Introducción a la Química Orgánica Funcional

La química orgánica estudia compuestos que contienen carbono y sus derivados. Los compuestos orgánicos oxigenados y nitrogenados forman parte de las principales familias de sustancias presentes en los organismos vivos.

Este curso está dirigido a estudiantes de las carreras de Medicina, Licenciatura en Enfermería, Ingeniería en Producción Agropecuaria y Licenciatura en Ciencias Ambientales, proporcionando las bases para comprender cómo estos compuestos participan en procesos biológicos, farmacológicos y ambientales.

La Unidad 5 se centra en los compuestos orgánicos que contienen oxígeno (alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas) y los que contienen nitrógeno (aminas, amidas, nitrilos). Estos grupos funcionales determinan propiedades físicas y químicas específicas que los hacen esenciales tanto en la naturaleza como en aplicaciones industriales.

💡 Tip de estudio: Reconocer los grupos funcionales es la clave para predecir el comportamiento de los compuestos orgánicos. Intenta identificar estos grupos en medicamentos comunes, alimentos o productos de uso cotidiano.

Alcoholes: Estructura y Nomenclatura

Los alcoholes son compuestos orgánicos caracterizados por tener uno o más grupos hidroxilo $-OH$ unidos a carbonos saturados, formando un grupo carbinol $-C-OH$. Son moléculas muy comunes en la naturaleza y juegan roles importantes en los organismos vivos.

La fórmula general de los alcoholes es R-OH, donde R representa una cadena carbonada. Los alcoholes pueden tener efectos diversos en el organismo: en dosis altas pueden ser tóxicos e incluso letales, y al ser consumidos actúan como depresores del sistema nervioso central. Por otro lado, tienen propiedades antibacterianas y antisépticas útiles en la industria química y la medicina.

Para nombrar los alcoholes existen dos métodos principales:

1. Método tradicional (no sistemático): Se antepone la palabra "alcohol" al nombre del alcano correspondiente, cambiando la terminación "-ano" por "-ílico". Por ejemplo:

   • Metano → Alcohol metílico
   • Etano → Alcohol etílico
   • Propano → Alcohol propílico

2. Método IUPAC: Se sustituye la terminación "-ano" del alcano por "-ol". Por ejemplo:

   • Metano → Metanol
   • Etano → Etanol
   • Propano → Propanol

💡 Recordá: Para indicar la posición del grupo hidroxilo en la cadena, se usa un número al inicio del nombre, eligiendo siempre la numeración más baja posible. Por ejemplo: 2-butanol $CH₃-CH₂-CH(OH)-CH₃$.

Nomenclatura de Alcoholes y Posición del Grupo Hidroxilo

Al nombrar alcoholes según la IUPAC, es fundamental seguir reglas precisas para identificar correctamente cada compuesto. Siempre se selecciona la cadena hidrocarbonada más larga que contenga el grupo hidroxilo como cadena principal, y se numera otorgando al carbono unido al grupo OH la posición más baja posible.

Por ejemplo, en el 2-butanol $CH₃-CH₂-CH(OH)-CH₃$, el grupo hidroxilo está unido al segundo carbono de una cadena de cuatro carbonos. La numeración comienza desde el extremo que da la posición más baja al grupo -OH.

Comparando los métodos de nomenclatura:

Para alcoholes más complejos, la numeración es crucial. Por ejemplo, en:

     OH
     |
CH₃-CH₂-CH-CH₃

El nombre correcto es 2-butanol, porque el grupo -OH está en el carbono 2.

💡 Atención: Un error común es olvidar indicar la posición del grupo hidroxilo. Siempre incluí el número que indica su ubicación, excepto cuando está en el carbono 1 de una cadena no ramificada.

Propiedades Químicas de los Alcoholes

Los alcoholes presentan un carácter dipolar debido a su grupo hidroxilo, haciéndolos sustancias polares con un polo positivo y uno negativo. Esta característica les permite comportarse como ácidos o como bases dependiendo del reactivo con el que interactúen.

Cuando un alcohol reacciona con una base fuerte, el grupo hidroxilo se desprotona y el oxígeno retiene su carga negativa, actuando como un ácido. En cambio, frente a un ácido fuerte, los pares electrónicos del oxígeno hacen que el grupo hidroxilo se protone, adquiriendo carga positiva y comportándose como una base débil.

Los alcoholes participan en diversas reacciones químicas importantes:

1. Halogenación: Los alcoholes reaccionan con halogenuros de hidrógeno formando halogenuros de alquilo y agua. Los alcoholes terciarios reaccionan más fácilmente que los primarios y secundarios. Por ejemplo:

   CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-OH + HCl + ZnCl₂ → CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-Cl + H₂O
   

2. Oxidación: Los alcoholes se oxidan formando diferentes productos según su tipo:

   • Alcoholes primarios: Pueden oxidarse a aldehídos y luego a ácidos carboxílicos.
   • Alcoholes secundarios: Se oxidan formando cetonas.
   • Alcoholes terciarios: Son resistentes a la oxidación en condiciones normales.

💡 Aplicación práctica: La oxidación de alcoholes explica por qué el etanol (alcohol etílico) se metaboliza en el hígado primero a acetaldehído y luego a ácido acético, causando efectos tóxicos cuando este proceso se satura.

Oxidación y Deshidrogenación de Alcoholes

La oxidación de los alcoholes produce compuestos con diferente grado de oxidación dependiendo del tipo de alcohol:

1. Alcoholes primarios: Al oxidarse, pueden formar:

   • Aldehídos: Si pierden un hidrógeno unido al carbono enlazado al grupo hidroxilo.

   CH₃-CH₂-OH → CH₃-CHO
   

   • Ácidos carboxílicos: Si pierden ambos hidrógenos de este carbono.

   CH₃-CH₂-OH → CH₃-COOH
   

2. Alcoholes secundarios: Forman cetonas al perder el hidrógeno unido al carbono que tiene el grupo hidroxilo.

   CH₃-CHOH-CH₃ → CH₃-CO-CH₃
   

3. Alcoholes terciarios: Son resistentes a la oxidación en condiciones normales porque no tienen hidrógenos en el carbono unido al grupo -OH.

Otra reacción importante es la deshidrogenación, que ocurre cuando los alcoholes primarios y secundarios se someten a altas temperaturas en presencia de catalizadores específicos. En este proceso, pierden hidrógenos para formar aldehídos y cetonas:

CH₃-CH₂-OH → Ni-Cu, 320°C → CH₃-CHO + H₂

Para alcoholes secundarios:

CH₃-CHOH-CH₃ → Ni-Cu, 320°C → CH₃-CO-CH₃ + H₂

💡 Aplicación industrial: La deshidrogenación catalítica de alcoholes es un método importante para producir aldehídos y cetonas a escala industrial, utilizados como solventes y en la síntesis de muchos compuestos.

Propiedades Físicas de los Alcoholes

Los alcoholes generalmente son líquidos incoloros con olores característicos, aunque algunos pueden existir en estado sólido. Una propiedad fundamental es su solubilidad en agua, gracias a que el grupo hidroxilo $-OH$ puede formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua (H₂O).

La solubilidad de los alcoholes en agua disminuye al aumentar su masa molecular:

• Los alcoholes más simples $hasta 3-4 carbonos$ son completamente solubles en agua
• A medida que la cadena carbonada crece, la solubilidad disminuye significativamente

La densidad de los alcoholes aumenta conforme crece el número de átomos de carbono y las ramificaciones de su cadena. Los puentes de hidrógeno también influyen en los puntos de fusión y ebullición:

• Mayor cadena hidrocarbonada = mayor punto de ebullición
• Más grupos hidroxilo = mayor punto de ebullición
• Más ramificaciones = mayor punto de ebullición

El punto de ebullición de los alcoholes es notablemente mayor que el de los alcanos con igual número de carbonos. Esto se debe a los enlaces por puentes de hidrógeno entre moléculas de alcohol. En contraste, en los alcanos las únicas fuerzas intermoleculares son las débiles fuerzas de dispersión de London.

💡 Comparación práctica: El etanol (CH₃CH₂OH) tiene un punto de ebullición de 78,5°C, mientras que el dimetil éter (CH₃OCH₃), con la misma fórmula molecular, hierve a -25°C. Esta diferencia de más de 100°C se debe exclusivamente a los puentes de hidrógeno presentes en el etanol.

Propiedades y Clasificación de Alcoholes

La relación entre estructura y propiedades físicas en los alcoholes se evidencia claramente en una tabla comparativa:

Los alcoholes pueden clasificarse según el número de grupos hidroxilo presentes:

1. Monoalcoholes: Contienen un solo grupo hidroxilo.

   CH₃-CH₂-OH (etanol)
   CH₃-CH₂-CH₂-OH (propanol)
   

2. Polialcoholes o polioles: Contienen más de un grupo hidroxilo.

   HO-CH₂-CH-CH₂-OH $glicerol, con tres grupos -OH$
      |
     OH
   

También se clasifican según la posición del carbono al cual está unido el grupo -OH:

💡 Truco para recordar: La clasificación primario/secundario/terciario indica a cuántos carbonos está unido el carbono que lleva el grupo -OH: uno, dos o tres carbonos, respectivamente.

Clasificación y Reacciones de los Alcoholes

Los alcoholes se clasifican según la posición del carbono que contiene el grupo hidroxilo:

1. Alcoholes primarios: El grupo -OH está unido a un carbono que a su vez está enlazado a un solo átomo de carbono.

   CH₃-CH₂-OH (etanol)
   

2. Alcoholes secundarios: El grupo -OH está unido a un carbono que está enlazado a otros dos átomos de carbono.

   CH₃-CHOH-CH₃ $2-propanol o alcohol isopropílico$
   

3. Alcoholes terciarios: El grupo -OH está unido a un carbono que está enlazado a otros tres átomos de carbono.

   (CH₃)₃C-OH $2-metil-2-propanol o alcohol ter-butílico$
   

Síntesis de Alcoholes

La sustitución nucleofílica es un método para obtener alcoholes. Se puede realizar mediante:

1. Hidrólisis: Usando agua como nucleófilo.

   RX + H₂O → ROH + HX
   

2. Sustitución con ión hidróxido:

   RX + HO⁻ → ROH + X⁻
   

El resultado depende de la estructura del haloalcano de partida:

• Con haloalcanos metílicos o primarios no impedidos: reacción SN2
• Con haloalcanos secundarios: reacciones SN2, SN1, E2 o E1
• Con haloalcanos terciarios: predominan SN1 o E2

💡 Nota importante: Este método no suele ser el más eficiente para obtener alcoholes, ya que compite con las reacciones de eliminación, especialmente en sustratos secundarios y terciarios.

Reacciones de Reducción y Oxidación

La reducción de compuestos carbonílicos es uno de los métodos más eficientes para obtener alcoholes:

• Los aldehídos se reducen a alcoholes primarios
• Las cetonas se reducen a alcoholes secundarios
• Los ésteres y ácidos carboxílicos se reducen a alcoholes primarios

En el esquema general de oxidación-reducción de compuestos orgánicos, los alcoholes ocupan una posición intermedia:

Alcanos → Alquenos/Alquinos → Alcoholes → Aldehídos/Cetonas → Ácidos carboxílicos

La reducción de aldehídos y cetonas puede realizarse por dos métodos principales:

1. Hidrogenación catalítica: Utilizando H₂ con catalizadores como Pd o Pt.

   3-metilpentanal + H₂, Pd → 3-metil-1-pentanol
   Ciclohexanona + H₂, Pt → Ciclohexanol
   

2. Reducción con hidruros: Empleando reactivos como NaBH₄ (borohidruro de sodio) o LiAlH₄ (hidruro de litio y aluminio).

   Éster + NaBH₄/MeOH → Alcohol
   

El LiAlH₄ es más reactivo pero menos selectivo que el NaBH₄, pudiendo reducir más tipos de grupos funcionales.

💡 Aplicación práctica: La reducción selectiva de grupos carbonilo es fundamental en la síntesis farmacéutica. Por ejemplo, en la producción de ciertos antiinflamatorios y analgésicos se requiere reducir cetonas a alcoholes sin afectar otros grupos funcionales de la molécula.

Síntesis de Alcoholes con Reactivos Organometálicos

La adición de reactivos de Grignard a compuestos carbonílicos es uno de los métodos más versátiles para sintetizar alcoholes. Estos reactivos contienen un carbono unido a un metal (como magnesio), creando un centro rico en electrones que actúa como nucleófilo.

Los reactivos organometálicos más comunes son:

• Reactivos organolíticos: R-Li
• Reactivos de Grignard: R-MgX (donde X es un halógeno)

Se preparan mediante reacciones como:

R-Br + 2Li → R-Li + LiBr
R-Br + Mg/éter → R-MgX

El tipo de alcohol resultante depende del compuesto carbonílico utilizado:

• Con formaldehído se obtienen alcoholes primarios
• Con otros aldehídos se obtienen alcoholes secundarios
• Con cetonas se obtienen alcoholes terciarios

Reactividad de los Alcoholes

Los alcoholes pueden participar en tres tipos principales de reacciones:

1. Eliminación: Formación de alquenos
2. Sustitución nucleofílica del grupo -OH
3. Sustitución del hidrógeno del grupo -OH (sustitución electrofílica en el oxígeno)

💡 Aplicación en síntesis orgánica: Los reactivos de Grignard son herramientas esenciales en el laboratorio orgánico para construir moléculas complejas. Por ejemplo, muchos fármacos y fragancias se sintetizan utilizando estas reacciones para crear los alcoholes que forman parte de su estructura.