U1 · Eje 2: Hidrocarburos, Nomenclatura y Grupos Funcionales
Unidad 1: Química Orgánica — Química II | UNSJ
1. Hidrocarburos: definición y clasificación
Idea Clave
Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más simples: solo contienen carbono e hidrógeno. Sin embargo, de esta aparente simplicidad emerge una diversidad estructural enorme. Clasificarlos es el primer paso para entender la nomenclatura, la reactividad y las propiedades físicas de toda la química orgánica.
Hidrocarburo
Compuesto orgánico formado exclusivamente por átomos de carbono e hidrógeno. Son la base estructural de todos los demás compuestos orgánicos: agregar grupos funcionales (O, N, S, halogens…) a un esqueleto hidrocarbonado genera las demás familias de compuestos.
1.1 Árbol de clasificación
Los hidrocarburos se clasifican en dos grandes grupos según la presencia o ausencia de un anillo bencénico:
Hidrocarburos alifáticos
No contienen anillo bencénico. Se dividen en:
- Acíclicos (cadena abierta):
- Saturados → Alcanos (solo enlaces simples C–C)
- Insaturados → Alquenos (C=C) y Alquinos (C≡C)
- Cíclicos (cadena cerrada):
- Saturados → Cicloalcanos
- Insaturados → Cicloalquenos
Hidrocarburos aromáticos
Contienen al menos un anillo bencénico (sistema conjugado con deslocalización π). Incluyen:
- Benceno y sus derivados monosustituidos y polisustituidos
- Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP): naftaleno, antraceno, fenantreno, pireno
Su estabilidad especial se explica por la regla de Hückel (ver Sección 7).
1.2 Nomenclatura IUPAC: estructura del nombre
Todos los hidrocarburos — y en general todos los compuestos orgánicos — se nombran según el sistema IUPAC siguiendo siempre el mismo esquema de tres partes:
Estructura del nombre IUPAC
El prefijo indica el número de carbonos de la cadena principal (met-, et-, prop-, but-, pent-…). El sufijo indica el tipo de hidrocarburo: -ano (alcano), -eno (alqueno), -ino (alquino).
- Raíz (prefijo de cadena): indica el número de carbonos de la cadena principal. Met- (1), Et- (2), Prop- (3), But- (4), Pent- (5), Hex- (6), Hept- (7), Oct- (8), Non- (9), Dec- (10).
- Sufijo: indica la función o tipo de insaturación. -ano = sin insaturaciones; -eno = doble enlace; -ino = triple enlace.
- Prefijo de sustituyente: se agrega antes de la raíz con un localizador numérico (ej.: 2-metil, 3-etil). Varios sustituyentes se listan en orden alfabético.
El término alifático significa "no aromático". Por eso los cicloalcanos y cicloalquenos son compuestos alifáticos cíclicos: tienen anillo, pero no tienen el sistema π deslocalizado del benceno. No confundir con "acíclico" (cadena abierta).
2. Alcanos: estructura, nomenclatura y grupos alquilo
Idea Clave
Los alcanos son los hidrocarburos más simples: cadenas de carbonos sp³ unidos exclusivamente por enlaces simples, con la fórmula general \(\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\). Son la base de la nomenclatura IUPAC y el punto de partida para entender toda la química orgánica.
Alcanos
Hidrocarburos saturados acíclicos (sin dobles ni triples enlaces, sin anillos) en los que todos los carbonos tienen hibridación sp³. La fórmula general es \(\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\) donde \(n\) es el número de átomos de carbono. También se los llama parafinas (del latín parum affinis, poca afinidad) por su baja reactividad química.
Fórmula general de los alcanos
Cada carbono adicional en la cadena incorpora un grupo \(\text{CH}_2\) (metileno). Los miembros consecutivos difieren en \(\text{CH}_2\), lo que define la serie homóloga.
2.1 Serie homóloga C1–C10
| n | Nombre | Fórmula | P. eb. (°C) | P. fus. (°C) | Nº isómeros |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Metano | \(\text{CH}_4\) | −161,5 | −182,5 | 1 |
| 2 | Etano | \(\text{C}_2\text{H}_6\) | −88,6 | −183,3 | 1 |
| 3 | Propano | \(\text{C}_3\text{H}_8\) | −42,1 | −187,7 | 1 |
| 4 | Butano | \(\text{C}_4\text{H}_{10}\) | −0,5 | −138,3 | 2 |
| 5 | Pentano | \(\text{C}_5\text{H}_{12}\) | 36,1 | −129,7 | 3 |
| 6 | Hexano | \(\text{C}_6\text{H}_{14}\) | 68,7 | −95,3 | 5 |
| 7 | Heptano | \(\text{C}_7\text{H}_{16}\) | 98,4 | −90,6 | 9 |
| 8 | Octano | \(\text{C}_8\text{H}_{18}\) | 125,7 | −56,8 | 18 |
| 9 | Nonano | \(\text{C}_9\text{H}_{20}\) | 150,8 | −53,5 | 35 |
| 10 | Decano | \(\text{C}_{10}\text{H}_{22}\) | 174,1 | −29,7 | 75 |
Estructuras de los primeros alcanos
2.1b Prefijos IUPAC para cadenas largas (C11–C30)
Para nombrar alcanos con más de 10 carbonos, se utilizan prefijos derivados del latín y griego:
| n | Nombre | n | Nombre |
|---|---|---|---|
| 11 | Undecano | 21 | Henicosano |
| 12 | Dodecano | 22 | Docosano |
| 13 | Tridecano | 23 | Tricosano |
| 20 | Icosano | 30 | Triacontano |
- El punto de ebullición aumenta con la masa molecular: más carbonos → mayor superficie molecular → mayores fuerzas de Van der Waals.
- C1–C4: gases a temperatura ambiente. C5–C17: líquidos. C18+: sólidos (ceras y parafinas).
- El número de isómeros crece exponencialmente con n: para C10 hay 75 isómeros estructurales posibles.
2.2 Usos cotidianos
Combustibles y energía
- Metano (C1): gas natural domiciliario e industrial.
- Propano/Butano (C3–C4): GLP (gas licuado de petróleo), garrafas.
- Octano (C8): componente principal de la nafta; el índice de octano mide la resistencia a la detonación.
- Kerosene (C10–C16): combustible de aviación.
Materiales y lubricantes
- Hexano (C6): solvente industrial para extracción de aceites vegetales.
- Parafinas (C20+): velas, recubrimientos, cosméticos.
- Vaselina (mezcla C25–C35): lubricante y emoliente médico.
- Polietileno (PE): polímero derivado del etileno (precursor alqueno), el plástico más producido del mundo.
2.3 Grupos alquilo
Grupo alquilo
Fragmento que resulta de quitar un hidrógeno a un alcano. Su nombre se forma reemplazando el sufijo -ano por -ilo. Se representan con la letra R (del alemán Rest, "resto"). Actúan como sustituyentes cuando se ramifica una cadena principal.
| Alcano origen | Grupo alquilo | Fórmula | Abreviatura |
|---|---|---|---|
| Metano | Metilo | \(\text{–CH}_3\) | Me |
| Etano | Etilo | \(\text{–CH}_2\text{CH}_3\) | Et |
| Propano | Propilo (n-propilo) | \(\text{–CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3\) | n-Pr |
| Propano | Isopropilo | \(\text{–CH(CH}_3\text{)}_2\) | i-Pr |
| Butano | n-Butilo | \(\text{–(CH}_2\text{)}_3\text{CH}_3\) | n-Bu |
| Butano | sec-Butilo | \(\text{–CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\) | sec-Bu |
| Butano | isobutilo | \(\text{–CH}_2\text{CH(CH}_3\text{)}_2\) | i-Bu |
| Butano | tert-Butilo | \(\text{–C(CH}_3\text{)}_3\) | t-Bu |
Carbono primario, secundario y terciario
- Carbono primario (1°): unido a un carbono. Siempre en extremos de cadena.
- Carbono secundario (2°): unido a dos carbonos. Dentro de cadena lineal.
- Carbono terciario (3°): unido a tres carbonos. En ramificaciones.
- Carbono cuaternario (4°): unido a cuatro carbonos. Sin hidrógenos.
Prefijos iso-, sec-, tert-
- iso-: la unión libre está en un carbono primario de una cadena ramificada (isopropilo, isobutilo).
- sec-: la unión libre está en un carbono secundario (sec-butilo).
- tert-: la unión libre está en un carbono terciario (tert-butilo).
La diferencia entre iso-, sec- y tert- no es la estructura del grupo en sí, sino dónde está el punto de unión libre. El isopropilo y el sec-butilo tienen distinto número de carbonos, pero ambos tienen la unión en un C secundario. El tert-butilo es el único grupo alquilo de 4 carbonos con la unión en un C terciario.
Referencia visual: grupos alquilo sobre benceno
El anillo bencénico actúa como punto de unión para visualizar cada grupo. Observa cómo cambia la ramificación:
Grupos propilo
Grupos butilo
2.4 Reglas de nomenclatura IUPAC para alcanos ramificados
- Identificar la cadena principal: la más larga que contenga el mayor número de carbonos.
- Numerar la cadena principal desde el extremo más cercano al primer sustituyente, de modo que los localizadores sean los más bajos posibles. Cuando hay más de un sustituyente, se comparan las dos posibles numeraciones en el primer punto de diferencia: se elige la que dé el número más bajo al comparar posición por posición.
- Identificar y nombrar cada sustituyente con su prefijo alquilo correspondiente.
- Agregar el localizador (número de posición) antes del nombre del sustituyente: 2-metil, 3-etil, etc.
- Si hay varios sustituyentes iguales, usar prefijos multiplicadores: di-, tri-, tetra-.
- Si hay varios sustituyentes distintos, listarlos en orden alfabético (ignorando di-, tri-, etc.).
- El nombre completo: sustituyentes (con localizadores, en orden alfabético) + raíz de cadena principal + -ano.
Aunque haya dos sustituciones en el mismo carbono, el índice se repite. Ejemplo correcto: 3,3-dimetilpentano (el 3 aparece dos veces). Si hay sustituyentes iguales se usan prefijos multiplicadores (di, tri, tetra…), pero debe aparecer un índice separado con comas por cada sustituyente. Los prefijos di-, tri-, etc. no se separan con guión del nombre del sustituyente: «dimetil» es correcto, «di-metil» es incorrecto.
Molécula: cadena de 4 carbonos (but-) con dos metilos en C2 y C3.
- Cadena principal → 4 carbonos → but-ano.
- Numeración: los metilos están en C2 y C3 (mismos localizadores desde ambos extremos → se elige el primer punto de diferencia).
- Dos metilos iguales → dimetil.
- Nombre: 2,3-dimetilbutano.
Fórmula: \(\text{CH}_3\text{-CH(CH}_3\text{)-CH(CH}_3\text{)-CH}_3\)
Molécula ramificada con cadena principal de 9 carbonos y tres sustituyentes distintos:
- Cadena principal → 9 carbonos → non-ano.
- Numeración: de derecha a izquierda da índices 2,3,4,5 vs. de izquierda a derecha 5,6,7,8. Se elige la primera (primer punto de diferencia: 2 < 5).
- Sustituyentes: metil (×2), etil (×1), propil (×1).
- Orden alfabético: etil → metil → propil.
- Nombre completo: 4-etil-2,3-dimetil-5-propilnonano.
2.5 Halogenuros de alquilo
Halogenuros de alquilo
Compuestos en los que uno o más hidrógenos de un alcano han sido reemplazados por un átomo de halógeno (F, Cl, Br, I). Para la nomenclatura IUPAC se tratan como sustituyentes alquilo más, usando los prefijos fluoro-, cloro-, bromo- y yodo-. Los halógenos no tienen prioridad sobre los sustituyentes alquilo al numerar la cadena.
Se aplica el mismo procedimiento descrito para alcanos ramificados: los halógenos se alfabetizan junto con los demás sustituyentes.
| Halógeno | Prefijo IUPAC | Ejemplo |
|---|---|---|
| Flúor (F) | fluoro- | 2-fluoropropano |
| Cloro (Cl) | cloro- | 1-clorobutano |
| Bromo (Br) | bromo- | 2-bromopentano |
| Yodo (I) | yodo- | 1-yodopropano |
- 1-bromo-4-clorobutano: cadena de 4C con Br en C1 y Cl en C4. Bromo va primero por orden alfabético.
- 4-cloro-3-metilheptano: el cloro y el metilo se tratan igual al numerar; se aplica el primer punto de diferencia y luego se listan en orden alfabético.
En la nomenclatura en español, el halógeno I se llama yodo (prefijo: yodo-). En inglés es iodo (iodo-). Esto puede producir diferencias en el orden alfabético entre nombres en español e inglés del mismo compuesto.
3. Confórmeros y análisis conformacional
Idea Clave
Los enlaces simples C–C permiten rotación, lo que genera distintas disposiciones espaciales de los átomos sin romper ningún enlace. Estas disposiciones se llaman confórmeros. Aunque interconvertibles, no tienen la misma energía: entender qué conformación predomina explica la reactividad y las propiedades físicas de los alcanos.
Confórmeros (conformaciones)
Distintas disposiciones espaciales de los átomos de una molécula que se originan por rotación alrededor de un enlace simple (σ), sin romper ningún enlace. Dos confórmeros son la misma molécula en distintas posiciones relativas de sus fragmentos. No son isómeros: son la misma molécula.
Proyección de Newman
Representación bidimensional de una molécula vista a lo largo del eje del enlace C–C. El carbono frontal se representa con un punto central del que salen tres líneas (sus sustituyentes). El carbono trasero se representa con un círculo del que salen tres líneas (sus sustituyentes). El ángulo entre los sustituyentes del C frontal y los del C trasero es el ángulo diedro (φ).
3.1 Conformaciones del etano
Conformación alternada (staggered)
- Los hidrógenos del C trasero están desfasados 60° respecto a los del C frontal.
- Ángulo diedro H–C–C–H = 60° (o 180°).
- Máxima separación entre los H: mínima repulsión electrónica.
- Es la conformación de menor energía (más estable).
Conformación eclipsada (eclipsed)
- Los hidrógenos del C trasero quedan alineados con los del C frontal.
- Ángulo diedro H–C–C–H = 0°.
- Los H de ambos carbonos se repelen mutuamente: máxima tensión torsional.
- Es la conformación de mayor energía (menos estable).
Barrera rotacional del etano
Esta es la diferencia de energía entre la conformación eclipsada (máximo) y la alternada (mínimo). Es la barrera de torsión del etano: la energía que deben superar los átomos para rotar de una conformación a otra a temperatura ambiente (kT ≈ 0,6 kcal/mol a 25 °C). A temperatura ambiente esta barrera se supera con facilidad, por lo que el etano existe como una mezcla dinámica de conformaciones.
3.2 Conformaciones del propano
Al pasar del etano al propano, uno de los H es reemplazado por un grupo \(\text{CH}_3\), más voluminoso. El metilo introduce una nueva fuente de tensión:
La interacción entre el metilo y los H del carbono adyacente en la conformación eclipsada se llama tensión torsional + impedimento estérico. La barrera rotacional del propano aumenta a \(\approx 3{,}3 \; \text{kcal/mol}\) por la mayor repulsión del grupo metilo respecto a un hidrógeno. El impedimento estérico es la repulsión entre grupos por su tamaño, independientemente de la carga electrónica.
3.3 Conformaciones del n-butano
El n-butano es el caso más instructivo: al rotar alrededor del enlace C2–C3, los dos metilos terminales (\(\text{CH}_3\)) pasan por cuatro conformaciones distintas:
| Conformación | Ángulo diedro (φ) | Descripción | Energía relativa |
|---|---|---|---|
| Anti | 180° | Los dos metilos en lados opuestos. Mínima repulsión. | 0 (mínimo global) |
| Gauche (±60°) | 60° / 300° | Los metilos a 60° entre sí. Cierta repulsión Me–Me. | +0,9 kcal/mol |
| Eclipsada parcial | 120° / 240° | Un metilo eclipsa un H. Tensión torsional moderada. | +3,4 kcal/mol |
| Eclipsada total (sin) | 0° / 360° | Los dos metilos se eclipsan. Máxima repulsión Me–Me. | +4,5 kcal/mol (máximo) |
Tanto la conformación anti (φ = 180°) como la gauche (φ = 60°) son mínimos de energía (valles en el perfil energético). Ninguna de las dos es "eclipsada". La diferencia es que la anti es el mínimo global (más estable) y la gauche es un mínimo local. A temperatura ambiente, el n-butano existe como una mezcla de conformaciones anti y gauche en equilibrio dinámico, con predominio de la anti (~72%).
4. Cicloalcanos: tensión anular y conformaciones
Idea Clave
Los cicloalcanos son alcanos que cierran su cadena en un anillo. La geometría tetraédrica del carbono sp³ (109,5°) impone restricciones al ángulo interno del anillo: cuando el ángulo real se aleja del ideal, la molécula acumula tensión. El ciclohexano resuelve este problema adoptando la conformación silla, donde no hay tensión alguna.
Cicloalcanos
Hidrocarburos saturados con al menos un anillo carbocíclico. Su fórmula general es \(\text{C}_n\text{H}_{2n}\) (un grado de insaturación equivalente por el cierre del anillo). Se nombran agregando el prefijo ciclo- al nombre del alcano de igual número de carbonos: ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, ciclohexano…
Tensión anular (Tensión de Baeyer)
Energía adicional que posee un anillo por el hecho de que sus ángulos de enlace internos se desvían del ángulo tetraédrico ideal de 109,5°. Fue propuesta por Adolf von Baeyer en 1885. Un mayor alejamiento del ángulo ideal implica mayor tensión y menor estabilidad. Cuando el ángulo real es menor que 109,5° hay tensión de compresión; cuando es mayor, hay tensión de expansión.
4.1 Ángulos internos y tensión por anillo
| Cicloalcano | Lados (n) | Ángulo plano ideal | Desviación de 109,5° | Tensión relativa |
|---|---|---|---|---|
| Ciclopropano | 3 | 60° | −49,3° | Muy alta |
| Ciclobutano | 4 | 90° | −19,3° | Alta |
| Ciclopentano | 5 | 108° | −1,3° | Muy baja |
| Ciclohexano | 6 | 120° | +10,7° (plana) → 0° (silla) | Nula (en silla) |
Estructuras de los cicloalcanos
4.2 Solapamiento en ciclopropano
Solapamiento eficaz (lineal)
En alcanos normales los orbitales sp³ se superponen de frente, a lo largo del eje internuclear. Esto maximiza la superposición y da el enlace σ más fuerte.
Solapamiento oblicuo (banana bond)
En ciclopropano el ángulo C–C–C de 60° obliga a los orbitales sp³ a solaparse de forma oblicua ("bent bonds" o enlaces banana). El solapamiento es menor y los enlaces son más débiles y más reactivos. Por eso el ciclopropano se comporta parcialmente como un alqueno.
4.3 Conformaciones del ciclohexano
Conformación silla (chair)
- Todos los ángulos C–C–C son 109,5° (igual al tetraedro).
- Todos los enlaces H son alternados (sin tensión torsional).
- Sin tensión anular ni torsional: es la conformación de mínima energía.
- Dos H en posiciones especiales: axial (perpendicular al plano medio) y ecuatorial (aproximadamente en el plano).
Conformación bote (boat)
- Se forma al "doblar" un vértice de la silla hacia arriba.
- Presenta tensión torsional: cuatro pares de enlaces eclipsados en los "lados" del bote.
- Interacción entre los dos H de los "mascarones de proa" (flagpole H): repulsión estérica adicional.
- Es un máximo de energía en el camino entre una silla y otra.
Bote torcido (twist-boat)
Conformación intermedia entre la silla y el bote puro. Al girar ligeramente uno de los carbonos del bote, se reducen las repulsiones entre los H flagpole y parte de la tensión torsional. Es un mínimo local de energía, más estable que el bote puro pero mucho menos que la silla (aproximadamente +5,5 kcal/mol sobre la silla).
4.4 Posiciones axiales y ecuatoriales
Hidrógenos axiales
- Orientados verticalmente: paralelos al eje de simetría del anillo.
- Alternan arriba/abajo en carbonos consecutivos.
- Más cerca de otros H axiales en posición 1,3: sufren interacciones 1,3-diaxiales.
Hidrógenos ecuatoriales
- Orientados hacia afuera, levemente inclinados.
- Están en el "ecuador" del anillo.
- Más alejados de otros sustituyentes: menor impedimento estérico.
Cuando el ciclohexano lleva un sustituyente voluminoso (ej. metilo, etilo, tert-butilo), la conformación silla con el sustituyente en posición ecuatorial es la predominante porque evita las interacciones 1,3-diaxiales. Para el metilciclohexano, la conformación ecuatorial es aproximadamente 1,8 kcal/mol más estable que la axial; para el tert-butilciclohexano la diferencia sube a ~5,4 kcal/mol, haciendo prácticamente exclusiva la conformación ecuatorial.
El ring flip (volteo del anillo) es el proceso por el cual la silla se invierte: todos los H axiales se vuelven ecuatoriales y vicepropósito. Este proceso no rompe ningún enlace y no genera un isómero nuevo. Es una interconversión conformacional rápida a temperatura ambiente (barrera ≈ 10,8 kcal/mol). Solo cuando hay dos sustituyentes distintos el ring flip produce una conformación diferenciable.
5. Alquenos: estructura, nomenclatura y usos
Idea Clave
Los alquenos contienen al menos un doble enlace C=C, lo que los hace insaturados. El doble enlace fija los átomos en un plano rígido y convierte al carbono sp² en un sitio de alta reactividad. Son la materia prima de los polímeros más importantes de la industria.
Alquenos
Hidrocarburos acíclicos insaturados que contienen al menos un doble enlace carbono–carbono (\(\text{C=C}\)). Los carbonos del doble enlace tienen hibridación sp². La fórmula general para un alqueno con un solo doble enlace es \(\text{C}_n\text{H}_{2n}\) (mismo que cicloalcanos: un grado de insaturación). También se llaman olefinas.
Fórmula general de los alquenos (un doble enlace)
Cada doble enlace adicional resta dos hidrógenos: un alqueno con dos dobles enlaces (dieno) tiene fórmula \(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}\), igual que los alquinos.
5.1 Estructura y rigidez del doble enlace
El doble enlace C=C está formado por:
- Un enlace σ: superposición frontal de orbitales sp² de cada carbono.
- Un enlace π: superposición lateral de los orbitales p puros perpendiculares al plano molecular.
La superposición lateral que forma el enlace π solo existe si los orbitales p están paralelos. Cualquier rotación alrededor del eje C=C destruiría el solapamiento lateral y rompería el enlace π. Por eso la rotación alrededor de un doble enlace está bloqueada a temperatura ambiente, lo que origina la isomería cis/trans (o Z/E) en alquenos disustituidos.
5.2 Nomenclatura IUPAC de los alquenos
- Identificar la cadena principal: la más larga que contenga el doble enlace C=C.
- Reemplazar el sufijo -ano por -eno.
- Numerar la cadena desde el extremo más cercano al doble enlace, de modo que el doble enlace tenga el localizador más bajo posible.
- Indicar la posición del doble enlace con el número del primer carbono del doble enlace: but-1-eno, but-2-eno.
- Los sustituyentes se nombran igual que en alcanos, en orden alfabético con sus localizadores.
| Nombre IUPAC | Fórmula | Observación |
|---|---|---|
| Eteno (etileno) | \(\text{CH}_2\text{=CH}_2\) | El alqueno más simple; no necesita localizador. |
| Propeno (propileno) | \(\text{CH}_2\text{=CHCH}_3\) | Un solo alqueno posible con 3C. |
| But-1-eno | \(\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3\) | Doble enlace en C1. |
| But-2-eno | \(\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3\) | Doble enlace en C2; existe como cis y trans. |
| 2-Metilpropeno (isobutileno) | \(\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)}_2\) | Doble enlace en C2 con metilo sustituyente. |
Estructuras de los alquenos simples
5.3 Polienos: dienos y trienos
Polienos
Alquenos con más de un doble enlace. Se nombran con los sufijos -dieno (dos dobles enlaces), -trieno (tres), -tetraeno (cuatro), etc., con los localizadores correspondientes. Ejemplo: buta-1,3-dieno (\(\text{CH}_2\text{=CH–CH=CH}_2\)), el monómero del caucho sintético.
Grupo vinilo
Resulta de quitar un H al eteno:
\(\text{CH}_2\text{=CH–}\)
Presente en el cloruro de vinilo (monómero del PVC) y en el estireno.
Grupo alilo
Resulta de quitar un H al propeno en el C3:
\(\text{CH}_2\text{=CH–CH}_2\text{–}\)
El carbono alílico (C3) tiene reactividad especial por la deslocalización alílica del radical o catión que se forma.
5.4 Sustituyentes insaturados comunes
Existen algunos sustituyentes insaturados cuyos nombres comunes son reconocidos por la IUPAC. Es importante conocerlos porque aparecen frecuentemente en la nomenclatura:
| Nombre común | Nombre IUPAC | Estructura | Ejemplo de uso |
|---|---|---|---|
| metilen | metiliden | \(\text{H}_2\text{C=}\) | metilenciclohexano |
| vinil | etenil | \(\text{H}_2\text{C=CH–}\) | cloruro de vinilo |
| etiliden | etilideno | \(\text{CH}_3\text{CH=}\) | etilidenciclohexano |
| alil | propenil (2-propenil) | \(\text{H}_2\text{C=CH–CH}_2\text{–}\) | bromuro de alilo |
Ejemplos de sustituyentes insaturados sobre ciclohexano
5.5 Cicloalquenos
Los cicloalquenos son análogos cíclicos de los alquenos. Se nombran con el prefijo ciclo- y el doble enlace siempre se ubica entre C1 y C2 (la posición más baja posible). El ciclohexeno es el más estable; anillos con menos de 5 carbonos presentan tensión adicional por la geometría del doble enlace.
- Eteno: monómero del polietileno (PE), el plástico más producido del mundo. También precursor del etilenglicol (anticongelante) y del óxido de etileno.
- Propeno: monómero del polipropileno (PP), usado en envases, fibras textiles y partes de automóviles.
- Buta-1,3-dieno: monómero del caucho sintético (SBR, polibutadieno).
- Isopreno (2-metilbuta-1,3-dieno): monómero del caucho natural.
- Estireno: monómero del poliestireno (PS) y del ABS.
Moléculas industriales clave
6. Alquinos: estructura y nomenclatura
Idea Clave
Los alquinos poseen un triple enlace C≡C formado por un enlace σ y dos enlaces π perpendiculares entre sí. Los carbonos del triple enlace son sp, lo que les da geometría lineal. Son más insaturados y más reactivos que los alquenos.
Alquinos
Hidrocarburos acíclicos que contienen al menos un triple enlace carbono–carbono (\(\text{C≡C}\)). Los dos carbonos del triple enlace tienen hibridación sp, geometría lineal (ángulo 180°) y forman: un enlace σ (superposición frontal sp–sp) y dos enlaces π perpendiculares entre sí (superposición lateral de los orbitales \(p_y\) y \(p_z\)). La fórmula general para un alquino con un solo triple enlace es \(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}\).
Fórmula general de los alquinos (un triple enlace)
Un alquino tiene dos grados de insaturación equivalentes (el triple enlace cuenta como dos). La misma fórmula corresponde a los dienos (dos dobles enlaces).
6.1 Nomenclatura IUPAC de los alquinos
Las reglas son análogas a las de los alquenos, cambiando solo el sufijo:
- Identificar la cadena principal más larga que contenga el triple enlace.
- Reemplazar el sufijo -ano por -ino.
- Numerar desde el extremo más cercano al triple enlace (localizadores más bajos).
- Indicar la posición con el número del primer carbono del triple enlace: but-1-ino, but-2-ino.
- Los sustituyentes se nombran en orden alfabético con sus localizadores.
| Nombre IUPAC | Fórmula | Observación |
|---|---|---|
| Etino (acetileno) | \(\text{HC≡CH}\) | El alquino más simple; nombre común: acetileno. |
| Propino | \(\text{HC≡C–CH}_3\) | Un solo alquino posible con 3C. |
| But-1-ino | \(\text{HC≡C–CH}_2\text{CH}_3\) | Triple enlace terminal en C1. |
| But-2-ino | \(\text{CH}_3\text{–C≡C–CH}_3\) | Triple enlace interno en C2. |
Estructuras de los alquinos simples
Cuando una molécula posee tanto un doble como un triple enlace, se nombra usando los sufijos -en-ino (en ese orden). La cadena principal debe contener ambas insaturaciones. Se numeran de modo que los localizadores sean los mínimos; si hay empate, el doble enlace recibe el número más bajo. Ejemplo: pent-1-en-4-ino (\(\text{CH}_2\text{=CH–CH}_2\text{–C≡CH}\)).
Acetileno (etino) — usos industriales
El etino (\(\text{HC≡CH}\)) es el alquino más importante industrialmente. Se produce por reacción del carburo de calcio con agua o por deshidrogenación del etano. Sus principales usos son:
- Soldadura y corte oxiacetilénico: la llama acetileno–oxígeno alcanza ~3500 °C, suficiente para fundir acero.
- Síntesis química: precursor del cloruro de vinilo (PVC), del ácido acético y del acrilonitrilo (fibras acrílicas).
- Iluminación histórica: las lámparas de carburo usaban acetileno como combustible de luz.
7. Compuestos aromáticos: benceno, Hückel y policíclicos
Idea Clave
Los compuestos aromáticos deben su nombre a su olor característico, pero su verdadera particularidad es la deslocalización de electrones π en un sistema cíclico conjugado. Esta deslocalización les confiere una estabilidad extraordinaria — la aromaticidad — que los hace reactivos de manera completamente distinta a los alquenos.
7.1 Estructura del benceno
El benceno (\(\text{C}_6\text{H}_6\)) fue aislado por Faraday en 1825 y su estructura fue propuesta por Kekulé en 1865 como un anillo hexagonal con dobles enlaces alternos. Sin embargo, la estructura real no es ninguna de las dos estructuras de Kekulé, sino el híbrido de resonancia entre ambas:
Lo que Kekulé propuso
- Alternancia de enlace simple y doble (1,5-ciclohexadieno).
- Predice dos tipos de enlaces C–C con longitudes distintas.
- Predice alta reactividad de adición (como los alquenos).
La realidad experimental
- Todos los enlaces C–C del benceno tienen la misma longitud: 1,39 Å (intermedia entre C–C simple: 1,54 Å y C=C doble: 1,34 Å).
- Los 6 electrones π están deslocalizados uniformemente sobre todo el anillo.
- Es mucho más estable de lo esperado para un ciclohexatrieno (~36 kcal/mol de energía de resonancia).
- Reacciona preferentemente por sustitución aromática, no por adición.
7.2 Regla de Hückel
Regla de Hückel — criterio de aromaticidad
Un compuesto cíclico, plano y conjugado es aromático si el número total de electrones π del sistema es igual a 4n + 2 para algún entero no negativo n. Esta regla predice cuándo un anillo tendrá la estabilidad especial de la aromaticidad.
| n | Electrones π (4n+2) | Ejemplos |
|---|---|---|
| 0 | 2 | Anión ciclopropenilideno (\(\text{C}_3\text{H}_3^-\)), ciclopropenilideno |
| 1 | 6 | Benceno (\(\text{C}_6\text{H}_6\)), piridina, furano, tiofeno, pirrol |
| 2 | 10 | Naftaleno (\(\text{C}_{10}\text{H}_8\)), azuleno |
| 3 | 14 | Antraceno (\(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\)), fenantreno |
| 4 | 18 | [18]Anuleno |
Catión tropilio (aromático)
El cicloheptatrienilo catión (\(\text{C}_7\text{H}_7^+\), tropilio) tiene 6 electrones π deslocalizados en 7 carbonos. Cumple la regla de Hückel (n=1) y es notablemente estable para un carbocatión.
Anión ciclopentadienilo (aromático)
El ciclopentadienilo anión (\(\text{C}_5\text{H}_5^-\)) tiene 6 electrones π (5 del dieno + 1 del par solitario del C⁻). También cumple Hückel (n=1) y es estable, lo que explica la acidez del ciclopentadieno (\(\text{p}K_a \approx 16\)).
7.3 Nomenclatura de bencenos sustituidos
El benceno monosustituido se nombra como nombre del sustituyente + benceno, o usando nombres comunes aceptados por IUPAC:
| Sustituyente | Nombre IUPAC (sistemático) | Nombre común |
|---|---|---|
| \(\text{–CH}_3\) | Metilbenceno | Tolueno |
| \(\text{–OH}\) | Hidroxibenceno | Fenol |
| \(\text{–NH}_2\) | Aminobenceno | Anilina |
| \(\text{–CHO}\) | Bencencarboxaldehído | Benzaldehído |
| \(\text{–COOH}\) | Ácido bencencarboxílico | Ácido benzoico |
| \(\text{–OCH}_3\) | Metoxibenceno | Anisol |
Bencenos monosustituidos
Para bencenos disustituidos, se usan los prefijos de posición relativa:
- orto- (o-): sustituyentes en C1 y C2 (posiciones adyacentes).
- meta- (m-): sustituyentes en C1 y C3 (separados por un C).
- para- (p-): sustituyentes en C1 y C4 (posiciones opuestas).
Posiciones orto, meta y para (ejemplo: xilenos)
Radical fenilo (Ph–)
Resulta de quitar un H del anillo de benceno:
\(\text{C}_6\text{H}_5\text{–}\) (Ph–)
El punto de unión está directamente en el anillo aromático.
Radical bencilo (Bn–)
Resulta de quitar un H del metilo del tolueno:
\(\text{C}_6\text{H}_5\text{–CH}_2\text{–}\) (Bn–)
El punto de unión está en el carbono bencílico (fuera del anillo). El radical/anión/catión bencílico es estabilizado por deslocalización con el anillo.
7.4 Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)
Los HAP contienen dos o más anillos bencénicos fusionados (comparten un enlace C–C). Son todos aromáticos y cumplen la regla de Hückel para el sistema π conjunto:
| Nombre | Fórmula | Anillos | e⁻ π | Fuentes |
|---|---|---|---|---|
| Naftaleno | \(\text{C}_{10}\text{H}_8\) | 2 lineales | 10 | Alcanfor, naftalina (antiguo repelente de polillas) |
| Antraceno | \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\) | 3 lineales | 14 | Alquitrán de hulla; colorantes |
| Fenantreno | \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\) | 3 angulares | 14 | Alquitrán; base del esqueleto esteroide |
| Pireno | \(\text{C}_{16}\text{H}_{10}\) | 4 fusionados | 16 | Combustión incompleta; contaminante atmosférico |
| Benzo[a]pireno | \(\text{C}_{20}\text{H}_{12}\) | 5 fusionados | 22 | Humo de tabaco, asados; carcinógeno clase 1 |
Estructuras de los HAP
Los HAP se forman en la combustión incompleta de materia orgánica: humo de tabaco, escape de motores, asados a la parrilla, incendios forestales. En el organismo son metabolizados a epóxidos reactivos que se unen covalentemente al ADN, causando mutaciones. El benzo[a]pireno es un carcinógeno de clase 1 (cancerígeno humano confirmado) según la IARC. Su presencia en los alimentos ahumados y en el humo de tabaco es una de las razones principales por las que el tabaquismo causa cáncer de pulmón.
8. Grupos funcionales oxigenados
Idea Clave
Un grupo funcional es el átomo o conjunto de átomos que determina la reactividad característica de una molécula. Agregar distintos grupos funcionales al mismo esqueleto hidrocarbonado genera familias con propiedades radicalmente diferentes. Los grupos oxigenados son los más abundantes en bioquímica: alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, éteres y ésteres.
Grupo funcional
Átomo o grupo de átomos con estructura electrónica específica que confiere propiedades químicas características a la molécula que lo contiene. El grupo funcional es la parte reactiva de la molécula; el esqueleto hidrocarbonado es, en general, inerte. Identificar el grupo funcional permite predecir las reacciones que una molécula puede experimentar.
8.1 Alcoholes
Los alcoholes contienen el grupo hidroxilo (\(\text{–OH}\)) unido a un carbono sp³. Se nombran reemplazando la -a final del alcano por -ol, con el localizador del carbono que lleva el OH.
Clasificación según el carbono portador
- Alcohol primario (1°): el C–OH está unido a un solo C. Ej.: etanol (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\)).
- Alcohol secundario (2°): el C–OH está unido a dos C. Ej.: propan-2-ol (\(\text{CH}_3\text{CHOHCH}_3\)).
- Alcohol terciario (3°): el C–OH está unido a tres C. Ej.: 2-metilpropan-2-ol (\(\text{(CH}_3\text{)}_3\text{COH}\)).
Ejemplos y usos
- Metanol (C1): solvente industrial, combustible, altamente tóxico.
- Etanol (C2): bebidas alcohólicas, antiséptico, combustible.
- Glicerol (propano-1,2,3-triol): tres grupos –OH; base de los triglicéridos y emoliente cosmético.
- Colesterol: alcohol terciario esteroide; componente de membranas.
Ejemplos de alcoholes
8.2 Aldehídos y cetonas
Ambos contienen el grupo carbonilo (\(\text{C=O}\)). La diferencia está en la posición del carbonilo:
Aldehídos (–CHO)
- El carbonilo está en un extremo de la cadena, unido a al menos un H.
- Grupo funcional: \(\text{–CHO}\) (formilo).
- Sufijo IUPAC: -al (el localizador siempre es C1, no se indica).
- Ejemplos: metanal (formaldehído, \(\text{HCHO}\)), etanal (acetaldehído), benzaldehído.
- Usos: formaldehído como conservante y desinfectante; vainillina (4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído) como aromatizante.
Cetonas (R–CO–R')
- El carbonilo está en una posición interna de la cadena, unido a dos carbonos.
- Grupo funcional: \(\text{R–C(=O)–R'}\).
- Sufijo IUPAC: -ona, con localizador del carbonilo.
- Ejemplos: propan-2-ona (acetona, \(\text{CH}_3\text{COCH}_3\)), butan-2-ona, ciclopentanona.
- Usos: acetona como solvente; la progesterona y testosterona son cetonas esteroides.
Aldehídos y cetonas comunes
8.3 Ácidos carboxílicos
Contienen el grupo carboxilo (\(\text{–COOH}\)), que combina un carbonilo y un hidroxilo sobre el mismo carbono. Son los grupos funcionales más prioritarios en nomenclatura IUPAC.
Ácidos carboxílicos
Compuestos que contienen el grupo \(\text{–COOH}\) (carboxilo). Se nombran como ácido + nombre del alcano de igual n + -oico. El carbono del carboxilo es siempre C1 (no se indica localizador). Son ácidos débiles en solución acuosa (\(\text{p}K_a \approx 4{-}5\)) porque la base conjugada (carboxilato) está estabilizada por resonancia.
| Nombre IUPAC | Fórmula | Nombre común / fuente |
|---|---|---|
| Ácido metanoico | \(\text{HCOOH}\) | Ác. fórmico — veneno de hormigas |
| Ácido etanoico | \(\text{CH}_3\text{COOH}\) | Ác. acético — vinagre |
| Ácido propanoico | \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}\) | Ác. propiónico — conservante alimentario |
| Ácido hexadecanoico | \(\text{C}_{15}\text{H}_{31}\text{COOH}\) | Ác. palmítico — grasa de palma |
| Ácido bencencarboxílico | \(\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}\) | Ác. benzoico — conservante (E210) |
Ácidos carboxílicos comunes
8.4 Éteres
Los éteres tienen un oxígeno entre dos carbonos (\(\text{R–O–R'}\)). Son relativamente inertes químicamente y buenos solventes.
Nomenclatura clásica
Se nombran como alquil alquil éter, listando los grupos en orden alfabético:
- \(\text{CH}_3\text{–O–CH}_3\): dimetil éter
- \(\text{CH}_3\text{–O–CH}_2\text{CH}_3\): etil metil éter
- \(\text{C}_2\text{H}_5\text{–O–C}_2\text{H}_5\): dietil éter (éter etílico)
Nomenclatura IUPAC (oxo/oxa-)
IUPAC nombra los éteres como alcoxialcanos (el grupo –OR como prefijo alcoxi-) o, en heterociclos, reemplazando un –CH₂– por oxa-:
- Metoximetano, etoxietano
- Oxaciclopentano = tetrahidrofurano (THF)
- Oxaciclohexano = tetrahidropirano
Éteres comunes
8.5 Ésteres
Ésteres
Compuestos derivados de ácidos carboxílicos en los que el hidrógeno del grupo –OH del carboxilo ha sido reemplazado por un grupo alquilo o arilo (\(\text{R–COO–R'}\)). Se forman por reacción de esterificación entre un ácido y un alcohol. Se nombran como [nombre del acilo]-oato de [nombre del grupo alquilo]-ilo: el sufijo del ácido -oico se reemplaza por -oato, seguido de "de" y el nombre del grupo R'.
| Nombre IUPAC | Fórmula | Fuente / uso |
|---|---|---|
| Etanoato de etilo | \(\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5\) | Acetato de etilo — solvente, esmalte de uñas |
| Etanoato de isoamilo | \(\text{CH}_3\text{COO(CH}_2\text{)}_2\text{CH(CH}_3\text{)}_2\) | Acetato de isoamilo — aroma de banana |
| Triglicérido | Glicerol + 3 ácidos grasos | Grasas y aceites — reserva energética |
Ésteres comunes
9. Grupos funcionales nitrogenados y tabla de prioridad
Idea Clave
Los grupos funcionales nitrogenados son fundamentales en bioquímica: las aminas son la base de los aminoácidos y neurotransmisores; las amidas forman el enlace peptídico de las proteínas. Cuando una molécula tiene varios grupos funcionales, la tabla de prioridad IUPAC determina cuál define el sufijo del nombre y cuáles se nombran como prefijos.
9.1 Aminas
Aminas
Derivados del amoníaco (\(\text{NH}_3\)) en los que uno, dos o tres hidrógenos han sido reemplazados por grupos alquilo o arilo. Se clasifican según el número de grupos orgánicos unidos al nitrógeno: aminas primarias (R–NH₂), secundarias (R–NH–R') y terciarias (R–N(–R')–R''). No confundir con el carbono primario/secundario/terciario: aquí el orden se refiere al N.
Aminas simétricas
Todos los grupos R son iguales.
- Dimetilamina: \(\text{(CH}_3\text{)}_2\text{NH}\) — amina secundaria simétrica.
- Trimetilamina: \(\text{(CH}_3\text{)}_3\text{N}\) — amina terciaria simétrica. Responsable del olor a pescado.
Aminas asimétricas
Los grupos R son distintos. En aminas secundarias y terciarias, los sustituyentes sobre N se indican con el prefijo N-:
- N-metiletanamina: \(\text{CH}_3\text{–NH–CH}_2\text{CH}_3\)
- N,N-dimetilpropanamina: \(\text{(CH}_3\text{)}_2\text{N–CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3\)
Ejemplos de aminas
- Aminoácidos: contienen un grupo –NH₂ y un –COOH; son los monómeros de las proteínas.
- Neurotransmisores: dopamina, serotonina, adrenalina y GABA son aminas biogénicas.
- Anilina (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\)): amina aromática primaria; precursor de colorantes y fármacos.
9.2 Amidas
Amidas
Compuestos que tienen el grupo –CO–NH₂ (amida primaria) o sus variantes N-sustituidas. Se forman por reacción entre un ácido carboxílico y una amina con pérdida de agua. Se nombran reemplazando el sufijo -oico del ácido por -amida. Ejemplo: etanamida (\(\text{CH}_3\text{CONH}_2\), acetamida). El enlace entre el carbonilo y el N tiene carácter parcial de doble enlace por resonancia, lo que le confiere rigidez: la base del enlace peptídico en proteínas.
9.3 Nitrilos
Nitrilos
Compuestos que contienen el grupo –C≡N (ciano). Se nombran de dos formas:
- -nitrilo: cuando el C del CN forma parte de la cadena principal contada. Ej.: etanonitrilo (\(\text{CH}_3\text{C≡N}\)).
- -carbonitrilo: cuando el C del CN no forma parte de la cadena principal. Ej.: ciclohexanocarbonitrilo.
Amidas y nitrilos
9.4 Tabla de prioridad de grupos funcionales (IUPAC)
Cuando una molécula contiene más de un grupo funcional, el de mayor prioridad determina el sufijo del nombre; los demás se nombran como prefijos sustituyentes:
| Prioridad | Clase | Grupo | Sufijo (función principal) | Prefijo (sustituyente) |
|---|---|---|---|---|
| 1° | Ácido carboxílico | \(\text{–COOH}\) | -oico / -carboxílico | carboxi- |
| 2° | Éster | \(\text{–COOR}\) | -oato de -ilo | alcoxicarbonilo- |
| 3° | Amida | \(\text{–CONH}_2\) | -amida / -carboxamida | carbamoil- |
| 4° | Nitrilo | \(\text{–C≡N}\) | -nitrilo / -carbonitrilo | ciano- |
| 5° | Aldehído | \(\text{–CHO}\) | -al / -carbaldehído | formil- / oxo- |
| 6° | Cetona | \(\text{–CO–}\) | -ona | oxo- |
| 7° | Alcohol | \(\text{–OH}\) | -ol | hidroxi- |
| 8° | Amina | \(\text{–NH}_2\) | -amina | amino- |
| 9° | Éter | \(\text{–O–}\) | oxa- (heterociclos) | alcoxi- |
En una molécula polifuncional, se identifica el grupo de mayor prioridad según la tabla: ese grupo determina el sufijo del nombre y la cadena principal debe contenerlo. Todos los demás grupos funcionales se nombran como prefijos antes de la raíz de la cadena. Por ejemplo, en el ácido 4-aminobutanoico (GABA): el ácido carboxílico (prioridad 1°) da el sufijo -oico; la amina (prioridad 8°) se nombra como prefijo 4-amino-.