Objetivo de aprendizaje
reconocer y clasificar los grupos funcionales comunes de la química orgánica (alcanos, alquenos, alquinos, haluros de alquilo, alcoholes, aminas, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres y amidas
Grupos funcionales en compuestos orgánicos
Los grupos funcionales son unidades estructurales dentro de compuestos orgánicos que se definen por arreglos de unión específicos entre átomos específicos. La estructura de la capsaicina, el compuesto responsable del calor en los pimientos, incorpora varios grupos funcionales, etiquetados en la figura a continuación y explicados a lo largo de esta sección.
A medida que avancemos en nuestro estudio de la química orgánica, será sumamente importante poder reconocer rápidamente los grupos funcionales más comunes, ya que son los elementos estructurales clave que definen cómo reaccionan las moléculas orgánicas . Por ahora, solo nos preocuparemos por dibujar y reconocer cada grupo funcional, como lo representan Lewis y las estructuras lineales. Gran parte del resto de su estudio de química orgánica se retomará con el aprendizaje de cómo se comportan los diferentes grupos funcionales en las reacciones orgánicas.
Al 'default' en la química orgánica (esencialmente, la falta de grupos funcionales) se le da el término alcano , caracterizado por enlaces simples entre carbono y carbono, o entre carbono e hidrógeno. El metano, CH 4 , es el gas natural que puedes quemar en tu horno. El octano, C 8 H 18 , es un componente de la gasolina.
Alcanos
Los alquenos (a veces llamados olefinas ) tienen dobles enlaces carbono-carbono, y los alquinos tienen enlaces triples carbono-carbono. El eteno, el ejemplo de alqueno más simple, es un gas que sirve como señal celular en los frutos para estimular la maduración. (Si quieres que los plátanos maduren rápidamente, ponlos en una bolsa de papel junto con una manzana - la manzana emite gas eteno, desencadenando el proceso de maduración en los plátanos). El etino, comúnmente llamado acetileno, se utiliza como combustible en sopletes de soldadura.
Alquenos y alquinos
Los alquenos tienen geometría electrónica plana trigonal, mientras que los alquinos tienen geometría lineal. Además, muchos alquenos pueden tomar dos formas geométricas: cis trans cis y trans de un alqueno dado son diferentes moléculas con diferentes propiedades físicas, existe una barrera energética muy alta a la rotación alrededor de un doble enlace. En el siguiente ejemplo, la diferencia entre alquenos cis y trans es fácilmente evidente.
Los alcanos, alquenos y alquinos se clasifican como hidrocarburos , porque están compuestos únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Se dice que los alcanos son hidrocarburos saturados , porque los carbonos están unidos al máximo número posible de hidrógenos, es decir, están saturados con átomos de hidrógeno. Los carbonos de doble y triple enlace en alquenos y alquinos tienen menos átomos de hidrógeno unidos a ellos, por lo que se les conoce como hidrocarburos insaturados . Como veremos en el capítulo 15, se puede agregar hidrógeno a dobles y triples enlaces, en un tipo de reacción llamada 'hidrogenación'.
El grupo aromático está ejemplificado por el benceno (que solía ser un solvente de uso común en el laboratorio orgánico, pero que demostró ser cancerígeno), y el naftaleno, un compuesto con un distintivo olor a 'bola de naftalina'. Los grupos aromáticos son estructuras de anillo planas (planas), y están muy extendidos en la naturaleza. Aprenderemos más sobre la estructura y reacciones de los grupos aromáticos en los capítulos 2 y 14.
Aromaticos
Cuando el carbono de un alcano está unido a uno o más halógenos, el grupo se denomina haluro de alquilo o haloalcano . El cloroformo es un solvente útil en el laboratorio, y fue uno de los fármacos anestésicos anteriores utilizados en cirugía. El clorodifluorometano se utilizó como refrigerante y en aerosoles hasta finales del siglo XX, pero su uso se interrumpió después de que se encontró que tenía efectos nocivos sobre la capa de ozono. El bromoetano es un haluro de alquilo simple que se usa a menudo en la síntesis orgánica. Los grupos haluros de alquilo son bastante raros en biomoléculas.
Haloalcanos En el grupo funcional alcohol , un carbono está unido de manera simple a un grupo OH (el grupo OH, por sí mismo, se denomina hidroxilo ). Excepto el metanol, todos los alcoholes pueden clasificarse como primarios, secundarios o terciarios. En un alcohol primario , el carbono unido al grupo OH también está unido a solo otro carbono. En un alcohol secundario y un alcohol terciario, el carbono está unido a otros dos o tres carbonos, respectivamente. Cuando el grupo hidroxilo se une directamente a un anillo aromático, el grupo resultante se llama fenol . El análogo de azufre de un alcohol se llama tiol (del griego tio , para azufre).
Alcoholes, fenoles y tioles
Obsérvese que la definición de fenol establece que el oxígeno hidroxílico debe estar unido directamente a uno de los carbonos del anillo aromático. El siguiente compuesto, por lo tanto, no es un fenol, es un alcohol primario.
La distinción es importante, porque como veremos más adelante, existe una diferencia significativa en la reactividad de alcoholes y fenoles.
Las formas desprotonadas de alcoholes, fenoles y tioles se denominan alcóxidos , fenolatos y tiolatos , respectivamente. Un alcohol protonado es un ion oxonio .
En un grupo funcional éter , un oxígeno central está unido a dos carbonos. A continuación se muestra la estructura del éter dietílico, un solvente común de laboratorio y también uno de los primeros compuestos que se utilizará como anestésico durante las operaciones. El análogo de azufre de un éter se llama tioéter o sulfuro .
Éteres y sulfuros
El fosfato y sus grupos funcionales derivados son ubicuos en biomoléculas. El fosfato unido a un solo grupo orgánico se llama éster de fosfato ; cuando tiene dos enlaces a grupos orgánicos se llama diéster de fosfato . Un enlace entre dos fosfatos crea un anhídrido de fosfato .
Fosfatos orgánicos
Hay una serie de grupos funcionales que contienen un doble enlace carbono-oxígeno, que comúnmente se conoce como carbonilo . Las cetonas y los aldehídos son dos grupos funcionales a base de carbonilo estrechamente relacionados que reaccionan de manera muy similar. En una cetona, el átomo de carbono de un carbonilo está unido a otros dos carbonos. En un aldehído, el carbono carbonilo está unido por un lado a un hidrógeno, y por el otro lado a un carbono. La excepción a esta definición es el formaldehído, en el que el carbono carbonílico tiene enlaces a dos hidrógenos.
Un grupo con un doble enlace carbono-nitrógeno se llama imina , o a veces base Schiff (en este libro usaremos el término 'imine'). La química de aldehídos, cetonas e iminas se tratará en el capítulo 10.
Aldehídos, cetonas e iminas
Cuando un carbono carbonilo está unido por un lado a un carbono (o hidrógeno) y por el otro lado a un oxígeno, nitrógeno o azufre, se considera que el grupo funcional es uno de los “derivados de ácido carboxílico ”, designación que describe un conjunto de grupos funcionales relacionados. El miembro homónimo de esta familia es el grupo funcional ácido carboxílico , en el que el carbonilo está unido a un grupo hidroxilo. La base conjugada de un ácido carboxílico es un carboxilato . Otros derivados son ésteres carboxílicos (generalmente llamados simplemente 'ésteres' ), tioésteres , amidas , fosfatos de acilo , cloruros de ácido y anhidridos de ácido . Con excepción de cloruros de ácido y anhidridos de ácido, los derivados de ácido carboxílico son muy comunes en moléculas biológicas y/o vías metabólicas, y su estructura y reactividad se discutirán en detalle en el capítulo 11.
Derivados de ácido carboxílico
Un solo compuesto a menudo contiene varios grupos funcionales, particularmente en química orgánica biológica. Las moléculas de azúcar de seis carbonos glucosa y fructosa, por ejemplo, contienen grupos aldehído y cetona, respectivamente, y ambas contienen cinco grupos alcohol (un compuesto con varios grupos alcohol a menudo se conoce como un 'poliol' ).
La hormona testosterona, el aminoácido fenilalanina y el metabolito de la glucólisis dihidroxiacetona fosfato contienen múltiples grupos funcionales, como se indica a continuación.
Si bien no es de ninguna manera una lista completa, esta sección ha cubierto la mayoría de los grupos funcionales importantes que encontraremos en la química orgánica biológica.
Ejercicio:
1. Identificar los grupos funcionales (distintos de los alcanos) en los siguientes compuestos orgánicos. Determine si los alcoholes y las aminas son primarios, secundarios o terciarios.
Solución
1.
Las aminas se caracterizan por átomos de nitrógeno con enlaces simples a hidrógeno y carbono. Así como hay alcoholes primarios, secundarios y terciarios, hay aminas primarias, secundarias y terciarias. El amoníaco es un caso especial sin átomos de carbono.
Una de las propiedades más importantes de las aminas es que son básicas, y se protonan fácilmente para formar cationes amonio . En el caso de que un nitrógeno tenga cuatro enlaces al carbono (lo cual es algo inusual en biomoléculas), se le llama ion amonio cuaternario.
Aminas
Nota: No se confunda por cómo se aplican los términos 'primario', 'secundario' y 'terciario' a alcoholes y aminas; las definiciones son diferentes. En los alcoholes, lo que importa es a cuántos otros carbonos está unido el carbono del alcohol, mientras que en las aminas, lo que importa es a cuántos carbonos está unido el nitrógeno .
Finalmente, un grupo nitrilo se caracteriza por un carbono triple-enlazado a un nitrógeno.
Nitrilos
Ejercicio
2. Dibuje un ejemplo de cada compuesto que incluya las entidades estructurales especificadas. Asegúrese de designar la ubicación de todos los cargos formales distintos de cero. Todos los átomos deben tener octetos completos (el fósforo puede exceder la regla del octeto). Hay muchas posibles respuestas correctas para estas, así que asegúrate de revisar tus estructuras con tu instructor o tutor.
a) un compuesto con fórmula molecular C 6 H 11 NO que incluye grupos funcionales alqueno, amina secundaria y alcohol primario
b) un ion con fórmula molecular C 3 H 5 O 6 P 2- que incluye grupos funcionales aldehído, alcohol secundario y fosfato.
c) Un compuesto con fórmula molecular C 6 H 9 NO que tiene un grupo funcional amida, y no tiene un grupo alqueno.
Contestar
2.
