Hidrocarburos La mayor base de datos Se trata de la base de datos Beilstein, disponible ahora a través del sitio web Reaxys (www.elsevier.com/online-tools/reaxys). de compuestos orgánicos enumera unos 10 millones de sustancias, que incluyen compuestos procedentes de organismos vivos y los sintetizados por los químicos. El número de compuestos orgánicos potenciales se calcula Peplow, Mark. “Organic Synthesis: The Robo-Chemist” ("Síntesis orgánica: el robot químico"), Nature 512 (2014): 20–2. en 10 60 , una cifra estratosférica. La existencia de tantas moléculas orgánicas es consecuencia de la capacidad de los átomos de carbono de formar hasta cuatro enlaces fuertes con otros átomos de carbono, lo que da lugar a cadenas y anillos de muy diversos tamaños, formas y complejidades. Los compuestos orgánicos más simples contienen únicamente los elementos carbono e hidrógeno, y se denominan hidrocarburos. Aunque están compuestos únicamente por dos tipos de átomos, existe una gran variedad de hidrocarburos porque pueden consistir en cadenas de distinta longitud, cadenas ramificadas y anillos de átomos de carbono o combinaciones de estas estructuras. Además, los hidrocarburos pueden diferir en los tipos de enlaces carbono-carbono que están presentes en sus moléculas. Muchos hidrocarburos se encuentran en las plantas, los animales y sus fósiles; otros se han preparado en el laboratorio. Todos los días utilizamos hidrocarburos, principalmente como combustible, tales como el gas natural, el acetileno, el propano, el butano y los principales componentes de la gasolina, el gasóleo y el gasóleo de calefacción. Los conocidos plásticos polietileno, polipropileno y poliestireno también son hidrocarburos. Podemos distinguir varios tipos de hidrocarburos por las diferencias en el enlace entre los átomos de carbono. Esto da lugar a diferencias en las geometrías y en la hibridación de los orbitales del carbono. Alcanos Los alcanos , o hidrocarburos saturados , contienen solamente enlaces covalentes simples entre los átomos de carbono. Cada uno de los átomos de carbono de un alcano tiene orbitales híbridos sp 3 y está enlazado a otros cuatro átomos, cada uno de los cuales es carbono o hidrógeno. Las estructuras de Lewis y los modelos de metano, etano y pentano se ilustran en la . Las cadenas de carbono suelen dibujarse como líneas rectas en las estructuras de Lewis, pero hay que recordar que estas no pretenden indicar la geometría de las moléculas. Observe que los átomos de carbono en los modelos estructurales (los modelos de barras y esferas, y de espacio lleno) de la molécula de pentano no se encuentran en línea recta. Debido a la hibridación sp 3 , los ángulos de enlace en las cadenas de carbono son cercanos a 109,5°, lo que da a dichas cadenas en un alcano una forma de zigzag. Las estructuras de los alcanos y otras moléculas orgánicas también pueden representarse de forma menos detallada mediante fórmulas estructurales condensadas (o simplemente, fórmulas condensadas ). En lugar del formato habitual de las fórmulas químicas, en el que cada símbolo de elemento aparece una sola vez, se escribe una fórmula condensada para sugerir el enlace en la molécula. Estas fórmulas tienen la apariencia de una estructura de Lewis de la que se han eliminado la mayoría o todos los símbolos de enlace. Las fórmulas estructurales condensadas del etano y el pentano se muestran en la parte inferior de la , y en los ejercicios que se encuentran al final de este capítulo se ofrecen varios otros ejemplos. En la imagen se muestran las estructuras de Lewis, los modelos de barras y esferas, y los modelos de espacio lleno para las moléculas de metano, etano y pentano. Un método que utilizan comúnmente los químicos orgánicos para simplificar los dibujos de moléculas más grandes es la estructura esquelética (también llamada estructura de ángulo de línea). En este tipo de estructura, los átomos de carbono no se simbolizan con una C, sino que se representan con cada extremo de una línea o curva en una línea. Los átomos de hidrógeno no se dibujan si están unidos a un carbono. Otros átomos, además del carbono y el hidrógeno, se representan con sus símbolos elementales. La muestra tres formas diferentes de dibujar la misma estructura. La misma estructura puede representarse de tres maneras distintas: una fórmula expandida, una fórmula condensada y una estructura esquelética. Dibujar estructuras esqueléticas Dibuje las estructuras esqueléticas de estas dos moléculas: Solución Cada átomo de carbono se convierte en el final de una línea o en el lugar donde se cruzan las líneas. Todos los átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono quedan fuera de la estructura (aunque todavía tenemos que reconocer que están ahí): Compruebe lo aprendido Dibuje las estructuras esqueléticas de estas dos moléculas: Respuesta: Interpretación de las estructuras esqueléticas Identifique la fórmula química de la molécula aquí representada: Solución Hay ocho lugares donde las líneas se cruzan o terminan, lo que significa que hay ocho átomos de carbono en la molécula. Ya que sabemos que los átomos de carbono tienden a hacer cuatro enlaces, cada átomo de carbono tendrá el número de átomos de hidrógeno que se requiere para cuatro enlaces. Este compuesto contiene 16 átomos de hidrógeno para una fórmula molecular de C 8 H 16 . Ubicación de los átomos de hidrógeno: Compruebe lo aprendido Identifique la fórmula química de la molécula aquí representada: Respuesta: C 9 H 20 Todos los alcanos están compuestos por átomos de carbono e hidrógeno, y tienen enlaces, estructuras y fórmulas similares; los alcanos no cíclicos tienen todos una fórmula de C n H 2n+2 . El número de átomos de carbono presentes en un alcano no tiene límite. Un mayor número de átomos en las moléculas dará lugar a atracciones intermoleculares más fuertes (fuerzas de dispersión) y a las correspondientes propiedades físicas distintas de las moléculas. Propiedades como el punto de fusión y el punto de ebullición ( ) cambian de manera fluida y predecible al cambiar el número de átomos de carbono e hidrógeno en las moléculas. Propiedades de algunos alcanos Las propiedades físicas del C 4 H 10 y de las moléculas más pesadas son las del isómero normal , n -butano, n -pentano, etc. Alcano Fórmula molecular Punto de fusión (°C) Punto de ebullición (°C) Fase en STP STP indica una temperatura de 0 °C y una presión de 1 atm. Número de isómeros estructurales metano CH 4 -182,5 -161,5 gas 1 etano C 2 H 6 -183,3 -88,6 gas 1 propano C 3 H 8 -187,7 -42,1 gas 1 butano C 4 H 10 -138,3 -0,5 gas 2 pentano C 5 H 12 -129,7 36,1 líquido 3 hexano C 6 H 14 -95,3 68,7 líquido 5 heptano C 7 H 16 -90,6 98,4 líquido 9 octano C 8 H 18 -56,8 125,7 líquido 18 nonano C 9 H 20 -53,6 150,8 líquido 35 decano C 10 H 22 -29,7 174,0 líquido 75 tetradecano C 14 H 30 5,9 253,5 sólido 1.858 octadecano C 18 H 38 28,2 316,1 sólido 60.523 Los hidrocarburos con la misma fórmula, incluso los alcanos, pueden tener estructuras diferentes. Por ejemplo, dos alcanos tienen la fórmula C 4 H 10 : Se llaman n -butano y 2-metilpropano (o isobutano), y tienen las siguientes estructuras de Lewis: Los compuestos n -butano y 2-metilpropano son isómeros estructurales (también se utiliza el término isómeros constitucionales). Los isómeros constitucionales tienen la misma fórmula molecular, pero distintas disposiciones espaciales de los átomos en sus moléculas. La molécula n -butano contiene una cadena no ramificada , lo que significa que ningún átomo de carbono está unido a más de otros dos átomos de carbono. Utilizamos el término normal o el prefijo n , para referirnos a una cadena de átomos de carbono sin ramificaciones. El compuesto 2-metilpropano tiene una cadena ramificada (el átomo de carbono en el centro de la estructura de Lewis está unido a otros tres átomos de carbono). Identificar los isómeros a partir de las estructuras de Lewis no es tan fácil como parece. Las estructuras de Lewis que lucen diferentes pueden representar en realidad los mismos isómeros. Por ejemplo, las tres estructuras en la representan la misma molécula, n -butano, y por ende, no son isómeros diferentes. Son idénticos porque cada uno contiene una cadena no ramificada de cuatro átomos de carbono. Estas tres representaciones de la estructura del n-butano no son isómeros porque todas contienen la misma disposición de átomos y enlaces. Los fundamentos de la nomenclatura orgánica: designación de los alcanos La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada ( IUPAC ) ha ideado un sistema de nomenclatura que comienza con los nombres de los alcanos y puede ajustarse a partir de ahí para tener en cuenta estructuras más complicadas. La nomenclatura de los alcanos se basa en dos reglas: Para designar un alcano, primero hay que identificar la cadena más larga de átomos de carbono en su estructura. La cadena de dos carbonos se denomina etano; la de tres, propano, y la de cuatro, butano. Las cadenas más largas se denominan así: pentano (cadena de cinco carbonos), hexano (6), heptano (7), octano (8), nonano (9) y decano (10). Estos prefijos se observan en los nombres de los alcanos que se describen en la . Añada prefijos al nombre de la cadena más larga para indicar las posiciones y los nombres de los sustituyentes . Los sustituyentes son ramas o grupos funcionales que sustituyen a los átomos de hidrógeno de una cadena. La posición de un sustituyente o rama se identifica por el número del átomo de carbono al que está unido en la cadena. Numeramos los átomos de carbono de la cadena contando desde el extremo de la cadena más cercano a los sustituyentes. Los sustituyentes múltiples se nombran individualmente y se colocan en orden alfabético al principio del nombre. Cuando hay más de un sustituyente, ya sea en el mismo átomo de carbono o en diferentes átomos de carbono, los sustituyentes se enumeran por orden alfabético. Dado que la numeración de los átomos de carbono comienza en el extremo más cercano a un sustituyente, la cadena más larga de átomos de carbono se numera de forma que se obtenga el número más bajo para los sustituyentes. La terminación -o sustituye a -uro al final del nombre de un sustituyente electronegativo (en los compuestos iónicos, el ion con carga negativa termina con -uro como el cloruro; en los compuestos orgánicos, estos átomos se tratan como sustituyentes y se utiliza la terminación -o ). El número de sustituyentes del mismo tipo se indica con los prefijos di- (dos), tri- (tres), tetra- (cuatro), etc. (por ejemplo, difluoro- indica dos sustituyentes del fluoruro). Designación de alcanos sustituidos por halógenos Designe la molécula cuya estructura se muestra aquí: Solución La cadena de cuatro carbonos está numerada desde el final con el átomo de cloro. Esto sitúa los sustituyentes en las posiciones 1 y 2 (la numeración desde el otro extremo situaría los sustituyentes en las posiciones 3 y 4). Cuatro átomos de carbono significa que el nombre base de este compuesto será butano. El bromo en la posición 2 se describirá al añadir 2-bromo-; este irá al principio del nombre, ya que el bromo- viene antes que el cloro- alfabéticamente. El cloro en la posición 1 se describirá al añadir 1-cloro-, con lo que el nombre de la molécula será 2-bromo-1-clorobutano. Compruebe lo aprendido Designe la siguiente molécula: Respuesta: 3,3-dibromo-2-yodopentano Llamamos grupo alquilo a un sustituyente que contiene un hidrógeno menos que el alcano correspondiente. El nombre del grupo alquilo se obtiene al suprimir el sufijo -ano del nombre del alcano y añadir -ilo : Los enlaces abiertos en los grupos metilo y etilo indican que estos grupos alquilo están enlazados a otro átomo. Designación de alcanos sustituidos Designe la molécula cuya estructura se muestra aquí: Solución La cadena de carbono más larga corre horizontalmente a través de la página y contiene seis átomos de carbono (esto hace la base del nombre hexano, pero también tendremos que incorporar el nombre de la rama). En este caso, queremos numerar de derecha a izquierda (como muestran los números azules) para que la rama esté conectada al carbono 3 (imagine los números de izquierda a derecha: esto pondría la rama en el carbono 4, lo cual violaría nuestras reglas). La rama unida a la posición 3 de nuestra cadena contiene dos átomos de carbono (numerados en rojo), así que tomamos nuestro nombre para dos carbonos et- y adjuntamos -il al final para significar que estamos describiendo una rama. Uniendo todas las piezas, esta molécula es el 3-etilhexano. Compruebe lo aprendido Designe la siguiente molécula: Respuesta: 4-propiloctano Algunos hidrocarburos forman más de un tipo de grupo alquilo cuando los átomos de hidrógeno que se eliminarían tienen diferentes "ambientes" en la molécula. Esta diversidad de posibles grupos alquilos se identifica de la siguiente manera: Los cuatro átomos de hidrógeno de una molécula de metano son equivalentes; todos tienen el mismo ambiente. Son equivalentes porque cada uno está enlazado a un átomo de carbono (el mismo átomo de carbono), que está enlazado a tres átomos de hidrógeno. (Sería más fácil ver la equivalencia en los modelos de barras y esferas en la . La eliminación de uno de los cuatro átomos de hidrógeno del metano forma un grupo metilo. Del mismo modo, los seis átomos de hidrógeno del etano son equivalentes ( ) y la eliminación de cualquiera de estos átomos de hidrógeno produce un grupo etilo. Cada uno de los seis átomos de hidrógeno está enlazado a un átomo de carbono, que está enlazado a otros dos átomos de hidrógeno y a un átomo de carbono. Sin embargo, tanto en el propano como en el 2-metilpropano, hay átomos de hidrógeno en dos ambientes diferentes, que se distinguen por los átomos o grupos de átomos adyacentes: Cada uno de los seis átomos de hidrógeno equivalentes del primer tipo en el propano y cada uno de los nueve átomos de hidrógeno equivalentes de ese tipo en el 2-metilpropano (todos mostrados en negro) están enlazados a un átomo de carbono que está enlazado a otro átomo de carbono. Los dos átomos de hidrógeno en púrpura del propano son de un segundo tipo. Se distinguen de los seis átomos de hidrógeno del primer tipo en que están enlazados a un átomo de carbono enlazado a otros dos átomos de carbono. El átomo de hidrógeno en verde del 2-metilpropano se distingue de los otros nueve átomos de hidrógeno de esa molécula y de los átomos de hidrógeno en púrpura del propano. El átomo de hidrógeno en verde del 2-metilpropano está enlazado a un átomo de carbono enlazado a otros tres átomos de carbono. A partir de cada una de estas moléculas se forman dos distintos grupos alquílicos, dependiendo del átomo de hidrógeno que se elimine. Los nombres y las estructuras de estos y otros grupos alquílicos se enumeran en la . Este listado ofrece los nombres y las fórmulas de varios grupos alquilos formados por la eliminación de átomos de hidrógeno en diferentes lugares. Observe que los grupos alquilos no existen como entidades estables independientes. Siempre forman parte de una molécula mayor. La ubicación de un grupo alquilo en una cadena de hidrocarburos se indica de la misma manera que cualquier otro sustituyente: Los alcanos son moléculas relativamente estables, pero el calor o la luz activan reacciones que implican la ruptura de enlaces simples C-H o C-C. La combustión es una de estas reacciones: CH 4 ( g ) + 2 O 2 ( g ) ⟶ CO 2 ( g ) + 2 H 2 O ( g ) Los alcanos arden en presencia de oxígeno, una reacción de oxidación-reducción altamente exotérmica que produce dióxido de carbono y agua. En consecuencia, los alcanos son excelentes combustibles. Por ejemplo, el metano, CH 4 , es el principal componente del gas natural. El butano, C 4 H 10 , utilizado en las estufas y encendedores de camping, es un alcano. La gasolina es una mezcla líquida de alcanos de cadena continua y ramificada, cada uno de los cuales contiene de cinco a nueve átomos de carbono, más diversos aditivos para mejorar su rendimiento como combustible. El queroseno, el gasóleo y el combustóleo son principalmente mezclas de alcanos con masas moleculares más altas. La principal fuente de estos combustibles alcalinos líquidos es el petróleo crudo, una mezcla compleja que se separa por destilación fraccionada. La destilación fraccionada aprovecha las diferencias en los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla (vea la ). Recordará que el punto de ebullición es una función de las interacciones intermoleculares, que se trató en el capítulo sobre soluciones y coloides. En una columna para la destilación fraccionada de petróleo crudo, el petróleo calentado a unos 425 °C en el horno se vaporiza al entrar en la base de la torre. Los vapores ascienden a través de tapones de burbujas en una serie de bandejas en la torre. A medida que los vapores se enfrían gradualmente, las fracciones de puntos de ebullición más altos, y luego más bajos, se condensan en líquidos y se extraen (créditos a la izquierda: modificación del trabajo de Luigi Chiesa). En una reacción de sustitución , otra reacción típica de los alcanos, uno o varios de los átomos de hidrógeno del alcano se sustituyen por un átomo o grupo de átomos diferente. En estas reacciones no se rompen los enlaces carbono-carbono y la hibridación de los átomos de carbono no cambia. Por ejemplo, la reacción entre el etano y el cloro molecular representada aquí es una reacción de sustitución: La porción C-Cl de la molécula de cloroetano es un ejemplo de grupo funcional , la parte o fracción de una molécula que imparte una reactividad química específica. Los tipos de grupos funcionales presentes en una molécula orgánica son los principales determinantes de sus propiedades químicas y se utilizan como medio de clasificación de los compuestos orgánicos, tal y como se detalla en las restantes secciones de este capítulo. ¿Quiere practicar más la designación de los alcanos? Vea este breve video tutorial para repasar el proceso de nomenclatura. Alquenos Los compuestos orgánicos que contienen uno o más enlaces dobles o triples entre los átomos de carbono se describen como insaturados. Es probable que haya oído hablar de las grasas insaturadas. Son moléculas orgánicas complejas con largas cadenas de átomos de carbono, que contienen al menos un doble enlace entre átomos de carbono. Las moléculas de hidrocarburos insaturados que contienen uno o más dobles enlaces se denominan alquenos . Los átomos de carbono con doble enlace están unidos por dos enlaces: σ y π. Los dobles y triples enlaces dan lugar a una geometría distinta alrededor del átomo de carbono que participa en ellos, lo que origina diferencias importantes en la forma y las propiedades moleculares. Las distintas geometrías son la causa de las diferentes propiedades de las grasas insaturadas frente a las saturadas. El eteno, C 2 H 4 , es el alqueno más simple. Cada átomo de carbono del eteno, denominado comúnmente etileno, tiene una estructura planar trigonal. El segundo integrante de la serie es el propeno (propileno) ( ); los isómeros del buteno le siguen en la serie. Cuatro átomos de carbono en la cadena del buteno permiten la formación de isómeros basados en la posición del doble enlace, así como una nueva forma de isomerismo. Se muestran las estructuras ampliadas, las estructuras de barras y esferas y los modelos de espacio lleno con respecto a los alquenos eteno, propeno y 1-buteno. El etileno (nombre industrial común del eteno) es una materia prima básica en la producción de polietileno y otros compuestos importantes. En 2010 se produjeron más de 135 millones de toneladas de etileno en todo el mundo para su uso en las industrias de polímeros, petroquímica y plásticos. El etileno se produce industrialmente en un proceso llamado craqueo, en el que las largas cadenas de hidrocarburos de una mezcla de petróleo se rompen en moléculas más pequeñas. Reciclaje de plásticos Los polímeros (de las palabras griegas poly , que significa "muchos", y mer , que significa "partes") son grandes moléculas formadas por unidades repetitivas, denominadas monómeros. Los polímeros pueden ser naturales (el almidón es un polímero de residuos de azúcar y las proteínas son polímeros de aminoácidos) o sintéticos [como el polietileno, el cloruro de polivinilo (Polyvinyl Chloride, PVC) y el poliestireno]. La variedad de estructuras de los polímeros se traduce en una amplia gama de propiedades y usos que los convierten en parte integrante de nuestra vida cotidiana. La adición de grupos funcionales a la estructura de un polímero puede dar lugar a propiedades significativamente diferentes (vea el análisis sobre el Kevlar más adelante en este capítulo). Un ejemplo de reacción de polimerización se muestra en la . El monómero etileno (C 2 H 4 ) es un gas a temperatura ambiente, pero cuando se polimeriza con un catalizador de metales de transición se transforma en un material sólido formado por largas cadenas de unidades –CH 2 – llamado polietileno. El polietileno es un plástico básico que se utiliza principalmente para el envasado (bolsas y películas). Se muestra la reacción de polimerización del etileno en polietileno. El polietileno pertenece a un subconjunto de polímeros sintéticos clasificados como plásticos. Los plásticos son sólidos orgánicos sintéticos que se pueden moldear; suelen ser polímeros orgánicos de gran masa molecular. La mayoría de los monómeros que forman parte de los plásticos comunes (etileno, propileno, cloruro de vinilo, estireno y tereftalato de etileno) se derivan de productos petroquímicos y son poco biodegradables, lo que los convierte en materiales candidatos para el reciclaje. El reciclaje de plásticos reduce la necesidad de utilizar más suministros petroquímicos y también amortigua el daño medioambiental causado por tirar estos materiales no biodegradables. El reciclaje de plásticos es el proceso de recuperación de residuos, desechos o plásticos usados, y su reprocesamiento para convertirlos en productos útiles. Por ejemplo, el tereftalato de polietileno (botellas de refrescos) puede fundirse y utilizarse para fabricar muebles de plástico, en alfombras o para otras aplicaciones. Otros plásticos, como el polietileno (bolsas) y el polipropileno (vasos, envases de plástico para alimentos), pueden reciclarse o reprocesarse para utilizarse de nuevo. Muchas áreas del país tienen programas de reciclaje que se centran en uno o más de los plásticos básicos a los que se ha asignado un código de reciclaje (vea la ). Estas operaciones están en vigor desde los años 1970 y han hecho que la producción de algunos plásticos se encuentre entre las operaciones industriales más eficientes en la actualidad. Cada tipo de plástico reciclable lleva impreso un código para facilitar su identificación. El nombre de un alqueno se deriva del nombre del alcano con el mismo número de átomos de carbono. La presencia del doble enlace se indica al sustituir el sufijo -ano por el sufijo -eno . La ubicación del doble enlace se identifica al designar el menor de los números de los átomos de carbono que participan en el doble enlace: Isómeros de alquenos Las moléculas de 1-buteno y 2-buteno son isómeros estructurales; la disposición de los átomos en estas dos moléculas difiere. Como ejemplo de las diferencias de disposición, el primer átomo de carbono del 1-buteno está enlazado a dos átomos de hidrógeno; el primer átomo de carbono del 2-buteno está enlazado a tres átomos de hidrógeno. El compuesto 2-buteno y algunos otros alquenos también forman un segundo tipo de isómero llamado isómero geométrico. En un conjunto de isómeros geométricos, los mismos tipos de átomos están unidos entre sí en el mismo orden, pero las geometrías de las dos moléculas difieren. Los isómeros geométricos de los alquenos difieren en la orientación de los grupos a ambos lados de un enlace C = enlace C . Los átomos de carbono rotan libremente alrededor de un enlace simple, pero no alrededor de un doble enlace; el doble enlace es rígido. Esto permite tener dos isómeros del 2-buteno: uno con ambos grupos de metilo en el mismo lado del doble enlace y el otro con los grupos de metilo en lados opuestos. Cuando se dibujan estructuras de buteno con ángulos de enlace de 120° alrededor de los átomos de carbono hibridados sp 2 que participan en el doble enlace, los isómeros son evidentes. El isómero de 2-buteno en el que los dos grupos metilo están en el mismo lado se denomina isómero cis ; el que tiene los dos grupos de metilo en lados opuestos se denomina isómero trans ( ). Las diferentes geometrías producen distintas propiedades físicas, como el punto de ebullición, que posibilitan la separación de los isómeros: Estos modelos moleculares muestran los isómeros estructurales y geométricos del buteno. Los alquenos son mucho más reactivos que los alcanos porque la fracción C = C es un grupo funcional reactivo. El enlace π, al ser más débil, se altera mucho más fácilmente que el enlace σ. Por lo tanto, los alquenos sufren una reacción característica en la que el enlace π se rompe y se sustituye por dos enlaces σ. Esta reacción se llama reacción de adición . La hibridación de los átomos de carbono en el doble enlace de un alqueno cambia de sp 2 a sp 3 durante una reacción de adición. Por ejemplo, los halógenos se suman al doble enlace en un alqueno en lugar de sustituir al hidrógeno, como ocurre en un alcano: Reactividad y designación de los alquenos Proporcione los nombres de la IUPAC para el reactivo y el producto de la reacción de halogenación que se muestra aquí: Solución El reactivo es una cadena de cinco carbonos que contiene un doble enlace carbono-carbono, por lo que el nombre de la base será penteno. Empezamos a contar por el extremo de la cadena más cercano al doble enlace (en este caso, desde la izquierda) el doble enlace abarca los carbonos 2 y 3, por lo que el nombre se convierte en 2-penteno. Dado que hay dos grupos que contienen carbono unidos a los dos átomos de carbono del doble enlace (y están en el mismo lado del doble enlace) esta molécula es el isómero cis , por lo que el nombre del alqueno de partida es cis -2-penteno. El producto de la reacción de halogenación tendrá dos átomos de cloro unidos a los átomos de carbono que formaban parte del doble enlace carbono-carbono: Esta molécula es ahora un alcano sustituido y se denominará como tal. La base del nombre será el pentano. Contaremos a partir del extremo que numera los átomos de carbono donde se unen los átomos de cloro como 2 y 3, haciendo que el nombre del producto sea 2,3-dicloropentano. Compruebe lo aprendido Indique los nombres del reactivo y del producto de la reacción indicada: Respuesta: reactivo: cis-3-hexeno producto: 3,4-diclorohexano Alquinos Las moléculas de hidrocarburos con uno o más triples enlaces se denominan alquinos ; constituyen otra serie de hidrocarburos insaturados. Dos átomos de carbono unidos por un triple enlace están unidos por un enlace σ y dos enlaces π. Los carbonos sp -hibridados que intervienen en el triple enlace tienen ángulos de enlace de 180°, lo que da a este tipo de enlaces una forma lineal, parecida a una varilla. El miembro más simple de la serie de alquinos es el etileno, C 2 H 2 , comúnmente llamado acetileno. La estructura de Lewis para el etileno, una molécula lineal, es: La nomenclatura de la IUPAC para los alquinos es similar a la de los alquenos, salvo que el sufijo -ino se utiliza para indicar un triple enlace en la cadena. Por ejemplo, CH 3 CH 2 C ≡ CH se denomina 1-butino. Estructura de los alquinos Describa la geometría y la hibridación de los átomos de carbono en la siguiente molécula: Solución Los átomos de carbono 1 y 4 tienen cuatro enlaces simples y, por ende, son tetraédricos con hibridación sp 3 . Los átomos de carbono 2 y 3 participan en el triple enlace, por lo que tienen geometrías lineales y se clasificarían como híbridos sp . Compruebe lo aprendido Identifique la hibridación y los ángulos de enlace en los átomos de carbono de la molécula mostrada: Respuesta: carbono 1: sp , 180°; carbono 2: sp , 180°; carbono 3: sp 2 , 120°; carbono 4: sp 2 , 120°; carbono 5: sp 3 , 109,5° Químicamente, los alquinos se parecen a los alquenos. Dado que el grupo funcional C ≡ C tiene dos enlaces π, los alquinos suelen reaccionar aún más fácilmente y reaccionan con el doble de reactivo en las reacciones de adición. La reacción del acetileno con el bromo es un ejemplo típico: El acetileno y los demás alquinos también arden con facilidad. Un soplete de acetileno aprovecha el alto calor de combustión del acetileno. Hidrocarburos aromáticos El benceno, C 6 H 6 , es el miembro más simple de una gran familia de hidrocarburos, llamados hidrocarburos aromáticos . Estos compuestos contienen estructuras de anillo y presentan enlaces que deben describirse con el concepto de híbrido de resonancia de la teoría del enlace de valencia o el concepto de deslocalización de la teoría de orbitales moleculares. (Para repasar estos conceptos, consulte los capítulos anteriores sobre el enlace químico). Las estructuras de resonancia del benceno, C 6 H 6 , son: La teoría del enlace de valencia describe la molécula de benceno y otras moléculas planas de hidrocarburos aromáticos como anillos hexagonales de átomos de carbono hibridados sp 2 con el orbital p no hibridado de cada átomo de carbono perpendicular al plano del anillo. Tres electrones de valencia en los orbitales híbridos sp 2 de cada átomo de carbono y el electrón de valencia de cada átomo de hidrógeno forman el marco de los enlaces σ en la molécula de benceno. El cuarto electrón de valencia de cada átomo de carbono se comparte con un átomo de carbono adyacente en sus orbitales p no hibridados para dar lugar a los enlaces π. Sin embargo, el benceno no presenta las características típicas de un alqueno. Cada uno de los seis enlaces entre sus átomos de carbono es equivalente y presenta propiedades intermedias entre las de un enlace simple C-C y un doble enlace C = C . Para representar este enlace único, las fórmulas estructurales del benceno y sus derivados se dibujan con enlaces simples entre los átomos de carbono y un círculo dentro del anillo, como se muestra en la . Esta fórmula condensada muestra la estructura de enlace única del benceno. Hay muchos derivados del benceno. Los átomos de hidrógeno pueden sustituirse por muchos sustituyentes diferentes. Los compuestos aromáticos experimentan más fácilmente reacciones de sustitución que de adición; la sustitución de uno de los átomos de hidrógeno por otro sustituyente dejará intactos los dobles enlaces deslocalizados. Los siguientes son ejemplos típicos de derivados bencénicos sustituidos: El tolueno y el xileno son importantes disolventes y materias primas en la industria química. El estireno se utiliza para producir el polímero poliestireno. Estructura de los hidrocarburos aromáticos Aquí se muestra un posible isómero creado por una reacción de sustitución que sustituye un átomo de hidrógeno unido al anillo aromático del tolueno por un átomo de cloro. Dibuje otros dos posibles isómeros en los que el átomo de cloro sustituye a otro átomo de hidrógeno unido al anillo aromático: Solución Dado que el anillo de seis carbonos con dobles enlaces alternados es necesario para que la molécula se clasifique como aromática, los isómeros apropiados se producen únicamente al cambiar las posiciones del sustituyente cloro con respecto al sustituyente metilo: Compruebe lo aprendido Dibuje tres isómeros de un compuesto de anillo aromático de seis miembros sustituido con dos bromos. Respuesta: Conceptos clave y resumen Los enlaces fuertes y estables entre los átomos de carbono producen moléculas complejas que contienen cadenas, ramas y anillos. La química de estos compuestos se denomina química orgánica. Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados únicamente por carbono e hidrógeno. Los alcanos son hidrocarburos saturados, es decir, hidrocarburos que solo contienen enlaces simples. Los alquenos contienen uno o más dobles enlaces carbono-carbono. Los alquinos contienen uno o más triples enlaces carbono-carbono. Los hidrocarburos aromáticos contienen estructuras de anillo con sistemas de electrones π deslocalizados. Ejercicios de química del final del capítulo Escriba la fórmula química y la estructura de Lewis de los siguientes elementos, cada uno de los cuales contiene cinco átomos de carbono: (a) un alcano (b) un alqueno (c) un alquino Hay varias series de respuestas; una es: (a) C 5 H 12 (b) C 5 H 10 (c) C 5 H 8 ¿Cuál es la diferencia entre la hibridación de los orbitales de valencia de los átomos de carbono en los hidrocarburos saturados e insaturados? A nivel microscópico, ¿en qué se diferencia la reacción del bromo con un hidrocarburo saturado de su reacción con un hidrocarburo insaturado? ¿En qué se parecen? Ambas reacciones dan lugar a la incorporación de bromo en la estructura del producto. La diferencia es la forma en que se produce esa incorporación. En el hidrocarburo saturado, se rompe un enlace C-H existente y se puede formar un enlace entre el C y el Br. En el hidrocarburo insaturado, el único enlace roto en el hidrocarburo es el enlace π cuyos electrones pueden utilizarse para formar un enlace con uno de los átomos de bromo del Br 2 (los electrones del enlace Br-Br forman el otro enlace C-Br en el otro carbono que formaba parte del enlace π en el hidrocarburo insaturado de partida). A nivel microscópico, ¿en qué se diferencia la reacción del bromo con un alqueno de su reacción con un alquino? ¿En qué se parecen? Explique por qué los alquenos no ramificados pueden formar isómeros geométricos, mientras que los alcanos no ramificados no. ¿Esta explicación se refiere al ámbito macroscópico o al microscópico? Los alcanos no ramificados tienen rotación libre sobre los enlaces C-C, lo que hace que todas las orientaciones de los sustituyentes sobre estos enlaces sean equivalentes, intercambiables por rotación. En los alquenos no ramificados, la incapacidad de rotar alrededor del enlace C = C da lugar a orientaciones fijas (invariables) de los sustituyentes, lo que permite la existencia de diferentes isómeros. Dado que estos conceptos se refieren a fenómenos a nivel molecular, esta explicación implica el ámbito microscópico. Explique por qué estas dos moléculas no son isómeras: Explique por qué estas dos moléculas no son isómeras: Son el mismo compuesto porque cada uno es un hidrocarburo saturado que contiene una cadena no ramificada de seis átomos de carbono. ¿Cómo cambia la hibridación carbono-átomo cuando se prepara el polietileno a partir del etileno? Escriba la estructura de Lewis y la fórmula molecular de cada uno de los siguientes hidrocarburos: (a) hexano (b) 3-metilpentano (c) cis -3-hexeno (d) 4-metil-1-penteno (e) 3-hexino (f) 4-metil-2-pentino (a) C 6 H 14 (b) C 6 H 14 (c) C 6 H 12 (d) C 6 H 12 (e) C 6 H 10 (f) C 6 H 10 Escriba la fórmula química, la fórmula condensada y la estructura de Lewis de cada uno de los siguientes hidrocarburos: (a) heptano (b) 3-metilhexano (c) trans -3-hepteno (d) 4-metil-1-hexeno (e) 2-heptino (f) 3,4-dimetil-1-pentino Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos: (a) CH 3 CH 2 CBr 2 CH 3 (b) (CH 3 ) 3 CCl (c) (d) CH 3 CH 2 C ≡ CH CH 3 CH 2 C ≡ CH (e) (f) (g) ( CH 3 ) 2 CHCH 2 CH = CH 2 (a) 2,2-dibromobutano; (b) 2-cloro-2-metilpropano; (c) 2-metilbutano; (d) 1-buteno; (e) 4-fluoro-4-metil-1-octano; (f) trans -1-cloropropeno; (g) 4-metil-1-penteno Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos: (a) (CH 3 ) 2 CHF (b) CH 3 CHClCHClCH 3 (c) (d) CH 3 CH 2 CH = CHCH 3 (e) (f) ( CH 3 ) 3 CCH 2 C ≡ CH El butano se utiliza como combustible en los encendedores desechables. Escriba la estructura de Lewis para cada isómero del butano. Escriba las estructuras de Lewis y nombre los cinco isómeros estructurales del hexano. Escriba las estructuras de Lewis para los isómeros cis-trans de CH 3 CH = CHCl. Escriba las estructuras de los tres isómeros del hidrocarburo aromático xileno, C 6 H 4 (CH 3 ) 2 . Isooctano es el nombre común del isómero de C 8 H 18 utilizado como el patrón de 100 para el octanaje de la gasolina: (a) ¿Cuál es el nombre de la IUPAC del compuesto? (b) Designe los otros isómeros que contienen una cadena de cinco carbonos con tres sustituyentes de metilo. (a) 2,2,4-trimetilpentano; (b) 2,2,3-trimetilpentano, 2,3,4-trimetilpentano y 2,3,3-trimetilpentano: Escriba las estructuras de Lewis y los nombres de la IUPAC para los isómeros alquinos de C 4 H 6 . Escriba las estructuras de Lewis y los nombres de la IUPAC de todos los isómeros de C 4 H 9 Cl. Designe y escriba las estructuras de todos los isómeros de los grupos propilo, butilo y alquilo. Escriba las estructuras de todos los isómeros del grupo alquilo –C 5 H 11 . A continuación, se muestra la columna vertebral del carbono y el número apropiado de átomos de hidrógeno en forma condensada: Escriba las estructuras de Lewis y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono de los siguientes compuestos: (a) cis -3-hexeno (b) cis -1-cloro-2-bromoeteno (c) 2-pentino (d) trans - 6 -etil-7-metil-2-octeno El benceno es uno de los compuestos que se utilizan como potenciador del octanaje en la gasolina sin plomo. Se fabrica mediante la conversión catalítica del acetileno en benceno: 3 C 2 H 2 ⟶ C 6 H 6 Dibuje las estructuras de Lewis para estos compuestos, con estructuras de resonancia según corresponda, y determine la hibridación de los átomos de carbono en cada uno. En el acetileno, el enlace utiliza híbridos sp en los átomos de carbono y orbitales s en los átomos de hidrógeno. En el benceno, los átomos de carbono están hibridados sp 2 . El teflón se prepara mediante la polimerización del tetrafluoroetileno. Escriba la ecuación que describe la polimerización mediante los símbolos de Lewis. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) 1 mol de 1-buteno reacciona con 2 mol de yodo. (b) El pentano se quema en el aire. (a) CH ≡ CCH 2 CH 3 + 2 I 2 ⟶ CHI 2 CI 2 CH 2 CH 3 (b) CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 + 8 O 2 ⟶ 5 CO 2 + 6H 2 O Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El 2-buteno reacciona con el cloro. (b) El benceno arde en el aire. ¿Qué masa de 2-bromopropano podría prepararse a partir de 25,5 g de propeno? Suponga un rendimiento del 100 % del producto. 65,2 g El acetileno es un ácido muy débil; sin embargo, reacciona con el óxido de plata(I) húmedo y forma agua y un compuesto de plata y carbono. La adición de una solución de HCl a una muestra de 0,2352 g del compuesto de plata y carbono produjo acetileno y 0,2822 g de AgCl. (a) ¿Cuál es la fórmula empírica del compuesto de plata y carbono? (b) La producción de acetileno al añadir HCl al compuesto de plata y carbono sugiere que el carbono está presente como ion de acetiluro, C 2 2− . Escriba la fórmula del compuesto que muestra el ion de acetiluro. El etileno se produce mediante la pirólisis del etano: C 2 H 6 ⟶ C 2 H 4 + H 2 ¿Cuántos kilogramos de etileno se producen por la pirólisis de 1,000 × 10 3 kg de etano, suponiendo un rendimiento del 100,0 %? 9,328 × 10 2 kg reacción de adición reacción en la que un doble enlace carbono-carbono forma un enlace simple carbono-carbono por adición de un reactivo. Reacción típica de un alqueno. alcano molécula formada únicamente por átomos de carbono e hidrógeno, unidos por enlaces simples (σ) alqueno molécula formada por carbono e hidrógeno que contiene al menos un doble enlace carbono-carbono grupo alquilo sustituto, que consiste en un alcano al que le falta un átomo de hidrógeno, unido a una estructura mayor alquino molécula formada por carbono e hidrógeno que contiene al menos un triple enlace carbono-carbono hidrocarburo aromático molécula cíclica, formada por carbono e hidrógeno con enlaces simples y dobles carbono-carbono deslocalizados, lo que da lugar a una mayor estabilidad grupo funcional parte de una molécula orgánica que confiere una reactividad química específica a la molécula compuesto orgánico compuesto natural o sintético que contiene carbono hidrocarburo saturado molécula que contiene carbono e hidrógeno y que solo tiene enlaces simples entre los átomos de carbono estructura esquelética método abreviado para dibujar moléculas orgánicas en el que los átomos de carbono están representados por los extremos de las líneas y las curvas entre líneas, y los átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono no se muestran (pero se entiende que están presentes por el contexto de la estructura) sustituto rama o grupo funcional que sustituye a los átomos de hidrógeno en una cadena de hidrocarburos mayor reacción de sustitución reacción en la que un átomo sustituye a otro en una molécula

Ciencia


Alcoholes y éteres En esta sección, aprenderemos sobre los alcoholes y los éteres. Alcoholes La incorporación de un átomo de oxígeno en moléculas que contienen carbono e hidrógeno da lugar a nuevos grupos funcionales y nuevas familias de compuestos. Cuando el átomo de oxígeno está unido por enlaces simples, la molécula es un alcohol o un éter. Los alcoholes son derivados de los hidrocarburos en los que un grupo –OH sustituye a un átomo de hidrógeno. Aunque todos los alcoholes tienen uno o más grupos funcionales hidroxilo (–OH), no se comportan como las bases, como el NaOH y el KOH. El NaOH y el KOH son compuestos iónicos que contienen iones de OH - . Los alcoholes son moléculas covalentes; el grupo –OH de una molécula de alcohol está unido a un átomo de carbono mediante un enlace covalente. El etanol, CH 3 CH 2 OH, también llamado alcohol etílico, es un alcohol especialmente importante para el uso humano. El etanol es el alcohol producido por algunas especies de levadura que se encuentra en el vino, la cerveza y las bebidas destiladas. Desde hace tiempo, el ser humano lo prepara aprovechando los esfuerzos metabólicos de las levaduras en la fermentación de diversos azúcares. Se sintetizan grandes cantidades de etanol a partir de la reacción de adición de agua con etileno utilizando un ácido como catalizador. Se pueden fabricar alcoholes que contengan dos o más grupos hidroxilos. Algunos ejemplos son el 1,2-etanodiol (etilenglicol, utilizado en los anticongelantes) y el 1,2,3-propanetriol (glicerina, utilizada como disolvente en cosméticos y medicamentos): Designación de los alcoholes El nombre de un alcohol proviene del hidrocarburo del que deriva. La -e final en el nombre del hidrocarburo se sustituye por -ol , y el átomo de carbono al que se une el grupo–OH se indica con un número que se coloca antes del nombre. La IUPAC adoptó nuevas directrices de nomenclatura en 2013 que exigen que este número se coloque como un "infijo" en lugar de un prefijo. Por ejemplo, el nuevo nombre del 2-propanol sería propan-2-ol. La adopción generalizada de esta nueva nomenclatura llevará algún tiempo, por lo que se recomienda a los estudiantes que se familiaricen con los protocolos de denominación antiguos y nuevos. Designación de los alcoholes Considere el siguiente ejemplo. ¿Cómo debería llamarse? Solución La cadena de carbono contiene cinco átomos de carbono. Si el grupo hidroxilo no estuviera presente, habríamos llamado a esta molécula pentano. Para tener en cuenta el hecho de que el grupo hidroxilo está presente, cambiamos la terminación del nombre a -ol . En este caso, ya que el –OH está unido al carbono 2 de la cadena, llamaríamos a esta molécula 2-pentanol. Compruebe lo aprendido Designe la siguiente molécula: Respuesta: 2-metil-2-pentanol Éteres Los éteres son compuestos que contienen el grupo funcional –O–. Los éteres no tienen ningún sufijo designado como los demás tipos de moléculas que hemos nombrado hasta ahora. En el sistema de la IUPAC, el átomo de oxígeno y la rama de carbono más pequeña se denominan sustituyente alcoxi y el resto de la molécula, cadena base, como en los alcanos. Como se indica en el siguiente compuesto, los símbolos rojos representan el grupo alquilo menor y el átomo de oxígeno, que se denominaría "metoxi". La rama de carbono más grande sería el etano, con lo que la molécula sería metoxietano. Muchos éteres se designan con nombres comunes en lugar de los del sistema de la IUPAC. Para los nombres comunes, las dos ramas conectadas al átomo de oxígeno se designan por separado y van seguidas de "éter". El nombre común del compuesto que aparece en el es etilmetil éter: Designación de los éteres Indique el nombre de la IUPAC y el nombre común del éter que se muestra aquí: Solución IUPAC: La molécula está formada por un grupo etoxi unido a una cadena de etano, por lo que el nombre de la IUPAC sería etoxietano. Común: Los grupos unidos al átomo de oxígeno son ambos grupos etílicos, por lo que el nombre común sería éter dietílico. Compruebe lo aprendido Indique el nombre de la IUPAC y el nombre común del éter indicado: Respuesta: IUPAC: 2-metoxipropano; común: isopropil metil éter Los éteres se obtienen a partir de alcoholes mediante la eliminación de una molécula de agua a partir de dos moléculas del alcohol. Por ejemplo, cuando el etanol se trata con una cantidad limitada de ácido sulfúrico y se calienta a 140 °C, se forma éter dietílico y agua: En la fórmula general de los éteres, R— O —R, los grupos hidrocarburos (R) pueden ser iguales o diferentes. El éter dietílico, el compuesto más utilizado de esta clase, es un líquido incoloro, volátil y muy inflamable. Se utilizó por primera vez en 1846 como anestésico, aunque ahora hay mejores anestésicos que han ocupado su lugar. El éter dietílico y otros éteres se utilizan en la actualidad principalmente como disolventes de gomas, grasas, ceras y resinas. El metil tert -butil éter, C 4 H 9 OCH 3 (abreviado MTBE [las partes en cursiva de los nombres no se tienen en cuenta a la hora de clasificar los grupos alfabéticamente], por lo que el butilo viene después del metilo en el nombre común), se utiliza como aditivo para la gasolina. El MTBE pertenece a un grupo de productos químicos conocidos como oxigenados por su capacidad de aumentar el contenido de oxígeno de la gasolina. ¿Quiere practicar más el nombre de los éteres? Este breve video resume la nomenclatura de los éteres. Hidratos de carbono y diabetes Los carbohidratos son grandes biomoléculas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Las formas dietéticas de los carbohidratos son los alimentos ricos en este tipo de moléculas, como las pastas, el pan y los dulces. El nombre de "carbohidrato" proviene de la fórmula de las moléculas, que se describen mediante la fórmula general C m (H 2 O) n , lo que demuestra que son en cierto sentido "carbono y agua" o "hidratos de carbono". En muchos casos, m y n tienen el mismo valor, aunque pueden ser diferentes. Los hidratos de carbono más pequeños se denominan generalmente "azúcares", el término bioquímico para este grupo de moléculas es "sacárido", de la palabra griega para azúcar ( ). Dependiendo del número de unidades de azúcar unidas, pueden clasificarse como monosacáridos (una unidad de azúcar), disacáridos (dos unidades de azúcar), oligosacáridos (unos cuantos azúcares) o polisacáridos (la versión polimérica de los azúcares: los polímeros se describieron en el recuadro anterior de este capítulo sobre el reciclaje de plásticos). Los nombres científicos de los azúcares se reconocen por el sufijo -osa al final del nombre (por ejemplo, el azúcar de la fruta es un monosacárido llamado "fructosa" y el azúcar de la leche es un disacárido llamado lactosa compuesto, por dos monosacáridos, glucosa y galactosa, unidos entre sí). Los azúcares contienen algunos de los grupos funcionales de los que hemos hablado. Observe los grupos de alcohol presentes en las estructuras y cómo las unidades de monosacáridos se unen para formar un disacárido mediante la formación de un éter. Las ilustraciones muestran las estructuras moleculares de la fructosa, un monosacárido de cinco carbonos, y de la lactosa, un disacárido compuesto por dos azúcares isoméricos de seis carbonos. Los organismos utilizan los hidratos de carbono para diversas funciones. Los carbohidratos almacenan energía, como los polisacáridos glucógeno en los animales o el almidón en las plantas. También proporcionan soporte estructural, como el polisacárido celulosa en las plantas y el polisacárido modificado quitina en los hongos y animales. Los azúcares ribosa y desoxirribosa son componentes de las columnas vertebrales del ARN y el ADN, respectivamente. Otros azúcares desempeñan un papel relevante en la función del sistema inmunitario, en el reconocimiento de células y en muchas otras funciones biológicas. La diabetes es un grupo de enfermedades metabólicas en las que la persona tiene una alta concentración de azúcar en la sangre ( ). La diabetes se debe a la producción insuficiente de insulina en el páncreas o a que las células del organismo no responden adecuadamente a la insulina que se produce. En una persona sana, la insulina se produce cuando se necesita y funciona para transportar la glucosa de la sangre a las células, donde se utiliza para obtener energía. Entre las complicaciones a largo plazo de la diabetes se encuentran la pérdida de la vista, cardiopatías e insuficiencia renal. En 2013, se estimó que aproximadamente el 3,3 % de la población mundial (~380 millones de personas) padecía diabetes, lo que causa más de un millón de muertes al año. La prevención consiste en llevar una dieta saludable, hacer mucho ejercicio y mantener un peso corporal normal. El tratamiento abarca todas estas prácticas de estilo de vida y quizá requiera inyecciones de insulina. Incluso después de que se introdujeran los protocolos de tratamiento, la necesidad de controlar continuamente sus niveles de glucosa suponía un reto para las personas con diabetes. Las primeras pruebas requerían un médico o un laboratorio; por ende, limitaban el acceso y la frecuencia. Con el tiempo, los investigadores desarrollaron pequeñas pastillas que reaccionaban a la presencia de glucosa en la orina, pero estas seguían requiriendo un proceso relativamente complejo. La química Helen Free, que trabajaba en la mejora de las pastillas, concibió un dispositivo más sencillo: una pequeña tira reactiva. Con su marido y socio investigador, Alfred Free, fabricó el primer producto de este tipo para medir la glucosa; poco después, amplió la tecnología para ofrecer tiras reactivas para otros compuestos y afecciones. Aunque los avances más recientes (como las pruebas de alcoholemia, comentadas anteriormente en el texto) demuestran ser prometedores para sustituir a las tiras reactivas, estas se utilizan ampliamente desde hace décadas y siguen siendo un método primordial en la actualidad. La diabetes es una enfermedad que se caracteriza por las altas concentraciones de glucosa en la sangre. El tratamiento de la diabetes implica cambios en el estilo de vida, el control de los niveles de azúcar en sangre y, a veces, inyecciones de insulina (créditos: "Blausen Medical Communications" / Wikimedia Commons). Conceptos clave y resumen Muchos compuestos orgánicos que no son hidrocarburos pueden considerarse derivados. Un derivado de hidrocarburo se forma al sustituir uno o más átomos de hidrógeno de un hidrocarburo por un grupo funcional que contenga al menos un átomo de un elemento distinto al carbono o al hidrógeno. Las propiedades de los derivados de los hidrocarburos se determinan en gran medida por el grupo funcional. El grupo –OH es el grupo funcional de un alcohol. El grupo –R–O–R– es el grupo funcional de un éter. Ejercicios de química del final del capítulo ¿Por qué los compuestos hexano, hexanol y hexeno tienen nombres tan parecidos? Escriba las fórmulas condensadas y proporcione los nombres de la IUPAC de los siguientes compuestos: (a) alcohol etílico (en bebidas) (b) alcohol metílico (utilizado como disolvente, por ejemplo, en la goma laca) (c) etilenglicol (anticongelante) (d) alcohol isopropílico (utilizado para las fricciones) (e) glicerina (a) alcohol etílico, etanol: CH 3 CH 2 OH; (b) alcohol metílico, metanol: CH 3 OH; (c) etilenglicol, etanodiol: HOCH 2 CH 2 OH; (d) alcohol isopropílico, 2-propanol: CH 3 CH(OH)CH 3 ; (e) glicerina, l,2,3-trihidroxipropano: HOCH 2 CH(OH)CH 2 OH Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos: (a) (b) (c) Indique el nombre completo de la IUPAC y el nombre común de cada uno de los siguientes compuestos: (a) (b) (c) (a) 1-etoxibutano, etil butil éter; (b) 1-etoxipropano, etil propil éter; (c) 1-metoxipropano, metil propil éter Escriba las estructuras condensadas de ambos isómeros con la fórmula C 2 H 6 O. Marque el grupo funcional de cada isómero. Escriba las estructuras condensadas de todos los isómeros con la fórmula C 2 H 6 O 2 . Marque el grupo funcional (o los grupos) de cada isómero. HOCH 2 CH 2 OH, dos grupos de alcohol; CH 3 OCH 2 OH, grupos de éter y alcohol. Dibuje las fórmulas condensadas de cada uno de los siguientes compuestos: (a) éter dipropílico (b) 2,2-dimetil-3-hexanol (c) 2-etoxibutano El MTBE, metil tert -butil éter, CH 3 OC(CH 3 ) 3 , se utiliza como fuente de oxígeno en las gasolinas oxigenadas. El MTBE se forma mediante la reacción del 2-metilpropeno con el metanol. (a) Utilizando las estructuras de Lewis, escriba la ecuación química que representa la reacción. (b) ¿Qué volumen de metanol, de densidad 0,7915 g/mL, se necesita para producir exactamente 1.000 kg de MTBE, suponiendo un rendimiento del 100 %? (a) (b) 4,593 × 10 2 L Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) el propanol se convierte en éter dipropílico. (b) el propeno se trata con agua en ácido diluido. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El 2-buteno se trata con agua en ácido diluido. (b) el etanol se deshidrata para producir eteno. (a) CH 3 CH = CHCH 3 + H 2 O ⟶ CH 3 CH 2 CH(OH)CH 3 (b) CH 3 CH 2 OH ⟶ CH 2 = CH 2 + H 2 O alcohol compuesto orgánico con un grupo hidroxilo (–OH) enlazado a un átomo de carbono éter compuesto orgánico con un átomo de oxígeno enlazado a dos átomos de carbono

Ciencia


Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres Otra clase de moléculas orgánicas contiene un átomo de carbono conectado a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace, comúnmente llamado grupo carbonilo. El carbono trigonal plano del grupo carbonilo se une a otros dos sustituyentes para originar varias subfamilias (aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres), las cuales se describen en esta sección. Aldehídos y cetonas Tanto los aldehídos como las cetonas contienen un grupo carbonilo : un grupo funcional con doble enlace carbono-oxígeno. Los nombres de los compuestos aldehídicos y cetónicos se derivan mediante reglas de nomenclatura similares a las de los alcanos y alcoholes, y constan de los sufijos identificadores de clase -al y -ona , respectivamente. En un aldehído, el grupo carbonilo está enlazado al menos a un átomo de hidrógeno. En una cetona, el grupo carbonilo está enlazado a dos átomos de carbono. Como texto, un grupo aldehído se representa como –CHO; la cetona se representa como –C(O)– o –CO–. Tanto en los aldehídos como en las cetonas, la geometría alrededor del átomo de carbono del grupo carbonilo es trigonal plana; el átomo de carbono presenta hibridación sp 2 . Dos de los orbitales sp 2 en el átomo de carbono del grupo carbonilo se utilizan para formar enlaces σ con los demás átomos de carbono o hidrógeno de una molécula. El orbital híbrido sp 2 remanente forma un enlace σ con el átomo de oxígeno. El orbital p no hibridado del átomo de carbono en el grupo carbonilo se superpone con un orbital p del átomo de oxígeno para formar el enlace π en el doble enlace. Al igual que el enlace C = O en el dióxido de carbono, el enlace C = O de un grupo carbonilo es polar (recordemos que el oxígeno es significativamente más electronegativo que el carbono, y los electrones compartidos son atraídos hacia el átomo de oxígeno y alejados del átomo de carbono). Muchas de las reacciones de aldehídos y cetonas comienzan con la reacción entre una base de Lewis y el átomo de carbono del extremo positivo del enlace polar C = O para dar lugar a un intermedio inestable que posteriormente sufre uno o más reajustes estructurales para formar el producto final ( ). El grupo carbonilo es polar y la geometría de los enlaces alrededor del carbono central es trigonal plana. La importancia de la estructura molecular en la reactividad de los compuestos orgánicos se ilustra con las reacciones que producen aldehídos y cetonas. Podemos preparar un grupo carbonilo mediante la oxidación de un alcohol: en las moléculas orgánicas, se dice que la oxidación de un átomo de carbono se produce cuando un enlace carbono-hidrógeno se sustituye por un enlace carbono-oxígeno. La reacción inversa (la sustitución de un enlace carbono-oxígeno por un enlace carbono-hidrógeno) es la reducción de ese átomo de carbono. Recordemos que al oxígeno se le asigna un número de oxidación -2, a menos que sea elemental o esté unido a un flúor. Al hidrógeno se le asigna un número de oxidación de +1, a menos que esté unido a un metal. Dado que el carbono no tiene ninguna regla específica, su número de oxidación se determina algebraicamente mediante la factorización de los átomos a los que está unido y la carga global de la molécula o del ion. En general, un átomo de carbono unido a uno de oxígeno tendrá un número de oxidación más positivo y un átomo de carbono unido a uno de hidrógeno tendrá un número de oxidación más negativo. Esto debería encajar a la perfección con la comprensión que se tenga acerca de la polaridad de los enlaces C–O y C–H. Los otros reactivos y los posibles productos de estas reacciones están fuera del alcance de este capítulo, por lo que nos centraremos apenas en los cambios en los átomos de carbono. Oxidación y reducción en química orgánica El metano representa la forma completamente reducida de una molécula orgánica que contiene un átomo de carbono. La sustitución secuencial de cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno por un enlace carbono-oxígeno daría lugar a un alcohol, luego a un aldehído, después a un ácido carboxílico (del que hablaremos más adelante) y, finalmente, a dióxido de carbono. CH 4 ⟶ CH 3 OH ⟶ CH 2 O ⟶ HCO 2 H ⟶ CO 2 ¿Cuáles son los números de oxidación de los átomos de carbono en las moléculas que se muestran aquí? Solución En este ejemplo, podemos calcular el número de oxidación (revise el capítulo sobre las reacción de reducción-oxidación, de ser necesario) para el átomo de carbono en cada caso (tenga en cuenta que esto se dificultará en el caso de las moléculas más grandes con átomos de carbono y átomos de hidrógeno adicionales, razón por la cual los químicos orgánicos utilizan la definición que trata de reemplazar los enlaces C-H con enlaces C-O). En el caso del CH 4 , el átomo de carbono tiene un número de oxidación de -4 (a los átomos de hidrógeno se les asigna un número de oxidación de +1 y el átomo de carbono lo equilibra con un número de oxidación de -4). En cuanto al alcohol (en este caso, metanol, el átomo de carbono tiene un número de oxidación de -2 (al átomo de oxígeno se le asigna -2, a cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno se le asigna +1, y el átomo de carbono equilibra la suma al tener un número de oxidación de -2. Observe que, en comparación con el átomo de carbono en CH 4 , este ha perdido dos electrones por lo que se ha oxidado). Con respecto al aldehído, el número de oxidación del átomo de carbono es 0 (-2 para el átomo de oxígeno y +1 por cada átomo de hidrógeno que ya se equilibra a 0, por lo que el número de oxidación para el átomo de carbono es 0). En relación con el ácido carboxílico, el número de oxidación del átomo de carbono es +2 (dos átomos de oxígeno, cada uno en -2 y dos átomos de hidrógeno en +1). En lo que se refiere al dióxido de carbono, el número de oxidación del átomo de carbono es +4 (aquí, el átomo de carbono tiene que equilibrar la suma de -4 de los dos átomos de oxígeno). Compruebe lo aprendido Indique si los átomos de carbono marcados en las tres moléculas aquí están oxidados o reducidos en relación con el átomo de carbono marcado en el etanol: En este caso no hace falta calcular los estados de oxidación, sino que basta con comparar los tipos de átomos enlazados a los átomos de carbono marcados. Respuesta: (a) reducido (el enlace al átomo de oxígeno ha sido sustituido por el enlace al átomo de hidrógeno); (b) oxidado (un enlace al átomo de hidrógeno ha sido sustituido por un enlace al átomo de oxígeno); (c) oxidado (2 enlaces a átomos de hidrógeno han sido sustituidos por enlaces a un átomo de oxígeno). Los aldehídos se preparan habitualmente mediante la oxidación de alcoholes, cuyo grupo funcional –OH se sitúa en el átomo de carbono al final de la cadena de átomos de carbono del alcohol: Los alcoholes que tienen sus grupos –OH en el centro de la cadena son necesarios para sintetizar una cetona, lo cual exige que el grupo carbonilo esté enlazado a otros dos átomos de carbono. Un alcohol con su grupo –OH enlazado a un átomo de carbono que no está enlazado a ningún otro átomo de carbono formará un aldehído. Un alcohol con su grupo –OH enlazado a otros dos átomos de carbono formará una cetona. Si hay tres carbonos unidos al carbono enlazado al –OH, la molécula no tendrá ningún enlace C-H que sustituir, por lo que no será susceptible de oxidación. El formaldehído, un aldehído de fórmula HCHO, es un gas incoloro de olor penetrante e irritante. Se vende en una solución acuosa que recibe el nombre de formalina, la cual contiene aproximadamente 37 % de formaldehído en peso. El formaldehído provoca la coagulación de las proteínas, por lo que mata las bacterias (y cualquier otro organismo vivo) y detiene muchos de los procesos biológicos que causan la descomposición de los tejidos. Así, el formaldehído se utiliza para conservar muestras de tejidos y embalsamar cadáveres. También se utiliza para esterilizar la tierra u otros materiales. El formaldehído se emplea en la fabricación de baquelita, un plástico duro de gran resistencia química y eléctrica. La dimetil cetona, CH 3 COCH 3 , mejor conocida como acetona, es la cetona más simple. Se fabrica comercialmente mediante la fermentación de maíz o melaza, o por oxidación del 2-propanol. La acetona es un líquido incoloro. Entre sus múltiples usos se encuentran como disolvente de lacas (incluido el esmalte de uñas), acetato de celulosa, nitrato de celulosa, acetileno, plásticos y barnices; como removedor de pinturas y barnices, y como disolvente en la fabricación de productos farmacéuticos y químicos. Ácidos carboxílicos y ésteres El olor del vinagre se debe a la presencia de ácido acético, un ácido carboxílico, en el vinagre. El olor de los plátanos maduros y de muchas otras frutas se debe a la presencia de ésteres, compuestos que se pueden preparar por la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol. Dado que los ésteres no tienen enlaces de hidrógeno entre las moléculas, tienen presiones de vapor más bajas que los alcoholes y los ácidos carboxílicos de los que derivan (vea la ). Los ésteres son los que dan el olor que se asocia a diversas plantas y sus frutos. Tanto los ácidos carboxílicos como los ésteres contienen un grupo carbonilo con un segundo átomo de oxígeno unido al átomo de carbono del grupo carbonilo mediante un enlace simple. En el ácido carboxílico, el segundo átomo de oxígeno también se une a un átomo de hidrógeno. En un éster, el segundo átomo de oxígeno se une a otro átomo de carbono. Los nombres de los ácidos carboxílicos y los ésteres contienen prefijos que denotan las longitudes de las cadenas de carbono en las moléculas y se derivan conforme a reglas de nomenclatura semejantes a las de los ácidos inorgánicos y las sales (vea estos ejemplos). Los grupos funcionales para un ácido y para un éster se muestran en rojo en estas fórmulas. El átomo de hidrógeno del grupo funcional de un ácido carboxílico reacciona con una base para formar una sal iónica. Los ácidos carboxílicos son débiles (vea el capítulo sobre ácidos y bases), lo que significa que no se ionizan al 100 % en el agua. Por lo general, apenas un 1 % de las moléculas de un ácido carboxílico disuelto en agua se ionizan en un momento dado. Las moléculas restantes no se disocian en la solución. Los ácidos carboxílicos se preparan mediante la oxidación de aldehídos o alcoholes, cuyo grupo funcional –OH está situado en el átomo de carbono del final de la cadena de átomos de carbono del alcohol. Los ésteres se producen por la reacción de los ácidos con los alcoholes. Por ejemplo, el éster acetato de etilo, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 , se forma cuando el ácido acético reacciona con el etanol: El ácido carboxílico más simple es el ácido fórmico, HCO 2 H, conocido desde 1670. Su nombre proviene de la palabra latina formicus , que significa "hormiga"; se aisló por primera vez mediante la destilación de hormigas rojas. Es responsable en parte del dolor y de la irritación que causan las picaduras de hormigas y avispas, y da ese olor característico que a veces se detecta en los hormigueros. El ácido acético, CH 3 CO 2 H, constituye del 3 % al 6 % del vinagre. El vinagre de sidra se produce con la fermentación del zumo de manzana sin la presencia de oxígeno. Las células de levadura presentes en el zumo llevan a cabo las reacciones de fermentación. Las reacciones de fermentación transforman el azúcar presente en el zumo en etanol y luego en ácido acético. El ácido acético puro tiene un olor penetrante y produce quemaduras dolorosas. Es un excelente disolvente para muchos compuestos orgánicos y algunos inorgánicos, y es esencial en la producción de acetato de celulosa, un componente de muchas fibras sintéticas como el rayón. Los olores y sabores distintivos y atractivos de muchas flores, perfumes y frutas maduras se deben a la presencia de uno o más ésteres ( ). Entre los ésteres naturales más importantes se encuentran las grasas (como la manteca de cerdo, el sebo y la mantequilla) y los aceites (como el de linaza, el de algodón y el de oliva), que son ésteres del alcohol glicerol trihidroxilo C 3 H 5 (OH) 3 , con grandes ácidos carboxílicos, tales como el ácido palmítico, CH 3 (CH 2 ) 14 CO 2 H, el ácido esteárico, CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 H, y el ácido oleico, CH 3 ( C H 2 ) 7 CH = CH ( CH 2 ) 7 C O 2 H. El ácido oleico es un ácido insaturado; contiene un doble enlace C = C . Los ácidos palmítico y esteárico son ácidos saturados que no contienen ni dobles ni triples enlaces. Se han identificado más de 350 moléculas volátiles diferentes (muchos miembros de la familia de los ésteres) en las fresas (créditos: Rebecca Siegel). Conceptos clave y resumen Los grupos funcionales relacionados con el grupo carbonilo comprenden el grupo –CHO de un aldehído, el grupo –CO– de una cetona, el grupo–CO 2 H de un ácido carboxílico y el grupo –CO 2 R de un éster. El grupo carbonilo, un doble enlace carbono-oxígeno, es la estructura clave en estas clases de moléculas orgánicas: Los aldehídos contienen al menos un átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono del carbonilo; las cetonas contienen dos grupos de carbono unidos al átomo de carbono del carbonilo; los ácidos carboxílicos contienen un grupo hidroxilo unido al átomo de carbono del carbonilo, y los ésteres contienen un átomo de oxígeno unido a otro grupo de carbono conectado al átomo de carbono del carbonilo. Todos estos compuestos contienen átomos de carbono oxidados en relación con el átomo de carbono de un grupo de alcohol. Ejercicios de química del final del capítulo Ordene las siguientes moléculas de menor a mayor oxidación, con base en el átomo de carbono marcado: Prediga los productos de la oxidación de las moléculas que se señalan en este problema. En cada caso, identifique el producto que resultará del mínimo aumento del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado. (a) (b) (c) (a) (b) (c) Prediga los productos de la reducción de las siguientes moléculas. En cada caso, identifique el producto que resultará de la mínima disminución del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado: (a) (b) (c) Explique por qué no es posible preparar una cetona que contenga solamente dos átomos de carbono. Una cetona contiene un grupo unido a dos átomos de carbono adicionales; por lo tanto, tiene que haber un mínimo de tres átomos de carbono. ¿Cómo cambia la hibridación del átomo de carbono sustituido cuando un alcohol se convierte en un aldehído? ¿Un aldehído a un ácido carboxílico? Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos que tienen largas cadenas de hidrocarburos unidas a un grupo carboxilato. ¿En qué se diferencia el ácido graso saturado del insaturado? ¿En qué se parecen? Dado que ambos son ácidos carboxílicos, cada uno contiene el grupo funcional –COOH y sus características. La diferencia es que la cadena de hidrocarburos de un ácido graso saturado no contiene dobles ni triples enlaces, mientras que la cadena de hidrocarburos de un ácido graso insaturado contiene uno o más enlaces múltiples. Escriba una fórmula estructural condensada, como CH 3 CH 3 , y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono. (a) propeno (b) 1-butanol (c) etil propil éter (d) cis -4-bromo-2-hepteno (e) 2,2,3-trimetilhexano (f) formaldehído Escriba una fórmula estructural condensada, como CH 3 CH 3 , y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono. (a) 2-propanol (b) acetona (c) dimetil éter (d) ácido acético (e) 3-metil-1-hexeno (a) CH 3 CH(OH)CH 3 : todos los carbonos son tetraédricos; (b) CH 3 C O CH 3 : los carbonos de los extremos son tetraédricos y el carbono central es trigonal plano; (c) CH 3 OCH 3 : todos son tetraédricos; (d) CH 3 COOH: el carbono metilo es tetraédrico y el carbono ácido es trigonal plano; (e) CH 3 CH 2 CH 2 CH(CH 3 )CHCH 2 : todos son tetraédricos, salvo por los dos carbonos de la derecha, que son trigonal planos. El ácido butírico, CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H, causa el hedor de la mantequilla rancia. (a) Dibuje la estructura de Lewis y determine el número de oxidación y la hibridación por cada átomo de carbono de la molécula. (b) Los ésteres formados a partir del ácido butírico son compuestos de olor agradable que se encuentran en las frutas y se utilizan en los perfumes. Dibuje la estructura de Lewis para el éster formado a partir de la reacción del ácido butírico con el 2-propanol. Escriba las estructuras de dos resonancias para el ion de acetato. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El etanol reacciona con el ácido propiónico. (b) Se añade ácido benzoico, C 6 H 5 CO 2 H, a una solución de hidróxido de sodio. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El 1-butanol reacciona con el ácido acético. (b) Se vierte ácido propiónico sobre carbonato cálcico sólido. (a) CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH + CH 3 C ( O ) OH ⟶ CH 3 C ( O ) OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 + H 2 O: (b) 2 CH 3 CH 2 COOH + CaCO 3 ⟶ ( CH 3 CH 2 COO ) 2 Ca + CO 2 + H 2 O: Los rendimientos en las reacciones orgánicas a veces son bajos. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de un proceso que produce 13,0 g de acetato de etilo a partir de 10,0 g de H 3 CO 2 H? Los alcoholes A, B y C tienen todos la composición C 4 H 10 O. Las moléculas de alcohol A contienen una cadena de carbono ramificada y pueden oxidarse a un aldehído; las moléculas de alcohol B contienen una cadena de carbono lineal y pueden oxidarse a una cetona, y las moléculas de alcohol C no pueden oxidarse ni a un aldehído ni a una cetona. Escriba las estructuras de Lewis de estas moléculas. aldehído compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo unido a dos átomos de hidrógeno o a un átomo de hidrógeno y a un sustituto del carbono grupo carbonilo átomo de carbono doblemente enlazado a un átomo de oxígeno ácido carboxílico compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un grupo hidroxilo unido éster compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un átomo de oxígeno unido enlazado a un sustituyente del carbono cetona compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con dos sustituyentes de carbono unidos a este

Ciencia


Aminas y amidas Las aminas son moléculas que contienen enlaces carbono-nitrógeno. El átomo de nitrógeno de una amina tiene un par solitario de electrones y tres enlaces con otros átomos, ya sean de carbono o de hidrógeno. Se utilizan varias nomenclaturas para derivar los nombres de las aminas, pero todas implican el sufijo identificador de clase -ina , como se ilustra aquí en algunos ejemplos sencillos: En algunas aminas, el átomo de nitrógeno sustituye a un átomo de carbono en un hidrocarburo aromático. La piridina ( ) es una de estas aminas heterocíclicas. Un compuesto heterocíclico contiene átomos de dos o más elementos diferentes en su estructura de anillo. La ilustración exhibe una de las estructuras de resonancia de la piridina. El ADN en la medicina forense y la paternidad El material genético de todos los seres vivos es un polímero de cuatro moléculas diferentes, que a su vez son una combinación de tres subunidades. La información genética, el código para desarrollar un organismo, está contenida en la secuencia específica de las cuatro moléculas, de forma similar a como se secuencian las letras del alfabeto para formar palabras que transmiten información. La información de una secuencia de ADN se utiliza para formar otros dos tipos de polímeros, uno de los cuales son las proteínas. Las proteínas interactúan para formar un tipo específico de organismo con características individuales. La molécula genética recibe el nombre de ADN, que significa ácido desoxirribonucleico. Las cuatro moléculas que componen el ADN se denominan nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una molécula de uno o dos anillos que contiene nitrógeno, carbono, oxígeno e hidrógeno, designada como base nitrogenada. Cada base está enlazada a un azúcar de cinco carbonos, que recibe el nombre de desoxirribosa. El azúcar está a su vez enlazado a un grupo fosfato ( -PO 4 3− ) Cuando se forma un nuevo ADN, se produce una reacción de polimerización que une el grupo fosfato de un nucleótido con el grupo azúcar de otro nucleótido. Las bases nitrogenadas de cada nucleótido sobresalen de esta columna vertebral de azúcar-fosfato. En realidad, el ADN está formado por dos polímeros de este tipo enrollados uno alrededor del otro y unidos por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Así, las dos columnas vertebrales están en el exterior del par de filamentos enrollados, y las bases están en el interior. La forma de las dos hebras enrolladas una alrededor de la otra se denomina doble hélice (vea la ). Probablemente tenga sentido que la secuencia de nucleótidos en el ADN de un gato sea diferente a la de un perro. No obstante, también es cierto que las secuencias del ADN en las células de dos pugs individuales difieren. Del mismo modo, las secuencias de ADN en usted y en un hermano difieren (a no ser que su hermano sea un gemelo idéntico), al igual que las que existen entre usted y un individuo no emparentado. Sin embargo, las secuencias de ADN de dos parientes son más similares que las secuencias de dos individuos no emparentados, y estas similitudes en la secuencia se observan de varias maneras. Este es el principio en el que se basa la huella de ADN, que es un método utilizado para determinar si dos muestras de ADN proceden de individuos emparentados (o del mismo) o de individuos no emparentados. El ADN es una molécula orgánica y el material genético de todos los organismos vivos. (a) El ADN es una doble hélice formada por dos hebras simples de ADN unidas por enlaces de hidrógeno en cada base nitrogenada. (b) Este detalle muestra los enlaces de hidrógeno (líneas punteadas) entre las bases nitrogenadas de cada hebra de ADN y la forma en que cada nucleótido se une al siguiente, para formar una columna vertebral de azúcares y grupos fosfato a lo largo de cada hebra. (c) Este detalle muestra la estructura de uno de los cuatro nucleótidos que componen el polímero de ADN. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada (una molécula de doble anillo, en este caso), un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Gracias a las similitudes de las secuencias, los técnicos pueden determinar si un hombre es el padre de un niño (la identidad de la madre rara vez está en duda, salvo en el caso de un niño adoptado y una posible madre biológica). Asimismo, los genetistas forenses pueden determinar si una muestra de tejido humano del lugar del delito, como sangre o células de la piel, contiene ADN que coincide exactamente con el de un sospechoso. Vea este video de animación sobre cómo se empaqueta el ADN para obtener una lección visual sobre su estructura. Al igual que el amoníaco, las aminas son bases débiles debido al par solitario de electrones de sus átomos de nitrógeno. La alcalinidad del átomo de nitrógeno de una amina desempeña una función importante en gran parte de la química del compuesto. Los grupos funcionales de las aminas se encuentran en una gran variedad de compuestos, como tintes naturales y sintéticos, polímeros, vitaminas y medicamentos como la penicilina y la codeína. También se encuentran en muchas moléculas esenciales para la vida, como los aminoácidos, las hormonas, los neurotransmisores y el ADN. Alcaloides adictivos Desde la antigüedad, las plantas se han utilizado con fines medicinales. Se ha aislado una clase de sustancias, llamadas alcaloides , que se encuentran en muchas de estas plantas y que contienen moléculas cíclicas con un grupo funcional de amina. Estas aminas son bases. Pueden reaccionar con H 3 O + en un ácido diluido para formar una sal de amonio, y esta propiedad se utiliza para extraerlos de la planta: R 3 N + H 3 O + + Cl – ⟶ [ R 3 NH + ] Cl – + H 2 O El nombre alcaloide significa "como un álcali". Por lo tanto, un alcaloide reacciona con el ácido. El compuesto libre se recupera tras la extracción por reacción con una base: [ R 3 NH + ] Cl – + OH – ⟶ R 3 N + H 2 O + Cl – Las estructuras de muchos alcaloides naturales tienen profundos efectos fisiológicos y psicotrópicos en los seres humanos. Algunos ejemplos de estas drogas son la nicotina, la morfina, la codeína y la heroína. La planta produce estas sustancias, llamadas conjuntamente compuestos vegetales secundarios, como defensas químicas contra las numerosas plagas que intentan alimentarse de las plantas. En estos diagramas, como es habitual en la representación de estructuras de grandes compuestos orgánicos, se han omitido los átomos de carbono de los anillos y los átomos de hidrógeno enlazados a ellos para mayor claridad. Las cuñas sólidas indican enlaces que se extienden fuera de la página. Las cuñas discontinuas indican los enlaces que se extienden dentro de la página. Observe que pequeños cambios en una parte de la molécula modifican las propiedades de la morfina, la codeína y la heroína. La morfina, un potente narcótico que se utiliza para aliviar el dolor, contiene dos grupos funcionales hidroxilo, situados en la parte inferior de la molécula en esta fórmula estructural. Al cambiar uno de estos grupos hidroxilos por un grupo éter metílico se forma la codeína, un fármaco menos potente, que se emplea como anestesia local. Si ambos grupos hidroxilos se convierten en ésteres del ácido acético, se obtiene la heroína, una droga poderosamente adictiva ( ). La amapola se utiliza en la producción de opio, un látex vegetal que contiene morfina a partir de la cual pueden sintetizarse otros opiáceos, como la heroína (créditos: Karen Roe). Las amidas son moléculas que contienen átomos de nitrógeno conectados al átomo de carbono de un grupo carbonilo. Al igual que las aminas, se pueden utilizar varias reglas de nomenclatura para designar las amidas, pero todas incluyen el uso del sufijo específico de la clase -amida : Las amidas se producen cuando los ácidos carboxílicos reaccionan con aminas o amoníaco en un proceso que recibe el nombre de amidación. Se elimina una molécula de agua de la reacción, y la amida se forma a partir de los trozos restantes del ácido carboxílico y la amina (observe la similitud con la formación de un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol que se analizó en la sección anterior). La reacción entre las aminas y los ácidos carboxílicos para formar amidas es importante biológicamente. Es a través de esta reacción que los aminoácidos (moléculas que contienen sustituciones de amina y ácido carboxílico) se unen en un polímero para formar proteínas. Proteínas y enzimas Las proteínas son grandes moléculas biológicas formadas por largas cadenas de moléculas más pequeñas que reciben el nombre de aminoácidos. Los organismos dependen de las proteínas para una gran variedad de funciones: las proteínas transportan moléculas a través de las membranas celulares, replican el ADN y catalizan las reacciones metabólicas, por nombrar tan solo algunas de sus funciones. Las propiedades de las proteínas son funciones de la combinación de aminoácidos que las componen y varían mucho. Las interacciones entre las secuencias de aminoácidos en las cadenas de las proteínas dan lugar al plegado de la cadena en estructuras tridimensionales específicas que determinan la actividad de la proteína. Los aminoácidos son moléculas orgánicas que contienen un grupo funcional amina (–NH 2 ), un grupo funcional ácido carboxílico (–COOH) y una cadena lateral (que es específica de cada aminoácido). La mayoría de los seres vivos construyen proteínas a partir de los mismos 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos se conectan mediante la formación de un enlace peptídico, que es un enlace covalente que se forma entre dos aminoácidos cuando el grupo del ácido carboxílico de un aminoácido reacciona con el grupo amino del otro aminoácido. La formación del enlace da lugar a la producción de una molécula de agua (en general, las reacciones que dan lugar a la producción de agua cuando se combinan otras dos moléculas se denominan reacciones de condensación). El enlace resultante entre el átomo de carbono del grupo carbonilo y el átomo de nitrógeno de la amina se denomina vínculo o enlace peptídico. Dado que cada uno de los aminoácidos originales tiene un grupo sin reaccionar (uno tiene una amina y el otro un ácido carboxílico), se pueden formar más enlaces peptídicos con otros aminoácidos, lo que amplía la estructura. ( ) Una cadena de aminoácidos conectados se denomina polipéptido. Las proteínas contienen al menos una cadena polipeptídica larga. Esta reacción de condensación forma un dipéptido a partir de dos aminoácidos y conduce a la formación de agua. Las enzimas son grandes moléculas biológicas, compuestas en su mayoría por proteínas, que son responsables de los miles de procesos metabólicos que tienen lugar en los organismos vivos. Las enzimas son catalizadores muy específicos que aceleran la velocidad de ciertas reacciones. Las enzimas funcionan al reducir la energía de activación de la reacción que catalizan, lo que puede aumentar drásticamente la velocidad de la reacción. La mayoría de las reacciones catalizadas por las enzimas son millones de veces más rápidas que la versión no catalizada. Al igual que todos los catalizadores, las enzimas no se consumen durante las reacciones que catalizan. Las enzimas se diferencian de otros catalizadores por su especificidad con respecto a sus sustratos (las moléculas que una enzima convertirá en un producto diferente). Cada enzima es capaz únicamente de acelerar una o unas pocas reacciones o tipos de reacciones muy específicas. Dado que la función de las enzimas es tan específica, la falta o el mal funcionamiento de una enzima tendría graves consecuencias para la salud. Una enfermedad que es el resultado del mal funcionamiento de las enzimas es la fenilcetonuria. En esta enfermedad, la enzima que cataliza el primer paso en la degradación del aminoácido fenilalanina no es funcional ( ). Si no se trata, puede producirse una acumulación de fenilalanina, que daría lugar a discapacidad intelectual. Una representación computarizada muestra la estructura tridimensional de la enzima fenilalanina hidroxilasa. En la enfermedad fenilcetonuria, un defecto en la forma de la fenilalanina hidroxilasa hace que esta pierda su función de descomponer la fenilalanina. Kevlar El Kevlar ( ) es un polímero sintético que se forma a partir de dos monómeros 1,4-fenileno-diamina y cloruro de tereftaloilo (Kevlar es una marca registrada de DuPont). Susan Kwolek desarrolló el material mientras trabajaba para encontrar un sustituto del acero en los neumáticos. El trabajo de Kwolek consistía en sintetizar poliamidas y disolverlas en solventes, para luego centrifugar la solución resultante y convertirla en fibras. Una de sus soluciones resultó ser bastante diferente en apariencia y estructura inicial. Una vez centrifugada, las fibras resultantes eran especialmente resistentes. A partir de este descubrimiento inicial, se creó el Kevlar. El material tiene un alto cociente de fuerza de tracción-peso (es unas 5 veces más fuerte que un peso igual de acero), lo que lo hace útil para muchas aplicaciones: desde neumáticos de bicicleta a velas o blindajes corporales. Esta ilustración muestra la fórmula del Kevlar polimérico. El material debe gran parte de su resistencia a los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de polímeros (vea el capítulo sobre las interacciones intermoleculares). Estos enlaces se forman entre el átomo de oxígeno del grupo carbonilo (que tiene una carga negativa parcial debido a la electronegatividad del oxígeno) en un monómero y el átomo de hidrógeno parcialmente cargado positivamente en el enlace N-H de un monómero adyacente en la estructura del polímero (vea la línea discontinua en la ). Existe una fuerza adicional derivada de la interacción entre los orbitales p no hibridados en los anillos de seis elementos, denominada apilamiento aromático. El diagrama muestra la estructura polimérica del Kevlar, con los enlaces de hidrógeno entre las cadenas poliméricas representados por líneas de puntos. El Kevlar es más conocido como componente de los chalecos antibalas, cascos de combate y mascarillas. Desde la década de 1980, el ejército estadounidense utiliza el Kevlar como componente del casco y del chaleco del sistema de blindaje personal para tropas terrestres (Personal Armor System for Ground Troops, PASGT). El Kevlar también se utiliza para proteger vehículos de combate blindados y portaaviones. Las aplicaciones civiles abarcan los equipos de protección para el personal de los servicios de emergencia, como el chaleco antibalas para los policías y la ropa resistente al calor para los bomberos. La ropa a base de Kevlar es muchísimo más ligera y fina que el equipo equivalente fabricado con otros materiales ( ). Además del Kevlar, Susan Kwolek contribuyó al desarrollo del Nomex, un material ignífugo, y también participó en la creación de la Licra. Fue la cuarta mujer en ingresar en el Salón Nacional de la Fama de Inventores y recibió otros premios por sus importantes contribuciones a la ciencia y la sociedad. (a) Estos soldados clasifican los trozos de un casco de Kevlar que absorbió la explosión de una granada. Igualmente, el Kevlar se utiliza para fabricar (b) canoas y (c) cabos marinos de amarre (créditos: a: modificación del trabajo de "Cla68"/Wikimedia Commons; b: modificación del trabajo de "OakleyOriginals"/Flickr; c: modificación del trabajo de Casey H. Kyhl). Además de sus usos más conocidos, el Kevlar se emplea a menudo en criogenia por su bajísima conductividad térmica (junto con su alta resistencia). El Kevlar mantiene su alta resistencia cuando se enfría a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 °C). En esta tabla se resumen las estructuras analizadas en este capítulo. Conceptos clave y resumen La adición de nitrógeno en un marco orgánico da lugar a dos familias de moléculas. Los compuestos que contienen un átomo de nitrógeno enlazado en una estructura de hidrocarburo se clasifican como aminas. Los compuestos que tienen un átomo de nitrógeno enlazado a un lado de un grupo carbonilo se clasifican como amidas. Las aminas son un grupo funcional básico. Las aminas y los ácidos carboxílicos se combinan en una reacción de condensación para formar amidas. Ejercicios de química del final del capítulo Escriba las estructuras de Lewis de ambos isómeros con la fórmula C 2 H 7 N. ¿Cuál es la estructura molecular del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio, (CH 3 ) 3 NH + ? ¿Cuál es la hibridación del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio? Trimetil amina: piramidal trigonal, sp 3 ; ion de trimetil amonio: tetraédrico, sp 3 Escriba las dos estructuras de resonancia para el ion de piridinio, C 5 H 5 NH + . Dibuje las estructuras de Lewis para la piridina y su ácido conjugado, el ion de piridinio, C 5 H 5 NH + . ¿Cuáles son las hibridaciones, las geometrías de dominios de electrones y las geometrías moleculares de los átomos de nitrógeno en la piridina y en el ion de piridinio? Escriba las estructuras de Lewis de todos los isómeros con la fórmula C 3 H 7 ON que contienen un enlace amida. Escriba dos ecuaciones balanceadas completas para la siguiente reacción: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. Se añade amina de metilo a una solución de HCl. CH 3 NH 2 + H 3 O + ⟶ CH 3 NH 3 + + H 2 O Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. Se añade cloruro de etilamonio a una solución de hidróxido de sodio. Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio de hibridación durante las reacciones en el . CH 3 C H = C HCH 3 ( sp 2 ) + Cl ⟶ CH 3 C H(Cl)H(Cl)CH 3 ( sp 3 ); 2 C 6 H 6 ( sp 2 ) + 15O 2 ⟶ 12 C O 2 ( sp ) + 6H 2 O Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el . Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el . El carbono en CO 3 2- , inicialmente en sp 2 , cambia de hibridación a sp en CO 2 . amina molécula orgánica en la que un átomo de nitrógeno está unido a uno o más grupos alquilos amida molécula orgánica que presenta un átomo de nitrógeno conectado al átomo de carbono en un grupo carbonilo

Ciencia