Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación El comportamiento de los compuestos de coordinación no puede explicarse adecuadamente con las mismas teorías que se utilizan para la química de los elementos del grupo principal. Las geometrías observadas de los complejos de coordinación no concuerdan con los orbitales hibridados en el metal central que se solapan con los orbitales del ligando, como predeciría la teoría del enlace de valencia. Los colores observados indican que los orbitales d se encuentran a menudo en diferentes niveles de energía en lugar de ser todos degenerados, es decir, de igual energía, como los tres orbitales p . Para explicar las estabilidades, estructuras, colores y propiedades magnéticas de los complejos de metales de transición, se ha elaborado un modelo de enlace diferente. Al igual que la teoría del enlace de valencia explica muchos aspectos del enlace en la química del grupo principal, la teoría del campo cristalino sirve para comprender y predecir el comportamiento de los complejos de metales de transición. Teoría del campo cristalino Para explicar el comportamiento observado de los complejos de metales de transición (por ejemplo, cómo surgen los colores), se ha elaborado un modelo que implica interacciones electrostáticas entre los electrones de los ligandos y los electrones de los orbitales d no hibridados del átomo metálico central. Este modelo electrostático es la teoría del campo cristalino (TCC). Nos permite comprender, interpretar y predecir los colores, el comportamiento magnético y algunas estructuras de los compuestos de coordinación de los metales de transición. La TCC se enfoca en los electrones no enlazados en el ion metálico central de los complejos de coordinación y no en los enlaces metal-ligando. Al igual que la teoría del enlace de valencia, la TCC apenas cuenta una parte del comportamiento de los complejos. Sin embargo, ahonda en la parte que la teoría de los enlaces de valencia no aborda. En su forma pura, la TCC desestima cualquier enlace covalente entre los ligandos y los iones metálicos. Tanto el ligando como el metal se tratan como cargas puntuales infinitesimales. Todos los electrones son negativos, por lo que los electrones donados por los ligandos repelerán los electrones del metal central. Consideremos el comportamiento de los electrones en los orbitales d no hibridados en un complejo octaédrico. Los cinco orbitales d consisten en regiones con forma de lóbulo y están dispuestos en el espacio, como se muestra en la . En un complejo octaédrico, los seis ligandos se coordinan a lo largo de los ejes. Aquí se muestran las características direccionales de los cinco orbitales d . Las partes sombreadas indican la fase de los orbitales. Los ligandos (L) se coordinan a lo largo de los ejes. Para mayor claridad, los ligandos se han omitido en el orbital d x 2 – y 2 para poder mostrar las etiquetas de los ejes. En un ion metálico no complejo en fase gaseosa, los electrones se distribuyen entre los cinco orbitales d de acuerdo con la regla de Hund, ya que los orbitales tienen todos la misma energía. Sin embargo, cuando los ligandos se coordinan con un ion metálico, las energías de los orbitales d ya no son las mismas. En los complejos octaédricos, los lóbulos de dos de los cinco orbitales d , los orbitales d z 2 y d x 2 – y 2 apuntan hacia los ligandos ( ). Estos dos orbitales se denominan orbitales e g (el símbolo en realidad se refiere a la simetría de los orbitales, pero lo utilizaremos como un nombre conveniente para estos dos orbitales en un complejo octaédrico). Los otros tres orbitales, d xy , d xz y d yz , tienen lóbulos que apuntan entre los ligandos y se denominan orbitales t 2 g (de nuevo, el símbolo se refiere realmente a la simetría de los orbitales). A medida que seis ligandos se acercan al ion metálico a lo largo de los ejes del octaedro, sus cargas puntuales repelen los electrones de los orbitales d del ion metálico. Sin embargo, las repulsiones entre los electrones de los orbitales e g (los orbitales d z 2 y d x 2 – y 2 ) y los ligandos son mayores que las repulsiones entre los electrones de los orbitales t 2 g (los orbitales d zy , d xz , y d yz ) y los ligandos. Esto se debe a que los lóbulos de los orbitales e g apuntan directamente a los ligandos, mientras que los lóbulos de los orbitales t 2 g apuntan entre ellos. Así, los electrones de los orbitales e g del ion metálico en un complejo octaédrico tienen energías potenciales más altas que las de los electrones de los orbitales t 2 g . La diferencia de energía puede representarse como se indica en la . En los complejos octaédricos, los orbitales e g están desestabilizados (con mayor energía) en comparación con los orbitales t 2g porque los ligandos interactúan más fuertemente con los orbitales d a los que apuntan directamente. La diferencia de energía entre los orbitales e g y los orbitales t 2 g recibe el nombre de desdoblamiento del campo cristalino y se simboliza Δ oct , donde oct significa octaédrico. La magnitud de Δ oct t depende de muchos factores, como la naturaleza de los seis ligandos situados alrededor del ion metálico central, la carga del metal y si el metal utiliza orbitales 3 d , 4 d , o 5 d . Diferentes ligandos producen diferentes desdoblamientos del campo cristalino. El desdoblamiento creciente del campo cristalino que causan los ligandos se expresa en la serie espectroquímica , de la que aquí se ofrece una versión abreviada: → algunos ligandos de la serie espectroquímica, en orden de intensidad de campo creciente del ligando I – < Br – < Cl – < F – < H 2 O < C 2 O 4 2− < NH 3 < e n < NO 2 – < CN – En esta serie, los ligandos de la izquierda provocan pequeños desdoblamientos del campo cristalino y son ligandos de campo débil , mientras que los de la derecha provocan desdoblamientos mayores y son ligandos de campo fuerte . Así, el valor de Δ oct para un complejo octaédrico con ligandos yodados (I - ) es mucho menor que el valor de Δ oct para el mismo metal con ligandos cianurados (CN - ). Los electrones en los orbitales d siguen el principio de Aufbau (“construcción”), el cual establece que los orbitales se llenarán para dar la menor energía total, igual que en la química del grupo principal. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, las cargas similares se repelen. La energía necesaria para emparejar dos electrones en un mismo orbital se denomina energía de apareamiento (P) . Los electrones siempre ocuparán individualmente cada orbital en un conjunto degenerado antes de aparearse. P tiene una magnitud semejante a la de Δ oct . Cuando los electrones llenan los orbitales d , las magnitudes relativas de Δ oct y P determinan qué orbitales estarán ocupados. En [Fe(CN) 6 ] 4- , el fuerte campo de seis ligandos de cianuro produce un gran Δ oct . En estas condiciones, los electrones necesitan menos energía para aparearse que para ser estimulados a los orbitales e g (Δ oct > P). Los seis electrones 3 d del ion Fe 2+ se aparean en los tres orbitales t 2 g ( ). Los complejos en los que los electrones se aparean debido al gran desdoblamiento del campo cristalino se denominan complejos de bajo espín porque el número de electrones desapareados (espines) es mínimo. Los complejos de hierro(II) tienen seis electrones en los orbitales 5 d . En ausencia de un campo cristalino, los orbitales se degeneran. En los complejos de coordinación con ligandos de campo fuerte como [Fe(CN) 6 ] 4- , Δ oct es mayor que P, y los electrones se emparejan en los orbitales t 2 g de menor energía antes de ocupar los orbitales eg . Con ligandos de campo débil como el H 2 O, el desdoblamiento del campo del ligando es menor que la energía de apareamiento, Δ oct menor que P, por lo que los electrones ocupan todos los orbitales d de forma individual antes de que se produzca cualquier apareamiento. En cambio, en [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ , el campo débil de las moléculas de agua produce apenas un pequeño desdoblamiento del campo cristalino (Δ oct < P). Dado que se requiere menos energía para que los electrones ocupen los orbitales e g que para aparearse, habrá un electrón en cada uno de los cinco orbitales 3 d antes de que se produzca el apareamiento. En cuanto a los seis electrones d en el centro del hierro(II) en [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ , habrá un par de electrones y cuatro electrones desapareados ( ). Los complejos como el ion [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ , en los que los electrones están desapareados porque el desdoblamiento del campo cristalino no es lo suficientemente grande como para que se apareen, se denominan complejos de alto espín porque el número de electrones desapareados (espines) es máximo. Un razonamiento similar muestra por qué el ion [Fe(CN) 6 ] 3- es un complejo de bajo espín con un solo electrón desapareado, mientras que los iones [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ y [FeF 6 ] 3- son complejos de alto espín con cinco electrones desapareados. Complejos de alto y bajo espín Prediga el número de electrones desapareados. (a) K 3 [CrI 6 ] (b) [Cu(en) 2 (H 2 O) 2 ]Cl 2 (c) Na 3 [Co(NO 2 ) 6 ] Solución Los complejos son octaédricos. (a) Cr 3+ tiene una configuración d 3 . Estos electrones estarán todos sin aparear. (b) El Cu 2+ es d 9 , por lo que habrá un electrón no apareado. (c) El Co 3+ tiene electrones de valencia d 6 , por lo que el desdoblamiento del campo cristalino determinará cuántos están emparejados. El nitrito es un ligando de campo fuerte, por lo que el complejo será de bajo espín. Seis electrones irán en los orbitales t 2 g , con 0 desapareados. Compruebe lo aprendido El tamaño del desdoblamiento del campo cristalino influye únicamente en la disposición de los electrones cuando hay que elegir entre aparear electrones o llenar los orbitales de mayor energía. ¿En cuáles configuraciones de electrones d habrá una diferencia entre las configuraciones de alto y bajo espín en los complejos octaédricos? Respuesta: d 4 , d 5 , d 6 y d 7 TCC en otras geometrías La TCC se aplica a moléculas con geometrías distintas a la octaédrica. En los complejos octaédricos, recuerde que los lóbulos del conjunto e g apuntan directamente a los ligandos. En los complejos tetraédricos, los orbitales d permanecen en su lugar, pero ahora solamente tenemos cuatro ligandos situados entre los ejes ( ). Ninguno de los orbitales apunta directamente a los ligandos tetraédricos. Sin embargo, el conjunto e g (a lo largo de los ejes cartesianos) se superpone menos con los ligandos que el conjunto t 2 g . Por analogía con el caso octaédrico, prediga el diagrama de energía para los orbitales d en un campo cristalino tetraédrico. Para evitar confusiones, el conjunto octaédrico e g se convierte en un conjunto tetraédrico e , y el conjunto octaédrico t 2 g se convierte en un conjunto t 2 . Este diagrama muestra la orientación de los ligandos tetraédricos con respecto al sistema de ejes para los orbitales. Solución Dado que la TCC se basa en la repulsión electrostática, los orbitales más cercanos a los ligandos se desestabilizan y aumentan su energía en relación con el otro conjunto de orbitales. El desdoblamiento es menor que en los complejos octaédricos porque la superposición es menor, por lo que Δ tet suele ser pequeño ( Δ tet = 4 9 Δ oct ) : Compruebe lo aprendido Explique cuántos electrones desapareados tendrán un ion tetraédrico d 4 . Respuesta: 4; dado que Δ tet es pequeño, todos los complejos tetraédricos son de alto espín y los electrones entran en los orbitales t 2 antes de aparearse. La otra geometría común es la cuadrada plana. Es posible considerar una geometría cuadrada plana como una estructura octaédrica con un par de ligandos trans eliminados. Se supone que los ligandos eliminados están en el eje z . Esto cambia la distribución de los orbitales d , ya que los orbitales en o cerca del eje z se vuelven más estables, y los que están en o cerca de los ejes x o y se vuelven menos estables. Esto hace que los conjuntos octaédricos t 2 g y e g se desdoblen y den lugar a un patrón más complicado, como se representa a continuación: Momentos magnéticos de moléculas e iones Las pruebas experimentales de las mediciones magnéticas apoyan la teoría de los complejos de alto y bajo espín. Recuerde que las moléculas como el O 2 que contienen electrones desapareados son paramagnéticas. Las sustancias paramagnéticas son atraídas a los campos magnéticos. Muchos complejos de metales de transición tienen electrones desapareados y, por ende, son paramagnéticos. Las moléculas como el N 2 y los iones como Na + y [Fe(CN) 6 ] 4- , que no contienen electrones desapareados son diamagnéticos. Las sustancias diamagnéticas tienen una ligera tendencia a ser repelidas por los campos magnéticos. Cuando un electrón de un átomo o de un ion está desapareado, el momento magnético debido a su espín hace que todo el átomo o el ion sea paramagnético. El tamaño del momento magnético de un sistema que contiene electrones desapareados está relacionado directamente con el número de dichos electrones: cuanto mayor sea el número de electrones desapareados, mayor será el momento magnético. Por lo tanto, el momento magnético observado se utiliza para determinar el número de electrones desapareados que están presentes. El momento magnético medido del d 6 [Fe(CN) 6 ] 4- de bajo espín confirma que el hierro es diamagnético, mientras que el d 6 [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ de alto espín tiene cuatro electrones desapareados con un momento magnético que confirma esta disposición. Colores de los complejos de metales de transición Cuando los átomos o las moléculas absorben la luz a la frecuencia adecuada, sus electrones se estimulan a orbitales de mayor energía. En muchos átomos y moléculas del grupo principal, los fotones absorbidos se encuentran en el rango ultravioleta del espectro electromagnético, que no detecta el ojo humano. En el caso de los compuestos de coordinación, la diferencia de energía entre los orbitales d permite absorber fotones en el rango visible. El ojo humano percibe una mezcla de todos los colores, en las proporciones presentes en la luz solar, como luz blanca. Los colores complementarios, los que están situados uno frente al otro en la paleta de colores, también se utilizan en la visión del color. El ojo percibe una mezcla de dos colores complementarios, en las proporciones adecuadas, como luz blanca. Asimismo, cuando falta un color en la luz blanca, el ojo ve su complemento. Por ejemplo, cuando la luz blanca absorbe los fotones rojos, los ojos ven el color verde. Cuando se eliminan los fotones violetas de la luz blanca, los ojos ven el amarillo limón. El color azul del ion [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ se debe a que este absorbe la luz naranja y roja, y quedan los colores complementarios azul y verde ( ). (a) Un objeto es negro si absorbe todos los colores de la luz. Si refleja todos los colores de la luz, es blanco. Un objeto tiene color si absorbe todos los colores excepto uno, como esta franja amarilla. La franja también aparece de color amarillo si absorbe el color complementario de la luz blanca (en este caso, el índigo). (b) Los colores complementarios se sitúan justo enfrente uno del otro en la rueda de colores. (c) Una solución de iones [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ absorbe la luz roja y naranja, por lo que la luz transmitida aparece como el color complementario, el azul. Colores de los complejos El complejo octaédrico [Ti(H 2 O) 6 ] 3+ tiene un solo electrón d . Para estimular este electrón desde el orbital t 2 g hasta el orbital e g , este complejo absorbe la luz de 450 a 600 nm. La absorbencia máxima corresponde a Δ oct y se produce a 499 nm. Calcule el valor de Δ oct en julios y prediga de qué color será la solución. Solución Utilizando la ecuación de Planck (vea la sección sobre la energía electromagnética), calculamos: v = c λ así que 3,00 × 10 8 m/s 499 nm × 1 m 10 9 nm = 6,01 × 10 14 Hz E = h ν así que 6,63 × 10 -34 J · s × 6,01 × 10 14 Hz = 3,99 × 10 -19 julios/ion Dado que el complejo absorbe de 600 nm (naranja) a 450 (azul), las longitudes de onda índigo, violeta y roja se transmitirán, y el complejo aparecerá de color púrpura. Compruebe lo aprendido Un complejo que parece verde, ¿absorbe fotones de qué longitudes de onda? Respuesta: roja, 620 a 800 nm Pequeños cambios en las energías relativas de los orbitales entre los que transitan los electrones pueden provocar cambios drásticos en el color de la luz absorbida. Por consiguiente, los colores de los compuestos de coordinación dependen de muchos factores. Como se muestra en la , distintos iones metálicos acuosos pueden tener diferentes colores. Además, distintos estados de oxidación de un metal pueden producir diferentes colores, como se muestra en el caso de los complejos de vanadio en el siguiente enlace. Los orbitales d de los iones estables de Cr 3+ ( aq ), Fe 3+ ( aq ) y Co 2+ ( aq ), parcialmente llenos, (izquierda, centro y derecha, respectivamente) emiten colores variados (créditos: Sahar Atwa). Los ligandos específicos coordinados al centro metálico también influyen en el color de los complejos de coordinación. Por ejemplo, el complejo de hierro(II) [Fe(H 2 O) 6 ]SO 4 luce de color azul-verde porque el complejo de alto espín absorbe los fotones en las longitudes de onda del rojo ( ). En cambio, el complejo de hierro(II) de bajo espín K 4 [Fe(CN) 6 ] luce de color amarillo pálido porque absorbe fotones violetas de mayor energía. Tanto (a) el sulfato de hexaaquairón (II) como (b) el hexacianoferrato(II) de potasio contienen centros metálicos octaédricos de hierro(II) d 6 , pero absorben fotones en diferentes rangos del espectro visible. Vea este video sobre la reducción de complejos de vanadio para observar el colorido efecto del cambio en los estados de oxidación. En general, los ligandos de campo fuerte causan un gran desdoblamiento en las energías de los orbitales d del átomo metálico central (Δ oct ). Los compuestos de coordinación de metales de transición con estos ligandos son de color amarillo, naranja o rojo porque absorben la luz violeta o azul de mayor energía. Por su parte, los compuestos de coordinación de los metales de transición con ligandos de campo débil son de color verde azulado, azul o índigo porque absorben la luz amarilla, naranja o roja de menor energía. Un compuesto de coordinación del ion de Cu + tiene una configuración d 10 , y todos los orbitales e g están llenos. Para estimular un electrón a un nivel superior, como el orbital 4 p , se necesitan fotones de muy alta energía. Esta energía corresponde a longitudes de onda muy cortas en la región ultravioleta del espectro. No se absorbe la luz visible, por lo que el ojo no ve ningún cambio, y el compuesto luce blanco o incoloro. Una solución con [Cu(CN) 2 ] - , por ejemplo, es incolora. Adicionalmente, los complejos octaédricos de Cu 2+ tienen una vacante en los orbitales e g , y los electrones pueden excitarse a este nivel. La longitud de onda (energía) de la luz absorbida corresponde a la parte visible del espectro, y los complejos de Cu 2+ son casi siempre de color azul, azul-verde-violeta o amarillo ( ). Aunque la TCC describe con éxito muchas propiedades de los complejos de coordinación, se requieren explicaciones de los orbitales moleculares (más allá del alcance introductorio que se ofrece aquí) para comprender plenamente el comportamiento de los complejos de coordinación. (a) Los complejos de cobre(I) con configuraciones d 10 , como el CuI, tienden a ser incoloros, mientras que (b) los complejos de cobre(II) con configuraciones d 9 , como el Cu(NO 3 ) 2 ·5H 2 O, son de color brillante. Conceptos clave y resumen La teoría del campo cristalino trata las interacciones entre los electrones del metal y los ligandos como un simple efecto electrostático. La presencia de los ligandos cerca del ion metálico cambia las energías de los orbitales d del metal en relación con sus energías en el ion libre. Tanto el color como las propiedades magnéticas de un complejo pueden atribuirse a este desdoblamiento del campo cristalino. La magnitud del desdoblamiento (Δ oct ) depende de la naturaleza de los ligandos unidos al metal. Los ligandos de campo fuerte producen un gran desdoblamiento y favorecen los complejos de bajo espín, en los que los orbitales t 2 g se llenan completamente antes de que ningún electrón ocupe los orbitales e g . Los ligandos de campo débil favorecen la formación de complejos de alto espín. Los orbitales t 2 g y e g están ocupados individualmente antes que cualquiera sea doblemente ocupado. Ejercicios de química del final del capítulo Determine el número de electrones desapareados que se prevén para [Fe(NO 2 ) 6 ] 3- y para [FeF 6 ] 3- en términos de la teoría del campo cristalino. Dibuje los diagramas de campo cristalino para [Fe(NO 2 ) 6 ] 4- y [FeF 6 ] 3- . Indique si cada complejo es de alto o bajo espín, paramagnético o diamagnético, y compare Δ oct con P para cada complejo. Indique el estado de oxidación del metal, el número de electrones d y el número de electrones desapareados que se prevén para [Co(NH 3 ) 6 ]Cl 3 . El sólido anhidro CoCl 2 es de color azul. Dado que absorbe fácilmente el agua del aire, se utiliza como indicador de humedad para controlar si un equipo (como un teléfono móvil) ha estado expuesto a niveles excesivos de humedad. Prediga qué producto se forma en esta reacción y cuántos electrones desapareados tendrá este complejo. [Co(H 2 O) 6 ]Cl 2 con tres electrones desapareados. ¿Es posible que el complejo de un metal de la serie de transición tenga seis electrones desapareados? Explique. ¿Cuántos electrones desapareados hay en cada uno de los siguientes? (a) [CoF 6 ] 3- (alto espín) (b) [Mn(CN) 6 ] 3- (bajo espín) (c) [Mn(CN) 6 ] 4- (bajo espín) (d) [MnCl 6 ] 4- (alto espín) (e) [RhCl 6 ] 3- (bajo espín) (a) 4; (b) 2; (c) 1; (d) 5; (e) 0 Explique cómo el ion de difosfato, [O 3 P−O−PO 3 ] 4- , puede funcionar como un ablandador de agua que impide la precipitación del Fe 2+ como sal de hierro insoluble. En los complejos del mismo ion metálico sin cambio de número de oxidación, la estabilidad aumenta a medida que aumenta el número de electrones en los orbitales t 2 g . ¿Qué complejo de cada uno de los siguientes pares de complejos es más estable? (a) [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ o [Fe(CN) 6 ] 4- (b) [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ o [CoF 6 ] 3- (c) [Mn(CN) 6 ] 4- o [MnCl 6 ] 4- (a) [Fe(CN) 6 ] 4- ; (b) [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ ; (c) [Mn(CN) 6 ] 4- El trimetilfosfino, P(CH 3 ) 3 , actúa como ligando al donar el par solitario de electrones del átomo de fósforo. Si se añade trimetilfosfina a una solución de cloruro de níquel(II) en acetona, se puede aislar un compuesto azul que tiene una masa molecular de aproximadamente 270 g y que contiene 21,5 % de Ni, 26,0 % de Cl y 52,5 % de P(CH 3 ) 3 . Este compuesto azul no tiene formas isoméricas. ¿Cuál es la geometría y la fórmula molecular del compuesto azul? ¿Espera que el complejo [Co(en) 3 ]Cl 3 tenga algún electrón desapareado? ¿Hay isómeros? El complejo carece de electrones desapareados. El complejo no tiene ningún isómero geométrico, pero la imagen especular no es superpuesta, por lo que tiene un isómero óptico. ¿Prevé que el Mg 3 [Cr(CN) 6 ] 2 sea diamagnético o paramagnético? Explique su razonamiento. ¿Prevé que las sales del ion oro(I), Au + , sean de color? Explique. No. Au + tiene un subnivel 5 d completo. [CuCl 4 ] 2- es verde. [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ es azul. ¿Cuál absorbe los fotones de mayor energía? ¿Cuál se predice que tiene mayor desdoblamiento del campo cristalino? desdoblamiento del campo cristalino (Δ oct ) diferencia de energía entre los conjuntos de orbitales t 2 g y e g o t y e teoría del campo cristalino modelo que explica las energías de los orbitales en los metales de transición en términos de interacciones electrostáticas con los ligandos, pero que no incluye el enlace de los ligandos metálicos por ejemplo, los orbitales conjunto de dos orbitales d orientados en los ejes cartesianos para los complejos de coordinación; en los complejos octaédricos, tienen mayor energía que los orbitales t 2 g isómeros geométricos isómeros que difieren en la forma en que los átomos se orientan en el espacio unos respecto a otros, lo que da lugar a diferentes propiedades físicas y químicas complejo de alto espín complejo en el que los electrones maximizan el espín total del electrón al poblar todos y cada uno de los orbitales antes de emparejar dos electrones en los orbitales de menor energía complejo de bajo espín complejo en el que los electrones minimizan el espín total del electrón al emparejarse en los orbitales de menor energía antes de poblar los orbitales de mayor energía energía de apareamiento (P) energía necesaria para colocar dos electrones con espines opuestos en un mismo orbital serie espectroquímica clasificación de los ligandos según la magnitud inducida del desdoblamiento del campo cristalino ligando de campo fuerte ligando que provoca mayor desdoblamiento del campo cristalino orbitales t 2 g conjunto de tres orbitales d alineados entre los ejes cartesianos en los complejos de coordinación; en los complejos octaédricos, tienen una energía inferior a la de los orbitales e g según la TCC ligando de campo débil ligando que provoca pequeños desdoblamientos del campo cristalino

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Introducción Todos los compuestos orgánicos contienen carbono y la mayoría están formados por seres vivos, aunque también se forman por procesos geológicos y artificiales (créditos izquierda: modificación de la obra de Jon Sullivan; créditos izquierda centro: modificación de la obra de Deb Tremper; créditos derecha centro: modificación de la obra de "annszyp" / Wikimedia Commons; créditos derecha: modificación de la obra de George Shuklin). Todos los seres vivos de la Tierra están formados principalmente por compuestos de carbono. La prevalencia de los compuestos de carbono en los seres vivos ha dado lugar al epíteto de vida "basada en el carbono". La verdad es que no conocemos otro tipo de vida. Los primeros químicos consideraban que las sustancias aisladas de los organismos (plantas y animales) eran un tipo distinto de materia que no podía sintetizarse artificialmente, por lo que estas sustancias se conocían como compuestos orgánicos . La creencia generalizada, denominada vitalismo, sostenía que los compuestos orgánicos estaban formados por una fuerza vital presente solo en los organismos vivos. El químico alemán Friedrich Wohler fue uno de los primeros en refutar este aspecto del vitalismo, cuando, en 1828, informó acerca de la síntesis de la urea, un componente de muchos fluidos corporales, a partir de materiales no vivos. Desde entonces, se ha reconocido que las moléculas orgánicas obedecen a las mismas leyes naturales que las sustancias inorgánicas, y la categoría de compuestos orgánicos ha evolucionado para incluir tanto los compuestos naturales como los sintéticos que contienen carbono. Algunos compuestos que contienen carbono no se clasifican como orgánicos, por ejemplo, los carbonatos y cianuros, y los óxidos simples, como el CO y el CO 2 . Aunque el gremio químico aún no ha dado ninguna definición única y precisa, la mayoría coincide en que un rasgo definitorio de las moléculas orgánicas es la presencia de carbono como elemento principal, unido a hidrógeno y a otros átomos de carbono. En la actualidad, los compuestos orgánicos son elementos fundamentales de plásticos, jabones, perfumes, edulcorantes, tejidos, productos farmacéuticos y muchas otras sustancias que utilizamos a diario. El valor que tienen para nosotros los compuestos orgánicos hace que la química orgánica sea una disciplina importante dentro del campo general de la química. En este capítulo, analizamos por qué el elemento carbono da lugar a un gran número y variedad de compuestos, cómo se clasifican esos compuestos y el papel de los compuestos orgánicos en entornos biológicos e industriales representativos.

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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

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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

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