en un crisol. La carbonización de la muestra en este ensayo es una muestra evidente de la presencia del carbono. Si el compuesto arde en el aire, puede suponerse que contiene carbono e hidrógeno, particularmente si la llama contiene hollín. El método más seguro para determinar la presencia de carbono, consiste en la oxidación de la materia orgánica. Cuando un compuesto orgánico se somete a la combustión con el oxígeno, mezclándolas con exceso de óxido cúprico (Cu2O), en un tubo de ensayo, seco, cerrado por un tapón, que deja pasar un tubo con desprendimiento en estas condiciones, si la sustancia contiene carbono, se desprende anhídrido carbónico (CO2), que enturbia una disolución de agua de barita (Ba (OH)2), formando un precipitado. En el ensayo anterior, si la sustancia contiene hidrógeno, se verán en las paredes del tubo unas gotitas de agua, que proceden de la oxidación de aquel elemento y el nitrógeno produce NO, N2O y NO2. + + + +CO2 +Muestra (C,H,O,N) H2O NO N2O NO 2 Determinación de Nitrógeno. La determinación cualitativa del nitrógeno puede realizarse por: 16

Método de Lassaigne: Uno de los más empleados para la determinación del nitrógeno en las sustancias orgánicas es el método de Lassaigne. Consiste en calentar la sustancia orgánica a investigar en un tubo de ensayo con un trozo de sodio, hasta llegar a la temperatura de rojo, y el producto de la reacción se trata cuidadosamente con agua destilada; en estas condiciones si hay nitrógeno, se obtiene una disolución alcalina de cianuro sódico, en la que esta sal se caracteriza por el precipitado azul de Prusia que produce cuando se hierve con sulfato ferroso (FeSO4). Método de Will-Warrentrapp. Se utiliza para aquellas sustancias orgánicas que tiene el nitrógeno débilmente diluido. La materia orgánica se trata con una base fuerte (NaOH) o Ca (OH)2 y se desprende amoniaco, NH3. El NH3, se puede conocer por: Olor Papel tornasol rosado azul Reactivo de Nessler o yodo mercuriato K2 (HgI4), con el que el amoniaco produce precipitado rojo parduzco o rojo amarillento. Con el HCl el amoniaco da nube de humos blancos de NH4Cl. El método de Kjeldahl, se mezcla la materia orgánica con H2SO4 diluido y un catalizador que puede ser Mn, Te, Se, etc. +Muestra H2SO 4 +( NH 4)2SO4 otras sustancias +( NH 4)2SO4 + +NH3 2 NaOH Na 2SO4 2 H2O +NH3 HCl NH 4Cl +HCl NaOH +NaCl H2O (exc) Las etapas básicas para el análisis elemental orgánico son: Aislamiento, purificación e identificación. A. Métodos de aislamiento. Son obtenidos en principio como una mezcla, y estos son: Extracción, cromatografía, evaporación, cristalización, destilación, etc. B. Métodos de purificación. Para identificar una sustancia, este debe estar puro y se emplean las técnicas anteriormente mencionadas. 17

Un sólido puede purificarse por cristalización o por sublimación. El punto de fusión definido con un rango no mayor de 1 o 2°C, se considera como un criterio de pureza, especialmente si dicho valor es constante después de una o dos recristalizaciones. Si el compuesto es líquido se puede purificar por destilación simple sobre una muestra de aproximadamente 5 mL, recogiendo dos fracciones. Si las diferencias en los puntos de ebullición entre los dos componentes de la mezcla no son mayores de 1 o 2 ° C, y los índices de refracción no difieren aproximadamente, el líquido puede considerarse puro. C. Identificación o Caracterización Etapa final del proceso. Se aplican técnicas cualitativas y cuantitativas de análisis orgánico. Consiste en la asignación de su estructura correcta. Consta, a su vez, de las siguientes etapas: a) Determinación de las propiedades físicas y establecimiento del grado de pureza. Punto de ebullición, punto de fusión, índice de refracción, densidad, solubilidad, rotación específica, etc. b) Determinación de la fórmula molecular. Se obtiene conociendo la fórmula empírica y el peso molecular, es decir, conociendo el análisis elemental cualitativo y cuantitativo. Representa el número real de átomos de cada especie que posee una molécula del compuesto. c) Identificación por métodos químicos Determinación de la clase: Pruebas de solubilidad, reacciones de clasificación, síntesis del mismo compuesto por métodos independientes para comprobar su estructura química. d) Identificación por métodos instrumentales. Ultravioleta (UV), infrarrojo (IR-FT), resonancia magnética nuclear (RMN-H, RMN-C, RMN-N), resonancia del espín electrónico (RSE), masas, etc. Técnicas de purificación y separación Filtración. 18

Es especialmente adecuado para separar mezclas de sólidos y líquidos. Consiste en hacer verter una mezcla sobre un obstáculo que permite el paso de la fase líquida, pero retiene las partículas sólidas. En el laboratorio se utiliza como obstáculo un papel preparado especialmente, llamado papel filtro. En la industria se utilizan otros tipos de filtro como son los de porcelana y arena, cada uno de los cuales tiene su aplicación especial. (Ver Fig.1.1) Fig. 1.1. Filtración Extracción. Remoción de un componente de una mezcla sólida o una solución por medio de un disolvente apropiado. Embudo de separación. (Soxhlet). Coeficiente de reparto o distribución: K = Ca/CB, expresado en g/mL de solución. Destilación. Separación de dos o más líquidos por evaporación-condensación. Deben tener puntos de ebullición diferentes. Destila primero el de menor punto de ebullición. La destilación es una técnica de separación, indicando que lo que se separa queda puro. Otra función de la destilación es separar los elementos volátiles de los no volátiles de una mezcla. Existen varios tipos: sencilla, por arrastre de vapor, fraccionada a presión reducida (al vacío). 19

Fig. 1.2. Destilación Cristalización. Separación de mezclas de sólidos mediante la disolución a altas temperaturas y posterior enfriamiento de la solución saturada. Se utilizan aquí los puntos de solidificación. La solución se enfría hasta que uno de sus componentes alcance su punto de solidificación y cristalice. Se utiliza para purificar sólidos, disolviendo un sólido impuro en el disolvente adecuado en caliente. Al bajar la temperatura, el primer sólido se cristaliza, con lo cual estará libre de impurezas. 1.7.3. Métodos cromatográficos. Se emplean para purificar y para identificar. Es uno de los métodos más usados en la actualidad para separar los componentes de una solución. Este método se basa en la diferente atracción por adsorción que ciertos materiales ejercen sobre los componentes de la solución. Su nombre (de cromos: color) se origina en los primeros experimentos que se realizaron sobre este particular (1906), fueron hechos con los pigmentos coloreados de las plantas. Tipos de cromatografía: de columna, en capa fina o capa delgada, en papel, en fase gaseosa, a presión (flash) y la HPLC (cromatografía líquida de alta eficiencia o resolución). (Ver Fig. 1.3 y 1.4). 20

Fig. 1.3-1.4. cromatografía Determinación de grupos funcionales Grupo funcional: Es el sitio activo de la molécula y es igual para una serie de ellos. Existen varias pruebas químicas para la determinación de grupos funcionales. (Ver tabla.1.2). Tabla 1.2: Pruebas químicas para determinar grupos funcionales Función Nombre de la prueba Ácidos carboxílicos y fenoles Prueba del yoduro-yodato; Prueba del carbonato de sodio; Prueba del cloruro Aldehídos y cetonas férrico. Esteres Prueba de 2,4-dinitrofenilhidrazinz; Alcoholes Prueba de Tollens. Hidrocarburos aromáticos y éteres Prueba de hidroxilamina Aminas Prueba con sodio; Prueba con cloruro de acetilo; Prueba del nitrato cérico. Compuestos nitro Prueba del cloruro de aluminio- Amidas y nitrilos cloroformo. Haluros de alquilo Prueba de Hinsberg: Prueba con ácido nitroso. Prueba del hidróxido ferroso: Reducción con zinc y cloruro de amonio; Prueba de acetona-hidróxido de sodio. Hidrólisis con NaOH. Prueba de nitrato de plata en etanol; Prueba del yoduro de sodio en acetona. Clasificación de los compuestos orgánicos. Existen varios criterios para clasificar los compuestos orgánicos, aquí los clasificaremos teniendo en cuenta sus grupos funcionales, es decir, átomo o grupos de átomos cuya presencia en una molécula, determina las propiedades características de la función. El 21

grupo funcional es la parte activa de la molécula, el resto de la molécula es la parte inactiva. La fórmula general es: RF R: es un grupo alquilo y F: el grupo funcional. Funciones química: Conjunto de propiedades comunes que caracterizan a una serie de sustancias, permitiendo así diferenciarlas de las demás. Tienen un comportamiento propio y específicos en los procesos químicos. Tabla 1.3: Clasificación de compuestos orgánicos por sus grupos funcionales. Estructura Clasificación Grupo funcional Alcanos _ RH -X Halogenuro orgánico R X Alquinos -C C- Alquenos -C C- R R1 Alcohol Éter -OH R R1 Amina -O- Nitrilo R OH Aldehído -NH2 O Cetonas -C N R R1 Ácido carboxílico O R NH2 -C N Ester de ácido carboxílico H O O Anhídrido de ácido -C- carboxílico RH O O Halogenuro de ácido OH R R1 O O O- R COH OO O O R COR' O OO -CX R O R' O RX 22

O Amida O -CNH 2 R NH2 Sulfuro Tiol o mercaptano -S- R R' Ácido sulfónico -SH S Halogenuro de sulfonilo R4N+ RH Sulfonamida -SO2X R SO3H -SO2NH2 R SO2X Nitro R SO2NH2 -NO2 Amina O -NH2 R N+ O- R-NH2 El átomo de carbono El carbono es el elemento alrededor del cual ha evolucionado la química de la vida. El carbono tiene cuatro electrones de valencia en su capa más externa, cada uno puede parearse con los de otros átomos que puedan completar sus capas electrónicas compartiendo electrones para formar enlaces covalentes. Algunos de estos elementos son el N, H, y el O. Pero, la característica más admirable del átomo de carbono, que lo diferencia de los demás elementos y que confirma su papel fundamental en el origen y evolución de la vida, es su capacidad de compartir pares de electrones con otros átomos de carbono para formar enlaces covalentes carbono-carbono. Este fenómeno es el cimiento de la química orgánica, ej. Las proteínas. El carbono se ubica en el grupo IV A, junto con el silicio, germanio, estaño y el plomo. El carbono y el silicio son los más importantes: el carbono por ser el componente obligado de la materia inerte y el silicio por ser muy abundante en la corteza terrestre. El carbono es primero del grupo y es el que más se aparta del resto, debido a su comportamiento. Los dos siguientes se consideran como semimetales y los dos últimos, como metales típicos, cuando actúan con valencia dos que es la más importante. Propiedades físicas El carbono existe en dos formas alotrópicas: el grafito y el diamante (estado puro). Ambos son cristalinos y los átomos están enlazados fuertemente covalentes. 23

El grafito, es blando, de color gris, punto de fusión elevado, buen conductor de la electricidad y posee brillo metálico. Es una masa blanda lo que permite a las capas adyacentes deslizarse una sobre otra, ello hace que el grafito sea un buen lubricante. El punto de fusión elevado se explica por el fuerte enlace existente entre los átomos del mismo plano, lo que motiva que se precise elevada energía para desordenarlos. La conductividad eléctrica y brillo metálico se explican por el cuarto electrón semisuelto que puede saltar de un átomo a otro. Se utilizan como electrodos inertes en pilas o celdas galvánicas. El diamante, presenta diversas variedades, conocido por su dureza y punto de fusión elevado: 350°C. Se emplean para cortar metales en cuchilla de los tornos, taladros, etc. y diamantes tranparentes que se emplean como piedras preciosas de gran valor monetario; es mal conductor de la electricidad. Carbones natural y artificial 1. Carbono natural: Los carbonos que se encuentran en la naturaleza proceden de procesos de carbonización de vegetales que quedaron enterrados al producirse cataclismo, siendo sometidos en estas condiciones a temperaturas y presiones elevadas fermentativos anaeróbicos. Todos ellos tienen una estructura amorfa y son: Antracita, hulla, lignina y turba. 2. Carbono artificial: Se obtiene por la intervención del hombre. Carbón de coque: Es una de las materias básicas en el proceso de obtención de hierro, queda como residuo sólido en la destilación de la hulla en ausencia de aire. Carbón vegetal: De la combustión de la materia, es muy poroso, por lo cual posee propiedades absorbentes de gases. Carbón animal o de hueso: Se produce en la carbonización de huesos animales en ausencia de aire. Está constituido por fosfato de calcio con 10%, tiene gran poder absorbente y se emplea para decolorar disoluciones por ebullición en pequeñas porciones. Negro de humo: También llamado hollín. Se obtiene por la combustión incompleta de sustancias orgánicas; se emplea en la fabricación de tinta china, cintas para máquina de escribir, etc. Carbón de retorta: Es el carbón que queda incrustado en las paredes de las retortas de material refractario donde se realiza la destilación de la hulla; es un carbón muy denso, 24

conductor del calor y la electricidad que se usa para construir electrodos de aparatos eléctricos. Propiedades químicas La covalencia: Esta propiedad consiste en que los 4 orbitales híbridos son de igual intensidad de energía, y por lo tanto sus 4 enlaces del carbono son iguales y de igual clase. Esto significa que el carbono ejerce la misma fuerza de unión por sus 4 enlaces. En 1857, Friedrich Kekulé, postuló la tetravalencia en su teoría estructural, dicha propiedad del átomo de carbono como dice Mourey, es la guía más segura en la edificación de la química orgánica, por lo tanto se acepta que el carbono se manifieste siempre como tetravalente y sus enlaces son covalentes e iguales entre sí. El carbono en el estado basal tiene dos electrones en el subnivel 2s y dos electrones en el subnivel 2p. De acuerdo a la configuración electrónica que describimos, deberíamos esperar que el carbono se comporte como divalente puesto que tiene dos orbitales o electrones sin aparear. Este hecho se explica con el proceso de hibridación. Hibridación: Proceso de combinar orbitales atómicos de un átomo con el fin de producir igual número de orbitales, pero de características diferentes a los originales. El carbono tiene un número atómico 6 y número masa 12; en su núcleo tiene 6 protones y 6 neutrones, y está rodeado por 6 electrones, distribuidos: Dos en nivel 1s Dos en el nivel 2s Dos en el nivel p Su configuración electrónica es: 1s22s22p2 Se ha observado que en los compuestos orgánicos el carbono es tetravalente, es decir, que puede formar 4 enlaces. Hibridación tetragonal (sp3). Enlace simple Cuando un átomo de carbono se combina con otros 4 átomos, además de la promoción de un electrón desde el orbital 2s hasta el 2p vacío, experimenta la hibridación sp3 o tetragonal, consistente en la mezcla o hibridación del orbital 2s con los tres orbitales 2p para originar 4 nuevos orbitales híbridos idénticos, llamados orbitales híbridos sp3. 25

Según pone de manifiesto el estudio matemático del proceso, los ejes de sus cuatro lóbulos mayores se dirigen hacia los vértices de un tetraedro regular. Fig. 1.5. Tetraedro regular A cada uno de estos nuevos orbitales se les denomina sp3, porque tiene un 25% de carácter s y 75% de carácter p. Esta nueva configuración se llama átomo de carbono híbrido, y al proceso de transformación se llama hibridación. De esta manera, cada uno de los 4 orbitales híbridos sp3 del carbono puede enlazarse a otro átomo, es decir que el carbono podrá enlazarse a otros 4 átomos, así se explica la tetravalencia del átomo de carbono. Debido a su condición híbrido y por disponer de 4 electrones de valencia para formar enlaces covalentes sencillos, pueden formar entre sí cadenas con una variedad ilimitada entre ellos: cadenas abiertas, ramificadas, anillos, etc. A los enlaces sencillos –C-C- se les conoce como enlace sigma. Metano: El hidrocarburo saturado más sencillo, de fórmula molecular CH4, consiste en un átomo de carbono con hibridación sp3 que solapa sus cuatro orbitales híbridos con los orbitales s de cuatro átomos de hidrógeno para formar cuatro enlaces sigma fuertes carbono-hidrógeno. En el metano cada, cada enlace tiene energía de 104 KJ/mol y longitud de 1.10 A°. Dado que los 4 enlaces tienen configuración geométrica específica, puede definirse una tercera propiedad importante denominada ángulo de enlace. El ángulo formado por cada H-C-H es exactamente de 109.5°, el llamado ángulo tetraédrico. En las siguientes figuras se muestran los orbitales implicados solapándose y la molécula de metano en proyección cuña. 26

Fig.1.6 Representación de la molécula del metano (modelo estructural y espacial). La proyección de cuña es uno de los métodos usuales para representar en el plano moléculas tetraédricas. Consiste en situar dos de los cuatro enlaces C-H en el plano de representación y esquematizados rayas de trazo normal. Los otros dos enlaces C-H, quedan uno por delante del plano formado por el átomo de carbono y los dos átomos de hidrógeno anteriores y el otro por detrás de ese plano, se representan con un trazo grueso en forma de cuña el primero y con un trazo discontinuo, también en forma de cuña, el segundo. Hibridación sp2 (enlace doble C=C) Los átomos de carbono también pueden formar entre sí enlaces dobles y triples, denominados insaturaciones. En los enlaces dobles, la insaturación ocurre entre el orbital 2s y dos orbitales p y queda un orbital p sin hibridar. A esta nueva estructura se le representa como: 1s2 (2sp2)1(2sp2)1(2sp2)12p1 27

Al formarse el enlace doble entre dos átomos, cada uno orienta sus tres orbitales híbridos con un ángulo de 120°, como si los dirigiera hacia los vértices de un triángulo equilátero. El orbital no hibridado queda perpendicular al plano de los tres orbitales sp2. A este doble enlace se le denomina pi, y la separación entre los carbonos se acorta. Este enlace es más débil que el enlace sigma y, por lo tanto, más reactivo. Este tipo de enlace da lugar a la serie de los alquenos. Ejemplo, la molécula de eteno. (Ver Fig.1.6). Fig. 1.6. Molécula de eteno. Hibridación sp (enlace triple) El segundo tipo de insaturación es el enlace triple: el carbono hibrida su orbital 2s con un orbital 2p. Los dos orbitales p restantes no se hibridan, y su configuración queda: 1s2 (2sp)1(2sp)12py12pz1 Al formarse un enlace entre dos carbonos, cada uno traslada uno de sus dos orbitales sp para formar un enlace sigma entre ellos, los dos orbitales p sin hibridar de cada átomo se traslada formando los dos enlaces pi restantes de la triple ligadura, y al final el último orbital sp queda con su electrón disponible para formar otro enlace. A los dos últimos enlaces que forman la triple ligadura también se les denomina enlace pi, y todo este conjunto queda con ángulo de 180° entre el triple enlace y el orbital de cada átomo de carbono, es decir, adquiere una estructura lineal. La distancia entre estos átomos se acorta más, por lo que es incluso más reactivo que el doble enlace. Un ejemplo, lo constituye la molécula de etino. (Ver Fig.1.7 ). 28

Fig. 1.7. Molécula de etino Nomenclatura química orgánica Origen y evolución de la nomenclatura orgánica.  Los alquimistas frecuentemente asignaban nombres a las sustancias con la intención de ocultar lo que ellos o sus colaboradores estaban trabajando.  Para facilitar la comunicación de unos con otros, fue necesario diseñar un lenguaje especial el cual fue llamado nomenclatura química.  Como es de esperarse esta nomenclatura no solamente define a un compuesto dado en forma inequívoca sino que revela cuales átomos están presentes, como están los átomos arreglados en la molécula y como son las relaciones químicas con otros compuestos.  La nomenclatura química tal y como la conocemos hoy tuvo su comienzo cuando Guitón de Morveau, Lavoisier y Fourcroy publicaron su “Melthode de nomenclatura Chimique” en 1787. En esta inicial contribución se indicaba en un nombre los elementos y, de ser posible, la proporción relativa de éstos elementos presentes en un compuesto dado.  Nombres tales como alcohol, éter y ácido succínico fueron incluidos en sus recomendaciones aunque su inicial interés fue con los compuestos inorgánicos.  La nomenclatura orgánica arranca realmente en la década de 1830 con Berzelius, Liebig y Wöhler cuando nombres tales como cloruro de benzoilo y yoduro de etilo fueron propuestos.  La primera consideración efectiva de nomenclatura orgánica en una base internacional data de 1889 cuando una comisión internacional para la reforma de nomenclatura química se organiza.  Ellos introdujeron los siguientes principios los cuales son considerados de importancia básica en los nombres de compuestos alifáticos: 1) el nombre de las cadenas mayores es tomado como el nombre patrón. 2) la presencia de un grupo funcional o grupo Ellos intentaron completar la tarea de desarrollar reglas para compuestos cíclicos, pero esto no ocurrió sino mucho tiempo después. 29

 Actualmente, el recorrido de las reglas de nomenclatura para primeros propósitos de aceptación definitiva por la IUPAC pueden ser tortuosos y, de ser admitida, el tiempo transcurrido para entrar en operación puede llegar a ser muy largo.  Tres años después, 34 de los principales químicos de 9 países europeos se reunieron y acordaron lo que se conoció como las Reglas de Génova para la nomenclatura. El objetivo de este grupo consistió en proveer nombres adecuados para la regulación sistemática de los compuestos orgánicos alifáticos. Tabla 1.4: Construcción de nombres sistemáticos.  Resumen de nomenclatura IUPAC ordenada según prioridad numérica creciente. CLASE SUFIJO PREFIJO Cationes Amonio amonio-- --fosfonio Fosfonio-- Ácidos carboxílicos --sulfonio Sulfonio-- Anhídridos de los ácidos Ácido_oico Carboxi-- Anhídrido_oico carboxílicos Esteres de los ácidos --oato de alquilo Alcoxicarbonil-- carboxílicos Halogenuro de _oilo Halogenoalcanoil-- Halogenuros de acilo --amida Carbamoil-- Ciano-- Amidas --nitrilo(u—o nitrilo) Alcanoil-- Nitrilos --al Oxo-- Aldehídos --ona Hidroxi-- Cetonas --ol Alcoholes Mercapto-- Mercaptanos --tiol Amino-- Aminas --amina Éteres RR´éter --oxa_(alcoxi--) Alquenos --eno Alquenil-- Alquinos Alquinil-- --ino Los nombres de los alcanos, alquenos y alquinos son los nombres principales a partir de los cuales se derivan otros nombres por adición de sufijos y prefijos. Tabla 1.5: Algunas abreviaturas empleadas comúnmente en química orgánica. Abreviatura Representa Abreviatura Representa R-- Alquilo Pr- Propilo Ar-- Arilo(aromático) Bu- (CH3CH2CH2-) Butilo X-- Halógeno iPr- (CH3CH2CH2CH2-) Isopropilo 30

PH_ Benceno(C6H5-) Pri- (CH3)2CH- Me-- Metilo (CH3-) Sec- Primario Et-- Etilo (CH3CH2-) Terc- Secundario Terciario Tabla 1.6: Raíces y nombres relacionados de los alcanos normales. # de carbonos de la Raíz Alcano normal Alcano normal cadena más larga Fórmula Nombre met- 1 et-- condensada Metano 2 Pro-- Etano 3 but-- CH4 Propano 4 Pent-- CH3CH3 Butano 5 hex-- CH3CH2CH3 Pentano 6 hept-- CH3(CH2)2CH3 Hexano 7 oct-- CH3(CH2)3 CH3 Heptano 8 non- CH3(CH2)4 CH3 Octano 9 dec- CH3(CH2)5 CH3 Nonano 10 undec- CH3(CH2)6 CH3 Decano 11 dodec- CH3(CH2)7 CH3 Undecano 12 tridec- CH3(CH2)8CH3 Dodecano 13 tetradec- CH3(CH2)9CH3 Tridecano 14 pentadec- CH3(CH2)10CH3 Tetradecano 15 hexadec- CH3(CH2)11CH3 Pentadecano 16 heptadec- CH3(CH2)12CH3 Hexadecano 17 octadec- CH3(CH2)13CH3 Heptadecano 18 nonadec- CH3(CH2)14CH3 Octadecano 19 eicos- CH3(CH2)15CH3 Nonadecano 20 CH3(CH2)16CH3 Eicosano CH3(CH2)17CH3 CH3(CH2)18CH3 31

CUESTIONARIO DE REPASO 1. En la tabla se describen algunas propiedades de dos compuestos químicos a una atmósfera de presión. Sustancia Fórmula Estructural Punto de Ebullición (°C) Ácido Butanoico 164 H3C CH2 OH 100 Agua CH 2 C O H2O Tres mezclas preparadas con ácido butanoico y agua, se representan en una recta donde los puntos intermedios indican el valor en porcentaje peso a peso (% P/P) de cada componente en la mezcla. Mezclas de ácido butanoico. % Ácido butanoico 20 30 40 50 60 70 2 13 80 70 60 50 40 30 2. Para cambiar la concentración de la solución de ácido butanoico indicada en el punto 3 al 1, lo más adecuado es 3. Al cambiar la concentración de la solución de ácido butanoico del punto 1 al 2, es válido afirmar que A. permanece constante el porcentaje de agua en la solución B. disminuye la concentración de la solución C. disminuye la masa de agua en la solución D. permanece constante la concentración de la solución 4. El dibujo muestra el montaje utilizado para una destilación a presión constante, y a continuación se describen en la tabla las características de los componentes de la mezcla que se destila 32

Datos sobre la mezcla Componente Punto de % en la ebullición mezcla (1 atmósfera) M 78°C 80 L 100°C 20 5. De acuerdo con lo anterior, es válido afirmar que a la composición inicial, la temperatura a la cual la mezcla comienza a hervir A. es mayor de 100ºC B. es menor de 78ºC C. es igual a 100ºC D. está entre 78 y 100ºC 6. Los cambios de estado que tienen lugar durante la destilación, teniendo en cuenta el orden en que suceden, son A. condensación-evaporación B. solidificación-fusión C. evaporación-condensación D. fusión-evaporación 7. CH3 CH3 CH3 H3C CH3 CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H3C (Z) (Y) Una de las características de los compuestos orgánicos es que poseen carbonos primarios (enlazados a un átomo de carbono), secundarios (enlazados a dos átomos de carbono), terciario (enlazados a tres átomos de carbono) y cuaternarios (enlazados a 4 átomos de carbono). De acuerdo con esta información es válido afirmar que A. Z posee más carbonos terciarios y la misma cantidad de carbonos primarios que Y B. Z posee más carbonos secundarios y la misma cantidad de carbonos terciarios que Y 33

C. Z y Y poseen la misma cantidad de carbonos terciarios y diferente cantidad de carbonos cuaternarios D. Z y Y poseen la misma cantidad de carbonos terciarios y secundarios. El carbono reacciona con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO2) o monóxido de carbono (CO) dependiendo de las cantidades relativas de carbono y oxígeno, de acuerdo con las ecuaciones siguientes: Masa molar (g/mL) C + O2 CO2 Carbono 12 16 2C + O2 2CO Oxigeno En un experimento se realizaron cuatro ensayos en la que se hicieron reaccionar distintas cantidades de oxigeno con carbono, de acuerdo con los datos que se presentan en la siguiente tabla. Cantidad de reactivo (g) Ensayo Carbono Oxigeno 1 48 40 2 12 12 3 60 160 4 72 192 8. De acuerdo con la información anterior, es correcto afirmar que se produce mayor cantidad de dióxido de carbono (CO2) en los ensayos A. 1 y 2 B. 2 y 3 C. 1 y 4 C. 3 y 4 9. Se requieren cuantificar el CO2 producido en cada uno de los ensayos haciendo burbujear los productos de la combustión en una solución de hidróxido de calcio Ca (OH)2, tal como lo muestra la siguiente ecuación. + +CO2 + +CaCO 3(s) CO(g) H2O(l) (g) CO Ca(OH) 2(ac) (g) 34

El procedimiento anterior permite la separación y la cuantificación del dióxido de carbono porque A. Solo el CO reacciona con el Ca (OH)2 formando un precipitado B. El CO2 forma un precipitado insoluble y el CO se recoge como gas C. Los dos gases reaccionan con el Ca (OH)2 y se precipita D. El CO se disuelve en agua y el CO2 se precipita como carbonato. 10. El análisis elemental de un compuesto orgánico estableció que existe la siguiente relación entre los átomos de carbono e hidrógeno que lo conforman: por cada átomo de carbono en una molécula del compuesto hay 2 de hidrógeno. De acuerdo con el análisis, es probable que la fórmula del compuesto sea: A. CH 4 H HH HH B. H C C C CC HHH H C. H2C CH2 D. CH 3( CH 2 )3CH 3 11. Si la configuración electrónica del carbono es 1s22s22p2 El elemento está ubicado en A. período 3 grupo IA B. período 2 grupo IVA C. período 3 grupo IIIB D. período 2 grupo IIA 12. El enlace σ A. Lo forman orbitales paralelos entre sí B. Lo forman orbitales igualmente orientados C. Se forman entre orbitales p D. es más débil que el π 35

Unidad N° 2. Reacciones orgánicas e Isomería Logros: Al finalizar esta unidad esperamos que usted pueda:  Identificar y clasificar las reacciones químicas más comunes en que participan las moléculas orgánicas.  Construir una explicación para las reacciones de adición y sustitución a partir de los conceptos de hibridación, enlace sigma y enlace pi.  Explicar la isomería, su clasificación e importancia.  Escribir isómeros y manejar conceptos básicos sobre isomería.  Diferenciar las configuraciones cis y trans.  Clasificar los isómeros ópticos. Reacciones orgánica. Son reacciones químicas que involucran a compuestos orgánicos. Los tipos básicos de reacciones químicas orgánicas son reacciones de adición, eliminación, sustitución, y reacciones orgánicas redox. En síntesis orgánica, se usan reacciones orgánicas en la construcción de nuevas moléculas orgánicas. La producción de muchos químicos hechos por el hombre, tales como drogas, plásticos, aditivos, textiles, dependen de las reacciones orgánicas. Las reacciones orgánicas más antiguas son la combustión de compuestos orgánicos y la saponificación de las grasas para elaborar jabón. La química orgánica moderna empieza con la síntesis de Wöhler en 1828. En la historia del premio nobel de química, se ha entregado premios por la invención de reacciones orgánicas, tales como la reacción de Grignard en 1912, la reacción de Diels-Alder en 1950 y la metátesis de olefinas en el 2005. Aspectos fundamentales. Los factores que rigen las reacciones orgánicas son, esencialmente, las mismas de cualquier reacción química. Los factores específicos a las reacciones orgánicas son aquellas que determinan la estabilidad de los reactantes y productos, tales como conjugación, hiperconjugación, aromaticidad, y la presencia y estabilidad de reactivos intermedios, tales como radicales libres, carbocationes y carbaniones. Un compuesto orgánico puede consistir de varios isómeros; en consecuencia, la selectividad, en términos de regioselectividad, diastereoselectividad y enantioselectividad, es un criterio importante para muchas reacciones orgánicas. 36

Las reacciones orgánicas son importantes en la producción de fármacos. No hay un límite al número de reacciones orgánicas y mecanismos posibles. Sin embargo, se observa ciertos patrones generales que pueden ser usados para describir muchas reacciones comunes o útiles. Cada reacción, tiene un mecanismo de reacción por paso que explica como sucede. Las reacciones orgánicas pueden ser organizadas en algunos tipos básicos. Algunas reacciones encajan en más de una categoría. Tabla 2.1. Tipos de reacciones. Tipos de reacciones Subtipo Comentario Reacción de adición Adición nucleofílica Incluyen reacciones tales: Reacciones de eliminación Adición electrofílica halogenación, Reacción de sustitución Adición radicalaria hidrohalogenación e hidratación. Reacciones orgánicas redox Sustitución nucleofílica Incluyen procesos tales como Reacciones de transposición alifática. la deshidratación y se Sustitución nucleofílica observa que siguen un aromática. mecanismo de reacción E1, Sustitución nucleofílica acilica E2, o E1cB. Sustitución electrofílica: sustitución electrofílica Con mecanismo de reacción aromática. SN1, SN2 y SNi. Sustitución radicalaria. Son reacciones redox específicas de los compuestos orgánicos y son muy comunes. Transposiciones 1,2 Reacciones policíclicas metátesis. En las reacciones de condensación, se desprende una molécula pequeña, generalmente agua, cuando dos reactantes se combinan en una reacción química. La reacción opuesta, cuando se consume agua en una reacción, es denominada hidrólisis. Muchas reacciones de polimerización derivan de reacciones orgánicas. Están divididas en polimerización aditiva y policondensación. 37

Reacción de polimerización: H2C CH 2 x H2C CH2 catalizador H2C CH 2 H2C CH2 H2C CH2 CH 2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- Isomería La isomería, consiste en que dos o más sustancias que responden a la misma fórmula molecular (fórmula química no desarrollada) presentan propiedades químicas y/o físicas distintas. Por ejemplo, el alcohol etílico y el éter dimetílico son isómeros cuya fórmula molecular es C2H6O. Los distintos tipos de isomería se clasifican así: estructural de cadena de posición Isomería de función geométrica estereoisomería óptica Isomería estructural o plana: Se debe a diferencias de estructura y puede explicarse mediante fórmulas planas. a) Isomería de cadena: Es la que presentan las sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la disposición de los átomos de carbono en el esqueleto carbonado, ejemplo: Isómeros con fórmula molecular C4H10 38

n-butano 2-metil- propano (isobutano) Fig. 2.1. Isomería de cadena b) Isómeros de posición: Es la que presentan sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la situación de su grupo funcional sobre el esqueleto carbonado. Isómeros con fórmula molecular C3H8 1-propanol 2-propanol Fig. 2.2. Isomería de posición c) Isomería de función: Es la que presentan sustancias que con la misma fórmula molecular presentan distinto grupo funcional. Isómeros con fórmula molecular C2H6O etanol metano-oxi-metano propanal Propanona Fig. 2.3. Isomería de función Isomería de compensación. A veces se llama isomería de compensación o metamería, la de aquellos compuestos en los cuales una función corta la cadena carbonada en proporciones de longitudes diferentes. Por ejemplo tres metámeros de fórmula molecular C4O2H8 son: H O CH 2 H3C O CH3 CH 2 O C CH2 C CH 2 CH3 H3C C CH3 OO O Metanoato de propilo Etanoato de etilo Propanoato de metilo Tabla 2.2. Isomería de compensación. Tautomería: 39

Es un tipo especial de isomería en la que existe transposición de un átomo entre las dos estructuras, generalmente hidrógeno, existiendo, además un fácil equilibrio entre ambas formas tautómeras. Ejemplo: tautomería ceto-enólica, en la que existe un equilibrio entre un compuesto con grupo –OH a uno de los átomos de carbono de un doble enlace C=C, y un compuesto con el grupo carbonilo intermedio, C=O, típico de las cetonas, con transposición de un átomo de hidrógeno. R1 H R1 H O C O R2 R3 R2 R3 Fig. 2.4. Tautomería ceto-enólica. Isomería espacial o estereoisomería Los isómeros espaciales tienen no solo igual fórmula molecular, sino la misma fórmula estructural; pero su disposición en el espacio es distinta, o sea, difieren en la orientación espacial de sus átomos. Puede ser de dos tipos: Isomería conformacional e isomería configuracional. Otras clasificaciones los divide en enantiómeros (son imágenes especulares) y diastereoisómeros (no son imágenes especulares). Entre los diastereoisómeros se encuentran los isómeros cis-trans (isómeros geométricos), los conformeros y en las moléculas con varios centros quirales, los isómeros que pertenecen a distintas parejas de enantiómeros. Isomería conformacional En este tipo de isómeros conformacionales, la conversión de una forma en otra es posible, pues la rotación en torno al eje del enlace formado por los átomos de carbono es más o menos libre. Por eso también reciben el nombre de rotámeros. Si los grupos son voluminosos podría haber impedimento estérico y no ser tan fácil la interconversión entre rotámeros. La rama de la estereoquímica que estudia los isómeros conformacionales que son aislables (la mayoría son derivados del bifenilo) se llama atropisomería. Estas formas se reconocen bien si utilizamos la proyección de Newmann. 40

HH H H H H HH HH H H Fig. 2.5. Proyecciones de Newmann para la molécula de etano. Formas eclipsada y alternada. Fig. 2.6. Distintas conformaciones del etano según la rotación en torno al eje que forman los dos átomos de carbono. Se observan formas eclipsadas o formas escalonadas. Reciben nombres como sinclinal (a veces, Gauche), anticlinal (anti o trans), sinperiplanar y antiperiplanar. Otro tipo de isómeros conformacionales se da en compuestos con ciclos hexagonales, como el ciclohexano donde son factibles la conformación en forma de silla y conformación en forma de bote. Fig. 2.7. Conformación de silla y de bote. 41

Además de la conformación silla (1) con simetría D3d, el ciclohexano puede existir en los confórmeros de media silla o envoltura (2); torcida o bote torcido (3,5) con simetría D2 y bote (4). Isomería configuracional. Los átomos están fijos en sus posiciones, debidas fundamentalmente a la presencia de enlaces dobles o anillos en la estructura. No se transforman unos en otros por movimientos de flexión o rotación, sino mediante rompimiento y formación de enlaces, o sea mediante reacciones químicas. Puede ser geométrica u óptica. Isomería cis-trans o geométrica. Se produce cuando hay dos carbonos unidos con dobles enlaces que tienen las otras valencias con los mismos sustituyentes (2 pares) o con dos iguales y uno distinto. Fig. 2.8. Isomería cis-trans o geométrica. H3C CH3 CH3 H3C cis (Z) trans (E) No se presenta isomería geométrica ligadas a los enlaces triples o sencillos. A las dos posibilidades se les denomina: Forma cis (forma Z), con los dos sustituyentes más voluminosos del mismo lado. Forma trans (forma E), si los dos sustituyentes se sitúan en lados diferentes. La isomería geométrica también se presenta en compuestos con doble enlace N=N, o en compuestos cíclicos en los que también se impide la rotación en torno a un eje. (Ver Tabla 2.3). Tabla 2.3: Isomería cis-trans. 42

1,2-dimetilciclopentano Cis-1,2-trans- Trans-1,2- Formas cis y trans del (forma cis y trans) 1,2- diclorociclohe difluorodiazeno diclorociclohe xano xano CH 3 CH 3 CH 3 Cl Cl F F N F NN F N Cl Cl CH 3 Isómeros del Ácido maléico (cis) y ácido fumárico Formas trans (E) y cis (Z) but-2-eno (trans) del H H HOOC COOH HOOC H 1,2-dibromoeteno. Br H3C CH3 H H H COOH Br Br Br Isomería óptica. Cuando un compuesto tiene al menos un átomo de carbono quiral o asimétrico, es decir un átomo de carbono con 4 sustituyentes diferentes, pueden formarse dos variedades distintas denominadas estereoisómeros ópticos, enantiomeros, formas enantiomórficas o formas quirales, aunque todos los átomos están en la misma posición y enlazados de igual manera. Esto se conoce como regla de Level y Van’t Hoff. Los isómeros ópticos no se pueden superponer y uno es como la imagen especular del otro, como ocurre con la mano derecha e izquierda. (Ver Fig. 2.8). 43

Fig. 2.8. Dos enantiómeros de un aminoácido genérico. Presentan las mismas propiedades físicas y químicas, pero se diferencian en que desvían el plano de luz polarizada en diferente dirección. Cuando una sustancia desvía el rayo de luz hacia la derecha (+),( orientación de las manecillas del reloj), se llama dextrógira y si la desvía hacia la izquierda (-) (orientación contraria a las manecillas del reloj), se llama levógira. Una mezcla de isómeros 50% dextrógiro con 50% levógiro no desvía el rayo de luz polarizada, se dice que es ópticamente inactiva y se denomina mezcla racémica. Diasteroisómeros Cuando un compuesto tiene más de un carbono asimétrico, podemos encontrar formas enantiómeras (que son imagen especular una de la otra) y otras formas que no son exactamente copias especulares, por no tener todos sus carbonos invertidos. A estas formas se les llama diasteroisómeros. Fig. 2.9. Configuraciones enantiomorfas (imágenes especulares) Mezcla racémica y formas meso. Una mezcla racémica, es la mezcla equimolecular de los isómeros dextro y levo. Esta fórmula es ópticamente inactiva (no desvía el plano de luz polarizada). La mezcla de ácido D-láctico y L-láctico forma una mezcla racémica, ópticamente inactiva. (Ver Fig. 2.10). 44

Fig. 2.10. Formas R y S del ácido láctico. Enantiómeros del ácido láctico o ácido 2- hidroxipropanoico. Si un compuesto posee dos carbonos asimétricos puede tener uno dextrógiro y otro levógiro, pero si tiene un plano de simetría, en conjunto se comporta como ópticamente inactiva y recibe el nombre de meso. Es el caso del ácido tartárico o 2,3- dihidroxibutanodioico, uno de cuyos isómeros es una forma meso. 45

CUESTIONARIO DE REPASO 1. H3C CH 2 Cl CH 2 2. H3C CH CH3 CH 2 CH 2 H2C Cl Cl 3. CH CH3 4. Cl HC H3C CH3 CH3 1. Son fórmulas del mismo compuesto A. 1 y 3 B. 2 y 3 C. 3 y 4 D. 1 y 2 2. Cuando dos o más compuestos tienen fórmulas moleculares idénticas, pero diferentes fórmulas estructurales, se dice que cada una de ellas es isómero de los demás. De los siguientes compuestos no es isómero del butanol. A. H3C CH 2 B. H3C CH 2 OH CH CH3 CH CH 2 OH CH3 H3C CH 2 CH3 D. H3C C CH3 C. CH OH OH CH3 3. Considere el siguiente conjunto de sustancias H3C CH 2 CH3 H3C H 1. C C 2. C C H H H CH 2 CH3 H CH3 HH 3. C C 4. C C H CH 2 CH 2CH 2CH 3 H3C CH 2CH 2CH 3 Los isómeros cis son A. 1 y 4 B. 3 y 2 C. 1 y 3 D. 2 y 4 46

4. Los isómeros de cadena se caracterizan por tener una distribución diferente de los átomos de carbono, CH3 1. CH 2CH 2CH 2CH 3 CH 2. H3C CH3 Cl 3. CH 2 C-H 4. CH 2CH 2CH 2CH 2Cl H3C CH3 De las fórmulas químicas, cuáles poseen isomería estructural de cadena. A. 2 y 3 B. 1 y 3 C. 2 y 4 D. 1 y 4 5. Los isómeros de función se caracterizan por tener diferente grupo funcional 1. CH 3CH 2OH 2. CH 3-O-CH 3 H3C CH3 3. CH 3CH 2CH 2Br 4. CH Br De los compuestos anteriores, los que representan éste tipo de isomería es A. 2 y 3 B. 1 y 3 C. 1 y 2 D. 2 y 4 6. De las ecuaciones CH 2 KMnO 4 O H3C OH H3C C Ec. 1: H O OH CH3 Ec. 2: H3C + H3C H CH3 Puede decirse que representan respectivamente reacciones de 47

A. sustitución y oxidación B. reducción y adición C. adición y sustitución D. oxidación y reducción 7. Las masas moleculares del carbono, hidrógeno y el oxígeno son 12, 1 y 16 (g/mol) respectivamente. Suponga que la ecuación química (sin balancear) de la reacción es: +C3H8 5O2 +3CO2 H2O Es de esperar que finalizada la reacción se hayan formado respectivamente A. 132 g de CO2 y 72 g de H2O B. 76 g de CO2 Y 72 g de H2O C. 3 g de CO2 y 4 g de H2O D. 44 g de CO2 y 18 g de H2O 48