La Química Orgánica
¿Qué es la química orgánica?
La química orgánica es la química del carbono y de sus compuestos.
Importancia de la química orgánica
Los seres vivos estamos formados por moléculas orgánicas, proteínas, ácidos nucleicos, azúcares y grasas. Todos ellos son compuestos cuya base principal es el carbono. Los productos orgánicos están presentes en todos los aspectos de nuestra vida: la ropa que vestimos, los jabones, champús, desodorantes, medicinas, perfumes, utensilios de cocina, la comida, etc.
Desarrollo sostenible y la química orgánica
Los productos orgánicos han mejorado nuestra calidad y esperanza de vida. En ciertos casos, han contaminado el medio ambiente, causado lesiones, enfermedades e incluso la muerte a los seres humanos.
¿Cómo se construyen las moléculas?
La parte más importante de la química orgánica es la síntesis de moléculas. Los compuestos que contienen carbono se denominaron originalmente orgánicos porque se creía que existían únicamente en los seres vivos.
Grupos funcionales en química orgánica
Comienza con el estudio de los alcanos, los compuestos más simples de la química orgánica, formados sólo por carbono e hidrógeno. Se describe su nomenclatura, propiedades físicas y reactividad. Después se estudian los cicloalcanos, especialmente el ciclohexano. En el tema de estereoisomería se consideran las distintas formas espaciales que los compuestos pueden adoptar y las relaciones que existen entre ellos. Continuamos el estudio de la química orgánica con dos reacciones básicas: sustitución y eliminación, que son la base para la obtención de gran parte de los compuestos orgánicos. A partir de este punto se describen los principales tipos de compuestos orgánicos clasificados según su reactividad: alquenos, alquinos, alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, benceno, ácidos carboxílicos, haluros de alcanoilo, anhídridos, ésteres, nitrilos, amidas, aminas........
Biografías en química orgánica
En este apartado encontrarás biografías de los científicos que más contribuyeron al desarrollo de la química orgánica, Victor Grignard, George Wittig, Diels - Alder, Friedel - Crafts.
Modelos moleculares
Los modelos moleculares permiten visualizar la molécula en el espacio, girarla, pulsar sobre un átomo e identificarlo en la barra de estado del explorador.
Compuestos orgánicos importantes
Existen multitud de compuestos orgánicos con gran influencia sobre nuestras vidas: colesterol, nicotina, cafeína, etc. En este punto se describen las propiedades y aplicaciones de estas moléculas orgánicas, así como sus modelos moleculares.
Alcanos
Tipos de alcanos
Los alcanos son hidrocarburos (formados por carbono e hidrógeno) que solo contienen enlaces simples carbono-carbono. Se clasifican en lineales, ramificados cíclicos y policíclicos.
Nomenclatura de alcanos
Los alcanos se nombran terminando en -ano el prefijo que indica el número de carbonos de la molécula (metano, etano, propano...)
Propiedades físicas de los alcanos
Los puntos de fusión y ebullición de alcanos son bajos y aumentan a medida que crece el número de carbonos debido a interacciones entre moléculas por fuerzas de London. Los alcanos lineales tienen puntos de ebullición más elevados que sus isómeros ramificados.
Isómeros conformacionales
Los alcanos no son rígidos debido al giro alrededor del enlace C-C. Se llaman conformaciones a las múltiples formas creadas por estas rotaciones.
Proyección de Newman
La energía de las diferentes conformaciones puede verse en las proyecciones de Newman. Así en el caso del etano la conformación eclipsada es la de mayor energía, debido a las repulsiones entre hidrógenos.
Diagramas de energía potencial
Las diferentes conformaciones de los alcanos se puede representar en un diagrama de energía potencial donde podemos ver que conformación es más estable (mínima energía) y la energía necesaria para pasar de unas conformaciones a otras.
Combustión de alcanos
Dada su escasa reactividad los alcanos también se denominan parafinas. Las reacciones más importantes de este grupo de compuestos son las halogenaciones radicalarias y la combustión. La combustión es la combinación del hidrocarburo con oxígeno, para formar dióxido de carbono y agua.
Alquenos
Nomenclatura de alquenos
Los alquenos presentan isomería cis/trans. En alquenos tri y tetrasustituidos se utiliza la notación Z/E.
Estructura del doble enlace
Los alquenos son planos con carbonos de hibridación sp2. El doble enlace está formado por un enlace σ que se consigue por solapamiento de híbridos sp2 y un enlace π que se logra por solapamiento del par de orbitales p perpendiculares al plano de la molécula.
Estabilidad del doble enlace
Los dobles enlaces se estabilizan por hiperconjugación, de modo que un alqueno es tanto más estable cuantos más sustituyentes partan de los carbonos sp2.
Síntesis de alquenos
Los alquenos se obtienen mediante reacciones de eliminación a partir de haloalcanos y mediante deshidratación de alcoholes.
Reacciones de alquenos
Los alquenos adicionan gran variedad de reactivos al doble enlace. Así, reaccionan con los ácidos de los halógenos, agua en medio ácido, MCPBA.....
Alquinos
Nomenclatura de alquinos
Los alquinos se nombran sustituyendo la terminación -ano del alcano por -ino. El alquino más pequeño es el etino o acetileno. Se elige como cadena principal la más larga que contenga el triple enlace y se numera de modo que este tome el localizador más bajo posible.
Estructura y enlace en alquinos
El triple enlace está compuesto por dos enlaces π perpendiculares entre si, formados por orbitales p no hibridados y un enlace sigma formado por hibridos sp.
Acidez del hidrógeno en alquinos terminales
Los alquinos terminales tienen hidrógeno ácido de pKa =25 que se puede arrancar empleando bases fuertes, como el amiduro de sodio en amoniaco líquido.
La base conjugada (acetiluro) es un buen nucleófilo por lo que se puede utilizar en reacciones de alquilación.
La base conjugada (acetiluro) es un buen nucleófilo por lo que se puede utilizar en reacciones de alquilación.
Estabilidad del triple enlace
La hiperconjugación estabiliza también los alquinos, el alquino interno es más estable que el terminal.
Síntesis de alquinos
Los alquinos se obtienen mediante reacciones de eliminación a partir de dihaloalcanos vecinales o geminales.
Hidrogenación de alquinos
La hidrogenación catalítica los convierte en alcanos, aunque es posible parar en el alqueno mediante catalizadores envenenados (lindlar). El sodio en amoniaco líquido hidrogena el alquino a alqueno trans, reacción conocida como reducción monoelectrónica.
Reactividad de alquinos
El sulfúrico acuoso en presencia de sulfato de mercurio como catalizador hidrata los alquinos Markovnikov, dando cetonas. La hidroboración con boranos impedidos, seguida de oxidación con agua oxigenada, produce enoles que se tautomerizan a aldehídos o cetonas. El bromo molecular y los HX se adicionan a los alquinos de forma similar a los aquenos.
Alcoholes
Nomenclatura de alcoholes
Se nombran sustituyendo la terminación de los alcanos -ano por -ol. Se toma como cadena principal la más larga que contenga el grupo hidroxilo y se numera otorgándole el localizador más bajo.
Acidez y basicidad de los alcoholes
Los alcoholes son ácidos, el hidrógeno del grupo -OH tiene un pKa de 16.
Propiedades físicas
Los puntos de fusión y ebullición son elevados debido a la formación de puentes de hidrógeno.
Síntesis de alcoholes
Se obtienen mediante sustitución nucleófila y por reducción de aldehídos y cetonas. El ataque de reactivos organometálicos a electrófilos -carbonilos, epoxidos, esteres- es un método importante en la síntesis de alcoholes.
Obtención de haloalcanos a partir de alcoholes
Los alcoholes se transforman en haloalcanos por reacción con PBr3. El mecanismo es del tipo SN2 y requiere alcoholes primarios o secundarios.
Oxidación de alcoholes
El trióxido de cromo oxida alcoholes primarios a ácidos carboxílicos y alcoholes secundarios a cetonas. También se pueden emplear otros oxidantes como el permanganato de potasio o el dicromato de potasio.
Éteres
Nomenclatura de éteres
La nomenclatura de los éteres consiste en nombrar las cadenas carbonadas por orden alfabético y terminar el nombre con la palabra éter (dimetiléter).
Propiedades físicas
Son compuestos de gran estabilidad, muy usados como disolventes inertes por su baja reactividad. Los éteres corona complejan los cationes eliminándolos del medio, permitiendo la disolución de sales en disolventes orgánicos.
Síntesis de éteres
Se obtienen por reacción de haloalcanos primarios y alcóxidos, llamada síntesis de Williamson. También se pueden obtener mediante reacción SN1 entre alcoholes y haloalcanos secundarios o terciarios. Un tercer método consiste en la condensación de dos alcoholes en un medio ácido.
Esta reacción va a temperaturas moderadas si uno de los alcoholes es secundario o terciario, en el caso de que ambos sean primarios requiere temperaturas de140ºC .
Los éteres cíclicos se forman por sustitución nucleófila intramolecular y los ciclos mas favorables son de 3, 5 y 6.
Esta reacción va a temperaturas moderadas si uno de los alcoholes es secundario o terciario, en el caso de que ambos sean primarios requiere temperaturas de
Los éteres cíclicos se forman por sustitución nucleófila intramolecular y los ciclos mas favorables son de 3, 5 y 6.
Éteres como grupos protectores
La escasa reactividad de los éteres se puede aprovechar para utilizarlos como grupos protectores. Son muy estables en medios básicos y nucleófilos, lo que permite proteger alcoholes, aldehídos y cetonas transformándolos en éteres. La desprotección ser realiza en medio ácido acuoso.
Apertura de oxaciclopropanos
Los oxaciclopropanos son éteres cíclicos tensionados que dan reacciones de apertura del anillo tanto en medios ácidos como básicos.
Amidas
Nomenclatura de amidas
Se nombran sustituyendo la terminación -o del alcano por -amida (etanamida).
Reactividad
Son el derivado de ácido menos reactivo debido a la cesión del par solitario del grupo amino.
Hidrólisis
Las amidas se hidrolizan a ácidos carboxílicos en medios ácidos o básicos y con condiciones enérgicas.
Reducción a aminas y aldehídos
El hidruro de aluminio y litio las transforma en aminas y el DIBAL en aldehídos.
Formación de enolatos de amida y amidatos
En medios básicos forman amidatos por desprotonación del grupo -NH2 con hidrógenos de pKa 15. La desprotonación del carbono α produce enolatos de amida.
Degradacion de Hofmann de amidas
En presencia de una base las amidas primarias reaccionan con Br2 sustituyéndose el grupo carbonilo por un -NH2, reacción denominada transposición de Hofmann.
Aminas
Nomenclatura de aminas
Se nombran sustituyendo la terminación -o del alcano por -amina (etanamina).
Propiedades físicas de aminas
Son compuestos con geometría piramidal. Presentan quiralidad aunque se encuentran en forma de racematos. Forman puentes de hidrógeno más débiles que los alcoholes.
Acidez y basicidad de las aminas
Las aminas se comportan como bases a través del par libre del nitrógeno. También se comportan como ácidos débiles pudiendo desprotonarlas mediante el empleo de bases muy fuertes (organolíticos)
Obtención de aminas
Se obtienen por reducción de nitrilos y amidas con el hidruro de litio y aluminio. La transposición de Hofmann convierte las amidas en aminas con un carbono menos. La reducción de azidas permite obtener aminas con el mismo número de carbonos que el haloalcano de partida. La síntesis de Gabriel permite obtener aminas a partir del ácido ftálico.
Eliminación de Hofmann y Cope
Las aminas se pueden convertir en alquenos mediante las eliminaciones de Hofmann y Cope.
Reacción de Mannich
La reacción de Mannich conduce a 3-aminocarbonilos a partir de aldehídos o cetonas enolizables, metanal y aminas primarias o secundarias.
Reacción de aminas con ácido nitroso
Las reacciones de aminas con ácido nitroso conduce al catión diazonio, muy reactivo. Esta reacción tiene gran interés con aminas aromáticas, ya que permite introducir grupos muy variados sobre el benceno (reacciones de Sandmeyer)
Carbohidratos
Monosacáridos
Se llama monosacárido a un aldehído o cetona que contiene al menos dos grupos hidroxilo. Los monosacáridos más sencillos son el gliceraldehído (2,3-dihidroxipropanal) y la 1,3-dihidroxipropanona.
Aldosas y cetosas
Los azúcares que tiene la función aldehído se denominan aldosas y los que tienen la función cetona se llaman cetosas.
Clasificación de aldosas
Se clasifican según la longitud de la cadena carbonada en aldotriosas (tres carbonos), aldotetrosas (cuatro carbonos), aldopentosas (cinco carbonos) y aldohexosas (seis carbonos).
Disacáridos
Se forman por unión de dos monosacáridos mediante el enlace O-glucosídico. Una cadena con un número elevado de monosacárido se denomina polisacárido.
Notación D/L
La nomenclatura D, L divide a los azúcares en dos grupos. Los serie D son naturales y se caracterizan por tener el centro quiral de mayor localizador con el grupo hidroxilo a la derecha. Los serie L son artificiales y tienen el grupo hidroxilo a la izquierda.
Formación de hemiacetales
Los azúcares ciclan formando hemiacetales intramoleculares por ataque de los grupos hidroxilo al grupo aldehído. Si el ciclo formado es de 6 miembros se denomina piranosa y si es de 5 furanosa.
Aminoácidos
Aminoácidos y proteínas
Los polipéptidos y proteínas se forman con condensación del grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino de otro, formándose una amida. Este enlace se denomina peptídico.
La unión de dos aminoácidos da lugar a un dipéptido, tres a un tripéptido. las cadenas de gran tamaño se denominan proteínas y pueden contener mas de 10000 aminoácidos.
Las proteínas de todos los seres vivos están formadas por tan sólo veinte aminoácidos, aunque en la naturaleza existen más de quinientos.
La unión de dos aminoácidos da lugar a un dipéptido, tres a un tripéptido. las cadenas de gran tamaño se denominan proteínas y pueden contener mas de 10000 aminoácidos.
Las proteínas de todos los seres vivos están formadas por tan sólo veinte aminoácidos, aunque en la naturaleza existen más de quinientos.
Comportamiento ácido base de los aminoácidos
Los aminoácidos están formados por un grupo ácido carboxílico y una amina, esto provoca un equilibrio ácido base que desprotona el ácido y protona al amina generando una sal de amonio (zwitterión).
Punto isoeléctrico
Se denomina punto isoeléctrico al valor del pH en el que la concentración de moléculas cargadas positivamente se iguala a las cargadas negativamente.
Síntesis de Aminoácidos
Se pueden preparar a partir de ácidos carboxílicos mediante la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky, que halogena la posición α, con posterior desplazamiento del bromo por amoniaco.
La síntesis de Gabriel parte de la imida del ácido 1,2-bencenodicarboxílico, que se transforma en nucleófilo por desprotonación del nitrógeno, alquilándolo posteriormente con el 2-bromopropanodioato de dietilo, que por hidrólisis y descarboxilación deja libre el aminoácido.
La síntesis de Strecker utiliza como compuestos de partida aldehídos que se tratan con ácido cianhídrico en presencia de amoniaco.
Heterociclos
Heterociclos
Los heterociclos son compuestos en los que uno o más átomos de carbono del anillo han sido sustituidos por heteroátomos, como oxigeno, azufre, fósforo, etc.
Importancia de los heterociclos
Son compuestos muy abundantes en la naturaleza, se estima que más del 50% de los compuestos naturales son heterociclos: vitaminas, drogas, medicamentos, ect.
Nomenclatura de heterociclos
El nombre de un heterociclo consta de dos partes, un prefijo que indica el tipo de heteroátomo que contiene: oxigeno (oxa-), azufre (tia-), fósforo (fosfa-), y un sufijo que indica el tamaño del anillo y si es saturado o insaturado. Un ciclo de siete insaturado con nitrógeno se llama azepina.
Heterociclos π-deficientes
La piridina, quinolina e isoquinolina son heterociclos π-deficientes, por tanto pobre en densidad electrónica. Son sistemas muy reactivos en adiciones y sustituciones nucleófilas, aunque muy poco reactivos en la sustitución electrófila.
Heterociclos π-excedentes
El pirrol, tiofeno, furano e indol son sistemas π-excedentes, muy ricos en densidad electrónica, lo que los convierte en compuestos muy reactivos en sustituciones electrófilas y anula por completo adiciones y sustituciones nucleófilas.
Reacción de Chichibabin
La piridina reacciona con amiduro de sodio a 110ºC formado la 2-aminopiridina, denominada reacción de Chichibabin.
Reacciones de oxidación reducción (REDOX)
Reacciones de oxidación
En las reacciones de oxidación las moléculas orgánicas aumentan el número de átomos de oxígeno o disminuyen el número de hidrógenos.
Oxidación de posiciones bencílicas
La oxidación de posiciones bencílicas tiene lugar con permanganato de potasio o dicromato de potasio.
Oxidación de posiciones alílicas
Las posiciones alílicas se oxidan con dióxido de selenio en etanol y también con oxígeno/luz/fotosensibilizador.
Oxidación de alcoholes
La oxidación de alcoholes a aldehídos y cetonas se puede realizar con derivados del ácido crómico, dióxido de manganeso para alcoholes alílicos, oxidación con sales de alcoxisulfonio, reacción de Swern, reacción de Oppenaver.
Oxidación de alquenos
La oxidación de alquenos a dioles SIN se realiza con permanganato de potasio o tetraóxido de osmio. Las reacciones de Prevost (sin agua) y Woodwar (con agua) forman dioles ANTI y SIN respectivamente. La epoxidación de alquenos con MCPBA y la ozonolisis también son reacciones de oxidación de alquenos.
Oxidación de cetonas
Las cetonas se oxidan a esteres con Baeyer-Villiger.
Reacciones de reducción
Las reacciones de reducción son aquellas en las que se pierden oxígenos o se ganan hidrógenos. Entre las más importantes podemos citar: condensación aciloínica, reducción con hidruros no metálicos. reducción de Clemmensen, Wolf-Kishner y tioacetales, reducción de alquinos con sodio en amoniaco y reducción de Birch del benceno.
