Fisicoquímica - Universidad Nacional del Litoral

Universidad Nacional del Litoral
Secretaría Académica
Dirección de Articulación, Ingreso y Permanencia
Año 2015
Fisicoquímica biológica
ISBN: 978-987-692-009-4
Unidad 8. Química del carbono.
Hidrocarburos y grupos funcionales
Leandra Micocci
No sé cómo ocurrió que seguí una carrera científica. (...) Supongo que el
factor más importante en la determinación de mi futuro fue el recibir un grupo
de genes que dieron las habilidades negativas y positivas requeridas. (...)
Lo más importante probablemente fue la oportunidad de pasar mis días en
el laboratorio y efectuar muchos experimentos. La mayoría fracasaron, pero
algunos tuvieron éxito, debido sólo a la buena suerte o al hecho de haber
cometido el error adecuado.
Luis Federico Leloir
Introducción
El estudio de los compuestos de carbono constituye una rama aparte de la química
que se conoce como química orgánica. Este término surgió de la creencia del siglo
XVIII de que solamente los sistemas vivos podían formar compuestos orgánicos. Esto
cambió a partir de 1828 cuando pudo sintetizarse en un laboratorio urea (H2NCONH2),
una sustancia orgánica presente en la orina de los mamíferos.
La vida tal como se conoce no podría existir sin un enorme conjunto de moléculas
orgánicas simples y complejas de importancia biológica. El estudio de la química de
los seres vivos se llama química biológica o bioquímica.
Ahora bien, lo que hace tan especial al carbono que origina una enorme variedad de
compuestos que desempeñen funciones muy importantes tanto para la vida de los seres
vivos como el de tener un papel relevante en diferentes procedimientos y aspectos de
la actividad industrial es la estructura tridimensional que presentan las moléculas orgánicas, que es determinante a la hora de cumplir con sus funciones, y esto es gracias a
que el carbono posee cuatro electrones de valencia (1s2 2s2 2p2), es decir forma cuatro
enlaces, los cuales cuando son simples tienen una disposición tetraédrica.
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Cuando hay un doble enlace C=C la estructura tiene una disposición plana trigonal, y
con dos doble enlaces o con un triple, la disposición es lineal.
Casi todas las moléculas orgánicas tienen enlaces C–H. El hidrógeno forma un solo
enlace covalente. En consecuencia, los átomos de hidrógeno siempre se encuentran
en la superficie de las moléculas. Este enlace sencillo es poco reactivo y poco polar,
dado que la electronegatividad del C y del H es parecida.
Los enlaces C–C forman la columna vertebral o esqueleto de la molécula, en tanto
que los átomos de H están en la superficie. Estos enlaces son poco polares y dada su
fortaleza son poco reactivos. La disposición de los enlaces en torno a los átomos individuales es importante para determinar la forma molecular global. A su vez, la forma
global de las moléculas orgánicas es importante para determinar cómo reacciona
con otras moléculas y con qué rapidez además de determina algunas propiedades
físicas importantes.
El carbono forma fuertes enlaces con diversos elementos, en especial con H, O,
N y los halógenos; asimismo, el carbono tiene una capacidad excepcional para enlazarse consigo mismo y formar así una gran variedad de moléculas con cadenas o
anillos de átomos de carbono.
Por ser tan numerosos los compuestos de carbono, es conveniente organizarlos en
familias que presentan semejanzas estructurales.
La clase más sencilla de compuestos orgánicos es la de los hidrocarburos, que
son los que se componen sólo de carbono e hidrógeno.
8.1. Hidrocarburos
Si bien las propiedades químicas de estos compuestos pueden variar entre los miembros de sus diferentes clases no sucede lo mismo con sus propiedades físicas, que
son similares en muchos aspectos: las moléculas de los hidrocarburos son poco
polares lo que los hace poco solubles en agua, son menos volátiles a medida que su
masa molar aumenta lo que hace que los hidrocarburos de muy bajo peso molecular
sean gaseosos a temperatura ambiente, los de peso moderado son líquidos y sólidos
los de alto peso molecular.
Teniendo en cuenta su estructura química los hidrocarburos pueden ser clasificados en:
Hidrocarburos
Saturados
Insaturados
Alcanos
Alifáticos
Alquenos,
Alquinos
Alicíclicos
Cíclicos
Aromáticos
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8.1.1. Clasificación
1. Alcanos
La denominación de saturados les viene porque poseen la máxima cantidad de hidrógeno que una cadena carbonada puede admitir. También reciben la denominación
de parafinas dada su poca reactividad química, que obedece a la estabilidad de los
enlaces carbono–carbono, y a la firmeza con que los átomos de hidrógeno se unen a
la cadena carbonada.
Todos los enlaces dentro de la molécula de alcanos son de tipo simple. Los alcanos
se obtienen mayoritariamente del petróleo. Son los productos base para la obtención
de otros compuestos orgánicos.
Propiedades físicas
1. Estado Físico: a 25°C los hidrocarburos normales que cuentan hasta cuatro
carbonos son gases, desde 5 a 17 son líquidos y desde 18 en adelante son sólidos.
2. Puntos de Ebullición: los puntos de ebullición muestran un aumento constante
al aumentar el número de átomos de carbono. Sin embargo, la ramificación de
la cadena del alcano disminuye notablemente el punto de ebullición, porque las
moléculas que forman el compuesto se van haciendo esféricas, más simétricas y,
en consecuencia, disminuyen las fuerzas de atracción entre ellas.
3. Puntos de Fusión: los alcanos no muestran el mismo aumento en los puntos de
fusión con el aumento del número de átomos de carbono. Se observa una alternancia a medida que se progresa de un alcano con un número par de átomos de
carbono, al siguiente con un número impar de átomos de carbono. Por ejemplo,
el propano (p.f = -187°C) funde a menor temperatura que el etano (p.f = -172°C)
y aun menor temperatura que el metano (p.f = -183°C). En general, el punto de
fusión aumenta con el número de átomos de carbono y la simetría de la molécula.
4. Densidad: los alcanos son los menos densos de los compuestos orgánicos.
Todos los alcanos tienen densidades considerablemente menores a 1g/ml, (la
densidad del agua a 4°C).
5. Solubilidad: los alcanos son casi totalmente insolubles en agua debido a su baja
polaridad, y a su incapacidad de formar enlaces por puentes de hidrógeno. Los
alcanos líquidos son miscibles entre sí, y generalmente se disuelven en solventes
de baja polaridad.
Propiedades químicas
Casi todos los alcanos son relativamente poco reactivos a temperatura ambiente, no
reaccionan ni con ácidos, ni con bases, etc. Su poca reactividad se debe a la fuerza y
carencia de polaridad de sus enlaces. Aun así si pueden entran en combustión con el
aire y esto es el motivo por el cual son utilizados como combustibles.
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Isómeros
Una de las razones del enorme número de compuestos orgánicos es la existencia de
isómeros, es decir, compuestos con la misma fórmula molecular pero diferente disposición de sus átomos, es decir, si se ubican en un mismo semiplano o en semiplanos
opuestos,denominándose por eso isómeros espaciales o geométricos siendo los dos
isómeros aludidos: cisytrans.
El número de isómeros aumenta conforme aumenta el número de átomos de
carbono del alcano.
Además de los alcanos acíclicos o lifáticos encontramos el grupo de los alcanos
cíclicos, denominados también cicloalcanos que poseen una cadena cerrada, es
decir, poseen un anillo en el cual el último átomo de carbono se une al primero
siempre a través de un simple enlace. Los anillos pueden estar formados por 3,
4, 5 o más átomos de carbono. Estos derivan de los compuestos acíclicos y para
nombrarlos se antepone la palabra ciclo a la de su precursor. En cuanto a sus propiedades no dista mucho de las que presentan los alcanos acíclicos con igual número
de átomos de carbono.
CH2
/
\
CH2 — CH2
|
|
CH2 — CH2
ciclopropano
CH2 — CH2CH2
|
|
CH2 — CH2
ciclobutano
/
CH2
\
CH2
ciclopentano
2. Alquenos
Los alquenos son hidrocarburos alifáticos que poseen un doble enlace entre dos
átomos de carbono consecutivos. El doble enlace es un punto reactivo o un grupo
funcional y es el que determina principalmente las propiedades de los alquenos.
Los alquenos también se conocen como hidrocarburos insaturados (tienen menos
hidrógeno que el máximo posible).
Propiedades físicas
1. Estado Físico: los tres primeros miembros son gases a temperatura ordinaria,
los de cinco a 18 carbonos son líquidos y los demás sólidos.
2. Puntos de Ebullición: son un poco más bajos (algunos grados) que los alcanos.
3. Puntos de Fusión: son ligeramente mayores que el de los alcanos.
4. Densidad: un poco más alta que la de los alcanos.
5. Solubilidad: la solubilidad de los alquenos en agua, aunque débil, es considerablemente más alta que la de los alcanos, debido a que la concentración de los
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electrones en el doble enlace, produce una mayor atracción del extremo positivo
del dipolo de la molécula de agua.
Propiedades químicas
1. Combustión: en presencia del calor producido por una llama, los alquenos
reaccionan con el oxígeno atmosférico, originando dióxido de carbono gaseoso
y agua. Esto constituye una combustión completa. En la reacción se libera gran
cantidad de calor.
2. Hidrogenación: adición de una molécula de hidrógeno (H 2 ó H-H)
Los alquenos al ponerlos en contacto con el hidrógeno (H 2) en presencia de un
catalizador tal como el Pt, Pd o Ni finalmente divididos, dan origen a alcanos, es
decir, el doble enlace se rompe.
3. Halogenación: pueden sufrir la adición de una molécula de halógeno (X 2, donde
X es F, Cl, Br ó I).
3. Alquinos
Los alquinos son hidrocarburos alifáticos que poseen un triple enlace entre dos átomo
de carbonos adyacentes. El triple enlace es un punto reactivo o un grupo funcional y
es el que determina principalmente las propiedades de los alquinos. Los alquinos
también se conocen como hidrocarburos acetilénicos, debido a que el primer
miembro de esta serie homóloga es el acetileno o etino.
Propiedades físicas
1. Estado Físico: son gases hasta los que tienen hasta 5 carbonos, líquidos los
que tienen hasta 15 y luego el resto son sólidos
2. Puntos de Ebullición: son más altos que los de los correspondientes alquenos
y alcanos
3. Puntos de Fusión: se puede decir lo mismo que para el punto de ebullición
4. Densidad: igual que en los casos anteriores
5. Solubilidad: se disuelven en solventes no polares
Propiedades químicas
El triple enlace es menos reactivo que el doble enlace. Por ello observamos que se
producen:
1. Combustión: en presencia de calor producido por una llama, los alquinos reaccionan
con el oxígeno atmosférico, originando dióxido de carbono gaseoso y agua, lo cual
constituye una combustión completa. En la reacción se libera gran cantidad de calor.
2. Hidrogenación: la hidrogenación catalítica (Ni, Pt, Pd) conduce primero a la
formación de un alqueno y luego a la del alcano correspondiente.
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3. Halogenación: los alquinos en presencia de un catalizador reaccionan con dos
moléculas de halógeno, originando los tetrahaluros de alquilo.
4. Adición de haluros de hidrógeno (HCl, HBr): la adición de haluros de hidrógeno al triple enlace, conduce a la formación de dihalurogeminal.
5. Adición de agua: se utiliza para formar etanal (aldehído con dos átomos de
carbono), el cual puede oxidarse luego a ácido acético (ácido orgánico con dos
átomo de carbono). La reacción se lleva a cabo utilizando H 2SO4 y HgSO4 como
catalizadores. La adición de agua a otros alquinos no origina aldehídos, sino
cetonas, ya que el –OH se fija al carbono menos hidrogenado.
6. Los alquinos como ácidos: los metales alcalinos como el Na y K desplazan
los hidrógenos del acetileno (hidrógenos ácidos). Los alquinos terminales forman
también derivados metálicos con plata e iones cuprosos. Dada las características
del enlace metal-carbono en los alquilaros de plata y cobre se los reconoce como
bases débiles. Estas reacciones se usan para reconocer el etino y demás alquinos
con triple enlace terminal.
7. Oxidación de los alquinos: cuando los alquinos se tratan con el reactivo Bayer
sufren una ruptura oxidativa en forma similar a la que se produce en los alquenos.
Los productos de la reacción (después de la acidificación) son ácidos carboxílicos
fáciles de identificar. Esta reacción permite localizar la posición del triple enlace en
un alquino.
8.2. Hidrocarburos aromáticos
El benceno es el primer miembro de una serie de hidrocarburos llamados aromáticos. Este nombre se deriva del hecho de que los primeros miembros descubiertos,
poseían olores característicos; sin embargo, existen dentro de la serie sustancias
prácticamente inodoras y otras de olor desagradable.
El benceno tiene fórmula molecular C6H6. La molécula es plana de forma hexagonal con un átomo de carbono en cada vértice unido a un átomo de hidrógeno por
enlace covalente simple. Es una molécula muy insaturada. El benceno es un híbrido
de resonancia, es decir, los electrones de valencia que conforman los enlaces pueden
distribuirse de diferente manera sin alterar la posición relativa de los átomos. Por esto
se dice que la fórmula que mejor lo representa es la de un hexágono con un círculo
central, que recuerda la hibridación de resonancia.
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Propiedades físicas
1. Estado Físico: es un líquido a temperatura ordinaria, incoloro y con olor aromático.
2. Solubilidad: insoluble en agua, pero soluble en solventes orgánicos no polares
a 5,5°C.
3. Densidad: su densidad es de 0,874 g/ml a 20°C, es decir más liviano que el agua.
Propiedades químicas
1. Halogenación: el cloro y el bromo producen derivados de sustitución en el
benceno, en presencia de AlCl3 o Fe como catalizadores. Los derivados halogenados del benceno se denominan haluros de arilo.
2. Nitración: el benceno reacciona lentamente con ácido nítrico concentrado
produciendo nitrobenceno. La reacción es mucho más rápida si se lleva a cabo
calentando el benceno con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados.
3. Sulfonación: el benceno reacciona con ácido sulfúrico con un exceso de SO3 (ácido
sulfúrico fumante) a temperatura ambiente, produciendo ácido bencenosulfónico.
4. Alquilación: esta reacción consiste en sustituir un hidrógeno del anillo bencénico por un radical alquilo, usando cloruro de aluminio (AlCl3) como catalizador.
Esta reacción se utiliza para obtener homólogos del benceno.
8.2.1. Nomenclatura
En los orígenes de la química, los compuestos orgánicos eran nombrados por sus
descubridores. La urea recibe este nombre por haber sido aislada de la orina.
El ácido barbitúrico fue descubierto por el químico alemán Adolf von Bayer, en
1864. Se especula que le dio este nombre en honor de una amiga llamada bárbara.
La ciencia química fue avanzando y el gran número de compuestos orgánicos
descubiertos hicieron imprescindible el uso de una nomenclatura sistemática.
En el sistema IUPAC de nomenclatura un nombre está formado por tres partes:
prefijos, principal y sufijos;
principal
|
prefijo –– metilheptano –– sufijo
Los prefijos indican los sustituyentes de la molécula; el sufijo indica el grupo funcional
de la molécula; y la parte principal el número de carbonos que posee. Los alcanos se
pueden nombrar siguiendo siete etapas:
Regla 1. Determinar el número de carbonos de la cadena más larga, llamada cadena
principal del alcano. Obsérvese en las figuras que no siempre es la cadena horizontal.
Elección de la cadena principal
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El nombre del alcano se termina en el nombre de la cadena principal (octano) y va
precedido por los sustituyentes.
Regla 2. Los sustituyentes se nombran cambiando la terminación –ano del alcano del
cual derivan por –ilo (metilo, etilo, propilo, butilo). En el nombre del alcano, los sustituyentes preceden al nombre de la cadena principal y se acompañan de un localizador
que indica su posición dentro de la cadena principal. La numeración de la cadena principal se realiza de modo que al sustituyente se le asigne el localizador más bajo posible.
Regla 3. Si tenemos varios sustituyentes se ordenan alfabéticamente precedidos por
lo localizadores. La numeración de la cadena principal se realiza para que los sustituyentes en conjunto tomen los menores localizadores.
Si varios sustituyentes son iguales, se emplean los prefijos di, tri, tetra, penta, hexa,
para indicar el número de veces que aparece cada sustituyente en la molécula. Los
localizadores se separan por comas y debe haber tantos como sustituyentes.
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Los prefijos de cantidad no se tienen en cuenta al ordenar alfabéticamente.
Regla 4. Si al numerar la cadena principal por ambos extremos, nos encontramos a
la misma distancia con los primeros sustituyentes, nos fijamos en los demás sustituyentes y numeramos para que tomen los menores localizadores.
Regla 5. Si al numerar en ambas direcciones se obtienen los mismos localizadores, se
asigna el localizador más bajo al sustituyente que va primero en el orden alfabético.
Regla 6. Si dos a más cadenas tienen igual longitud, se toma como principal la que
tiene mayor número de sustituyentes.
Regla 7. Existen algunos sustituyentes con nombres comunes aceptados por la
IUPAC, aunque se recomienda el uso de la nomenclatura sistemática.
Los nombres sistemáticos de estos sustituyentes se obtienen numerando la cadena
comenzando por el carbono que se une a la principal. El nombre del sustituyente se
forma con el nombre de la cadena más larga terminada en –ilo, anteponiendo los
nombres de los sustituyentes, que tenga dicha cadena secundaria, ordenados alfabéticamente. Veamos un ejemplo:
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En caso de los alquenos y alquinos se aplican las mismas reglas salvo que: se
cambia la terminación ano por eno o ino respectivamente. La ubicación del o los
múltiples(dobles o triples) enlaces se indican mediante un prefijo numérico que
designa el número del átomo de carbono que es parte del doble o triple enlace y
está más próximo a un extremo de la cadena. La cadena se numera siempre a partir
del extremo que nos lleva más pronto al doble o triple enlace y que por tanto da el
prefijo numérico más pequeño.
No. de carbonos
Fórmula
Nombre
1
CH4
Metano
2
CH3-CH3
Etano
3
Ch3-Ch 2-CH3
Propano
4
CH3-CH2-CH2-CH3
Butano
5
CH3-(CH2)3-CH3
Pentano
6
CH3-(CH2)4-CH3
Hexano
7
CH3-(CH2)5-CH3
Heptano
8
CH3-(CH2)6-CH3
Octano
9
CH3-(CH2)7-CH3
Nonano
10
CH3-(CH2)8-CH3
Decano
8.3. Grupos funcionales
La reactividad de los compuestos orgánicos se puede atribuir a átomos o grupos de
átomos específicos dentro de una molécula. El sitio de la molécula donde se ubica el
grupo responsable de esta reactividad recibe el nombre grupo funcional que confiere
características específicas a una molécula y gobierna el comportamiento o funcionamiento de la misma.
Cada grupo funcional sufre reacciones características, es decir, cada clase definida de grupo funcional sufre los mismos tipos de reacciones en todas las moléculas,
cualquiera sea el tamaño o complejidad de la molécula.
Podemos suponer que las moléculas orgánicas, están compuestas por grupos
funciones unidos a uno o más grupos alquilo. Estos grupos alquilos, constituidos por
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enlaces sencillos C–C y C–H, son las partes menos reactivas de las moléculas orgánicas y se suele emplear el símbolo R para representar cualquier grupo alquilo: metilo,
etilo, etc. Si hay dos o más grupos alquilo diferentes en una molécula, se les designa
como R, R’, R’’, y así sucesivamente.
8.3.1. Grupos funcionales que contienen oxígeno
Incluyen a los alcoholes (––OH), aldehídos (––CH=O), cetonas (>C=O),éteres (R–O–
R), ácidos carboxílicos (–COOH), ésteres (R–C=O–R) y tioésteres (R–C=O–SR).
1. Alcoholes
Los alcoholes se obtienen como derivados de hidrocarburos en los que uno o más
hidrógenos de sus progenitores son reemplazados por un grupo funcional hidroxilo
(OH). El nombre de estos compuestos se obtiene agregando, a la terminación del
nombre del hidrocarburo que le da origen, la letra l u ol, según sea el caso.
La función alcohol aparece frecuentemente formando parte de los carbohidratos,
los aminoácidos, los lípidos y numerosos intermediarios metabólicos. Serían algunos
ejemplos de ellos, el monosacárido glucosa, el aminoácido serina, el glicerol derivado
de la hidrólisis de las grasas y el intermediario metabólico lactato, el colesterol, etc.
En muchas biomoléculas se encuentran presentes varios grupos funcionales, ya
sea del mismo o de diferente tipo. En cuanto al grupo funcional alcohol, su presencia
en las moléculas les confiere propiedades como:
a) La solubilidad en agua: las moléculas de los alcoholes son solubles en agua,
pues la presencia del –OH les confiere polaridad y si la cadena carbonada no es
muy larga, las hace muy solubles en agua, por ejemplo el etanol: CH3–CH2–OH o
la glucosa: HO–CH2–(CH–OH)4–CH=O; en cambio en moléculas de gran tamaño
donde el grupo o grupos alcohol son tan sólo componentes pequeños (caso del
colesterol) la solubilidad es mucho menor o directamente no son solubles en agua;
b) Capacidad para reaccionar con ácidos y generar ésteres: como ser la formación de los ésteres fosfasto tal es el caso de la glucosa 6-fosfato.
c) La posibilidad de generar éteres por la deshidratación;
d) La generación de aldehídos y cetonas mediante la deshidrogenación enzimática
o sea, su oxidación.
De acuerdo con el carbono que porta la función alcohol, los alcoholes se clasifican
en primarios, secundarios o terciarios. Si el grupo OH está en un carbono que se
encuentra unido solamente a otro carbono; el carbono es primario y el alcohol también.
Si el OH está en un carbono unido a otros dos carbonos, el carbono es secundario
y el alcohol también. Finalmente, los alcoholes terciarios están en carbonos unidos a
tres carbonos más.
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También pueden clasificarse en monoles, dioles o trioles según la cantidad de
grupos funcionales OH contenga un compuesto en su molécula.
2. Éteres
La reacción de dos grupos alcohol (OH) con la salida de una molécula de agua,
genera el grupo funcional éter que no es muy frecuente en las biomoléculas, pero
que tiene una modalidad especial cuando se hace entre dos monosacáridos, creando
así el enlace glucosídico (R1––O––R2) que es la unión fundamental en la estructura de
los oligosacáridos y los polisacáridos.
3. Aldehídos y cetonas
El grupo específico que contiene el doble enlace C=O recibe el nombre de grupo
carbonilo. Este grupo en conjunto con los átomos unidos del grupo define varios
grupos funcionales importante entre ellos están: el grupo función aldehído
(R–CH=O) y el grupocetona (>C=O).Cuando el grupo carbonilo se encuentra en un
carbono primario (carbono terminal) se constituye un aldehído y cuando el carbonilo
está en un carbono secundario corresponde a una cetona. Este grupo de compuestos
se obtiene de la oxidación cuidadosa y regulada de alcoholes, la cual no debe ser
total pues de ser así se obtendría CO2 y H2O. Son ejemplos de cetonas: la acetona
(CH3–C=O–CH3), un cuerpo cetónico, y la dihidroxiacetona (HO–CH2–C=O–CH2–OH)
una triosa fosfato de la glucólisis.
Muchos compuestos naturales poseen grupos funcionales aldehído y/o cetona,
por ejemplo se los encuentran en los azúcares simples, monosacáridos y disacáridos; así como en varios de sus intermediarios metabólicos.
En las reacciones metabólicas de las células, los aldehídos se producen por la deshidrogenación (pérdida de un átomo de hidrógeno) de un alcohol primario y las cetonas
se producen por la deshidrogenación de un alcohol secundario; los alcoholes terciarios
no tienen hidrógenos que quitarles y por lo tanto no sufren estatransformación.
4. Ácidos carboxílicos
Una de las características del grupo carbonilo es su capacidad reductora, es decir,
puede reducir a otras moléculas y cuando lo hace, él mismo se oxida. Es así que la
oxidación de los aldehídos genera ácidos carboxílicos, o sea:
R–CH=O → R–COOH
El carboxilo (R–COOH) es el grupofuncional ácido orgánico y se encuentra en
moléculas muy características como los ácidos grasos, formados por una cadena
larga de carbonos con un carboxilo terminal; como la cadena puede ser muy larga,
resulta cómodo abreviarla, así en el ácido oleico: CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)7–COOH.
Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles que se encuentran ampliamente distri-
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buidos en la naturaleza, se obtienen por oxidación de alcoholes en los que el grupo
OH está unido a un grupo CH2.
Los ácidos orgánicos tienen la característica principal de todos los ácidos, que es
ceder iones hidrógeno (H+) en solución; en una reacción reversible de ionización se
expresaría como sigue:
R–COOH → R–COO - + H + en donde se ve que al ionizarse el carboxilo pasa a la forma sal o carboxilato con una
carga negativa, que es como se encuentran normalmente en los organismos vivos
pues el pK de la reacción de ionización es de 4 a 5; mientras que el pH normal de las
células y los organismos vivos es cercano a la neutralidad.
Los ácidos carboxílicos y también los ácidos inorgánicos tienen la propiedad de
formar anhídridos cuando dos moléculas de ácido se condensan entre sí mediante la
salida de una molécula de agua. El ejemplo más notable de este grupo funcional es el
anhídrido del ácido fosfórico:
H 3PO 4 + H 3PO 4 → H 2PO 2–O–H2PO 3 + H 2O
cuya presencia en la cadena de fosfatos del adenosina trifosfato o ATP, le confiere a
esta molécula un alto contenido de energía de hidrólisis con 7.3 Kilocalorías/mol en
cada uno de los dos enlaces fosfo-anhídrido y que la hacen de empleo universal en la
transferencia de energía en los seres vivos.
5. Ésteres
Los ácidos orgánicos al reaccionar con los alcoholes formando ésteres:
R1–COOH + R 2–OH → R 1–C = O–O–R2 (un éster) + H 2O
El ejemplo más típico de esta reacción es cuando el ácido acético reacciona con
etanol para dar el éster acetato de etilo:
CH3–COOH + HO–CH2–CH3 → CH3–C = O–O–CH2–CH3 + H 2O
Un grupo funcional frecuente en el metabolismo es el éster fosfato que se forma por la
reacción de un grupo alcohol con el ácido fosfórico y que encuentra muchos ejemplos
en los metabolitos de vías importantes, como en la glucólisis, el ciclo de las pentosas
y el metabolismo del glucógeno, en donde representa un estado de activación inicial
de las moléculas. En otro caso relevante, el ácido fosfórico es la parte central que
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forma dos ésteres contiguos, dando lugar al enlace fosfodiéster: (R–O–PO2–O–R) que
es fundamental en la estructura de los ácidos nucleicos RNA y DNA pues constituye el
enlace entre los nucleótidos.
En forma análoga a lo que ocurre con los alcoholes, los tioles reaccionan con los
ácidos orgánicos mediante la salida de una molécula de agua, para formar el grupo
tioéster que es un grupo de alta energía a la hidrólisis. Un ejemplo de estos grupos es
la molécula de acetil coenzima-A que es un intermediario metabólico muy relevante
puesto que es el alimentador principal del ciclo de Krebs: CH3–CO–ScoA.
8.3.2. Grupos funcionales que contienen nitrógeno
Entre los grupos funcionales que contienen nitrógeno se encuentran las amidas R–
CO–NH2 y las aminas (R–NH2) que al igual que los alcoholes pueden ser primarias,
secundarias y terciarias. Las aminas que contienen un átomo de hidrógeno unido a un
nitrógeno sufren reacciones de condensación con los ácidos carboxílicos para formar
amidas (en las que el OH de un carboxilo es substituido por amoníaco).
Tenemos entre las biomoléculas numerosos ejemplos de aminas como las que se
encuentran en los aminoácidos y que en el pH cercano a la neutralidad de los tejidos
vivos se encuentran formando un ión con carga positiva (catión).
Tanto el grupo amino como el carboxilo de los aminoácidos reaccionan entre sí
para formar el enlace peptídico (R1–CH–(CO–NH)–CH–R2), enlace tipo amida que se
establece entre el carboxilo y el amino de dos aminoácidos contiguos y es de gran
importancia en la estructura primaria de las proteínas.
Se acostumbra también enlistar como grupos funcionales alquilo, al metilo (–CH3)
y al etilo
(–CH2–CH3) cuando su posición característica en la molécula les da importancia
en la función de la misma. Así también se señala al grupo aromático fenilo que es
un benceno (CH)6 unido a la biomolécula en cuestión y que establece en ella su
característica de región hidrofóbica. El grupo fenilo es prominente en los aminoácidos
fenilalanina y tirosina.
Grupo funcional
Fórmula general
Sufijo de función
Alcohol
R–OH
–ol
Éter
R–O–R
–éter (oxi)
Aldehído
R–CHO
–al
Cetona
R–CO–R’
–ona
Ácido carboxílico
R–COOH
–oico
Éster
R–COO–R’
–oato
Amina
R–NH2
–amina
Amida
R–COO–NH2
–amida
Programa de Ingreso UNL / Curso de Articulación Disciplinar: Fisicoquímica
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Fisicoquímica biológica / Unidad 8. Química del carbono. Hidrocarburos y grupos funcionales
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