LA QUÍMICA DEL CARBONO

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1 LA QUÍMICA DEL CARBONO 1. Formulación orgánica 1.1. Introducción Representación de las moléculas orgánicas Los compuestos orgánicos se representan generalmente utilizando las llamadas fórmulas estructurales, las cuales, además de indicar el número y tipo de átomos de carbono que constituyen la molécula, nos informan sobre la ordenación que presentan estos átomos. Fórmula empírica: es la representación más simplificada de una molécula (para los hidrocarburos saturados es C n H 2n+2 ). Fórmula molecular: FM=n FE Fórmula semidesarrollada o condensada: se indican normalmente, sólo los enlaces que unen los átomos de carbono. Ejemplo: CH 2 =CH 2 (eteno) Fórmula desarrollada o expandida: se indican en un plano todos los enlaces presentes en la molécula. Ejemplo: propanona Fórmula tridimensional o disposición espacial: representan en un plano la ordenación espacial de los enlaces existentes en la molécula. Ejemplo: metano. Propanona Metano H O H H------C C C------H H H H H C H H Grupos funcionales y series homólogas Grupo funcional: átomo o grupo de átomos que le confieren a un compuesto orgánico una serie de propiedades específicas. Existen muchos compuestos que tienen más de un grupo funcional polifuncionales. Serie homóloga: conjunto de compuestos orgánicos que tienen el mismo grupo funcional y cuya cadena carbonada se va incrementando con grupos intermedios CH 2 -. Ejemplos: MEAF 1

2 Tabla 1.- Raíces para la nomenclatura de compuestos orgánicos. Nº de C Prefijo Nº de C Prefijo Nº de C Prefijo Nº de C Prefijo 1 met- 5 pent- 9 non- 13 tridec- 2 et- 6 hex- 10 dec- 14 tetradec- 3 prop- 7 hept- 11 undec- 15 pentadec- 4 but- 8 oct- 12 dodec- 20 eicos- Tabla 2.- Familias de compuestos orgánicos y grupos funcionales más importantes. Tabla 3.- Orden de prioridad de los grupos funcionales. El grupo funcional de mayor prioridad se nombra mediante un sufijo y se le asigna el número más bajo posible, mientras que el resto de los grupos funcionales se nombran utilizando prefijos. MEAF 2

3 1.2. Nomenclatura y representación de las moléculas Hidrocarburos Los hidrocarburos son compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno y con fórmula empírica C x H y. Se pueden distinguir varias clases: Saturados (Alcanos) A) ALCANOS ACÍCLICOS LINEALES B) ALCANOS ACÍCLICOS RAMIFICADOS En un alcano ramificado, los sustituyentes sobre la cadena principal hacen el papel de cadenas laterales y también se denominan radicales. Se nombra sustituyendo la terminación -ano del alcano de procedencia por -ilo. Normas para nombrar alcanos ramificados: 1.- Localizar la cadena principal, que dará nombre al alcano ramificado según sea su número de carbonos. A dicho nombre se anteponen los nombres de las cadenas laterales. i. Si un alcano posee dos o más cadenas de igual longitud, se elige como cadena principal la que posea mayor número de sustituyentes. MEAF 3

4 2.- Numera la cadena principal de un extremo a otro con localizadores. Al nombrar el alcano, cada localizador se antepone al nombre de su cadena lateral separado por un guión. i. El procedimiento de la elección de la menor combinación numérica, nos proporciona la numeración correcta de la cadena principal y, también permite decidir cuál es la cadena principal en el caso poco frecuente de que existan varias cadenas de igual longitud e igual número de sustituyentes. ii. En el caso de que las posibles combinaciones fueran iguales, se recurre al orden alfabético. 3.- Nombra las cadenas laterales como grupos alquilo precedidos por su localizador separado por un guión. 4.- Forma el nombre del alcano ramificado, escribiendo los nombres de las cadenas laterales por orden alfabético. i. Si se utilizan los nombres comunes de las cadenas laterales, los prefijos iso- y neo- forman parte del nombre, y por tanto se tienen en cuenta en el orden alfabético, mientras que sec- y terc-, no se tienen en cuenta en el orden alfabético. ii. Si existen varias cadenas laterales iguales, se utilizan los prefijos de origen griego di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-..., para indicarlo y no se tienen en cuenta en el orden alfabético. iii. Cuando una cadena lateral es muy compleja, su nombre se incorpora entre paréntesis. iv. Si dos o más radicales complejos están formados por las mismas palabras y por tanto el orden alfabético no nos es útil, se nombra primero aquel que presenta el localizador más bajo. MEAF 4

5 Tabla 4.- Nombres comunes de algunos radicales. Cómo representar alcanos a partir de su nombre: 1.- Dibuja la cadena principal y numérala. 2.- Identifica los sustituyentes y sitúalos en sus localizadores. C) ALCANOS CÍCLICOS Insaturados A) ALQUENOS - Alqueno => un doble enlace C=C; - Alcadieno => dos dobles enlaces C=C; - Alcatrieno => tres dobles enlaces C=C; - Polieno => varios dobles enlaces C=C. Alcano 1 C=C 2 C=C 3 C=C -ano -eno -adieno -atrieno MEAF 5

6 B) ALQUINOS - Alquino => un triple enlace C=C; - Alcadiino => dos triples enlaces C=C; - Alcatriino => tres triples enlaces C=C; - Poliino => varios triples enlaces C=C. Alcano 1 C=C 2 C=C 3 C=C -ano -ino -adiino -atriino Sustituyentes alquenilo y alquinilo C-C 1 C=C 1 C=C Alquilo Alquenilo Alquinilo Para los radicales etenilo, pro-2-enilo y 1-metiletenilo se usan frecuentemente sus nombres comunes vinilo, alilo e isopropenilo respectivamente. C) AROMÁTICOS (Areno) Sustituyentes arilo (Areno => Arilo) En general, puede tomarse como sistema principal aquel que: a) presente el mayor número de sustituyentes, b) sea de mayor tamaño. MEAF 6

7 Bencenos disustituidos: Los nombres comunes tolueno, estireno y estilbenceno pueden utilizarse también como sistemas principales, siempre que los sustituyentes adicionales sobre el anillo sean diferentes al del sistema principal. C.1) HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS Los nombres se forman con los prefijos numéricos habituales (tetra-, penta-, hexa-, etc.) eliminando la -a final del prefijo y añadiéndole la terminación -aceno Derivados halogenados Los derivados halogenados son los compuestos orgánicos que contienen halógenos, R-X. Derivados halogenados sencillos que se conocen por su nombre común son los siguientes: Los derivados halogenados se pueden nombrar de modo sistemático por dos procedimientos: a) Nomenclatura por sustitución Alcoholes, fenoles y éteres Los alcoholes, fenoles y éteres son compuestos con enlaces sencillos C-O en su estructura. Pueden considerarse como derivados del agua. MEAF 7

8 Alcoholes Se caracterizan por poseer el grupo funcional hidroxilo (-OH), y pueden nombrarse siguiendo, bien la nomenclatura por sustitución donde R es la estructura fundamental, o bien por grupo funcional donde el hidroxilo es la estructura fundamental. a) Nomenclatura por sustitución Si unos grupos -OH están en las cadenas laterales y otros sobre la cadena principal, estos últimos son considerados los grupos principales y a los primeros se les da el carácter de sustituyentes. b) Nomenclatura por grupo funcional Se aplica especialmente a alcoholes muy sencillos. Se nombran como alcohol alquílico Fenoles Son los alcoholes en los que el grupo hidroxilo está directamente unido a un anillo aromático: Ar-OH. Se muestran los nombres comunes de los fenoles más conocidos. Los fenoles derivados del benceno se nombran como bencenoles, bencenodioles, etc., aunque también pueden nombrarse como derivados del fenol. Ejemplo: 4-etil-3- metilbencenol o bien 4-etil-3-metilfenol Éteres Son compuestos de estructura general R-O-R, R-O-Ar, o Ar-O-Ar. a) Nomenclatura por grupo funcional Este sistema es especialmente adecuado para nombrar los casos más sencillos. Los nombres se MEAF 8

9 forman citando los nombres de los grupos R y R en orden alfabético seguidos de la palabra éter Aminas El nombre genérico amina se aplica a compuestos que pueden considerarse formalmente como derivados de amoníaco Aminas primarias Las monoaminas primarias (NH 2 R y NH 2 Ar) se pueden nombrar como los alcoholes, por sustitución (A), o por grupo funcional (B). En el caso de aminas primarias con dos o más grupos amino se nombra: Si algunos grupos -NH 2 están en las cadenas laterales y otros sobre la cadena principal, estos últimos son considerados los grupos principales y a los primeros se les da el carácter de sustituyentes, aplicándoles el prefijo amino-. MEAF 9

10 Aminas secundarias y terciarias Las aminas 2 rias y 3 rias con sustituyentes iguales se nombran citando el nombre de R como sustituyente, precedido de di- o tri-, y seguido por el sufijo -amina. Las aminas 2 rias y 3 rias con sustituyentes distintos se pueden nombrar de 2 formas: i) Como derivados N-sustituidos de una amina primaria o secundaria. ii) Citando los nombres de todos los sustituyentes precedidos de los prefijos numéricos apropiados, seguidos del sufijo -amina. La letra N cumple las funciones de un localizador y por eso se repite con cada sustituyente Aldehídos y cetonas Aldehídos Los aldehídos (R-CHO) correspondientes a ácidos carboxílicos (R-CO 2 H) con nombres comunes aceptados se nombran cambiando los términos ácido...-ico o ácido...-oico por la terminación -aldehído. Los mono- y dialdehídos acíclicos se nombran por sustitución del mismo modo que los alcoholes. Es decir, se añaden los sufijos -al o -dial al nombre del hidrocarburo acíclico. MEAF 10

11 Cetonas Son los compuestos que poseen un grupo carbonilo (-CO-) unido a dos átomos de carbono. Para nombrarlas se puede utilizar la nomenclatura por sustitución o por grupo funcional. A continuación se muestra una selección de cetonas para las que se emplea su nombre común. a) Nomenclatura por sustitución El nombre de una cetona acíclica se forma añadiendo los sufijos -ona, -diona, etc., al nombre del hidrocarburo correspondiente. Si el compuesto posee anillos en la cadena que contiene al grupo carbonilo, se nombra como derivado del hidrocarburo acíclico y se considera el anillo como un sustituyente Ácidos carboxílicos y derivados Los ácidos carboxílicos son compuestos que poseen el grupo carboxilo (COOH). Este grupo funcional está formado por un carbonilo (C=O) y un hidroxilo (-OH). Los compuestos derivados son compuestos en los cuales el grupo hidroxilo ha sido sustituido como: los ésteres (R-COOR ), los haluros de ácido (R-CO-X), los anhídridos de ácido (R-CO-O-CO- R ) y las amidas (R-CO-NR R ) MEAF 11

12 Ácidos Carboxílicos Los siguientes ácidos monocarboxílicos y dicarboxílicos se conocen por sus nombres comunes. No olvides que para nombrarlos se antepone la palabra ácido. Los ácidos mono- y dicarboxílicos acíclicos se nombran por sustitución, del mismo modo que los aldehídos: se añaden los sufijos -oico o -dioico al nombre del hidrocarburo acíclico y se antepone la palabra ácido (ácido...-oico o ácido...-dioico). MEAF 12

13 Derivados A) ÉSTERES Para nombrar los ésteres de los ácidos monocarboxílicos (R-COOR ) se sigue idéntico procedimiento que con las sales, sin más que sustituir el nombre del catión por el del grupo R, tomado como sustituyente. B) AMIDAS Son los derivados de los ácidos carboxílicos en los que el grupo acilo está enlazado a un nitrógeno unido a R y R. Así tenemos: Amidas sin sustituir el nitrógeno (R-CO-NH 2 ) Se nombran sustituyendo los términos ácido...-oico o ácido...-ico por el sufijo -amida, o bien, ácido...-carboxílico por el sufijo -carboxamida. En el caso particular del ácido oxálico se utiliza la contracción oxamida. Amidas N-monosustituidas (R-CO-NH-R ) y N,N-disustituidas (R-CO-NR R ) Se citan los sustituyentes R y R como prefijos y la letra N como localizador. MEAF 13

14 1.3. Resumen Formación del nombre Se recomienda seguir los siguientes pasos: 1.- Selecciona el grupo funcional principal, que dará nombre al compuesto (nomenclatura por grupo funcional) o se utilizará como sufijo (nomenclatura por sustitución), e indica a los sustituyentes que se citarán por sus prefijos. 2.- Define la estructura fundamental: a. En compuestos acíclicos, la cadena principal es la más larga que contiene al grupo funcional principal. i. Si posee dos o más cadenas de igual longitud que contienen al grupo funcional principal, entonces la cadena principal será la de mayor número de sustituyentes. ii. Si hay varias cadenas de igual longitud y mismo número de sustituyentes que contienen al grupo funcional, entonces se elige como cadena principal la que proporcione la menor combinación numérica. b. Si el grupo funcional está en una cadena alifática que contiene un sustituyente cíclico, el compuesto se nombra como compuesto alifático y el anillo como prefijo (radical). c. Si el grupo principal está en un sistema cíclico, el anillo es la estructura fundamental. d. Si el grupo principal está presente en dos o más cadenas o sistemas cíclicos, la estructura fundamental es la que lo contiene el mayor número de veces. 3.- Numera la estructura fundamental y asigna los localizadores. Los localizadores más bajos deben corresponder a las siguientes características: a. Numeración propia de algunos sistemas (sistemas aromáticos, policiclos, etc.). b. Grupo funcional principal citado como sufijo. c. Insaturaciones (-eno, -ino). d. Sustituyentes citados como prefijos. 4.- El nombre se forma empezando por los sustituyentes en orden alfabético, precedido por sus localizadores y prefijos numéricos. MEAF 14

15 Tabla 5.- Orden de preferencia de los grupos funcionales. GRUPO FUNCIONAL FÓRMULA PREFIJO SUFIJO Ácido carboxílico -COOH Ácido -oico Éster -COOR -oato de R Amida -CONH 2 -amida Nitrilo -CN -nitrilo Aldehído -CHO -al Cetona >CO -ona Alcohol, Fenol -OH Hidroxi- -ol Amina -NH 2 Amino- -amina Éter -OR Éter Alqueno >C=C< -eno Alquino -C C- -ino Derivado halogenado -X Halógeno- Alquilo/Radical -R Alquil- Tabla 6.- Ciertos grupos funcionales que se describen por su prefijo exclusivamente Representación de un compuesto a partir de su nombre Se seguirán los siguientes pasos: 1.- Localiza en el nombre los prefijos y sufijos, y sepáralos del mismo. Lo que queda es el nombre de la estructura fundamental. Dibújala y numérala: a. Si tiene numeración sistemática propia (sistemas aromáticos, etc.) utilízala. b. Si es un compuesto acíclico, numéralo a partir de un extremo. c. Si es cíclico, el grupo funcional fijará la posición Sitúa las insaturaciones utilizando sus localizadores. 3.- El sufijo identifica el grupo principal. Sitúalo en la posición adecuada de la estructura fundamental. 4.- Los prefijos identifican los sustituyentes. Sitúalos en la estructura fundamental ayudándote de los localizadores. MEAF 15

16 2. Isomería Isómeros: aquellos compuestos que teniendo la misma fórmula empírica y molecular difieren en su estructura molecular, lo que provoca que tengan diferentes propiedades físicas y/o químicas. ISOMERÍA Estructural o plana Espacial o estereoisomería De cadena De posición De función Cis-Trans (geométrica) Óptica 2.1. Isomería estructural Se basa en las diferencias existentes en la ordenación y/o unión de los átomos en las moléculas. ISOMERÍA DE CADENA según la distinta posición de los átomos de C en la cadena. Ejemplo: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 // CH 3 -CH(CH 3 ) 2 ISOMERÍA DE POSICIÓN cuando un mismo grupo funcional puede estar colocado en diferente posición dentro de la cadena. Ejemplo: CH 3 -CH 2 -CH 2 OH // CH 3 -CHOH-CH 3 ISOMERÍA DE FUNCIÓN cuando tienen igual fórmula molecular pero poseen grupos funcionales distintos. Ejemplo: CH 3 -CH 2 -COH // CH 3 -CO-CH 3 MEAF 16

17 2.2. Isomería espacial o estereoisomería Se presenta en aquellos compuestos que únicamente se diferencian por la orientación espacial de sus átomos en la molécula. ISOMERÍA GEOMÉTRICA O CIS-TRANS se produce básicamente en moléculas que poseen doble enlace o bien moléculas cíclicas. Cis si se encuentran en un mismo lado; Trans si se encuentran en lados opuestos. ISOMERÍA ÓPTICA surge de la existencia de moléculas tridimensionales que no son superponibles con las imágenes que daría en un espejo. Estas moléculas se denominan quirales y se caracterizan por no tener plano, ni centro de simetría. Este tipo de isomería ocurre con los átomos de C que tienen hibridación sp 3 y los 4 sustituyentes son distintos C asimétricos 1 a sus 2 posibles posiciones (normal y especular) se les llama enantiómeros. Dependiendo del nº de C asimétricos dentro de una molécula tendremos un nº distinto de estereisómeros 2 n ; siendo n = nº de C asimétricos. Con 1 solo C asimétrico: tenemos 2 estereoisómeros; que son los enantiómeros. Uno de ellos desvía la luz polarizada hacia la derecha (ángulo +) dextrógiro; y el otro desvía la luz polarizada hacia la izquierda (ángulo -) levógiro. 2 Con + de 1 C asimétrico: 2 n estereisómeros. En el caso de que tengamos 2C * 4 estereoisómeros, los cuales, por ejemplo, el A y B; C y D son enantiómeros entre sí, pero A y C; A y D; B y C; B y D no son imágenes especulares no superponibles se denominan diasteroisómeros o diastereómeros. NOTA: si posee 2 C* y 1 plano de simetría no hay 4 estereisómeros (hay 3), puesto que dos moléculas son idénticas (A=B) forma meso son inactivos, no desvían la luz polarizada. 1 Se simbolizan con un asterisco (*) sobre el C asimétrico. 2 Una mezcla equimolecular de los 2 enantiómeros es una mezcla racémica óptimamente inactiva. MEAF 17