Química Orgánica
Vidal López Gonzales
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN y PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA QUIMICA ORGANICA I.1.- DEFINICIÓN DE QUÍMCA ORGÁNCA. La química orgánica en la actualidad es una de las disciplinas más interesantes e importantes de la química debido a que juega un papel muy importante en las diferentes actividades del hombre. Antiguamente, Antiguamente, la química orgánica se dedicaba exclusivamente al estudio de los compuestos compuestos de la materia animada, pero en la actualidad, se sabe que se diferencia de la química inorgánica en la composición elemental de sus estructuras, y no sobre el origen de estos como antiguamente se pretendía creer. La química orgánica que tiene al átomo de carbono como constituyente fundamental de la materia orgánica, como ser por ejemplo la glucosa, urea, alcohol, etc., a pasado a ser, como se indicó anteriormente, una de la disciplinas más importantes, ya que existen más de tres millones de compuestos orgánicos. Más del 95% de las sustancias químicas conocidas, son compuestos del carbono. Como el átomo de carbono es el que atribuye propiedades específicas a los compuestos orgánicos se llama también, “ química del carbono ”, por consiguiente la química orgánica es el estudio del carbono y de sus compuestos. Para comprender mejor el estudio de la química orgánica, se divide la historia de esta disciplina en dos períodos: Período analítico y Período sintético.
a.- Período analítico. Se sabe que en los pueblos primitivos ya se conocían diferentes minerales pero también se conocían sustancias como ser por ejemplo, la cera, el vino, el vinagre, las grasas, el azúcar, y otras sustancias que provenían de los animales y vegetales que eran obtenidos en forma directa o indirecta de estos seres vivos. Nicolás Lemery, realizó una primera clasificación de las sustancias que se basaba en su origen en: S u s t a n c i a s m i n e r a l es es : que era el estudio de los minerales, Fe, Au, S, las rocas, etc. que con el progreso tomó el nombre de química inorgánica. : Lavoisier demostró que la mayoría de los productos que provenían de Sustanc ias vegetales los vegetales como ser azúcar, gomas, aceites, etc., estaba constituidos por C, H, O. S u s t a n c i a s a n i m a l es es : entre las cuales figuran las grasas, mantecas, proteínas, cuerpos ácidos, etc., y que Lavoisier también demostró que estas sustancias además de tener C, H y O, contenían a menudo N, y a veces iban acompañados de S y P. La composición del primer grupo (minerales), es de ordinario más simple que la de los compuestos provenientes de los seres vivos . En los primeros años del siglo XIX los diversos compuestos se dividían en orgánicos e inorgánicos, esta división se basó en la semejanza entre las sustancias de origen vegetal y animal en cuanto a su composición y el hecho que son combustibles, a diferencia de la mayoría de los minerales que no lo son, por consiguiente la química que los estudiaba, era la Química Orgánica y la Química Inorgánica respectivamente.
Teoría Vitalista: Berzelius y Gamelin, acentuaron mas esta división, indicando que se podían obtener sustancias inorgánicas en los laboratorios, y que no era posible preparar artificialmente compuesto orgánicos, los cuales solo podían formarse en la naturaleza.
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Se indicaba que las sustancias orgánicas solamente se originaban en los seres vivientes bajo la influencia de una fuerza vital que su formación obedece a cienrtas leyes fundamentales diferentes de las que rigen la formación de sustancias minerales, y que era imposible obtenerlos artificialmente.
b.- Período sintético. Desde el punto de vista moderno se sabe que se obtienen compuestos llamados orgánicos en laboratorio o en la industria sin recurrir a plantas o animales. Este periodo empezó cuando lo químicos efectuaron síntesis orgánicas, además, se comprobó que no existía diferencia alguna entre sustancias obtenidas por síntesis y sustancias elaboradas por organismo de los seres vivientes. Scheele en el año 1776 obtuvo ácido oxálico por oxidación del azúcar, sustancia obtenida de un vegetal, en 1882 Dobereinter obtuvo el ácido fórmico por medio del ácido tétrico, éste ácido se extrae de las hormigas. En 1828, Wholer, demostró que la urea que se halla en la orina, como consecuencia de una actividad vital puede obtenerse en laboratorio partiendo de isocianato de amonio en solución acuosa caliente mediante la siguiente secuencia: 2(O=C=N-K)
+
SO 4(NH4)2
Isocianato de potasio
2(O=C=N-NH4) Isocianato de amonio
O=C=N-NH 4
NH2-CO-NH2 Urea o carbamida
Luego Berthelot, considerado como el fundador de la síntesis química obtuvo alcohol etílico, ácido fórmico, alcohol metílico, acetileno, este último, combinando el carbono con el hidrógeno por intermedio de la chispa eléctrica: 2C + H2
C2H2
y que luego por acción del calor: 3C2H2 C6H6 La síntesis ha permitido obtener un sin número desustancias orgánicas.
I.2.- IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA ORGÁNICA. Se sabe que la química orgánica juega un papel muy importante en las diferentes actividades del hombre, por otro lado existen millones de compuestos orgánicos, y que todo ser viviente está formado por muchos de estos compuestos desde los más simples hasta los más complejos, por lo tanto es necesario tener un conocimiento de la química orgánica, ya que se ocupa de la estructura y de los procesos químicos de las sustancias orgánicas. Todos los compuestos responsables de la vida (ácidos nucleicos, proteínas, enzimas, hormonas, azúcares, lípidos, vitaminas, etc.) son sustancias orgánicas. Por otro lado la química orgánica proporciona métodos efectivos para el aumento de los cultivos, el desarrollo y mejoramiento de la masa animal, tanto desde un punto de vista cuantitativo como cualitativo. Sólo a título de ejemplo indicaremos algunos productos
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proporcionados por la química orgánica como ser azúcares, colorantes, insecticidas, bactericidas, hormonas, vitaminas, etc. Otro compuesto orgánico de importancia es el ADN (las moléculas gigantes que contienen la información genética). La química orgánica es importante, debido a que nos proporciona una serie de conocimientos teóricos para comprender que los organismos vivos están tomando en forma constante moléculas (y por tanto átomos), al mismo tiempo, el organismo constantemente expele otros átomos (en forma de moléculas) que regresan al medio que los rodea, dándonos a entender que todos los organismos vivos no son estáticos con relación a su ambiente. Cuando se reflexiona sobre esto, un químico mencionó lo siguiente: no es tan extraño descubrir que algunos de los átomos de carbono que ahora son parte de las moléculas de nuestro cuerpo, unas cuantas horas antes eran parte del huevo que tomamos en el desayuno. Antes de eso, estos mismos átomos eran parte de un pollo y todavía antes parte del grano que el pollo comió. Es importante indicar que la química no es solamente la ciencia del análisis, es también la ciencia de la síntesis (Berthelot).
I.3.- FUENTES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS. Los compuestos orgánicos se pueden obtener mediante síntesis orgánica recurriendo a dos clases de sustancias: minerales y orgánicos. Sustancias minerales como el carbón de piedra, agua, aire, amoniaco y sustancias orgánicas como el petróleo y productos extraídos de animales y plantas. Los métodos empleados en laboratorio para síntesis orgánica, son por lo general igual a los procesos seguidos por la materia viva, utilizando las diastasas o enzimas y los catalizadores. Por lo indicado anteriormente, queda destruida la separación entre compuestos orgánicos e inorgánicos basada en el concepto de la fuerza vital mencionada anteriormente, aceptándose que los compuestos orgánicos pueden prepararse en el laboratorio de igual manera que los inorgánicos. En general se puede indicar que los organismos animales y vegetales representan una fuente inagotable de compuestos orgánicos y las que se obtienen por síntesis. Por ejemplo las plantas mediante agentes físicos y químicos, energía solar, luz, radiaciones, calor, fermentos, efectúan una serie de síntesis en sus células. Emplean para este fin sustancias sacadas de la atmósfera como ser dióxido de carbono, oxígeno, o del suelo agua y sales como ser nitratos fosfatos, etc. con ayuda de estos productos efectúan: combinaciones, condensaciones, hidrólisis, polimerización, oxidación, y reducción; elaboran productos muy variados como ser alcoholes, ácidos, éteres, ésteres, azúcares, grasas, etc.
I.4.- DIFERENCIA ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS. Entre las principales diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos se detallan a continuación:
Los compuestos orgánicos están formados por escaso número de elementos como C, H, O, N, S, P, X, etc. En cambio los inorgánicos en su constitución tiene muchos elementos químicos.
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Son poco estables al calor los compuestos orgánicos, en cambio los inorgánicos resisten altas temperaturas sin descomponerse, por ejemplo los metales. Los compuestos orgánicos tienen puntos de fusión bajos, en cambio los inorgánicos su punto de fusión es elevado. Se disuelven preferentemente en líquidos orgánicos, la mayoría de los compuestos orgánicos como ser, alcohol, éter, etc., en cambio los inorgánicos se disuelven preferentemente en agua y algunos ácidos. Los compuestos orgánicos, en sus moléculas los átomos se unen casi siempre por enlaces covalentes. En cambio los inorgánicos sus átomos se unen por enlaces ionicos o electrovalentes. Las reacciones entre compuestos orgánicos no son ionicas, son lentes y complejas; en los inorgánicos las reacciones son ionicas, rápidas y sencillas. Los compuestos orgánicos necesitan catalizadores para su reacción; los compuestos inorgánicos generalmente no necesitan catalizadores.
I.5.- DIVISIÓN DE LA QUÍMICA ORGANICA. En forma muy general la química orgánica comprende dos grandes grupos:
a.- Serie acíclica b.- Serie cíclica Serie acíclica. Llamada también forménica o alifática; forménica por ser el formeno el tipo de la serie, alifática porque en ella está incluida el estudio de las grasas naturales. Esta serie está formada por cuerpos cuyos carbonos se hallan colocados en cadena abierta.
Serie cíclica. Llamada también serie aromática, esta serie comprende las sustancias cuyos carbonos están unidos en forma de cadena cerrada, y pueden ser de dos clases: isocíclica y heterocíclica. Estos series se subdividen en familias de compuestos orgánicos que los estudiaremos más adelante. También se los puede dividir en dos grandes grupos: Simples y Funcionalizados. Los primeros a su vez comprenden a los hidrocarburos alifáticos o acíclicos y los aromáticos o cíclicos, en cambio los del segundo grupo comprende a un grupo de compuestos como los oxigenados, nitrogenados, etc.
I.6.- OPERACIONES BÁSICAS EN QUÍMICA ORGÁNICA El objeto de la química orgánica es de realizar el estudio de los compuestos naturales y artificiales, para realizar dicho estudio es necesario conocer una serie de procesos como ser por ejemplo: aislar, identificar, analizar, etc, a continuación indicaremos algunos proceso de importancia.
I.6.1.-IDENTIFICACIÓN DE LAS ESPECIES QUÍMICAS ORGÁNICAS. Especie química se considera a toda combinación del carbono que tiene fórmula y propiedades físicas y químicas bien definidas . Estas sustancias químicas pueden ser extraídas por procesos físicos, químicos o mecánicos, a estos procesos se conoce con el nombre de principios inmediatos. Una vez extraída la especie química orgánica, se procede a la individualización de la especie, para esto se puede utilizar:
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a.- Los caracteres organolépticos. b.- Las constantes físicas. c.- Las propiedades químicas.
a.- Los caracteres organolépticos. Son las propiedades que se comprueban directamente con nuestros sentidos. Por ejemplo; olor, sabor, aspecto, tacto, etc.
b.- las constantes físicas. Son fenómenos físicos que puedan provocarse con una sustancia. Por ejemplo; solubilidad, forma cristalina, peso específico, punto de fusión, punto de ebullición, índice de refracción, poder rotatorio a la luz polarizada, etc. Estas propiedades físicas son constantes y caracterizan una sustancia si se toma siempre en las mismas condiciones de presión, de temperatura, etc.
c.- Las propiedades químicas. Se basan en los fenómenos químicos en que intervienen; generalmente se utilizan soluciones de otras sustancias llamadas reactivos que son capaces de producir con la sustancia que se desea identificar, una reacción característica, por ejemplo, desprendimiento de un gas, formación de precipitado, aparición de una coloración. De estos métodos, los caracteres organolépticos no son tan decisivos, pero en muchos casos tiene una gran importancia. Las constantes físicas en muchos casos dan mayor seguridad a la identidad de una sustancia. Las propiedades químicas se los utilizan cuando no se pueden identificar con las dos primeras a las sustancias orgánicas.
I.6.2.- OBTENCIÓN DE LAS ESPECIES QUÍMICAS. Las sustancias orgánicas generalmente se encuentran en la naturaleza mezclas o combinadas entre sí, para obtener esas sustancias orgánicas se puede seguir dos caminos: el análisis, si son sustancias naturales (productos extractivos) por ejemplo de la leche descremada puede separarse la caseína, y la síntesis, si son sustancias artificiales (productos sintéticos) donde se hacen reaccionar dos o más sustancias, que una vez obtenido el producto, por purificación, se logra obtener la sustancia pura que interesa. Los procedimientos para poder aislar las sustancias puras (principios inmediatos) pueden clasificarse en: 1.- Mecánicos. 2.- Físicos. 3.- Químicos.
1.- Métodos mecánicos. La separación de los componentes de una mezcla puede efectuarse, por ejemplo, utilizando la decantación, la filtración, tamización, la centrifugación, etc.
2.- Métodos físicos. Permite extraer los componentes de una mezcla compleja sin alterar su composición química. Estos métodos se aplican tanto en las mezclas homogéneas como en las heterogéneas. Entre estos métodos podemos indicar: la disolución, cristalización, extracción con disolventes, destilación, sublimación, fusión, diálisis, etc.
3.- Métodos químicos. Se basan en reacciones químicas en las cuales se originan combinaciones que por su naturaleza pueden separarse aplicando los procedimientos mecánicos o físicos.
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Este método se aplica cuando los procedimientos físicos de análisis no dan resultado o son de aplicación difícil. Se transforma uno de los componentes de la mezcla en un compuesto del cual se puede luego aislar fácilmente. Podemos incluir entre estos procedimientos el proceso físico-químico de la coagulación, o sea, el pasaje de un hidrosol a hidrogel mediante la acción del calor o de ciertos reactivos. Así, del suero de la leche puede separarse la caseína, añadiendo un poco de ácido acético, en caliente.
I.7.- ANÁLISIS ELEMENTAL CUALITATIVO Y CUANTITATIVO DE LAS SUSTANCIAS ORGÁNICAS. La química analítica cualitativa y cuantitativa se aplica en el análisis elemental de las sustancias orgánicas, que se realiza como una de las primeras operaciones en una sustancia obtenida inicialmente en forma químicamente pura. El análisis elemental se realiza empleando cualquier método, que nos da a conocer cuales son las sustancias y en qué proporción se encuentran en un compuesto orgánico. Existen dos etapas en el proceso del análisis elemental:
Análisis elemental cualitativo. Determina cuales son los elementos que constituyen la sustancia orgánica, o las sustancias en estudio. El carbono es el elemento fundamental de toda sustancia orgánica, de ahí que primeramente se deba realizar la operación de identificación o reconocimiento de dicho elemento. Luego se investiga él hidrogeno, el oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y finalmente se investiga los halógenos.
Análisis elemental cuantitativo. Determina la proporción o la cantidad en que se hallan combinados dichos elementos en la sustancia. Se tiene dos casos: el análisis elemental cuantitativo de una sustancia orgánica no nitrogenada, o sea que tiene solo C, H, O. El análisis elemental cuantitativo de una sustancia orgánica nitrogenada, o sea, que tiene C, H, O y N. Los procedimientos varían según que la sustancia contenga nitrógeno o no. Es necesario repasar algunas operaciones que son fundamentales en el análisis, cómo por ejemplo, la determinación de la composición centesimal, de la fórmula empírica y molecular, a continuación indicamos estos aspectos.
Composición centesimal: Es el cálculo de porcentaje, el cual se obtiene multiplicando el peso obtenido en el análisis por 100, dividiendo por la cantidad de materia empleada en dicho análisis, es decir, es el tanto por ciento de cada elemento contenido en 100 partes de sustancia.
Formula mínima (empírica): Es la relación más simple de los elementos que forman la especie química. Para determinar la fórmula mínima de una sustancia orgánica se siguen los siguientes pasos:
se obtiene el cociente atómico, dividiendo la cantidad centesimal de cada elemento por el peso atómico del elemento. Luego se obtiene la relación atómica dividiendo los cocientes atómicos por el menor de ellos.
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Los resultados encontrados son el subíndice de los elementos que constituyen la fórmula mínima o empírica de la sustancia orgánica.
Fórmula molecular: Es la relación verdadera de los elementos que forman la especie química. Para determinar la fórmula molecular se necesita conocer el peso molecular de la sustancia. El método para determinar la fórmula molecular es: teniendo el peso molecular, éste se divide por el peso molecular de la fórmula mínima, obteniéndose un factor ( n). Ejemplo: Si sometemos a combustión 0.200 g de sustancia, se recoge de dicho proceso 0,2934 g de CO 2 y 0,120 g de H 2O. Calcular: la composición centesimal, la fórmula mínima y la fórmula molecular de la sustancia, sabiendo que su peso molecular es PM=180 g/mol.
(0,2934g CO 2 x 12g C)/44g CO 2 = 0,080 g de C (0,120g H2O x 2g H)/18g H 2O = 0,0133 g de H 0,200 g – 0,080 g – 0,0133 g = 0,1067 g de O El porcentaje de cada elemento será:
0,0800 x 100 / 0,200 = 40,00 % de C 0,0133 x 100 / 0,200 = 6,65 % de H 0,1067 x 100 / 0,200 = 53,53 % de O 100,00 % Para calcular la fórmula mínima siguiendo los pasos indicados anteriormente se tiene:
Para el C =
40/12 = 3,33/3,33 = 1
Para el H =
6,65/1 = 6,65/3,33 = 2
Para él O = 53,35/16 = 3,33/3,33 = 1. La fórmula mínima será:
C1H2O1
(PM=30 g/mol)
La fórmula molecular de dicha sustancia será:
(C1H2O1) x n n = 180/30 = 6 (C1H2O1) x 6 = C6H12O6 Las fórmulas químicas pueden ser de dos clases: empíricas o condensadas y racionales o
de constitución.
La primera indica el número de átomos constitutivos de la molécula. La segunda es una fórmula desarrollada que indica las diversas agrupaciones atómicas. Pero existen otros tipos de fórmulas químicas orgánicas.
