Grupos Funcionales y Familias de Compuestos Orgánicos, Resúmenes de Química

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Contenidos teóricos de biomoléculas

Primer parcial

Cátedra de Química de Biomoléculas - FAUBA

Actualizado (marzo 2023)

Editorial Pandemial

Disclaimer

El siguiente es un material de estudio generado de manera exclusiva para acompañar la

materia de Biomoléculas en las carreras de la Facultad de Agronomía, Universidad de

Buenos Aires, considerando la falta de acceso a material bibliográfico durante la Pandemia

COVID-19. Para su confección se utilizaron textos disciplinarios de uso universitario.

No copyright

Colophon

Este documento fue compaginado con la ayuda de KOMA-Script y L

A

T

E

X por medio de la

clase kaobook.

Publisher

Primera edición compilada en Abril 2021 por la Editorial Pandemialde Biomoleculas

• Índice general
• 1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos
  • 1.1 Introducción
  • 1.2 Metabolismo primario y secundario
  • 1.3 Química de Biomoléculas
  • 1.4 Teoría de Orbitales Moleculares
    • 1.4.1 Alcanos
    • 1.4.2 Alquenos
    • 1.4.3 Alquinos
  • 1.5 Conformaciones de alcanos y cicloalcanos
  • 1.6 Benceno y otros compuestos aromáticos
  • 1.7 Propiedades físicas de hidrocarburos
  • 1.8 Hidrocarburos en la naturaleza
  • 1.9 Lecturas complementarias
  • 2.1 Tipos de enlaces e interacciones intermoleculares
    • 2.1.1 Introducción
    • 2.1.2 Enlaces Covalentes polares
    • 2.1.3 Moléculas polares: Interacciones entre dipolos permanentes
  • 2.2 Solubilidad en un solvente - Solvatación
    • 2.2.1 Solubilidad en agua
  • 2.3 Oxidación y Reducción de moléculas orgánicas
  • 2.4 Grupos funcionales
  • 2.5 Isomería e Isómeros Constitucionales
    • naturaleza 2.6 Tipos de Reacciones Orgánicas que suceden en organismos vivos y en la
  • 2.7 Termodinámica y Cinética de las reacciones
• 3 Átomo de Carbono III: Grupos Funcionales y Familias de Compuestos Orgánicos
  • 3.1 Halogenuros de alquilo o haloalcanos
  • 3.2 Alcoholes, fenoles, éteres, tioalcoholes y tioéteres
  • 3.3 Grupos funcionales que incluyen un carbonilo en su estructura
    • 3.3.1 Aldehídos y cetonas
  • 3.3.2 Ácidos carboxílicos
  • 3.3.3 Grupos funcionales compuestos a partir de ácidos carboxílicos................
  • 3.3.4 Aminas
  • 3.3.5 Amidas
• 3.4 Lecturas complementarias

Átomo de Carbono I: Introducción a las

biomoléculas - Hidrocarburos

1.1. Introducción

La vida en la Tierra apareció hace unos 4000 millones de años en la forma de microorganismos

sencillos con la capacidad de obtener energía de materia orgánica o de la luz solar. Esta energía sirvió

para generar biomoléculas a partir de compuestos orgánicos sencillos presentes en la superficie de la

Tierra. Así, miles de diferentes moléculas inanimadas dieron lugar a las complejas propiedades de

los organismos vivos. Cuando estas moléculas se aíslan y se estudian individualmente, cumplen con

todas las leyes físicas y químicas que caracterizan la materia inanimada, sin embargo, su interacción

permite el mantenimiento y la perpetuación de la vida, dándole características propias que las

distinguen de otras agrupaciones de materia:

o Un elevado grado de complejidad química y organización microscópica.

o Sistemas que permiten extraer, transformar y utilizar la energía de su entorno.

o Capacidad de autorreplicarse y autoensamblarse.

o Mecanismos para detectar y responder a estímulos del entorno.

o Funciones definidas para sus componentes moleculares y la regulación de las interacciones entre ellos.

o Una historia de millones de años de evolución que generó una gran diversidad de organismos vivos diferentes,

pero relacionados a través de ancestros comunes.

Si bien los organismos vivos se dividen en Procariotas y Eucariotas en función de su organización

celular, en esta materia nos centraremos en las biomoléculas de los Eucariotas, que comprenden

los seres vivos multicelulares, como animales y plantas. Sin embargo, muchos de los temas que

veremos son válidos también para organismos unicelulares Procariotas.

Organización molecular de la célula

El componente principal de las células es el agua (70 % de su peso). Además, se encuentran iones

inorgánicos, como Na

, K

, Cl

, H 2 PO 4

(1 %) y moléculas orgánicas pequeñas, como aminoácidos,

azúcares, etc. (6 %). Por asociación de un gran número de ciertas moléculas orgánicas pequeñas entre

sí por medio de un tipo determinado de enlaces, se forman las macromoléculas como polisacáridos,

proteínas y ácidos nucleicos. A su vez, estas macromoléculas (también llamadas biopolímeros) se

asocian formando estructuras supramoleculares como las paredes celulares de las células vegetales,

formadas por polisacáridos y algunas proteínas estructurales, y los cromosomas en los que el

ADN se asocia a proteínas. Otras proteínas estructurales son las que constituyen el citoesqueleto o

aquellas que se asocian con lípidos para constituir las membranas biológicas.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

Figura N° 2. Elementos básicos del metabolismo primario y en relación con el metabolismo

secundario de plantas.

Pero a diferencia de otros organismos, las plantas destinan una cantidad significativa del carbono

asimilado y de la energía a la síntesis de una amplia variedad de moléculas orgánicas que no

parecen tener una función directa en procesos fotosintéticos, respiratorios, asimilación de nutrientes,

transporte de solutos o síntesis de proteínas, carbohidratos o lípidos, y que se denominan metabolitos

secundarios.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

Figura N° 3. Origen de algunos metabolitos secundarios (alcaloides, fenilpropanoides y terpe-

nos) en el metabolismo primario

Los metabolitos secundarios además de no presentar una función definida en los procesos menciona-

dos, difieren también de los metabolitos primarios en que ciertos grupos presentan una distribución

restringida en el reino vegetal, es decir, no todos los metabolitos secundarios se encuentran en todos

los grupos de plantas. Se sintetizan en pequeñas cantidades y no de forma generalizada, estando a

menudo su producción restringida a un determinado género de plantas, a una familia, o incluso a

algunas especies. Se agrupan en cuatro clases principales:

Terpenos. Entre los que se encuentran hormonas, pigmentos o aceites esenciales.

Compuestos fenólicos. Cumarinas, flavonoides, lignina y taninos.

Glicósidos. Saponinas, glicósidos cardíacos, glicósidos cianogénicos y glucosinolatos.

Alcaloides.

Metabolitos primarios

El desarrollo de un organismo vegetal a partir de la semilla que resulta en la creación de biomasa

acompañada por el cambio irreversible del tamaño de la planta ocurre a través de los procesos

de división, crecimiento y diferenciación celular. El crecimiento y la reproducción exigen gran

cantidad de recursos (luz, agua y nutrientes) para la biosíntesis de metabolitos primarios (hidratos

de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) en base a los cuales se forman los diferentes

órganos.

Las rutas metabólicas primarias son comunes a todas las plantas y también a otros organismos, como los

animales y el hombre.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

Las biomoléculas forman cadenas de átomos de carbono unidos entre sí y/o a átomos de hidrógeno,

oxígeno, nitrógeno, azufre, etc. por enlaces covalentes, con una geometría característica. Los

compuestos orgánicos más sencillos son los hidrocarburos alifáticos de pocos átomos de carbono.

El metano, de fórmula molecular CH 4 , es la molécula orgánica más simple. Su estructura puede

representarse de diferentes formas:

La estructura de Lewis muestra que el carbono se une a 4 átomos de hidrógeno por enlaces

covalentes. Ambos modelos tridimensionales indican que la estructura espacial es un tetraedro

regular, con el carbono en el centro y los hidrógenos en los vértices. Veamos cómo se explica esta

estructura tridimensional del carbono.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

1.4. Teoría de Orbitales Moleculares

1.4.1. Alcanos

Seguramente ya saben que un orbital atómico representa la región del espacio en la que hay

alta probabilidad de encontrar un electrón. También, que los orbitales atómicos tienen formas

diferentes:

¿Cómo se explica la formación de los enlaces covalentes de los compuestos orgánicos teniendo en

cuenta la configuración electrónica del carbono?

Esto es en base a la teoría de orbitales moleculares que describe la formación de uniones covalentes

como el resultado de la combinación matemática de los orbitales atómicos. En base a su configuración

electrónica, se podría pensar que el carbono forma 2 enlaces covalentes. Sin embargo, en este caso,

no completaría su octeto.

Si uno de los electrones del orbital 2 s fuese promovido al orbital 2 p vacío, entonces habría 4 orbitales

con 1 electrón. Sin embargo, esto no explica que todos los enlaces C-H sean idénticos. Para explicar

este hecho experimental, Linus Pauling en 1931 propuso la formación de 4 orbitales híbridos, sp

3

más estables que los orbitales p , pero menos que el orbital s , cada uno de los cuales está formado

por un 25 % del orbital 2 s y un 75 % del orbital 2 p.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

Los compuestos formados por cadenas hidrocarbonadas (hidrocarburos) con enlaces covalentes

simples se conocen como alcanos. En la siguiente figura se muestran algunos ejemplos y diferentes

formas de representación de estos en estructura plana.

Las estructuras que se muestran en rojo en la figura son las llamadas estructuras de esqueleto , que

resultan de gran utilidad cuando se desea representar fórmulas de moléculas que poseen muchos

átomos. Para ello, por lo general, no se muestran los átomos de carbono y se supone que hay un C

en cada intersección de dos líneas o al final de cada línea. No se muestran los hidrógenos unidos a

los carbonos, pero sí otros átomos diferentes de C y de H que pueda contener la molécula.

En la siguiente figura se representan algunos alcanos de mayor número de átomos de carbono

(mayor peso molecular). Cuando hay ramificaciones de la cadena principal, a estos grupos se los

llama en forma general grupos alquilo y se los suele representar con una R, que puede corresponder

a un grupo metilo, etilo, propilo, etc. Nótese que al nombrar estos compuestos los grupos alquilo

pierden la “o” final, por ejemplo, una cadena de 5 átomos de carbono con un grupo metilo en el

carbono 2, se nombra como 2- metil pentano.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

¿Falta algún isómero constitucional de cadena? Sí, el 3 - metilpentano. Formúlelo (ver más adelante)

1.4.2. Alquenos

Hasta ahora vimos compuestos en los que cada carbono está unido a otros 4 átomos. Si bien el

carbono siempre forma 4 enlaces, existen compuestos en los que está unido sólo a 3 átomos, el más

sencillo es el eteno o etileno (ver lectura complementaria 1). La fórmula desarrollada muestra que los

átomos de carbono están unidos entre sí por dos enlaces y el modelo muestra que este compuesto

posee todos sus átomos en un mismo plano y que el carbono tiene una estructura trigonal.

Esta estructura se explica en base a la teoría de orbitales moleculares considerando que cada carbono

se hibridiza dando 3 orbitales sp

2

(a partir de 1 orbital s y 2 p ), quedando un electrón desapareado

en un orbital p sin hibridizar.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

molecular del etano es C 2 H 6 , mientras que la del etileno es C 2 H 4.

Los alquenos pueden tener estructuras muy variadas:

En este caso, los dos átomos de carbono unidos al doble enlace, así como los 4 átomos unidos a

ellos (3 carbonos y 1 hidrógeno) se encuentran fijos en el mismo plano, a diferencia de las uniones

simples C-C que permiten la variación de las posiciones relativas de los átomos de un C respecto al

otro.

La presencia del enlace π determina la imposibilidad de giro libre alrededor del doble enlace C=C,

esto implicaría la ruptura del enlace π , lo que requiere una energía de 84 kcal/mol.

La falta de libre rotación del doble enlace determina dos posibles compuestos que no pueden

interconvertirse uno en el otro sin que suceda una reacción química.

Son dos compuestos diferentes, que poseen propiedades físicas y químicas distintas.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

1.4.3. Alquinos

En el etino (o acetileno) los átomos de carbono están unidos sólo a otros dos átomos. Solo un orbital

s y uno p se hibridizan, dando dos orbitales híbridos sp y quedan dos orbitales p sin hibridizar.

Los dos orbitales sp de cada carbono forman 180º entre sí, mientras que los dos orbitales p son

perpendiculares entre sí.

Como los átomos de carbono de una triple unión se mantienen unidos por medio de 6 electrones,

las uniones triples son más fuertes y más cortas que las uniones dobles y las simples.

Dienos aislados y conjugados

Los dienos son compuestos que tienen en su estructura dos dobles enlaces. Cuando éstos se

encuentran separados solamente por un enlace simple, se conocen como dienos conjugados,

mientras que, si entre los dos dobles enlaces hay más de un enlace simple, se trata de dienos aislados.

Por ejemplo, para la fórmula molecular C 5 H 8 , hay dos posibles dienos diferentes.

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

No son comunes las biomoléculas con enlaces triples entre carbonos. A continuación, se muestran

algunos ejemplos de metabolitos secundarios con triples enlaces:

1.5. Conformaciones de alcanos y cicloalcanos

Conformaciones de alcanos lineales

En los alcanos, como el etano, es posible la rotación alrededor del enlace C-C, lo que cambia

constantemente la relación espacial de los átomos de hidrógeno de un carbono respecto de los del

otro carbono.

Se llaman conformaciones a los diferentes arreglos de átomos que resultan de la rotación del enlace

y se llaman confórmeros a las estructuras que tienen estos diferentes arreglos. Sin embargo, a

1 Átomo de Carbono I: Introducción a las biomoléculas - Hidrocarburos

diferencia de los isómeros constitucionales (ver más adelante), no pueden aislarse en condiciones

habituales, ya que se interconvierten muy rápidamente. Hay dos maneras de representar los

confórmeros (tengan en cuenta la estructura tridimensional de los carbonos sp

3

No obstante lo anterior, no se observa una rotación libre perfecta en el etano sino que existe una

pequeña barrera de rotación (12 kJ/mol). La forma más estable es el confórmero alternado, mientras

que la menos estable es el confórmero eclipsado. En un instante dado, el 99 % de las moléculas de

etano tienen una conformación aproximadamente alternada.

La barrera rotacional puede representarse en un gráfico de energía potencial en función del grado

de rotación en la cual el ángulo entre los enlaces C-H en los carbonos frontal y posterior, vistos en la

proyección de Newman, completa un círculo de 0º a 360º.