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Manual Teórico-Práctico de Química Orgánica y Biológica O H - - H O CHPO O O OH H 2 1' 2'3' 4' 5' H N N O O OH O H - - H O CHPO O O OH H 2 1' 2'3' 4' 5' H N N O O OH R OC R R C R O + _ I II Serie Monográfica y didáctica vol. 47 ISSN 0327-5868 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 28 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica Coordinador Dra. María Inés Isla Autores María Inés Isla Marta Victoria Quarenghi Roxana Mabel Ordoñez Iris Catiana Zampini Jorge Esteban Sayago María Rosa Alberto Berta Estela Juarez Emilio Lizarraga Docentes de la asignatura Elementos de Química Orgánica y Biológica. Facultad de Ciencias Naturales e Instituto Miguel Lillo. Universidad Nacional de Tucumán Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 29 Capítulo I Normas generales de seguridad en los laboratorios de Prácticas de Química NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD EN LOS LABORATORIOS DE PRÁCTICAS DE QUÍMICA Las actividades desarrolladas en un gran número de laboratorios suponen condiciones de trabajo claramente diferenciadas de las encontradas en otros ámbitos laborales o de estudio. Los laboratorios donde se realizan prácticas de química o ensayos biológicos revisten características de peligrosidad y factores de riesgo que requieren un tratamiento específico y diferencial. Muchos profesionales o estudiantes que desarrollan sus actividades en este tipo de laboratorios desconocen los riesgos a los que están expuestos y necesitan formación específica en materia de prevención de riesgos o accidentes. La seguridad y la salud de todas las personas que trabajan en los laboratorios implican, para determinadas operaciones, establecer normas e instrucciones de trabajo que cumplan con las disposiciones reglamentarias sobre manejo de agentes químicos y biológicos. Este capítulo pretende proporcionar una base que permita establecer criterios y prácticas de trabajo en el laboratorio en las que la actuación preventiva ayude a lograr un ámbito de trabajo más cómodo y seguro. OBJETIVOS • Concientizar y sensibilizar a los alumnos sobre la necesidad de buenas prácticas y procedimientos de trabajo en el laboratorio. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 28 28 • Conocer e identificar los riesgos a que el personal del laboratorio puede estar expuesto por el tipo de trabajo que realiza. • Proponer actuaciones para situaciones de emergencia o con necesidad de primeros auxilios. NORMAS Generales • No entrar en el laboratorio sin que esté presente el profesor o responsable. • Seguir las instrucciones del profesor o persona responsable. • Estudiar cada experiencia antes de llevarla a cabo. • El ingreso al laboratorio está prohibido a personas que no observen las medidas de bioseguridad. • Mantener una actitud responsable, no deben correr ni gritar. • No comer, beber o fumar en el laboratorio de prácticas. • Lavarse las manos antes y después de las prácticas de laboratorio. • No tocar los ojos, nariz o piel con las manos enguantadas. • No abandonar el laboratorio o caminar fuera del lugar de trabajo con los guantes puestos. • Emplear en todo momento las medidas de bioseguridad aquí expuestas. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 29 29 Orden • La zona de trabajo se mantendrá en perfectas condiciones de orden y limpieza, evitando la acumulación de libros, apuntes, carpetas, bolsas, recipientes de productos químicos y objetos inútiles. Cualquier derrame será limpiado inmediatamente. • Es imprescindible la limpieza del laboratorio, de su instrumental y utensilios, así como que esté ordenado. • Las sustancias tóxicas permanecerán en armario con llave. Vestimenta • El ingreso al laboratorio obligatoriamente se debe realizar con guardapolvo manga larga. Mantenerlos abrochados. • Llevar el pelo recogido. • No se deben llevar pulseras, colgantes, piercings o prendas sueltas. • No llevar sandalias o calzado que deje el pie al descubierto. • Las heridas se deben llevar cubiertas, aunque se utilicen guantes para trabajar. • Proteger las manos con guantes. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 30 30 • Usar gafas de seguridad para proteger los ojos. Hábitos de trabajo • Comprobar la ubicación del material de seguridad como extintores, duchas de seguridad, lavaojos, botiquín, etc. • Seguir el protocolo de trabajo marcado por el responsable de las prácticas. • Evitar mezclas que no sean las indicadas. • No oler las sustancias sin tomar precauciones. • No tocar ni probar los productos. • No trabajar nunca solo en el laboratorio. • No hacer actividades no autorizadas o no supervisadas. • No trabajar lejos de la mesa, ni colocar objetos en el borde. • Calentar los tubos de ensayo de lado, utilizando pinzas. No mirar al interior del tubo ni dirigir la boca del tubo hacia otro compañero ni hacia uno mismo. • En la dilución de ácidos, añadir siempre el ácido sobre el agua y no al revés, podría provocar una proyección sumamente peligrosa. • Verter la solución más concentrada en la menos concentrada para evitar reacciones violentas. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 31 31 • Asegurarse de que los materiales estén fríos antes de tomarlo con las manos. • Los recipientes de productos químicos deben cerrarse siempre después de su uso. • Al finalizar el trabajo asegurarse de la desconexión de aparatos, agua, gases, etc. • Desechar el material de vidrio que presente defectos y guardar las piezas defectuosas o piezas rotas en los bidones específicos. • No forzar la separación de vasos o recipientes que estén obturados unos dentro de otros. Se deben dar al responsable del laboratorio. • Evitar que las mangas/puños, pulseras, etc. estén cerca de las llamas. • Mantener el suelo del laboratorio siempre limpio y seco. • Colocar en el exterior de la puerta de entrada al laboratorio, una lista de los nombres y números de teléfono de oficinas, instituciones y personal del laboratorio con el que se debe entrar en contacto en caso de emergencia. Utilización de productos químicos • Manipular las sustancias que desprendan vapores, gases irritantes o mal olor, así como la incineración y calcinación de combustibles y/o inflamables, bajo la campana extractora. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 32 32 • Tener neutralizantes disponibles para cualquier emergencia: bicarbonato de sodio para los ácidos y ácido acético diluido para los álcalis. • Proteger la piel que esté expuesta a salpicaduras, roces u objetos expelidos. No se debe llevar pantalones cortos, faldas o sandalias en el laboratorio. • Al emplear la mezcla sulfocrómica, para limpiar el material de vidrio, realizar la limpieza en la campana extractora. • Bajo ninguna circunstancia se pipetearán sustancia alguna con la boca, para ello se utilizaran peras plásticas, propipetas o pipetas automáticas. Dispositivo de pipeteo: disminuye el riesgo de ingestión e inhalación de sustancias químicas peligrosas. • Antes de utilizar un determinado compuesto, asegurarse bien de que es el quese necesita; para ello leeremos, si es preciso un par de veces, el rótulo que lleva el frasco. • En el laboratorio está terminantemente prohibido: inhalar, oler o probar productos químicos. • No devolver nunca a los frascos de origen los sobrantes de los productos utilizados sin consultar al profesor. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 33 33 • No tocar con las manos, y menos con la boca, los productos químicos. • Los productos inflamables no deben estar cerca de fuentes de calor, como estufas, hornillos, radiadores, etc. • Al preparar cualquier disolución, se colocará en un frasco limpio y rotulado convenientemente. Almacenamiento • Destinar áreas específicas para productos químicos sólidos, líquidos o gaseosos, tomando en consideración el riesgo que representan, dentro del área del almacén. • Almacenar las sustancias químicas en sus envases unitarios originales y con las etiquetas firmemente adheridas al envase. • Comprar y almacenar los reactivos inflamables en recipientes pequeños. • Para almacenar los reactivos químicos, considerar las propiedades de éstos. En general tener en cuenta que: - Los ácidos, bases y materiales corrosivos se deben separar de las sustancias orgánicas inflamables. - Los materiales corrosivos se deben almacenar cerca del suelo para minimizar el peligro de caída, el área debe ser fría, seca y bien ventilada, alejada de la luz solar. - El área de almacenamiento no debe estar sometida a cambios bruscos de temperatura. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 34 34 Etiqueta • Rotular toda sustancia química y mantener un inventario actualizado de las mismas. • No utilizar ningún reactivo que no tenga etiqueta. • Se debe etiquetar los frascos y recipientes que contengan mezclas, identificando su contenido • Etiquetar apropiadamente las áreas de almacenamiento de materiales y mantener todos los productos químicos en contenedores rotulados. • Leer la etiqueta o consultar la ficha de datos de seguridad de los productos antes de su utilización, cuando sea necesario. -Nombre de la sustancia o del preparado. -Nombre, dirección y teléfono del fabricante o importador. -Símbolos, pictogramas e indicaciones de peligro para destacar los riesgos principales. -Frases R que permiten complementar e identificar determinados riesgos mediante su descripción. -Frases S que a través de consejos de prudencia establecen medidas preventivas para la manipulación y utilización. Derrames • Limpiar los derrames pequeños inmediatamente y abrir todas las ventanas. • Si se produce un derrame importante de sustancias químicas, avisar inmediatamente al responsable del laboratorio. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 35 35 • Si se derraman sustancias volátiles o inflamables, apagar inmediatamente los mecheros y los equipos que puedan producir chispas. Residuos • Para la eliminación de residuos utilizar los recipientes destinados a tal fin. • Si por cualquier causa hubiera que verter alguna disolución por el desagüe, debe neutralizarse previamente. • Como norma general no se podrá verter ninguna sustancia peligrosa por el desagüe. • Está prohibido desechar líquidos inflamables, tóxicos, corrosivos, peligrosos para el medio ambiente como material biológico por los sanitarios. • Los residuos sólidos y papeles de filtro usados no deberán arrojarse por la pileta. Accidentes ¡¡¡¡¡¡ En caso de accidente, avisar al responsable de las prácticas!!!!!!!!! • Salpicaduras en los ojos y sobre la piel lavarse con agua durante 10 o 15 minutos sobre todo si el producto es corrosivo o irritante, quitarse la ropa y objetos mojados por el producto. No intentar neutralizar el producto. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 36 36 • Quemaduras térmicas, lavar abundantemente con agua fría para enfriar la zona quemada. No quitar la ropa que se encuentra pegada a la piel. No romper las ampollas. • Intoxicación digestiva, tratarse en función del tóxico ingerido, para lo cual se debe disponer de información a partir de la etiqueta y de la ficha de datos de seguridad. Utilización del material de vidrio • Cuidado con los bordes y puntas cortantes de tubos u objetos de vidrio. Alisarlos al fuego. Mantenerlos siempre lejos de los ojos y de la boca. • El vidrio caliente no se diferencia a simple vista del vidrio frío. Para evitar quemaduras, dejarlo enfriar antes de tocarlo. • Las manos se protegerán con guantes o trapos cuando se introduzca un tapón en un tubo de vidrio. • Utilizar soportes y abrazaderas. • Usar grasa de silicona en todas las fijaciones y tapones de plástico para evitar atascos. Utilización de balanzas • Cuando se determinen masas de productos químicos con balanzas, se colocará papel de filtro sobre los platos de la misma y, en ocasiones, será necesario el uso de un "vidrio de reloj" para evitar el ataque de los platos por parte de sustancias corrosivas. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 37 37 • Se debe evitar cualquier perturbación que conduzca a un error, como vibraciones debidas a golpes, aparatos en funcionamiento, soplar sobre los platos de la balanza, etc. Baños calientes • Los baños no se deben llenar hasta el borde. • El vidrio que se utilice debe ser específico para soportar altas temperaturas. • Utilizar en todo momento un sistema de control de temperatura. Centrifugas • La carga debe ser repartida simétricamente. • El equipo debe disponer de un sistema de seguridad, de forma que no permita su accionamiento con la tapa abierta o mal cerrada. • El sistema de seguridad también debe impedir la apertura de la tapa siempre que esté en movimiento. • No detener manualmente la centrifuga, no destapar antes de que cese de girar. MANIPULACION DE SUSTANCIAS QUIMICAS Toda sustancia química es potencialmente peligrosa para la salud de quien la manipula. El peligro inherente a una sustancia química, se refiere a la capacidad intrínseca de dicha sustancia para generar un daño. Se define como sustancia química peligrosa, aquella que por sus propiedades físicas y químicas, al ser manejada, transportada, Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 38 38 almacenada o procesada, presenta la posibilidad de riesgos a la salud de las personas expuestas ya sea por contacto, inhalación de sus vapores, ingestión o bien, causar daños a las instalaciones o al medio ambiente (contaminación de aguas, daño a la flora o la fauna). Las sustancias químicas peligrosas se clasifican en categorías de peligrosidad con el símbolo correspondiente, según sus propiedades físicas y químicas que constituyen un riesgo para la salud y el medio ambiente: a) Explosivas: sustancias y preparados que pueden explosionar por el efecto de una llama o del calor, o que sean muy sensibles a los choques y a los roces. Símbolo : “E” Pictograma b) Comburentes: sustancias y preparados que en contacto con otros, particularmente con los inflamables, originan una reacción fuertemente exotérmica. Símbolo : “O” Pictograma c) Inflamables: sustancias y preparados cuyo punto de ignición es bajo. Símbolo : “F” Pictograma Extremadamente inflamables - Sustancias y productos químicos cuyo punto de ignición sea inferior a 0°C, y su punto de ebullición inferior o igual a 35°C.Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 39 39 Fácilmente inflamables: Se definen como tales: • Sustancias y preparados que, a la temperatura ambiente, en el aire y sin aporte de energía, puedan calentarse e incluso inflamarse. • Sustancias y preparados en estado líquido con un punto de ignición igual o superior a 0°C e inferior a 21°C. • Sustancias y preparados sólidos que puedan inflamarse fácilmente por la acción breve de una fuente de ignición y que continúen quemándose o consumiéndose después del alejamiento de la misma. • Sustancias y preparados gaseosos que sean inflamables en el aire a presión normal. • Sustancias y preparados que, en contacto con el agua y el aire húmedo, desprendan gases inflamables en cantidades peligrosas. Inflamables Sustancias y preparados cuyo punto de ignición sea igual o superior a 21°C e inferior a 55°C. d) Tóxicas: sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea pueden alterar la salud de un individuo. Símbolo : “T” Pictograma e) Corrosivas: sustancias y preparados que en contacto con el tejido vivo pueden ejercer una acción destructiva del mismo. Símbolo : “C” Pictograma Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 40 40 f) Irritantes : sustancias y preparados no corrosivos, que por contacto inmediato, prolongado o repetido con la piel o las mucosas pueden provocar una reacción inflamatoria. Símbolo:” Xi” Pictograma g) Peligrosas para el medio ambiente: sustancias y preparados que, en caso de contacto con el medio ambiente, pueden suponer un peligro inmediato o futuro para uno o más componentes del mismo Símbolo:” N” Pictograma h) Nocivas: sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea puedan entrañar riesgos de gravedad limitada. i) Cancerígenas: sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea puedan producir cáncer o aumento de su frecuencia. j) Teratogénicas: sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea puedan inducir lesiones en el feto durante su desarrollo intrauterino. k) Mutagénicas: sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea puedan producir alteraciones en el material genético de las células. l) Alérgicas: sustancias y preparados que, por inhalación o penetración cutánea, pueden ocasionar una reacción en el sistema Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 41 41 inmunitario, de forma que la exposición posterior a esa sustancia o preparado produzca una serie de efectos negativos característicos. EQUIPO DE PROTECCION PERSONAL - GAFAS PROTECTORAS Las gafas protectoras deben ser lo más cómodas posible, ajustándose a la nariz y la cara y no interferir en los movimientos del usuario. La entrada a zonas peligrosas, en las que se requiere protección ocular, debería anunciarse con símbolos. Debe utilizarse siempre protección ocular cuando se maneja: - Materiales criogénicos. - Sustancias cáusticas, irritantes o corrosivas. - Sustancias biológicas con riesgos para la salud. - Luz ultravioleta. - Sustancias químicas tóxicas. - Sustancias carcinógenas. - Materiales inflamables. - GUARDAPOLVO DE LABORATORIO El guardapolvo de laboratorio está diseñado para proteger la ropa y la piel de las sustancias químicas que pueden derramarse o producir salpicaduras. Debe llevarse siempre abrochado y cubrir hasta debajo de la rodilla. Existen diferentes tipos de guardapolvos de laboratorio recomendables para distintos tipos de protección: Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 42 42 • Algodón: protege frente a objetos "volantes", esquinas agudas o rugosas y es un buen retardante del fuego. • Lana: protege de salpicaduras o materiales triturados, pequeñas cantidades de ácido y pequeñas llamas. • Fibras sintéticas: protege frente a chispas, radiación infrarroja (IR) o ultravioleta (UV). Sin embargo, los guardapolvos de laboratorio de fibras sintéticas pueden amplificar los efectos adversos de algunos peligros del laboratorio. - GUANTES Además de actuar como barrera entre las manos y los materiales peligrosos, algunos guantes pueden absorber también la transpiración y proteger las manos del calor. Tipos de guantes: Los guantes deben seleccionarse en función del material a manipular y el riesgo particular que conlleve: • Plástico: Protege frente a sustancias corrosivas suaves y sustancias irritantes. • Látex: Proporciona una protección ligera frente a sustancias irritantes (algunas personas pueden tener una reacción alérgica al látex que puede acabar en un problema médico). • Caucho natural: Protege frente a sustancias corrosivas suaves y descargas eléctricas. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 43 43 • Neopreno: Para trabajar con disolventes, aceites o sustancias ligeramente corrosivas. • Algodón: Absorbe la transpiración, mantiene limpios los objetos que se manejan, retarda el fuego. • Amianto: Aislante o resistente al calor. (Este material con uso prolongado es carcinógeno). • Zetex: Cuando se manipulan pequeños objetos muy calientes. Este material es un buen sustituto del amianto. - ZAPATOS La protección de los pies está diseñada para prevenir heridas producidas por sustancias corrosivas, objetos pesados, descargas eléctricas, así como para evitar deslizamientos en suelos mojados. Por lo que se recomienda llevar zapatos que cubran y protejan completamente los pies. Los zapatos de tela, como las zapatillas deportivas, absorben fácilmente los líquidos. Si se derrama una sustancia química en un zapato de tela, hay que quitarlo inmediatamente. Se debe elegir un zapato de piel resistente que cubra todo el pie. Este tipo de calzado proporcionará la mejor protección. En el laboratorio no se debe usar: sandalias, zuecos, tacones altos, zapatos que dejen el pie al descubierto. - GORROS, CINTAS ELÁSTICAS O REDECILLAS El cabello largo suelto puede ser peligroso. La utilización de gorros, cintas elásticas o redecillas evitará que el cabello entre en Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 44 44 contacto con los instrumentos y las máquinas o con fuentes de llamas. - MASCARILLAS Las mascarillas protegen contra las salpicaduras. Las mascarillas deben tener las siguientes características: - Adaptarse con comodidad a la cara. - No filtrar aire por los lados. - Cubrir sin presionar los labios y orificios nasales. - No irritar la piel. - Permitir la respiración. En relación al uso de mascarillas debe considerarse: - Las mascarillas deben ser preferentemente descartables. - Sus superficies son susceptibles a contaminarse, por consiguiente deben considerarse como un objeto séptico. - Nunca deben ser tocadas por las manos aún estando enguantadas. - Deben sustituirse siempre que estén húmedas o manchadas de sangre. Toxicidad del Mercurio Este metal pesado, altamente tóxico se encuentra en los termómetros, tubos fluorescentes, etc. Tomar en cuenta que se evapora generando vapores incoloros e inodoros Es muy volátil. Las vías de penetración son por inhalación así como por la piel. Por tanto cuando se trabaja con este metal, siempre utilizar indumentaria de protección Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 45 45 guantes y máscara de respiración, máscara quimiorresistente que cubracara y cuello, gafas de seguridad. Cuando ocurre derramamiento debe tomarse las siguientes precauciones: - Utilizar indumentaria de protección. - Restringir el área. - ¡No utilizar aspiradora para recoger!. Se crean vapores y partículas peligrosas. - Recoger acumulando el metal con la ayuda de una hoja de papel o aspirar cuidadosamente con un gotero desechable. - Colocar en bolsas de polietileno identificadas como “contaminado con mercurio”. Colocar en tambores de material resistente y almacenar en área restringida. - ¡No verter al desagüe o a la basura!. - Para desechar cuidando el medioambiente, puede utilizarse un amalgamador. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 46 46 Capítulo II Consideraciones teóricas y prácticas de Química Orgánica Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 47 47 NOMENCLATURA ORGÁNICA Alcanos, grupos alquilos, alquenos, alquinos, alqueninos, halogenuros de alquilo, hidrocarburos cíclicos: ciclo alcanos, ciclo alquenos y ciclo alquinos; hidrocarburos aromáticos: benceno y sus derivados mono y disustituídos; hidrocarburos aromáticos polinucleares. Alcoholes, alcoholes aromáticos, fenoles. Éteres. Aminas. Aldehídos.Cetonas. Ácidos carboxílicos, halogenuros de ácidos, anhídridos, esteres y amidas. INTRODUCCIÓN Las combinaciones orgánicas más sencillas están constituidas por carbono e hidrógeno. Esta clase de compuestos reciben el nombre de hidrocarburos y constituyen el esqueleto fundamental del cual pueden derivarse todas las otras combinaciones que incluyen heteroátomos como oxígeno, nitrógeno, azufre, halógenos y otros. Cada compuesto orgánico lleva un nombre que permite identificarlo; cuando los compuestos de una serie llegan a ser numerosos se hace necesario agruparlos en una familia. Aromáticos Hidrocarburos Alcanos Alifáticos Alquenos Alquinos Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 48 48 El sistema de nomenclatura más usado está basado en las reglas formuladas en las reuniones de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada y se denomina sistema IUPAC. La nomenclatura IUPAC se emplea casi sin excepción para las moléculas más complejas. Para las moléculas sencillas se usan también, y muy a menudo, nombres comunes derivados de su fuente de obtención o de alguna propiedad. Una de las características más importantes de la Química Orgánica es la clasificación de los compuestos en familias, cuyos miembros tienen estructuras y propiedades similares. En el sistema de nomenclatura IUPAC, el nombre del compuesto consta de tres partes: prefijo, parte fundamental y sufijo. El prefijo indica la localización de los grupos funcionales en la cadena, la parte fundamental indica cuántos átomos de carbono contiene la cadena principal y el sufijo especifica los grupos funcionales de la molécula. ALCANOS La primera familia de hidrocarburos a estudiar es la de los alcanos, que corresponde a los hidrocarburos saturados, o sea, a los que todas las valencias del carbono están saturadas con hidrógeno. Responden a la fórmula general: CnH2n+2 (n= número entero). Los alcanos pueden ser: a) de cadena lineal b) de cadena ramificada. Cada miembro difiere del anterior solamente en una unidad –CH2- (metileno). Una serie gradual de compuestos químicamente relacionados entre sí, como ésta, se denomina serie homóloga y los miembros se llaman homólogos. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 49 49 El sufijo que designa a un alcano es ano. La parte fundamental indica el número de átomos de carbono del compuesto. El primer compuesto de la serie es el metano con un solo átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. Los compuestos siguientes se mencionan a continuación: NOMBRE Nº DE CARBONOS FÓRMULA Metano 1 CH4 Etano 2 CH3-CH3 Propano 3 CH3-CH2-CH3 Butano 4 CH3-(CH2)2-CH3 Pentano 5 CH3-(CH2)3-CH3 Hexano 6 CH3-(CH2)4-CH3 Heptano 7 CH3-(CH2)5-CH3 Octano 8 CH3-(CH2)6-CH3 Nonano 9 CH3-(CH2)7-CH3 Decano 10 CH3-(CH2)8-CH3 Eicosano 20 CH3-(CH2)18-CH3 Triacontano 30 CH3-(CH2)28-CH3 Tetracontano 40 CH3-(CH2)38-CH3 Los átomos de carbono que forman parte de la cadena no son todos equivalentes. Estos pueden ser primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios. Un átomo de carbono es primario cuando está unido a un solo átomo de carbono; secundario cuando está unido a dos; terciario a tres y cuaternario a cuatro átomos de carbono. CH3 CH2 CH CH3 CH2 CH2 C CH3 CH3 CH2 CH3 1º 2º 4º 1º 1º 1º 1º 2º2º 2º3º Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 50 50 Los alcanos con cuatro o más átomos de carbono, pueden presentar isomería estructural de cadena, obteniéndose de esta manera los hidrocarburos de cadena ramificada. Los isómeros se definen como aquellos compuestos que tienen fórmulas moleculares idénticas, pero en los que la secuencia de enlaces de sus átomos, o la disposición de los mismos en el espacio, es diferente. Es por ello que presentan diferencias en sus propiedades físicas y/o químicas. Existen dos compuestos con fórmula molecular C4H10: Existen tres isómeros con fórmula molecular C5H12: Podemos decir en general que el prefijo iso se usa para indicar un sistema de cadena de tipo en donde hay un grupo metilo (-CH3) unido al segundo átomo de carbono de una cadena continua o lineal. El prefijo neo se usa para los isómeros del pentano y del hexano en los que dos grupos metilos están sustituyendo ambos hidrógenos del segundo átomo de carbono de una cadena continua o lineal. CH3 CH3CH3 CH3 CH2CH2 n-butano CH CH3 isobutano CH2 CH2CH3 CH3CH2 CH3 CHCH3 CH3CH2 CH3 CH3 CH3C CH3 n-pentano isopentano neopentano CH2 CH3CH3 CH CH3 ( )n Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 51 51 GRUPOS ALQUILOS Se denominan grupos a las partes de una estructura total que se repiten como unidades de una estructura invariable. En los alcanos se los denomina grupos alquilos, y corresponden al alcano, menos un átomo de hidrógeno. Responden a la fórmula general CnH2n+1. Se nombran cambiando el sufijo ano por ilo. Así el grupo alquilo derivado del metano es –CH3 metilo; el del etano -CH2-CH3 etilo, etc. Si examinamos la molécula del propano vemos que posee dos carbonos primarios y uno secundario, si quitamos un hidrógeno del carbono primario obtenemos el grupo n-propilo, y si quitamos un hidrógeno del carbono secundario, obtenemos el grupo isopropilo, llamado también sec- propilo. REGLAS DE IUPAC Regla 1) Se selecciona la cadena continua más larga de átomos de carbono: Por ejemplo si la fórmula estructural de la cadena continua más larga es de cinco átomos de carbono. En el caso de que dos o más cadenas de igual longitud se elige la más ramificada. CH3 CH3CH2CH2 n-propilo CH CH3 isopropilo CHCH3 CH2 CH2 1 2 3 4 5 CH3 CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 52 52 Regla 2) Se asigna nombre al compuesto considerándolo un derivado del alcano representado por la cadena continua más larga de átomos de carbono. Hexano sustituido Es un hexano porque la cadena continua más larga contiene seis átomos de carbono. Regla 3) Los grupos que reemplazana los hidrógenos en la cadena continua más larga se denominan sustituyentes. La cadena se numera de manera tal que los átomos de carbono en los que están colocados los sustituyentes tengan los números más bajos posibles en la cadena continua más larga. CH3 CH CH3CH3 CH2 CH2 CHCH3 CH2CH2 CH3 CH3CH2 Pentano 2- sustituido Hexano 3-sustituido Regla 4) Se asigna nombre a cada sustituyente y se especifican sus posiciones en la cadena continua más larga en base al sistema de numeración de la regla 3. 654321 CH CH2 CH3 CH CH3CH3 CH2 CH3 CH2 CH2CH3 CH3CH CH3 CH2CH CHCH3 CH3 1 2 3 4 5 6 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 53 53 CH3 CH2 CH3 CH2CH2CH CH2 CH3 CH3 CH2CHCH2CH2 CH3CH2 CH3CH2 3 metil heptano 4 etil heptano Regla 5) Si hay varios sustituyentes éstos se mencionan en orden alfabético. CH3 CH CH3CH2 CH2CH CH3 CH2 CH3 CH CH3 4 isopropil, 3 metil heptano Si hubiera dos o más sustituyentes diferentes a igual distancia de los extremos, se comienza a enumerar del extremo que permita asignar el número más bajo al sustituyente que se cita primero en el nombre (de acuerdo al orden alfabético). Regla 6) El número que designa la posición del sustituyente se coloca antes del nombre del mismo. Cuando hay dos, tres, cuatro o más sustituyentes iguales, se usan los prefijos di, tri, tetra, respectivamente. CH CH3 CH3 CH3 CH CH2CH CH3 CH2CH3 CH2 3, 4, 6 trimetil octano ALCANOS SUSTITUIDOS Al igual que en los alcanos, las reglas de IUPAC de numeración y nomenclatura se basan en la longitud de la cadena continua más larga de átomos de carbono. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 54 54 En el sistema antes mencionado el halógeno sustituyente se menciona con los prefijos flúor, cloro, bromo, iodo que se añade al nombre de la cadena hidrocarbonada que contiene el halógeno. CH3 C CH2 CH2Cl CH3 CH3 1 cloro, 3-3 dimetil butano Cuando una cadena tiene varios halógenos como sustituyentes, los átomos de halógeno se mencionan alfabéticamente. En este sistema de nomenclatura los sustituyentes halógenos tienen preferencia sobre los sustituyentes alquilo. 2 bromo, 4 cloro, 5 metil hexano ALQUENOS Los alquenos u olefinas tienen por fórmula general CnH2n, son hidrocarburos no saturados y se caracterizan por tener doble ligadura entre dos átomos de carbono. En el sistema IUPAC ellos reciben sus nombres en base a la cadena más larga de átomos de carbono que contengan el doble enlace. La terminación ano se reemplaza por eno. Para nombrar a los alquenos empleando el sistema IUPAC debemos seguir las siguientes reglas: CH2 CH3CH3 CH Cl Br CH CH CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 55 55 Regla 1) Elegir la cadena hidrocarbonada más larga, continua y sustituida que contenga la doble ligadura. CH3 CH2 CH CH CH CH3 CH3 6 5 4 3 2 1 4-metil 2 hexeno Regla 2) La siguiente cadena se numera de modo que al doble enlace se le asigne el número más bajo posible y si hubiere grupos sustituyentes también deberá asignárseles el número más bajo posible. CH3 CHCl CH CH2 CH CH2 CH3 5 cloro 4 metil 1 hexeno Regla 3) Si el compuesto presenta más de un doble enlace se emplea el prefijo apropiado que indica el número de los mismos: dieno para dos, trieno para tres y polieno para varios. 2 metil 1, 3 butadieno (Isopreno) ALQUINOS Los alquinos pertenecen a los hidrocarburos no saturados y se caracterizan por la presencia de triple ligadura entre dos átomos de carbono. Tienen por fórmula general CnH2n-2. Reciben nombres derivados de la serie CH2 C CH CH2 CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 56 56 homóloga de los alcanos sustituyendo el sufijo ano por ino. En la nomenclatura internacional reciben sus nombres en base a la cadena más larga de átomos de carbono que contenga el triple enlace. El triple enlace se indica colocando un número que antecede al nombre del mismo. etino (Acetileno) 1 bromo 4 cloro 2 pentino ALQUENINOS Los compuestos que presentan dobles y triples enlaces en la misma molécula se designan como alqueninos. La cadena se numera de modo que los números más bajos posibles correspondan a las posiciones en las que se hallan los dobles y triples enlaces. Si al numerar la cadena le corresponde el mismo número al doble y al triple enlace, se da prioridad al doble enlace. La terminación del nombre es enino. 1 penten 4 ino HIDROCARBUROS CÍCLICOS CH CH H2C C C CH CH3 Br Cl CH C CH2 CH CH2 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 57 57 El número mínimo de átomos de carbono que pueden formar un anillo es tres. El nombre general de los hidrocarburos cíclicos saturados es ciclo alcano y el de los no saturados es ciclo alquenos y/o ciclo alquinos. CICLOALCANOS Los nombres de los hidrocarburos cíclicos con un anillo se forman añadiendo el prefijo ciclo al nombre del hidrocarburo lineal correspondiente. Las cadenas laterales se identifican con prefijos del nombre del sustituyente que se añade al del ciclo alcano. Cuando hay más de un sustituyente se numera la posición de cada uno contando alrededor del anillo y empezando con el sustituyente que se menciona primero. Los sustituyentes deben tener el menor número posible, correspondiendo alfabetizar cuando hay sustituyentes diferentes. C C C C C CH3 H CH3 H H H H H H H H CH3 H CH3 1,2 dimetil ciclopentano CICLOALQUENOS Y CICLOALQUINOS Son compuestos cíclicos que contienen enlaces dobles y triples. Los carbonos con enlaces dobles o triples en la cadena siempre reciben el número uno y dos. Los sustituyentes se numeran partiendo de la posición 1 para el carbono insaturado y recorriendo los carbonos hacia el grupo más cercano, así la posición numérica del grupo recibe el número más bajo posible. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 58 58 CH3 CH3 CH3 CH3 metil ciclo hexeno 1,4 dimetil ciclo penteno 3 metil ciclo hexino HIDROCARBUROS AROMÁTICOS : BENCENO Y DERIVADOS Son compuestos exclusivamente cíclicos que poseen un tipo especial de insaturación. El compuesto representativo es el benceno. El benceno forma un solo producto de monosaturación. Los bencenos monosustituídos tienen 5 posiciones no sustituidas. Los bencenos monosustituidos suelen recibir nombres como deriva- dos del benceno, sin embargo hay ciertos compuestos específicos que no tienen nombres derivados del benceno y se usa una nomenclatura especial. Br NO2 NH2 CH3 bromobenceno nitrobenceno anilina tolueno Para los compuestos disustituídos del benceno se usan los prefijos o- m-p, que designan las di-sustituciones orto, meta y para respectivamente. X ORTOORTO X PARA X METAMETA Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 59 59 Otro método consiste en numerar las posiciones de sustitución en el anillo de benceno. Ambossistemas son correctos. Si los dos sustituyentes son iguales, a uno de ellos se le asigna la posición uno y al otro se le da el número más pequeño con respecto a la posición uno. Cuando los sustituyentes son diferentes se mencionan por orden alfabético excepto para los compuestos con nombres especiales. Br CH 3 Cl CH 3 Br Br para cloro tolueno meta di bromobenceno meta bromo tolueno Dos importantes grupos aromáticos son: el fenilo (-C6H5) y el bencilo (C6H5CH2-) Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 60 60 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS O POLINUCLEARES Estos compuestos están formados por dos o más ciclos condensados. Los más importantes son: naftaleno fenantreno antraceno HETEROCÍCLICOS Los heterociclos son compuestos que contienen en el ciclo uno o más átomos distintos del átomo de carbono. Los compuestos heterocíclicos que se encuentran con más frecuencia contienen nitrógeno, oxígeno o azufre como átomos diferentes o heteroátomo. Los ciclos pueden ser saturados o no. Los heterociclos más comunes se clasifican en: 1.1 Heterociclos penta-atómicos Con un heteroátomo (furano, pirrol) Con dos heteroátomos (imidazol, tiazol) S N H N N H tiazol imidazol O N H furano pirrol Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 61 61 1.2 Heterociclos hexa-atómicos Con un heteroátomo (pirano, piridina) Con dos heteroátomos (pirimidina, pirazina) y sus derivados. 1 1.3 Heterociclos de núcleos condensados (quinolina, indol, purina) y sus derivados ALCOHOLES Los alcoholes son derivados alquílicos o arílicos del agua donde un átomo de hidrogeno es reemplazado por un grupo alquilo: H+OH- ���� R+OH- o derivados hidroxílicos de los hidrocarburos donde un átomo de hidrogeno es reemplazado por un grupo hidroxilo: RH+ ���� R OH- O pirano N piridina N N N N pirimidina pirazina N N H N N N N H indol purina quinolina Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 62 62 La expresión general de su fórmula es R-OH. La fórmula general de los alcoholes es CnH2n+1OH siendo su grupo funcional el grupo hidroxilo OH. Según la sustitución del H por el OH se realice en un carbono primario, secundario o terciario, se tendrá un alcohol primario, secundario o terciario . CH3 CH2 OH CH3 CH CH 3 OH CH3 C CH 3 CH3 OH etanol 2 propanol 2 metil 2 propanol Este grupo C OH se llama carbinol Según el número de grupos alcohólicos presentes, los alcoholes se clasifican en monoles, dioles, trioles o polioles. CH2 OH CH2 OH CH3 CH2 OH CH2 OH CH OH CH2 OH etanol (monol) etanodiol (diol) propanotriol (triol) O HC H C OH H C OH H C OH HO C H CH2 OH D-glucosa (poliol) Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 63 63 NOMENCLATURA IUPAC Pasos a seguir para nombrar a los alcoholes: 1) Se ubica la cadena más larga que contenga al grupo OH CH3 CH CH2 CH2 CH2OH CH2 CH3 4 metil hexanol 2) Se asigna el número más bajo posible al carbono que lleva la función alcohólica. CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH3 CH2 OH 2 etil 1-pentanol 3) La presencia de otros grupos OH se indica cambiando la terminación ol por diol, triol , etc, en el nombre del hidrocarburo base. Ej.: etanodiol, propanotriol, etc. (ver ejemplos citados anteriormente) 4) La presencia de sustituyentes se indica con un número, que establece su posición en la cadena. CH2 CH CH CH3 OH Cl CH3 2 cloro 3 metil butanol 5) El grupo funcional oxigenado tiene prioridad en el sistema de numeración sobre los dobles y triple enlaces. CH2 CH CH2 OH 2 propenol Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 64 64 Fenoles: Tienen el grupo OH directamente unido a un anillo aromático. fenol En aquellos casos en que el grupo OH se encuentra unido a un carbono alifático, el compuesto es un alcohol y no un fenol, aún cuando en la molécula se encuentre un anillo aromático. CH2OH alcohol bencilico ÉTERES Pueden considerarse como óxidos de alquilo, anhídridos de alcoholes o derivados del agua en los que ambos átomos de hidrógeno han sido sustituidos por grupos alquilos o arilos (radical derivado de un hidrocarburo aromático): H+OH- ���� R-O-R (agua sustituida) R+OH- + R+OH- ���� R-O-R + H+OH- Fórmula general: CnH2n+2O Expresión general de su estructura: Ar-O-Ar; R 1-O-Ar; R 1-O-R2 OH FENOL Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 65 65 El grupo funcional característico es el alcoxi R-O; o el grupo ariloxi Ar-O. Si los grupos unidos al oxígeno son iguales el éter es simple y si son grupos distintos el éter es mixto. La IUPAC no adoptó ningún sistema exclusivo para su denominación. En el caso de los éteres simples se los puede nombrar como alquil o dialquil éter (aril o diaril éter) y a los éteres mixtos como alquil-alquil éteres o alquil- aril éteres, nombrando los grupos unidos al oxígeno por orden alfabético. Etil éter o dietil éter o éter etílico Isopropil-metil éter Fenil-isopropil éter Fenil éter o difenil éter Actualmente la IUPAC propone nombrar a los éteres considerando al átomo de oxígeno como un átomo más de la cadena principal, el oxígeno se denota con el prefijo oxa, asignándole un número a su posición en la cadena de modo que sea el más bajo posible CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH3 3-oxahexano CH3-O-CH-CH3 3-metil-2-oxabutano CH3 CH3-CH2-CH2-O-CH3 2-oxapentano También se los nombra, con los nombres de los grupos alquílos en orden alfabético e intercalando entre ellos el prefijo oxi. Ph- O – CH (CH3)2 Ph - O - Ph CH3 – O – CH (CH3) 2 CH3 – CH2 - O – CH2- CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 66 66 CH3 CH2 CH2 CH CH CH3 O CH3 CH2 CH3 CH3 CH (CH2)2 CH O (CH2)2 CH3 CH3 CH3 metano-oxi-3-etil-2-hexano propano-oxi-1,4-dimetil pentano AMINAS Son compuestos ternarios formados por C, H y N. En Química Orgánica son los compuestos de naturaleza básica más importantes. Las aminas pueden considerarse como derivados orgánicos del NH3. Resultan de sustituir uno o más átomos de hidrógeno del NH3 por radicales alquílicos o arílicos. También pueden considerarse como derivados de la unión de un alcohol y el NH3 con pérdida de agua. Los H del NH3 pueden reemplazarse por uno, dos o tres grupos alquilos o arilos y entonces se tiene: amina primaria, secundaria o terciaria, respectivamente. Se nombran anteponiendo el nombre del radical alquílico a la palabra amina.Si es una amina secundaria o terciaria se antepone al nombre del radical los prefijo di o tri. CH3-CH2-NH2 etil amina CH3-NH-CH3 di metil amina CH3-N-(CH2-CH3)2 di etil metil amina Para la amina aromática más simple la IUPAC acepta el nombre común de anilina. NH2 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 67 67 Si en la misma molécula está presente un grupo oxidrilo, carbonilo o carboxilo, se utiliza el prefijo amino y la posición del grupo amino en la cadena alquílica más larga se designa con un número. CH3-CHNH2-COOH ácido 2 amino propanoico En las aminas secundarias y terciarias en las cuales los dos o tres grupos alquílicos enlazados al nitrógeno son diferentes (aminas mixtas) los nombres se asignan seleccionando el grupo más grande de la amina, los grupos más pequeños se añaden con el prefijo N o NN para indicar que el punto de unión es el nitrógeno. CH3 CH2 CH2 N CH3 CH2 CH3 N, N-metil – etil propanoamina ALDEHIDOS Y CETONAS Son derivados alquílicos o arílicos del formaldehido: formaldehido aldehído formaldehido cetona O C H H O C H R H H C O R C O R Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 68 68 Tanto los aldehídos como las cetonas tienen como grupo funcional al grupo carbonilo: C=O. En los aldehídos, el carbonilo se encuentra unido a un átomo de hidrógeno y a un carbono (grupo alquilo); por el cual es carbonilo primario. En las cetonas, el grupo carbonilo esta unido a dos átomos de carbono (dos grupos alquilos); por lo tanto es carbonilo secundario. El primer término de la serie de las cetonas es la propanona. ALDEHÍDOS Para nombrar los aldehídos se procede así: 1- Se escoge como nombre base, el nombre del hidrocarburo con la cadena de átomos de carbono más larga que contenga el grupo carbonilo, y se cambia la terminación o del hidrocarburo correspondiente por la terminación al. O HCH CH3 O HC metanal etanal 2- Las posiciones de la cadenas laterales o de los sustituyentes, se indica por medio de números, teniendo en cuenta que al carbono carbonílico le corresponde el N° 1. El grupo carbonilo tiene prioridad sobre alcoholes, dobles y triples enlaces. CH3 CH CH O HC O HC CH3 CH CH2 OH 2-butenal 3-hidroxi-butanal Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 69 69 El grupo aldehído está necesariamente en el extremo de la cadena y a su átomo de carbono corresponde siempre el número uno, por lo que este se omite CETONAS Para nombrar las cetonas se debe tener presente que: 1- Se nombran sustituyendo la terminación o del hidrocarburo correspondiente por el sufijo ona. propanona 2- La cadena principal será la de mayor número de átomos de carbono y que contenga al grupo carbonilo. 4 metil 3 hexanona 3- La posición del carbonilo y la de los sustituyentes en la cadena, se indican mediante números, que se escogen de manera que al grupo carbonilo le corresponda el menor número posible. C O CH3 C CH3 (C6H5)2 3,3 difenil 2 butanona O HCC O C O CH CH CH2 CH CH OH CH2 CH CH CH CH2OH 7-hidroxi 5 ona 2,6-heptadienal 6 hidroxi 1,4 hexadienona 4- Si la estructura de la cadena es tal que solo pueda tener una posición el carbonilo, no es necesario usar números (por ej. butanona o propanona). O CCH3 CH3 O CH3 CH3 CH2 C CH CH2 CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 70 70 5- Las cetonas que tiene un anillo bencénico unido al grupo carbonilo con una cadena alifática (Ar-CO-R) o aromática (Ar-CO-Ar) se nombran agregando la terminación fenona a la raíz que queda al quitar la terminación oico al acido correspondiente. benzofenona 6- Si en el nombre del compuesto existen otros sufijos el número que indica la posición del carbonilo se antepone al sufijo ona. 4 penten 2 ona ACIDOS CARBOXILICOS Son derivados de hidrocarburos en los que uno de los átomos de carbono terminales está en estado de máxima oxidación. O OHC O H CR CH2 OH R R O2 O2 Fórmula general: O OH C R CH2 CH CH2 C CH3 O O C Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 71 71 El grupo funcional de los ácidos se denomina carboxilo y está constituido por la unión de un grupo carbonilo y un hidroxílico. El nombre del ácido se obtiene sustituyendo la terminación o del hidrocarburo del cual derivan por el sufijo oico y antecediendo la palabra ácido. El grupo carboxilo se encuentra necesariamente en la posición terminal, por lo que el número 1 no se incluye en el nombre. Este grupo tiene prioridad sobre los alcoholes, aldehídos, cetonas, dobles y triples enlaces. Según la cantidad de grupos carboxilos presentes, los ácidos se clasifican en: mono, di, tri o policarboxílicos. O OH C H CH 3 COOH CH 3 C O COOH COOH HOCH 2 ácido fórmico ácido acético ácido pirúvico ácido glicólico (metanoico) (etanoico) (2 ona propanoico) (2 ol etanoico) COOH CH2 HO C COOH CH2 COOH COOH CH3 C CH3 CH3 COOH CH CH2OH CH ácido cítrico ácido 4 hidroxi 2 butenoico 2,2-dimetil propanoico (3-ol-3-oico-pentanodioico) ácido oxálico ácido. tartárico (ácido etanodioico) (ácido. 2, 3 dihidroxi butanodioico) COOH COOH COOH COOH HCOH HCOH Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 72 72 Cuando el grupo funcional se halla unido a una estructura cíclica, el sufijo empleado es – carboxílico en lugar de –oico. ácido. ciclobutano carboxílico ESTERES Los ésteres se pueden considerar como sales alquílicas de ácidos o como derivados ácidos de alcoholes. Los ésteres son compuestos que resultan al sustituir el hidrógeno hidroxílico de los ácidos oxigenados por un grupo alquilo o arìlico. Expresión general de su estructura: Fórmula general: CnH2nO2 Se obtienen un éster al condensarse una molécula de ácido orgánico o inorgánico y una molécula de alcohol, con pérdida de una molécula de agua. R C OH + H OR' R C OR' + H OH O O Ácido Alcohol Ester Se los nombra como si fueran sales de alquilo de los ácidos carboxílicos. En el nombre del ácido se cambia el sufijo oico por ato y se agrega el nombre del alcohol del cual provienen con la terminación ilo. COOH R C O R´ OManual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 73 73 CH3 COOH + CH3 CH2OH CH3 C O CH2 CH3 + H2O O ácido. etanoico etanol etanoato de etilo ANHIDRIDOS DE ACIDOS Resultan de la condensación de 2 moléculas de ácidos con pérdida de una molécula de agua. CH3 C OH + CH3 C OH CH3 C O C CH3 + H2O O O O O ácido acético ácido acético anhídrido Acético Si provienen del mismo ácido son anhídridos simples y si provienen de ácidos diferentes son anhídridos mixtos. Se los nombran sustituyendo la palabra ácido por anhídrido y a continuación del o los nombres por orden alfabético de los ácidos que les dan origen. Si los ácidos son iguales no se repite el nombre. AMIDAS Son derivados del amoníaco y/o de las aminas en las que uno o más átomos de hidrógeno han sido sustituidos por grupos acilos. (O=C−R). También puede decirse que las amidas son compuestos que resultan de sustituir el OH del grupo COOH por un grupo amino (-NH2). Para nombrarlas se sustituye el sufijo oico del ácido del que provienen por amida: CH3-CONH2 Etanamida Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 74 74 Para indicar la presencia de sustituyentes unidos al nitrógeno se coloca una o dos N, y luego el sufijo amida en el hidrocarburo del que provengan. N- metil propanamida Hay tres clases de amidas según el número de alquilos presentes: R-CO-NH2 R-CO-NH-R R-CO-N-R1 R2 Amida no sustituida Amida monosustituida Amida disustituida CH3 – CH2 – CO NH – CH3 Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 75 75 CONSTANTES FISICAS Efectos electrónicos. Interacciones intermoleculares. Punto de Ebullición. Punto de Fusión . Solubilidad: tipos de solventes, factores que limitan la solubilidad, influencia de los grupos funcionales. 1 Efectos Electrónicos Se ha considerado hasta ahora que los enlaces químicos pueden ser iónicos o covalentes; el enlace en el cloruro de sodio es un enlace iónico, el enlace C-C de etano es un enlace covalente que da como resultado una distribución electrónica simétrica en el enlace. La mayor parte de los enlaces químicos no son totalmente iónicos o plenamente covalentes. 1.1 Efecto inductivo Un enlace covalente polar significa que los electrones de enlace son atraídos con más fuerza por un átomo que por otro. La polaridad del enlace se debe a las diferencias de electronegatividad entre los átomos intervinientes. Las interacciones secundarias entre los orbitales provocan la aparición de ciertos efectos de polarización y deslocalización electrónica. Cuando un átomo o un grupo atómico tiene la capacidad de polarizar un enlace el efecto electrónico se denomina efecto inductivo (I). Esto no supone deslocalización de la densidad electrónica, sino simplemente A B Más electro- negativo Menos electro- negativo Dipolo δ+ δ− Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 76 76 acercamiento de la densidad electrónica a uno de los átomos quedando los electrones en su orbital. El efecto inductivo es permanente y decrece rápidamente al aumentar la distancia al origen del desplazamiento electrónico. En la práctica se desprecia a partir del tercer átomo de la cadena. El hidrógeno tiene efecto inductivo 0, aquellos átomos o grupos atómicos cuya negatividad es mayor que la del carbono, tiene efecto inductivo I- , son electrón atrayente, ya que atraen hacia sí el par de electrones del enlace dejando sobre el átomo de carbono al que están unidos, una densidad de carga positiva (δ+). Aquellos átomos o grupos atómicos que ayudan o inducen a desplazar la densidad electrónica sobre el átomo de carbono sobre el que están unidos se dice que tienen efecto inductivos I+ son electrón dadores. Tienen efecto I+ los grupos alquilo, metales y grupos cargados negativamente. 1.2 Efecto de resonancia La mayor parte de las sustancias pueden ser representadas por las estructuras de Kekulé o de Lewis, pero a veces surgen estructuras como las del nitrometano, que se pueden representar mediante dos o más estructuras de Lewis, que difieren entre sí únicamente en la distribución de los electrones, vemos que el átomo de nitrógeno esta unido a dos átomos de oxígeno, a uno de ellos por doble enlace y al otro por un enlace simple, pero ¿cuál es el doble y cual el simple? Experimentalmente se determinó que los dos enlaces eran equivalentes siendo la estructura real un promedio entre ellas. Las dos estructuras individuales de Lewis para el nitrometano se les llama formas o estructuras resonantes y su relación se indica con una flecha de dos puntas, Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 77 77 la molécula tendrá características de ambas estructuras y se dice que la molécula es un híbrido de resonancia de las estructuras resonantes. El método de la resonancia permite saber de forma cualitativa la estabilización que puede conseguir una molécula por deslocalización electrónica: a mayor número de estructuras resonantes mayor estabilidad. Moléculas orgánicas con efecto de resonancia Nitrometano Híbrido de resonancia Anión acetato En las figuras aparecen indicadas las estructuras de Lewis de los aniones carbonato, acetato y del nitrometano. Se puede apreciar que sobre Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 78 78 dos de los átomos de oxígeno del anión carbonato y del anión acetato aparecen una carga formal negativa y en la molécula de nitrometano aparece una carga formal positiva sobre el átomo de nitrógeno y una carga parcial negativa sobre uno de los dos átomos de oxígeno. Efecto conjugativo (K) o mesomérico (M) El efecto conjugativo o mesomérico consiste en el paso de un par de electrones compartido entre dos átomos a uno solo de ellos o a la compartición entre dos átomos de un par de electrones perteneciente a uno de ellos. Este tipo de efecto aparece en las moléculas orgánicas cuando hay enlaces múltiples conjugados a) Efecto conjugativo ( en el butadieno) Este tipo de efecto aparece en las moléculas orgánicas cuando hay enlaces múltiples conjugados, como en el butadieno. La estructura II contribuye muy poco al híbrido de resonancia por: • Hay un menor número de enlaces que en la estructura I • El átomo de carbono cargado positivamente no tiene el octeto completo • La estructura II tiene mayor separación de cargas b) Efecto conjugativo K+ K- Cuando hay enlaces múltiples contiguos a átomos que contienen Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 79 79 pares de electrones libres Efecto conjugativo K+ del cloruro de vinilo Efecto conjugativo K- en acroleína • La estructura I tiene mayor número de enlaces • No hay separación de cargas • En el Cβ hay déficit de densidad electrónica 2. Interacciones intermoleculares Son aquellas fuerzas de atracción que existen entre las moléculas, que son mucho más débiles que los enlaces covalentes, pero que a menudo, son las responsables de las propiedadesfísicas de los compuestos orgánicos. Este tipo de interacciones intermoleculares son de especial importancia en el estado sólido y en el estado líquido, situaciones en las que las moléculas están en íntimo contacto. Los puntos de fusión, de ebullición y las solubilidades de los compuestos orgánicos muestran los efectos de estas fuerzas. Hay tres tipos principales de interacciones intermoleculares que hacen que las moléculas se asocien para formar sólidos y líquidos: las fuerzas entre dipolos de las moléculas polares, las fuerzas de London, que afectan a todas las moléculas, Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 80 80 y los puentes de hidrógeno que actúan en moléculas que tienen enlaces OH FH y NH. 2.1. Fuerzas entre dipolos. Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas de atracción intermolecular que actúan entre dipolos, sean éstos permanentes o inducidos. Son, por tanto, fuerzas intermoleculares de tipo electrostático que se establecen tanto entre molécula polares como apolares. Su valor oscila entre 0,1 y 35 KJ/mol. Estas fuerzas son de muy corto alcance: sólo actúan entre las partes de moléculas diferentes que están en contacto íntimo, es decir, entre sus superficies. La reacción entre la magnitud de las fuerzas de Van der Waals y el área de las superficies moleculares nos ayudará a comprender el efecto del tamaño y las formas moleculares sobre las propiedades físicas. Cada átomo tiene con respecto a otros con los que no esté unido - ya sea en otra molécula o en otra parte de la misma - un “tamaño” efectivo, conocido como su radio de Van der Waals. A medida que se acercan dos átomos no alcanzados, aumenta la atracción entre ellos, que llega al máximo justamente cuando se tocan, es decir, cuando la distancia entre los núcleos es igual a la suma de los radios de Van der Waals. Si son forzados a juntarse aún más, la atracción es rápidamente reemplazada por repulsión de Van der Waals, de modo que los átomos no alcanzados aceptan juntarse, pero resisten vigorosamente la sobrecarga. a) Interacciones moleculares entre moléculas polares. La mayor parte de las moléculas tienen momentos dipolares permanentes como resultado de sus enlaces polares. Cada momento dipolar molecular tiene un extremo positivo y otro negativo. La ordenación Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 81 81 intermolecular más estable es la que sitúa a las moléculas de manera que el extremo positivo de una molécula esté cerca del extremo negativo de otra. En la siguiente figura se indican las orientaciones de atracción y repulsión de las moléculas polares utilizando el clorometano (CH3Cl) como ejemplo. En el estado líquido el resultado de la orientación positivo-negativo es una fuerza de atracción neta que mantiene unidas a las moléculas. Para pasar del estado líquido al gaseoso debe superarse esta fuerza de atracción intermolecular, lo que explica que los compuestos muy polares tengan mayores calores de evaporación y mayores puntos de ebullición que los compuestos menos polares. b) Interacciones moleculares entre moléculas apolares: fuerzas de dispersión de London. En las moléculas no polares, como la del tetracloruro de carbono CCl4, la principal fuerza de atracción es la fuerza de dispersión de London, que surge de la interacción entre dipolos inducidos que se generan temporalmente en las moléculas. El CCl4 no tiene momento dipolar permanente, sin embargo, cuando se provoca un desplazamiento transitorio de la densidad electrónica, por ejemplo por el acercamiento de las nubes electrónicas de dos moléculas, se induce un momento dipolar pequeño y temporal que provoca una atracción intermolecular. Estos dipolos temporales solo duran una fracción de segundo y cambian continuamente de orientación. Sin embargo, se correlacionan de Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 82 82 forma que su fuerza neta es de atracción. Esta fuerza de atracción depende del contacto superficial entre las moléculas y por tanto es proporcional al área molecular. En el siguiente dibujo se representan esquemáticamente las atracciones intermoleculares que se producen en el seno del tetracloruro de carbono. El dipolo transitorio que se genera en la molécula de CCl4 se ha simbolizado con un rectángulo que contiene los signos + y -. En un momento determinado los dipolos inducidos se orientan de forma que los polos de signo opuesto se atraen dando como resultado una fuerza neta de atracción. 2.2. Interacciones moleculares por puente de hidrógeno Un puente de hidrógeno no es un enlace verdadero sino una forma de atracción entre dipolos. Un átomo de hidrógeno puede participar en un puente de hidrógeno si está unido a oxígeno, nitrógeno o flúor, porque los enlaces O- H, N-H y F-H están muy polarizados dejando al átomo de hidrógeno con una carga parcial positiva. Este átomo de hidrógeno tiene una gran afinidad hacia electrones no compartidos y forma agregados intermoleculares con los electrones no compartidos de los átomos de oxígeno, nitrógeno y flúor. A modo de comparación se representan las interacciones por puente de hidrógeno entre moléculas de HF, entre moléculas de agua, entre moléculas de amoníaco (NH3) y entre moléculas de amoníaco y agua Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 83 83 H F H F H O H H O H H N H H H N H H H N H H H O H Aunque el puente de hidrógeno es una forma de atracción intermolecular, es mucho más débil que un enlace covalente normal O-H, N- H y F-H. La energía de este tipo de interacción puede oscilar entre 8 y 40 KJ/mol. 3. Influencia de la estructura sobre las propiedades moleculares Las fuerzas intermoleculares influyen de la siguiente manera en las propiedades físicas de los compuestos orgánicos: 3.1. Puntos de ebullición El punto de ebullición (PE) de un compuesto es la temperatura a la cual el compuesto líquido se convierte en gas. Para que un compuesto se vaporice, las fuerzas que mantienen las moléculas unidas unas a otras deben romperse. Esto significa que el punto de ebullición de un compuesto depende de la atracción entre las moléculas, de manera que si las moléculas se mantienen unidas por interacciones fuertes, se necesitará mucha energía para separar las moléculas unas de otras y el compuesto tendrá el punto de ebullición muy alto. Por otra parte, si las fuerzas intermoleculares son débiles, se necesitará una cantidad de energía relativamente baja para separar las moléculas unas de otras, y el compuesto tendrá el punto de ebullición bajo. Los alcanos, constituidos por moléculas apolares, tienen puntos de ebullición relativamente bajos porque las atracciones intermoleculares se deben a la interacción entre dipolos inducidos (fuerzas de dispersión de London), y este tipo de interacciones son de carácter débil. Las fuerzas de dispersión de London son proporcionales a la superficie de contacto entre las Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 84 84 moléculas lo que explica que las alcanos formados por moléculas lineales (mayor superficie de contacto) tengan mayores puntos de ebullición que sus isómeros formados por moléculas ramificadas (menor superficie de contacto). Los puntos de ebullición de los éteres, los haluros de alquilo, y en general de las moléculas con heteroátomos, son más altos que los de los hidrocarburos de similar peso molecular debido a la presencia de interacciones intermoleculares dipolo-dipolo, que son más intensas que las interaccionesde London. En el caso de los alcoholes y las aminas, además de las interacciones entre dipolos, intervienen las fuerzas por puente de hidrógeno, mucho más fuertes que las primeras. Por ello, los puntos de ebullición de los alcoholes son más altos que los puntos de ebullición de los éteres de igual peso molecular. Los alcoholes también presentan mayor punto de ebullición que las aminas de igual peso molecular. La explicación a este hecho reside en la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno en comparación con el átomo de nitrógeno, que hace que los puentes de hidrógeno O-H sean más fuertes que los puentes de hidrógeno N-H. Todos los compuestos orgánicos que contienen oxígeno o nitrógeno que forman puentes de hidrógeno tienen punto de ebullición elevado. Tomemos al metano, por ejemplo, y reemplacemos uno de sus hidrógenos por un grupo hidroxilo, -OH. El compuesto resultante, CH3OH, es metanol, el miembro más pequeño de la familia de los alcoholes. Estructuralmente, no sólo se parece al metano, sino también al agua: H C H H H H O H H C H H O H Metano Agua Metanol Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 85 85 Al igual que el agua, se trata de un líquido asociado, cuyo punto de ebullición es “anormalmente” elevado para un compuesto de su tamaño y polaridad. CH3 O H O CH3 H Cuanto más grandes son las moléculas, más fuertes son las fuerzas de Van der Waals. Se conservan otras propiedades tales como polaridad, puentes de hidrógeno pero el punto de ebullición aumenta con el tamaño molecular. Los puntos de ebullición de sustancias orgánicas son bastante más elevados que el de la pequeña molécula no polar del metano, pero rara vez encontramos puntos de ebullición por encima de 350ºC; a temperaturas más elevadas, comienzan a romperse los enlaces covalentes dentro de las moléculas, con lo que compiten la descomposición y la ebullición. Para bajar el punto de ebullición y así minimizar la descomposición, a menudo se realiza la destilación de compuestos orgánicos a presión reducida. 3.2. Punto de fusión Se define al punto de fusión (PF) como la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado liquido; o bien la temperatura a la cual coexisten en equilibrio ambos estados de agregación molecular a la presión atmosférica. El factor determinante del punto de fusión es el empaquetamiento de las moléculas en la red cristalina: cuanto mejor se ajusten al cristal mayor será la energía necesaria para romper la red y, por tanto, mayor será el punto de fusión. En un sólido cristalino las partículas que actúan como unidades estructurales, iones o moléculas, se hallan ordenadas de una forma muy regular y simétrica; hay un modelo geométrico que se repite en el cristal. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 86 86 Fusión es el cambio desde una disposición muy ordenada de partículas en el retículo cristalino a una más desordenado, es la temperatura a la que el sólido se transforma en líquido a la presión de una atmósfera. La fusión se produce cuando se alcanza una temperatura a la cual la energía térmica de las partículas es suficientemente grande como para vencer las fuerzas intracristalinas que las mantienen en posición. Un compuesto iónico forma cristales en los que las unidades estructurales son iones. El cloruro de sodio sólido, por ejemplo, está constituido por iones sodio positivos y iones cloruro negativos que se alternan de un modo muy regular. Cada ión positivo está rodeado equidistantemente por seis iones negativos; uno a cada lado, uno arriba y otro abajo, uno al frente y otro detrás. A su vez, cada ión negativo está rodeado de forma análoga por seis positivos. De esta manera forman un “cristal”, una estructura muy fuerte y rígida ya que las fuerzas electrostáticas que mantienen a cada ión en posición son poderosas. Estas poderosas fuerzas interiónicas sólo se superan a una temperatura muy elevada: el cloruro de sodio tiene un punto de fusión de 801ºC. Los cristales de otros compuestos iónicos son semejantes a los del cloruro de sodio, en el sentido que tienen un retículo iónico, aunque la disposición geométrica exacta puede ser diferente. En consecuencia, éstos también tienen puntos de fusión elevados. Muchas moléculas contienen tanto enlaces iónicos como covalentes: el nitrato de potasio, KNO3, por ejemplo, está formado por iones K+ y NO3 -; los átomos de oxígeno y nitrógeno del ión NO3 - se mantienen unidos entre sí por enlaces covalentes. Las propiedades físicas de compuestos como éste están determinadas en gran medida por los enlaces iónicos; el nitrato de potasio tiene aproximadamente el mismo tipo de propiedades físicas que el cloruro de sodio. Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 87 87 Un compuesto no iónico, es aquel cuyos átomos se mantienen unidos entre sí por enlaces covalentes, forma cristales en los que las unidades estructurales son moléculas. Para que ocurra la fusión, deben ser superadas las fuerzas intermoleculares que mantienen juntas a estas moléculas; que en general, son muy débiles, comparadas con las fuerzas que unen los iones. Para fundir el cloruro de sodio debemos suministrar energía suficiente para romper los enlaces iónicos entre el Na+ y el CI-. Para fundir el metano, CH4, no necesitamos romper los enlaces covalentes entre el carbono y el hidrógeno, basta con proporcionar energía suficiente para separar moléculas de CH4 entre sí. Al contrario que el cloruro de sodio, el metano se funde a -183ºC. 3.3. Solubilidad Además de afectar a los puntos de ebullición y de fusión, las fuerzas intermoleculares determinan la solubilidad de los compuestos orgánicos. La regla general es que lo semejante disuelve a lo semejante: las sustancias polares se disuelven en disolventes polares y las no polares en disolventes no polares. La mayor parte de las sustancias inorgánicas tienen carácter iónico, heteropolar. Son compuestos sólidos, de elevado punto de fusión, difícilmente volátiles e insolubles en disolventes orgánicos. Los compuestos típicamente orgánicos son, por el contrario, homopolares y presentan solubilidades muy diferentes a las de las sales inorgánicas, pues son insolubles en agua, pero se disuelven en disolventes orgánicos tales como éter, benceno, cloroformo, y otros. Al aumentar el peso molecular (PM), generalmente disminuye la solubilidad y muchas sustancias constituidas por grandes moléculas, como la celulosa son insolubles. Existen sustancias orgánicas que, en lugar de tener carácter homopolar, son heteropolares, tales como: sales de ácidos, bases orgánicas Manual teórico práctico de Química Orgánica y Biológica 88 88 que tienen propiedades físicas completamente diferentes a los compuestos típicamente orgánicos. Por lo expuesto dividiremos a los compuestos orgánicos en: “compuestos típicamente orgánicos u HOMOPOLARES” y “compuestos orgánicos con carácter inorgánico o HETEROPOLARES” . Entre estos tipos de compuestos hay otros que ocupan una posición intermedia en lo que respecta a la solubilidad y volatilidad, por ejemplo muchos ácidos, bases y alcoholes, llamando a estos últimos, compuestos con carácter mixto orgánico e inorgánico. Las sustancias actúan mejor entre ellas cuando se encuentran más íntimamente mezcladas, es decir, cuando mayor es la superficie de contacto de una y la otra. Pero por lo general, el problema es hacer actuar dos sólidos entre sí o un sólido y un líquido, o dos líquidos inmiscibles. Entonces hay que facilitarles la reacción
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