4. química del carbono.
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QUÍMICA DEL CARBONO 4. QUÍMICA DEL CARBONO. 4.1. FÓRMULA QUÍMICA. El número atómico del carbono es seis, contiene en su núcleo seis protones mientras seis electrones se distribuyen en orbitales a su alrededor. Su configuración electrónica es 1s2 2s22p2. Pertenece al segundo periodo, tiene cuatro electrones de valencia y su valencia es cuatro. Las cuatro valencias del carbono siempre forman cuatro enlaces, que pueden distribuirse: • Cuatro enlaces simples. Los electrones se Habitualmente el carbono se une, desaparean en los cuatro mediante un enlace simple a cuatro orbitales que se hibridan en átomos distintos. El orbital 2s y los cuatro orbitales sp3 tres orbitales 2p se mezclan para formar cuatro orbitales sp3 dirigidos hacia los vértices de un tetraedro. Los enlaces del carbono tienen esa misma distribución • Dos enlaces simples y uno doble. Si Se hibridan el orbital s y dos se mezcla el orbital 2s y dos orbitales p en tres orbitales orbitales sp2, queda un orbital p sin 2p se obtienen tres orbitales sp2, dirigidos hacia los hibridar vértices de un triándulo equilátero y queda un orbital p perpendicular. Ese orbital p, y uno de los híbridos, forma un enlace doble, mientras que los restantes híbridos forman enlaces simples. La estructura obtenida es triangular 40 PROYECTO ANTONIO DE ULLOA QUÍMICA DEL CARBONO • Dos enlaces dobles: La mezcla del Se hibridan el orbital s y un orbital 2s y el orbital 2p produce dos orbitalp en dos orbitales sp, orbitales sp, uno opuesto al otro, quedan dos orbitales p sin quedando hibridar dos perpendiculares orbitales entre sí a p los orbitales híbridos. Cada orbital sp, con un orbital p, forma un enlace doble a cada lado del átomo de carbono, resultando una molécula lineal • Un enlace simple y otro triple. La Se hibridan el orbital s y un mezcla del orbital 2s y el orbital 2p orbitalp en dos orbitales sp, produce quedan dos orbitales p sin dos orbitales sp, uno opuesto al otro, quedando dos hibridar orbitales p perpendiculares entre sí a los orbitales híbridos. Un orbital sp, con los orbitales p, forma un enlace triple a un lado del átomo de carbono, al otro lado, el orbital sp restante forma un enlace simple. Resulta una molécula lineal Una propiedad única del átomo de carbono es la estabilidad del enlace que se produce entre átomos de carbono. Los átomos de carbono se unen entre sí mediante enlaces simples, dobles o triples, lo suficientemente difíciles de romper como para que la unión sea estable, pero lo suficientemente lábiles como para que puedan deshacerse. Gracias a esta característica forman largas cadenas que pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas que son la base de todas las sustancias biológicas. PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 41 QUÍMICA DEL CARBONO Gracias a la propiedad del carbono de formar cadenas, se conocen tantos compuestos derivados del carbono compuestos existen de los restantes elementos químicos. 4.2. HIDROCARBUROS. Los compuestos de carbono más simples son los hidrocarburos, formados por carbono e hidrógeno. Constan de una cadena de átomos de carbono enlazados y, como terminaciones de los enlaces alcanos que no forman la cadena, átomos de hidrógeno. Si entre los átomos de carbono sólo existen enlaces simples, se denominan alcanos. Si hay enlaces dobles, los hidrocarburos se llaman alquenos u alquenos olefinas. Cuando hay enlaces triples reciben el nombre de alquinos. Alcanos, alquenos y alquinos reciben el nombre conjunto de hidrocarburos alquinos alifáticos Como los alcanos sólo contienen enlaces simples, se dice que son hidrocarburos saturados. En los alquenos y alquinos existen enlaces dobles o triples y se dice que son hidrocarburos insaturados. Una insaturación es la posibilidad de agregar dos átomos de hidrógeno. Un doble enlace es una insaturación, ya que a cada átomo de carbono del doble enlace se le puede unir un hidrógeno. Dos dobles enlaces son dos insaturaciones, pero también lo es un triple enlace: si añadimos dos hidrógenos el triple pasa a ser doble, que también puede sustituirse por otros dos hidrógenos Los hidrocarburos aromáticos son hidrocarburos cíclicos poliinsaturados. El más simple de todos es el benceno. La forma más simple de escribir la fórmula del benceno consiste en un anillo en el que los enlaces dobles se 42 PROYECTO ANTONIO DE ULLOA QUÍMICA DEL CARBONO alternan con los sencillos. Pero las pruebas experimentales demuestran que esto no es así, los enlaces entre los seis átomos de carbono son iguales, intermedios entre enlaces dobles y simples. Una forma de explicarlo es considerar que los enlaces dobles cambian de lugar rápidamente a lo largo del anillo de carbono Los restantes hidrocarburos aromáticos derivan del benceno, bien por unión o fusión de anillos de benceno, bien por la unión a los anillos aromáticos de cadenas alifáticas. 4.3. NOMBRES Y FÓRMULAS. El nombre de los hidrocarburos alifáticos consta de un Cadena Prefijo met1 prefijo que indica el número de átomos de carbono que et2 tiene la cadena alifática y un sufijo que revela el tipo de prop3 hidrocarburo del que se trata. but4 pent5 Cuando hay varios enlaces dobles o hex6 Enlaces Sufijo hept7 Simples -ano triples, como antes, se anteponen Dobles -eno números de los carbonos iniciales, y oct8 Triple -ino non9 sufijo se le antepone adi, atri, dec10 atetra... dependiendo si hay dos, tres, cuatro... enlaces undec11 múltiples. Si la cadena es cíclica, el nombre es igual al dodec12 tridec13 la cadena lineal, pero se debe anteponer el prefijo ciclo. eicos20 uneicos21 No sólo los hidrocarburos aromáticos son cíclicos, los al de muchos otros compuestos biológicos son cíclos o heterociclos, es decir, ciclos que sustituyen un átomo de carbono por un átomo de oxígeno o uno de nitrógeno. Proteínas, azúceres y ácidos nucleicos se basan en heterociclos. Los ciclos suelen representarse por su forma geométrica. En los hidrocarburos alifáticos con cadena ramificada hay que seguir tres pasos: PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 43 QUÍMICA DEL CARBONO 1. Elegir la cadena principal. Si no hay insaturaciones, se elige la cadena con mayor número de átomos de carbono. Si hay insaturaciones, la cadena principal será la que contenga mayor número de insaturaciones. 2. Numerar la cadena principal. Si hay insaturaciones, se empieza a numerar la cadena de forma que las insaturaciones tengan los números más bajos. Debemos numerar la cadena de forma que al primer carbono del doble enlace le corresponda el número más bajo. Por eso, a la derecha, se numera 1-penteno, y no 4-penteno Si no hay insaturaciones, la numeración ha de empezar por el extremo más próximo a una ramificación. 3. Nombrar la cadena. En primer lugar se nombran, por orden alfabético, las ramificaciones, y después la cadena principal. Delante del nombre de cada radical, un número indica el átomo de la cadena de principal al que se une. Cada radical se nombra como una hidrocarburo alifático, sólo que el primer átomo es siempre el que se une a la cadena principal y se le añade la terminación -il o -ilo. 4.4. RADICAL. La mayoría de los compuestos de carbono no son hidrocarburos, sino compuestos que contienen otros tipos de átomos. Es precisamente la parte no formada por hidrógeno y carbono la que le da a los compuestos orgánicos sus propiedades químicas, recibiendo el nombre de grupo funcional. 44 PROYECTO ANTONIO DE ULLOA QUÍMICA DEL CARBONO Un compuesto de carbono consta de dos partes, una cadena de hidrocarburo o radical (R) y un grupo funcional responsable de sus propiedades químicas. Aunque, como es lógico, una cadena puede tener más de un grupo funcional. Los constituyentes de las proteínas son sustancias con, al menos, dos grupos funcionales: Un grupo amino y un grupo ácido carboxílico: los aminoácidos. Con veinte aminoácidos distintos, se construyen los millones de proteínas diferentes que aparecen en los seres vivos. Alanina Valina Treonina Cisteína Leucina Isoleucina Asparragina Glutamina Prolina Metionina Tirosina Ácido aspártico Fenilalanina Triptófano Ácido glutámico Lisina Glicina Serina Arginina Histidina PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 45 QUÍMICA DEL CARBONO Como las propieades químicas derivan del grupo funcional, siendo modificadas por la cadena de hidrocarburo a la que se encuentra unido, se pueden establecer series homólogas, que consisten en compuestos con el mismo grupo funcional, pero en los que la cadena carbonada aumenta en un átomo de carbono de una sustancia a otra. Las cadenas de átomos de carbono son todas similares y tendrán propiedades muy parecidas, sólo cambiando por el tamaño de la cadena. Son los Ácido etanóico grupos funcinales, que tienen átomos distintos y en distinto orden, los que determinan las propiedades químicas de Etanol las sustancias orgánicas. A la hora de nombrar las sustancias orgánicas, además de un sufijo que indica el grupo funcional del que se trata, es preciso elegir siempre la cadena de carbono que contenga al grupo funcional, al que se le debe asignar el número más bajo posible. Si hay más de un grupo funcional, sólo uno es principal y dirige la nomenclatura de la sustancia, los restantes se nombran como sustituyentes de la cadena carbonada. 4.5. GRUPOS FUNCIONALES. Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Alcohol R-OH -ol hidroxi Tanto el metanol (alcohol metílico o alcohol de madera CH3OH) como el etanol (alcohol etílico CH3-CH2OH), que son los alcoholes más importantes económicamente, son sustancias incoloras, solubles en agua y que arden con facilidad. El 1,2-etanodiol (CH2OH-CH2OH), conocido también como glicol o etilenglicol, también soluble en agua, se emplea como anticongelante de motores. Otros alcoholes, con 16 o más átomos de carbono en su cadena, no son solubles en agua y forman parte de la cera de abeja. 46 PROYECTO ANTONIO DE ULLOA QUÍMICA DEL CARBONO Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Éter R-O-R' éter oxi El se llama dietil éter (CH3-CH2-O-CH2-CH3) o, simplemente, éter, tiene poder anestésico obteniéndose por deshidratación del etanol. Los éteres con cadenas de carbono pequeña son líquidos solubles en agua, químicamente estables, y se emplean como disolventes o para la purificación de alcaloides. Los poliéteres (-O-CH2-CH2-0-CH2-CH2-O-), cadenas que alternan dos carbonos y un oxígeno se emplean como detergentes no ónicos en los modernos deteregentes bactericidas. Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Aldehido R-CHO -al formil En los aldehídos, el carbono se une al oxígeno mediante un doble enlace y al hidrógeno mediante un enlace simple. Por eso se formulan CHO diferenciándolos del alcohol, en el que el oxígeno se une al carbono y al hidrógeno: C-O-H. El metanol (CH2O), o formaldehído, se emplea como desinfectante. Produce plásticos resistentes al calor y a los productos químicos. El etanal (CH3-CHO), o acetaldehído, es un compuesto intermedio muy importante en la industria química. Igualmente, cabe destacar que la glucosa, el azúcar más importante, es un aldehido polihidroxilado Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Cetona R-CO-R’ -ona oxo Las acetonas son resistentes a la oxidación y se emplean como disolventes orgánicos, aunque algunas cumplen un papel importantísimo en la fotosíntesis y en la respiración celular. PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 47 QUÍMICA DEL CARBONO La cetona más importante es la propanona (CH3-CO-CH3), o acetona, que se obtiene a partir del ácido etanoico (CH3-COOH) y se emplea como disolvente. Es la sustancia empleada para eliminar el esmalte de uñas. Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Ácido carboxílico R-COOH -oico carboxi El vinagre está formado a partir de ácido etanoico o ácido acético. Su importancia en todos los niveles, desde el culinario hasta el industrial, no admite dudas.El ácido metanoico (HCOOH), o ácido fórmico, es un componente de las secreciones venenosas de las hormigas, y de ahí el nombre de fórmico Los jabones, las grasas y las ceras contienen ácidos carboxílicos con cadenas de carbono grandes, con más de doce átomos de carbono. Los ácidos carboxílicos poliinsaturados han demostrado tener propiedades saludables para el control del colesterol. Grupo funcional Éster Fórmula Sufijo Sustituto R-COO-R’ -ato de R’ Siempre es principal Los ésteres se producen por la unión de un ácido carboxílico y un alcohol, es la forma habitual de encontrar ambos tipos de sustancias en la naturaleza, formando ceras cuando el alcohol es de cadena larga, o grasas, cuando el alcohol es el 1,2,3propanotriol (CH2OH-CHOH-CH2OH) o glicerina. El proceso por el que un ácido carboxílico y un alcohol se unen para formar un éster se denomina esterificación. El proceso inverso, usado para obtener jabones, se llama saponificación. El etanoato de etilo, o acetato de etilo se emplea como disolvente en cosméticaTanto el etanoato de etilo (CH3-CO-O-CH2-CH3)o acetato de etilo se emplea como disolvente en cosmética. Grupo funcional 48 Fórmula Sufijo PROYECTO ANTONIO DE ULLOA Sustituto QUÍMICA DEL CARBONO Amina R-NH2 -amina amino Las aminas son compuestos de carácter básico, solubles en agua, y de gran importancia biológica, como puede verse en las proteínas, que están formadas por aminoácidos. La N,N 2-hidroxietil 2-amino etanol ((HO-CH2-CH2-)3 N) o trietanolamina se emplea para preparar emulsiones de aceites en agua. Otras aminas se utilizan en la fabricación de plásticos o fibras artificiales, como el nylon, aunque su primera aplicación es en la obtención de colorantes artificiales. Grupo funcional Fórmula Sufijo Sustituto Amida R-CONH2 -amida carbamil Obtenidas por la acción del amoniaco sobre los ésteres u otros derivados de los ácidos carboxílicos. La urea (NH2-CO-NH2) es una diamida del ácido tetraoxocabónico(IV) (H2CO3), o ácido carbónico, en la que termina la degradación de los aminoácidos y que se elimina en la orina. Usadas en la fabricación de plásticos, las bases nitrogenadas que forman los ácidos nucleicos y muchos alcaloides se pueden considerar derivados de las amidas. 4.6. ISOMERÍA. Entre los compuestos orgánicos es habitual que sustancias diferentes, con propiedades diferentes tengan la misma composición química, la misma fórmula química: son isómeros. Hay varios tipos de isómeros • Isómeros de función. Aunque tienen la misma fórmula son sustancias que tienen distinto grupo funcional ácido butírico y el acetato de etilo. Al tener un grupo funcional distinto, sus propiedades son completamente diferentes. PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 49 QUÍMICA DEL CARBONO Ácido butírico • Acetato de etilo Isómeros de cadena. Presentan el mismo grupo funcional, pero unido a radicales que tienen distintas ramificaciones, como el ácido butanoico y el ácido 2-metil propanoico. Como el grupo funcional es el mismo, las propiedades químicas son muy similares Ácido butanoico • 2-metil propanoico Isómeros de posición. Se trata de compuestos con igual cadena de carbonos y el mismo grupo funcional, pero situado en una posición diferente. Es el tipo de isomería que ocurre entre el 2-pentanol y el 3-pentanol. Sus propiedades son tan similares que, a veces, es difícil separar los compuestos 2-pentanol 50 3-pentanol PROYECTO ANTONIO DE ULLOA QUÍMICA DEL CARBONO • Isómeros geométricos o diasteroisómeros. LLamada también isomería geométrica, se produce cuando hay dobles enlaces con sustituyentes en cada uno de los átomos de carbono que forman el doble enlace. Una parte de la molécula puede girar a lo largo de un enlace simple, como en un eje, pero el doble enlace impide el giro, y traba los sustituyentes que pueden estar en el mismo lado de la molécula, isómero cis, o en lados distintos, isómero trans. Se trata de productos con propiedades muy parecidas, casi idénticas. La forma cis, en la columna izquierda, es la que tiene los sustituyentes más cercanos • Isómeros ópticos o enantiómeros. Cuando un átomo de carbono está unido a cuatro sustituyentes diferentes, como en el cloro fluor metanol, los sustituyentes se pueden disponer en dos formas, una reflejo especular de la otra. Se trata de enantiómeros con las mismas propiedades físicas y químicas, salvo una, el giro de la luz polarizada, por lo que se conoce también como isomería óptica. Las proteínas sólo están formadas por los Laminoácidos, no los D-aminoácidos, algunos de los cuales tienen propiedades antibióticas. Como las manos de una persona, los isómeros ópticos o enantiómeros son reflejos especulares, y no pueden superponerse, se giren o volteen en cualquier sentido. PROYECTO ANTONIO DE ULLOA 51
