Química orgánica

Índice

Isomería

Dos compuestos son isómeros¹ entre sí si tienen el mismo número y tipo de átomos, es decir, si tienen la misma fórmula molecular. Dos compuestos isómeros tienen el mismo número de insaturaciones.

Isomería constitucional

Se debe a diferencias en la estructura de los compuestos, es decir, cambia cómo están unidos los átomos (tienen diferente conectividad). Dentro de este tipo, hay tres subtipos de isomería:

Isomería de cadena

Se presenta en compuestos que difieren en el esqueleto de la cadena carbonada:

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Butano

Metilpropano (isobutano)

En la siguiente tabla puedes ver el número de isómeros que presentan los hidrocarburos lineales saturados:

nº C	Nombre	Isómeros
1	Metano	1
2	Etano	1
3	Propano	1
4	Butano	2
5	Pentano	3
6	Hexano	5
7	Heptano	9
8	Octano	18
9	Nonano	35
10	Decano	75

Isomería de posición

Se presenta en compuestos que difieren en la posición de su grupo funcional:

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But–2–eno

But–1–eno

Butan–2–ol

Butan–1–ol

Isomería de función

Se presenta en compuestos que tienen grupos funcionales distintos. Suelen ser isómeros de función entre sí:

• alcoholes-éteres,
• aldehídos-cetonas,
• y ácidos carboxílicos-ésteres,

aunque existen otras muchas posibilidades.

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Metil propil éter (metoxipropano)

Butan–1–ol

Propanal

Propanona (acetona)

Ácido propanoico

Etanoato/acetato de metilo

Estereoisomería

En este caso, la estructura de las sustancias es la misma (igual conectividad entre átomos) pero se diferencian en su orientación espacial.

Isomería geométrica (cis-trans)

La isomería cis-trans se presenta en algunos alquenos, debido a la incapacidad de rotación del doble enlace. Para que un doble enlace presente isomería cis-trans, no puede haber sobre cualquiera de los dos carbonos del doble enlace dos sustituyentes iguales. Dos compuestos con este tipo de isomería geométrica son diastereoisómeros, siendo sus propiedades físicas diferentes.

Los isómeros cis tienen ambos sustituyentes del doble enlace hacia un lado, los trans hacia lados opuestos:

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cis–1,2–dicloroeteno

trans–1,2–dicloroeteno

El 1,1–dicloroeteno no puede presentar isomería cis-trans:

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Este tipo de isomería se da también en compuestos con un plano de simetría, debido a la imposibilidad de rotación:

Notación E-Z

Cuando existen varios sustituyentes distintos, la nomenclatura cis-trans en alquenos puede resultar ambigua. En estos casos se adopta la nomenclatura E-Z. En alemán:

• E de entgegen (separados).
• Z de zusammen (juntos).

En cada carbono del doble enlace, el sustituyente de mayor número atómico tiene mayor jerarquía. En caso de empate, se sigue el mismo criterio con los átomos unidos a ellos, hasta desempatar. El isómero Z será el que tenga los dos sustituyentes de mayor jerarquía del mismo lado del doble enlace y el isómero E será el que los tenga a distinto lado:

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(Z)–1–bromo–1–cloro–2–metilbut–1–eno

(E)–1–bromo–1–cloro–2–metilbut–1–eno

Un ejemplo de lo diferentes que pueden llegar a ser dos isómeros cis-trans lo tenemos con los ácidos fumárico y maleico:

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Ácido fumárico

Ácido maleico

Siendo el primero fundamental en varias rutas del metabolismo celular, destacando su participación en el ciclo de Krebs; y el segundo tóxico. Sus propiedades físicas son muy diferentes.

Isomería conformacional

Los alquenos con dobles enlaces conjugados pueden adoptar dos diferentes conformaciones. Por ejemplo, en el buta–1,3–dieno los dobles enlaces pueden estar hacia el mismo lado del enlace simple o en lados opuestos. Sería incorrecto referirnos a las dos posibilidades como cis y trans ya que son conformaciones (¡dinámico!) y no configuraciones (estático). Es decir, la molécula puede rotar en torno al enlace sencillo e interconvertirse de una conformación a otra, cosa que no puede ocurrir con los isómeros cis y trans debido a la rigidez del doble enlace o del ciclo.

Estos confórmeros se nombran con el prefijo “s” (de “sigma”, o de “simple” si prefieres).

Como habrás estudiado en Biología, los anillos de 6 miembros pueden adoptar dos diferentes conformaciones: forma de silla y forma de bote. La forma de silla es más estable, pero la diferencia de estabilidad entre las dos es muy pequeña, por lo que se convierten fácilmente la una en la otra. Estas estructuras presentan isomería conformacional.

Isomería óptica

La isomería óptica se presenta cuando un compuesto no es superponible con su imagen especular, en cuyo caso se dice que son enantiómeros. Para que esto ocurra, la molécula tiene que poseer al menos un carbono con hibridación sp³ y quiral. Un carbono quiral es un carbono que tiene 4 sustituyentes distintos:

Este es el tipo de esteroisomería que presentan moléculas esenciales para la vida, como los aminoácidos y los monosacáridos. Los enantiómeros tienen propiedades físicas idénticas², diferenciándose únicamente en su comportamiento frente a la luz polarizada, pues la desvían de manera distinta. Si el plano de la luz polarizada se desvía a la derecha son sustancias dextrógiras y si se desvía a la izquierda, levógiras:

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d-Alanina

l-Alanina

Proyecciones de Fischer

Con el fin de facilitar la representación en el plano, se utilizan las proyecciones de Fischer, ideadas por el químico alemán Hermann Emil Fischer³ en 1891, para representar la disposición espacial de moléculas en las que uno o más átomos de carbono son quirales:

Reactividad

Reacciones de sustitución

En este tipo de reacciones un átomo o grupo de átomos de una molécula es sustituido por otro átomo o grupo de átomos de otra molécula:

Halogenación de alcanos

Los alcanos experimentan reacciones de sustitución radicalarias⁴. Así, se puede conseguir la sustitución de un enlace –C–H por un enlace –C–X por medio de una radiación luminosa.

Se llama sustitución fotoquímica y es una reacción en la que la luz rompe la molécula de halógeno X₂ (F₂, Cl₂, Br₂ o I₂) dando una reacción en cadena con fórmula general:

La reacción puede continuar precisando en cada etapa luz o calor. En cada etapa se forma HX como producto. La siguiente reacción está particularizada para (X = Cl). En cada etapa, además del producto de sustitución, se forma HCl:

Sustitución de un halógeno por otro

Transformación de un derivado halogenado en un alcohol

La hidrólisis de un haloalcano se lleva a cabo con NaOH que da la sustitución del halógeno por el grupo –OH, dando el alcohol:

Transformación de un derivado halogenado en un éter

Transformación de un derivado halogenado en una amina primaria

Transformación de un derivado halogenado en una amina secundaria (o terciaria)

Reacciones de adición

Una molécula incorpora a su estructura otra molécula. Ocurren con sustratos con dobles o triples enlaces originando un producto con un mayor grado de saturación.

La adición en alquenos asimétricos ocurre según la regla de Markovnikov, que establece que la adición de un reactivo de tipo HX (H₂O, HCl, …) a un doble enlace da lugar a un producto mayoritario en el que el hidrógeno se une al carbono menos sustituido (con más H). El otro producto posible también se forma, pero en menor proporción.

Hidrogenación catalítica de alquenos

Se realiza con hidrógeno molecular en presencia de un catalizador, normalmente platino. Es un proceso exotérmico. La reacción transcurre de manera que cada átomo de hidrógeno de la molécula H₂ se añade a uno de los dos carbonos que forman el enlace múltiple en el reactivo, saturando la molécula:

Hidrogenación de un alquino

Halogenación de alquenos

De manera análoga a la hidrogenación, el halógeno X₂ añade un átomo de halógeno a cada carbono que forma el enlace múltiple formando un dihalógeno vecinal:

Halogenación de un alqueno

Halogenación de un alquino

Hidrohalogenación de alquenos

El haluro de hidrógeno HX se añade al enlace múltiple siguiendo la regla de Markovnikov:

Hidrohalogenación de un alqueno

Hidrohalogenación de un alquino

Hidratación de alquenos

La reacción sucede en el tratamiento del alqueno con agua y un catalizador ácido fuerte, como el H₂SO₄, por un mecanismo similar al de la adición de HX. El agua H₂O también se añade al enlace múltiple siguiendo la regla de Markovnikov:

Hidratación de un alqueno

Hidratación de un alquino

Ya que los alquinos no reaccionan directamente con ácidos acuosos, uno de los métodos utilizados para la hidratación de alquinos utiliza ion mercurio(2+) como catalizador:

La hidratación de un alquino da un enol⁵. Es interesante que el producto real que se aísla de la hidratación de un alquino no es el alcohol vinílico, o enol, sino que en su lugar es una cetona. Aunque el enol es un intermediario en la reacción, se rearregla inmediatamente a una cetona a través de un proceso llamado tautomería cetoenólica. El equilibrio está muy desplazado a la derecha.

Reacciones de eliminación

Una molécula pierde átomos en posiciones adyacentes y origina una molécula con un enlace doble o triple. Las reacciones de eliminación son las reacciones inversas a las de adición a un doble enlace.

En las reacciones de eliminación se pierden átomos de dos carbonos vecinales produciéndose mayoritariamente el doble enlace más sustituido, según lo que se conoce como regla de Záitsev.

Deshidrogenación

Es la reacción inversa a la hidrogenación, y se da con un catalizador y calor, dando el alqueno:

Deshidrohalogenación de haluros de alquilo

Es la reacción inversa a la hidrohalogenación, se produce en presencia de KOH y alcohol en la que se elimina KX y H₂O, originando un doble enlace. La deshidrohalogenación produce mayoritariamente el producto con el doble enlace más sustituido según la regla de Záitsev:

Deshidrohalogenación de dihaluros vecinales

Como en el caso anterior, se eliminan moléculas de HX, en este caso 2 moléculas HX, originando un enlace triple. Esta reacción se produce en presencia de un catalizador:

Deshidratación de alcoholes

Es la reacción inversa a la hidratación de alcoholes. Se produce en medio ácido, generalmente H₂SO₄, y calor. La deshidratación (pérdida de una molécula de agua) produce, mayoritariamente, el doble enlace más sustituido siguiendo la regla de Záitsev:

Eliminación vs. sustitución

Un mismo sustrato puede dar reacción de sustitución o una eliminación:

Eliminación

Sustitución

Que se dé una u otra depende de las características del sustrato y de las condiciones de reacción.

Sustrato

Si el sustrato es un derivado halogenado primario se da favorablemente la sustitución. Si el sustrato es un derivado halogenado secundario o terciario se ve favorecida la eliminación.

Condiciones

Si el reactivo es una base fuerte (NaOH, NaOCH₂CH₃) y el disolvente es muy polar (H₂O), se produce la sustitución. Si el reactivo es una base débil (H₂O) y el disolvente es apolar se da la eliminación.

Reacciones de oxidación-reducción (rédox)

En las reacciones de oxidación, el carbono que tiene unido un hidroxilo (–OH) se oxida. Esta oxidación tiene lugar por pérdida de un hidrógeno unido al C y del hidrógeno del grupo –OH, formándose un doble enlace C=O conocido como grupo carbonilo. Como sustancia oxidante [Ox] puede usarse dicromato de potasio K₂Cr₂O₇ o permanganato de potasio KMnO₄ en medio ácido.

La reacción inversa a la oxidación es la reducción. Como sustancia reductora [Red] suele usarse tetrahidruro de aluminio-litio, LiAlH₄.

Alcoholes primarios

Como en los alcoholes primarios el grupo –OH está unido a un carbono terminal, al oxidarse produce un carbonilo terminal dando lugar a un aldehído, –CHO. Si la oxidación continúa el aldehído se oxida a ácido carboxílico:

Alcoholes secundarios

En el caso de los alcoholes secundarios, la oxidación del carbono produce un carbonilo no terminal, conocido como grupo cetona. La cetona no puede seguir oxidándose:

Alcoholes terciarios

La oxidación tiene que darse lugar por pérdida de un hidrógeno unido al carbono que va a oxidarse, por lo que éste debe tener disponible al menos uno. Por este motivo, los alcoholes terciarios no dan reacciones de oxidación:

Reacciones de combustión

La reacción de combustión de un compuesto orgánico en atmósfera rica en oxígeno da lugar a los óxidos de sus elementos. Si el compuesto es un hidrocarburo, oxigenado o no, los productos de la reacción son dióxido de carbono y agua, que son los óxidos del carbono y del hidrógeno:

Las reacciones de combustión son reacciones exotérmicas. Si el compuesto tiene otros elementos, como N o S, también habituales en química orgánica, se obtienen los óxidos de éstos.

Reacciones de condensación e hidrólisis

Reacción de esterificación y saponificación

La esterificación es la reacción de condensación entre un ácido carboxílico y un alcohol, por pérdida de agua, produciéndose un éster:

La saponificación es la reacción inversa a la esterificación. La hidrólisis del éster da el ácido carboxílico y el alcohol. Se entiende por saponificación la reacción que produce la formación de jabones. La principal causa es la disociación de las grasas en un medio alcalino, separándose glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se asocian inmediatamente con los álcalis constituyendo las sales sódicas de los ácidos grasos: el jabón.

Reacción de condensación de alcoholes

La formación del éter compite con la eliminación de agua para dar el alqueno. Las condiciones de reacción determinarán cuál es la reacción mayoritaria:

Reacción de condensación para dar amidas

El amoniaco, las aminas primarias y las aminas secundarias reaccionan con los ácidos carboxílicos para dar amidas. Es una reacción de condensación en la que se libera agua. Su inversa, la reacción de hidrólisis, permite obtener la amina y el ácido correspondiente:

Polímeros

Los polímeros (también llamados macromoléculas) son moléculas muy grandes formadas a partir de la repetición de unidades más pequeñas llamadas monómeros.

Clasificación de los polímeros

Existen polímeros naturales como los polisacáridos, las proteínas o el caucho (natural) y otros sintéticos: polietileno (PE), nylon, poliéster, PVC, PET…

Con respecto al comportamiento a temperaturas elevadas, los polímeros se clasifican como termoplásticos o termoestables. Los termoplásticos (PET, PE, PVC, PP, PS…) se ablandan cuando se calientan y se endurecen cuando se enfrían. Los termoestables (Poliuretano (PUR)) una vez se han endurecido no se reblandecen por calentamiento.

Con respecto a los tipos de unidades repetitivas, si todas son del mismo tipo es un homopolímero y si contiene dos o más tipos de unidades repetitivas es un copolímero.

Síntesis de polímeros

Los polímeros se pueden sintetizar por dos rutas: reacción en cadena (polimerización por adición) o reacción por etapas (polimerización por condensación).

Polímeros por crecimiento en cadena o polímeros de adición

Se obtienen a partir de la formación de largas cadenas de monómeros que se unen unas a otras sin que exista pérdida de ninguna molécula en el proceso:

• Iniciación

  

• Crecimiento

  

• Terminación

  

La reacción global quedaría como:

Polímeros por crecimiento por etapas o polímeros de condensación

Se obtienen por reacción entre dos monómeros, cada uno de los cuales tiene, al menos, dos grupos funcionales, con eliminación de alguna molécula (por ejemplo agua). Los poliésteres son polímeros de condensación que se obtienen a partir de dioles y ácidos dicarboxílicos, que dan lugar a los grupos éster característicos del polímero: