UNIDAD 7: QUIMICA ORGANICA -...
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UNIDAD 7: QUIMICA ORGANICA. Compuestos químicos orgánicos. INTRODUCCIÓN El carbono es tan importante que existe toda una ciencia particular dedicada a su estudio. Es la química orgánica que se llama así por que empezó siendo el estudio de los organismos vivos formados por compuestos de carbono. En la actualidad, es el estudio de todos los compuestos del carbono a excepción de los inorgánicos, como los carbonatos y el dióxido de carbono. El carbono se distingue de todos los demás elementos porque puede formar enlaces consigo mismo. De aquí que existan largas cadenas consistentes en cientos de miles de átomos de carbono. Los compuestos orgánicos se dividen en familias, como las proteínas, las grasas y los azucares. CONTESTE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS ¿Qué es química orgánica y que estudia? Actualmente la química orgánica se define como la química de los compuestos del carbono, esta definición amplía su alcance, ya que incluye no solamente los compuestos que provienen de la naturaleza, si no que también los compuestos sintéticos, que son compuestos ideados por los químicos orgánicos y preparados en sus laboratorios. Ésta estudia a los compuesto de carbono combinado con elemento como hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. Con respecto al carbono indique: Su Z y su A: Z=6 A=12,0111 El grupo y periodo al cual pertenece en la tabla periódica: GRUPO: IVA PERIODO: 2 Su configuración electrónica: 2s p p Sus electrones de valencia: Son 4 electrones de valencia. Su abundancia en la corteza terrestre y el los seres humanos: Corteza Terrestre = 0,03% Seres humanos = 18% ¿A qué se llama formas alotrópicas, cuáles son las del carbono? e indique 2 características de cada una. Las formas alotrópicas, son las distintas formas moleculares en que se presenta un elemento.
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UNIDAD 7: QUIMICA ORGANICA.
Compuestos químicos orgánicos.
INTRODUCCIÓN
El carbono es tan importante que existe toda una ciencia particular dedicada a su estudio. Es la química orgánica que se llama así por que empezó siendo el estudio de los organismos vivos formados por compuestos de carbono.
En la actualidad, es el estudio de todos los compuestos del carbono a excepción de los inorgánicos, como los carbonatos y el dióxido de carbono. El carbono se distingue de todos los demás elementos porque puede formar enlaces consigo mismo. De aquí que existan largas cadenas consistentes en cientos de miles de átomos de carbono. Los compuestos orgánicos se dividen en familias, como las proteínas, las grasas y los azucares.
CONTESTE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS
¿Qué es química orgánica y que estudia?
Actualmente la química orgánica se define como la química de los compuestos del carbono, esta definición amplía su alcance, ya que incluye no solamente los compuestos que provienen de la naturaleza, si no que también los compuestos sintéticos, que son compuestos ideados por los químicos orgánicos y preparados en sus laboratorios.
Ésta estudia a los compuesto de carbono combinado con elemento como hidrógeno, oxigeno y nitrógeno.
Con respecto al carbono indique:
Su Z y su A:
Z=6 A=12,0111
El grupo y periodo al cual pertenece en la tabla periódica:
GRUPO: IVA
PERIODO: 2
Su configuración electrónica:
2s p p
Sus electrones de valencia:
Son 4 electrones de valencia.
Su abundancia en la corteza terrestre y el los seres humanos:
Corteza Terrestre = 0,03%
Seres humanos = 18%
¿A qué se llama formas alotrópicas, cuáles son las del carbono? e indique 2 características de cada una.
Las formas alotrópicas, son las distintas formas moleculares en que se presenta un elemento.
Las del carbono son 3:
GRAFITO
DIAMANTE
FULLERENO
GRAFITO
Es negro y opaco y tiene un lustre metálico y una densidad de entre 2,09 y 2,2 g/cm3. Al ser muy blando (dureza entre 1 y 2) mancha cualquier cosa que toque y tiene tacto graso o escurridizo. Cristaliza en el sistema hexagonal, no en forma de cristales bien desarrollados sino como escamas o masas irregulares grandes. Es el único material no metálico que conduce bien la electricidad; sin embargo, a diferencia de los otros conductores eléctricos, transmite mal el calor.
El efecto de la dispersión elevada es la separación de los colores de la luz blanca, de tal manera que la piedra centellea cuando se corta de forma adecuada. Algunos diamantes muestran fluorescencia (un intervalo corto de luminiscencia) cuando se exponen a la luz del sol o de otra fuente ultravioleta. Su color suele ser azul claro, pero puede ser amarillo, naranja, blanco lechoso o rojo.
DIAMANTE
Dos características importantes de los diamantes, cuando se usan como piedras preciosas, son el brillo y el fuego. Las propiedades físicas que los determinan, el índice de refracción y la dispersión, son mayores en el diamante que en cualquier otro mineral natural, transparente e incoloro. Los diamantes sin tallar tienen un lustre graso y no son brillantes; por el contrario, cuando se cortan muestran un fuerte brillo llamado técnicamente adamantino.
FULLERENO
Una de las propiedades más sorprendentes de los fullerenos es que se pueden introducir átomos de elementos en el hueco existente en la 'jaula' de átomos de carbono; así se puede obtener una versión de 'envoltura contraída' de cada elemento del sistema periódico
Otra propiedad importante es que ciertos compuestos de buckminsterfullereno (en especial el K3C60) son superconductores a bajas temperaturas. Se ha averiguado que los derivados del buckminsterfullereno son biológicamente activos y se están utilizando para atacar el cáncer: se cree que las moléculas en forma de pelota de fútbol pueden introducirse en los emplazamientos activos de las enzimas y bloquear su acción.
¿De qué compuesto existe mayor cantidad; de los orgánicos o inorgánicos y por qué?
Existe una mayor cantidad de compuestos orgánicos, estos son muy numerosos, sobre 10 millones, comparados con los compuestos inorgánicos. Esta diferencia tiene su origen en la gran capacidad del carbono para asociarse consigo mismo, formando cadenas y anillos con ramificaciones.
¿A qué se llama teoría Vitalista?
En el siglo XIX, la química orgánica se definía como la que estudiaba las sustancias de origen vegetal y animal, y los químicos estaban convencidos de que para formar compuestos orgánicos se necesitaba una fuerza vital, creencia conocida como teoría vitalista.
¿Cuáles son las propiedades de los compuestos orgánicos e inorgánicos en cuanto a:
COMPUESTOS ORGÁNICOS
COMPUESTOS INORGÁNICOS
Fuente de donde se extrae Petróleo y carbón mineral y Sales
combustibles fósiles. minerales
Los elementos que lo forman
Carbono, Hidrogeno, Oxigeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo y algunos metales
Toda la tabla periódica
El enlace predominante COVALENTE IÓNICO
Sus puntos de fusión Bajos , por lo general menores de 250º
Altos, sobre 750º
Su solubilidad en agua
Son insolubles en agua, pero se disuelven en solventes no polares o de baja polaridad, como el tetracloruro de carbono CCl4, el cloroformo CHCl3,etc.
Se disuelven en agua, que es un solvente polar.
Sus puntos de ebullición Bajo, 300ºC Sobre los 1000ºC.
La velocidad de las reacciones
De 256 veces mayor a 100º temperatura máxima.
Varían con la naturaleza de las sustancias, con la temperatura, presión, etc.
Su conductividad eléctrica No conducen corriente eléctrica.
Conducen la corriente eléctrica, ya sean disueltos y aún sólidos o cuando se encuentran en estado líquido después de su fundición.
¿Qué dice la teoría hibridación y cómo se aplica en Química?
El átomo al presentar hibridación se siente más cómodo estructural y energéticamente. Este proceso de hibridación no es otra cosa que una combinación de orbítales de diferente energía y orientación
¿Por qué se dice que el carbono en la mayoría de sus compuestos es tetravalente?
Se dice que es tetravalente ya que tiene un número de oxidación 4; no gana ni pierde electrones sino que comparte pares de electrones en uniones covalentes.
Nombre algunos compuestos inorgánicos en que participe el carbono
La química orgánica excluye compuestos como:
Monóxido de carbono CO, Dióxido de carbono CO2, Sulfuro de carbono CS2, Carbonatos, Bicarbonatos y Cianuros, debido a que sus propiedades se asemejan mas a los compuestos inorgánicos.
¿Qué hibridaciones le ocurren al carbono?
Hibridación tetragonal
Cuando un átomo de carbono se combina con otras cuatro átomos, además de la promoción de un electrón desde el orbital 2s al 2p vacío, experimenta la hibridación del orbital 2s con los tres orbítales 2p, para originar cuatro orbítales híbridos idénticos, llamados orbítales híbridos sp3 y que tienen forma bilobulada:
y los ejes de sus cuatro lóbulos mayores se dirigen hacia los vértices de un tetraedro regular:
Esta hibridación, típica de todos los átomos de carbono unidos a otros cuatro átomos cualesquiera, supone la situación más perfecta para que el solapamiento de cada uno de los cuatro orbítales híbridos con el correspondiente orbital de los átomos unidos al átomo de carbono tetraédrico sea máxima. Ello es debido a que la forma traédrica supone la mayor distancia posible entre los cuatro orbítales híbridos y, por tanto, entre los cuatro enlaces covalentes resultantes, con lo que sus repulsiones mutuas serán mínimas y el solapamiento o interpenetración mayor. Con ello, de acuerdo con el principio de Pauling de que a mayor solapamiento corresponde mayor fuerza de enlace, los enlaces � resultantes son muy fuertes y estables.
Hibridación trigonal
En la hibridación sp2 o trigonal la mezcla o hibridación tiene lugar únicamente entre el orbital s y dos orbítales p, quedando el tercer orbital p sin hibridar. Los tres orbítales híbridos resultantes, también bilobulados se sitúan en este caso en un plano y los ejes de sus lóbulos se dirigen hacia los vértices de un triángulo equilátero, quedando el eje del orbital p sin hibridar perpendicular al plano de los tres orbítales híbridos:
Esta hibridación es típica en los átomos de carbono unidos a otros tres átomos, a uno de ellos con un enlace doble.
Hibridación digonal
La hibridación sp o digonal consiste en la hibridación del orbital s con uno de los tres orbítales p. En este caso, los dos orbítales híbridos resultantes se orientan en línea recta, formando un
ángulo de 180º, quedando los otros orbítales o sin hibridar formando ángulos de 90º entre sí y con el eje de los dos orbítales híbridos sp:
Esta hibridación es la típica de los átomos de carbono unidos a otros dos átomos, bien con sendos dobles enlaces o bien con un triple enlace a uno de ellos y con uno sencillo al otro.
Otras hibridaciones
Para la interpretación de la geometría de las moléculas, la mayoría de ellas inorgánicas, con átomos con orbítales d, se han desarrollado otras hibridaciones, como la sp3d, cuyos cinco orbítales híbridos dirigen los ejes de sus lóbulos hacia los cinco vértices de un octaedro. La incidencia de estas hibridaciones entre los compuestos orgánicos es mínima.
¿Qué son los hidrocarburos y como se clasifican?
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que contienen sólo carbono e hidrógeno. Las múltiples posibilidades de combinación del carbono se llevan a conformar cadenas y anillos, donde los átomos de carbono se pueden unir mediante enlaces simples, dobles o triples. Esta diversidad permite distinguir dos tipos de hidrocarburos: los ALIFÁTICOS y los AROMÁTICOS. Dentro de los primeros se encuentran los alcanos, lo cicloalcanos, los alquenos y los alquinos, y dentro de los aromáticos el benceno y sus derivados.
¿Qué diferencia en cuanto a su formula general hay entre alcanos, alquenos y alquinos?
La diferencia es que los
ALCANOS: es un hidrocarburo saturado con fórmula general C H (n= 1,2,3,…), que presenta sólo enlaces CC simples.
ALQUENOS: son hidrocarburos no saturado, con formula general C H (n= 2,3,..), que presenta un enlace C=C doble.
ALQUINOS: son hidrocarburos no saturado, con formula general C H (N=2,3,..).
¿Qué son los Isómeros?
Los isómeros son compuestos con formulas moleculares idénticas y diferentes propiedades.
Nomenclatura y propiedades de las principales funciones químicas orgánicas
1. Halogenuro de alquilo
La química orgánica estudia todos los compuestos en que interviene el elemento carbono, (se excluye los
carbonatos) actualmente el nombre se ha cambiado por Química del Carbono. Además de los
hidrocarburos alifáticos y ciclo alcanos, hay otros compuestos tan importantes como estos, por ejemplo:
los éteres, los alcoholes, las cetonas, los aldehídos, los ésteres, las aminas, etc., cuya importancia se
debe entre muchas otras razones, a su uso y aplicación comercial e industrial, a su
utilización a nivel de laboratorio o en algunos casos por su intervención en las reacciones de organismos
biológicos.
Generalidades.- Cuando se estudiaron las propiedades químicas de los hidrocarburos, se indicó la acción
de los halógenos
sobre las parafinas, que daba lugar a la formación de compuestos de sustitución de uno o más átomos de
hidrógeno. Esta misma acción también se produce en los hidrocarburos no saturados.
En la formación de productos de sustitución es muy difícil limitar el proceso o la obtención de un único
compuesto halogenado, lo que hace que se empleen otros métodos para producir un derivado mono, di o
trihalogenado, correspondiente a determinado carburo.
Nomenclatura.- Cuando uno o más átomos de halógenos sustituyen a uno o más átomos de hidrógeno de
un hidrocarburo, se obtiene un derivado mono o poli halogenado conocido como halogenuro de alquilo,
cilcoalquilo o arilo, dependiendo de su naturaleza del hidrocarburo, cuya fórmula general es R-X, donde R
es cualquier radical alquil o aril y X un halógeno.
Estos compuestos se nombran colocando el nombre del halógeno junto al del hidrocarburo
correspondiente, la posición del halógeno en la cadena se indica mediante un número cuando sea
necesario y se clasifica de la siguiente forma:
R
½
R-CH2-X R-CH-X R`-C-X
½ ½
R´ R``
Halogeniro 1º. Halogenuro 2º. Halogenuro 3º.
Ejemplos:
CH3-Cl CH3-CH2-Br
Cloremetano (IUPAC) 1-bromoetano (IUPAC)
Cloruro de metilo (común) Bromuro de etilo (común)
CH3-CH-CH3 CH3
½ ½ 2-yodo-2-metil-butano (IUPAC)
Cl CH3-CH2-C-I yoduro de pentilo (común)
2-cloroperopano (IUPAC) ½
cloruro de isopropilo (común) CH3
La nomenclatura común es satisfactoria para los halogenuros simples, pero el sistema más general es el
de la IUPAC.
Derivados monohalogenados.- Los derivados monohalogenados corresponden a la fórmula general
CnH2n+1X, en la que en este caso X corresponde a un átomo de halógeno, y son compuestos
exclusivamente artificiales que adquieren gran importancia por su empleo en numerosas síntesis
orgánicas al tener la propiedad de introducir radicales carbonatados en las moléculas, lo que hace que se
les utilice como agentes de alcohilación.
Obtención y propiedades.- Estos derivado monohalogenados se obtienen por reacción de los alcoholes
con los hidrácidos en presencia de un deshidratante:
CH3-CH2OH+HX à CH3-CH2X+H2O
Cl2Zn
O por adicción de hidrácidos a las olefinas:
CH2=CH2+ClH à CH3-CH2Cl
Los halogenuros de alquilo, son líquidos incoloros generalmente, tienen punto de ebullición que aumenta
con el peso atómico del halógeno y con el número de átomos de carbono del compuesto. Son insolubles
en agua, solubles en los disolventes normales y se alteran por la acción de la luz.
Dan fácilmente alcoholes por hidrólisis:
R-I+NaOH à R-OH+Ina
Por hidrogenación producen hidrocarburos saturados:
R-I+H2 à IH+RH
Con los cianuros alcalinos dan nitrilos:
RI+Na-Cº N à R-Cº N+Ina
Nitrilo
El monohalogenuro más importante es el cloruro de metilo (CH3Cl), empleado como refrigerante en la
industria y como anestésico en medicina. Se utiliza también en la fabricación de colorantes de anilina y
como extintor de incendios.
Los derivados dihalogenados tienen como fórmula CnH2nX2, los dihalogenuros son líquidos incoloros de
olor dulzaino y, con los dos átomos de halógeno en un mismo carbono, no son tan reactivos como los
halogenuros de alquilo. Los dihalogenuros más importantes son el bromuro de etileno y el cloruro de
metileno. El primero se adiciona, junto con el plomo tetraetilo, a la gasolina, con el fin de aumentar sus
propiedades antidetonantes. El segundo se utiliza como disolvente industrial.
2. Alcohol
Generalidades.- Los alcoholes son los derivados hidroxilados de los hidrocarburos, al sustituirse en éstos
los átomos de hidrógeno por grupos OH. Según el número de grupos OH en la molécula, unido cada uno
de ellos a distinto átomo de carbono, se tienen alcoholes mono, di, tri y polivalentes. Los alcoholes
alifáticos monovalentes son los más importantes y se llaman primarios, secundarios y terciarios, según
que el grupo OH se encuentre en un carbono primario, secundario o terciario:
R-CH2OH
Alcohol primario Alcohol secundario Alcohol terciario
Nomenclatura.- Cuando uno de los hidrógenos del agua (H2O) se sustituye por un grupo alquilo, se dice
que el compuesto resultante es un alcohol:
H à OH R à OH
Hay varias formas de nombrar a los alcoholes. La primera es derivar el nombre a partir del hidrocarburo
del mismo número de carbonos y utilizar la terminación ol.
Ejemplos:
CH3-H CH3-OH CH3-CH2-H CH3-CH2-OH
Metano metanol etano etanol
Cuando el grupo OH está al final de la cadena del hidrocarburo, se considera que está unido al carbono 1.
Ejemplos:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 1-hexanol
En los alcoholes arborescentes se busca la cadena más larga posible de átomos de carbono que incluyan
el radical OH-, por ejemplo, el carbono número 1 unido al OH-:
CH3
2 3 4 | 5 6
CH3-CH2-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3 4-metil-2-propil-1-hexanol
|
1 CH2-OH
Cuando el grupo –OH aparece en más de una posición en la cadena carbonada, se debe indicar también
su posición según el átomo de carbono al que esté unido.
A veces es conveniente designar a los alcoholes y considerarlos como derivados del metanol (carbinol)
CH3-OH; en este sistema los grupos alquilo que sustituyen los enlaces del carbono e hidrógeno en el
grupo metilo son los que se emplean, seguidos del término carbinol.
Un tercer sistema de nomenclatura acostumbrado para nombrar los alcoholes es, en los casos simples,
hacerlos derivar del grupo funcional del cual provienen y usar la terminación ílico, se escribe primero la
palabra alcohol.
El metanol es muy tóxico, produce ceguera y se emplea como solvente para barnices, el etanol 100%
puro es venenoso pero en solución acuosa además de tener propiedades antisépticas puede emplearse
en bebidas de moderación.
Ejemplos:
Compuesto IUPAC Carbinol Común
CH3-OH Metanol Carbinol Alcohol metílico
CH3-CH2-OH Etanol Metil-carbinol Alcohol etílico
CH3-CH2-CH2-OH 1-propanol Etil-carbinol Alcohol propílico
CH3-CH-CH3
|
OH
2-propanol Dimetil-carbinol Alcohol isopropílico
CH3-(CH2)3-OH 1-butanol Propil-carbinol Alcohol n-butílico
CH3-(CH2)2-CH-CH2-OH 2-Etil-1-pentanol (3)hexil-carbinol
OH-CH2-CH2-OH 1,2-etanodiol
Etilén-glicol
CH2-CH-CH2
| | |
OH OH OH
1,2,3-propanotriol
Glicerol o glicerina
El alcohol es el término aplicado a los miembros de un grupo de compuestos químicos del carbono que
contienen el grupo OH.
Dicha denominación se utiliza comúnmente para designar un compuesto específico: el alcohol etílico o
etanol. Proviene de la palabra árabe al-kuhl, o kohl, un polvo fino de antimonio que se utiliza para el
maquillaje de ojos.
En un principio, el término alcohol se empleaba para referirse a cualquier tipo de polvo fino, aunque más
tarde los alquimistas de la Europa medieval lo utilizaron para las esencias obtenidas por destilación,
estableciendo así su acepción actual.
Los alcoholes tienen uno, dos o tres grupos hidróxido (-OH) enlazados a sus moléculas, por lo que se
clasifican en monohidroxílicos, dihidroxílicos y trihidroxílicos respectivamente.
El metanol y el etanol son alcoholes monohidroxílicos. Los alcoholes también se pueden clasificar en
primarios, secundarios y terciarios, dependiendo de que tengan uno, dos o tres átomos de carbono
enlazados con el átomo de carbono al que se encuentra unido el grupo hidróxido.
Los alcoholes se caracterizan por la gran variedad de reacciones en las que intervienen; una de las más
importantes es la reacción con los ácidos, en la que se forman sustancias llamadas ésteres, semejantes a
las sales inorgánicas.
Los alcoholes son subproductos normales de la digestión y de los procesos químicos en el interior de las
células, y se encuentran en los tejidos y fluidos de animales y plantas.
Etanol: El alcohol de vino, alcohol etílico o etanol, de fórmula C2H5OH, es un líquido transparente e
incoloro, con sabor a quemado y un olor agradable característico.
Es el alcohol que se encuentra en bebidas como la cerveza, el vino y el brandy. Debido a su bajo punto
de congelación, ha sido empleado como fluido en termómetros para medir temperaturas inferiores al
punto de congelación del mercurio, -40 °C, y como anticongelante en radiadores de automóviles.
Normalmente el etanol se concentra por destilación de disoluciones diluidas.
El de uso comercial contiene un 95% en volumen de etanol y un 5% de agua. Ciertos agentes
deshidratantes extraen el agua residual y producen etanol absoluto.
El etanol tiene un punto de fusión de -114,1 °C, un punto de ebullición de 78,5 °C y una densidad relativa
de 0,789 a 20 °C.
Desde la antigüedad, el etanol se ha obtenido por fermentación de azúcares. Todas las bebidas con
etanol y casi la mitad del etanol industrial aún se fabrican mediante este proceso.
El almidón de la patata (papa), del maíz y de otros cereales constituye una excelente materia prima. La
enzima de la levadura, la cimasa, transforma el azúcar simple en dióxido de carbono.
La reacción de la fermentación, representada por la ecuación C6H12O6 ± 2C2H5OH + 2CO2 es realmente
compleja, ya que los cultivos impuros de levaduras producen una amplia gama de otras sustancias, como
el aceite de fusel, la glicerina y diversos ácidos orgánicos.
El líquido fermentado, que contiene de un 7 a un 12% de etanol, se concentra hasta llegar a un 95%
mediante una serie de destilaciones.
En la elaboración de ciertas bebidas como el whisky y el brandy, algunas de sus impurezas son las
encargadas de darle su característico sabor final.
La mayoría del etanol no destinado al consumo humano se prepara sintéticamente, tanto a partir del
etanal (acetaldehído) procedente del etino (acetileno), como del eteno del petróleo. También se elabora
en pequeñas cantidades a partir de la pulpa de madera.
Obtención.- los alcoholes se obtienen generalmente por hidrólisis de los halogenuros de alquilo con álcali
acuoso o también óxido de plata en suspensión en agua:
RX+[AgOH] à ROH+Xag
Mediante hidrólisis de los ésteres con álcalisis:
Propiedades físicas.- Los alcoholes son compuestos incoloros, cuyos primeros términos son líquidos
solubles en agua; del C5 al C11 son aceitosos e insolubles en agua y los superiores son sólidos e
insolubles en agua. El punto de ebullición aumenta con el número de carbonos, dentro de un grupo de
isómeros, el alcohol primario tiene el punto de ebullición más alto, disminuyendo hasta el terciario.
Propiedades químicas.- Los alcoholes se conducen, desde el punto de vista químico, de la siguiente
manera: Reaccionan con los ácidos orgánicos e inorgánicos para formar ésteres:
Con los halogenuros dan productos de oxidación en los que se encuentran halógenos:
CH3-Cl2OH à CCl3-COH
Cl2
Reaccionan con los metales fuertemente positivos:
2C2H5OH + 2Na à 2C2H5ONa +H2
Etóxido sódico
Los alcoholes se deshidratan (800°C) dando alefinas:
R-CH2CH2OH à R-CH=CH2+H2O
Alcohol metilico o metanol, recibe también los nombres de metanol y carbinol y su formula es CH3OH. Se
puede preparar por destilación de la madera, por lo que se le llama también "espíritu de la madera".
Actualmente se obtiene por reacción del óxido de carbono e hidrógeno a altas temperaturas y presiones,
empleando catalizadores de óxido de zinc y cromo:
CO2+2H2 à CH3OH
El metanol es un líquido incoloro, muy tóxico, que provoca la ceguera e incluso la muerte si se ingiere. Es
inflamable y miscible con el agua, en todas las proporciones, y con la mayoría de los disolventes
orgánicos. Se utiliza como disolvente de pinturas, barnices, lacas, etc., en la fabricación de perfumes,
colorantes, etc., para la obtención del etanol desnaturalizado y en mezclas anticongelantes para
radiadores de automóviles.
Alcohol etílico o etanol, se le denomina también "espíritu de vino" y tiene la fórmula CH3-CH2OH. Se
obtiene corrientemente por fermentación de ciertos azúcares, especialmente glucosa, y en este proceso
se utilizan materias primas las mezclas azucareras.
El etanol es un líquido incoloro, inflamable, con punto de ebullición a 78.1°C, miscible en agua en todas
las proporciones y también en la mayoría de los disolventes orgánicos. Se utiliza en numerosas síntesis,
para la preparación de ésteres, éteres, cloroformo, etc., como disolvente de resinas, pinturas, gomas, etc.,
en perfumería y como combustible.
3. Éteres
Generalidades.- Los éteres son compuestos orgánicos que tienen como fórmula general CnH2n+2O y su
estructura se expresa por R-O-R´. Pueden clasificarse como derivados de los alcoholes, al sustituir el
hidrógeno del grupo hidroxilo por otro radical alquilo, y son análogos a los óxidos de los metales
monovalentes, por lo que se consideran también como óxidos orgánicos (óxidos de alquilo o anhídridos
de alcoholes).
Cuando los dos grupos alquilos de un éter son iguales, éste se llama éter simétrico o simple (por ejemplo
C2H5-O-C2H5 o éter dietílico): cuando los dos grupos alquilo son diferentes, se habla de éter asimétrico o
mixto (por ejemplo CH3-O-C2H5 o etil-metil éter).
Nomenclatura.- Estos compuestos orgánicos se consideran como producto de la sustitución del hidrógeno
del grupo hidroxilo de los alcoholes, por un radical alquilo o arilo. Se tiene cuatro sistemas para nombrar a
los éteres:
1. Con los nombres de los radicales ligados al oxígeno, unidos con la palabra oxi, nombrando
primero al radical más simple.
2. Se nombran los grupos alquilo unidos al oxígeno, seguido por la palabra éter o como éter de los
radicales alquílicos unidos al oxígeno.
3. Si un miembro no tiene nombre simple puede nombrarse el compuesto como un derivado alcoxi.
4. Considerándolos como óxidos de los radicales unidos al oxígeno, cuando estos son iguales.
Ejemplos:
Compuesto Nombre
CH3-O-CH3 Metil-oximetil
Dimetil-éter ó éter dimetílico
Metoxi-metano
Oxido de metilo
CH3-CH2-O-CH2-CH3 Etil-oxietil
Dietil-éter ó éter dietílico
Etoxi-etano
Oxido de etilo
CH3-O-CH-CH3
|
CH3
Metil-oxiisopropil
Metil-isopropil éter
2-metoxi-isopropano
CH3-CH2-CH2-CH-CH2-CH3
|
O-CH3
Metil-oxi-(3)-hexil
Metil-(3)-hexil éter
3-metoxi-hexano
CH3
|
CH3-C-O-CH2-CH3
|
CH3
Etil-oxi-terbutil
Etil-terbutil éter
2-etoxi-2-metil-propano
Obtención.- Los éteres pueden obtenerse por deshidratación de los alcoholes con ácido sulfúrico o
también con ácido fosfórico glacial:
CH3-CH2OH+CH3-CH2OH à C2H5-O-C2H5+H2O
SO4H2
También se preparan calentando un alcóxido alcalino con los halogenuros de alquilo:
RONa+R´X à R-C-R´+Xna
Propiedades físicas.- Los términos inferiores son gaseosos o líquidos volátiles de olor agradable. Tienen
puntos de ebullición más bajos que los de los alcoholes del mismo número de átomos de carbono y son
menos densos que el agua y poco solubles en ella.
Propiedades químicas: Si se calientan los éteres a presión con ácido sulfúrico diluido se transforman en
alcoholes:
R-O-R+H2O à 2ROH
SO4H2
Dan reacciones de sustitución con los halógenos:
CH3-CH2-O-CH2-CH3 à CH3-CHCl-O-CH2-CH3 à CH3-CHCl-O-CHCl-CH3
Cl2 Cl2
Si esta reacción se realiza a la luz, se sustituyen todos los átomos de hidrógeno, formándose:
CH3-CCl2-O-CCL2-CCl3
El éter etílico también denominado éter sulfúrico, éter dietílico o simplemente éter, tiene como fórmula
CH3-CH2-O-CH2-CH3. Es un líquido incoloro, ligeramente soluble em agua, miscible con etanol en todas
las proporciones y es inflamable. Forma mezclas explosivas con el aire, lo cual constituye un gran
inconveniente para sus aplicaciones. El punto de ebullición es 34.5°C.
Se utiliza en la industria como disolvente de grasas, aceites, resinas, etc. También se emplea como
refrigerante y anestésico.
4. Cetona y aldehídos
Generalidades.- Si los alcoholes constituyen el primer grado de oxidación de los hidrocarburos, los
aldehídos y las cetonas representan el segundo. Se ha visto anteriormente que los alcoholes primarios se
oxidan en aldehídos y los secundarios en cetonas; continuando la oxidación se producirán ácidos
orgánicos que corresponden al tercer grado de oxidación.
La formula general de un aldehído es Y la de una cetona .
La existencia de ambos tipos de compuestos del grupo carbonilo implica una serie de propiedades
comunes, que dependen de la reactividad del doble enlace de dicho grupo.
Nomenclatura.- Los compuestos que contienen el grupo carbonilo (C=O)se conocen como aldehídos y
cetonas. Si uno de los átomos unido al gripo carbonilo es un átomo de hidrógeno, el compuesto es un
aldehído ( ). El otro átomo o grupo de átomos unidos al carbonilo pueden ser hidrógeno o radicales
alquil. En el caso de las cetonas, ambos grupos unidos al carbonilo son alquilos ( ).
En el sistema IUPAC la terminación característica para los aldehídos es al y para las cetonas ona, las
cuales se añaden al nombre original del hidrocarburo (suprimiendo la terminación "o"de éste) que tenga el
mismo número de átomos de carbono.
Por lo común, el compuesto se denomina como derivado de la cadena continua más larga de átomos de
carbono, incluyendo el grupo funcional carbonilo. En el caso de los aldehídos, el grupo –CH=O tiene que
aparecer siempre al final de la cadena e indicar siempre el número 1, aunque este número no aparece en
el nombre. Sin embargo, en el caso de las cetonas el grupo carbonilo puede estar en posiciones diversas
en una cadena carbonada y su posición debe indicarse con el número más bajo posible. Los demás
sustituyentes quedan indicados por el número adecuado y el prefijo destinado a indicar sus posiciones en
la cadena carbonada.
También se emplean nombres comunes para aldehídos y cetonas. Los aldehídos se denominan por lo
general como derivados del ácido correspondiente que puedan formar por oxidación, la terminación ico
del ácido se suprime y se sustituye por el término aldehído.
Las cetonas, con excepción de la acetona, se nombran según los grupos alquilo unidos a la función
carbonilo seguidos de la palabra cetona.
Ejemplos:
Aldehídos
Compuesto Nombre
H-CH=O Metanal ó formaldehído
CH3-CH=O Etanal ó acetaldehído
CH3-CH2-CH=O Propanal ó propionaldehído
CH3-(CH2)6-CH=O Octanal ó caprilaldehído
Cetonas
Compuesto Nombre
CH3-C-CH3
װ
O
Propanona; dimetil-cetona ó acetona
CH3-CH2-C-CH3
װ
O
Butanona; metil-etil cetona
CH3
|
CH3-CH-CO-CH2-CH3
2-metil-3-pentanona
CH2-CH3
|
CH3-CH2-CH2-CH2-C-C-CH2-CH3
װ |
CH3-CH2 O
4,4-dietil-3-octanona
Obtención.- La obtención de aldehídos y cetonas se efectúa por oxidación de alcoholes primarios y
secundarios, hecha con dicromato potásico en medio ácido, por hidrólisis del acetileno para obtener un
aldehído:
HC≡CH+M2O à CH3-COH
SO4H2
Por hidrólisis de los alqunos, salvo el acetileno, para producir cetonas:
CH3-C≡CH+H2O à CH3-CO-CH3
Puede realizarse la hidrólisis de los derivados dihalogenados de los hidrocarburos con halógenos en el
mismo átomo de carbono para obtener aldehídos o cetonas:
CH3-CHCl2+2H2O à 2ClH+CH3-COH+H2O
CH3-CCl2-CH3+2H2O à 2ClH+CH3-CO-CH3+H2O
Propiedades físicas.- Con la excepción del metanol, que es un gas, los aldehídos y las cetonas que tienen
hasta diez átomos
de carbono son líquidos de olor agradable, sobre todos las últimas. Son muy solubles en disolventes
orgánicos, pero sólo son solubles en agua los primeros términos de cada clase. Esta solubilidad en agua
es mucho mayor en disoluciones de ácidos fuertes, puesto que aceptan protones y forman sales de
oxonio.
Propiedades químicas.- La reactividad de aldehídos y cetonas de debe al carácter no saturado del grupo
carbonilo. Por reducción se obtienen los alcoholes correspondientes:
CRH=O+[H] à R-CH2OH
RRC=O+[H] à R-CHOH-R
Reacciones de diferenciación.- A diferencia de las cetonas, los aldehídos son reductores fuertes, lo que
se manifiesta con una disolución de NO3Ag amoniacal, que les hace depositar en espejo brillante de plata
metálica (reactivo de Tollens), y con el reactivo de Fehling (disolución alcalina de sulfato cúprico y tartrato
sódico potásico), al formarse un precipitado de óxido cúprico de color rojo. Los aldehídos se polimerizan
fácilmente, formando sustancias de elevado peso molecular sin alterar la composición elemental. Las
cetonas no se polimerizan.
5. Acido Carboxílico
Generalidades.- Los ácidos orgánicos contienen carbono, oxígeno e hidrógeno y se encuentra en su
molécula el radical monovalente carboxilo –COOH. Se denominan monoácidos cuando sólo hay un grupo
carboxilo, diácidos y triácidos, si tienen respectivamente dos o tres, etc.
Poseen las mismas propiedades que los ácidos en general, es decir, enrojecen el papel tornasol, dan
reacciones de neutralización con las bases, atacan a los metales desprendiendo hidrógeno, etc., y se
hallan disociados, aunque débilmente, en iones H+ de la forma siguiente:
Con los alcoholes forman ésteres por la reacción llamada de esterificación:
R-COOH+R´OH à R-COOR´+H2O
Con los halógenos reaccionan realizándose sustituciones de los átomos de hidrógeno contenidos en el
carbono vecino de la función ácido:
CH3-COOH+Cl2 à CH2Cl-COOH+ClH
Con los cloruros de fósforo dan cloruros de ácido:
3CH3-COOH+Cl3P à PO3H3+3CH3-COOH
Está ubicado siempre en el extremo de la cadena de carbonos.
Nomenclatura.- Los ácidos carboxílicos se definen como compuestos orgánicos que contienen uno o más
grupos carboxilos (-COOH) en la molécula. El nombre sistemático de los ácidos se obtiene usando el
nombre del hidrocarburo con cadena más larga, sin arborescencias que incluya al grupo carboxilo, y
sustituyendo la terminación o del alcano por oico, anteponiendo la palabra ácido.
También se tienen nombres comunes debido a que muchos de ellos se conocen desde hace mucho
tiempo y su nombre se deriva de las fuentes naturales. Estos nombres no se recomiendan en la
actualidad excepto para los ácidos más sencillos, ya que es más simple y lógico aplicar la nomenclatura
sistemática a todos los ácidos. Ocasionalmente se puede poner al final del nombre del hidrocarburo la
palabra carboxílico, por ejemplo:
Compuesto Nombre
H-COOH Acido fórmico o ácido metanoico
CH3-COOH Acido acético, ácido etanoico, metano carboxílico
CH3-CH2-COOH Acido propiónico, ácido propanoico, etano carboxílico
CH3-(CH2)2-COOH Acido butírico, ácido butanoico, propano carboxílico
CH3-(CH2)5-COOH Acido enántico, ácido heptanoico, hexano carboxílico
Para nombrar los ácidos orgánicos con ramificaciones se toma como número 1 al carbono del grupo
carboxilo. Ejemplo:
CH3-CH-CH2-COOH CH2-CH2-CH2-COOH
| |
Cl OH
Ácido 3-clorobutanoico ácido 4-hidroxibutanoico
Pero más utilizada que la nomenclatura sistemática de los ácidos es la nomenclatura común, la cual usa
indistintamente números o letras griegas para indicar la posición de los radicales o sustituyentes. Al
carbono 2 se le asigna la letra alfa (α) y así sucesivamente en la cadena principal. Ejemplo:
CH3-CH2-CH-COOH CH3-CH-COOH
| |
NH2 I
Ácido α-amino butílico ácido α-yodo propiónico
Obtención.- Los ácidos grasos se preparan por oxidación de alcoholes, aldehídos y cetonas, realizada con
dicromato potásico en medio ácido:
R-CH2OHà R-COHà R-COOH
R-CHOH-R´à R-COR´à R-COOH+R´-COOH
Por hidrólisis de las grasas naturales, que permiten obtener muchos ácidos grasos superiores, y por
acción de un ácido inorgánico fuerte sobre sales orgánicas:
CH3-COONa+ClHà ClNa+ROOH
El ácido butírico se encuentra en la mantequilla rancia y el ácido capróico en la leche de cabra. Los ácidos
caprónico, caprílico y caprínico (con 6, 8 y 10 átomos de carbono) se encuentran en la manteca de leche
de vaca y cabra. Los ácidos palmítico y esteárico se sacan del sebo y sirven para la fabricación de velas.
El ácido fórmico es el veneno que secretan las hormigas cuando muerden, se encuentra también en el
veneno de las abejas, en las orugas procesionarias y en las ortigas, este ácido, es el más fuerte de la
serie, es un líquido incoloro, de olor picante y cáustico, muy reductor y se disuelve en agua en todas
proporciones. El ácido acético se encuentra en los alquitranes procedentes de la destilación de la madera,
de donde se extrae industrialmente, es un líquido incoloro, soluble, de olor picante, muy higroscópico y se
solidifica en cristales (acético glaciar) a 16.5°C, además de usarse como condimento (vinagre), el ácido
acético se emplea en el estampado de la lana y de la seda, en la farmacia, para la fabricación de
aspirinas y en la preparación de lacas y barnices. El ácido acrílico (CH2=CH-COOH)se obtiene en la
industria por acción del ácido cianhídrico sobre el óxido de etileno, saponificando el nitrilo formado. Es un
líquido que se solidifica a 12.3°C y hierve a 142°C.
6. Sales orgánicas y esteres
Los ésteres son el producto de la deshidratación entre una molécula de ácido y una de alcohol. Para
nombrarlos se cambia la terminación ico del nombre del ácido por el sufijo ato y el nombre del radical
derivado del alcohol, o bien el nombre del metal en el caso de las sales orgánicas. Ejemplo:
Compuesto Nombre
H-COO-CH3 Metanoato de metilo o formiato de metilo
CH3-COO-CH2-CH3 Etanoato de etilo o acetato de etilo
(CH3-COO)2Pb Acetato de plomo
(CH3-COO)Na Acetato de sodio
C17H35COONa Estearato de sodio
Al reaccionar un ácido inorgánico u orgánico con un alcohol, se elimina el agua y se forma un éster, en el
que el hidrógeno ácido ha sido reemplazado por un radical alquilo. Los ésteres, aunque de constitución
análoga a las sales, se diferencian de éstas en que no se ionizan. Son también insolubles en agua y muy
abundantes en la naturaleza, determinando el olor de las frutas y las flores. Se designan cambiando la
terminación oico del ácido por la de ato (nitrato de etilo, etanoato de metilo).
Obtención.- los ésteres se preparan por reacción de los yoduros de alquilo con sales de plata:
CH3-COOAg+ICH3à CH3-COOCH3+Iag
Por la acción de un cloruro de ácido sobre un alcohol.
CH3_COCL+NaOC2H5 à CH3-COOC2H5+CLNa
Propiedades químicas.- En las reacciones de los ésteres, la cadena se rompe siempre en un enlace
sencillo, ya sea entre el oxígeno y el alcohílo R, ya sea entre el oxígeno y el grupo R-CO-, eliminando así
el alcohol o uno de sus derivados (R´I, R´-O-Mg-X, por ejemplo). La saponificación d los ésteres, llamada
así por su analogía con la formación de jabones a partir de las grasas, es la reacción inversa a la
esterificación:
R-CO-O-R´+HO-Hà R-CO-OH+R´-O-H
Los ésteres se hidrogenan más fácilmente que lo ácidos, empleándose generalmente el éster etílico
tratado con una mezcla de sodio y alcohol, y se condensan entre sí en presencia de sodio y con las
cetonas.
7. Aminas
Generalidades.- Las aminas se consideran como derivados del amoniaco y resultan de la sustitución de
los hidrógenos de la molécula por los radicales alquilo. Según se sustituyan uno, dos, tres o más
hidrógenos, las amidas serán primarios, secundarios o terciarios, respectivamente. Se designan poniendo
la terminación amina, característica de la serie al nombre de los grupos alquilo unidos al nitrógeno:
CH3-NH2 metilamina
(CH3)2NH di metilamina
(CH3)2NC2H5 di metiletilamina
Las aminas son simples cuando los grupos alquilo son iguales y mixtas si estos son diferentes.
Nomenclatura.- La sustitución se uno o más átomos de hidrógeno del amoniaco por radicales orgánicos
da una serie de compuestos llamados aminas. Las aminas se clasifican de acuerdo con el número de
átomos de hidrógeno del amoniaco que se sustituyen por grupos orgánicos, los que tienen un solo grupo
se llaman aminas primarias, los que tienen dos se llaman aminas secundaria y así sucesivamente.
Ejemplo:
H H R´
| | |
H-N-H R-N-H R-N-H
| | |
(NH3) (R-NH2) (R2-NH)
Amoniaco Primaria Secundaria
Cunado se usan los prefijos de, tri, se indica si es una amina secundaria y terciaria, respectivamente, con
grupos o radicales iguales. Cuando se trata de grupos diferentes a estos se nombran empezando por los
más pequeños y terminando con el mayor al que se le agrega la terminación amina. Algunas veces se
indica el prefijo amino indicando la posición, más el nombre del hidrocarburo.
Ejemplos:
Compuesto Nombre
CH3-NH2 Metilamina o aminometano
CH3-NH-CH3 Dimetilamina ó metilaminometano
CH3-CH2-NH-CH2-CH2-CH3 Etil-propil-amina ó etil-amino-propano
Compuesto Nombre
CH3-N-CH3
|
CH3
Trimetilamina ó dimetilaminometano
CH3
|
N-CH2-CH2-CH3
|
CH2-CH3
Metil-etil-propilamina ó metil-etil-aminopropano
Obtención.- Se obtiene de una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias por el método de
Hoffman, consiste en calentar los halogenurios de alquilo con una solución etanólica de amoniaco en tubo
cerrado:
R-Cl+HNH2à ClH+R-NH2
RNH2+RCl à ClH+(R)2NH
(R)2NH+RClà ClH+R3N
R3N+RClà [R4N]+Cl
- sal de amonio cuaternaria
Por destilación fraccionada en una solución de KOH se consigue separar las tres aminas, gracias a la
diferencia que existe entre sus puntos de ebullición, y la sal de amonio permanece inalterada. Las aminas
primarias se pueden preparar también reduciendo con hidrógeno (sodio+alcohol) los nitrilos:
CH3-C≡N+2H2 à C2H5-NH2 etilamina
Propiedades y diferenciación.- En las aminas, los términos más bajos son gaseosos y solubles en agua,
los intermedios son líquidos y los superiores son sólidos. La solubilidad en agua disminuye según
aumenta el peso molecular. Los primeros términos son volátiles y de olor amoniacal.
Todas las aminas son bases, incluso más fuertes que el amoniaco:
R-NH2+H2O à RNH3-+OH
-
Reaccionan con los ácidos, formando sales de amonio:
CH3-NH2+ClH à [CH3-NH3]+Cl
-
Reaccionan con los halogenuros de alquilo, dando halogenuros de amonio aquilo sustituidos. Los tres
tipos de aminas se diferencian principalmente por su comportamiento con el ácido nitroso, las primarias
suelen formar alcohol y desprender nitrógeno, las secundarias forman nitrosamidas y las terciarias no
reaccionan con el ácido nitroso.
El grupo amino es constituyente principal de las proteínas y varias aminas tienen olor a pescado.
8. Amidas
Generalidades.- Las amidas responden a la fórmula general y se separan deshidratando las sales
amónicas de los ácidos grasos:
R-CO-O-NH4 à R-CO-NH2+H2O
Se forman igualmente en la reacción de los cloruros de ácido con el amoniaco y en la hidratación de los
nitrilos. Se denominan en la función del ácido de que se derivan: formamida (H-CO-NH2), acetamida (CH3-
CO-NH2), etc.
Nomenclatura.- Las amidas se consideran como el producto de la sustitución del hidroxilo del grupo
funcional carboxilo por un grupo amino; su fórmula general es: R-CONH2.
Se nombran cambiando la terminación ico del ácido por la palabra amida. Ejemplo:
Compuesto Nombre
CH3-CONH2 Etanoamida ó acetamida
H-CONH2 Metanoamida ó formamida
Si la amida contiene es sustitúyente en el nitrógeno, éste debe indicarse como prefijo. Ejemplo:
CH3-CO-NH-CH3 N-metil acetamida
C2H5-CO-NH-C2H5 N-etil propanamida
Propiedades.- Las amidas se presentan en forma de sólidos cristalizados, y la determinación de su punto
de fusión puede servir para caracterizar los ácidos de los que se derivan. Son solubles en el alcohol y en
el éter, pero sólo si los primeros de la serie son solubles en agua. La amidas constituyen el término
intermedio de hidratación entre los nitrilos (R-C≡N) y las sales amónicas de los ácidos (R-CO-O-NH4): R-
C≡Nà R-CO-NH2à R-CO2NH4
Se hidratan por acción de los ácidos minerales o de los álcalis diluidos y se transforman en ácidos grasos.
En cambio, los deshidratantes conducen a la formación de nitrilos. Son, al mismo tiempo, bases y ácidos
muy débiles, lo que hace que formen sales muy hidrolizables con el ácido clorhídrico. Pueden engendrar
además derivados sódicos tales como: R-CO-NH-Na
Esta propiedad, característica de ciertos cuerpos, que consiste en poder formar en distintas condiciones el
catión o el anión de una sal, constituye el carácter anfótero de los mismos.
Por acción del hipoclorito o del hipobromito de sodio, las amidas R-CO-NH2se transforman en aminas R-
NH2. El átomo de carbono de la amida se elimina en forma de anhídrido carbónico.
PROTEÍNAS
Las proteínas son esenciales en la química de la vida. Estas macromoléculas se emplean como componentes estructurales de las células y tejidos, así que el crecimiento, la restauración y el mantenimiento del organismo dependen del abastecimiento adecuado de esas sustancias. Algunas son enzimas, moléculas especiales que regulan miles de reacciones químicas distintas que ocurren en los seres vivos.
Los elementos proteínicos constitutivos de cada célula son la clave de su estilo de vida. Cada tipo celular posee una distribución, cantidad y especie de proteínas que determina el funcionamiento y la apariencia de la célula. Una célula muscular difiere de otras en virtud de su gran contenido de proteínas contráctiles, como la miosina y la actina, a las que se debe, en gran parte su apariencia y su capacidad de contracción.
La proteína llamada hemoglobina, que se encuentra en los glóbulos rojos o eritrocitos, se ocupa de la especializada función de transportar oxígeno.
La mayor parte de las proteínas son específicas de cada especie; es decir, las proteínas varían un poco de una especie a otra, de manera que el complemento de cada una de ellas (determinado por las instrucciones de los genes) es el principal factor de las diferencias que median entre una especie y otra. Así, las proteínas en las células de un perro varían un poco con respecto a las de un zorro o a las de un coyote. Se cree que el grado de diferencia depende de las relaciones evolutivas. Los organismos vagamente relacionados tienen proteínas que difieren en forma más marcada, que las de aquellos entre los cuales se establece una relación evolutiva más estrecha. Algunas proteínas apenas son diferentes aún entre individuos de una misma especie, por lo que se considera que cada organismo es único, desde el punto de vista bioquímico. Sólo individuos genéticamente idénticos (gemelos idénticos o cepas de organismos cultivados en relación muy estrecha) presentan proteínas idénticas.
Funciones biológicas de las proteínas
Gracias a su gran heterogeneidad estructural, las proteínas asumen funciones muy variadas. Describir
las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes:
Función enzimática. La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la
presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría de las proteínas son enzimas.
Función hormonal. Las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez
secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).
Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga un gran número de proteínas
encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo (figura de la izquierda). Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor (hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica.
Función de transporte. En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para
llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas.
Función estructural. Las células poseen un cito esqueleto de naturaleza proteica que constituye
un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión
Función de defensa. La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de
discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de DNA que no identifica como propias (en color blanco en la figura de la derecha). En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario
Función de movimiento. Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas
con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos
Funciones de reserva. La ovo albúmina de la clara de huevo, la lacto albúmina de la leche, la
gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión.
Funciones reguladoras. Muchas proteínas se unen al DNA y de esta forma controlan la
trascripción génica. De esta forma el organismo se asegura de que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina
Otras funciones. Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de
señales) están mediados por proteínas. Así, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica) y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula.
ACIDOS NUCLEICOS
En las células se encuentran dos variedades de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN forma genes, el material hereditario de las células, y contiene instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita.
El ARN está asociado a la transmisión de la información genética desde el núcleo hacia el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas, proceso al cual está estrechamente relacionado. Hay tres tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr), que actúan en el proceso de síntesis de proteínas.
Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos son moléculas grandes y complejas. Fueron aisladas por primera vez por Miescher en 1870, a partir del núcleo de las células del pus; su nombre se origina del hecho de que la primera vez que se identificaron se observó que eran ácidos, además de que fueron identificados por primera vez en el núcleo celular.
Nucleótidos: sub. Unidades de los ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son biopolímeros, pero a diferencia de los polisacáridos como el almidón o el glucógeno, en los que el monómero es una molécula simple (la - o la ß-glucosa, respectivamente), los monómeros de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, unidades moleculares que constan de: 1) un azúcar de cinco carbonos, ya sea ribosa en el caso del ADN o desoxirribosa en el caso del ARN; 2) un grupo fosfato y, 3) una base nitrogenada, ya sea una purina de doble anillo o una pirimidina de anillo simple.
El ADN contiene las bases púricas Adenina (A) y Guanina (G) y las bases pirimídicas Citosina (C) y Timina (T), junto con el azúcar desoxirribosa y el fosfato. El ARN contiene las mismas bases púricas (A y G), pero en cuanto a las bases pirimídicas el Uracilo (U) reemplaza a la timina.
Las moléculas de los ácidos nucleicos están formadas por cadenas de nucleótidos, cada uno de ellos unido al siguiente por enlaces covalentes entre la molécula de azúcar de una cadena (el carbono 3´de la ribosa o de la desoxirribosa) y la molécula de fosfato de la otra cadena, que a su vez está unido al carbono 5´de la pentosa.
Estos enlaces son Ilamados uniones o puentes fosfodiéster, porque el fosfato está unido por una unión éster fosfato al azúcar del nucleótido y por otra unión equivalente al azúcar del nucleótido que lo precede.
Las moléculas de ADN son considerablemente más grandes que las de ARN, pero además poseen una estructura doble, ya que están constituidas por dos cadenas que son complementarias entre sí. Las dos cadenas se enfrentan por las bases, que se mantienen unidas por la existencia de puentes de hidrógeno, pero la complementariedad proviene de que siempre una base púrica (de mayor dimensión) se enfrenta con una base pirimídica y que el acoplamiento siempre enfrenta a A con T y a G con C. Este hecho es fundamental para permitir la duplicación (“replicación”) del ADN, ya que cada una de las cadenas sirve de molde para que se produzca la cadena complementaria respectiva.
Como consecuencia de su elevado contenido en ácido fosfórico y a raíz del pH cercano a la neutralidad del medio celular, las moléculas de ADN en el núcleo poseen carga negativa. Este hecho favorece su asociación con proteínas básicas (las histonas), que aparentemente juegan un rol protector y que en conjunto con el ADN constituyen la cromatina nuclear. El ADN (y las histonas asociadas) se dispone en
forma helicoidal y parcialmente enrollada mientras la célula está en actividad normal, pero sufre una gran condensación (súper enrollamiento) en el momento de la división celular, dando lugar a los cromosomas.
En realidad no existen diferencias estructurales entre la cromatina nuclear y los cromosomas, sino que se trata de distintos grados de condensación de la molécula de ADN. Si bien el término cromatina se sigue utilizando (proviene de la época de las primeras observaciones microscópicas de núcleos coloreados: cromatos = color), la tendencia moderna es llamar cromosoma al ADN nuclear, independientemente del grado de condensación que exhiba.
La diferencia esencial entre ADN y ARN, además del reemplazo de la desoxirribosa por la ribosa y de T por U, es que el ARN está constituido por una cadena única y que sus dimensiones son considerablemente más reducidas que las del ADN. Los tres tipos principales de ARN (mensajero, de
transferencia y ribosómico) están asociados con el proceso de síntesis de proteínas, que tiene lugar en los ribosomas, estructuras que contienen ARN y proteínas y que constituyen el lugar físico en el que se desarrolla la síntesis de las moléculas proteicas. El ARNm contiene generalmente la información de la secuencia de aminoácidos de una única proteína y obtiene dicha información por el proceso de trascripción, a través del cual una enzima específica (ARN polimerasa) copia la información contenida en un sector (un gen) de una de las dos cadenas del ADN. Este proceso ocurre naturalmente en el núcleo,
pero el ARNm pasa al citoplasma a través de los poros nucleares y se encuentra con los ribosomas. La secuencia de bases del ARNm (que como se dijo es complementaria de la secuencia de bases de un sector de ADN) contiene la información sobre la posición que deben ocupar los aminoácidos en la proteína. Esta codificación recibe el nombre de código genético. Por su parte distintos ADNt son los
encargados de reconocer a cada uno de los aminoácidos y ubicarlos en el lugar señalado por el código genético en un proceso conocido como traducción.
Otros nucleótidos importantes
Aparte de su importancia como sub. unidades de los ácidos nucleicos, los nucleótidos intervienen en otras importantes funciones de las células. El trifosfato de adenosina (ATP), compuesto de adenina, ribosa y tres fosfatos tiene una importancia destacada como fuente de energía para las células. Los dos fosfatos terminales se unen al nucleótido mediante enlaces "ricos en energía", que se señalan por el símbolo ~P. Estos enlaces reciben tal nombre porque liberan una gran cantidad de energía cuando se someten a hidrólisis. La energía que se libera es biológicamente utilizable y puede transferirse a otras moléculas. La mayor parte de la energía química de las células se almacenan en enlaces de fosfato (ATP) ricos en energía, lista para liberarse cuando el grupo fosfato se transfiere a otra molécula.
Un nucleótido puede convertirse en una forma cíclica por medio de enzimas Llamadas ciclasas. De esta manera la adenilatociclasa convierte al ATP en adenosín monofosfato cíclico (AMP cíclico). Los nucleótidos cíclicos juegan un papel importante en la mediación de los efectos hormonales y en la regulación de varios aspectos de la función celular.
Las células contienen varios dinucleótidos de importancia especial en los procesos metabólicos. Por ejemplo, como se discutirá en el capítulo 7, el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD) es muy importante como receptor y donador de hidrógeno y electrones en funciones biológicas de oxidación y reducción en las células.
Los carbohidratos, también llamados glúcidos, se pueden encontrar casi de manera exclusiva en alimentos de origen vegetal. Constituyen uno de los tres principales grupos químicos que forman la materia orgánica junto con las grasas y las proteínas.
Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes de la biosfera y a su vez los más diversos. Normalmente se los encuentra en las partes estructurales de los vegetales y también en los tejidos animales, como glucosa o glucógeno. Estos sirven como fuente de energía para todas las actividades celulares vitales.
Aportan 4 kcal/gramo al igual que las proteínas y son considerados macro nutrientes energéticos al igual que las grasas. Los podemos encontrar en una innumerable cantidad y variedad de alimentos y cumplen un rol muy importante en el metabolismo. Por eso deben tener una muy
importante presencia de nuestra alimentación diaria.
En una alimentación variada y equilibrada aproximadamente unos 300gr./día de hidratos de carbono deben provenir de frutas y verduras, las cuales no solo nos brindan carbohidratos, sino que también nos aportan vitaminas, minerales y abundante cantidad de fibras vegetales. Otros 50 a 100 gr. diarios deben ser complejos, es decir, cereales y sus derivados. Siempre preferir a todos aquellos cereales que conservan su corteza, los integrales. Los mismos son ricos en vitaminas del complejo B,
minerales, proteínas de origen vegetal y obviamente fibra.
La fibra debe estar siempre presente, en una cantidad de 30 gr. diarios, para así prevenir enfermedades y trastornos de peso como la obesidad. En todas las dietas hipocalóricas las frutas y verduras son de gran ayuda, ya que aportan abundante cantidad de nutrientes sin demasiadas calorías.
Funciones Las funciones que los glúcidos cumplen en el organismo son, energéticas, de ahorro de proteínas, regulan el metabolismo de las grasas y estructural.
Energéticamente, los carbohidratos aportan 4 KCal (kilocalorías) por gramo de peso seco. Esto
es, sin considerar el contenido de agua que pueda tener el alimento en el cual se encuentra el carbohidratos. Cubiertas las necesidades energéticas, una pequeña parte se almacena en el hígado y músculos como glucógeno (normalmente no más de 0,5% del peso del individuo), el resto se transforma en grasas y se acumula en el organismo como tejido adiposo. Se suele recomendar que minimamente se efectúe una ingesta diaria de 100 gramos de hidratos de carbono para mantener los procesos metabólicos.
Ahorro de proteínas: Si el aporte de carbohidratos es insuficiente, se utilizarán las proteínas
para fines energéticos, relegando su función plástica.
En una alimentación equilibrada aproximadamente unos 300gr./día de hidratos de carbono deben provenir de frutas y verduras.
Regulación del metabolismo de las grasas: En caso de ingestión deficiente de carbohidratos, las
grasas se metabolizan anormalmente acumulándose en el organismo cuerpos cetónicos, que son productos intermedios de este metabolismo provocando así problemas (cetosis).
Estructuralmente, los carbohidratos constituyen una porción pequeña del peso y estructura del
organismo, pero de cualquier manera, no debe excluirse esta función de la lista, por mínimo que sea su indispensable aporte.
Clasificación de los hidratos de carbono:
Los simples:
Los carbohidratos simples son los monosacáridos, entre los cuales podemos mencionar a la glucosa y la fructosa que son los responsables del sabor dulce de muchos frutos. Con estos azúcares sencillos se debe tener cuidado ya que tienen atractivo sabor y el organismo los absorbe rápidamente. Su absorción induce a que nuestro organismo secrete la hormona insulina que estimula el apetito y favorece los depósitos de grasa.
El azúcar, la miel, el jarabe de arce (maple syrup), mermeladas, jaleas y golosinas son hidratos de carbono simples y de fácil absorción. Otros alimentos como la leche, frutas y hortalizas los contienen aunque distribuidos en una mayor cantidad de agua.
Algo para tener en cuenta es que los productos industriales elaborados a base de azucares refinados es que tienen un alto aporte calórico y bajo valor nutritivo, por lo que su consumo debe ser moderado.
Los complejos:
Los carbohidratos complejos son los polisacáridos; formas complejas de múltiples moléculas. Entre ellos se encuentran la celulosa que forma la pared y el sostén de los vegetales; el almidón presente en tubérculos como la patata y el glucógeno en los músculos e hígado de animales.
El organismo utiliza la energía proveniente de los carbohidratos complejos de a poco, por eso son de lenta absorción. Se los encuentra en los panes, pastas, cereales, arroz, legumbres, maíz, cebada, centeno, avena, etc.
Digestión de los hidratos de carbono
Para saber como es el metabolismo de los carbohidratos, vea como es su digestión.
Refiriéndonos a la Bioquímica elemental de los Hidratos de Carbono, podemos decir que los carbohidratos son polihidroxicetonas o polihidroxialdehidos y sus derivados. Para los fines de estudio en nutrición solamente se tienen en cuenta aquellos con cuatro o más átomos de carbono. Estos compuestos son extremadamente polares y se unen entre sí dando polímeros.
.Lípidos
Grupo de compuestos insolubles en agua, de unidad monomérica ácidos grasos, con funciones diversas como:
almacenamiento de energía
estructural (membrana plasmática)
pigmentos
agentes formadores de emulsiones
hormonas
mensajeros intracelulares
Ácidos Grasos
Ácido carboxilo unido a una cadena hidrocarbonada de 4 a 36 C (carbono) que esta en su forma más reducida.
La cadena hidrocarbonada puede estar saturada, o sea, con enlaces simples; o insaturada, con enlaces dobles.
Las saturadas son lineales y las insaturadas, con enlaces dobles.
Saturado
Insaturado
Las saturadas son lineales y las insaturadas presentan un ángulo en la(s) zona(s) del doble enlace.
Su nomenclatura comienza con el número de C que componen el ácido, separado por dos puntos del número de dobles enlaces que se acompaña por un parentesis que contiene un delta con el que se indica la posición de los dobles enlaces. El carbono 1 es el del ácido carboxilo.
Ej:
Ácido láurico 12:0 -->saturado
Ácido oleico 18:1(delta 9) --> insaturado.
Funciones:
Determinadas por el largo de la cadena hidrocarbonada y el número de dobles enlaces.
Al ambiente los ácidos grasos saturados con cadenas de 12 a 24 C tienen consistencia semisólidas (cerosa) en cambio, los insaturados tienen consistencia líquida (aceitosa). Esto debido a que existe un mayor número de interacciones entre cadenas lineales que tienden a ordenase mejor formando sustancias más sólidas A pH=7, el grupo carboxilo esta ionizado.
En animales vertebrados, los ácidos grasos circulan en la sangre unidos a una proteína transportadora llamada albúmina sérica.
Triacilgliceroles
Ácidos grasos saturados e insaturados que pueden combinarse con el glicerol para formar triacilglicerol o triglicéridos. Este es un compuesto común para el almacenamiento energético en células eucariontes. Son hidrofóbicos y se almacenan como gotas en células especiales. La almacenación de energía en triglicéridos tiene una ventaja por sobre los carbohidratos que no se acumula agua de hidratación y que en la oxidación rinden más de 2 veces.
Los aceites y grasas presentes en los alimentos animales son generalmente una mezcla de triglicéridos saturados e insaturados.
La unión de los triglicéridos puede ser hidrolisada por ácido o álcalis. El calentamiento de las grasas animales con NaOH o KOH produce glicerol y las sales de Na+ o K+ de los ácidos grasos, conocidas como jabones. A este proceso se le denomina saponificación.
Los jabones ayudan a solubilizar o dispersar materiales insolubles en agua, formando agregados microscópicos o micelas. Los triglicéridos pueden ser hidrolizados por enzimas llamadas lipasas y liberan los ácidos grasos que son transportados en la sangre (en el intestino hay lipasas y también en los adipositos).
Las ceras.
Formadas por ácidos grasos de cadenas de 14 a 36 C unidas por un enlace ester a alcoholes de cadena larga de 16 a 30 carbonos.
El punto de fusión de las ceras es mayor que el de los triglicéridos (60º -100º) por lo que son generalmente sólidas al ambiente.
Lípidos de la membrana.
Existen tres tipos principales de lípidos de membrana:
1. glicerofosfolípidos 2. esfingolípidos 3. esteroles.
1.- Glicerofosfolípidos
Estos lípidos de membrana son fosfolípidos y están formados por glicerol unido en el C1 a un ácido graso saturado, en C2 a un ácido graso insaturado y en C3 a un grupo fosfato y a un alcohol polar.
2.- Esfingolípidos
Este tipo de lípidos también forma parte de ciertas membranas. entre los esfingolípidos también hay un tipo de fosfolípido que es el esfingomielina.
Los esfingolípidos no contienen glicerol y están formados por una molécula de alcohol aminada de cadena larga que es la esfingosina unida en el C2 que lleva un grupo amino que está unido a un ácido graso saturado y el C1 puede estar unido a un grupo fosfato y al alcohol colina o a uno o más azúcares. Cuando se une un ácido graso en enlace amida al -NH2, el compuesto que se obtiene es una ceramida, la que es la unidad estructural fundamental de todos los esfingolípidos.
Existen tres subclases de esfingolípidos:
1. esfingomielinas: contienen fosfocolina o fosfoetanolamina como grupo de cabeza polar, se encuentra en las membranas plasmáticas de las células animales; principalmente en la vaina de mielina.
2. glucolípidos o glucoesfongolípidos: son neutros y están asociados a un azúcar (o más) se ubican principalmente en la cara externa de la membrana celular. Existen los cerebrósidos que tienen un solo azúcar unido a la ceramida, denominados así por su ubicación en el SN, en las membranas plasmáticas de los tejidos nerviosos, cuando se unen a una galactosa. Cuando se unen a una glucosa, pertenecen a las membranas plasmáticas de las células no nerviosas.
3. glangliósidos: formados por una cabeza polar muy grande que contiene varias unidades glucídicas.
La principal función de los esfingolípidos es el reconocimiento biológico. Es más, los grupos sanguíneos están determinados por ellos.
Los glicerofosfolípidos de las membranas son constantemente renovados ya que son degradadas y reemplazadas por las fosfolipasas, que rompen especificamente los istintos tipos de uniones. Las fosfolipasas A remueven los ácidos grasos del C1 y C2, dejando un lisofosolípido libre que es degradado por lisofosfolipasas para remover el fosfolipido. La degradación de fosfolípidos permite la expresión de señales extracelulares que activan a una fosfolipasa C que rompe los fosfatidilinositoles, liberando diacilglicerol e inositol fosfato, los que actuan como mensajeros intracelulares. Otros estímulos extracelulares activan a algunas fosfolipasas A que liberan ácido araquidónico que sirve para la síntesis de prostaglandinas, que también son segundos mensajeros.
3.- Esteroides.
Formadores de membrana en menor medida que los dos grupos anteriores. Derivados del colesterol. Los esteroles no contienen ácidos grasos como los esfingolípidos y glicerofosfolípidos. El anillo de colesterol se forma a partir de la condensación de unidades de isoprenos. El colesterol y sus derivados son moléculas planares que tiene un grupo polar (-OH) en el C3 y una larga cadena alifática en el C17. En algunos eucariontes existe el estigmasterol, en vez de colesterol en las membranas.
Existen muchas moléculas derivadas del colesterol que tienen diversas funciones tales como los ácidos biliares, hormonas esferoidales y la vitamina D3.
