QUIMICA ORGÁNICA

Curso QUIMICA DE LOS MATERIALES PELIGROSOS
QUIMICA ORGÁNICA
Introducción
Hidrocarburos
La química orgánica trata de los compuestos del carbono.
Es una materia amplia, pues se han dado a conocer y
descrito en la bibliografía química casi medio millón de
compuestos orgánicos diferentes. Muchas de estas
sustancias han sido aisladas de la materia viva, y muchas
más se han sintetizado (fabricado) por los químicos en el
laboratorio.
Los hidrocarburos son compuestos que sólo contienen
átomos de carbono e hidrógeno. El más sencillo de todos es
el metano, CH4. Sus moléculas son tetraédricas; los 4
átomos de hidrógeno están situados en los vértices de un
tetraedro regular en torno al carbono, y unidos a éste por
enlaces sencillos. El metano, sustancia gaseosa, existe en
el gas natural y se usa como combustible. También se
emplea, en grandes cantidades, para la fabricación del
negro de humo, por combustión con cantidades limitadas de
aire:
CH4 + O2
2H2O + C
El metano arde, para formar agua, y el carbón se deposita
en forma muy finamente dividida, que se usa mucho como
relleno para el caucho de los neumáticos de automóvil.
El metano es el primer término de una serie de
hidrocarburos de fórmula general CnH2n+2, llamada serie del
metano o parafínica. Los primeros miembros de esta serie
son:
Serie del metano CnH2n+2
Metano, CH4
Etano, C2H6
Propano, C3H8
Butano, C4H10
Pentano, C5H12
Hexano, C6H14
Heptano, C7H16
Octano, C8H18, etc.
El nombre parafina significa que tiene poca afinidad. Los
compuestos de esta serie no son muy activos
químicamente. Existen en las mezclas complejas llamadas
petróleo. Las moléculas más pesadas que el metano están
caracterizadas por contener átomos de carbono unidos entre
sí por enlaces sencillos. El etano tiene la estructura
H
H
H
C
C
H
H
H
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Es un gas (p.e., -88°C) que se encuentra en grandes
cantidades como gas natural en algunos yacimientos. El
propano, tercer miembro de la serie, posee la estructura
H
H H
C
H
C
H
C
H
H
H
Y es un gas fácilmente licuable que se utiliza como
combustible.
Hidrocarburos con
dobles enlaces:
La sustancia etileno, C2H4, consta de moléculas
H
H
C=C
, en las que hay un doble enlace entre
H
H
los átomos de carbonos. Este doble enlace confiere a la
molécula una actividad química mucho mayor que la
correspondiente a las parafinas; p. ej., mientras que el
cloro, bromo y yodo no atacan a los hidrocarburos
parafínicos, reaccionan fácilmente con el etileno en una
forma que puede ser descrita diciendo que adicionan a los
dobles enlaces. Es decir, la molécula de cloro reacciona con
la de etileno para formar la sustancia dicloroetano:
H
H
Hidrocarburos con
varios dobles enlaces
Cl
C
C
H
Cl
H
Algunos productos naturales importantes son hidrocarburos
que contienen varios dobles enlaces; p. ej., la sustancia que
comunica el color rojo al tomate, llamada licopeno, es un
hidrocarburo no saturado, C40H56.
La molécula de esta sustancia contiene trece dobles
enlaces. Puede verse que once de éstos están relacionados
unos con otros de forma especial: alternando regularmente
con los enlaces sencillos. Una alternancia regular de simples
y dobles enlaces en una cadena de hidrocarburo se llama
sistema de dobles enlaces conjugados. La existencia de
esta característica estructural en una molécula le confiere
propiedades especiales, como poder de absorción de la luz,
dando lugar a que la sustancia sea coloreada.
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Otras sustancias amarillas y rojas, isómeras del licopeno,
con la misma fórmula C40H56, se llaman
- caroteno, ß – caroteno y otros nombres análogos. Estas
sustancias están presentes en la manteca, la leche, las
hojas verdes de los vegetales, los huevos, en el aceite de
hígado de bacalao, aceite de hipogloso, zanahoria, tomate y
en otras hortalizas y frutas. Son sustancias importantes,
puesto que sirven en el cuerpo humano como fuente de
vitamina A.
Hidrocarburos cíclicos
Un hidrocarburo cuya molécula contiene un anillo de átomos
de carbono se llama hidrocarburo cíclico. El ciclo - hexano,
C6H12, con la estructura
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
Es un representante de esta clase de sustancias. Es un
líquido volátil y de propiedades muy parecidas a las del
hexano normal (gasolina).
Existen muchas sustancias importantes cuyas moléculas
contienen dos o más anillos condensados. Una de estas
sustancias es el pineno, C10H16, principal constituyente de la
tementina.
La trementina es un aceite que se obtiene por destilación de
una resina semifluida exudada por los pinos.
El caucho es una sustancia orgánica, que se obtiene
principalmente a partir de la savia del árbol del caucho.
Hevea brasiliensis. El caucho consta de moléculas muy
largas, que son polímeros del isopreno, C5H8. La estructura
del isopreno es
H
H
H
C
C
C
CH3
C
H
H
Al benceno y a otros hidrocarburos de estructura análoga a
éste se los denomina hidrocarburos aromáticos. El benceno
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Lo obtuvo por vez primera Faraday, en la destilación de la
hulla. Durante muchos años, la estructura de la molécula del
benceno fue objeto de discusión. El químico alemán August
Kekulé sugirió que los seis átomos de carbono forman un
hexágono plano regular en el espacio, estando los seis
átomos de hidrógeno unidos a los de carbono y formando un
hexágono mayor. Kekulé sugirió que, a fin de que el átomo e
carbono muestre su tetravalencia normal, el anillo debe
contener tres simples y tres dobles enlaces en posiciones
alternas, como se indica a continuación. Una estructura de
esta suerte de llama estructura de Kekulé:
H
H
H
H
C
H
H
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
C
H
H
H
Pueden obtenerse otros hidrocarburos derivados del
benceno reemplazando los átomos de hidrógeno por grupos
metilo o similares. El alquitrán y el petróleo contienen
sustancias de esta clase, como tolueno, C7H8, y los tres
xilenos, C8H10. Estas fórmulas se escriben generalmente
así: C6H5CH3 y C6H4(CH3)2, para indicar las fórmulas
estructurales, mostradas a continuación:
CH3
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
Tolueno
Ortoxileno
(o-xileno)
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CH3
H
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
CH3
Metaxileno
(m-xileno)
Paraxileno
(p-xileno)
CH3
CH3
CH3
CH3
En estas fórmulas, el anillo bencénico de seis átomos de
carbono se muestra simplemente como un hexágono. Este
convenio es utilizado por los químicos orgánicos, quienes,
frecuentemente, no escriben los átomos de hidrógeno, sino
únicamente los otros grupos unidos al anillo.
Debe observarse que se pueden dibujar dos estructuras de
Kekulé para el benceno y sus derivados; p. ej., para el
ortoxileno, las dos estructuras de Kekulé son:
CH3
CH3
CH3
En la primera hay un doble enlace entre los átomos de
carbono a los que están unidos los grupos metilo, y en la
segunda hay un simple enlace en esta posición. Sin
embargo, a los químicos orgánicos de hace ochenta años
les fue imposible la separación de las dos sustancias –
isómeros – correspondientes a estas fórmulas. Con objeto
de explicar la imposibilidad de esta separación, sugirió
Kekulé que la molécula no retiene una estructura
determinada, sino que más bien pasa fácilmente de una a
otra. La moderna teoría de la estructura molecular dice que
estas dos estructuras no corresponden a formas separadas
de ortoxileno, y que ninguna de ellas por sí sola representa
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la molécula de manera satisfactoria; por otra parte, la
estructura de la molécula de ortoxileno es híbrida de estas
dos estructuras, en la que cada enlace entre dos átomos de
carbono en el anillo tiene un carácter intermedio entre un
simple y un doble enlace. Aún cuando se acepta esta
estructura de resonancia para el benceno y los compuestos
afines, por conveniencia se dibuja una de las estructuras de
Kekulé, o simplemente un hexágono, para representar la
molécula bencénica.
El benceno y sus derivados son sustancias muy
importantes. Se usan en la fabricación de productos
farmacéuticos,
explosivos,
reveladores
fotográficos,
plásticos, colorantes sintéticos y muchas otras sustancias; p.
ej., el trinitrotolueno, C6H2(CH3) (NO2)3, es un explosivo
importante (TNT), cuya estructura es:
CH3
O2N
H
NO2
H
NO2
Además del benceno y sus derivados, existen otros
hidrocarburos aromáticos, que contienen dos o más anillos
de átomos de carbono. El naftaleno, C10H8, es una
sustancia sólida con olor característico; se usa como
ingrediente de las bolas contra la polilla y en la fabricación
de colorantes y otros compuestos orgánicos.
Alcoholes y éteres
Un alcohol se obtiene reemplazando un átomo de hidrógeno
de un hidrocarburo por un grupo hidroxilo, - OH. Así, p. ej.,
el metano, CH4, da alcohol metílico, CH3OH, y el etano,
C2H6, alcohol etílico, C2H5OH. Para nombrar los alcoholes
se utiliza la terminación ol; así, el alcohol metílico se llama
metanol, y el etílico etanol.
El alcohol metílico se obtiene por destilación destructiva
seca de la madera, y a veces se conoce con el nombre de
alcohol de madera. Es una sustancia venenosa, cuya
ingestión produce la ceguera y la muerte. Se emplea como
disolvente y para la preparación de otros compuestos
orgánicos.
Pueden prepararse alcoholes que contienen dos o más
grupos hidroxilos, unidos a diferentes átomos de carbono. El
glicol etilénico, HOCH2 – CH2OH, se usa como disolvente y
como material anticongelante para los radiadores de
automóviles.
La
glicerina,
C3H5(OH)3,
es
el
trihidroxipropano (propanotriol), con la estructura
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H
H
H
H
C
C
C
OH
OH
OH
H
Los éteres son compuestos que se obtienen por
condensación de los alcoholes, con eliminación de agua. El
más importante es el éter dietílico o éter ordinario, (C2H5)2
O. se prepara tratando el etanol con ácido sulfúrico
concentrado, que actúa como agente deshidratante:
2C2H5OH
C2H5-O-C2H5 + H2O.
Se usa como anestésico general y como disolvente.
Un alcohol aromático importante es el fenol, C6H5OH, que
se obtiene del benceno reemplazando un átomo de
hidrógeno por un grupo hidroxilo. Es un agente bactericida,
empleado como desinfectante (ácido fénico).
Aldehidos y cetonas
Los alcoholes y éteres representan la primera etapa de
oxidación de los hidrocarburos. Una mayor oxidación
conduce a las sustancias llamadas aldehidos y cetonas. Los
aldehidos contienen el grupo
H
C
, y las cetonas, el grupo carbonilo, C=O
O
El aldehido más sencillo es el formaldehido, que puede
prepararse haciendo pasar vapor de alcohol metilico y aire
sobre un catalizador metálico caliente:
2CH3OH + O2
2HCHO + H2O
la fórmula estructural del formaldehido es
C=O. Esta
sustancia es gaseosa, con un fuerte olor irritante. Se utiliza
como desinfectante y antiséptico y en la fabricación de
plásticos, cuero y seda artificial.
El acetaldehido, CH3CHO, es una sustancia análoga que
se obtiene a partir del alcohol etílico.
Las cetonas tienen una estructura muy parecida: mientras
un aldehido contiene un grupo carbonilo, al que van unidos
un grupo alquílico y un átomo de hidrógeno (o dos átomos
de hidrógeno, en el caso del formaldehido), las cetonas
contienen un grupo carbonilo unido a dos radicales
alquílicos. Las cetonas son disolventes efectivos de los
compuestos orgánicos, y se emplean mucho en la industria
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química con este objeto. La acetona, (CH3)2CO, que es la
dimetilcetona, es la más importante y sencilla de estas
sustancias. Es un buen disolvente de la nitrocelulosa.
Acidos orgánicos y sus
éteres
Los ácidos orgánicos representan un estado de oxidación de
los hidrocarburos todavía mayor que los aldehidos y
cetonas; a saber el estado de oxidación de
O
una molécula que contiene el grupo
C
OH
Llamado grupo carboxilo, con propiedades de ácido débil; el
grado de ionización de este grupo, en la mayoría de los
ácidos orgánicos, es tal que corresponde a una constante de
equilibrio (constante de disociación ácida), cuyo valor oscila
entre 1 x 10-4 y 1 x 10-5, aproximadamente.
El ácido acético, segundo miembro de la serie homóloga de
los ácidos carboxílicos, tiene la fórmula CH3COOH y la
estructura siguiente:
OH
H
C=O
C
H
H
Es el constituyente ácido del vinagre. Se obtiene por
oxidación atmosférica del alcohol etílico, presente en el vino,
en la sidra y la cerveza, mediante la acción catalítica de
enzimas producidos por bacterias apropiadas.
Aminas y otros
compuestos orgánicos
Las aminas son derivados del amoníaco, NH3 y se obtienen
reemplazando uno o más de los átomos de hidrógeno por
radicales orgánicos. Los primeros términos, metilamina,
CH3NH2, dimetilamina, (CH3)2NH, y trimetilamina, (NH3)2N,
son gaseosos. Esta última tiene un pronunciado olor a
pescado, y muchas otras aminas también tienen olores
desagradables.
La anilina es el aminobenceno, C6H5NH2. Es un líquido
oleaginoso, incoloro, que con el tiempo adquiere un color
oscuro, en virtud de su oxidación a derivados coloreados. Se
emplea en la fabricación de colorantes y otros productos.
El cloroformo y el tetracloruro de carbono se usan como
disolventes; este último es un importante agente para la
limpieza en seco. El cloroformo también se emplea como
anestésico general.
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Al utilizar el tetracloruro debe tenerse cuidado de no respirar
cantidades considerables de su vapor, pues es perjudicial
para el hígado.
Hidratos de carbono,
azúcares y
polosacáridos
Los carbohidratos o glúcidos son sustancias que responden
a la fórmula general Cx(H2O)y. Son muy abundantes en la
Naturaleza. Los hidratos de carbono más sencillos se llaman
azúcares, y los complejos, que constan de moléculas muy
grandes, polisacáridos.
Un azúcar común es la D – glucosa (también llamado
dextrosa o azúcar de uva), C6H12O6. Existe en muchos frutos
y está presente en la sangre de los animales. Su fórmula
estructural (que no pone de manifiesto la configuración
espacial de los enlaces alrededor de los cuatro átomos de
carbono centrales) es:
H2C
OH
CH
OH
CH
OH
CH
CH
CH
OH
OH
O
La molécula contiene, pues, cinco grupos hidroxilo y uno
aldehido.
El azúcar ordinario, obtenido de la caña de azúcar y de la
remolacha azucarera, es la sacarosa, C12H12O11.
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