Introducción a la química orgánica

La química orgánica estudia los compuestos que contienen carbono, especialmente aquellos en los que el carbono se enlaza con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo o halógenos.

Durante mucho tiempo se creyó que los compuestos orgánicos solo podían producirse en los seres vivos gracias a una supuesta «fuerza vital». Esa idea fue abandonada cuando, en 1828, el químico alemán Wöhler sintetizó urea, un compuesto orgánico, a partir de cianato de amonio, una sal inorgánica:

$$NH_4OCN \xrightarrow{\Delta} CO(NH_2)_2$$

Este experimento marcó el inicio de la química orgánica moderna: los compuestos orgánicos pueden obtenerse y modificarse en el laboratorio.

Características generales de los compuestos orgánicos

No todos los compuestos del carbono son orgánicos. Algunos como el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, los carbonatos y los bicarbonatos suelen estudiarse dentro de la química inorgánica.

Los compuestos orgánicos presentan, en general, estas características:

• Están formados principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
• Predomina el enlace covalente.
• Suelen ser termolábiles: se descomponen o se transforman con relativa facilidad al calentarse; no resisten altas temperaturas como muchos compuestos iónicos.
• Tienen puntos de fusión y ebullición relativamente bajos en comparación con muchos sólidos iónicos.
• Muchos son solubles en solventes orgánicos; la solubilidad en agua depende de la presencia de grupos polares.
• Son malos conductores de la electricidad.
• A condiciones ambientales pueden existir como gases, líquidos o sólidos.

El carbono tiene cuatro electrones de valencia y forma cuatro enlaces covalentes. Esta idea se expresa mediante tres propiedades fundamentales.

Tetravalencia

El carbono presenta cuatro valencias. En los compuestos orgánicos, al compartir sus cuatro electrones de valencia, tiende a quedar rodeado de cuatro pares de electrones.

La tetravalencia no significa que el carbono siempre forme cuatro enlaces simples. Puede formar:

• Cuatro enlaces simples.
• Un enlace doble y dos enlaces simples.
• Un enlace triple y un enlace simple.
• Dos enlaces dobles, entre otras combinaciones.

Autosaturación

La autosaturación es la capacidad del carbono para unirse consigo mismo formando cadenas. Gracias a ella existen cadenas lineales, ramificadas, cíclicas y estructuras gigantes. Es la propiedad que explica la enorme cantidad de compuestos orgánicos conocidos.

Covalencia

El carbono se une principalmente mediante enlaces covalentes, compartiendo pares de electrones con otros elementos como H, O, N, S, P y halógenos.

La forma geométrica de una molécula orgánica se explica mediante la hibridación del carbono. Para entenderla, se parte del carbono con cuatro electrones de valencia. Uno de los electrones del orbital $2s$ se promueve al orbital $2p$ vacío, y luego los orbitales se combinan o hibridan.

Existen tres hibridaciones principales:

Hibridación $sp^3$

Se combinan un orbital $s$ y tres orbitales $p$.

• Se obtienen cuatro orbitales híbridos $sp^3$.
• Geometría: tetraédrica.
• Ángulo de enlace: aproximadamente $109,5^\circ$.
• El carbono forma solo enlaces simples.
• Ejemplo: metano $CH_4$.

Un carbono $sp^3$ es un carbono saturado.

Hibridación $sp^2$

Se combinan un orbital $s$ y dos orbitales $p$.

• Se obtienen tres orbitales híbridos $sp^2$ y un orbital $p$ puro.
• Geometría: trigonal plana.
• Ángulo de enlace: aproximadamente $120^\circ$.
• El carbono forma enlaces dobles: un enlace sigma y un enlace pi.
• Ejemplo: eteno $CH_2=CH_2$.

El carbono del grupo carbonilo $C=O$ de aldehídos, cetonas, ácidos y ésteres también tiene hibridación $sp^2$.

Hibridación $sp$

Se combinan un orbital $s$ y un orbital $p$.

• Se obtienen dos orbitales híbridos $sp$ y dos orbitales $p$ puros.
• Geometría: lineal.
• Ángulo de enlace: $180^\circ$.
• El carbono forma enlaces triples: un enlace sigma y dos enlaces pi.
• Ejemplo: etino $HC \equiv CH$.

Las tres formas dependen del número de grupos enlazados al carbono y de la presencia de enlaces múltiples. Un carbono con:

• Solo enlaces simples → $sp^3$
• Un enlace doble → $sp^2$
• Un enlace triple → $sp$

Esta clasificación se usa mucho para contar carbonos $sp$, $sp^2$ y $sp^3$ en una molécula.

Los enlaces covalentes entre átomos pueden ser de dos tipos:

• Enlace sigma $(\sigma)$: se forma por superposición frontal de orbitales. Es más fuerte y constituye el primer enlace entre dos átomos.
• Enlace pi $(\pi)$: se forma por superposición lateral de orbitales $p$ paralelos. Es más débil y aparece a partir del segundo enlace en un enlace doble o triple.

Por lo tanto:

$$\text{Enlace simple} = 1 \sigma$$

$$\text{Enlace doble} = 1 \sigma + 1 \pi$$

$$\text{Enlace triple} = 1 \sigma + 2 \pi$$

En una molécula, el número total de enlaces sigma y pi se cuenta enlace por enlace. Los enlaces múltiples no significan dos o tres enlaces sigma; solamente el primero es sigma, los demás son pi.

Un carbono saturado puede clasificarse según cuántos átomos de carbono estén unidos directamente a él mediante enlaces sigma.

Por ejemplo, en el 2-metilbutano:

$$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$$

hay carbonos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios. Esta clasificación ayuda a predecir la reactividad de un compuesto: los carbonos más sustituidos suelen tener comportamientos diferentes frente a ciertas reacciones.

Según su forma, las cadenas orgánicas se clasifican en:

Cadenas abiertas o acíclicas

• Lineales: los carbonos se disponen uno a continuación de otro.
• Ramificadas: existen cadenas laterales unidas a una cadena principal.

Cadenas cerradas o cíclicas

• Alicíclicas: anillos formados por carbonos, como los cicloalcanos.
• Aromáticas: contienen anillos bencénicos o sistemas relacionados.

Los hidrocarburos se dividen además en:

• Saturados: solo tienen enlaces simples entre carbonos.
• Insaturados: presentan enlaces dobles o triples entre carbonos.

Un mismo compuesto puede representarse de varias maneras.

Fórmula molecular o global

Indica la cantidad total de átomos de cada elemento.

Ejemplo: pentano $C_5H_{12}$.

Fórmula condensada

Agrupa los hidrógenos junto a cada carbono.

Ejemplo: $CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3$.

Fórmula semidesarrollada

Muestra explícitamente los enlaces entre carbonos.

Ejemplo:

$$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$$

Fórmula desarrollada

Muestra todos los enlaces, incluidos los enlaces carbono-hidrógeno.

Saber pasar de una representación a otra es fundamental, porque muchos enunciados de admisión presentan la estructura en fórmula semidesarrollada o con esqueleto y piden contar carbonos, hidrógenos, enlaces o grupos funcionales.

Los isómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero distinta estructura o distribución espacial. Eso los convierte en compuestos diferentes, con propiedades distintas.

Isomería plana

Se debe a diferencias en la conectividad de los átomos.

Isómeros de cadena

Tienen el mismo grupo funcional, pero diferente esqueleto carbonado.

Ejemplo: pentano y 2-metilbutano tienen fórmula $C_5H_{12}$, pero el primero es lineal y el segundo ramificado.

Isómeros de posición

El grupo funcional ocupa distinta posición en la cadena.

Ejemplo:

$$CH_3-CH_2-CH_2OH$$

propan-1-ol

$$CH_3-CHOH-CH_3$$

propan-2-ol

Ambos tienen fórmula $C_3H_8O$, pero el grupo $-OH$ está en distinto carbono.

Isómeros de compensación funcional

Tienen grupos funcionales diferentes.

Ejemplo: propanal $CH_3CH_2CHO$ y propanona $CH_3COCH_3$ tienen la misma fórmula molecular $C_3H_6O$, pero uno es un aldehído y el otro una cetona.

Isomería espacial

Se presenta cuando los átomos están conectados igual, pero se ubican de manera distinta en el espacio.

Isomería geométrica o cis-trans

Ocurre en compuestos con doble enlace o anillos. Si los grupos semejantes están del mismo lado del doble enlace se habla de isómero cis; si están en lados opuestos, de isómero trans.

Ejemplo: el 1,2-dicloroeteno puede existir como cis o trans.

Isomería óptica

Se presenta cuando una molécula contiene un centro quiral, generalmente un carbono unido a cuatro grupos diferentes. El compuesto puede existir como dos enantiómeros que son imágenes especulares no superponibles. Este concepto se usa al analizar aminoácidos, azúcares y esteroides.

Las reacciones orgánicas suelen clasificarse en cuatro tipos generales.

Reacción de sustitución

Un átomo o grupo es reemplazado por otro.

Ejemplo:

$$CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl$$

Es típica de alcanos y de compuestos aromáticos.

Reacción de adición

Un reactivo se adiciona a un enlace múltiple, rompiendo el enlace pi. Es característica de alquenos y alquinos.

Ejemplo:

$$CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3-CH_3$$

Reacción de eliminación

Una molécula pierde átomos o grupos y se forma un enlace múltiple. Es el proceso inverso a la adición.

Ejemplo:

$$CH_3-CH_2OH \rightarrow CH_2=CH_2 + H_2O$$

Reacción de combustión

Es una oxidación rápida en presencia de oxígeno. La combustión completa de un hidrocarburo produce dióxido de carbono, agua y calor.

Ejemplo:

$$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + \text{calor}$$

En la fermentación alcohólica, la glucosa se transforma en etanol y dióxido de carbono:

$$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2CH_3CH_2OH + 2CO_2$$

Este proceso es una transformación redox: la glucosa se oxida parcialmente y uno de los productos orgánicos, el etanol, puede seguir oxidándose.

Un grupo funcional es un átomo o conjunto de átomos que le confiere a la molécula sus propiedades químicas características. La química orgánica se organiza en gran parte alrededor de estos grupos.

Orden de prioridad

Cuando una molécula tiene varios grupos funcionales, uno de ellos actúa como grupo principal y los demás se nombran como sustituyentes. El orden de prioridad decreciente más usado incluye:

1. Ácido carboxílico
2. Éster
3. Amida
4. Nitrilo
5. Aldehído
6. Cetona
7. Alcohol y fenol
8. Amina
9. Éter
10. Halogenuros y otros

Esto significa, por ejemplo, que un aminoácido —que tiene grupo amino y grupo carboxilo— se estudia como ácido carboxílico con un sustituyente amino, porque el carboxilo tiene mayor jerarquía.

Tabla de grupos funcionales principales

Además, existen grupos de importancia biológica:

• Lactona: éster cíclico.
• Lactama: amida cíclica.
• Heterociclo: anillo que contiene al menos un átomo distinto del carbono, como nitrógeno, oxígeno o azufre.

Muchos fármacos y biomoléculas combinan varios grupos funcionales. Por ejemplo, la azitromicina es un antibiótico macrólido que contiene una lactona heterocíclica.

Un caso clásico es la formación de aspirina. El ácido salicílico tiene un anillo aromático, un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo fenólico. Al reaccionar con anhídrido acético se forma ácido acetilsalicílico.

Un compuesto aromático típico es el benceno $C_6H_6$. El benceno tiene seis carbonos con hibridación $sp^2$, forma un anillo plano y presenta electrones pi deslocalizados.

Sin embargo, que un anillo bencénico sea plano no significa que toda la molécula sea completamente plana. Los sustituyentes unidos por enlaces simples pueden girar y salir del plano del anillo.

La introducción a la química orgánica también debe permitirte reconocer moléculas biológicas y relacionarlas con sus funciones. Los enunciados de admisión suelen presentar estructuras o describir procesos metabólicos.

Carbohidratos

Los carbohidratos son compuestos polihidroxilados que contienen un grupo aldehído o cetona. Los monosacáridos más representativos son la glucosa y la fructosa.

La glucosa es una aldosa, es decir, contiene un grupo aldehído. La fructosa es una cetosa.

En la fermentación, la glucosa $C_6H_{12}O_6$ se transforma en etanol y $CO_2$, como ya vimos.

Lípidos y esteroides

Los lípidos son compuestos orgánicos insolubles o poco solubles en agua. Los triglicéridos, por ejemplo, son triésteres de glicerol con ácidos grasos.

Las grasas y aceites pueden ser hidrolizados. La hidrólisis alcalina de una grasa produce glicerol y jabón.

Los esteroides, como las hormonas sexuales, tienen una estructura tetracíclica básica llamada ciclopentanoperhidrofenantreno o ciclopentanofenantreno. De ella derivan la testosterona, la progesterona, el colesterol y la vitamina D.

Aminoácidos y proteínas

Un aminoácido típico tiene la fórmula general:

$$H_2N-CHR-COOH$$

El carbono central está unido a un grupo amino $-NH_2$, a un grupo carboxilo $-COOH$, a un hidrógeno y a una cadena lateral $R$.

Los aminoácidos son anfóteros: el grupo carboxilo es ácido y el grupo amino es básico. En solución acuosa pueden formar un zwitterión.

El enlace entre aminoácidos se llama enlace peptídico y se forma entre el carboxilo de un aminoácido y el amino de otro. Las proteínas son polímeros de aminoácidos con funciones estructurales, enzimáticas, hormonales, de transporte y de defensa.

En las proteínas:

• Las albúminas son solubles en agua.
• Las globulinas son solubles en soluciones salinas diluidas.
• El punto isoeléctrico es el pH al cual la carga neta de la molécula es cero; suele corresponder a una solubilidad mínima.
• La desnaturalización es la pérdida de la estructura tridimensional nativa por calor, pH extremo u otros agentes. En muchos casos es irreversible.

Vitaminas y coenzimas

Las vitaminas son compuestos orgánicos necesarios en pequeñas cantidades para el metabolismo. Se clasifican según su solubilidad:

• Hidrosolubles: complejo B y vitamina C.
• Liposolubles: A, D, E y K.

Las hidrosolubles se eliminan más fácilmente por la orina, por lo que deben reponerse con mayor frecuencia. Las liposolubles pueden almacenarse en tejidos grasos.

Algunas vitaminas participan como parte de coenzimas:

Radicales libres y antioxidantes

Un radical libre es una especie química con un electrón desapareado. Eso la hace muy reactiva.

Un ejemplo importante es el radical hidroxilo $OH\cdot$, una especie reactiva derivada del oxígeno.

Los antioxidantes son compuestos que pueden neutralizar radicales libres. Entre ellos están:

• Vitamina E, especialmente el $\alpha$-tocoferol.
• Vitamina C.
• Polifenoles presentes en frutas y vegetales.

Los polifenoles contienen varios grupos hidroxilo unidos a anillos aromáticos y actúan como antioxidantes naturales.