Estructura y Propiedades de las Molculas Orgnicas

Los orgenes de la qumica orgnica

La definicin moderna de qumica orgnica es la qumica de los compuestos del carbono. Qu tiene de especial el carbono que toda una rama de la qumica se dedica a estudiar sus compuestos? A diferencia de la mayora de los otros elementos, el

carbono forma enlaces fuertes con otros tomos de carbono y con una amplia

variedad de elementos. Se pueden generar cadenas y anillos de tomos de carbono

para formar una variedad infinita de molculas, y es esta diversidad de compuestos

del carbono la que representa la base de la vida en la Tierra. Los seres vivos estn

formados principalmente de compuestos orgnicos complejos, los cuales se ocupan de

las funciones estructurales, qumicas o genticas.

El trmino orgnico significa literalmente derivado de los organismos vivos. En un

principio, la ciencia de la qumica orgnica se encargaba del estudio de los

compuestos extrados de organismos vivos y de sus productos naturales. Compuestos

como el azcar, urea, almidn, ceras y aceites vegetales se consideraban orgnicos,

y la gente aceptaba el Vitalismo, la creencia de que los productos naturales

necesitaban una fuerza vital para producirlos. La qumica orgnica estudiaba

entonces a los compuestos que tenan una fuerza vital, mientras que la qumica

inorgnica estudiaba los gases, las piedras, los minerales y los compuestos que

podan generarse a partir de ellos.

En el siglo XIX, ciertos experimentos mostraron que los compuestos orgnicos podan

sintetizarse a partir de compuestos inorgnicos. En 1828, el qumico alemn

Friedrich Whler transform al cianato de amonio, formado a partir de amoniaco y

cido cinico, en urea simplemente al calentarlo en ausencia de oxgeno.

La urea siempre haba provenido de organismos vivos y se presuma que contena la

fuerza vital, aunque el cianato de amonio es inorgnico y por lo tanto carece de la

fuerza vital. Varios qumicos argumentaron que algn rastro de la fuerza vital de

las manos de Whler seguramente haba contaminado la reaccin, pero la mayora

admiti la posibilidad de sintetizar compuestos orgnicos a partir de inorgnicos. Se

realizaron muchas otras sntesis, y al final se descart la teora de la fuerza vital.

Como a principios del siglo XIX se refut el Vitalismo, se podra pensar que en la

actualidad la teora ya no existe, pero estara equivocado! El Vitalismo persiste hoy

en da en las mentes de aquellos que creen que las vitaminas, compuestos

saborizantes, etctera, naturales (derivados de las plantas) son de cierta manera

diferentes y ms saludables que los compuestos idnticos artificiales

(sintetizados).

Los compuestos derivados de las plantas y los compuestos sintetizados son idnticos.

Si asumimos que son puros, la nica forma de distinguirlos es mediante datacin

utilizando 14C: los compuestos sintetizados a partir de petroqumicos tienen un

contenido menor de 14C radiactivo y parecen antiguos debido a que su 14C ha

disminuido con el tiempo. Los compuestos derivados de las plantas se han

sintetizado recientemente a partir del CO2 del aire, por lo que stos tienen mayor

contenido de 14C. Algunos proveedores importantes de productos qumicos ofrecen

anlisis de la relacin de istopos para mostrar que sus productos naturales tienen

mayor contenido de 14C y que se derivan de las plantas. Estos anlisis sofisticados

dan un aire de alta tecnologa a esta forma de Vitalismo del siglo XXI.

Aun cuando los compuestos orgnicos no necesitan una fuerza vital, de todas

maneras se diferencian de los compuestos inorgnicos. La caracterstica distintiva

de los compuestos orgnicos es que todos contienen uno o ms tomos de carbono. Sin embargo, no todos los compuestos de carbono son sustancias orgnicas;

sustancias tales como el diamante, grafito, dixido de carbono, cianato de amonio y

carbonato de sodio se derivan de minerales y tienen propiedades inorgnicas tpicas.

No obstante, la mayora de los millones de compuestos del carbono se clasifican como

orgnicos.

Figura 1: Cuatro ejemplos de compuestos orgnicos en organismos vivos. El tabaco contiene

nicotina, un alcaloide adictivo. Los escaramujos contienen vitamina C, esencial para prevenir el escorbuto. El colorante rojo carmn proviene de las cochinillas, las cuales se

muestran en el nopal. Las amapolas contienen morfina, un alcaloide analgsico y adictivo.

En gran medida los seres humanos estamos formados por molculas orgnicas y nos

nutrimos con los compuestos orgnicos de los alimentos. Las protenas de nuestra

piel, los lpidos de las membranas celulares, el glucgeno del hgado y el ADN que se

encuentra en el ncleo de nuestras clulas son todos compuestos orgnicos. Nuestro

cuerpo tambin es regulado y defendido por compuestos orgnicos complejos.

Los qumicos han aprendido a sintetizar o simular muchas de estas molculas

complejas. Los productos sintticos sirven como frmacos, medicamentos, plsticos,

pesticidas, pinturas y fibras. Muchos de los avances mdicos ms importantes son

en realidad avances en la qumica orgnica. Se desarrollan nuevos frmacos

sintticos para combatir enfermedades, y los nuevos polmeros son moldeados para

reemplazar rganos daados. La qumica orgnica ha cerrado el crculo. Comenz

como el estudio de los compuestos derivados de rganos, y ahora nos proporciona los

frmacos y materiales que necesitamos para salvar o sustituir dichos rganos.

Hibridacin y formas moleculares

Si predecimos los ngulos de enlace de molculas orgnicas utilizando slo los

orbitales sencillos s y p, esperamos ngulos de enlace de aproximadamente 90. Los orbitales s no son direccionales, y los orbitales p estn orientados a 90 entre s. Sin embargo, la evidencia experimental muestra que los ngulos de enlace en compuestos

orgnicos se acercan por lo general a los 109, 120 o 180 (figura 2). Una forma

comn de explicar estos ngulos de enlace es mediante la teora de repulsin de los

pares de electrones de la capa de valencia (teora RPECV): los pares de electrones se

repelen entre s, y los enlaces y los pares de electrones no enlazados alrededor de un

tomo central estn separados por los ngulos ms grandes posibles. Un ngulo de

109.5 es la mayor separacin posible para cuatro pares de electrones; 120 es la ms

grande para tres pares; y 180 es la mayor separacin para dos pares. Todas las

estructuras de la figura 2 tienen ngulos de enlace que separan lo ms posible a sus

enlaces.

Figura 2: ngulos de enlace comunes. Los ngulos de enlace de los compuestos orgnicos por

lo general se acercan a los 109, 120 o 180.

Las formas de estas molculas no pueden resultar del enlace entre orbitales atmicos

sencillos s y p. Aunque los orbitales s y p tienen las energas ms bajas para tomos aislados en el espacio, no son los mejores en la formacin de enlaces. Para explicar las

formas de molculas orgnicas comunes asumimos que los orbitales s y p se combinan para formar orbitales atmicos hbridos, los cuales separan los pares de

electrones de manera ms amplia en el espacio y colocan una mayor densidad

electrnica en la regin de enlace entre los ncleos.

Orbitales hbridos sp

Los orbitales pueden interactuar para formar nuevos orbitales. Hemos utilizado este

principio para formar orbitales moleculares, mediante la suma y resta de orbitales

atmicos de tomos diferentes. Tambin podemos sumar y restar orbitales del mismo tomo. Considere el resultado que aparece en la figura 3, el cual surge cuando

combinamos un orbital p y uno s del mismo tomo. El orbital resultante se conoce como orbital hbrido sp y su densidad electrnica se concentra en un lado del tomo. Comenzamos con dos orbitales (s y p), por lo que debemos terminar con dos orbitales hbridos sp. El segundo orbital hbrido sp se genera si sumamos el orbital p con la fase opuesta (figura 3).

Figura 3: Formacin de un par de orbitales atmicos hbridos sp. La suma de un orbital s y

un orbital p da como resultado un orbital atmico hbrido sp, con la mayor parte de su densidad electrnica de un lado del ncleo. Sumar el orbital p con la fase opuesta da como resultado el otro orbital hbrido sp, con la mayor parte de su densidad electrnica en el lado

opuesto al del primer orbital hbrido.

El resultado de esta hibridacin es un par de orbitales direccionales hbridos sp que apuntan en direcciones opuestas. Estos orbitales hbridos proporcionan una mayor

densidad electrnica en la regin de enlace de un enlace sigma a la izquierda del

tomo y de otro enlace sigma a la derecha; dan un ngulo de enlace de 180, y

separan a los electrones de enlace lo ms posible. En general, la hibridacin sp da como resultado este arreglo de enlace lineal.

Orbitales hbridos sp2

Para orientar tres enlaces de tal manera que estn lo ms alejado posible, se requieren

ngulos de enlace de 120. Cuando un orbital s se combina con dos orbitales p, los tres orbitales hbridos resultantes se orientan en ngulos de 120 entre s (figura 4).

Estos orbitales se conocen como orbitales hbridos sp2, ya que estn formados por un orbital s y dos orbitales p. El arreglo de 120 se conoce como geometra trigonal al contrario de la geometra lineal asociada con los orbitales hbridos sp. Ah permanece un orbital p no hibridado (pz) perpendicular al plano de los tres orbitales hbridos sp2.

Figura 4: Geometra trigonal con orbitales hbridos sp2. La hibridacin de un orbital s con dos orbitales p da un conjunto de tres orbitales hbridos sp2. Esta estructura trigonal tiene

ngulos de enlace de aproximadamente 120. El orbital p restante es perpendicular al plano de los tres orbitales hbridos.

Orbitales hbridos sp3

Muchos compuestos orgnicos contienen tomos de carbono que estn enlazados a

otros cuatro tomos. Cuando cuatro enlaces estn orientados de tal manera que estn

lo ms alejado posible, forman un tetraedro regular (ngulos de enlace de 109.5),

como ilustra la figura 5. Este arreglo tetradrico puede explicarse mediante la

combinacin del orbital s con los tres orbitales p. Los cuatro orbitales resultantes se conocen como orbitales hbridos sp3 ya que estn formados por un orbital s y tres orbitales p.

Figura 5: Geometra tetradrica con orbitales hbridos sp3. La hibridacin de un orbital s con

los tres orbitales p da como resultado cuatro orbitales hbridos sp3 con una geometra tetradrica que corresponde a ngulos de enlace de 109.5.

Metano (CH4) es el ejemplo ms sencillo de la hibridacin sp3 (figura 6). La estructura de Lewis para el metano tiene ocho electrones de valencia (cuatro del

carbono y uno de cada hidrgeno) que corresponden a cuatro enlaces sencillos CH.

La geometra tetradrica separa a estos enlaces mediante el ngulo ms grande

posible, 109.5.

Figura 6: Diversas vistas del metano. El metano tiene una geometra tetradrica; utiliza

cuatro orbitales hbridos sp3 para formar enlaces sigma con los cuatro tomos de hidrgeno.

Cmo dibujar molculas tridimensionales

Las figuras 5 y 6 son ms difciles de dibujar que las figuras anteriores, ya que

representan objetos tridimensionales en una pieza de papel bidimensional. El orbital

pz debe lucir como si apuntara hacia dentro y hacia fuera de la hoja, y el tetraedro debe parecer tridimensional. Estos dibujos utilizan la perspectiva y la imaginacin

de quien las observa para aadir la tercera dimensin.

Emplear la perspectiva es difcil cuando una molcula es grande y complicada. En

qumica orgnica se ha desarrollado una notacin abreviada para simplificar los

dibujos tridimensionales. Las lneas punteadas indican enlaces que van hacia atrs,

alejndose del lector. Las lneas en forma de cua representan enlaces que van hacia

fuera, en direccin del lector. Las lneas rectas son enlaces en el plano de la pgina.

Las lneas punteadas y las cuas muestran la perspectiva en el segundo dibujo del

metano correspondiente a la figura 6.

La estructura tridimensional del etano, C2H6, tiene la forma de dos tetraedros

unidos. Cada tomo de carbono tiene una hibridacin sp3 con cuatro enlaces sigma,

formados por los cuatro orbitales hbridos sp3. Las lneas punteadas representan enlaces que se alejan del observador, las cuas representan enlaces que salen hacia el

observador, y otras lneas de enlace estn en el plano de la pgina. Todos los ngulos

de enlace se aproximan a 109.5.

Rotacin de enlaces

Algunos enlaces rotan fcilmente, pero otros no. Cuando vemos una estructura,

debemos reconocer cules enlaces rotan y cules no. Si un enlace rota con facilidad,

cada molcula puede rotar a travs de diferentes arreglos angulares de tomos. Sin

embargo, si un enlace no puede hacerlo, distintos arreglos angulares pueden implicar

compuestos diferentes (ismeros) con propiedades diferentes.

Rotacin de enlaces sencillos

En el caso del etano (CH3CH3) ambos tomos de carbono tienen una hibridacin sp3 y son tetradricos. El etano luce como dos molculas de metano a las que les han

arrancado un hidrgeno (para formar un grupo metilo) y que estn unidas por el

traslape de sus orbitales sp3 (figura 7). Podemos dibujar muchas estructuras para el etano, las cuales difieren nicamente en

cmo ha girado un grupo metilo con respecto al otro. Tales estructuras, que slo

difieren en las rotaciones alrededor de un enlace sencillo, se conocen como

conformaciones. Dos del nmero infinito de conformaciones del etano aparecen en la figura 7.

Figura 7: Rotacin de enlaces sencillos. El etano est formado por dos grupos metilo,

enlazados por el traslape de sus orbitales hbridos sp3. Estos grupos metilo pueden rotar uno con respecto al otro.

Cul de estas estructuras del etano es la correcta? Slo hay dos grupos metilo

alineados de tal forma que sus enlaces CH sean paralelos (eclipsados), o alternados, como en el dibujo de la derecha? La respuesta es que ambas estructuras, y todas las

estructuras intermedias posibles, son estructuras correctas del etano, y una molcula

real de etano rota a travs de todas estas conformaciones. Los dos tomos de carbono

se enlazan mediante el traslape de sus orbitales sp3 y forman un enlace sigma a lo

largo de la lnea entre los carbonos. La magnitud de este traslape sp3sp3 permanece casi igual durante la rotacin, ya que el enlace sigma es cilndricamente simtrico

alrededor de la lnea que une a los ncleos de carbono. Sin importar cmo gire uno de

los grupos metilo, su orbital sp3 se traslapa con el orbital sp3 del otro tomo de carbono.

Rigidez de los enlaces dobles

No todos los enlaces permiten una rotacin libre; por ejemplo, el etileno es muy rgido.

En este caso, el enlace doble entre los dos grupos CH2 consiste en un enlace sigma y

un enlace pi. Cuando giramos uno de los dos grupos CH2, el enlace sigma no se ve

afectado, pero el enlace pi pierde su traslape. Los dos orbitales p no pueden traslaparse cuando los dos extremos de la molcula forman ngulos rectos, y el enlace pi en

efecto se rompe en esta geometra.

Podemos hacer la siguiente generalizacin: La rotacin alrededor de los enlaces sencillos est permitida, pero los enlaces dobles son rgidos y no pueden girar. Como los enlaces dobles son rgidos, podemos separar y aislar compuestos que slo

difieren en cmo estn acomodados sus sustituyentes en un enlace doble. Por

ejemplo, el enlace doble del but-2-eno (CH3CHCHCH3) evita que roten los dos

extremos de la molcula. Hay dos compuestos diferentes posibles, y tienen

propiedades fsicas distintas:

Isomera

Los ismeros son compuestos distintos con la misma frmula molecular. Existen

diversos tipos de isomera en los compuestos orgnicos. Por el momento debemos

reconocer las dos grandes clases de ismeros: ismeros constitucionales y

estereoismeros.

Isomera constitucional

Los ismeros constitucionales (o ismeros estructurales) son ismeros que difieren en

su secuencia de enlace; es decir, sus tomos estn conectados de manera distinta.

Utilicemos el butano como ejemplo. Si se le pidiera dibujar una frmula estructural

para el C4H10, cualquiera de las siguientes estructuras sera correcta:

Estos dos compuestos son ismeros porque tienen la misma frmula molecular. Son

ismeros constitucionales debido a que sus tomos estn conectados de forma

distinta. El primer compuesto (n-butano por butano normal) tiene sus tomos de carbono en una cadena recta de cuatro carbonos de largo. El segundo compuesto

(isobutano por ismero del butano) tiene una estructura ramificada con una

cadena ms larga de tres tomos de carbono y una cadena lateral metilo.

Hay tres ismeros constitucionales del pentano (C5H12), cuyos nombres comunes son

n-pentano, isopentano y neopentano. El nmero de ismeros aumenta rpidamente conforme aumenta el nmero de tomos de carbono.

Los ismeros constitucionales pueden diferir de maneras distintas a la ramificacin

de sus cadenas de carbono. Pueden diferir en la posicin de un enlace doble o de otro

grupo, o por tener un anillo o alguna otra caracterstica. Observe cmo los siguientes

ismeros constitucionales difieren en la forma en que los tomos estn enlazados

con otros tomos. (Verifique el nmero de hidrgenos enlazados a cada carbono). Sin

embargo, estos compuestos no son ismeros de los pentanos que acabamos de mostrar,

ya que stos tienen una frmula molecular distinta (C5H10).

Estereoismeros

Los estereoismeros son ismeros que slo difieren en cmo se orientan sus tomos en

el espacio. Sin embargo, sus tomos estn enlazados en el mismo orden. Por ejemplo,

el, cis- y el trans-but-2-eno tienen las mismas conexiones de enlace, por lo que no son ismeros constitucionales. Son estereoismeros porque slo difieren en la

orientacin espacial de los grupos unidos al enlace doble. El ismero cis tiene los dos grupos metilo del mismo lado del enlace doble, y el ismero trans los tiene en lados

opuestos. Por el contrario, el but-1-eno es un ismero constitucional del cis- y trans-but-2-eno.

Los ismeros cis y trans slo son un tipo de isomera. El estudio de la estructura y qumica de los estereoismeros se conoce como estereoqumica.

Los ismeros cis-trans tambin se conocen como ismeros geomtricos, ya que difieren en la geometra de los grupos de un enlace doble. El ismero cis siempre es el que tiene los grupos iguales del mismo lado del enlace doble, y el ismero trans tiene los grupos iguales en lados opuestos del enlace doble.

Para tener isomera cis-trans, debe haber dos grupos distintos en cada extremo del enlace doble. Por ejemplo, el 1-buteno tiene dos hidrgenos idnticos en un extremo del

enlace doble. Si invertimos sus posiciones, no obtenemos compuestos diferentes. De

igual manera, el 2-metil-2-buteno tiene dos grupos metilo idnticos en uno de los

extremos del enlace doble. Si invertimos los grupos metilo, no obtenemos compuestos

distintos. Estos compuestos no pueden presentar isomera cis-trans.