Grupos funcionales, nomenclatura y propiedades físicas

CAPÍTULO 3. Grupos funcionales

Se ha estudiado al carbono rodeado de hidrógenos con ligaduras sencillas, dobles o triples (hidrocarburos saturados e insaturados).  No obstante los derivados del etileno, tanto directos como secundarios y petroquímicos básicos que aparecen en las tablas tienen algunas diferencias en sus fórmulas.

Las fórmulas contienen grupos diferentes como  ―OH, ―COOH, ―NH₂, ―Cl, bencenos y oxígenos en diferentes posiciones como =O, ―O―

Cada uno de estos compuestos tienen propiedades diferentes: los que poseen grupos orgánicos con el grupo ―COOH tienen propiedades ácidas y se denominan ácidos carboxílicos, mientras que los que presentan ―NH₂ presentan propiedades básicas y se conocen como aminas.

Así, la existencia de estos grupos o radicales nos permiten agrupar a los compuestos en familias. Tal agrupación se basa en lo que se conoce con el nombre de grupos funcionales.

Nomenclatura de grupos funcionales

Los mismos ajustes que se hacen para darle nombre a los alquenos se realizan para con los restantes grupos funcionales de las cadenas alifáticas.

Grupo funcional	Fórmula	Nomenclatura ejemplo
Alcanos	Cn H2n+2 R―CH2CH2―R´	La cadena principal termina con ANO CH3CH2CH2CH2CH3 pentano
Alquenos	Cn H2n R―CH=CH―R´	.La cadena principal termina en ENO, indicando con un número la posición de la doble ligadura CH3CH=CHCH2CH3 2-penteno
Alquinos	Cn H 2n-2 R―C≡C―R´	La cadena principal termina en INO, indicando con número la posición de la triple ligadura CH≡CCH2CH2CH3 1-pentino
Haluros de alquilo	CnH 2n+2-m X   R―Xn	Se nombra primero el nombre del halógeno y su posición, luego la cadena principal con terminación ANO CH3CHClCH2CH2CH3 2-cloropentano
Alcohol	Cn H2n+1 OH R―CH2―OH primario R―CH―OH  secundario        │        R´                            R´         │ R — C—  OH     terciario         │         R”	La cadena principal termina en ol y se indica su posición CH3CH2CH2CH2OH 1-butanol CH3CHOHCH2CH3 2-butanol            CH3            │ CH3─ C─OH         t-butanol            │                   CH3
Aldehído	Cn H2nO       O       ║ R—CH	La cadena principal termina en AL CH3CH2CH2CHO butanal
Cetona	CnH2n O      O      ║ R─C─R´	La cadena principal termina en ONA, indicando la posición del oxígeno                        O                      ║               CH3 C CH2CH3                  2-butanona
Ácidos carboxílicos	Cn H 2n-1 COOH        O        ║ R―C― OH	Se antepone la palabra ácido, se da el nombre del hidrocarburo con la terminación OICO CH3CH2CH2COOH Ácido butanoico o butírico*
Haluro de acilo	Cn H2n-1 COX       O       ║ R―C―X	Se da elnombre del halógeno, después el hidrocarburo con terminación ILO CH3CH2CH2COBr Bromuro de butanoilo
Éter	CnH 2 n+2 O R―O―R	-  Se nombra el radical más sencillo, luego el término OXI y por último el otro radical CH3OCH2CH2CH3 Metiloxipropil -  Se antepone la palabra éter y se nombran los dos radicales empezando por el más sencillo. Para el ejemplo anterior Éter metil propilico
Éster	Cn H 2n+1 COOC m H 2m+1        O        ║ R―C―OR”	Se da el nombre de la cadena con los 2 oxígenos cambiando la terminación ICO por ato, y luego el nombre del otro radical CH3COOCH2CH2CH3 Etanoato de n-propilo Acetato de n-propilo*
Anhídrido	Cn  H2n-2 O 3       O           O       ║           ║ R―C―O―C―R”	Se pone la palabra anhídrido y a continuación el nombre del ácido que le dio origen CH3 (CO)2 O CH3 Anhídrido etanoico o acético*
Amina	Cn H2n+1 NH2 R―NH2         primaria R―NH―R´   monosustituida R―N―R”     disustituidas       │       R´	Se dan los nombres de los radicales por orden creciente y enseguida la palabra AMINA CH3CH2CH2CH2NH2 Butil Amina CH3NHCH2CH3 Metil etil amina CH3NCH2CH3        │        CH3 Dimetil etil amina
amida	RCONH2 RCONHR” RCONR”         R´	Se da elnombre del radical seguido de la palabra amida CH3CH2CH2CONH2 Butilamida o butiramida*

* Son los nombres comunes; X significa halógeno (f, Cl, Br, I); R representa una cadena carbonada de n número de carbonos

EL SIGUIENTE APUNTE NO DEBEN PASARLO AL CUADERNO, SINO REALIZAR TENDENCIAS DE PROPIEDADES FÍSICAS DE GRUPOS FUNCIONALES, POR EJEMPLO, DE PUNTO DE EBULLICIÓN:

"X" MAYOR QUE "Y" MAYOR QUE "Z" MAYOR QUE "W", etc.

siendo X,Y,Z, W, grupos funcionales
Si necesitan información adicional, solicitarla en clase.

Propiedades físicas  de grupos funcionales

 Alcanos

Moléculas no polares que presentan enlaces covalentes.  Los puntos de ebullición y fusión aumentan conforme crece el número de carbonos, debido a que las fuerzas intermoleculares de los compuestos deben ser vencidas y éstas se intensifican a medida que aumenta el tamaño molecular.  Salvo para alcanos muy pequeños, el  punto de ebullición aumenta de 20 a 30 grados por cada carbono que se agrega a la cadena.  Sin embargo, cuanto más numerosas son las ramificaciones, menor es el punto de ebullición correspondiente y esto se debe a que tiende a la geometría esférica (que es la que presenta menor superficie).

En cuanto al aumento del punto de fusión no es tan regular debido a que en un cristal las fuerzas intermoleculares no sólo dependen del tamaño sino también de su ubicación en el retículo cristalino.

Los cuatro primeros son gases, los trece siguientes líquidos y los de 18 o más carbonos tienden a ser sólidos.

La densidad de los alcanos aumenta en función del tamaño, de modo que todos ellos son menos densos que el agua.  Insolubles en agua y solubles en compuestos no polares.

Alquenos

La mayoría de las propiedades físicas de los alquenos son similares a las de los correspondientes alcanos, por ejemplo, tanto la solubilidad como las densidades aumentan conforme aumenta la masa molecular, pero como en alcanos, el incremento de ramificaciones aumenta la volatilidad y disminuye los puntos de ebullición.

Son relativamente no polares, insolubles en agua pero solubles en disolventes no polares como el hexano, gasolina, disolventes halogenados y éteres.  Sin embargo, los alquenos tienden a ser ligeramente más polares que los alcanos por dos razones: los electrones pi son más polarizables –contribuyendo a momentos dipolares instantáneos- y los enlaces vinílicos tienden a ser ligeramente polares –contribuyendo a un momento dipolar permanente.

Los grupos alquilo son ligeramente donantes de electrones hacia el doble enlace, ayudando a estabilizarlo. Esta ligera donación polariza el enlace vinílico, con una pequeña carga positiva parcial en el grupo alquilo y una pequeña carga negativa en el doble enlace de los átomos de carbono.

Las moléculas con momentos dipolares permanentes experimentan atracciones dipolo-dipolo, mientras que las que no tienen momentos dipolares permanentes sólo sufren atracciones de van der Waals.

Alquinos

Las propiedades físicas de los alquinos son similares a las de los alcanos y alquenos de masas moleculares parecidas. Los alquinos son relativamente no polares y prácticamente insolubles en agua; son bastante solubles en la mayoría de los disolventes orgánicos, incluyendo acetona, éter, cloruro de metileno, cloroformo y alcoholes. Muchos alquinos tienen olores característicos, ligeramente desagradables.

Alcoholes

El alcohol es un compuesto de un alcano y agua, de éstas dos unidades estructurales el grupo ─OH da a los alcoholes sus propiedades físicas características y el alquilo es el que modifica, dependiendo de su tamaño y forma.

El grupo ─OH es muy polar y capaz de establecer puentes de hidrógeno con sus propias moléculas, con moléculas neutras o con aniones, a lo que debe sus propiedades como punto de ebullición y solubilidad.

Los puntos de ebullición aumentan conforme aumenta el tamaño del alcano unido al grupo funcional y disminuyen con las ramificaciones, sin embargo el punto de ebullición es muy alto en relación a los alcanos de igual peso molecular e incluso más altos que los de otros compuestos de polaridad considerable.

La respuesta está en que los alcoholes, como el agua, son líquidos asociados y sus puntos de ebullición anormalmente elevados se deben a la mayor energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas.

El enlace de hidrógeno es la atracción intermolecular más importante responsable del alto punto de ebullición del alcohol de dos átomos de carbono.  El hidrógeno del grupo hidroxilo del etanol está fuertemente polarizado debido a su enlace con el oxígeno y forma un enlace de hidrógeno con un par de electrones no enlazantes del átomo de oxígeno de otra molécula de alcohol.

El agua y los alcoholes tienen propiedades similares porque contienen grupos hidroxilo que pueden formar enlaces de hidrógeno.  Los alcoholes forman enlaces de hidrógeno con el agua y varios de los alcoholes de masa molecular más baja son miscibles –solubles en cualquier proporción- con el agua. De forma similar, los alcoholes son mucho mejores disolventes que los hidrocarburos para las sustancias polares. Se pueden disolver cantidades apreciables de compuestos iónicos, como el cloruro de sodio, en algunos de los alcoholes de menor masa molecular.  Se dice que el grupo hidroxilo es hidrofílico, porque tiene afinidad por el agua y por otras sustancias polares.

El grupo alquilo del alcohol es hidrofóbico –no tiene afinidad por el agua- porque se comporta como un alcano: no participa en los enlaces de hidrógeno ni en las atracciones dipolo-dipolo de un disolvente polar como el agua. A el grupo alquilo hace que el alcohol sea menos hidrofílico y es el responsable de la solubilidad de los alcoholes en disolventes orgánicos no polares.

En marcado contraste con los hidrocarburos, los alcoholes inferiores son miscibles con el agua debido a que el grupo hidrófilo presenta el mismo enlace que ésta, pero a medida que el grupo lipófilo aumenta, disminuye la solubilidad del alcohol en agua.  Se considera que el límite de solubilidad está entre los 4 y 5 átomos de carbono para alcoholes primarios normales. La solubilidad en agua disminuye a medida que el grupo alquilo aumenta de tamaño.

Ácidos carboxílicos

Son moléculas polares y al igual que los alcoholes pueden formar puentes de hidrógeno entre sí y con otros tipos de moléculas, por consiguiente los ácidos carboxílicos se comportan de forma similar a los alcoholes en cuanto a sus solubilidades: los primeros son miscibles con agua y los superiores son insolubles en ella; sin embargo son solubles en disolventes orgánicos menos polares.

Los puntos de ebullición son aún más elevados que los observados en los alcoholes, cetonas u aldehídos, lo cual se debe a que las moléculas del ácido carboxílico forma u dímero, con enlace de hidrógeno estable,  El dímero contiene un anillo de ocho miembros con dos enlaces de hidrógeno, es decir, no se mantienen unidas por un puente de hidrógeno sino por dos.

                                               O···H  – O

                                             //                 \

                                    R –  C                   C – R        Dímero del ácido con enlaces

                                             \                  //                o puentes de hidrógeno.

                                               O – H···· O

Los ácidos que contienen más de 8 átomos de carbono generalmente son sólidos, a menos que contengan dobles enlaces.  La presencia de dobles enlaces en una cadena larga impide la formación de retículos cristalinos compactos, lo que hace que el punto de fusión sea más bajo. Los puntos de fusión de los ácidos dicarboxílicos son relativamente altos, ya que los dos grupos carboxilo por molécula, las fuerzas de enlace de hidrógeno son particularmente fuertes en los diácidos; se requiere una temperatura alta para romper el retículo de los enlaces de hidrógeno del cristal y fundir el diácido.

Los ácidos forman enlaces de hidrógeno con el agua, los de masa molecular pequeña –hasta 4 carbonos- son miscibles en agua.  A medida que la longitud de la cadena del hidrocarburo aumenta, la solubilidad en agua disminuye, de forma que los ácidos con más de 10 átomos de carbono son insolubles en agua.

Los ácidos son muy solubles en los alcoholes, ya que forman enlaces de hidrógeno con ellos. Además, los alcoholes son menos polares que el agua, por lo que los ácidos de cadena más larga son más solubles en los alcoholes que en agua.  La mayoría de los ácidos carboxílicos son bastante solubles en disolventes relativamente no polares, como el cloroformo, ya que el ácido continúa existiendo en su forma dimérica en el disolvente no polar, es decir, los enlaces de hidrógeno del dímero cíclico siguen existiendo cuando el ácido se disuelve en un disolvente no polar.

Los olores de los ácidos alifáticos inferiores progresan desde los fuertes e irritantes del fórmico y acético, hasta los abiertamente desagradables del butírico, valeriánico y caproico.  Los ácidos superiores tienen muy poco olor debido a sus bajas volatilidades.

Aminas

Como el amoníaco, las aminas son compuestos fuertemente polares y pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares, salvo las terciarias por no contener enlace nitrógeno-hidrógeno. Como el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno, el enlace N-H es menos polar que el enlace O-H, por lo tanto, las aminas forman enlaces de hidrógeno más débiles que los alcoholes con masas moleculares similares.

 Las aminas primarias y secundarias tienen puntos de ebullición más bajos que los de los alcoholes, pero más altos que los de los éteres con masas moleculares parecidas.  Al no tener enlaces de hidrógeno, las aminas terciarias tienen puntos de ebullición más bajos que las primarias y secundarias de masas moleculares similares. tienen puntos de ebullición más altos que los compuestos no polares de igual peso molecular, pero inferiores a los de alcoholes y ácidos carboxílicos.

Debido a los puentes de hidrógeno formados con el agua, las aminas menores son bastante solubles en agua y tienen solubilidad límite de unos 6 átomos de carbono, son solubles en disolventes menos polares como el éter, alcohol, etc. 

La propiedad que quizás es más característica de las aminas es su olor a pescado en descomposición. Algunas diaminas tienen un olor particularmente desagradable.  Las siguientes aminas tienen nombres comunes que describen sus olores.

           

            NH₂CH₂CH₂CH₂CH₂NH₂                1,4-butanodiamina (putrescina)

            NH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂NH₂         1,5-pentanodiamina (cadaverina)

           

Amidas y Ésteres

La presencia del grupo C=O confiere polaridad a los derivados de ácidos.  Los cloruros, anhídridos de ácidos y los ésteres, tienen puntos de ebullición aproximadamente iguales a los aldehídos y cetonas de peso molecular comparable.  Las amidas primarias y secundarias  tienen puntos de ebullición bastante elevados, debido a su capacidad para establecer puentes de hidrógeno bastante estables.

Los derivados de ácido son solubles en los disolventes orgánicos más utilizados como alcoholes, éteres, alcanos clorados e hidrocarburos aromáticos; sin embargo, los cloruros de ácido y los anhídridos no se pueden utilizar con disolventes como el agua y los alcoholes, ya que reaccionan con ellos.

La solubilidad límite en agua es de 3 a 5 átomos de carbono para ésteres y de 5 a 6 carbonos para amidas.  Los derivados de ácidos son solubles en los disolventes orgánicos usuales.

Los ésteres más volátiles tienen olores agradables y muy característicos, por lo que suelen emplearse en la preparación de perfumes y condimentos artificiales.  Los cloruros de ácidos tienen olores fuertes e irritantes, debido en parte a su rápida hidrólisis a HCl y ácidos carboxílicos.

Éteres y epóxidos

Debido a que el ángulo del enlace C-O-C no es de 180 grados, los momentos dipolares de los dos enlaces no se anulan, en consecuencia, los éteres presentan un pequeño momento dipolar neto. 

A pesar de que los éteres no tienen el grupo polar hidroxilo de los alcoholes, son, sin embargo, compuestos polares. Esta polaridad –débil- no afecta apreciablemente a los puntos de ebullición de los éteres, que son similares a los de los alcanos de pesos moleculares comparables y mucho más bajos que los de los alcoholes isómeros.

Por otra parte, los éteres presentan una solubilidad en agua comparable a la de los alcoholes.

También son buenos disolventes para una gran cantidad de sustancias polares y no polares y sus puntos de ebullición, relativamente bajos, facilitan su separación de los productos de reacción por evaporación.  Los éteres no solvatan aniones tan bien como los alcoholes. Las sustancias iónicas con aniones pequeños –duros- requieren una fuerte solvatación para romper su enlace iónico, por lo que suelen ser insolubles en éteres.

Aldehídos y cetonas

Son sustancias polares por lo que tienen puntos de ebullición más elevados que los compuestos polares de peso molecular comparable. No son capaces de formar puentes de hidrógeno debido a que solo tienen hidrógeno unido al carbono, por lo que sus puntos de ebullición son inferiores al de los alcoholes y ácidos carboxílicos comparables.  Los aldehídos y cetonas inferiores son solubles en agua, debido  tal vez a los puentes de hidrógeno formados con el disolvente; el límite de solubilidad es de hasta 5 carbonos, y los demás son solubles en compuestos orgánicos.