resultados de aprendizaje
- Describe la estructura y propiedades de los aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
otra clase de moléculas orgánicas contiene un átomo de carbono conectado a un átomo de oxígeno por un doble enlace, comúnmente llamado grupo carbonilo. El carbono plano trigonal en el grupo carbonilo puede unirse a otros dos sustituyentes que conducen a varias subfamilias (aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres) descritas en esta sección.,
aldehídos y cetonas
ambos aldehídos y cetonas contienen un grupo carbonilo, un grupo funcional con un doble enlace carbono-oxígeno. Los nombres de los compuestos aldehídos y cetonas se derivan utilizando reglas de nomenclatura similares a las de los alcanos y alcoholes, e incluyen los sufijos de identificación de clase-al y –one, respectivamente:
en un aldehído, el grupo carbonilo está unido a al menos un átomo de hidrógeno., En una cetona, el grupo carbonilo está unido a dos átomos de carbono:
Como texto, un grupo aldehído se representa como –CHO; una cetona se representa como –C(O)– o –CO–.
tanto en aldehídos como en cetonas, la geometría alrededor del átomo de carbono en el grupo carbonilo es trigonal plana; el átomo de carbono exhibe hibridación sp2. Dos de los orbitales sp2 en el átomo de carbono en el grupo carbonilo se utilizan para formar enlaces σ a los otros átomos de carbono o hidrógeno en una molécula., El orbital híbrido sp2 restante forma un enlace σ al átomo de oxígeno. El orbital P sin hibridar en el átomo de carbono en el grupo carbonilo se superpone a un orbital p en el átomo de oxígeno para formar el enlace π en el enlace doble.
la Figura 1. El grupo carbonilo es polar, y la geometría de los enlaces alrededor del carbono central es trigonal plana.,
Al igual que el enlace \text{C}=\text{O} en dióxido de carbono, el enlace \text{C}=\text{O} de un grupo carbonilo es polar (recordemos que el oxígeno es significativamente más electronegativo que el carbono, y los electrones compartidos son tirados hacia el átomo de oxígeno y lejos del átomo de carbono). Muchas de las reacciones de aldehídos y cetonas comienzan con la reacción entre una base de Lewis y el átomo de carbono en el extremo positivo del enlace polar \text{C}=\text{O} para producir un intermedio inestable que posteriormente sufre uno o más reordenamientos estructurales para formar el producto final (Figura 1).,
la importancia de la estructura molecular en la reactividad de los compuestos orgánicos se ilustra por las reacciones que producen aldehídos y cetonas. Podemos preparar un grupo carbonilo por oxidación de un alcohol—para las moléculas orgánicas, se dice que la oxidación de un átomo de carbono ocurre cuando un enlace carbono-hidrógeno es reemplazado por un enlace carbono-oxígeno. La reacción inversa-la sustitución de un enlace carbono-oxígeno por un enlace carbono-hidrógeno – es una reducción de ese átomo de carbono. Recuerde que al oxígeno generalmente se le asigna un número de oxidación de -2 a menos que sea elemental o esté unido a un flúor., Al hidrógeno generalmente se le asigna un número de oxidación de +1 a menos que esté unido a un metal. Dado que el carbono no tiene una regla específica, su número de oxidación se determina algebraicamente factorizando los átomos a los que está unido y la carga total de la molécula o ion. En general, un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno tendrá un número de oxidación más positivo y un átomo de carbono unido a un átomo de hidrógeno tendrá un número de oxidación más negativo. Esto debe encajar muy bien con su comprensión de la polaridad de los enlaces C–O Y C–H., Los otros reactivos y posibles productos de estas reacciones están fuera del alcance de este capítulo, por lo que nos centraremos solo en los cambios en los átomos de carbono:
ejemplo 1: oxidación y reducción en Química Orgánica
El metano representa la forma completamente reducida de una molécula orgánica que contiene un átomo de carbono., La sustitución secuencial de cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno con un enlace carbono-oxígeno conduciría a un alcohol, luego un aldehído, luego un ácido carboxílico (discutido más adelante), y, finalmente, dióxido de carbono:
{\text{CH}}_{4}\rightarrow{\text{CH}}_{3}\text{OH}\rightarrow{\text{CH}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{HCO}}_{2}\text{H}\rightarrow{\text{CO}}_{2}
¿Cuáles son los números de oxidación de los átomos de carbono en las moléculas que se muestran aquí?,
los aldehídos se preparan comúnmente por la oxidación de alcoholes cuyo grupo funcional –OH se encuentra en el átomo de carbono al final de la cadena de átomos de carbono en el alcohol:
Los alcoholes que tienen sus grupos –OH en el medio de la que requiere que el grupo carbonilo esté unido a otros dos átomos de carbono:
un alcohol con su grupo –OH unido a un átomo de carbono que está unido a no o a otro átomo de carbono formará un aldehído., Un alcohol con su grupo –OH unido a otros dos átomos de carbono formará una cetona. Si tres carbonos están unidos al carbono unido al –OH, la molécula no tendrá un enlace C–H para ser reemplazado, por lo que no será susceptible a la oxidación.
El formaldehído, un aldehído con la fórmula HCHO, es un gas incoloro con un olor acre e irritante. Se vende en una solución acuosa llamada formalina, que contiene aproximadamente un 37% de formaldehído en peso., El formaldehído causa la coagulación de las proteínas, por lo que mata las bacterias (y cualquier otro organismo vivo) y detiene muchos de los procesos biológicos que causan la descomposición del tejido. Por lo tanto, el formaldehído se utiliza para preservar muestras de tejido y embalsamar cuerpos. También se utiliza para esterilizar el suelo u otros materiales. El formaldehído se utiliza en la fabricación de baquelita, un plástico duro que tiene una alta resistencia química y eléctrica.
Dimetilcetona, CH3COCH3, comúnmente llamada acetona, es la cetona más simple. Se hace comercialmente fermentando maíz o melaza, o por oxidación de 2-propanol., La acetona es un líquido incoloro. Entre sus muchos usos se encuentran como solvente para laca (incluido el esmalte de uñas), acetato de celulosa, nitrato de celulosa, acetileno, plásticos y barnices; como removedor de pintura y barniz; y como solvente en la fabricación de productos farmacéuticos y químicos.
Puede ver la transcripción de» aldehídos y cetonas: nombrando + propiedades » aquí (se abre en una ventana nueva).
ácidos y ésteres carboxílicos
el olor del vinagre es causado por la presencia de ácido acético, un ácido carboxílico, en el vinagre., El olor de los plátanos maduros y muchas otras frutas se debe a la presencia de ésteres, compuestos que se pueden preparar por la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol. Debido a que los ésteres no tienen enlaces de hidrógeno entre las moléculas, tienen presiones de vapor más bajas que los alcoholes y ácidos carboxílicos de los que se derivan (ver Figura 2).
la Figura 2. Los ésteres son responsables de los olores asociados con varias plantas y sus frutos.,
tanto los ácidos carboxílicos como los ésteres contienen un grupo carbonilo con un segundo átomo de oxígeno unido al átomo de carbono en el grupo carbonilo por un solo enlace. En un ácido carboxílico, el segundo átomo de oxígeno también se une a un átomo de hidrógeno. En un éster, el segundo átomo de oxígeno se une a otro átomo de carbono., Los nombres para ácidos carboxílicos y ésteres incluyen prefijos que denotan las longitudes de las cadenas de carbono en las moléculas y se derivan siguiendo reglas de nomenclatura similares a las de los ácidos inorgánicos y sales (ver estos ejemplos):
los grupos funcionales para un ácido y para un éster se muestran en rojo en estas fórmulas.,
el átomo de hidrógeno en el grupo funcional de un ácido carboxílico reaccionará con una base para formar una sal iónica:
Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles (ver el capítulo sobre ácidos y bases), lo que significa que no están 100% ionizados en agua. En general, solo alrededor del 1% de las moléculas de un ácido carboxílico disuelto en agua se ionizan en un momento dado. Las moléculas restantes no se disocian en solución.,
preparamos ácidos carboxílicos por oxidación de aldehídos o alcoholes cuyo grupo funcional –OH se encuentra en el átomo de carbono al final de la cadena de átomos de carbono en el alcohol:
Los ésteres se producen por la reacción de ácidos con alcoholes. Por ejemplo, el éster acetato de etilo, CH3CO2CH2CH3, se forma cuando el ácido acético reacciona con etanol:
el ácido carboxílico más simple es el ácido fórmico, hco2h, conocido desde 1670., Su nombre proviene de la palabra latina formicus, que significa «hormiga»; fue aislada por primera vez por la destilación de hormigas rojas. Es parcialmente responsable del dolor y la irritación de las picaduras de hormigas y avispas, y es responsable de un olor característico de las hormigas que a veces se puede detectar en sus nidos.
El ácido acético, CH3CO2H, constituye un 3-6% de vinagre. El vinagre de sidra se produce al permitir que el jugo de manzana fermente sin oxígeno presente. Las células de levadura presentes en el jugo llevan a cabo las reacciones de fermentación., Las reacciones de fermentación cambian el azúcar presente en el jugo a etanol, luego a ácido acético. El ácido acético puro tiene un olor penetrante y produce quemaduras dolorosas. Es un excelente solvente para muchos compuestos orgánicos y algunos inorgánicos, y es esencial en la producción de acetato de celulosa, un componente de muchas fibras sintéticas como el rayón.
la Figura 3. Más de 350 moléculas volátiles diferentes (Muchos miembros de la familia del éster) se han identificado en las fresas., (crédito: Rebecca Siegel)
puede ver la transcripción de «ácidos carboxílicos: denominación + propiedades» aquí (se abre en una ventana nueva).
conceptos clave y Resumen
Los grupos funcionales relacionados con el grupo carbonilo incluyen el grupo –CHO de un aldehído, el grupo –CO– de una cetona, el grupo –CO2H de un ácido carboxílico y el grupo –CO2R de un éster., El grupo carbonilo, un doble enlace carbono-oxígeno, es la estructura clave en estas clases de moléculas orgánicas: los aldehídos contienen al menos un átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono carbonilo, las cetonas contienen dos grupos de carbono unidos al átomo de carbono carbonilo, los ácidos carboxílicos contienen un grupo hidroxilo unido al átomo de carbono carbonilo, y los ésteres contienen un átomo de oxígeno unido a otro grupo de carbono conectado al átomo de carbono carbonilo. Todos estos compuestos contienen átomos de carbono oxidados en relación con el átomo de carbono de un grupo alcohólico.,
Glosario
aldehído: compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo unido a dos átomos de hidrógeno o un átomo de hidrógeno y un sustituyente de carbono
grupo carbonilo: átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno
ácido carboxílico: compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un grupo hidroxilo Unido
éster: compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un átomo de oxígeno Unido que está unido a un sustituyente de carbono
cetona: compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con dos sustituyentes de carbono unidos a él
Deja una respuesta