QUIMICA ORGANICA

Química orgánica básica La química orgánica es el estudio de los compuestos de carbono. Los átomos de carbono son únicos en su habilidad de formar cadenas muy estables y anillos, y de combinarse con otros elementos tales como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Entender la química orgánica es esencial para comprender las bases moleculares de la química de la vida: la BIOQUÍMICA

GENERALIDADES Las diferencias principales entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos, se deben a variaciones en la composición, el tipo de enlaces y las polaridades moleculares

Símbolos y estructuras Los átomos está típicamente ligados por enlaces covalentes fuertes en los cuales los diferentes átomos comparten pares de electrones. Debido a que el carbono tiene 4 electrones en su órbita más externa, puede formar enlaces compartiéndolos como en el caso del metano: CH4. C

Tetrahedro La forma molecular es esencial para comprender los fenómenos que se presentan al nivel molecular de la vida Tetrahedro

Capacidades de combinación Las valencias con la cuales otros elementos encontrados en los compuestos orgánicos de las células vivas son: Hidrógeno = 1 Oxígeno = 2 Nitrógeno = 3 Azufre = 2 Fósforo = 5

Algunas características estructurales de los compuestos orgánicos Las moléculas orgánicas pueden tener cadenas lineales o ramificadas, ser cadenas abiertas o cíclicas, saturadas o insaturadas, y ser carbocíclicos o heterocíclicos

Enlaces sencillos, saturados Enlaces dobles o triples, insaturados Muchas moléculas orgánicas contienen anillos de átomos de carbono

Un anillo de carbono es una estructura de tres o más átomos de carbono que forman un ciclo cerrado: compuestos cíclicos Si sólo contienen cabono: carbocíclicos No todos los átomos tienen que ser de carbono; pueden ser de O, N ó S: heterocíclicos

Los anillos de los compuestos cíclicos se pueden condensar en polígonos simples. (Se sobreentiende la forma de enlazar los carbonos)

H—C—C—H se convierte en CH3 —CH3 ó HC3 —CH3 Las fórmulas estructurales condensadas reducen el volumen con poco sacrificio de la información H H | | H—C—C—H se convierte en CH3 —CH3 ó HC3 —CH3 Es posible “sobreentender” incluso a la mayoría de los enlaces sencillos. CH3CHCH2CH2CH3 | CH3

En ocasiones se usan paréntesis para condensar más las estructuras. CH3CHCH2CH2CH3 (CH3)2CHCH2CH3 | CH3 CH3 CH3 | | CH3CCH2CHCH3 (CH3)3CCH2CH(CH3)2 | CH3

Grupos funcionales El estudio de la química orgánica se organiza alrededor de los grupos funcionales. Son los fragmentos moleculares que incluyen átomos de no metales distintos al C y al H, o que poseen enlaces dobles o triples, son los sitios específicos de los compuestos orgánicos que atacan más frecuentemente otras sustancias químicas.

Cada grupo funcional define una familia orgánica Aunque se conocen más de seis millones de compuestos orgánicos, sólo hay un puñado de grupos funcionales, y cada uno define una familia de esos compuestos

Los principales grupos funcionales encontrados en los organismos vivos son los siguientes: Grupos alquilo alifáticos Grupos hidroxi Grupos amino Grupos carbonilo Grupos carboxilo Hemiacetales Acetales

HIDROCARBUROS SATURADOS

HIDROCARBUROS Compuestos por átomos de sólo dos elementos: carbono e hidrógeno Los enlaces covalentes entre los átomos de carbono pueden ser sencillos, dobles o triples. Los esqueletos de carbono pueden ser cadenas o anillos

Clasificación de hidrocarburos Alcanos: Hidrocarburos saturados, con enlaces sencillos únicamente, pueden ser de cadena abierta o cerrada Alquenos: Hidrocarburos con uno o más enlaces dobles carbono-carbono, ya sea en esqueletos lineales o cíclicos Alquinos: Hidrocarburos con uno o más enlaces triples

Hidrocarburos (contienen sólo carbono e hidrógeno) Alifáticos (cíclicos y acíclicos) Aromáticos (anillo bencénico) Benceno y sus derivados Polinucleares Alcanos (parafinas) Alquenos (olefinas) Alquinos (acetilenos) CH3CH3 ETANO CH2=CH2 ETENO CH CH ETINO Ejemplos

Alcanos y cicloalcanos Hidrocarburos saturados Los compuestos alifáticos de cualquier familia, son aquellos que no poseen anillos bencénicos y los aromáticos son lo que lo poseen. Todos los hidrocarburos, saturados o no, poseen propiedades físicas comunes.

Son insolubles en agua por su baja polaridad. Los que poseen de uno a cuatro carbonos por molécula, en general son gases a temperatura ambiente. Los de 5 a 16 átomos de carbono son líquidos a temperatura ambiente Mayor a esto, son sólidos cerosos.

Nomenclatura Se determina cuál es la cadena continua de átomos de carbono más larga de la estructura que es la cadena principal para la nomenclatura. Se agrega un prefijo en –ano que especifique el número de átomos de carbono en la cadena principal.

Los prefijos, hasta C-10, son los siguientes: met- 1 C hex- 6 C et- 2 C hept- 7 C prop- 3 C oct- 8 C but- 4 C non- 9 C pent- 5 C dec- 10 C En el caso de los cicloalcanos, la aplicación es así: Ciclopropano, ciclobutano, ciclohexano, etc. TERMINACIÓN-ano

4. Se asignan números a cada carbono de la cadena principal, comenzando por el extremo que permita dar a la localización de la primera ramificación, el menor de dos números posibles. 5. Se determina el nombre correcto de cada ramificación (o de cualquier otro átomo o grupo). 5a. Cualquier ramificación formada sólo de carbono e hidrógeno que nada más posea enlaces sencillos se llama grupo alquilo; los nombres de todos estos grupos terminan en –ilo, y se pueden considerar como un alcano con un hidrógeno de menos.

6. Se agrega como prefijo el nombre del grupo alquilo, u otro sustituyente, con el número de la localización de éste, antes del nombre final. Se separa al número del nombre con un guión. 7. En caso de que haya dos o más grupos unidos a la cadena principal, se nombra a cada uno y se le localiza con un número. La nomenclatura IUPAC siempre usa guiones para separar a los números de las palabras , y ordena los nombres de los grupos alquilo en secuencia alfabética dentro del nombre definitivo.

8. Cuando existen dos o más sustituyentes idénticos, se utilizan prefijos como di- (para dos), tri- (para tres), tetra (para cuatro), etc.; y se especifica el número de localización de cada grupo. Los números se separan siempre con una coma. 9. Cuando existen grupos idénticos en el mismo carbono, se repite el número de éste en el nombre.

10. Para nombrar un cicloalcano, se coloca el prefijo ciclo antes del nombre del alcano de cadena abierta que posea el mismo número de átomos de carbono que el anillo. 11. Cuando es necesario, se numeran los átomos del anillo con el 1 en la posición de éste que posee un sustituyente y se sigue la dirección en la cual el siguiente sustituyente está más cercano al carbono 1.

Propiedades químicas de los alcanos Combustión= CO2 + H2O Halogenación= Reacciones de sustitución

Combustión de alcanos Todos los hidrocarburos son capaces de quemarse y a partir de ciertas mezclas de alcanos se obtiene energía CH3CH2CH3 + 5O2 3CO2 + 4H2O Se desprenden 531 kcal/mol de propano

Halogenación de alcanos El metano, etano y otros alcanos, reaccionan con los primeros tres miembros de la familia de halógenos: fluoruro, cloruro y bromuro. No reaccionan apreciablemente con el yoduro. La reacción general puede expresarse como sigue: R-H + X2 R-X+ HX Donde X= F,Cl, Br.

HIDROCARBUROS INSATURADOS

Nomenclatura de alquenos Se utiliza la terminación –eno para todos los alquenos y cicloalquenos. Como prefijo a esta terminación, se cuenta el número de átomos de carbono en la secuencia más larga que incluya el enlace doble. A continuación, se utiliza el mismo prefijo que se aplicaría si el compuesto fuera saturado.

Para alquenos de cadena abierta, se numera la cadena principal a partir del extremo que proporcione el número menor al primer carbono del enlace doble a alcanzar. Esta regla da precedencia a la numeración del enlace doble sobre la localización del primer sustituyente en la cadena principal.

4. Para los cicloalquenos, siempre hay que dar la posición 1 a uno de los carbonos del enlace doble. Para decidir cuál es el carbono que obtiene este número, hay que numerar los átomos del anillo del carbono 1 a través del enlace doble, en aquella dirección que llegue primero a un sustituyente.

Propiedades químicas de los alquenos Reacciones de adición El enlace doble carbono-carbono adiciona H2, Cl2,HX, H2SO4 y H2O y es atacado por agentes oxidantes fuertes. El hidrógeno se une a un enlace doble y lo satura. El efecto neto de la hidrogenación se presenta al nivel molecular de la vida.

El cloro y el bromo también se adicionan a los enlaces dobles El cloruro de hidrógeno, el bromuro de hidrógeno (compuestos tipo HX, “asimétricos”) y el ácido sulfúrico se adicionan fácilmente a los enlaces dobles.

El agua se adiciona al enlace doble para producir alcoholes El agua se adiciona al enlace doble para producir alcoholes. Esto ocurre en presencia de un catalizador (ácido o una enzima apropiada).

El enlace doble carbono-carbono hace que la molécula sea suceptible al ataque de agentes oxidantes fuertes. Los productos de oxidación pueden ser cetonas, ácidos carboxílicos, dióxido de carbono o mezclas de ellos. (Los alcanos son inertes a los agentes oxidantes).

Alquinos: hidrocarburos insaturados con triples ligaduras. Nomenclatura: terminación en –ino. Las localizaciones de los grupos sustituyentes de los alquinos ramificados y los alquinos sustituidos también se indican mediante números.

Reacciones de alquinos: Debido a que el enlace triple posee uniones semejantes al enlace doble, los alquinos dan los mismos tipos de reacción de adición de los alquenos.

El anillo bencénico y propiedades aromáticas El anillo bencénico sufre reacciones de sustitución en lugar de adición, a pesar de su alto grado de insaturación Nomenclatura: Los nombres de varios de los bencenos monosustituidos son directos. El sustituyente se indica por un prefijo a la palabra benceno. Por ejemplo: nitrobenceno, fluorobenceno, clorobenceno.

1,3,5-tribromobenceno clorobenceno etilbenceno

Orto, meta y para son los términos para las relaciones 1,2-, 1,3- y 1,4-. Por ejemplo: o-diclorobenceno, m-diclorobenceno, p-diclorobenceno.

Grupos hidroxi: -OH, cuando está unido a una cadena hidrocarbonada produce un compuesto llamado alcohol. Se nombran con el sufijo –ol Etanol: CH3CH2OH Los carbohidratos tienen múltiples grupos –OH: El grupo –OH le confiere su solubilidad en agua, por la formación de puentes de hidrógeno. 3,6,7-Trimetil-4-nonanol

Grupos amino: -NH2. Estos compuestos producen aminas Grupos amino: -NH2. Estos compuestos producen aminas. Provienen de la sustitución parcial o total de los hidrógenos del amoniaco, NH3 . Se nombran con el sufijo –amina (alquil-aminas) El grupo es hidrofílico y reactivo, y los hidrógenos pueden ser reemplazados por otros grupos. Propilamina Ciclohexilamina

Los primeros tienen el grupo –C=O H Grupo carbonilo: -C=O. Es uno de los más importantes y reactivos, tanto en células como en química orgánica en general. Existen dos tipos principales de compuestos carbonílicos: Los primeros tienen el grupo –C=O H Las cetonas tienen un grupo en lugar de H, es decir se encontrarán en medio de una cadena hidrocarbonada Aldehídos y cetonas 2-metilpropanal 3-hexanona

Grupo carboxilo: -COOH ó –C=O OH El término proviene de la combinación carbo- por carbonilo, y –xilo por hidroxilo. Para nombrarlos se utiliza el sufijo –oico Ejemplos: HCOOH ácido metanoico CH3COOH ácido etanoico CH3CH2COOH ácido propanoico

Derivados de los ácidos carboxílicos R-C-Cl Acil ( o ácido) cloruro O R-C-O-C-R Anhídrido ácido O O R-C-O-R’ Éster O R-C N Nitrilo R-CO-NH-R’ Amida

Reglas de prioridad para nomenclatura Alquilo Triple enlace Doble enlace Amina Alcohol Cetona Aldehído Amida Haluros Acido carboxílico

Hemiacetales: Se forman de la reacción de un aldehído o una cetona con un alcohol. Acetales: Se forman de la rección de un hemiacetal con otra molécula de alcohol Estos grupos son particularmente importantes en química de carbohidratos.

H OH OR’’ R-C=O R-C-OR’ R-C-OR’ H R’-OH R’-OH HEMIACETAL ACETAL

Isomerismo SUBDIVISIÓN DE ISÓMEROS ISÓMEROS Isómeros constitucionales (DIFERENTES COMPUESTOS CON LA MISMA FÓRMULA MOLECULAR) Isómeros constitucionales Estereoisómeros Enantiómeros Diastereómeros Epímeros Anómeros

Isómeros constitucionales: Isómeros cuyos átomos tienen una conectividad diferente Estereoisomeros: Isómeros que tienen la misma conectividad pero que difieren en el arreglo de sus átomos en el espacio Enantiómeros: Estereoisómeros que no se superponen y son imágenes en el espejo.

Ejemplos Isómeros constitucionales Fórmula molecular Isómero C4H10 CH3CH2CH2CH3 CH3 Butano CH3CHCH3 Isobutano C3H7Cl CH3CH2CH2Cl CH3CHCH3 1-Cloropropano Cl 2-Cloropropano

Ejemplos Estereoisómeros

Ejemplos Enantiómeros

Diastereómeros: Estereoisómeros que no son imágenes en el espejo Epímeros: Difieren en la composición de un solo carbono quiral Anómero: Difieren en la configuración del carbono hemiacetálico

Ejemplos Diastereoisómeros Epímeros

Anómeros